1961—2016年黄河中游区间径流变化及归因分析

杨 旭， 姬广兴， 杨元达， 王 超

（1.河南省科学院地理科学研究所，郑州 450052 2.智慧中原地理信息技术河南省协同创新中心，郑州 450052；3.河南农业大学资源与环境学院，郑州 450002； 4.河南财经政法大学资源与环境学院，郑州 450046）

近年来，变化环境下水资源演变机制分析日益成为研究热点［1］. 气候变化和人类活动是致使环境发生改变的重要驱动因素，气候变化会直接影响流域的降水和气温状况，对水资源演变产生直接影响［2-3］，而人类活动会改变流域的下垫面状况，影响水资源的演变过程［4］.

黄河中游流域是指黄河头道拐至花园口水文站这一区域，该区域内有号称“八百里秦川”的陕西关中平原和“塞上谷仓”的内蒙古河套平原，是我国重要的农牧业生产基地和能源生产基地，对保障国家粮食安全具有重要作用. 近几十年来，黄河中游径流量呈现日益减少的趋势，这对该区域的生态安全和经济发展造成了严重危害. 因此，全面地分析黄河中游径流的趋向变化，定量分析气候因素和人为因素对黄河中游径流变化的影响程度，对黄河整体的水资源利用和开发、人类的生活生存环境保护以及经济可持续发展都有重要的意义.

近年来，一些学者开始定量区分气候因素和人类活动对黄河中游径流变化的影响程度. Chang等［5］分析发现，人类活动是影响黄河流域径流变化的主要因素，兰州站、头道沟站、花园口站和利津站因人类活动引起的径流量变化的贡献比例分别为74.87%、82.2%、80.63%和88.71%. 王国庆等［6］分析得知人类活动导致黄河中游上龙门、华州区、河津等站点的径流量变化的贡献比例都高达70%以上. Wang等［7］分析发现，从1950—1980年间人类耗水对黄河流域径流减少的贡献率占90%以上，从1970年开始，土地覆被变化成为导致黄河流域径流减少的主要因素. 冯嘉豪等［8］定量分析了人类活动和降雨变化对黄河中游区域干流4个水文站及11条支流径流变化贡献率. 宁怡楠等［9］定量分析了人类活动和降雨变化对黄河中游4条支流径流变化贡献率. 然而，已有研究多是针对黄河的大尺度研究，较少研究定量计算气候因素和人类活动对黄河中游区间径流量变化的影响程度，这里所说的黄河中游区间径流量是黄河中游段的第一个水文站和最后一个水文站之间的径流量.

本研究首先分析了1961—2016年黄河中游区间径流量、降水量和参考蒸发量的变化趋势，然后使用累计距平值方法来识别1961—2016年黄河中游区间径流量的突变年份，最后使用累积量斜率变化率方法分别计算得到气候因素（降水、参考蒸发量）及人类活动对黄河中游区间径流量变化的贡献率. 这项工作将有助于更好地理解人与自然对黄河中游水资源演变的相互作用，同时也为黄河流域的水资源管理提供重要的见解.

1 研究区、数据和方法

1.1 研究区

黄河中游流域是指黄河头道拐至花园口水文站这一区域，位于32°～42°N 和104°～113°E（图1），该河段总长约1 234.6 km，该区域总面积约占黄河流域的45.7%. 约有30 条较大支流汇入，径流量约占全河径流量的44.3%. 该区域内有号称“八百里秦川”的陕西关中平原和“塞上谷仓”的内蒙古河套平原，是我国重要的农牧业生产基地和能源生产基地. 小麦产量占全国首位，大豆产量居全国第二位，棉花产量居全国第四位. 农产品生产需要耗费大量的水，而近年来该区域径流量日益减小对农产品生产和粮食安全带来了巨大危害［10-11］.

图1 研究区位置及水文气象站点分布Fig.1 The location of the study area and the distribution of hydrometeorological stations

1.2 数据来源

本研究所使用的数据包括两部分：

1）1961—2016 年的头道拐和花园口水文站的年径流观测数据，这些数据都来源于黄河水利委员会（http：//www.yrcc.gov.cn/）. 在本研究中，黄河中游径流量数据是通过花园口水文站的年实测径流量减去头道拐水文站的年实测径流量数据得到.

2）黄河流域的气候站点数据是从中国气象局（http：//www.cma.gov.cn）获得的，数据集包含了1961—2016年研究区所有站点每天的气象数据. 利用研究区内及周边82个气象站在1961—2016年的年降水量，采用克里格（Kriging）插值，得到黄河中游区域的年均降水量. 采用公式（1）的Penman-Monteith公式计算每个站点在1961—2016年的参考蒸发量，再利用克里格（Kriging）插值，得到黄河中游区域的年均参考蒸发量.

式中：ET0表示参考蒸发量；Δ 表示饱和水汽压曲线斜率，kPa·℃-1；Rn表示计算地点处的净辐射，MJ/（m2·d）；G表示土壤热通量，MJ/（m2·d）；γ表示湿度计常数，kPa·℃-1；U2表示2 m 高处的风速，m/s；T表示平均气温，℃；ea和ed分别表示饱和水汽压和实际水汽压，kPa.

1.3 研究方法

1.3.1 突变检验方法 累计距平值方法是应用比较广泛的突变检验方法［12-15］，本研究采用该方法对黄河中游区间径流量数据进行了分析，进而判断其突变年份.

累积距平方法：对于包含了n个样本的时间序列X，其在t时刻的累计距平值的运算公式为

式中Xˉ为平均值，计算公式为：

然后通过观察累计距平值St与时刻t的曲线关系，曲线上的极值点有很大的可能就是突变点.

1.3.2 累积量斜率变化率方法 Wang 等［16］在2012年提出了累积量斜率变化率比较法这一新的方法，已经被广泛地用于定量计算气候因素和人类活动对径流变化的影响比例［17-20］.

设定基准期a与突变期b的累计降雨量和年份的拟合方程的斜率分别是SPa和SPb，mm/a. 基准期a与突变期b的累计蒸发量和年份的拟合方程的斜率分别是SEa和SEb，mm/a. 基准期a与突变期b的累计径流和年份的拟合方程的斜率分别是SRa和SRb，108m3/a. 那么降水量对黄河中游区间径流量变化的贡献率CP通过以下方程运算能够得出：

参考蒸发量对区间径流量变化的贡献率可以通过以下公式计算得到：

人类活动对区间径流量变化的贡献率CH可以通过以下公式计算得到：

2 结果和分析

2.1 区间径流量、降水与参考蒸发量趋势分析

黄河中游1961—2016年区间径流量、降水与参考蒸发量的变化情况见图2～4. 通过图2可以发现，黄河中游的区间年径流量从1961—2016年整体上表现为显著减少的变化趋势，斜率大小为-3.341 8×108m3/a.

图2 黄河中游区间径流量变化Fig.2 The interval runoff changes in the middle reaches of the Yellow Rive

从图3 可以发现，黄河中游年均降水量从1961—2016 年整体上都表现为波动减少的变化趋势，斜率大小为-0.930 2 mm/a.

图3 黄河中游年均降水量变化Fig.3 The annual average precipitation changes in the middle reaches of the Yellow River

从图4 可以发现，黄河中游的年均参考蒸发量从1961—2016 年整体上均呈现出波动增长的变化趋势，其增加的速率大小是0.038 5 mm/a.

图4 黄河中游年均参考蒸发量变化Fig.4 The annual average reference evaporation changes in the middle reaches of the Yellow River

2.2 区间径流量突变分析

为了识别黄河中游径流量在时间序列中的突变时间点，本研究采用累计距平值方法对黄河中游区间径流量数据进行了分析，结果如图5 所示. 从图5 可以发现，黄河中游区间径流量的累积距平值从1961—1985 年呈现出一种增加趋势，而黄河中游区间径流量的累积距平值从1986—2016年呈现出下降的趋势，表明1985年是黄河中游区间径流发生突变的年份.

图5 黄河中游区间径流量累积距平值Fig.5 The cumulative anomalies of interval runoff in the middle reaches of the Yellow River

2.3 气候因素和人类活动对区间径流变化的贡献率

根据黄河中游区间径流数据的突变分析结果，将1961—2016年划分为两个时期：基准期（1961—1985年）和突变期（1986—2016年），然后分别对年份与不同时段黄河中游累积区间径流量，年份与不同时段黄河中游累积降水量以及年份与不同时段黄河中游累积参考蒸发量进行拟合.

年份与不同时段黄河中游累积区间径流量的拟合关系见图6，基准期的拟合方程y=180.59x-353 484，拟合系数为0.981 9，突变期的拟合方程y=92.697x-178 797，拟合系数为0.991 7，所有拟合方程的决定系数都在0.98以上，表明二者之间具有很好的线性函数关系.

图6 黄河中游累积区间径流量与年份的关系Fig.6 The relationship between accumulation interval runoff and year in the middle reaches of the Yellow River

年份与不同时段黄河中游累积降水量的拟合关系见图7，基准期的拟合方程y=536.57x-106，拟合系数为0.999 6，突变期的拟合方程y=503.39x-985 608，拟合系数为0.999 5，所有拟合方程的决定系数都在0.99以上，表明二者之间具有非常好的线性函数关系.

图7 黄河中游累积降水量与年份的关系Fig.7 The relationship between accumulation precipitation and year in the middle reaches of the Yellow River

年份与不同时段黄河中游累积参考蒸发量的拟合关系见图8，基准期的拟合方程y=990.96x-2×106，拟合系数为0.999 9，突变期的拟合方程y=982.42x-2×106，拟合系数为0.991 7，所有拟合公式的决定系数都在0.99以上，表明二者之间具有极好的线性函数关系.

图8 黄河中游累积参考蒸发量与年份的关系Fig.8 The relationship between accumulation reference evaporation and year in the middle reaches of the Yellow River

根据年份与不同时段黄河中游累积量的线性函数，可以求得黄河中游径流量、降水量和参考蒸发量的累积值在不同时期的斜率（表1）. 1961—1985年作为黄河中游河段的基准期，与基准期相比，突变期1986—2016年的黄河中游累积区间径流量的斜率减少了87.89×108m3，累积降水量的斜率大小减少了33.18 mm，累积蒸发量的斜率大小减少了8.54 mm.

表1 黄河中游区间径流量、降水量和参考蒸发量的累积值在不同时期的斜率Tab.1 The slope rate of the cumulative value of interval runoff，precipitation and reference evaporation in the middle reaches of the Yellow River in different periods

为了定量区分降水量、参考蒸发量和人类活动对区间径流量变化的影响程度，利用公式4、5、6计算得出降水量、参考蒸发量和人类活动对基准期和突变期之间径流变化量的贡献率. 通过计算可知，降水量、蒸发量和人类活动对两个时期之间黄河中游区间径流变化量的贡献率分别为12.70%、-1.73%和89.07%（表2）.

表2 降水量、参考蒸发量和人类活动对黄河中游基准期与突变期之间径流量变化的贡献率Tab.2 The contribution rate of precipitation，reference evaporation and human activities to runoff changes between the base period and mutation period in the middle reaches of the Yellow River

3 结论

本研究首先分析了1961—2016年黄河中游区间径流量、降水量和参考蒸发量的变化情况，然后采取了Mann-Kendall突变检验方法和累计距平值方法识别了黄河中游区间径流的突变年份，最后利用累积量斜率变化率方法定量计算得出了气候因素（降水和参考蒸发）和人类行为对黄河中游区间径流量变化的影响程度，得到的结果如下：

1）黄河中游流域的年径流量在1961—2016年间表现为明显减少.

2）黄河中游的区间径流量在1961—2016年间存在1个突变年份，为1985年.

3）黄河中游区间径流量变化主要受到人类活动的影响，其贡献率接近90%，降水量和参考蒸发量对黄河中游区间径流变化的贡献率分别为12.70%和-1.73%.