黄河主要子流域径流及其同旱概率变化研究

刘昌明，王 冠，王恺文，罗秋雨

（1.中国科学院地理科学与资源研究所陆地水循环及地表过程重点实验室，北京 100101；2.中国南水北调集团东线有限公司，北京 100070）

黄河是我国第二大河，干流全长5 464 km，流域面积79.5 万km2，以占全国2%的河川径流量支撑着全国12%人口的生活用水和17%耕地的灌溉用水，承担着北方地区50 多座大中型城市的供水任务［1］。 受气候变暖和人类活动的影响，黄河径流量明显减少，干旱发生的强度上升、频率提高、范围扩大，加剧了黄河水资源短缺情势、严重影响径流量的稳定并威胁流域水资源安全，使黄河流域生态环境保护和高质量发展面临严峻挑战［2-5］。 2021 年中共中央、国务院印发的《黄河流域生态保护和高质量发展规划纲要》和2023年4 月1 日起施行的《中华人民共和国黄河保护法》，为加强黄河流域生态环境保护、实现水资源可持续开发利用提供了纲领性文件和法律依据。

干旱是加剧黄河水资源短缺的极端气象水文灾害，长期以来对流域各省（区）社会经济发展和人民生活带来巨大影响［6］。 大量学者根据降水、气温、径流等气象和水文观测数据，利用多种干旱指标，评估了黄河流域气象和水文干旱的特征及变化趋势。 已有研究结果表明，黄河绝大部分子流域气象和水文干旱加剧，且下游较上游、旱季较湿季干旱加剧的情况更为明显。随着气候持续变暖，空间复合极端干旱事件引起了广泛关注［7-10］。 空间复合极端干旱是指多个区域同时发生干旱，是一种灾害严重的极端干旱，若全球产粮区同时发生干旱则会严重影响国际粮食安全［11］，若调水工程的水源区和受水区同时发生干旱则会影响调水工程效用等［12］。 作为我国华北和西北地区主要水源的黄河，多个子流域同时发生干旱的空间复合干旱可能引发流域性水资源短缺，危及流域及沿黄城市的用水安全，但此前少有研究关注黄河主要子流域同旱的情况。因此，笔者选择黄河的15 个子流域，依据1956—2016年实测年径流量，采用藤Copula 函数等，分析了多子流域径流及其同旱概率变化情况，以期为应对黄河流域性干旱提供参考。

1 数据来源与分析方法

1.1 数据来源

本研究采用的黄河15 个子流域1956—2016 年河川径流实测数据由黄河水利委员会提供。 15 个子流域及其控制水文站分别为：黄河上游白河唐克站、黑河若尔盖站、湟水民和站、洮河红旗站、清水河泉眼山站、大黑河三两站，中游窟野河温家川站、无定河白家川站、汾河河津站、泾河张家山站、渭河林家村站、北洛河头站、沁河武陟站、伊洛河黑石关站，下游大汶河戴村坝站。

1.2 分析方法

1）趋势分析。 采用Theil-Sen Median 斜率估计法［13］分析年径流量序列的变化（增加或减少）趋势，采用Mann-Kendall 趋势检验法［14］分析年径流量序列变化的显著程度（将显著性水平设定为0.05）。

2）同旱概率分析。 藤Copula 函数被广泛应用于多维变量的联合分布函数计算［10，15］，其包含RVine、CVine、DVine 等3 种藤结构，计算过程中的边缘分布函数从正态分布、伽马分布、韦伯分布中筛选得到。 本研究采用藤Copula 函数分析不同子流域发生同旱的概率，其能够考虑不同子流域年径流量的相关性。 根据15个子流域年径流量边缘分布F1（Q1）、F2（Q2）、…、F15（Q15）（其中Qi为第i个子流域年径流量），建立联合分布函数：

当F1（Q1）、F2（Q2）、…、F15（Q15）连续时，藤Copula 函数是唯一的。 研究中采用R 语言的CDVineCopula Conditional、Copula、Vine Copula 等函数包实现藤Copula 函数的计算，从而得到15 个子流域的同旱概率。

2 主要结果分析

2.1 径流量及其变化趋势

如图1（a）所示，在15 个子流域中，洮河、伊洛河多年平均径流量较大（均超过25 亿m3），白河、湟水、泾河、渭河多年平均径流量为15 亿～25 亿m3，无定河、汾河、北洛河、沁河、大汶河多年平均径流量为7 亿～15 亿m3，黑河、窟野河多年平均径流量为2 亿～7 亿m3，清水河、大黑河多年平均径流量较小（均不足2 亿m3）。 如图1（b）所示，1956—2016 年除清水河、黑河这2 个子流域实测年径流量呈增长趋势（增长速率在0.1 亿m3／a 以下）外，其他13 个子流域实测年径流量呈减少趋势（白河、湟水、大黑河、北洛河、大汶河减少速率为0～0.1 亿m3／a，窟野河、无定河、沁河减少速率为0.1 亿～0.2 亿m3／a，汾河、泾河减少速率为0.2亿～0.3 亿m3／a，洮河、渭河、伊洛河减少速率为0.3 亿～0.4 亿m3／a），其中10 个子流域（图中画斜线的子流域，占比为66.7%）呈显著减少趋势，即多年平均径流量较大的子流域径流量减少趋势明显。

图1 各子流域多年平均径流量及其变化速率

2.2 子流域同旱年数统计

对15 个子流域相互配对，可形成105 个子流域对。以年径流量的10%分位数为阈值定义干旱，采用计数的方式统计得到各子流域对同旱年数，见表1。 由表1 可知：1956—2016 年子流域两两同旱年数最多为4 a，即同旱频率不超过7%；子流域两两同旱年数为4 a 的有4 对，分别为黑河-白河、窟野河-大黑河、北洛河-泾河、沁河-渭河；同旱年数为3 a 及以上的共16 对，除清水河、大汶河外，其他13 个子流域均发生过3 a 及以上的两两同旱；分别与黑河、湟水、伊洛河同旱年数≥3 a 的子流域均为1个，分别与白河、无定河、汾河、泾河、沁河同旱年数≥3 a的子流域均为2 个，分别与窟野河、渭河同旱年数≥3 a的子流域均为3 个，分别与洮河、北洛河同旱年数≥3 a的子流域均为4 个，与黑河同旱年数≥3 a 的子流域有5 个。

表1 两两子流域间的径流量相关系数及同旱年数统计

对每对子流域进行年径流量相关性分析（结果见表1），显著相关的有74 对（占69.5%），相关系数≥0.6的有29 对（占27.6%），表明各子流域年径流量间相关性较强，以计数方式统计得到的同旱频率可能会低估黄河各子流域同旱的概率。

2.3 同旱概率及其变化

已有研究［5］表明，黄河流域径流量发生突变的时间为1990 年前后，因此本研究以1990 年为界，把研究期（1956—2016 年）分为1956—1989 年、1990—2016年两个时段，分析子流域同旱概率的变化。 采用藤Copula 函数计算的不同时段子流域同旱概率（见表2）表明：不发生干旱、仅有1 个子流域发生干旱的概率，1956—2016 年分别为42%、21%，1956—1989 年分别为52%、25%，1990—2016 年分别为24%、17%（较1956—1989 年明显减小）；2 个及以上多子流域发生同旱的概率，1956—2016 年为37%，1956—1989 年为23%，1990—2016 年为59%，1990 年后2 个及以上多子流域同旱的概率明显增大。

表2 不同时段子流域同旱概率统计

3 结论

1）1956—2016 年黄河各子流域实测年径流量普遍呈减少趋势，其中多年平均径流量较大的洮河、伊洛河等子流域年径流量减少趋势显著。

2）黄河各子流域年径流量间存在显著的相关关系，按同旱年数计算的同旱频率可能会低估大范围同旱的概率。

3）2 个及以上多子流域发生同旱的概率，1956—2016 年为37%，1956—1989 年为23%，1990—2016 年为59%，1990 年后多子流域同旱的概率显著增大，意味着黄河流域遭受大范围同旱灾害的形势变得严峻。因此，为保障黄河水资源安全和流域可持续发展，应合理规划和利用河川径流，加强水资源集约节约利用，推动南水北调后续工程建设和发展，提升流域水安全保障能力。