黄河近百年径流量变化分析与认识

刘昌明，田 巍，2，刘小莽，梁 康，白 鹏

（1.中国科学院地理科学与资源研究所陆地水循环及地表过程重点实验室，北京100101；2.中国科学院大学，北京100049）

1 黄河的重要地位与作用

黄河是中国的母亲河，孕育了中华民族五千年的灿烂文化，以仅占全国河川径流量2%的水资源，哺育着流经北方九省（区）60多个大中城市340个县占全国12%的人口，灌溉占全国13%的粮田。此外，黄河还为外流域大量供水，如上游为河西走廊供水、下游为河北平原供水，尤其是引黄济淀已成为雄安新区重要的水源。流域内 GDP占全国的14%［1-2］，现有耕地1 193万 hm2、林地1 020万 hm2、牧草地2 793万 hm2，宜于开垦的荒地约200万hm2。众所周知，黄河是古丝绸之路的起点，也是中华民族生存发展的重要支撑。黄河流域土地、水能、煤炭、石油、天然气、矿产等资源丰富，在全国占有重要的地位，发展潜力巨大，被誉为我国的“能源流域”。

2 认知黄河的地理水文特征是治理黄河的基础

2.1 中国的第二大河

黄河是中国的第二大河，河长约5 464 km，在我国仅次于长江，流域面积（包括鄂尔多斯内流区）近80万km2。但是，在中国众多的河流中，黄河的年平均径流量相对较小，仅仅与福建闽江的560多亿m3相当，但闽江流域面积不到6.1万km2，流长仅有562 km，两者分别为黄河的1/13和1/10。黄河这一水文特征的成因是什么？理论上尚未定论，有待研究。

2.2 黄河在世界大江大河中的特点

从世界范围来看，黄河也是水量与河长关系严重偏离的河流。在同等河长情况下，黄河年径流量明显偏小（见图1）。与黄河河长相当的叶尼塞河（河长5 539 km）和西伯利亚鄂毕河（河长5 410 km）相比，黄河的年均径流量还不到叶尼塞河的1/10和鄂毕河的1/7。

2.3 黄河水问题的主要挑战

黄河水问题严重。20世纪70年代至90年代末，在气候变化与人类无序用水的影响下，黄河出现了罕见的干流断流事件，丧失了水资源再生性（可更新性），河流健康岌岌可危。从1999年开始，黄河水利委员会实施流域水量统一调度，实现了黄河干流连续20 a不断流。近年来，随着经济社会的发展，黄河流域地表水开发利用率和消耗率已分别高达80%和70%，远超黄河水资源承载能力，缺水的态势是黄河当前与未来的最大挑战。

在气候变化和人类活动的双重影响下，黄河的水文过程发生了剧烈变化，河川径流量显著变化［3-7］，直接或间接影响了流域生态环境健康和社会经济发展。黄河不同河段（区间）受人类活动和气候变化影响的强度不一致，导致其河川径流量变化规律也有所不同［8-9］。黄河上游地区水资源开发利用进程加快，随之产生的生态环境问题正在日益恶化；黄河中游地区水土保持工程效果明显，河流输沙量和径流量下降形成的缺水风险正呈加剧的态势；水沙连年减少造成下游滩区、黄河三角洲湿地与河口萎缩等，成为亟待解决的重大问题。经济社会发展相对滞后是当前黄河生态文明建设应着力补齐的短板。

从中华民族长远利益来看，黄河流域必须走生态优先、绿色发展之路，使绿水青山产生巨大生态效益、经济效益、社会效益，使母亲河永葆生机活力。

3 实测黄河年径流量锐减

3.1 百年序列水文情势变化

1919年黄河干流设置陕县水文站开始进行水文观测，因其受三门峡水库的影响等，故三门峡水库建成后由附近的潼关水文站代替陕县水文站继续进行水文观测［10］。基于陕县和潼关水文站实测数据，分析黄河干流长达百年（1919—2018年）的年径流量变化情势（见图2，其中 1919—1960年为陕县站数据、1961—2018年为潼关站数据）。潼关站控制了黄河91%的流域面积和90%的径流量，因而这100 a序列可反映黄河上中游干流的年径流量变化规律。

1919—2018年，实测多年平均年径流量为361.7亿m3；最大年径流量发生在1964年，为699.3亿m3；最小年径流量发生在1994年，为149.4亿m3。Mann-Kendall趋势检验发现，1919—2018年年径流量序列呈现显著的下降趋势，下降速率为-2.26亿m3/a。为避免太阳活动周期的影响，对年径流量序列进行11 a滑动平均处理，结果表明：1940—1970年相对稳定，1980—2000年下降趋势极其显著，2000年后出现了略微的上升趋势。整体而言，受气候变化和人类活动的共同影响，黄河干流百年来年径流量呈现显著的下降趋势，但不同年代之间变化趋势存在差异。

值得注意的是，1922—1932年出现了长达11 a的枯水期，见图 3（a）（图 3 中 1930s、1950s、1970s、1990s和2010s分别表示20世纪30年代、50年代、70年代、90年代和21世纪10年代，下同），多年平均年径流量313.7亿m3；1991—2011年黄河也出现了枯水期，多年平均年径流量227.6亿m3。这2个枯水期成因可能不同，根据Mu等［11］计算的陕县站以上面降水量发现，1920—1929年多年平均降水量为338.5 mm，1990—2008年多年平均降水量为397.5 mm，1920—2008年多年平均降水量为421.1 mm。虽然2个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径流量大于1990年后的多年平均年径流量。因此，1922—1932年枯水原因可能主要是降水亏缺，而1990年后枯水原因则是降水亏缺与人类活动共同影响（具体的贡献比例仍需进一步探究）。图3（c）为不同年代年径流量变差系数CV的变化情况，21世纪前10 a CV最小（为 0.16），20世纪 60年代 CV最大（为0.31），CV的年代际变化呈现周期性规律，20世纪20—60年代变化规律与20世纪70年代—21世纪前10 a变化规律类似，且20世纪70年代—21世纪前10 a的CV整体略小于20世纪20—60年代的。

3.2 典型水文站实测径流量的变差系数分析

变差系数CV作为传统且重要的水文统计参数，反映标准差相对于平均值的比例，即径流量的波动和偏离程度。黄河干流4个典型水文站（兰州、头道拐、花园口、利津）各年代年径流量变差系数见图4，整体而言CV的排序为利津站＞头道拐站＞花园口站＞兰州站。兰州、头道拐、花园口站CV值20世纪60年代最大（分别为 0.25、0.36、0.38），而利津站 CV值20世纪 90年代最大（为0.50）；兰州、头道拐、花园口站CV值21世纪前 10 a 最小（分别为0.12、0.18、0.18），利津站 CV值 20世纪50年代最小（为0.20）。

值得注意的是，在CV的计算中，均值是重要的输入量，但年代际均值变化显著，因为不同年代均值是一个变量，基于变化的均值计算的CV仅仅反映短期内的波动变化情况，而无法反映整体序列的绝对波动变化情况，所以使用统一准确的均值计算CV更能反映河川径流的变化波动性。20世纪80年代和21世纪初水利部组织开展了两次全国水资源调查评价，评价结果客观反映了一定时期内的水资源变化情况。以利津水文站为例，参考第一次、第二次水资源调查成果计算不同年代的CV值，第一次全国水资源调查评价参考1919—1975年序列，利津断面多年平均径流量为580亿m3；第二次全国水资源调查评价参考1956—2000年序列，利津断面多年平均径流量为535亿m3。图5显示两种均值计算的CV值变化波动性、趋势性基本相同，但与利用各时段均值计算的CV值有明显差异，均值差异越大CV差异也越大。对此，还需要广大水文学研究者对CV的内涵和应用进行挖掘和拓展。

3.3 径流的突变分析

对黄河干流4个典型水文站1950—2017年年径流量序列进行Pettitt突变检验，同时点绘降水量—径流量双累计曲线（见图6），结果显示4个水文站的突变情况类似，均在1985/1986年出现显著突变，年径流量在突变点后（1986/1987—2017年）明显小于突变点前（1950—1985/1986年），其中兰州站和头道拐站在1986年出现显著突变、花园口站和利津站在1985年出现显著突变。主要原因可能是1984年以来实施一系列水土保持措施，尤其是1985年黄河中游治理局编制的《黄河中游水土保持治沟骨干工程建设规划》得到实施。各项水利水土保持措施的实施，使黄河的径流量在1985/1986年发生突变。由图6可知，从上游兰州站到下游利津站径流量转折（突变）情况越发明显和剧烈，4个典型水文站突变后降水量与径流量关系线斜率变化幅度分别为-18.75%、-35.29%、-43.75%、-61.54%，越到下游径流量下降幅度越大。

以突变点前为基准期（1950—1985/1986年），突变点后为变化期（1986/1987—2017年），根据各站年径流量突变点对各站水文序列进行时段划分，见表1。兰州、头道拐、花园口、利津水文站变化期年平均径流量相较于基准期均明显下降，降幅分别为-18.75%、-35.64%、-43.46%、-63.92%，与由双累计曲线得到的结论相似，同时变化期相较于基准期的最大年径流量、最小年径流量的变化情况与年均径流量变化情况相同，即越到下游变化越剧烈、径流量下降越明显。4个典型水文站变化期CV相较于基准期未呈现相对明显的变化趋势，兰州、头道拐、花园口、利津水文站CV的变化幅度分别为-20.00%、0%、-13.79%和12.50%，头道拐站的波动性变化不明显，兰州站和花园口站波动性变弱，而利津站波动性增强。

表1 黄河干流水文站水文序列突变分析结果

4 结 语

黄河水资源量变化对于黄河流域乃至全国社会经济发展有重要影响，河川径流是黄河水资源的重要来源，因而厘清黄河径流量的变化特征具有重要的现实意义。针对黄河水少的问题，为避免推求天然或还原径流量系列的不确定性，本文全部采用典型水文站的实测资料来分析黄河径流量变化情况。实测资料分析结果反映的黄河径流量变化是气候变化与人类活动（含土地利用）共同影响的结果，但如何准确区分两种影响的比例是我们面临的重大挑战。

基于黄河干流控制水文站陕县站/潼关站百年实测径流量数据和兰州、头道拐、花园口、利津站这4个典型水文站1950—2017年近70 a实测径流量数据进行分析表明，黄河干流年径流量近100 a持续递减，20世纪60年代是百年来黄河径流量最大的时期，而90年代后径流量显著减少，在1985/1986年出现显著突变，变化期（1986/1987—2017年）相较于基准期（1950—1985/1986年）径流量出现更加显著的持续下降，同时年径流量的波动性也出现一定变化。控制水文站100 a与典型水文站70 a两个实测年径流量序列的连续减少非常突出，已无法计算其均值，因而难以计算CV与CS等统计参数，这对工程设计计算是重大挑战。在径流量减少的同时，输沙量减少的比例更大。黄河当前的少水与缺水问题为首要问题，笔者认为，应对黄河水问题的措施仍具有相当潜力，包括干流大型水库调蓄、在节水优先的前提下实现西线南水北调对黄河补水、强化水资源管理制度等，可望遏制黄河水量锐减和未来继续下降的态势。

美丽中国建设，黄河不可或缺。保护黄河需要维护黄河水资源可再生性或可更新性。应深入认知黄河特点，重点针对黄河缺水以及干流工程优化调控开展创新研究。建议以促进流域（包括西北河西走廊与华北雄安新区）生态-经济协同发展为目标，梳理黄河流域水-生态-经济可持续发展、水-能源-粮食之间的复杂关联，构建黄河流域生态经济带协同发展系统模型，制定流域生态补偿总体框架、补偿机制，对黄河流域协同调控效果进行监测与评价，尽快提出黄河流域水资源利用、生态保护和经济协同发展方案。