山东省主要河流近60 a径流变化及其归因分析

郭晓娜， 武 玮， 郑从奇， 桑国庆

(1. 山东省水利勘测设计院有限公司， 山东 济南 250013； 2. 济南大学 水利与环境学院， 山东 济南 250022；3. 山东省水文中心, 山东 济南 250001)

在气候变化和人类活动的双重影响下，河流径流情势发生了显著改变[1-3]，对生态系统的稳定性造成严重威胁[4]。研究降水量和径流量变化趋势、定量分析气候变化和人类活动对径流变化的影响，对流域水资源的可持续利用具有重要意义。山东省人口密度较大，水资源时空分布不均匀，水资源总量与经济发展需求极度不均衡，水资源已成为制约社会经济发展的关键因素。尤其1990年以后，由于水利工程的拦蓄作用导致河流径流变化规律更加复杂，因此了解山东省河道径流变化趋势，识别气候变化和人类活动对径流变化的影响，对实施山东省水资源的科学管理和合理配置，实现经济与生态环境的稳步发展，营造人与自然和谐相处的局面具有重要的意义。

目前，针对河道径流演变趋势和归因分析的方法主要有统计学方法和水文模型法两大类。秦丽欢等[5]采用Mann-Kendall趋势检验法、小波分析法、双累积曲线法分析了径流变化周期趋势及降雨和人类活动对径流变化的影响，结果发现人类活动影响是主因。牟夏等[6]采用有序聚类法、水文改变指标(IHA/RVA)等方法进行了径流情势分析。郭军庭等[7]、秦文静等[8]均应用土壤和水评估工具(SWAT)模型分析了气候变化和土地利用变化对径流情势的影响。目前山东省径流变化分析的研究主要集中于小清河[9]、大沽河[10]、大沽夹河[11-12]等河流，针对全省径流变化分析的研究较为缺乏，研究内容也以径流趋势分析和变点分析为主，定量识别气候变化和人类活动对河流径流变化影响的研究相对较少。山东省内河流分属海河、黄河和淮河三大流域，又分为徒骇马颊河、 花园口以下、 沂沭泗河和山东半岛沿海诸河四大水系，河流闸坝众多，水资源开发利用程度较高。本文中从四大水系选取典型河流，在系统分析径流变化趋势的同时，识别气候变化和人类活动对径流变化的贡献度，以期为山东省水资源开发利用提供依据，也可为流域生态环境保护、经济社会可持续发展提供一定的参考。

1 山东省河流概况

山东省地处我国东部地区，属暖温带季风气候，除胶东半岛东部沿海外，大陆性气候显著，受大气环流、季风和地形条件的共同影响，降水量的年际变化较大，年内分布也不均匀，夏季降水占全年降水量的60%～70%。全省中小河流密布，根据河流水系完整性，其中，徒骇马颊河水系主要包括位于鲁北平原区的漳卫新河、徒骇河、马颊河等；花园口以下水系主要包括大汶河、玉符河和南北沙河；沂沭泗河水系主要有沂河、沭河、泗河、洙赵新河等，山东半岛沿海诸河水系均为独流入海，包括大沽河、潍河、小清河、弥河等。山东省年径流空间分布不均，年内分布也不均衡，汛期尤其是7、8月份径流量约占全年天然径流量的80%[13]，与降水年内分布和空间分布趋势基本一致。

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源

本研究从四大水系分别选取典型河流进行分析，其中，花园口以下水系以大汶河为典型河流，代表水文站为上游莱芜站和下游戴村坝站；山东半岛沿海诸河水系以大沽河和小清河作为典型河流，代表水文站分别为南村站和岔河站；徒骇马颊河水系是徒骇河、马颊河与德惠新河的统称，以鲁北平原站作为该水系的代表性水文站；沂沭泗河水系以沂河、沭河和泗河为典型河流，沂河的代表性水文站为上游东里店站和下游临沂站，沭河的为上游莒县站和下游大官庄站，泗河的为书院站，所选典型河流和水文站基本代表了山东省河流的主要径流情势。收集以上10个代表性水文站1956—2016年的实测年降水量和径流深资料，数据均由山东省水文中心提供。典型河流及水文站点位置如图1所示。

山东省地图从国家标准地图网站下载，地图审批编号 为GS(2020)4634号(http://bzdt.ch.mnr.gov.cn/browse. html?picId=%224o28b0625501ad13015501ad2bfc0467%22)， 经过ArcGIS 10.3软件数字化处理后得到。图1 山东省典型河流及水文站点分布图

2.2 研究方法

1)突变点分析方法。 应用水文时间序列进行突变分析的方法主要包括有序聚类分析法[7]、 双累积曲线法、 贝叶斯变点分析法、 重标极差分析法(R/S分析法)[14]、 Pettitt非参数检验[15]等， 其中有序聚类分析法对均值变异的序列或含有均值变异的序列检验效果明显， 而双累积曲线法是目前在水文气象要素一致性或长期演变趋势分析中最简单、 直观和广泛应用的分析方法[16]。 本文中采用Mann-Kendall法分析径流深的趋势变化情况， 采用有序聚类分析法和双累积曲线法进行突变点分析。

2)径流还原法。确定突变点年份后，将突变点之前的径流系列作为基准期，该时期人类活动影响较小，将突变点之后的径流系列作为影响期，此时为人类活动和气候变化共同影响的时期，然后采用径流还原法[14]分析气候变化和人类活动对山东省主要河流径流变化的贡献率。

该方法的关键点是影响期天然径流深的还原。降雨是径流的首要驱动因子，基于基准期数据采用一元线性回归模型建立降雨-径流相关关系，并对相关系数r进行显著性检验(显著性水平p=0.05)，若降雨与径流相关性显著，可用该模型模拟影响期的天然径流深，选用决定系数r2和模拟总量相对误差Er对回归方程的模拟结果进行分析。

(1)

气候变化对径流变化的贡献率η2为

(2)

3 结果与分析

3.1 山东省主要河流年降水量和径流深年际变化特征分析

采用Mann-Kendall法对代表水文站的年降水量进行趋势分析，结果见表1。近60 a来，除沭河莒县站为极显著减小趋势外，所有河流的年降水量变化均不显著。从典型河流水文站点的降水量特征值统计中发现，山东省典型河流的年降水量均值集中在600～900 mm，其中沂河、沭河的降水量最大，均为800 mm左右，其次是泗河，降水量为700 mm左右，大汶河和大沽河降水量为650～700 mm，小清河降水量最小，仅为575.76 mm。从不同水系来看，沂沭泗河水系的降水量最大，其次是花园口以下水系，第三是山东半岛沿海诸河，徒骇马颊河水系降水量最小。

采用Mann-Kendall法对代表河流水文站点的年径流深进行趋势分析，结果如表2所示。近60 a来，大汶河、大沽河、沂河和沭河的所有站点河道径流深均为减小趋势， 其中大沽河南村站和沭河莒县站为极显著减小趋势，沂河临沂站为显著减小趋势，而大汶河戴村坝站为较显著减小趋势。小清河岔河站为极显著增加趋势，主要是受到人工调水及闸坝调度的影响[9]。徒骇马颊河水系的鲁北平原站和泗河的书院站径流深基本保持不变。从主要河流水文站点的年径流深特征值统计发现，山东省主要河流的年径流深均值为38～230 mm，其中沂河年径流深最大，为200 mm左右；其次是沭河、泗河和大汶河，年径流深为150～200 mm，小清河和大沽河年径流深为90～120 mm，徒骇马颊河年径流深最小，仅为38.43 mm。从不同水系来看，沂沭泗河水系的年径流深最大，其次是花园口以下水系，第三是山东半岛沿海诸河水系，徒骇马颊河水系年径流深最小，与降水量的分布趋势基本一致。

表1 山东省主要河流降水量趋势分析结果

表2 山东省主要河流径流深趋势分析结果

3.2 山东省主要河流年径流深突变点分析

以大汶河戴村坝站为代表水文站， 采用有序聚类分析进行突变点分析， 结果如图2(a)所示。 由图可见， 统计曲线在1964年出现最小值， 其次在1971、 1975年各出现一个极小值， 说明戴村坝站年径流深在1964、 1971和1975年均发生了突变。 根据降雨径流双累积曲线结果(见图2(b))， 径流深也在1964发生较大突变， 原因是该年汛期发生了200年一遇的特大暴雨[17]， 而1971、 1975年均突变较小， 结合水利工程修建情况， 1964—1975年修建有较多的水利工程， 因此选取1975年作为戴村坝站多年径流深的突变点。 其他站点突变点结果如表3所示， 可以看出， 小清河岔河站径流突变点为1994年， 而鲁北平原站径流突变年份为1989年， 其他河流站点的径流突变年份均集中在1974—1976年之间。

3.3 天然径流深模拟

利用基准期的降雨量和实测径流深系列建立一元线性回归模型， 模拟结果如表4所示。 大汶河、 大沽河、 泗河、 沂河和沭河基准期降雨径流的一元线性回归方程的确定性系数均在0.6以上， 且通过了显著性检验， 模拟径流深相对误差也较小， 介于±2%之间。 小清河岔河站和徒骇马颊河鲁北平原站的确定性系数分别为0.51和0.53， 相对误差分别为-0.50%和-6.71%， 且相关性不显著， 说明降雨径流关系不显著， 人类活动对径流深影响较大。

(a)有序聚类分析结果(b)降雨径流双累积曲线图2 大汶河戴村坝水文站实测径流深有序聚类分析结果和降水径流双累积曲线

表3 不同方法对径流深突变点分析结果

表4 山东省典型河流模拟结果分析

3.4 山东省主要河流径流变化归因分析

由于小清河岔河站和徒骇马颊河鲁北平原站的降雨径流相关性较差，不能用该相关性进行天然径流深还原，因此仅对大汶河、大沽河、泗河、沂河和沭河的径流变化进行归因分析，结果如表5所示。

3.4.1 花园口以下水系

大汶河戴村坝站1975—2016年影响期实测径流深为93.63 mm， 与基准期天然径流深相比减少96.28 mm， 包括气候变化和人类活动对径流变化的共同影响， 与影响期天然径流深相比减少63.52 mm， 该部分为人类活动对径流变化的影响， 贡献率为65.97%。 1975—2016年平均降水量为701.94 mm，相较于基准期平均降水量减小57.50 mm， 导致1975—2016年径流深较基准期天然径流深减少32.76 mm， 说明气候变化引起径流深减少， 贡献率为34.03%， 因此， 1975—2016年人类活动对径流深变化的影响大于气候变化， 人类活动是引起大汶河戴村坝径流变化的主要驱动因素。 对于大汶河莱芜站，人类活动和气候变化对径流变化的贡献率分别为49.36%和50.64%，说明气候变化对大汶河莱芜站径流深变化的影响与人类活动影响的贡献基本相当。

表5 气候变化和人类活动对大汶河、大沽河、小清河和沂沭泗河径流变化的贡献率

3.4.2 山东半岛沿河诸河水系

大沽河南村站1976—2016年实测径流深较基准期天然径流深减小141.88 mm，人类活动和气候变化的贡献率分别为31.34%和68.66%，气候变化是大沽河径流减小的主要驱动因素。

3.4.3 沂沭泗河水系

泗河书院站影响期实测径流深较基准期天然径流深减少214.94 mm，人类活动和气候变化的贡献率分别为75.07%和24.93%，说明人类活动对影响期径流变化的影响大于气候变化，是引起泗河径流变化的主要驱动因素。沂河临沂站影响期实测径流深较基准期天然径流深减少138.04 mm，人类活动和气候变化的贡献率分别为42.75%和57.25%，气候变化的影响略大于人类活动，是引起沂河临沂站径流变化的主要驱动因素。沂河东里店站影响期实测径流深较基准期天然径流深减少137.87 mm，人类活动和气候变化的贡献率分别为43.77%和56.23%， 气候变化的影响略大于人类活动，是引起沂河东里店站影响期径流变化的主要驱动因素。

1975—2016年沭河大官庄站实测径流深较基准期天然径流深减少114.98 mm，人类活动和气候变化的贡献率分别为36.80%和63.20%，说明气候变化的影响大于人类活动。沭河莒县站1975—2016年实测径流深较基准期天然径流深减少145.03 mm， 人类活动和气候变化的贡献率分别30.64%和69.36%，说明气候变化的影响大于人类活动，是沭河莒县站径流变化的主要驱动因素。

综上所述，从不同水系来看，山东典型河流的径流变化受人类活动和气候变化的共同影响，不同水系主要驱动因素有所不同，例如：花园口以下水系的大汶河上游莱芜站的径流变化以气候变化影响略大，而下游戴村坝站则以人类活动影响为主；山东半岛沿河诸河水系的大沽河径流变化以气候变化为主要驱动因素；沂沭泗河水系的泗河以人类活动影响为主，沭河以气候变化影响为主，沂河气候变化和人类活动影响基本相当。

4 讨论

降水和下垫面条件改变是引起径流变化的主要因素，气候变化通过改变大气降水的时空分布、地表蒸发来影响径流量，因此降水量可作为气候变化的表征。水利工程修建、土地利用方式的改变和取用水等人类活动，通过改变下垫面条件影响流域径流过程，气候变化和人类活动是目前我国各流域径流变化的两大主要因素[18]。受气候变化的影响，近60 a来小清河和徒骇马颊河降水量呈现微弱增加趋势，其余河流的降水量均呈减小趋势，沭河的降水量减小趋势最为显著，说明受气候变化的影响，山东省主要河流降水量和空间分布均发生了一定程度的变化[19]。从近60 a径流变化来看，小清河呈现显著增加趋势，中水排入[20]、引黄济清[21]及闸坝调度[9]等人类活动是主要影响因素，未来随着小清河流域沿岸地区的不断发展，人类活动的影响将成为主导因素。徒骇马颊河降水量变化极小，而其径流呈现一定程度的增加趋势，降水径流的不同步性表明人类活动的影响较大，主要是该水系水资源开发利用程度较高，外调水量导致流域径流量增加，这与其邻近水系漳卫南运河的研究结果相一致[22]。实测径流突变点分析发现除了小清河岔河站和徒骇马颊河鲁北平原站外，其他河流站点的径流突变年份均集中在1970—1976年，主要是20世纪60、 70年代我国开展了全国性的大规模水利工程建设，以山东省为例，至2000年底共建成大型水库32座、中型水库152座。水库、塘坝等大量水利工程投入使用，从而对流域径流过程产生一定的改变。总体来说，气候变化主要影响径流长期变化趋势，而径流过程的突变点主要与人类活动关系更大，这与游海林等[23]的研究结果是一致的。

大汶河、 大沽河、 沂河、 沭河和泗河5条河流径流变化的主要驱动因素有所不同。山东半岛沿海诸河水系径流变化主要受气候变化的影响，大沽河南村站影响期降雨量变化最为显著，降水量的减少是引起流域径流减少的主要驱动因素， 而流域内一系列水利工程(包括水库、 闸坝等)的建设、 农田灌溉、 土地利用方式改变等人类活动，极大改变了流域的水文循环过程， 进一步加剧了径流的减少[10]。 对于同一条河流而言， 气候变化对河流上游径流变化的影响更显著， 下游则以人类活动的影响为主， 大汶河、 沭河的径流变化均符合这一特征， 其中大汶河变化最显著， 与Chu等[24]的研究结果一致。大汶河上游水利工程数量相对较少，土地利用类型以林地、草地等为主，下游又分布有泰安、新泰、东平等市、县，工业生活取用水量较高，农业用水居高不下。 此外， 大汶河干流自上而下分布有唐庄、 颜张、 泉林、 颜谢、 汶口1号、 汶口2号、 堽城、 琵琶山和戴村9个梯级水库，还有雪野水库、 光明水库等多个中型以上水库，农业灌区、 橡胶坝、 水库等水利工程的叠加影响导致河道径流量发生变化，人类活动的影响变大[25]。

对于黄河及其以北河流而言，江河径流的减少是气候变化和人类活动共同影响的结果，人类活动的贡献更大[26]，但是本文中仅大汶河、泗河以人类活动影响为主，人类活动对径流变化贡献率较低，原因可能与基准期的确定有关。本文中将突变点之前的系列作为基准期，未考虑基准期的人类活动的影响，这种均化作用降低了人类活动的贡献率。天然径流的还原是径流变化归因分析的关键，本文中基于基准期的降雨径流关系还原天然径流深，尽管相关性显著，但是现实中影响径流变化的因素除了降水外，还有气温、蒸散发等因素。根据潮河、大汶河、泾河流域的研究[7,27-28]发现，流域年径流量对降水变化的敏感性远高于对温度和潜在蒸散发变化的，本文中气候变化未考虑气温和潜在蒸散发等因素，因此对研究结果产生一定的影响。

5 结论

本文中以山东省四大水系典型河流作为研究对象， 基于近60 a降水量和径流深数据，采用Mann-Kendall法、有序聚类分析法和双累积曲线法进行年降水量和径流深的趋势变化和突变点分析，并通过径流还原法识别气候变化和人类活动对山东省主要河流径流变化的贡献率，主要结论如下：

1)受气候变化的影响， 近60 a除小清河年降水量存在微弱增加趋势， 其他河流年降水量均呈现微弱的减小趋势， 其中沭河莒县站呈现显著减小趋势。 不同水系降水量由大到小的顺序为沂沭泗河水系、 花园口以下水系、 山东半岛沿海诸河、 徒骇马颊河水系。

2)近60 a，大汶河、大沽河、沂河和沭河的所有站点均存在河道径流减小趋势，其中大沽河南村站、沭河莒县站、沂河临沂站、大汶河戴村坝站减小趋势最显著，小清河岔河站呈现显著增加趋势，徒骇马颊河鲁北平原站和泗河书院站呈微弱增加趋势。山东省四大水系径流深的空间分布与降水量的分布趋势基本一致。

3)小清河岔河站径流突变点为1994年，徒骇马颊河鲁北平原站径流突变年份为1989年，其他河流站点的径流突变年份均集中在1974—1976年。

4)通过人类活动和气候变化对径流变化的影响识别发现，径流变化是气候变化和人类活动共同影响的结果，大沽河等山东半岛沿河诸河水系河流以气候变化影响为主，花园口以下水系呈现上游以气候变化影响为主，下游以人类活动影响为主的趋势。沂沭泗河水系中泗河以人类活动影响为主，沭河以气候变化影响为主，沂河则以气候变化影响略大于人类活动。