王 未，張永勇

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

1 研究背景

徑流情勢(即流量大小、頻率、歷時、時序與變化率)可完整描述徑流過程的變化[1]，直接影響著水質(zhì)遷移轉(zhuǎn)化過程、水生生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能以及生物多樣性等[2-4]。徑流情勢自提出以來，已廣泛應(yīng)用于水文-生態(tài)系統(tǒng)響應(yīng)機制探索[1]、環(huán)境流量評估[5]、閘壩調(diào)控的水文效應(yīng)[6]等方面。因此徑流情勢的演變特征及其區(qū)域差異研究對探索黃河流域水循環(huán)過程及其伴生的水沙平衡、河道斷流與水資源短缺等水問題的成因以及水資源優(yōu)化調(diào)度等具有重要的意義。

目前，關(guān)于黃河流域徑流過程演變規(guī)律的研究主要關(guān)注徑流量的變化[7-8]，而對徑流情勢其他指標的研究還有待加強。從方法上來看，大多采用水文模型模擬[8-9]和數(shù)理統(tǒng)計[10-11]等。水文模型能定量地模擬流域產(chǎn)匯流過程，但對資料要求很高，而且對人類活動影響的刻畫還有待進一步改進[9]。在數(shù)理統(tǒng)計方面，趨勢檢驗(如Mann-Kendall非參數(shù)檢驗法)、跳躍分析(如Pettitt檢驗)以及變化范圍法(RVA)等所需數(shù)據(jù)資料較少，使用簡單，已被廣泛應(yīng)用于探索徑流情勢的演變特征和改變程度[10-14]。如王嬌等[10]利用Mann-Kendall非參數(shù)檢驗方法分析了黃河支流涇河張家山站年徑流量的變化趨勢。武瑋等[12]采用RVA法評估了渭河流域的5個重點控制水文站的徑流情勢的改變程度。Tian等[14]基于無定河流域6個重點控制水文站的徑流觀測資料，利用RVA法檢測了33個徑流情勢指標的改變度。

因此，本文除徑流量外，引入頻率、歷時和時序等方面24個徑流情勢指標，對黃河流域源區(qū)和上、中、下游重點控制站1960-2015年徑流過程進行了細致刻畫；采用Mann-Kendall非參數(shù)趨勢檢驗和RVA法，分析不同區(qū)域典型站點各徑流情勢指標的演變特征，評估徑流情勢的改變程度，揭示其區(qū)域差異性。研究將進一步豐富和發(fā)展已有黃河流域徑流特征分析成果，也為我國其他流域徑流情勢演變特征分析提供參考借鑒。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 研究區(qū)概況

黃河流域(32° 42°N，96° 119°E)發(fā)源于青藏高原巴顏喀拉山，流域面積79.5×104km2，干流全長5 464 km，水系發(fā)達。該流域年降水量的均值約為450 mm，全年的70%的降水量來自6-10月(汛期)，年際波動很大。黃河流域也是我國重要的農(nóng)業(yè)區(qū)，農(nóng)業(yè)灌區(qū)主要包括寧夏灌區(qū)(上游)、河套灌區(qū)(中游)和引黃灌區(qū)(下游)，枯水年的灌溉需水與供水矛盾尖銳。此外，黃河流域建設(shè)了大量的水利水電工程，對黃河流域防洪、灌溉和發(fā)電發(fā)揮著重要的作用。近年來，黃河流域下游斷流現(xiàn)象頻繁發(fā)生，中下游徑流量減少，工農(nóng)業(yè)需水量較大，水資源合理調(diào)度的形勢嚴峻。黃河流域水系及重點控制水文站、灌區(qū)與水庫示意圖見圖1。

圖1中所示8個重點控制水文站包括2個源區(qū)的站點(黃河沿和唐乃亥站)、2個上游的站點(蘭州和青銅峽站)、2個中游的站點(頭道拐和龍門站)和2個下游的站點(花園口和利津站)。

圖1 黃河流域的重點控制水文站、灌區(qū)與水庫示意圖

2.2 數(shù)據(jù)來源

收集了8個重點控制水文站1960-2015年共計56 a的日徑流觀測數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)來源于黃河水利委員會水文局。此外，收集了流域土地利用、大中小型水庫和灌區(qū)數(shù)據(jù)。土地利用數(shù)據(jù)由中國科學院資源環(huán)境科學數(shù)據(jù)中心提供，主要分為建設(shè)用地、耕地、荒漠、冰川雪地、沼澤地、草地、水域和林地；水庫和灌區(qū)數(shù)據(jù)來源于黃河流域水資源公報。

唐乃亥-蘭州區(qū)間和龍門-花園口區(qū)間水庫總庫容分別占黃河流域水庫總庫容的34.22%和62.11%，水庫調(diào)控作用較強。而頭道拐-龍門區(qū)間、龍門-花園口區(qū)間和花園口-利津區(qū)間的灌區(qū)面積均較大，農(nóng)業(yè)需水量較大。黃河流域灌區(qū)面積與水庫統(tǒng)計數(shù)據(jù)見表1。

表1 黃河流域灌區(qū)面積與水庫統(tǒng)計

2.3 研究方法

2.3.1 徑流情勢指標 本文選取了大小、頻率、歷時和時序4個方面共24個徑流情勢指標用于趨勢分析和評估，包括18個徑流大小指標(平均流量14個、低流量2個和高流量2個)、2個徑流事件出現(xiàn)頻次指標(低流量1個和高流量1個)、2個徑流事件歷時指標(低流量1個和高流量1個)和2個徑流事件時序指標(低流量1個和高流量1個)。24個徑流情勢指標詳見表2。

表2 黃河流域用于趨勢分析和評估的24個徑流情勢指標

2.3.2 Mann-Kendall趨勢檢驗方法 本文基于Mann-Kendall檢驗法檢測水文站點徑流情勢指標的變化趨勢。該方法原理簡單，計算方便，且不需要樣本遵從一定的分布[7-9]，已廣泛應(yīng)用于水文序列的時間變化檢驗中[10-11]。當統(tǒng)計指標Z值滿足|Z|>Z1-α/2時，認為序列的變化趨勢是顯著的。其中α為顯著性水平，一般取5%，Z1-α/2等于1.96。對于時間序列X(t)(t=1,2,…,n)，其趨勢估計量β為：

(1)

(2)

式中：k為徑流情勢的4個類別(大小、頻率、歷時和出現(xiàn)時間)，i為某一類別第i個指標，b和c分別表示基準期和改變期。

根據(jù)Tan-sigmoid公式[13]，將改變率歸一化處理，可得到各指標的綜合改變度Dk,i(0≤Dk,i≤1)：

(3)

因此徑流情勢4個類別的改變度Dk的計算公式如下：

(4)

式中：m為徑流情勢各類別的指標總數(shù)。Dk可被劃分為4個區(qū)間，即[0,0.25)為輕度改變、[0.25,0.50)為中度改變、[0.50,0.75)為重度改變、[0.75,1]為嚴重改變。取4個類別指標改變度的均值，即可得到徑流情勢的整體改變度D。

3 結(jié)果分析與討論

3.1 徑流情勢的變化

3.1.1 黃河源區(qū) 圖2為1960-2015年黃河源區(qū)黃河沿和唐乃亥水文站徑流情勢指標變化趨勢分析結(jié)果。

注：顯著性水平為5%的臨界值Z=1.96，若|Z|>1.96，以黑色柱體表示，表明有顯著的變化趨勢。下同。

由圖2可知，黃河源區(qū)黃河沿和唐乃亥站非汛期大部分月份徑流、低流量及其頻率、歷時和時序等指標無顯著變化，但其他指標的變化趨勢存在較大差異。從黃河沿站來看，除6和9月徑流量、年最大徑流量呈現(xiàn)顯著增加趨勢外，徑流量其他指標、徑流事件出現(xiàn)頻次、歷時和時序等指標均無明顯變化。唐乃亥站大多數(shù)徑流量指標呈現(xiàn)減少趨勢，其中統(tǒng)計顯著的指標有5月和8-11月徑流量及高流量，最大減幅為8.38 m3/(s·a)(9月)；高流量頻率和歷時均顯著減少，而低流量頻率及歷時變化并不顯著；時序指標無顯著變化。

3.1.2 黃河上游 圖3為1960-2015年黃河上游蘭州和青銅峽水文站徑流情勢指標趨勢分析結(jié)果。由圖3可知，黃河上游蘭州和青銅峽站汛期的7-9月徑流量顯著減少，徑流過程趨于平緩；年最大徑流、高流量及其歷時、年徑流變差系數(shù)也顯著減少。具體表現(xiàn)為：蘭州站汛期月徑流最大減幅發(fā)生在7月，為14.73 m3/(s·a)；在非汛期顯著增多的月份為3-5月和11月；此外，低流量顯著增長，增幅為2.57 m3/(s·a)，但年最小徑流變化并不顯著；低流量出現(xiàn)頻次和高流量歷時顯著減少；時序指標無顯著變化。青銅峽站汛期月徑流最大減幅也出現(xiàn)在7月，為16.07 m3/(s·a)，非汛期1、2和12月徑流量顯著增加；低流量和高流量頻率均無顯著變化；高流量歷時顯著減少；年最小流量出現(xiàn)時間顯著推遲。

圖3 1960-2015年黃河上游蘭州和青銅峽水文站徑流情勢指標趨勢分析結(jié)果

3.1.3 黃河中游 圖4為1960-2015年黃河中游頭道拐和龍門水文站徑流情勢指標趨勢分析結(jié)果。由圖4可知，黃河中游頭道拐和龍門站徑流總量呈現(xiàn)顯著減少趨勢，其中汛期大部分月份徑流量顯著減少，非汛期大部分月份徑流量無明顯變化，徑流過程趨于平緩，而年最大徑流量、高流量及其頻率與歷時、徑流變差系數(shù)顯著減小，年最大徑流量出現(xiàn)時間顯著移前。具體表現(xiàn)為：頭道拐站7、8、10和11月徑流量銳減，其中變幅最大出現(xiàn)在10月份，減小趨勢值為19.19 m3/(s·a)，3月徑流量顯著增加，其他月份無顯著變化；最大徑流量和高流量顯著減少；高流量出現(xiàn)頻次、歷時也均呈現(xiàn)顯著減少趨勢；年最大徑流量出現(xiàn)時間顯著提前。龍門站與頭道拐站明顯不同的是9月徑流量顯著減少；年最小徑流量和低流量也顯著減少，減少趨勢值分別為1.08 和2.4 m3/(s·a)；低流量出現(xiàn)頻次與歷時顯著增加。

圖4 1960-2015年黃河中游頭道拐和龍門水文站徑流情勢指標趨勢分析結(jié)果

3.1.4 黃河下游 圖5為1960-2015年黃河下游花園口和利津水文站徑流情勢指標趨勢分析結(jié)果。

圖5 1960-2015年黃河下游花園口和利津水文站徑流情勢指標趨勢分析結(jié)果

由圖5可知，黃河下游花園口和利津站大部分徑流情勢指標均呈現(xiàn)顯著減少趨勢，特別是年徑流量、大部分月徑流量、最大徑流量、高流量及其出現(xiàn)頻次和歷時以及最大徑流出現(xiàn)時間等。具體表現(xiàn)為：花園口站月徑流量減少最顯著的月份為9月，減小趨勢值為42.31 m3/(s·a)；高流量也顯著減少，減小趨勢值為35.28 m3/(s·a)；但最小徑流量顯著增加，增幅趨勢為3.15 m3/(s·a)；最大徑流量出現(xiàn)時間提前而最小徑流量出現(xiàn)時間推遲，且統(tǒng)計值均為顯著。利津站月徑流量減少幅度最大也出現(xiàn)在9月，減小趨勢值為50.72 m3/(s·a)；高流量減少更加顯著，減幅趨勢為55.24 m3/(s·a)；低流量也顯著減少；最大流量出現(xiàn)時間顯著提前。

3.2 徑流情勢的改變度

1960-2015年黃河流域各重點控制水文站徑流情勢突變分析結(jié)果如圖6所示，各重點控制水文站的徑流情勢指標改變度如圖7和表3所示。根據(jù)圖6、7和表3分別對1960-2015年黃河流域源區(qū)和上、中、下游各重點控制水文站的徑流情勢突變年份及指標改變度進行分析。

注：箱形圖的上、中、下3個邊分別為第25%、均值和第75%；灰色點為每個指標的突變年份，共計24個指標。

注：每個柵格的顏色對應(yīng)所在站點的對應(yīng)指標的改變度(Dk,i)

表3 黃河流域各水文站點徑流情勢的改變程度

3.2.1 黃河源區(qū) 源區(qū)黃河沿和唐乃亥站徑流情勢突變年份分別為1991和 1990年。徑流情勢的整體改變度均為中度改變，其中大小和時序指標主要發(fā)生輕度或中度改變，頻率和歷時指標發(fā)生中度或重度改變。

黃河沿站的整體改變度為0.405；徑流事件出現(xiàn)頻次的改變度最大(0.579)，為重度改變，特別是高流量頻率和低流量頻率的改變度分別為0.571和0.587；而徑流量大小、歷時和時序為中度改變，其中3-6月徑流量為重度改變。通過對比1980和2015年兩期土地利用數(shù)據(jù)，黃河沿站以上區(qū)域草地退化了700 km2，占該區(qū)域面積的3.32%，荒漠面積增加了684 km2，占該區(qū)域面積的3.25%。該區(qū)域草場退化等可能是徑流情勢改變的重要原因之一。

唐乃亥站的整體改變度為0.309。徑流事件歷時的改變度最大(0.556)，為重度改變，其中高流量歷時和低流量歷時的改變度分別為0.581和0.532；出現(xiàn)頻率為中度改變(0.347)，其中高流量頻率為重度改變(0.507)；而徑流量大小和時序只發(fā)生輕度改變。黃河沿-唐乃亥區(qū)域土地利用變化沒有黃河沿以上區(qū)域顯著，徑流情勢的改變度略小于黃河沿站，但區(qū)域內(nèi)凍土退化嚴重，土壤深層滲漏量和蒸發(fā)量逐漸增加[15]，高流量歷時顯著減少(圖2)，徑流情勢的歷時發(fā)生重度改變。

3.2.2 黃河上游 上游蘭州站和青銅峽站徑流情勢的突變年份分別為1983和1985年。徑流情勢整體改變度雖然仍為中度，但其數(shù)值比源頭地區(qū)有明顯增大，其中徑流量大小、頻率、歷時和時序均發(fā)生了中度或重度改變，可能與黃河上游地區(qū)人類活動影響有關(guān)。

蘭州站徑流情勢整體改變度為0.475；徑流事件出現(xiàn)頻次和歷時的改變度為0.517和0.623，屬于重度改變，特別是高流量歷時發(fā)生嚴重改變(0.896)；而徑流量大小和出現(xiàn)時間發(fā)生中度改變，其中最大流量的出現(xiàn)時間改變度最大，為0.535。蘭州站徑流事件出現(xiàn)頻次和歷時的明顯改變可能與這一區(qū)域內(nèi)水庫防洪調(diào)度有關(guān)。該區(qū)域水庫總庫容為304.27×108m3，占多年徑流量的99%，水庫對徑流情勢的調(diào)控極為顯著(表1)。

青銅峽站的徑流情勢整體改變度為0.429；徑流事件歷時的改變度最大(0.565)，為重度改變，其中高流量歷時發(fā)生嚴重改變(0.921)；徑流量大小、頻率和出現(xiàn)時間發(fā)生中度改變，其中年最大流量的改變度最大(0.772)。青銅峽站控制區(qū)域水庫庫容為8.14×108m3(表1)，水庫調(diào)控作用小于蘭州站，所以徑流情勢總體的改變度小于蘭州站。但區(qū)域內(nèi)的寧夏引黃灌區(qū)年引黃水量大約為30×108m3[16]，也會影響徑流情勢的大小、出現(xiàn)頻次和歷時。

3.2.3 黃河中游 中游頭道拐站和龍門站徑流情勢的突變年份分別為1988和1989年。徑流情勢整體改變度為中度改變及以上，其中徑流量大小、頻率、歷時和時序受到中度或重度改變，受人類活動影響較大。

頭道拐站整體改變度為中度改變(0.360)，其中1月份徑流量和年徑量流分別發(fā)生重度改變(0.741)和嚴重改變(0.763)。青銅峽-頭道拐站區(qū)域沒有修建水庫，徑流情勢的改變度小于黃河上游，但該區(qū)域的河套灌區(qū)引黃灌溉在一定程度上改變了徑流情勢[17]。

龍門站徑流情勢的整體改變度為重度改變(0.529)；徑流事件歷時的改變度最大(0.724)，為重度改變，其中高流量歷時發(fā)生嚴重改變(0.814)；徑流量大小、頻率和出現(xiàn)時間受到中度改變，其中10月徑流、低流量頻率、高流量頻率和年最大流量出現(xiàn)時間的改變度較大。龍門站控制區(qū)域內(nèi)灌區(qū)面積是河套灌區(qū)的2倍(表1)，灌溉引水量更大。此外，水土保持措施[7]和區(qū)域內(nèi)大量采礦[18]等因素使龍門站徑流情勢的改變度高于黃河源區(qū)和上游。

3.2.4 黃河下游 下游花園口站和利津站徑流情勢的突變年份分別為1987和1986年。徑流情勢的整體改變度為中度改變及以上，其中徑流量大小、頻率、歷時和時序主要受到中度或重度改變，也受人類活動影響極大。

花園口站徑流情勢的整體改變度為中度改變(0.446)；徑流事件的出現(xiàn)頻次和歷時的改變度較大，為重度改變，其中高流量頻率發(fā)生嚴重改變(0.785)；其大小和出現(xiàn)時間發(fā)生中等改變，其中8月徑流量改變度最大，為0.614?；▓@口站控制區(qū)域水庫庫容為552.33×108m3(表1)，水庫調(diào)控作用顯著，徑流情勢的改變度與蘭州站相仿。

利津站徑流情勢發(fā)生全面改變，整體改變度為重度改變(0.729)，其歷時的改變度最大(0.772)，為嚴重改變，其中高流量頻率的改變度為0.859；其大小、頻率和出現(xiàn)時間受到重度改變，大部分指標的改變度大于0.7。利津站徑流情勢的改變度遠大于其他站點，部分年份完全斷流，主要是由于花園口下游的引黃灌區(qū)需水量較大[19]，過度用水加劇了徑流情勢的惡化。

4 結(jié) 論

本文系統(tǒng)分析了1960-2015年黃河流域重點站點徑流量和徑流事件出現(xiàn)頻次、歷時及出現(xiàn)時間等徑流情勢指標的時間變化趨勢，并評估了各站點徑流情勢指標的改變度，主要結(jié)論如下：

(1)除源區(qū)黃河沿站外，其他站點的大部分徑流情勢指標的變化趨勢為下降。唐乃亥站徑流量在汛期大部分月份均呈現(xiàn)減小的趨勢，高流量及其頻率與歷時顯著減少；上、中、下游站點汛期大部分月份的徑流量、年最大徑流量、高流量及其歷時均顯著減少。另外，上游年最小徑流量出現(xiàn)時間有所推遲；中游高流量頻率顯著減小，最大流量的出現(xiàn)時間顯著移前；下游幾乎所有月份的徑流量均顯著減小，高流量頻率顯著減小，最大徑流量出現(xiàn)時間顯著提前。

(2)黃河流域各水文站點的徑流情勢發(fā)生全面改變，整體改變度在中度及以上，其中徑流事件出現(xiàn)頻次和歷時的改變度最大。源區(qū)的徑流情勢總體上發(fā)生中度改變，上、中、下游站點徑流情勢4個類別指標均發(fā)生中度及以上改變，上游和下游控制區(qū)域的整體改變度大于中游，其中利津站發(fā)生重度改變，龍門站次之。

本文利用多維度徑流情勢指標，深入分析了黃河流域各區(qū)域的徑流過程整體變化特征，并評估了其改變度。今后還需要加強氣候變化和人類活動等因素對各區(qū)域徑流情勢變化的影響分析和貢獻量化方面的研究。