黄河百年径流系列连续枯水段识别和用水特征分析

关键词：连续枯水段；极端枯水；用水特征；入海水量；多年调节水库；黄河

中图分类号：ＴＶ１２１；ＴＶ８８２．１ 文献标志码：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－１３７９．２０２４．０６．００４

引用格式：尚文绣，王煜，郑小康，等．黄河百年径流系列连续枯水段识别和用水特征分析［Ｊ］．人民黄河，２０２４，４６（６）：２０－２５，４２．

０引言

缺水是全球面临的系统性风险［１－３］ ，河流枯水导致流域／ 区域缺水问题进一步加剧［４］ 。变化环境下枯水发生频率和强度的不确定性增大，缺水流域／ 区域水资源安全面临更加严峻的挑战［５－６］ 。枯水的发生规律及其对用水的影响是国内外研究的热点。在枯水年的识别上，已经形成了距平法、频率分析法、标准化径流指数（Ｓｔａｎｄａｒｄｉｚｅｄ Ｒｕｎｏｆｆ Ｉｎｄｅｘ，ＳＲＩ）等成熟方法并得到了广泛应用［７－９］ 。在枯水对用水的影响方面，针对枯水的直接研究较少。气象干旱是造成河流枯水的重要原因［１０－１２］ ，很多研究开展了干旱下的用水行为特征量化分析［１３－１４］ ，并深入探索了缺水机制、成灾机理等［１５－１７］ ，但相关研究对持续时间１０ ａ 以上的连续枯水段、重现期超过１００ ａ 的枯水年等极端枯水情景考虑不足。

在气候变化和人类活动共同作用下，黄河流域产生了十分突出的缺水问题［１８－１９］ 。根据２０２１ 年人口数据和１９５６—２０１６ 年多年平均水资源量计算，黄河流域人均水资源量为５７５ ｍ^３，仅为全国平均水平的１／４，人均用水量比全国平均水平偏低２４％。黄河流域地表水供水量约占总供水量的７０％，地表水开发利用率高达８０％，对枯水风险的抵御能力较差。黄河径流年际变化大、枯水频发，且经常发生连续枯水，例如２０ 世纪９０ 年代在连续枯水影响下黄河下游频繁断流，沿岸用水困难，造成严重的经济社会损失和生态灾难［２０］ 。关于黄河枯水的研究较多［４，２１－２３］ ，但分析的时间系列较短、代表性不足，且缺少枯水段用水特征的定量分析，难以科学反映枯水对黄河流域经济社会和生态环境的影响。本文选用黄河１９２０—２０１９ 水文年径流系列，识别连续枯水段发生时间及枯水特征，定量解析连续枯水段期间河道内外用水量变化过程，分析黄河流域在应对连续枯水方面面临的问题，提出解决思路。

１ 研究方法与数据来源

１．１ 百年径流系列水文断面选择

黄河干流全长５ ４６４ ｋｍ，自上而下流经青海、四川、甘肃、宁夏、内蒙古、山西、陕西、河南、山东九省（区），流域面积７９．５ 万ｋｍ^２，多年平均天然径流量为４９０ 亿ｍ３（１９５６—２０１６ 年系列）。选择位于上游的兰州断面和位于下游的花园口断面分析黄河连续枯水段。兰州断面以上地区是黄河的主要产水区，以占黄河流域２８％的面积产生了６６％的天然径流量，因此兰州断面是表征黄河径流丰枯的重要指示断面。花园口断面控制黄河流域面积的９２％，该断面以下干流河段主要为地上悬河，汇流较少，控制黄河天然径流量的９９％，可视为全河天然径流量丰枯的指示断面。

１．２ 连续枯水段识别方法

采用距平法和ＳＲＩ 识别连续枯水段，计算时间尺度为水文年（本文中“年”指的是日历年，即１—１２ 月，采用水文年时用“水文年”专门说明）。黄河流域的水文年为当年７ 月至次年６ 月。对比两种方法识别结果的一致性，如果结果差异较大，需要补充分析结果的合理性。

距平法根据当年天然来水量比多年平均值偏高或偏低的百分比判断丰枯情况，分级标准依据《水文情报预报规范》（ＧＢ／ Ｔ ２２４８２—２００８），见表１。

将显著性水平定为１％，如果Ｖ_Ｆ 对应的频率（Ｐ值）小于１％，则认为线性关系显著。

１．４数据来源

兰州断面和花园口断面１９２０—２０１９水文年逐年天然径流数据来自于黄河水利委员会水文局的水资源调查评价成果。利津断面实测流量和水量采用水文站实测数据。黄河流域及供水区用水数据来自各日历年的《黄河水资源公报》，其中供水区指使用黄河干支流地表水的黄河流域外供水区，其用水量仅包括使用的黄河干支流地表水量。根据主要取水口逐月取水过程和主要灌区逐月用水过程将日历年用水数据处理成水文年用水数据。１９９６ 年缺少《黄河水资源公报》数据和取水口门数据，本文不对该年用水量进行分析。龙羊峡水库逐月蓄水位和蓄水量采用水库管理单位实测数据。

２结果与分析

２．１连续枯水段发生时间兰州断面和花园口断面采用距平法和ＳＲＩ得到的逐年丰枯评估结果见图１ 和图２，两种方法评估结果一致性较好。在兰州断面，采用距平法评估为偏丰或丰水的年份共计３０ ａ，与ＳＲＩ 评估结果一致；采用距平法评估为偏枯或枯水的年份共计３４ ａ，ＳＲＩ 评估结果为３１ ａ，评估有差异的年份是１９６２ 水文年、１９９８水文年、２００６ 水文年，距平值均略小于－１０％，被ＳＲＩ 评估为正常年份。在花园口断面，采用距平法评估为偏丰或丰水的年份共计３７ ａ，与ＳＲＩ 评估结果一致；采用距平法评估为偏枯或枯水的年份共计３９ ａ，ＳＲＩ 评估结果为３６ ａ，评估有差异的年份是１９３９水文年、１９４１水文年、２０１０水文年，距平值均略小于－１０％，被ＳＲＩ 评估为正常年份。

由评估结果可知，兰州断面和花园口断面均经历了１９２２—１９３２ 水文年和１９９０—２００２ 水文年两个连续枯水段，特征值见表３，两个枯水段的年均天然径流量分别比多年平均值偏低约１／４ 和１／５。两断面均表现出了连续枯水段和极端枯水年叠加的特征：１９２２—１９３２ 水文年兰州断面经历了２ 个重旱年（１９２４ 水文年、１９３１ 水文年）和１ 个极旱年（１９２８ 水文年），花园口断面经历了１ 个极旱年（１９２８ 水文年），１９２８ 水文年兰州断面和花园口断面天然径流量分别比多年平均值偏低４９．２％和４７．２％；１９９０—２００２ 水文年兰州断面经历了１ 个极旱年（２００２ 水文年），花园口断面经历了２ 个重旱年（１９９１ 水文年、１９９７ 水文年）和１ 个极旱年（２００２水文年），２００２水文年兰州断面和花园口断面天然径流量分别比多年平均值偏低４１．８％和４８．７％。

２．２ １９２２—１９３２水文年连续枯水段用水特征

１９２２—１９３２水文年连续枯水段发生在民国时期，缺少系统的供用水监测和统计资料。该时段旱灾和枯水相伴发生，黄河流域多个省（区）发生了持续多年的特大干旱，中下游地区受旱尤为严重［２２］ ，河流枯水导致可供水量不足是干旱成灾的重要原因，因此通过相关文献对该时段旱灾的描述侧面反映用水受影响情况。旱灾统计时段为日历年，１９２２—１９３２ 年受灾情况如下［２３］ ：干旱造成大量耕地荒芜，陕西省１９３０ 年荒地面积是１９２２ 年的２．５ 倍；根据不完全统计，黄河流域年均受灾人口超过１ ６００ 万人，１９２８—１９３０ 年每年受灾人口超过３ ０００ 万人，３ａ间饥饿、瘟疫等导致黄河流域死亡约１ ０００ 万人；在干旱和饥荒的共同作用下，森林植被遭到了严重破坏，河南省部分区域出现了“森林砍光，树皮食尽”的现象。

２．３ １９９０—２００２水文年连续枯水段用水特征

黄河流域及供水区１９９０—２０１９ 水文年分行业逐年用水量见图３，１９９０—２００２ 水文年年均用水量４９０．５亿ｍ^３，比２００３—２０１９水文年平均值偏小１９．２ 亿ｍ^３。这一现象可通过趋势性用水变化和连续枯水影响共同解释。

１９９０—２０１９水文年黄河流域及供水区用水总量呈现出缓慢但显著的增加趋势，分行业用水变化趋势为：农业用水量呈显著的减少趋势；工业用水量较稳定，变化趋势不显著；生活用水量和生态用水量均呈显著的增加趋势（见图３和表４）。这种趋势性变化是１９９０—２００２ 水文年用水量总体小于２００３—２０１９ 水文年的原因之一；同时，连续枯水也是１９９０—２００２水文年用水量偏小的重要原因。１９９０—２００２ 水文年黄河流域及供水区用水总量相对稳定，尤其是１９９０—１９９９水文年，各年用水总量变化幅度不超过２．４％，但是在连续枯水段后期（２０００—２００２ 水文年），枯水对黄河流域及供水区用水的影响开始凸显。

由表５ 可知，与１９９０—１９９９水文年相比，２０００—２００２ 水文年黄河流域及供水区年均用水总量偏小２１．８亿ｍ^３，其中农业用水偏小３４．６ 亿ｍ^３、工业用水量和生活用水量均有所增长。在空间分布上，２０００—２００２ 水文年宁夏和山东的用水总量及农业用水量受影响最大，其次为河南和内蒙古；山西和陕西的用水量受黄河枯水影响较小；甘肃用水总量及分行业用水量均小幅度增加。

连续枯水段对入海水量具有显著影响。各年实测入海水量与花园口断面天然径流量之间具有显著的线性相关关系（见图４ 和表４）。１９９０—２００２ 水文年年均入海水量１０６．８ 亿ｍ^３，比１９９０—２０２０ 水文年年均值偏小５１．９ 亿ｍ^３，在极端枯水的１９９１ 水文年、１９９７ 水文年、２００２ 水文年，入海水量分别降至５４．０亿、１９．１ 亿、３８．０ 亿ｍ^３。

２．４ ２００３年旱情紧急情况下的用水特征

花园口水文站控制黄河天然径流量的９９％，因此２００２ 水文年可被视为黄河百年系列最枯水年。截至２００２ 年１２ 月，黄河流域经历了近１２ ａ 的连续枯水，２００３年年初，黄河水利委员会预报当年４ 月１ 日—７月１０ 日全河来水６３．８ 亿ｍ^３，比多年平均值偏小５０％，考虑水库蓄水后，预测该时段全河干流调度河段可分配耗水量６４．５亿ｍ^３，用水高峰期４—６月用水缺口将达４５ 亿ｍ^３，黄河流域将进入该连续枯水段最严峻的缺水时期。为确保黄河不断流，尽量缓解用水紧张局面，２００３ 年４ 月９ 日水利部印发实施《２００３ 年旱情紧急情况下黄河水量调度预案》（水汛〔２００３〕１３８号，以下简称《预案》），这是黄河干流唯一一次启动大规模应急调度。此次应急调度涉及黄河干流甘肃、宁夏、内蒙古、陕西、山西、河南、山东七省（区），调度期为２００３年４ 月１日—７月１０ 日，《预案》给出了调度期黄河干流水量向七省（区）分配方案，总计可消耗黄河干流水量６４．５ 亿ｍ^３。

此次应急调度期间，黄河实际来水量６４．４ 亿ｍ^３，调度河段实际耗水量７０．０亿ｍ^３，比《预案》分配值高５．５ 亿ｍ^３［见图５（ａ）］。４ 月１日—７ 月１０ 日是调度河段用水高峰期，黄河干流耗水量多年平均值为９５．９亿ｍ^３（１９９１—２００１年系列），实际耗水量比多年平均值偏小２７．０％，偏小比例反映了该时段的缺水程度，由图５（ｂ）可知，各省（区）都不同程度缺水，内蒙古、宁夏和山东缺水问题较为严重。根据此次应急调度相关文件及材料，缺水部门主要是农业。

此次应急调度期间河道内生态水量严重偏小。２００３ 年４ 月１ 日—７ 月１０日利津断面实测日均流量过程及１９５０—２０１９ 水文年该时段日均流量过程见图６。应急调度期间实测水量４．０ 亿ｍ^３，是多年平均值的７．４％，每日实测流量为该日多年平均值的４．５％ ～１２．９％，有１５ ｄ 实测流量小于３０ ｍ^３／ｓ（利津断面断流的预警流量）。

３讨论

３.１多年调节水库在应对连续枯水中发挥的作用

多年调节水库具有跨年补水作用，是应对连续枯水的重要水利工程。目前，黄河干流仅建成龙羊峡水库１ 座多年调节水库。龙羊峡水库坝址处天然径流量为２０３ 亿ｍ^３（１９５６—２０１６ 年系列），死水位为２ ５３０ ｍ，正常蓄水位为２６００ ｍ，调节库容为１９３．５ 亿ｍ^３，１９８６年下闸蓄水，在保障黄河流域稳定供水中发挥着重要作用。

１９９０—２００２水文年连续枯水段期间龙羊峡水库月末蓄水位和蓄水量变化分别见图７ 和表６。龙羊峡水库发挥了巨大的蓄丰补枯作用，水库５ａ蓄水、８ａ补水，总蓄变量为－５３．０ 亿ｍ^３，最大年蓄水量占当年天然径流量的１０．０％，在严重枯水的１９９４水文年和２００２水文年，补水量分别达到当年天然径流量的１４．０％和１４．９％。龙羊峡水库具有连续蓄水和连续补水的特征，其中：１９９８—１９９９水文年累计蓄水６７．４亿ｍ^３，为应对接下来的严重枯水储备了水源；２０００—２００２水文年是持续时间最长、补水量最大的时段，累计补水７５．２亿ｍ^３，在应对连续枯水中发挥了重要作用，但在２００３年４ 月末，龙羊峡水库蓄水位已降至２５３１．２ｍ，已处于几乎无水可补的状态，导致应急调度期间对枯水的应对能力受限。

相关研究显示，龙羊峡水库蓄补水量与天然来水量显著相关［２４］ ，结合１９９０—２００２ 水文年水库调蓄过程，说明受自身调蓄能力限制和黄河连续枯水影响，在遭遇连续枯水段时龙羊峡水库难以发挥连续３ ａ 以上的补水作用，仅靠龙羊峡水库难以有效应对黄河持续多年的连续枯水。受多种因素制约，目前黄河干流尚未建设其他多年调节水库，未来黄河流域需要采取多种措施增强连续枯水段水资源安全保障能力。

３．２水网建设下黄河连续枯水的应对思路

黄河干流主要水文站１９５６—２０１６ 年系列径流分析结果显示，黄河中下游潼关、花园口、利津等水文站天然年径流量均呈显著的衰减趋势。相关研究显示，未来黄河天然年径流量仍可能进一步衰减［２５－２６］ ，加之变化环境下黄河流域干旱风险加剧［６，２７］ ，未来黄河面临更高的连续枯水风险。黄河流域是资源性缺水流域，且人均生活用水量、单位耕地面积用水量、万元工业增加值用水量等指标均远低于全国平均水平，加之连续枯水段天然来水量偏小幅度较大，因此难以通过本地水挖潜和节水解决连续枯水段缺水问题。

当前我国正在加快构建国家水网，以南水北调工程为重点，科学推进一批跨流域跨区域重大引调排水工程规划建设。国家水网建设给解决黄河连续枯水段水资源安全保障难题提供了新机遇。当前南水北调西线、白龙江调水等跨流域调水工程前期工作均在推进中，规划从水资源充沛的长江干支流调水入黄河，解决黄河流域资源性缺水问题，并规划建设古贤水库、黑山峡水库等水利枢纽工程以增强黄河水资源调蓄能力和均衡配置能力［２８－２９］ 。未来需要深入研究黄河流域发生连续枯水情景下外调水增供潜力、跨流域多水源多线路联合调配等科学问题，尤其是需要考虑黄河长江枯水遭遇的极端不利情景［３０］ ，为黄河流域水资源安全保障和重大水利工程建设提供科技支撑。

４结论

黄河枯水频发，给流域供水安全造成极大威胁。本文识别了１９２０—２０１９水文年黄河的连续枯水段，量化了连续枯水段的用水特征，分析了黄河流域应对连续枯水中面临的问题及解决思路，得到主要结论如下。

１） 黄河近百年经历了１９２２—１９３２水文年和１９９０—２００２ 水文年两个连续枯水段，全河天然径流量比多年平均值（１９５６—２０１６ 年系列）偏小２０％以上，且具有连续枯水段和极端枯水年叠加的特征，加大了供水安全保障难度。

２）１９９０—２００２水文年，持续多年的连续枯水显著减少了黄河入海水量。受益于龙羊峡水库年际调节，连续枯水段初期黄河流域及供水区用水量较稳定，但后期用水总量及农业用水量均大幅度减少。连续枯水多年后遭遇短期极端枯水会对用水造成重大影响，２００３ 年４ 月１ 日—７ 月１０ 日应急调度期间调度河段黄河干流耗水量比多年（１９９１—２００１ 年系列）平均值偏小２７．０％，入海水量仅为多年（１９５６—２０１６年系列）平均值的７．４％。

３）龙羊峡水库在应对连续枯水中发挥了重要作用，但最长持续补水时间为３ ａ，难以有效应对黄河持续多年的连续枯水。在国家水网建设背景下，亟须建设古贤等大型水利枢纽以提高径流调节能力、建设南水北调西线工程以增加连续枯水段黄河径流量，提高流域应对连续枯水和极端枯水的水资源安全保障能力。