1969-2018年黄河实测径流与天然径流的变化

于海超, 张 扬, 马金珠, 郭嘉兵, 陈沛源

(兰州大学 资源环境学院 西部环境教育部重点实验室, 甘肃 兰州 730000)

黄河是中国北方地区的重要水源，以其占全国2%的径流量承担了全国15%耕地和12%人口的用水需求[1]，被喻为沿黄地区的生命线[2-3]，然而近年来，随着黄河流域工农业生产迅速发展，人口急剧增长，加之气候变化的影响，黄河流域径流量发生了显著改变[4-7]，甚至断流现象增加[8]，这也引起了许多学者对于黄河流域径流量变化的关注。其中，鲍振鑫等[9]指出黄河自1956年以来，其径流量除源区外，整体呈显著下降趋势；马柱国[10]指出黄河径流量从20世纪80年代开始呈减少趋势，且下游比上游减少更显著；张国宏等[11]通过对黄河流域环境因子的分析，发现黄河径流量变化与气温和降水均有较好的相关性。但是，目前对黄河径流量的分析大部分集中在实测径流，而对其天然径流研究还相对较少，天然径流量是指在没有人类活动影响的情况下河流出口断面的径流量，即天然径流量主要包括实测径流量和人类活动影响的径流量两部分[12-13]，其变化同样是沿黄地区合理利用黄河水资源的基础，另外，其与实测径流量的差值变化可以反映人类活动为主的几个因子对黄河水资源的调配情况。因此，本文选取1969—2018年黄河干流8个水文站的天然径流与实测径流数据，对比分析二者的多年变化规律，并结合近15 a黄河各分区耗水数据，分析其近年来各段受人为活动影响的程度，以期探讨影响黄河径流量变化的人类活动要素，研究结果可为黄河流域合理开发利用水资源，制定水资源规划和决策提供科学的指导价值。

1 研究区概况

黄河是中国第二大河，自西向东经过9省(区)，流经中国青藏高原、黄土高原和内蒙古高原以及华北平原，最终于山东省垦利县流入渤海[14-15]，干流全长5 464 km，流域面积7.95×105km2(包括内流区面积4.20×104km2)，气候区由上游到下游依次为干旱区、半干旱区和半湿润区，流域大部分地区年降水量在200～650 mm之间，流域蒸发能力强，年水面蒸发量达1 100 mm[9,16]。

2 材料与方法

2.1 数据来源

数据来源于黄河水利委员会的1969—2018年黄河干流8个水文站(依次为上游的唐乃亥、兰州、头道拐水文站，中游的龙门、三门峡、花园口水文站以及下游的高村、利津水文站)实测径流和还原的天然径流数据以及2003—2017年流域各分区耗水量。其中，兰州、花园口、利津分别为上、中、下游的代表站，各水文站控制面积见表1。

表1 黄河各水文站控制面积

2.2 方 法

(1) Mann-Kendall趋势检验法。使用Mann-Kendall趋势检验法分析径流的多年变化趋势。该法是当前广泛使用的一种非参数统计检验方法。若统计量Z为正值，表明呈增加趋势，若为负值，则呈减少趋势，同时根据Z值大小确定显著性水平[17]。

(2) Mann-Kendall突变检验法。采用Mann-Kendall突变检验法进行径流的趋势突变检验。该方法是在Mann-Kendall趋势检验法的基础上发展起来的一种方法，可以确定变化趋势突变的时间，计算方法如下[18]：

构造一秩序列(n个样本)：

(1)

式中：

(2)

假定时间序列随机独立，定义统计量UFk

(3)

利用公式(3)计算出逆序时间的UBk，UF和UB 2条曲线的交点对应的时刻便是突变时间。

(3) 天然径流量还原计算方法。天然径流量主要由实测径流量、地表水耗水量和蓄变量等还原计算得到，其中地表水耗水量是指地表水取水量扣除其回归到黄河干、支流河道后的水量，在2003年前分为4类(农业、工业、城镇生活、农村人畜)，2003年后则划分为6类(农田灌溉、林牧渔畜、工业、城镇公共、居民生活、生态环境)，本研究结合2003年后的各分区耗水情况，分析近15 a人类活动对天然径流和实测径流的影响。天然径流量还原见下式(4)—(5)[19]：

W天然=W实测+W耗水+W蓄变

(4)

W耗水=W农+W林+W工+W城+W居+W生

(5)

式中：W天然为天然径流量，W实测为实测径流量，W耗水为地表水耗水量，W蓄变为地表水蓄变量;W农，W林，W工，W城，W居，W生分别为农田灌溉、林牧渔畜、工业、城镇公共、居民生活和生态环境耗水量;所有耗水量单位均为108m3。

3 结果与分析

3.1 多年实测径流和天然径流趋势变化

3.1.1 多年实测径流量趋势分析 黄河1969—2018年上中下游多年实测径流变化均呈降低趋势(见图1)，对8个水文站多年实测径流变化趋势进行Mann-Kendall趋势检验(见表2)，除上游唐乃亥和兰州站减少速率较缓外，其余各站均明显减少，且通过了0.01水平的显著性检验。其中，以兰州、花园口、利津3个代表水文站为例，多年平均降低速率分别为5.10×107,3.55×108,4.13×108m3/a。同时，利津站变差系数Cv值为0.53，较兰州和花园口站大，表明下游实测径流年际变化幅度较大。

图1 1969-2018年黄河上中下游各站实测径流变化

表2 1969-2018年黄河各站实测径流变化趋势检验

通过分析发现，各站在1997年前后两段量值发生明显变化，进一步分段来看，3个代表水文站实测径流变化见图2。在1997年以前，黄河实测径流整体偏丰，其多年(1969—1997年)平均径流量分别为3.19×1010，3.91×1010，2.97×1010m3；就变化趋势来看，均呈现减少趋势，减少速率分别为-1.15×108，-4.45×108，-7.61×108m3/a，仅利津站通过了0.01水平的显著性检验。

图2 1969-2018年黄河上中下游代表站实测径流变化

而自1997年以后，3个代表水文站的多年平均实测径流较1997年前明显减少，分别减少了9.2%，30.6%和42.8%，其中利津站减少最多，利津站实测径流量甚至低于上游兰州站和中游花园口；从变化趋势来看，3站均有增加的趋势，增速依次增大，分别为3.85×108，5.79×108，6.35×108m3/a，并且均通过了0.05水平的显著性检验。

3.1.2 多年天然径流量趋势分析 1969—2018年黄河干流沿程8个水文站的天然径流变化见图3。河流的天然径流自上游的唐乃亥站至下游的利津站依次增大，且除唐乃亥外，各站天然径流年际变化幅度较实测径流小，同时除唐乃亥和兰州站外各站变化均通过了检验(见表3)。其中兰州、花园口、利津站多年平均天然径流分别为2.98×1010，5.07×1010，5.10×1010m3，变差系数Cv值分别为0.210，0.213，0.216。其中兰州站多年平均天然径流为花园口的58.78%，是利津站的58.34%，表明黄河径流量主要来自兰州站以上地区。

3.2 多年实测径流和天然径流的突变分析

1969—2018年黄河干流各水文站实测径流和天然径流突变分析结果见表4，黄河实测径流仅在兰州和利津站于1986年发生突变，其余各站均在1990年发生突变。而对于天然径流而言，兰州站在1986年发生突变，其余各站均在1990年发生突变。本研究表明黄河径流突变主要发生在1986,1990年，这与李勃等[16]研究结果相似，其研究表明1956—2017年除唐乃亥站没有出现明显的突变年，其余各站发生突变的年份主要集中在1985,1990年。

径流的形成过程是多种因素相互作用和联系的复杂自然现象，可以分为自然因素和人为因素[20]。刘昌明等[21]通过对1950—2017年黄河干流4个水文站实测径流序列进行Pettitt突变检验，指出兰州站在1986年出现显著突变，利津站在1985年出现显著突变，主要原因可能是1984年以来一系列水土保持措施的实施，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。同时结合黄河干流水库的修建时间，发现龙羊峡水库是1986年10月开始蓄水使用，因此兰州水文站断面处的径流突变也与龙羊峡水库修建有一定的相关性。另外，胡慧杰等[22]则指出造成1989,1990年径流突变的主要原因是人为因素导致的用水量增加(80—90年代黄河流域用水量激增)和流域下垫面改变。

图3 1969-2018年黄河各水文站的天然径流变化

表3 1969-2018年黄河各站天然径流变化趋势检验

表4 1969-2018年各水文站实测径流和天然径流趋势突变年份

3.3 多年实测径流与天然径流对比及其与人类活动的关系

1969—2018年黄河干流各水文站多年平均天然径流量与实测径流量对比结果见图4。黄河干流天然径流量沿程逐渐增加，然而实测径流量沿程基本稳定，无明显增加的趋势。同时，天然径流量与实测径流量的差值自头道拐开始沿程逐渐增大，至利津水文站，多年实测平均径流量仅为天然径流量的42%，另外在头道拐水文站断面处实测径流量较低。天然径流量与实测径流量的差值为耗水量和蓄变量之和，结合近十五年来各站断面以上耗水量和蓄水量平均值看(见表5)，主要是由于各站断面以上耗水量在逐渐增加。

表5 2003-2017年各站断面以上平均耗水量和蓄变量

图4 1969-2018年各站平均天然径流与实测径流对比

为了探讨人类活动如何影响径流量，结合各分区平均耗水情况(见图5)来看，2003—2017年平均耗水量最大的两个分区为花园口以下和兰州—头道拐段，分别达到了1.06×1010,1.04×1010m3。各分区中耗水最大项均为农田灌溉，兰州—头道拐段多年平均农田灌溉耗水量达到了8.41×109m3，其宁夏和内蒙古灌区属于中国农业耗水大区；花园口以下区域则达到了8.04×109m3，这与河南、山东农业发展密切相关。而工业耗水量则主要是花园口以下段最多，为9.76×108m3；林牧渔畜耗水量以兰州—头道拐段最大，约为8.79×108m3；城镇公共、居民生活和生态环境耗水量均以花园口以下段最大，分别为1.88×108,5.00×108,6.12×108m3。可见，区域天然径流量和实测径流量会受到强烈的人类活动的影响，主要包括农田灌溉、工业、城镇公共、居民生活等方面，且不同区域的耗水结构具有较大差异。

图5 2003-2017年黄河流域各分区平均耗水情况

4 讨论与结论

4.1 讨 论

河流的天然径流和实测径流变化受人类活动加剧和气候变化的共同影响，降水量和气温直接影响河流天然径流量，而人类活动主要是通过水利工程建设、水土保持措施建设等影响实测径流量[16]。本文对比黄河上中下游8个水文站的天然径流与实测径流发现，兰州站以上二者大致相同，主要是由于该段耗水量较小，仅2.45×109m3；而兰州站以下，二者差值逐渐增大，这与其耗水量沿程逐渐增大相一致。同时，结合近15 a来黄河流域各分区耗水情况(见图5)，各分区中耗水最大项均为农田灌溉，兰州—头道拐段多年平均农田灌溉量达8.41×109m3，占该区总耗水量的80.92%，主要是该区宁夏和内蒙古灌区属于中国农业耗水大区；花园口以下区域则达到8.04×109m3，占该区总耗水量的75.86%，这与河南、山东等省份农业发展密切相关。另外，工业、城镇公共、居民生活和生态环境多年平均耗水量均为花园口以下分区最大，分别为9.76×108,1.88×108,5.00×108,6.12×108m3。因此，黄河流域人类活动中各项耗水(尤其是农田灌溉)是造成兰州站以下地区天然径流与实测径流差值大的主要原因。同时，区域天然径流和实测径流会受到强烈的人类活动的影响，且不同区域的耗水情况具有较大差异，需要结合当地的农业、工业、城镇等方面综合分析。

除人类活动明显改变黄河流域径流量的变化以外，黄河径流量也受到气候变化的影响。Wu等[23]通过SWAT模型对黄河源区(唐乃亥水文站以上)径流的影响因素进行分析，发现该区降水在径流变化中起主要作用，占64.2%，温度对径流变化的影响占25.93%。Shi等[24]通过对黄河下游径流分析，发现1950—2014年降水减少和耗水量增加是下游径流下降的主要原因。本研究由于缺乏相应站点的降水和温度数据，未能结合降水和气温变化分析径流的多年变化，仅着重探讨了人类活动为主的各项耗水分量对于径流的影响。

本文发现各站在1997年前后两段量值发生明显变化，1997年以前河流实测径流量整体偏丰，于1997年达到历史最低，1997年后径流量较稳定。杨春华等[25]对黄河上游区域降水量分析发现，黄河上游地区降水量在80年代后期至90年代末呈下降趋势，从90年代末至今较稳定；万欣[8]对黄河中下游地区降水量分析发现，1995,1996,1997年降水量达到低值，自1997年后降水量稳定。研究中结合已有研究降水量情况，以1997年为界进一步细化实测径流量的变化分析。然而降水对于流域产流是一个复杂的过程，我们仅结合了有关文献资料来分析降水量对径流影响，在后续研究中仍需进一步探究各站降水量对实际径流和天然径流量的影响，以便全面解读黄河径流量的变化机制。

4.2 结 论

(1) 1969—2018年黄河上中下游实测径流整体呈降低趋势，兰州、花园口、利津3个代表站多年平均降低速率分别为5.10×107,3.55×108,4.13×108m3/a。1997年以前，黄河3个代表水文站实测径流整体偏丰；而1997年以后，3个代表水文站多年平均实测径流量较1997年之前明显减少，分别减少了9.2%，30.6%和42.8%。

(2) 黄河径流突变主要集中在1986，1 990两个年份，结合前人研究和重要水事分析，1986年突变可能与1984年以来一系列水土保持措施实施以及1986年龙羊峡水库修建有关；而造成1990年径流突变的原因可能是人为因素导致的用水量增加(20世纪80—90年代黄河流域用水量激增)和流域下垫面改变。

(3) 黄河天然径流沿程逐渐增加，而实测径流沿程基本稳定，二者差值从上游至下游水文站断面逐渐增大，这与其耗水量沿程逐渐增大相一致。因此，人类活动中的各项耗水(尤其是农田灌溉)是造成兰州站以下地区天然径流与实测径流差值大的主要原因。