劉昌明，田 巍，2，劉小莽，梁 康，白 鵬

（1.中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所陸地水循環(huán)及地表過程重點實驗室，北京100101；2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京100049）

1 黃河的重要地位與作用

黃河是中國的母親河，孕育了中華民族五千年的燦爛文化，以僅占全國河川徑流量2%的水資源，哺育著流經(jīng)北方九?。▍^(qū)）60多個大中城市340個縣占全國12%的人口，灌溉占全國13%的糧田。此外，黃河還為外流域大量供水，如上游為河西走廊供水、下游為河北平原供水，尤其是引黃濟淀已成為雄安新區(qū)重要的水源。流域內(nèi) GDP占全國的14%［1-2］，現(xiàn)有耕地1 193萬 hm2、林地1 020萬 hm2、牧草地2 793萬 hm2，宜于開墾的荒地約200萬hm2。眾所周知，黃河是古絲綢之路的起點，也是中華民族生存發(fā)展的重要支撐。黃河流域土地、水能、煤炭、石油、天然氣、礦產(chǎn)等資源豐富，在全國占有重要的地位，發(fā)展?jié)摿薮?，被譽為我國的“能源流域”。

2 認知黃河的地理水文特征是治理黃河的基礎(chǔ)

2.1 中國的第二大河

黃河是中國的第二大河，河長約5 464 km，在我國僅次于長江，流域面積（包括鄂爾多斯內(nèi)流區(qū)）近80萬km2。但是，在中國眾多的河流中，黃河的年平均徑流量相對較小，僅僅與福建閩江的560多億m3相當(dāng)，但閩江流域面積不到6.1萬km2，流長僅有562 km，兩者分別為黃河的1/13和1/10。黃河這一水文特征的成因是什么？理論上尚未定論，有待研究。

2.2 黃河在世界大江大河中的特點

從世界范圍來看，黃河也是水量與河長關(guān)系嚴(yán)重偏離的河流。在同等河長情況下，黃河年徑流量明顯偏?。ㄒ妶D1）。與黃河河長相當(dāng)?shù)娜~尼塞河（河長5 539 km）和西伯利亞鄂畢河（河長5 410 km）相比，黃河的年均徑流量還不到葉尼塞河的1/10和鄂畢河的1/7。

2.3 黃河水問題的主要挑戰(zhàn)

黃河水問題嚴(yán)重。20世紀(jì)70年代至90年代末，在氣候變化與人類無序用水的影響下，黃河出現(xiàn)了罕見的干流斷流事件，喪失了水資源再生性（可更新性），河流健康岌岌可危。從1999年開始，黃河水利委員會實施流域水量統(tǒng)一調(diào)度，實現(xiàn)了黃河干流連續(xù)20 a不斷流。近年來，隨著經(jīng)濟社會的發(fā)展，黃河流域地表水開發(fā)利用率和消耗率已分別高達80%和70%，遠超黃河水資源承載能力，缺水的態(tài)勢是黃河當(dāng)前與未來的最大挑戰(zhàn)。

在氣候變化和人類活動的雙重影響下，黃河的水文過程發(fā)生了劇烈變化，河川徑流量顯著變化［3-7］，直接或間接影響了流域生態(tài)環(huán)境健康和社會經(jīng)濟發(fā)展。黃河不同河段（區(qū)間）受人類活動和氣候變化影響的強度不一致，導(dǎo)致其河川徑流量變化規(guī)律也有所不同［8-9］。黃河上游地區(qū)水資源開發(fā)利用進程加快，隨之產(chǎn)生的生態(tài)環(huán)境問題正在日益惡化；黃河中游地區(qū)水土保持工程效果明顯，河流輸沙量和徑流量下降形成的缺水風(fēng)險正呈加劇的態(tài)勢；水沙連年減少造成下游灘區(qū)、黃河三角洲濕地與河口萎縮等，成為亟待解決的重大問題。經(jīng)濟社會發(fā)展相對滯后是當(dāng)前黃河生態(tài)文明建設(shè)應(yīng)著力補齊的短板。

從中華民族長遠利益來看，黃河流域必須走生態(tài)優(yōu)先、綠色發(fā)展之路，使綠水青山產(chǎn)生巨大生態(tài)效益、經(jīng)濟效益、社會效益，使母親河永葆生機活力。

3 實測黃河年徑流量銳減

3.1 百年序列水文情勢變化

1919年黃河干流設(shè)置陜縣水文站開始進行水文觀測，因其受三門峽水庫的影響等，故三門峽水庫建成后由附近的潼關(guān)水文站代替陜縣水文站繼續(xù)進行水文觀測［10］?；陉兛h和潼關(guān)水文站實測數(shù)據(jù)，分析黃河干流長達百年（1919—2018年）的年徑流量變化情勢（見圖2，其中 1919—1960年為陜縣站數(shù)據(jù)、1961—2018年為潼關(guān)站數(shù)據(jù)）。潼關(guān)站控制了黃河91%的流域面積和90%的徑流量，因而這100 a序列可反映黃河上中游干流的年徑流量變化規(guī)律。

1919—2018年，實測多年平均年徑流量為361.7億m3；最大年徑流量發(fā)生在1964年，為699.3億m3；最小年徑流量發(fā)生在1994年，為149.4億m3。Mann-Kendall趨勢檢驗發(fā)現(xiàn)，1919—2018年年徑流量序列呈現(xiàn)顯著的下降趨勢，下降速率為-2.26億m3/a。為避免太陽活動周期的影響，對年徑流量序列進行11 a滑動平均處理，結(jié)果表明：1940—1970年相對穩(wěn)定，1980—2000年下降趨勢極其顯著，2000年后出現(xiàn)了略微的上升趨勢。整體而言，受氣候變化和人類活動的共同影響，黃河干流百年來年徑流量呈現(xiàn)顯著的下降趨勢，但不同年代之間變化趨勢存在差異。

值得注意的是，1922—1932年出現(xiàn)了長達11 a的枯水期，見圖 3（a）（圖 3 中 1930s、1950s、1970s、1990s和2010s分別表示20世紀(jì)30年代、50年代、70年代、90年代和21世紀(jì)10年代，下同），多年平均年徑流量313.7億m3；1991—2011年黃河也出現(xiàn)了枯水期，多年平均年徑流量227.6億m3。這2個枯水期成因可能不同，根據(jù)Mu等［11］計算的陜縣站以上面降水量發(fā)現(xiàn)，1920—1929年多年平均降水量為338.5 mm，1990—2008年多年平均降水量為397.5 mm，1920—2008年多年平均降水量為421.1 mm。雖然2個枯水期的多年平均降水量均小于1920—2008年多年平均降水量，但1922—1932年枯水期多年平均降水量小于1990年后的多年平均降水量，而1922—1932年枯水期多年平均年徑流量大于1990年后的多年平均年徑流量。因此，1922—1932年枯水原因可能主要是降水虧缺，而1990年后枯水原因則是降水虧缺與人類活動共同影響（具體的貢獻比例仍需進一步探究）。圖3（c）為不同年代年徑流量變差系數(shù)CV的變化情況，21世紀(jì)前10 a CV最?。?0.16），20世紀(jì) 60年代 CV最大（為0.31），CV的年代際變化呈現(xiàn)周期性規(guī)律，20世紀(jì)20—60年代變化規(guī)律與20世紀(jì)70年代—21世紀(jì)前10 a變化規(guī)律類似，且20世紀(jì)70年代—21世紀(jì)前10 a的CV整體略小于20世紀(jì)20—60年代的。

3.2 典型水文站實測徑流量的變差系數(shù)分析

變差系數(shù)CV作為傳統(tǒng)且重要的水文統(tǒng)計參數(shù)，反映標(biāo)準(zhǔn)差相對于平均值的比例，即徑流量的波動和偏離程度。黃河干流4個典型水文站（蘭州、頭道拐、花園口、利津）各年代年徑流量變差系數(shù)見圖4，整體而言CV的排序為利津站＞頭道拐站＞花園口站＞蘭州站。蘭州、頭道拐、花園口站CV值20世紀(jì)60年代最大（分別為 0.25、0.36、0.38），而利津站 CV值20世紀(jì) 90年代最大（為0.50）；蘭州、頭道拐、花園口站CV值21世紀(jì)前 10 a 最?。ǚ謩e為0.12、0.18、0.18），利津站 CV值 20世紀(jì)50年代最小（為0.20）。

值得注意的是，在CV的計算中，均值是重要的輸入量，但年代際均值變化顯著，因為不同年代均值是一個變量，基于變化的均值計算的CV僅僅反映短期內(nèi)的波動變化情況，而無法反映整體序列的絕對波動變化情況，所以使用統(tǒng)一準(zhǔn)確的均值計算CV更能反映河川徑流的變化波動性。20世紀(jì)80年代和21世紀(jì)初水利部組織開展了兩次全國水資源調(diào)查評價，評價結(jié)果客觀反映了一定時期內(nèi)的水資源變化情況。以利津水文站為例，參考第一次、第二次水資源調(diào)查成果計算不同年代的CV值，第一次全國水資源調(diào)查評價參考1919—1975年序列，利津斷面多年平均徑流量為580億m3；第二次全國水資源調(diào)查評價參考1956—2000年序列，利津斷面多年平均徑流量為535億m3。圖5顯示兩種均值計算的CV值變化波動性、趨勢性基本相同，但與利用各時段均值計算的CV值有明顯差異，均值差異越大CV差異也越大。對此，還需要廣大水文學(xué)研究者對CV的內(nèi)涵和應(yīng)用進行挖掘和拓展。

3.3 徑流的突變分析

對黃河干流4個典型水文站1950—2017年年徑流量序列進行Pettitt突變檢驗，同時點繪降水量—徑流量雙累計曲線（見圖6），結(jié)果顯示4個水文站的突變情況類似，均在1985/1986年出現(xiàn)顯著突變，年徑流量在突變點后（1986/1987—2017年）明顯小于突變點前（1950—1985/1986年），其中蘭州站和頭道拐站在1986年出現(xiàn)顯著突變、花園口站和利津站在1985年出現(xiàn)顯著突變。主要原因可能是1984年以來實施一系列水土保持措施，尤其是1985年黃河中游治理局編制的《黃河中游水土保持治溝骨干工程建設(shè)規(guī)劃》得到實施。各項水利水土保持措施的實施，使黃河的徑流量在1985/1986年發(fā)生突變。由圖6可知，從上游蘭州站到下游利津站徑流量轉(zhuǎn)折（突變）情況越發(fā)明顯和劇烈，4個典型水文站突變后降水量與徑流量關(guān)系線斜率變化幅度分別為-18.75%、-35.29%、-43.75%、-61.54%，越到下游徑流量下降幅度越大。

以突變點前為基準(zhǔn)期（1950—1985/1986年），突變點后為變化期（1986/1987—2017年），根據(jù)各站年徑流量突變點對各站水文序列進行時段劃分，見表1。蘭州、頭道拐、花園口、利津水文站變化期年平均徑流量相較于基準(zhǔn)期均明顯下降，降幅分別為-18.75%、-35.64%、-43.46%、-63.92%，與由雙累計曲線得到的結(jié)論相似，同時變化期相較于基準(zhǔn)期的最大年徑流量、最小年徑流量的變化情況與年均徑流量變化情況相同，即越到下游變化越劇烈、徑流量下降越明顯。4個典型水文站變化期CV相較于基準(zhǔn)期未呈現(xiàn)相對明顯的變化趨勢，蘭州、頭道拐、花園口、利津水文站CV的變化幅度分別為-20.00%、0%、-13.79%和12.50%，頭道拐站的波動性變化不明顯，蘭州站和花園口站波動性變?nèi)?，而利津站波動性增強?/p>

表1 黃河干流水文站水文序列突變分析結(jié)果

4 結(jié) 語

黃河水資源量變化對于黃河流域乃至全國社會經(jīng)濟發(fā)展有重要影響，河川徑流是黃河水資源的重要來源，因而厘清黃河徑流量的變化特征具有重要的現(xiàn)實意義。針對黃河水少的問題，為避免推求天然或還原徑流量系列的不確定性，本文全部采用典型水文站的實測資料來分析黃河徑流量變化情況。實測資料分析結(jié)果反映的黃河徑流量變化是氣候變化與人類活動（含土地利用）共同影響的結(jié)果，但如何準(zhǔn)確區(qū)分兩種影響的比例是我們面臨的重大挑戰(zhàn)。

基于黃河干流控制水文站陜縣站/潼關(guān)站百年實測徑流量數(shù)據(jù)和蘭州、頭道拐、花園口、利津站這4個典型水文站1950—2017年近70 a實測徑流量數(shù)據(jù)進行分析表明，黃河干流年徑流量近100 a持續(xù)遞減，20世紀(jì)60年代是百年來黃河徑流量最大的時期，而90年代后徑流量顯著減少，在1985/1986年出現(xiàn)顯著突變，變化期（1986/1987—2017年）相較于基準(zhǔn)期（1950—1985/1986年）徑流量出現(xiàn)更加顯著的持續(xù)下降，同時年徑流量的波動性也出現(xiàn)一定變化?？刂扑恼?00 a與典型水文站70 a兩個實測年徑流量序列的連續(xù)減少非常突出，已無法計算其均值，因而難以計算CV與CS等統(tǒng)計參數(shù)，這對工程設(shè)計計算是重大挑戰(zhàn)。在徑流量減少的同時，輸沙量減少的比例更大。黃河當(dāng)前的少水與缺水問題為首要問題，筆者認為，應(yīng)對黃河水問題的措施仍具有相當(dāng)潛力，包括干流大型水庫調(diào)蓄、在節(jié)水優(yōu)先的前提下實現(xiàn)西線南水北調(diào)對黃河補水、強化水資源管理制度等，可望遏制黃河水量銳減和未來繼續(xù)下降的態(tài)勢。

美麗中國建設(shè)，黃河不可或缺。保護黃河需要維護黃河水資源可再生性或可更新性。應(yīng)深入認知黃河特點，重點針對黃河缺水以及干流工程優(yōu)化調(diào)控開展創(chuàng)新研究。建議以促進流域（包括西北河西走廊與華北雄安新區(qū)）生態(tài)-經(jīng)濟協(xié)同發(fā)展為目標(biāo)，梳理黃河流域水-生態(tài)-經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展、水-能源-糧食之間的復(fù)雜關(guān)聯(lián)，構(gòu)建黃河流域生態(tài)經(jīng)濟帶協(xié)同發(fā)展系統(tǒng)模型，制定流域生態(tài)補償總體框架、補償機制，對黃河流域協(xié)同調(diào)控效果進行監(jiān)測與評價，盡快提出黃河流域水資源利用、生態(tài)保護和經(jīng)濟協(xié)同發(fā)展方案。