1961—2016年黃河中游區(qū)間徑流變化及歸因分析

楊 旭， 姬廣興， 楊元達(dá)， 王 超

（1.河南省科學(xué)院地理科學(xué)研究所，鄭州 450052 2.智慧中原地理信息技術(shù)河南省協(xié)同創(chuàng)新中心，鄭州 450052；3.河南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，鄭州 450002； 4.河南財(cái)經(jīng)政法大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，鄭州 450046）

近年來(lái)，變化環(huán)境下水資源演變機(jī)制分析日益成為研究熱點(diǎn)［1］. 氣候變化和人類(lèi)活動(dòng)是致使環(huán)境發(fā)生改變的重要驅(qū)動(dòng)因素，氣候變化會(huì)直接影響流域的降水和氣溫狀況，對(duì)水資源演變產(chǎn)生直接影響［2-3］，而人類(lèi)活動(dòng)會(huì)改變流域的下墊面狀況，影響水資源的演變過(guò)程［4］.

黃河中游流域是指黃河頭道拐至花園口水文站這一區(qū)域，該區(qū)域內(nèi)有號(hào)稱(chēng)“八百里秦川”的陜西關(guān)中平原和“塞上谷倉(cāng)”的內(nèi)蒙古河套平原，是我國(guó)重要的農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)基地和能源生產(chǎn)基地，對(duì)保障國(guó)家糧食安全具有重要作用. 近幾十年來(lái)，黃河中游徑流量呈現(xiàn)日益減少的趨勢(shì)，這對(duì)該區(qū)域的生態(tài)安全和經(jīng)濟(jì)發(fā)展造成了嚴(yán)重危害. 因此，全面地分析黃河中游徑流的趨向變化，定量分析氣候因素和人為因素對(duì)黃河中游徑流變化的影響程度，對(duì)黃河整體的水資源利用和開(kāi)發(fā)、人類(lèi)的生活生存環(huán)境保護(hù)以及經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展都有重要的意義.

近年來(lái)，一些學(xué)者開(kāi)始定量區(qū)分氣候因素和人類(lèi)活動(dòng)對(duì)黃河中游徑流變化的影響程度. Chang等［5］分析發(fā)現(xiàn)，人類(lèi)活動(dòng)是影響黃河流域徑流變化的主要因素，蘭州站、頭道溝站、花園口站和利津站因人類(lèi)活動(dòng)引起的徑流量變化的貢獻(xiàn)比例分別為74.87%、82.2%、80.63%和88.71%. 王國(guó)慶等［6］分析得知人類(lèi)活動(dòng)導(dǎo)致黃河中游上龍門(mén)、華州區(qū)、河津等站點(diǎn)的徑流量變化的貢獻(xiàn)比例都高達(dá)70%以上. Wang等［7］分析發(fā)現(xiàn)，從1950—1980年間人類(lèi)耗水對(duì)黃河流域徑流減少的貢獻(xiàn)率占90%以上，從1970年開(kāi)始，土地覆被變化成為導(dǎo)致黃河流域徑流減少的主要因素. 馮嘉豪等［8］定量分析了人類(lèi)活動(dòng)和降雨變化對(duì)黃河中游區(qū)域干流4個(gè)水文站及11條支流徑流變化貢獻(xiàn)率. 寧怡楠等［9］定量分析了人類(lèi)活動(dòng)和降雨變化對(duì)黃河中游4條支流徑流變化貢獻(xiàn)率. 然而，已有研究多是針對(duì)黃河的大尺度研究，較少研究定量計(jì)算氣候因素和人類(lèi)活動(dòng)對(duì)黃河中游區(qū)間徑流量變化的影響程度，這里所說(shuō)的黃河中游區(qū)間徑流量是黃河中游段的第一個(gè)水文站和最后一個(gè)水文站之間的徑流量.

本研究首先分析了1961—2016年黃河中游區(qū)間徑流量、降水量和參考蒸發(fā)量的變化趨勢(shì)，然后使用累計(jì)距平值方法來(lái)識(shí)別1961—2016年黃河中游區(qū)間徑流量的突變年份，最后使用累積量斜率變化率方法分別計(jì)算得到氣候因素（降水、參考蒸發(fā)量）及人類(lèi)活動(dòng)對(duì)黃河中游區(qū)間徑流量變化的貢獻(xiàn)率. 這項(xiàng)工作將有助于更好地理解人與自然對(duì)黃河中游水資源演變的相互作用，同時(shí)也為黃河流域的水資源管理提供重要的見(jiàn)解.

1 研究區(qū)、數(shù)據(jù)和方法

1.1 研究區(qū)

黃河中游流域是指黃河頭道拐至花園口水文站這一區(qū)域，位于32°～42°N 和104°～113°E（圖1），該河段總長(zhǎng)約1 234.6 km，該區(qū)域總面積約占黃河流域的45.7%. 約有30 條較大支流匯入，徑流量約占全河徑流量的44.3%. 該區(qū)域內(nèi)有號(hào)稱(chēng)“八百里秦川”的陜西關(guān)中平原和“塞上谷倉(cāng)”的內(nèi)蒙古河套平原，是我國(guó)重要的農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)基地和能源生產(chǎn)基地. 小麥產(chǎn)量占全國(guó)首位，大豆產(chǎn)量居全國(guó)第二位，棉花產(chǎn)量居全國(guó)第四位. 農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)需要耗費(fèi)大量的水，而近年來(lái)該區(qū)域徑流量日益減小對(duì)農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)和糧食安全帶來(lái)了巨大危害［10-11］.

圖1 研究區(qū)位置及水文氣象站點(diǎn)分布Fig.1 The location of the study area and the distribution of hydrometeorological stations

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

本研究所使用的數(shù)據(jù)包括兩部分：

1）1961—2016 年的頭道拐和花園口水文站的年徑流觀測(cè)數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)都來(lái)源于黃河水利委員會(huì)（http：//www.yrcc.gov.cn/）. 在本研究中，黃河中游徑流量數(shù)據(jù)是通過(guò)花園口水文站的年實(shí)測(cè)徑流量減去頭道拐水文站的年實(shí)測(cè)徑流量數(shù)據(jù)得到.

2）黃河流域的氣候站點(diǎn)數(shù)據(jù)是從中國(guó)氣象局（http：//www.cma.gov.cn）獲得的，數(shù)據(jù)集包含了1961—2016年研究區(qū)所有站點(diǎn)每天的氣象數(shù)據(jù). 利用研究區(qū)內(nèi)及周邊82個(gè)氣象站在1961—2016年的年降水量，采用克里格（Kriging）插值，得到黃河中游區(qū)域的年均降水量. 采用公式（1）的Penman-Monteith公式計(jì)算每個(gè)站點(diǎn)在1961—2016年的參考蒸發(fā)量，再利用克里格（Kriging）插值，得到黃河中游區(qū)域的年均參考蒸發(fā)量.

式中：ET0表示參考蒸發(fā)量；Δ 表示飽和水汽壓曲線斜率，kPa·℃-1；Rn表示計(jì)算地點(diǎn)處的凈輻射，MJ/（m2·d）；G表示土壤熱通量，MJ/（m2·d）；γ表示濕度計(jì)常數(shù)，kPa·℃-1；U2表示2 m 高處的風(fēng)速，m/s；T表示平均氣溫，℃；ea和ed分別表示飽和水汽壓和實(shí)際水汽壓，kPa.

1.3 研究方法

1.3.1 突變檢驗(yàn)方法 累計(jì)距平值方法是應(yīng)用比較廣泛的突變檢驗(yàn)方法［12-15］，本研究采用該方法對(duì)黃河中游區(qū)間徑流量數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，進(jìn)而判斷其突變年份.

累積距平方法：對(duì)于包含了n個(gè)樣本的時(shí)間序列X，其在t時(shí)刻的累計(jì)距平值的運(yùn)算公式為

式中Xˉ為平均值，計(jì)算公式為：

然后通過(guò)觀察累計(jì)距平值St與時(shí)刻t的曲線關(guān)系，曲線上的極值點(diǎn)有很大的可能就是突變點(diǎn).

1.3.2 累積量斜率變化率方法 Wang 等［16］在2012年提出了累積量斜率變化率比較法這一新的方法，已經(jīng)被廣泛地用于定量計(jì)算氣候因素和人類(lèi)活動(dòng)對(duì)徑流變化的影響比例［17-20］.

設(shè)定基準(zhǔn)期a與突變期b的累計(jì)降雨量和年份的擬合方程的斜率分別是SPa和SPb，mm/a. 基準(zhǔn)期a與突變期b的累計(jì)蒸發(fā)量和年份的擬合方程的斜率分別是SEa和SEb，mm/a. 基準(zhǔn)期a與突變期b的累計(jì)徑流和年份的擬合方程的斜率分別是SRa和SRb，108m3/a. 那么降水量對(duì)黃河中游區(qū)間徑流量變化的貢獻(xiàn)率CP通過(guò)以下方程運(yùn)算能夠得出：

參考蒸發(fā)量對(duì)區(qū)間徑流量變化的貢獻(xiàn)率可以通過(guò)以下公式計(jì)算得到：

人類(lèi)活動(dòng)對(duì)區(qū)間徑流量變化的貢獻(xiàn)率CH可以通過(guò)以下公式計(jì)算得到：

2 結(jié)果和分析

2.1 區(qū)間徑流量、降水與參考蒸發(fā)量趨勢(shì)分析

黃河中游1961—2016年區(qū)間徑流量、降水與參考蒸發(fā)量的變化情況見(jiàn)圖2～4. 通過(guò)圖2可以發(fā)現(xiàn)，黃河中游的區(qū)間年徑流量從1961—2016年整體上表現(xiàn)為顯著減少的變化趨勢(shì)，斜率大小為-3.341 8×108m3/a.

圖2 黃河中游區(qū)間徑流量變化Fig.2 The interval runoff changes in the middle reaches of the Yellow Rive

從圖3 可以發(fā)現(xiàn)，黃河中游年均降水量從1961—2016 年整體上都表現(xiàn)為波動(dòng)減少的變化趨勢(shì)，斜率大小為-0.930 2 mm/a.

圖3 黃河中游年均降水量變化Fig.3 The annual average precipitation changes in the middle reaches of the Yellow River

從圖4 可以發(fā)現(xiàn)，黃河中游的年均參考蒸發(fā)量從1961—2016 年整體上均呈現(xiàn)出波動(dòng)增長(zhǎng)的變化趨勢(shì)，其增加的速率大小是0.038 5 mm/a.

圖4 黃河中游年均參考蒸發(fā)量變化Fig.4 The annual average reference evaporation changes in the middle reaches of the Yellow River

2.2 區(qū)間徑流量突變分析

為了識(shí)別黃河中游徑流量在時(shí)間序列中的突變時(shí)間點(diǎn)，本研究采用累計(jì)距平值方法對(duì)黃河中游區(qū)間徑流量數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，結(jié)果如圖5 所示. 從圖5 可以發(fā)現(xiàn)，黃河中游區(qū)間徑流量的累積距平值從1961—1985 年呈現(xiàn)出一種增加趨勢(shì)，而黃河中游區(qū)間徑流量的累積距平值從1986—2016年呈現(xiàn)出下降的趨勢(shì)，表明1985年是黃河中游區(qū)間徑流發(fā)生突變的年份.

圖5 黃河中游區(qū)間徑流量累積距平值Fig.5 The cumulative anomalies of interval runoff in the middle reaches of the Yellow River

2.3 氣候因素和人類(lèi)活動(dòng)對(duì)區(qū)間徑流變化的貢獻(xiàn)率

根據(jù)黃河中游區(qū)間徑流數(shù)據(jù)的突變分析結(jié)果，將1961—2016年劃分為兩個(gè)時(shí)期：基準(zhǔn)期（1961—1985年）和突變期（1986—2016年），然后分別對(duì)年份與不同時(shí)段黃河中游累積區(qū)間徑流量，年份與不同時(shí)段黃河中游累積降水量以及年份與不同時(shí)段黃河中游累積參考蒸發(fā)量進(jìn)行擬合.

年份與不同時(shí)段黃河中游累積區(qū)間徑流量的擬合關(guān)系見(jiàn)圖6，基準(zhǔn)期的擬合方程y=180.59x-353 484，擬合系數(shù)為0.981 9，突變期的擬合方程y=92.697x-178 797，擬合系數(shù)為0.991 7，所有擬合方程的決定系數(shù)都在0.98以上，表明二者之間具有很好的線性函數(shù)關(guān)系.

圖6 黃河中游累積區(qū)間徑流量與年份的關(guān)系Fig.6 The relationship between accumulation interval runoff and year in the middle reaches of the Yellow River

年份與不同時(shí)段黃河中游累積降水量的擬合關(guān)系見(jiàn)圖7，基準(zhǔn)期的擬合方程y=536.57x-106，擬合系數(shù)為0.999 6，突變期的擬合方程y=503.39x-985 608，擬合系數(shù)為0.999 5，所有擬合方程的決定系數(shù)都在0.99以上，表明二者之間具有非常好的線性函數(shù)關(guān)系.

圖7 黃河中游累積降水量與年份的關(guān)系Fig.7 The relationship between accumulation precipitation and year in the middle reaches of the Yellow River

年份與不同時(shí)段黃河中游累積參考蒸發(fā)量的擬合關(guān)系見(jiàn)圖8，基準(zhǔn)期的擬合方程y=990.96x-2×106，擬合系數(shù)為0.999 9，突變期的擬合方程y=982.42x-2×106，擬合系數(shù)為0.991 7，所有擬合公式的決定系數(shù)都在0.99以上，表明二者之間具有極好的線性函數(shù)關(guān)系.

圖8 黃河中游累積參考蒸發(fā)量與年份的關(guān)系Fig.8 The relationship between accumulation reference evaporation and year in the middle reaches of the Yellow River

根據(jù)年份與不同時(shí)段黃河中游累積量的線性函數(shù)，可以求得黃河中游徑流量、降水量和參考蒸發(fā)量的累積值在不同時(shí)期的斜率（表1）. 1961—1985年作為黃河中游河段的基準(zhǔn)期，與基準(zhǔn)期相比，突變期1986—2016年的黃河中游累積區(qū)間徑流量的斜率減少了87.89×108m3，累積降水量的斜率大小減少了33.18 mm，累積蒸發(fā)量的斜率大小減少了8.54 mm.

表1 黃河中游區(qū)間徑流量、降水量和參考蒸發(fā)量的累積值在不同時(shí)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

為了定量區(qū)分降水量、參考蒸發(fā)量和人類(lèi)活動(dòng)對(duì)區(qū)間徑流量變化的影響程度，利用公式4、5、6計(jì)算得出降水量、參考蒸發(fā)量和人類(lèi)活動(dòng)對(duì)基準(zhǔn)期和突變期之間徑流變化量的貢獻(xiàn)率. 通過(guò)計(jì)算可知，降水量、蒸發(fā)量和人類(lèi)活動(dòng)對(duì)兩個(gè)時(shí)期之間黃河中游區(qū)間徑流變化量的貢獻(xiàn)率分別為12.70%、-1.73%和89.07%（表2）.

表2 降水量、參考蒸發(fā)量和人類(lèi)活動(dòng)對(duì)黃河中游基準(zhǔn)期與突變期之間徑流量變化的貢獻(xiàn)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 結(jié)論

本研究首先分析了1961—2016年黃河中游區(qū)間徑流量、降水量和參考蒸發(fā)量的變化情況，然后采取了Mann-Kendall突變檢驗(yàn)方法和累計(jì)距平值方法識(shí)別了黃河中游區(qū)間徑流的突變年份，最后利用累積量斜率變化率方法定量計(jì)算得出了氣候因素（降水和參考蒸發(fā)）和人類(lèi)行為對(duì)黃河中游區(qū)間徑流量變化的影響程度，得到的結(jié)果如下：

1）黃河中游流域的年徑流量在1961—2016年間表現(xiàn)為明顯減少.

2）黃河中游的區(qū)間徑流量在1961—2016年間存在1個(gè)突變年份，為1985年.

3）黃河中游區(qū)間徑流量變化主要受到人類(lèi)活動(dòng)的影響，其貢獻(xiàn)率接近90%，降水量和參考蒸發(fā)量對(duì)黃河中游區(qū)間徑流變化的貢獻(xiàn)率分別為12.70%和-1.73%.