沿黄取用水对黄河干流主要断面径流影响分析

祁永辉，澈丽木格，余煌浩，钱 宇，李彬权*

(1.中国电建集团青海省电力设计院有限公司，青海 西宁 810008；2.内蒙古自治区通辽市河湖管理中心，内蒙古 通辽 028000；3.河海大学水文水资源学院，江苏 南京 210098)

20世纪50年代以来，黄河流域工农业发展迅速，生产和生活用水增加。再加上黄河流域地处干旱、半干旱地区，本身水少沙多，沿黄各省工农业生产和人民群众生活用水对黄河取水依赖很大[1]。但在气候变化和人类活动双重影响下，黄河水资源面临严峻挑战，20世纪70年代开始，黄河下游河段甚至经常断流，影响了生产发展和生活需要。沿黄地区取耗水直接影响黄河流域水文情势，如径流量及其年内分配等[2]，因此，研究沿黄取用水条件下的黄河干流主要断面径流变化对认识黄河水资源演变具有重要意义。张建云等[3]分析发现，黄河上游唐乃亥站实测年径流量为非显著性减少趋势，花园口站实测径流量呈现显著性减少趋势。Wang等[4]研究表明在1919—2018年，黄河流域年降水量总体变化不大，但日极端降水量则随着气温每增加1℃而增加7%。较多研究表明水利工程、水土保持措施、取用水等人类活动是黄河径流急剧减少的主要原因[5-8]。王煜等[9]指出，由于沿黄各省区经济社会发展程度和速度不一致改变了黄河流域的用水格局，现行的“87分水方案”与流域供需形势存在一定程度的偏离，对省区用水的指导作用降低，不利于有效控制全河的取水总量。贾绍凤等[10]在考虑预留生态水量、下游南水北调及海水利用及上中游部分产业发展需水条件下，提出了向黄河上中游分配更多水量指标的水资源战略配置方案。

本文选择黄河干流上中下游重要控制断面，应用代表性水文站的实测流量资料和1998—2019年《黄河水资源公报》资料[11]，分析年季尺度径流变化以及不同流域分区取用水的影响。

1 数据与方法

1.1 基础数据

a)干流兰州站(1919—2018年)、花园口站(1919—2018年)、利津站(1950—2018年)月径流资料。数据来源于《黄河流域水文年鉴》和黄河水利委员会信息中心，数据质量良好，主要用于分析三站年季尺度长期径流变化趋势。

b)干流主要控制水文站实测年径流资料(1998—2019年)。收集得到黄河干流上中下游主要控制水文站(唐乃亥、贵德、兰州、下河沿、石嘴山、头道拐、龙门、三门峡、花园口、高村、利津)1998—2019年的年径流量，数据来源于《黄河水资源公报》。

c)沿黄省区(分区)取、耗水资料(1998—2019年)。收集得到沿黄各省区(及不同分区)1998—2019年间年尺度取水量、耗水量、地表取水量和地表耗水量资料，数据来源于《黄河水资源公报》。

1.2 分析方法

1.2.1Mann-Kendall趋势检验方法

非参数Mann-Kendall(MK)趋势检验方法[12-13]是基于统计学上的假设检验进行的，对一资料样本X={x1,…,xn},n>10而言，MK检验提出原假设H0和备择假设H1。H0：样本系列在时间上随机排列的，无显著性趋势；H1：样本系列在时间上存在显著性的上升或下降趋势。

MK检验的统计量S可用式(1)估计：

(1)

(2)

式中xj、xk——样本中第j、k个数据(j>k)。

当样本总量满足n>10时，统计量S服从均值为0的正态分布，其方差为：

(3)

根据式(3)可进一步计算统计量Z：

(4)

式中，统计量Z服从标准正态分布。当Z大于零时，说明样本系列呈上升趋势；当Z小于零时，说明样本呈下降趋势。根据显著性水平α从标准正态分布表中查出临界值(双尾检验)Zα/2。当统计量Z的绝对值大于Zα/2时，则拒绝原假设H0而接受备择假设H1，反之则接受原假设。

若序列中存在上升或下降的趋势，假定其为线性的，则样本数据的坡度可根据Sen法[14]进行估计。在序列中，取不同的2个数据进行组合，计算坡度值βj：

(5)

这样，对样本大小为n的序列而言，式(5)可以计算得到N=n(n-1)/2个坡度值。取N个坡度值的中值β为样本的坡度。坡度β的正或负也分别反映了序列的上升或下降的趋势。

1.2.2水文变异综合诊断方法

谢平等[15]提出的水文变异综合诊断方法，可用于检测水文序列的突变点。该方法假定时间序列X={x1,…,xn}中的可能突变点位置为τ(1<τ

(6)

因此，满足式(7)的目标函数最小的τ0就是序列中的突变点位置。

Vn(τ0)=min{Vn(τ)}, 2≤τ≤n-1

(7)

2 结果与讨论

2.1 兰州、花园口、利津三站径流变化分析

2.1.1年际变化分析

图2为干流兰州、花园口、利津三水文站年径流量及5年滑动平均序列，可以看出自1994年开始中游花园口站实测径流量低于上游兰州站(根据5年滑动平均系列对比)，表明兰州—花园口河段取耗水量越来越大，在1994年后基本保持中游花园口站实测径流量小于上游兰州站的现象。对比下游利津站与中游花园口站年径流量系列(1950—2018年)可知，1970年代中期前，两系列径流量相差不大、变化相对稳定，这与两站控制的集水面积相关，花园口站以下分区面积仅占流域总面积的2.9%，产水量占比较小。

图2 黄河干流三站年径流量变化情况

根据1919—2018年系列统计，上游兰州站多年平均实测年径流量为309.16亿m3，变化坡度值为-0.204亿m3/a，MK趋势检验发现无显著性变化趋势，其原因主要是数据系列较长，整体变化不显著，但不同时期仍有明显趋势性变化。例如，尽管1919—1949年和1950—2018年两系列多年平均实测年径流量相差无几(分别为308.97亿、309.25亿m3)，但是在变化趋势上分别为显著性增加趋势(99%置信度)和显著性减少趋势(95%置信度)，坡度分别为3.64亿、-0.84亿m3/a。在年代际变化尺度上，1960年代平均年径流量最大(357.93亿m3，为多年平均值的1.16倍)，20世纪90年代、21世纪00年代的平均年径流量相对较小(259.82亿、267.59亿m3，为多年平均值的85%左右)。

根据1919—2018年系列统计，中游花园口站多年平均实测年径流量为401.75亿m3，坡度值为-2.86亿m3/a，MK趋势检验表现为显著性减小趋势(99%置信度)。对比1919—1949年和1950—2018年两系列可发现，二者分别为99%置信水平的显著增加和显著减少趋势，坡度分别为5.74亿、-4.23亿m3/a，这与上游兰州站对比情况类似，但两系列的均值相差较大(分别为479.45亿、366.84亿m3)。在年代际变化尺度上，年径流量变化趋势与上游兰州站相似，在1960年代均值最小(505.92亿m3，为多年平均值的1.26倍)，1990年代、2000年代的平均年径流量相对较小(256.92亿、231.57亿m3，为多年平均值的60%左右)。

下游利津站年径流量系列时间期限为1950—2018年，多年平均年径流量为293.51亿m3，MK趋势分析表明，与上中游两站变化类似，表现为显著性减少趋势(99%置信度)，坡度值为-6.19亿m3/a。三站变化对比可知，在同一时期(1950—2018年)内，自上游向下游，年径流量减少幅度呈增大趋势，表明中下游取用水量日益增大。

利用水文变异综合诊断方法分析上述三站年径流量系列的突变情况，结果表明：上游兰州站有2个突变点，分别为1932、1985年(其中1985年为最显著突变年份)，中游花园口站、下游利津站的年径流量系列突变年份均为1985年。总体看，干流三站均表现为年径流量减少趋势和较为一致的突变点位置，表明受气候变化和人类活动双重影响，黄河流域干流上中下游三站水文情势变化基本一致。

以突变年份为分界点将整个时期划分为多个阶段，统计不同时期的径流量均值变化情况见表1。上游兰州站第二时期(1933—1985年)的多年平均年径流量比前一时期增加30.64%，第三时期(1986—2018年)的多年平均年径流量比第二时期减小17.60%，整个研究时期表现为先增加再减小的趋势(但根据图1中MK检验，该趋势并不显著)。中游花园口站突变点前后的多年平均年径流量减少43.35%，而下游利津站突变点前后的多年平均年径流量的变幅则更大，减小幅度达62.62%。

图1 黄河水系及部分干流主要控制站示意

表1 黄河干流三站年径流量序列突变前后均值变化情况

2.1.2汛期与非汛期变化分析

黄河干流兰州、花园口、利津三站年内汛期与非汛期径流量分配情况统计见表2。兰州站汛期(6—9月)径流量为161.58亿m3，占全年径流量的51.4%，最大可达68.9%(1933年)，最小只有36.3%(1971年)；7—8月径流量占年径流量的28.1%，最大可达47.5%(1933年)，最小只有16.6%(2000年)。非汛期径流量为147.58亿m3，占全年径流量的48.6%。径流量平均每年7月最大、8月次大，2月最小、3月次小，最大是最小的4.6倍。历年最大月径流量是1981年9月的109.90亿m3，占当年径流总量的26.4%，是多年平均径流量的35.5%。汛期和7—8月径流量占年径流量的比重在年代际变化上总体呈减小趋势，汛期由1930年代的59.8%非单调减至2010年代的44.7%，减少了15.1%，表明径流量年内分配趋向均匀。

表2 黄河干流三站径流量年内分配统计

花园口站汛期径流量为202.85亿m3，占全年径流量的48.9%，最大可达69.4%(1933年)，最小只有24.3%(2001年)；7—8月径流量占年径流量的28.0%，最大可达52.2%(1933年)，最小只有8.5%(2003年)。非汛期径流量为198.90亿m3，占全年径流量的51.1%。据统计，径流量平均每年8月最大、9月次大，2月最小、1月次小，最大是最小的4.8倍。历年最大月径流量是1949年9月的153.06亿m3，占当年年径流量的22.3%，是多年平均年径流量的38.1%。汛期和7—8月径流量占年径流量的比重在年代际变化上总体呈减小趋势，这与上游兰州站的变化趋势基本一致，表明径流量年内分配趋向均匀。其中，兰州—花园口区间的水库调节作用是重要原因。

利津站汛期径流量为150.41亿m3，占全年径流量的51.3%，最大可达55.7%(1999年)，最小为45.0%(1979年)；7—8月径流量占年径流量的30.9%，最大可达35.3%(1999年)，最小只有24.7%(1979年)，极值出现时间与汛期的一致，表明7—8月径流量是汛期径流量的最主要贡献部分。非汛期径流量为143.15亿m3，占全年径流量的48.7%。据统计，径流量平均每年8月最大、9月次大，2月最小、1月次小，最大是最小的5.8倍。历年最大月径流量是1964年9月的183亿m3，占当年径流总量的18.8%，是多年平均径流量的62.3%。与上中游两站不同，利津站汛期和7—8月径流量占年径流量的比重基本保持稳定，变幅不大，这是由于黄河流域径流主要来源于花园口站以上的上中游流域，在自然坦化作用下，径流量年内分配相对均匀，此外，上中游水库调节作用也是重要贡献之一。

2.2 上下游11站1998—2019年间径流变化分析

为更好对比近年来流域上下游径流变化情况，图3—5分别展示了干流上游(唐乃亥、贵德、兰州、下河沿、石嘴山)、中游(头道拐、龙门、三门峡、花园口)和下游(高村、利津)共11个站点1998—2019年间实测年径流量系列。尽管从前文干流兰州、花园口、利津三站长系列资料分析得到年径流量呈递减趋势，但是1998—2019年总体变化趋势是增加的，且这种增大趋势在图中11个站点均能体现。由图6可知，黄河流域面平均降水量在1998—2019年呈增多趋势，因此，降水增多应是干流各站点实测年径流量增大的重要原因。

图3 黄河上游五站实测年径流量系列(1998—2019年)

图4 黄河中游四站实测年径流量系列(1998—2019年)

图5 黄河下游两站实测年径流量系列(1998—2019年)

图6 黄河流域面平均降水量系列及其线性趋势(1998—2019年)

图7给出了干流11站1998—2019年间年径流量系列箱形图。按上下游年径流量对比来看，兰州—头道拐、花园口—利津2个区间的下游径流量小于其上游河段，表明这2个区段流经的地区(甘肃、宁夏、内蒙古、河南和山东等省区)取用水量对干流径流影响较大。

图7 黄河干流11站1998—2019年间年径流量系列箱形图

2.3 流域分区取耗水分析

将黄河全河划分为兰州以上、兰州至头道拐、头道拐至龙门、龙门至三门峡、三门峡至花园口、花园口以下、内流区等共7个分区，分析1998—2019年间各分区的取耗水情况。图8为黄河各分区1998—2019年取水总量、耗水总量、地表取水量、地表耗水量多年均值系列及各取/耗水量的变化范围。对比可知，取水量最大的是兰州至头道拐区间，年均取水总量为183.92亿m3，花园口以下次大(为127.14亿m3，主要发生在花园口至利津区间)，取水量最小的是内流区的4.09亿m3，次小的为头道拐至龙门区间的16.95亿m3。从耗水量来看，年均耗水量最大的是兰州至头道拐的124.12亿m3(占其取水总量的68%)，其次为花园口以下的120.42亿m3，耗水量最小是内流区的3.30亿m3(占其取水总量的80%)，次小的为头道拐至龙门区间的14.11亿m3；这与沿黄各分区取水总量的大小规律基本一致。

图8 流域不同分区1998—2019年间取耗水情况

地表取水是沿黄各省(区)取水的主要方式，因而不同流域分区的地表取水量、地表耗水量的对比情况与取耗水总量沿程变化基本一致。地表取水量最大的是兰州至头道拐区间的155.32亿m3，占该分区取水总量的85%，地表取水量最小的是内流区的1.29亿m3，占该分区取水总量的31%，这两个分区也分别是取水总量最大、最小的两个分区。在地表耗水量方面，与地表取水量反映的各分区极值一致，最大的地表耗水量发生在兰州至头道拐区间(104.32亿m3)，最小值发生在内流区(1.07亿m3)。

取耗水量相对集中在兰州至头道拐区间的甘肃、宁夏、内蒙古等地区，以及花园口以下的河南、山东两省。总体来看，地表取水量在取水总量中比重较大，除内流区仅占约31%外，头道拐至龙门、龙门至三门峡、三门峡至花园口等区间地表取水量在取水总量中占比在50%左右，兰州以上、兰州至头道拐、花园口以下等区间的地表取水量在取水总量中占比约85%。此外，就耗水量在其取水量中占比而言，无论是取(耗)水总量还是地表取(耗)水量，兰州至头道拐区间取水量的利用率(即耗水量除以取水量的比值)最低，约为68%，其他流域分区的比值均大于75%，主要的可能原因是兰州至头道拐区间取水中的农业用水占较大比重，灌溉用水利用率低。

2.4 取耗水对干流径流量影响分析

分析取耗水对干流兰州、头道拐、龙门、三门峡、花园口等分区断面干流径流量的影响，表3列出了各站1998—2019年间多年平均实测径流量、天然径流量、地表耗水量和地表水还原水量。总体看，各断面的地表还原水量在天然径流量比重的多年平均值都是正值，且自上游贵德站开始向下游增加趋势，中下游断面的比重都在43%以上，在利津站取值达到最大(64.6%)，可推断取水主要发生在兰州以下的中下游地区。

表3 干流7站多年平均实测径流量、天然径流量、地表耗水量和地表水还原水量

地表耗水量与地表还原水量的比值可以反映沿黄河道取用水对河道径流量影响的贡献。统计结果表明，贵德以上分区耗水对河道径流量影响较小，在减小的水量中仅有14.3%是由用耗水造成的，其余85.7%是贵德站以上龙羊峡水库蓄水导致的。在兰州以上分区，耗水对径流减少的贡献比例上升至75.6%，成为径流减少的主要原因。再往下游的头道拐、龙门、三门峡、花园口和利津等站点以上分区的耗水贡献比例大幅增加至约95%左右。因此，从整个流域层面看，沿黄取耗水活动对黄河干流年径流量的影响较大，是径流减少的最主要贡献成分。

统计分析各单独流域分区的河道天然径流量、地表水还原水量和地表耗水量情况(表4)，结果表明：除兰州—头道拐、花园口—利津2个分区外，取耗水、水库蓄水等人类活动对贵德以上径流量影响最小，对河道天然径流量变化的影响比例仅为5.7%(其中地表耗水量仅占天然径流量0.8%)，而贵德—兰州分区的影响比例增大至17.3%(其中地表耗水量的比重为16.3%)；在流域中下游分区，人类活动的影响进一步增大，特别是在龙门—三门峡分区，地表还原水量占河道天然径流量的比例达到55.4%(其中地表耗水量占比为54.8%)。此外，需要注意兰州—头道拐分区的天然径流量计算结果是-15.26亿m3，这主要原因是该分区取水、蒸发、河道渗漏等影响较大，造成头道拐站的河道天然径流量小于其上游的兰州站；花园口—利津分区以河道汇流为主，区间汇水面积较小，因此该区间2005—2019年多年平均天然径流量为10.75亿m3是合理的，但该区段人类活动(取水、水库蓄水等)对河道径流的影响最大，本地水远远不够使用，大量取耗水的是上游来水。

表4 各分区多年平均天然径流量、地表还原水量和地表耗水量

3 结论

a)根据1919—2018年系列统计，上游兰州站多年平均实测年径流量为309.16亿m3，变化率为-0.204亿m3/a，无显著性变化趋势；中游花园口站多年平均实测径流量为401.75亿m3，变化率为-2.86亿m3/a，表现为显著性减小趋势；下游利津站多年平均年径流量为293.51亿m3(1950—2018年)，表现为显著性减少趋势，变化率为-6.19亿m3/a。三站变化对比可知，在同一时期(1950—2018年)内，自上游向下游，年径流量减少幅度呈增大趋势，表明中下游取用水量日益增大。

b)1998—2019年黄河年径流量变化趋势则呈增加趋势，且这种增大趋势在干流上下游11个站点均有所反映。分析原因发现，流域面平均降水量在1998—2019年呈增多趋势，因而可能导致干流各站点实测年径流量的增大。此外，2012—2017年干流各站点年径流量明显减少，结合降水量变化过程来看，人类活动应是主要原因。

c)1998—2019年，流域多年平均取水、耗水总量分别为503.38亿、395.09亿m3，取水、耗水总量的变化均呈增大趋势，表明黄河流域各行业取用水量不断增加。取耗水、水库蓄水等人类活动对贵德以上径流量影响最小，贡献比例仅为5.7%，而贵德—兰州分区的影响比例增大至17.3%；在流域中下游分区，取耗水、水库蓄水等干扰的影响进一步增大，特别是在龙门—三门峡分区，地表还原水量占河道天然径流量的比例达到55.4%。