变化环境下近60年来中国北方江河实测径流量及其年内分配变化特征

王乐扬， 李清洲， 王金星， 姜彤， 刘翠善， 王艳君

(1.南京信息工程大学 地理科学学院，江苏 南京 210044； 2.山东农业大学 水利工程学院，山东 泰安 271018；3.水利部信息中心，北京 100142； 4.南京水利科学研究院 水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，江苏 南京 210029)

以全球气候变化和经济社会快速发展为特征的环境变化对区域水文循环具有重要的影响[1-2]。20世纪以来，全球气候持续性显著变暖，世界前200条大的河流中有三分之一河流的径流量表现出显著增加或减小的趋势[3]，对区域水资源产生一定的影响[4]。人口增加和经济社会的快速发展对水资源量的需求日益增多，进而导致水资源供需矛盾不断加剧[5-6]。河川径流是重要的地表水资源，也是维持河流生态和区域经济发展的关键性因素，河川径流量减少会严重制约经济的稳定发展[7]。

河川径流变化直接关系到流域水资源状况，因此，其变化特征一直是流域管理者和水文学者关注和研究的核心内容[8-12]。海河流域是中国的政治文化中心，受大规模人类活动影响，近50年来实测径流量减少60%以上[8]。冯禹昊对辽河流域的分析结果表明，辽河实测径流量自20世纪70年代以来减少明显[9]。汪雪格等采用Mann-Kendall方法检测了松花江流域实测径流量的演变趋势，发现实测径流量整体呈现非显著性减少趋势[10]。张建云等对中国六大流域1950—2006年实测径流量的变化趋势研究发现南方河流径流量变化不大，北方河流径流量减少明显[12]。田蕾等对辽河近60年径流变化成因分析认为，实测径流量的变化与人类活动关系密切[13]。观测资料和目前已有研究表明，在过去的几十年，河川径流已经发生了不同程度的变化，并对水资源开发利用带来了新的挑战[14-16]。在上述径流演变特征分析中，所采用的方法包括Spearman方法、双累积曲线法、Mann-Kendall趋势检验法、滑动平均方法等多种[17-19]，其中，Man-Kendall趋势检验法具有检验范围宽、受人为影响小的特点, 是目前趋势检验方法中应用较多且具有理论基础的一种方法[18]。

中国水资源南多北少，北方黄淮海流域以全国7%的水资源量支撑了超过30%的耕地、人口、和GDP。然而，已有研究多以单一流域为对象分析径流变化及其原因，对近10年来经济高速发展期间我国水资源短缺与北方江河径流变化的脆弱性的整体认识相对欠缺，科学认识我国北方江河径流量的演变态势对我国水资源节约与保护尤为重要[7]。本文根据我国北方黄河、海河、辽河和松花江代表性水文站的实测径流量资料，采用Mann-Kendall趋势检验法，初步分析了近60年来实测径流量的演变趋势，以期为今后河流的开发治理提供参考依据。

1 数据资料与研究方法

1.1 数据资料

以中国北方松花江、辽河、海河和黄河为研究对象，系统收集了6个重点水文站(唐乃亥、花园口、石匣里、观台、铁岭、哈尔滨)1955—2018年实测径流量资料，表1给出了各水文站的基本信息。

由表1可以看出：①大多数水文站总体控制了研究流域的面积，例如，花园口水文站控制面积730 036 km2，占黄河流域面积的95%以上。②各个水文站实测径流量年际变化程度不同，哈尔滨站实测径流量年际变化相对较小，Cv值为0.372 8；海河流域实测径流量年际变化悬殊，石匣里和观台两个水文站测得的年径流量的Cv值超过了1。③径流量差异大，松花江平均年径流量超过100 mm；而海河石匣里站年径流量只有15.37 mm，不到松花江流域的1/6，特别是在1980年之后，径流量常常趋近于0 mm，长时间处于枯水状态。

表1 中国北方主要江河及重点水文站基本信息

1.2 研究方法

2 结果与讨论

2.1 中国北方主要江河实测径流量演变趋势

图1给出了中国北方主要江河6个重点水文站1955—2018年实测年径流量过程，且采用Mann-Kendall方法诊断了年和季节径流量变化趋势的显著性，结果见表2。

图1 中国北方主要江河重点水文站1955—2018年实测年径流量过程

由图1可以看出：①所有水文站年径流量均呈现出不同程度的减少趋势；②相比而言，黄河唐乃亥站年径流量变化趋势不明显，其年代际特别表现为先增加、然后减少、最后再增加的态势，其中20世纪90年代是一个相对较枯的时期；③海河石匣里和观台站年径流量下降趋势剧烈，特别是在1980年之后多数年份的径流量接近于0 mm。

表2 中国北方主要江河重点水文站实测径流量演变趋势诊断

注：表中黄色部分代表显著性减少趋势，绿色部分代表增加趋势。

由表2可以看出：①所有水文站年径流量系列的M-K值均小于0，年径流量系列的倾向率均为负，说明在过去60年间中国北方河流的年径流量均呈现减少趋势；其中，除黄河唐乃亥站之外的其他水文站年径流量系列的M-K值均小于置信水平为0.05时的阈值-1.96，年径流量呈显著性减少趋势。②黄河花园口站、海河石匣里站和观台站以及松花江哈尔滨站季节径流量系列的M-K值均为负，说明季节径流量均呈现一致性减少趋势；其中，海河流域所有季节径流量变化趋势均超过置信水平0.05的显著性检验；黄河花园口站只有春季径流量呈非显著性减少趋势，其余季节径流量减少趋势显著；松花江哈尔滨站春、秋径流量呈显著性减少趋势，夏、冬径流量呈非显著性减少趋势。③黄河唐乃亥站和辽河铁岭站季节径流量有增有减；其中，唐乃亥站冬季径流量呈非显著增加趋势，其余3个季节径流量呈非显著性减少趋势；辽河铁岭站夏、秋季节径流量呈显著性减少趋势，而冬、春季节径流量呈非显著性增加趋势。

2.2 1980年以来不同时段实测径流量的变化及其年内分配

为探究1980年以来实测径流量的变化情况，将1955—1979年作为基准期，将1980—1999年和2000—2018年作为对比期，分析各个水文站实测年径流量较基准期的变化和实测径流量年内分配较基准期的变化，结果如图2所示。

由图2可以看出：①1980—1999年，黄河唐乃亥站和松花江哈尔滨站实测径流量较基准期的分别偏多2.0%和8.7%，其余各站实测径流量均较基准期的偏少；其中海河流域的两个水文站的偏少较多，均超过65%；其次为黄河花园口站，约偏少25.8%。②21世纪以来的近20年，所有各站实测径流量较基准期均偏低；其中黄河上游唐乃亥站的实测径流量偏低约7.9%，松花江哈尔滨站的偏少26.6%，其余各站实测径流量减少幅度均超过40%；海河流域的减少幅度最大，超过80%。③就1980年以来的径流量变化而言，松花江和辽河变化最大；哈尔滨站实测径流量由1980—1999年的偏多8.7%变化为2000—2018年的偏少26.6%，变化幅度为35.3%；而铁岭站的变化幅度由偏少6.9%变为偏少44.4%，变幅(37.5%)也超过了35%。

图2 1980—1999年和2000—2018年各水文站实测年径流量较基准期的变化

图3给出了1980—1999年和2000—2018年各水文站不同时期径流量较基准期变化的年内分配情况，由图3可以得到如下结论。

1)黄河上游唐乃亥站：在1980—1999年，唐乃亥站有5个月份径流量较基准期的偏多，其中，5—7月份偏多较大，特别是6月份偏多超过20%；另外3个偏多的月份分别为2、5和12月，偏多均不到4%；该期间，唐乃亥站减少的月份主要集中在8—11月份，均偏少5%左右，1、3、4月份偏少均不到3.5%。21世纪以来，唐乃亥站大多数月份的径流量持续减少，与基准期的相比，4、5月份和8—11月份径流量偏少均超过5%，其中，4—5月份和8—9月份径流量减少均超过10%；在该时期内，只有2、6、7、12月份径流量较基准期的略微偏多；但值得注意的是，12月份径流量持续偏多，这可能与全球气温升高、黄河上游冰雪融化有一定的关系。

2)黄河花园口站：在1980—1999年和2000—2018年径流量都有较大幅度的减少，平均减少幅度分别达到25.8%和42.9%。1980—1999年仅在2月份有所增加，在4—11月份减少幅度均超过30%，其中11月份减少幅度最大，为46%。在2000—2018年期间，只有6月份径流量有较大增加，达到了60.6%，其余月份均明显减少，其中8—11月减少幅度均超过50%。21世纪初期以来，黄河水利委员会每年均利用小浪底等水库开展调水调沙试验，通过加大泄流量以期达到冲刷河床、增大河道过流能力的目的，这是2000年之后6月份径流量增多的主要原因。

3)海河石匣里站和观台站：两站所有月份实测径流量在1980年之后的两个对比时期均较基准期的大幅度减少。相比而言，石匣里站各月径流量减少幅度相对较为一致，在1980—1999年期间，降幅在70%左右；2000年之后的前9个月，径流量减少幅度在90%左右，后3个月径流量减幅在80%左右。观台站非汛期径流量减少幅度更大；在汛期月份减少幅度相对较小，但也超过60%。

4)辽河铁岭站：1980—1999年径流量相较之前略有减少，在1、2、5月份径流量有较大增加，增幅均超过30%，其余月份径流量均减少。在2000—2018年期间，1、2月份径流量有很大的增加，增加率达到了130.7%和143.0%；4月和6—11月有较大幅度的减少，减少幅度都在50%左右。

5)松花江哈尔滨站：在1980—1999年径流量相较之前的有所增加，主要体现在8、9月份径流量有较大的增加，增幅分别为40.2%和25.0%；但在4—6月都有所减少，其中6月份径流量减少最多，达到了26.4%。2000—2018年期间，径流量仅在2、3月份有5%左右的增加量，其余月份径流量均减少；其中10月份径流量减少最多，达到了46.5%。

图3 1980—1999年和2000—2018年各水文站实测径流量较基准期变化的年内分配

2.3 结果讨论

流域下垫面环境和强人类活动是流域水文过程发生变化的重要原因，人类活动通过改变降水-径流关系进而对河川径流量产生一定的影响。以黄河花园口站为例，图4给出了不同时间段黄河流域降水与径流之间的关系。

图4 变化环境下不同时期黄河流域年降水量与花园口站径流量之间的关系

由图4可以看出，黄河流域3个时期的点群较为分散，特别是2000—2018年的点群明显偏低，表明在同样降水条件下流域的产流量明显偏小，说明由于流域内人类活动的作用，流域水文情势发生明显变化，这与前述黄河花园口站径流量锐减的诊断结果和目前已有的研究结论总体一致[11,15]。

张建云等[12]研究了中国主要江河1951—2006年径流量的变化，其研究结果表明：1980年以来，黄河花园口站年径流量较前期减少33%，海河观台站和石匣里站径流量减少77%左右，辽河铁岭站减少约31%，松花江哈尔滨站减少2.5%。而本文分析发现：21世纪以来，松花江哈尔滨站的径流量较1980年之前基准期的减少26.6%，辽河铁岭站和黄河花园口站径流量减少超过40%，海河观台站和石匣里站分别减少82.5%和90.2%，均高于文献[12]的分析结果。这充分说明，在近十几年内，由于经济社会和工农业的快速发展，人类活动对水资源的需求进一步增大，其对河川径流的影响也进一步加剧[6]。 然而，水资源南多北少是中国水资源的自然禀赋，如何以水资源为刚性约束保障经济社会的可持续稳定发展是水资源管理必须考虑的重要问题[20]。

3 结论

1)在1955—2018年，中国北方主要江河实测径流量都呈现出不同程度的下降趋势。其中，黄河上游唐乃亥站实测径流量为非显著性减少；其余各站的为显著性减少，特别是海河流域，实测径流量减少趋势最为明显。

2)与基准期1956—1979年相比，2000—2018年期间海河流域实测径流量减少幅度最大，约80%～90%。其次为辽河铁岭站和黄河花园口站的，分别减少44%和42%。松花江哈尔滨站的减少幅度为26.6%。

3)在两个对比时期1980—1999年和2000—2018年，海河流域每个月份的平均实测径流量均小于基准期的，其余站点主汛期月径流量大多小于基准期相应月份的径流量，而非汛期径流量有增有减，但是以减少为主。

4)环境变化对中国北方主要河流降水-径流关系产生一定的影响；同样降水条件下，21世纪以来的河川径流量明显偏少，人类活动是中国北方主要江河径流变化的重要原因之一。