黃河百年徑流系列連續(xù)枯水段識別和用水特征分析

關(guān)鍵詞：連續(xù)枯水段；極端枯水；用水特征；入海水量；多年調(diào)節(jié)水庫；黃河

中圖分類號：ＴＶ１２１；ＴＶ８８２．１ 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－１３７９．２０２４．０６．００４

引用格式：尚文繡，王煜，鄭小康，等．黃河百年徑流系列連續(xù)枯水段識別和用水特征分析［Ｊ］．人民黃河，２０２４，４６（６）：２０－２５，４２．

０引言

缺水是全球面臨的系統(tǒng)性風(fēng)險［１－３］ ，河流枯水導(dǎo)致流域／ 區(qū)域缺水問題進(jìn)一步加劇［４］ 。變化環(huán)境下枯水發(fā)生頻率和強(qiáng)度的不確定性增大，缺水流域／ 區(qū)域水資源安全面臨更加嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)［５－６］ 。枯水的發(fā)生規(guī)律及其對用水的影響是國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。在枯水年的識別上，已經(jīng)形成了距平法、頻率分析法、標(biāo)準(zhǔn)化徑流指數(shù)（Ｓｔａｎｄａｒｄｉｚｅｄ Ｒｕｎｏｆｆ Ｉｎｄｅｘ，ＳＲＩ）等成熟方法并得到了廣泛應(yīng)用［７－９］ 。在枯水對用水的影響方面，針對枯水的直接研究較少。氣象干旱是造成河流枯水的重要原因［１０－１２］ ，很多研究開展了干旱下的用水行為特征量化分析［１３－１４］ ，并深入探索了缺水機(jī)制、成災(zāi)機(jī)理等［１５－１７］ ，但相關(guān)研究對持續(xù)時間１０ ａ 以上的連續(xù)枯水段、重現(xiàn)期超過１００ ａ 的枯水年等極端枯水情景考慮不足。

在氣候變化和人類活動共同作用下，黃河流域產(chǎn)生了十分突出的缺水問題［１８－１９］ 。根據(jù)２０２１ 年人口數(shù)據(jù)和１９５６—２０１６ 年多年平均水資源量計算，黃河流域人均水資源量為５７５ ｍ^３，僅為全國平均水平的１／４，人均用水量比全國平均水平偏低２４％。黃河流域地表水供水量約占總供水量的７０％，地表水開發(fā)利用率高達(dá)８０％，對枯水風(fēng)險的抵御能力較差。黃河徑流年際變化大、枯水頻發(fā)，且經(jīng)常發(fā)生連續(xù)枯水，例如２０ 世紀(jì)９０ 年代在連續(xù)枯水影響下黃河下游頻繁斷流，沿岸用水困難，造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)社會損失和生態(tài)災(zāi)難［２０］ 。關(guān)于黃河枯水的研究較多［４，２１－２３］ ，但分析的時間系列較短、代表性不足，且缺少枯水段用水特征的定量分析，難以科學(xué)反映枯水對黃河流域經(jīng)濟(jì)社會和生態(tài)環(huán)境的影響。本文選用黃河１９２０—２０１９ 水文年徑流系列，識別連續(xù)枯水段發(fā)生時間及枯水特征，定量解析連續(xù)枯水段期間河道內(nèi)外用水量變化過程，分析黃河流域在應(yīng)對連續(xù)枯水方面面臨的問題，提出解決思路。

１ 研究方法與數(shù)據(jù)來源

１．１ 百年徑流系列水文斷面選擇

黃河干流全長５ ４６４ ｋｍ，自上而下流經(jīng)青海、四川、甘肅、寧夏、內(nèi)蒙古、山西、陜西、河南、山東九?。▍^(qū)），流域面積７９．５ 萬ｋｍ^２，多年平均天然徑流量為４９０ 億ｍ３（１９５６—２０１６ 年系列）。選擇位于上游的蘭州斷面和位于下游的花園口斷面分析黃河連續(xù)枯水段。蘭州斷面以上地區(qū)是黃河的主要產(chǎn)水區(qū)，以占黃河流域２８％的面積產(chǎn)生了６６％的天然徑流量，因此蘭州斷面是表征黃河徑流豐枯的重要指示斷面?；▓@口斷面控制黃河流域面積的９２％，該斷面以下干流河段主要為地上懸河，匯流較少，控制黃河天然徑流量的９９％，可視為全河天然徑流量豐枯的指示斷面。

１．２ 連續(xù)枯水段識別方法

采用距平法和ＳＲＩ 識別連續(xù)枯水段，計算時間尺度為水文年（本文中“年”指的是日歷年，即１—１２ 月，采用水文年時用“水文年”專門說明）。黃河流域的水文年為當(dāng)年７ 月至次年６ 月。對比兩種方法識別結(jié)果的一致性，如果結(jié)果差異較大，需要補(bǔ)充分析結(jié)果的合理性。

距平法根據(jù)當(dāng)年天然來水量比多年平均值偏高或偏低的百分比判斷豐枯情況，分級標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)《水文情報預(yù)報規(guī)范》（ＧＢ／ Ｔ ２２４８２—２００８），見表１。

將顯著性水平定為１％，如果Ｖ_Ｆ 對應(yīng)的頻率（Ｐ值）小于１％，則認(rèn)為線性關(guān)系顯著。

１．４數(shù)據(jù)來源

蘭州斷面和花園口斷面１９２０—２０１９水文年逐年天然徑流數(shù)據(jù)來自于黃河水利委員會水文局的水資源調(diào)查評價成果。利津斷面實測流量和水量采用水文站實測數(shù)據(jù)。黃河流域及供水區(qū)用水?dāng)?shù)據(jù)來自各日歷年的《黃河水資源公報》，其中供水區(qū)指使用黃河干支流地表水的黃河流域外供水區(qū)，其用水量僅包括使用的黃河干支流地表水量。根據(jù)主要取水口逐月取水過程和主要灌區(qū)逐月用水過程將日歷年用水?dāng)?shù)據(jù)處理成水文年用水?dāng)?shù)據(jù)。１９９６ 年缺少《黃河水資源公報》數(shù)據(jù)和取水口門數(shù)據(jù)，本文不對該年用水量進(jìn)行分析。龍羊峽水庫逐月蓄水位和蓄水量采用水庫管理單位實測數(shù)據(jù)。

２結(jié)果與分析

２．１連續(xù)枯水段發(fā)生時間蘭州斷面和花園口斷面采用距平法和ＳＲＩ得到的逐年豐枯評估結(jié)果見圖１ 和圖２，兩種方法評估結(jié)果一致性較好。在蘭州斷面，采用距平法評估為偏豐或豐水的年份共計３０ ａ，與ＳＲＩ 評估結(jié)果一致；采用距平法評估為偏枯或枯水的年份共計３４ ａ，ＳＲＩ 評估結(jié)果為３１ ａ，評估有差異的年份是１９６２ 水文年、１９９８水文年、２００６ 水文年，距平值均略小于－１０％，被ＳＲＩ 評估為正常年份。在花園口斷面，采用距平法評估為偏豐或豐水的年份共計３７ ａ，與ＳＲＩ 評估結(jié)果一致；采用距平法評估為偏枯或枯水的年份共計３９ ａ，ＳＲＩ 評估結(jié)果為３６ ａ，評估有差異的年份是１９３９水文年、１９４１水文年、２０１０水文年，距平值均略小于－１０％，被ＳＲＩ 評估為正常年份。

由評估結(jié)果可知，蘭州斷面和花園口斷面均經(jīng)歷了１９２２—１９３２ 水文年和１９９０—２００２ 水文年兩個連續(xù)枯水段，特征值見表３，兩個枯水段的年均天然徑流量分別比多年平均值偏低約１／４ 和１／５。兩斷面均表現(xiàn)出了連續(xù)枯水段和極端枯水年疊加的特征：１９２２—１９３２ 水文年蘭州斷面經(jīng)歷了２ 個重旱年（１９２４ 水文年、１９３１ 水文年）和１ 個極旱年（１９２８ 水文年），花園口斷面經(jīng)歷了１ 個極旱年（１９２８ 水文年），１９２８ 水文年蘭州斷面和花園口斷面天然徑流量分別比多年平均值偏低４９．２％和４７．２％；１９９０—２００２ 水文年蘭州斷面經(jīng)歷了１ 個極旱年（２００２ 水文年），花園口斷面經(jīng)歷了２ 個重旱年（１９９１ 水文年、１９９７ 水文年）和１ 個極旱年（２００２水文年），２００２水文年蘭州斷面和花園口斷面天然徑流量分別比多年平均值偏低４１．８％和４８．７％。

２．２ １９２２—１９３２水文年連續(xù)枯水段用水特征

１９２２—１９３２水文年連續(xù)枯水段發(fā)生在民國時期，缺少系統(tǒng)的供用水監(jiān)測和統(tǒng)計資料。該時段旱災(zāi)和枯水相伴發(fā)生，黃河流域多個?。▍^(qū)）發(fā)生了持續(xù)多年的特大干旱，中下游地區(qū)受旱尤為嚴(yán)重［２２］ ，河流枯水導(dǎo)致可供水量不足是干旱成災(zāi)的重要原因，因此通過相關(guān)文獻(xiàn)對該時段旱災(zāi)的描述側(cè)面反映用水受影響情況。旱災(zāi)統(tǒng)計時段為日歷年，１９２２—１９３２ 年受災(zāi)情況如下［２３］ ：干旱造成大量耕地荒蕪，陜西?。保梗常?年荒地面積是１９２２ 年的２．５ 倍；根據(jù)不完全統(tǒng)計，黃河流域年均受災(zāi)人口超過１ ６００ 萬人，１９２８—１９３０ 年每年受災(zāi)人口超過３ ０００ 萬人，３ａ間饑餓、瘟疫等導(dǎo)致黃河流域死亡約１ ０００ 萬人；在干旱和饑荒的共同作用下，森林植被遭到了嚴(yán)重破壞，河南省部分區(qū)域出現(xiàn)了“森林砍光，樹皮食盡”的現(xiàn)象。

２．３ １９９０—２００２水文年連續(xù)枯水段用水特征

黃河流域及供水區(qū)１９９０—２０１９ 水文年分行業(yè)逐年用水量見圖３，１９９０—２００２ 水文年年均用水量４９０．５億ｍ^３，比２００３—２０１９水文年平均值偏?。保梗?億ｍ^３。這一現(xiàn)象可通過趨勢性用水變化和連續(xù)枯水影響共同解釋。

１９９０—２０１９水文年黃河流域及供水區(qū)用水總量呈現(xiàn)出緩慢但顯著的增加趨勢，分行業(yè)用水變化趨勢為：農(nóng)業(yè)用水量呈顯著的減少趨勢；工業(yè)用水量較穩(wěn)定，變化趨勢不顯著；生活用水量和生態(tài)用水量均呈顯著的增加趨勢（見圖３和表４）。這種趨勢性變化是１９９０—２００２ 水文年用水量總體小于２００３—２０１９ 水文年的原因之一；同時，連續(xù)枯水也是１９９０—２００２水文年用水量偏小的重要原因。１９９０—２００２ 水文年黃河流域及供水區(qū)用水總量相對穩(wěn)定，尤其是１９９０—１９９９水文年，各年用水總量變化幅度不超過２．４％，但是在連續(xù)枯水段后期（２０００—２００２ 水文年），枯水對黃河流域及供水區(qū)用水的影響開始凸顯。

由表５ 可知，與１９９０—１９９９水文年相比，２０００—２００２ 水文年黃河流域及供水區(qū)年均用水總量偏小２１．８億ｍ^３，其中農(nóng)業(yè)用水偏?。常矗?億ｍ^３、工業(yè)用水量和生活用水量均有所增長。在空間分布上，２０００—２００２ 水文年寧夏和山東的用水總量及農(nóng)業(yè)用水量受影響最大，其次為河南和內(nèi)蒙古；山西和陜西的用水量受黃河枯水影響較?。桓拭C用水總量及分行業(yè)用水量均小幅度增加。

連續(xù)枯水段對入海水量具有顯著影響。各年實測入海水量與花園口斷面天然徑流量之間具有顯著的線性相關(guān)關(guān)系（見圖４ 和表４）。１９９０—２００２ 水文年年均入海水量１０６．８ 億ｍ^３，比１９９０—２０２０ 水文年年均值偏?。担保?億ｍ^３，在極端枯水的１９９１ 水文年、１９９７ 水文年、２００２ 水文年，入海水量分別降至５４．０億、１９．１ 億、３８．０ 億ｍ^３。

２．４ ２００３年旱情緊急情況下的用水特征

花園口水文站控制黃河天然徑流量的９９％，因此２００２ 水文年可被視為黃河百年系列最枯水年。截至２００２ 年１２ 月，黃河流域經(jīng)歷了近１２ ａ 的連續(xù)枯水，２００３年年初，黃河水利委員會預(yù)報當(dāng)年４ 月１ 日—７月１０ 日全河來水６３．８ 億ｍ^３，比多年平均值偏小５０％，考慮水庫蓄水后，預(yù)測該時段全河干流調(diào)度河段可分配耗水量６４．５億ｍ^３，用水高峰期４—６月用水缺口將達(dá)４５ 億ｍ^３，黃河流域?qū)⑦M(jìn)入該連續(xù)枯水段最嚴(yán)峻的缺水時期。為確保黃河不斷流，盡量緩解用水緊張局面，２００３ 年４ 月９ 日水利部印發(fā)實施《２００３ 年旱情緊急情況下黃河水量調(diào)度預(yù)案》（水汛〔２００３〕１３８號，以下簡稱《預(yù)案》），這是黃河干流唯一一次啟動大規(guī)模應(yīng)急調(diào)度。此次應(yīng)急調(diào)度涉及黃河干流甘肅、寧夏、內(nèi)蒙古、陜西、山西、河南、山東七?。▍^(qū)），調(diào)度期為２００３年４ 月１日—７月１０ 日，《預(yù)案》給出了調(diào)度期黃河干流水量向七?。▍^(qū)）分配方案，總計可消耗黃河干流水量６４．５ 億ｍ^３。

此次應(yīng)急調(diào)度期間，黃河實際來水量６４．４ 億ｍ^３，調(diào)度河段實際耗水量７０．０億ｍ^３，比《預(yù)案》分配值高５．５ 億ｍ^３［見圖５（ａ）］。４ 月１日—７ 月１０ 日是調(diào)度河段用水高峰期，黃河干流耗水量多年平均值為９５．９億ｍ^３（１９９１—２００１年系列），實際耗水量比多年平均值偏小２７．０％，偏小比例反映了該時段的缺水程度，由圖５（ｂ）可知，各省（區(qū)）都不同程度缺水，內(nèi)蒙古、寧夏和山東缺水問題較為嚴(yán)重。根據(jù)此次應(yīng)急調(diào)度相關(guān)文件及材料，缺水部門主要是農(nóng)業(yè)。

此次應(yīng)急調(diào)度期間河道內(nèi)生態(tài)水量嚴(yán)重偏小。２００３ 年４ 月１ 日—７ 月１０日利津斷面實測日均流量過程及１９５０—２０１９ 水文年該時段日均流量過程見圖６。應(yīng)急調(diào)度期間實測水量４．０ 億ｍ^３，是多年平均值的７．４％，每日實測流量為該日多年平均值的４．５％ ～１２．９％，有１５ ｄ 實測流量小于３０ ｍ^３／ｓ（利津斷面斷流的預(yù)警流量）。

３討論

３.１多年調(diào)節(jié)水庫在應(yīng)對連續(xù)枯水中發(fā)揮的作用

多年調(diào)節(jié)水庫具有跨年補(bǔ)水作用，是應(yīng)對連續(xù)枯水的重要水利工程。目前，黃河干流僅建成龍羊峽水庫１ 座多年調(diào)節(jié)水庫。龍羊峽水庫壩址處天然徑流量為２０３ 億ｍ^３（１９５６—２０１６ 年系列），死水位為２ ５３０ ｍ，正常蓄水位為２６００ ｍ，調(diào)節(jié)庫容為１９３．５ 億ｍ^３，１９８６年下閘蓄水，在保障黃河流域穩(wěn)定供水中發(fā)揮著重要作用。

１９９０—２００２水文年連續(xù)枯水段期間龍羊峽水庫月末蓄水位和蓄水量變化分別見圖７ 和表６。龍羊峽水庫發(fā)揮了巨大的蓄豐補(bǔ)枯作用，水庫５ａ蓄水、８ａ補(bǔ)水，總蓄變量為－５３．０ 億ｍ^３，最大年蓄水量占當(dāng)年天然徑流量的１０．０％，在嚴(yán)重枯水的１９９４水文年和２００２水文年，補(bǔ)水量分別達(dá)到當(dāng)年天然徑流量的１４．０％和１４．９％。龍羊峽水庫具有連續(xù)蓄水和連續(xù)補(bǔ)水的特征，其中：１９９８—１９９９水文年累計蓄水６７．４億ｍ^３，為應(yīng)對接下來的嚴(yán)重枯水儲備了水源；２０００—２００２水文年是持續(xù)時間最長、補(bǔ)水量最大的時段，累計補(bǔ)水７５．２億ｍ^３，在應(yīng)對連續(xù)枯水中發(fā)揮了重要作用，但在２００３年４ 月末，龍羊峽水庫蓄水位已降至２５３１．２ｍ，已處于幾乎無水可補(bǔ)的狀態(tài)，導(dǎo)致應(yīng)急調(diào)度期間對枯水的應(yīng)對能力受限。

相關(guān)研究顯示，龍羊峽水庫蓄補(bǔ)水量與天然來水量顯著相關(guān)［２４］ ，結(jié)合１９９０—２００２ 水文年水庫調(diào)蓄過程，說明受自身調(diào)蓄能力限制和黃河連續(xù)枯水影響，在遭遇連續(xù)枯水段時龍羊峽水庫難以發(fā)揮連續(xù)３ ａ 以上的補(bǔ)水作用，僅靠龍羊峽水庫難以有效應(yīng)對黃河持續(xù)多年的連續(xù)枯水。受多種因素制約，目前黃河干流尚未建設(shè)其他多年調(diào)節(jié)水庫，未來黃河流域需要采取多種措施增強(qiáng)連續(xù)枯水段水資源安全保障能力。

３．２水網(wǎng)建設(shè)下黃河連續(xù)枯水的應(yīng)對思路

黃河干流主要水文站１９５６—２０１６ 年系列徑流分析結(jié)果顯示，黃河中下游潼關(guān)、花園口、利津等水文站天然年徑流量均呈顯著的衰減趨勢。相關(guān)研究顯示，未來黃河天然年徑流量仍可能進(jìn)一步衰減［２５－２６］ ，加之變化環(huán)境下黃河流域干旱風(fēng)險加?。郏?，２７］ ，未來黃河面臨更高的連續(xù)枯水風(fēng)險。黃河流域是資源性缺水流域，且人均生活用水量、單位耕地面積用水量、萬元工業(yè)增加值用水量等指標(biāo)均遠(yuǎn)低于全國平均水平，加之連續(xù)枯水段天然來水量偏小幅度較大，因此難以通過本地水挖潛和節(jié)水解決連續(xù)枯水段缺水問題。

當(dāng)前我國正在加快構(gòu)建國家水網(wǎng)，以南水北調(diào)工程為重點(diǎn)，科學(xué)推進(jìn)一批跨流域跨區(qū)域重大引調(diào)排水工程規(guī)劃建設(shè)。國家水網(wǎng)建設(shè)給解決黃河連續(xù)枯水段水資源安全保障難題提供了新機(jī)遇。當(dāng)前南水北調(diào)西線、白龍江調(diào)水等跨流域調(diào)水工程前期工作均在推進(jìn)中，規(guī)劃從水資源充沛的長江干支流調(diào)水入黃河，解決黃河流域資源性缺水問題，并規(guī)劃建設(shè)古賢水庫、黑山峽水庫等水利樞紐工程以增強(qiáng)黃河水資源調(diào)蓄能力和均衡配置能力［２８－２９］ 。未來需要深入研究黃河流域發(fā)生連續(xù)枯水情景下外調(diào)水增供潛力、跨流域多水源多線路聯(lián)合調(diào)配等科學(xué)問題，尤其是需要考慮黃河長江枯水遭遇的極端不利情景［３０］ ，為黃河流域水資源安全保障和重大水利工程建設(shè)提供科技支撐。

４結(jié)論

黃河枯水頻發(fā)，給流域供水安全造成極大威脅。本文識別了１９２０—２０１９水文年黃河的連續(xù)枯水段，量化了連續(xù)枯水段的用水特征，分析了黃河流域應(yīng)對連續(xù)枯水中面臨的問題及解決思路，得到主要結(jié)論如下。

１） 黃河近百年經(jīng)歷了１９２２—１９３２水文年和１９９０—２００２ 水文年兩個連續(xù)枯水段，全河天然徑流量比多年平均值（１９５６—２０１６ 年系列）偏?。玻埃ヒ陨?，且具有連續(xù)枯水段和極端枯水年疊加的特征，加大了供水安全保障難度。

２）１９９０—２００２水文年，持續(xù)多年的連續(xù)枯水顯著減少了黃河入海水量。受益于龍羊峽水庫年際調(diào)節(jié)，連續(xù)枯水段初期黃河流域及供水區(qū)用水量較穩(wěn)定，但后期用水總量及農(nóng)業(yè)用水量均大幅度減少。連續(xù)枯水多年后遭遇短期極端枯水會對用水造成重大影響，２００３ 年４ 月１ 日—７ 月１０ 日應(yīng)急調(diào)度期間調(diào)度河段黃河干流耗水量比多年（１９９１—２００１ 年系列）平均值偏?。玻罚埃?，入海水量僅為多年（１９５６—２０１６年系列）平均值的７．４％。

３）龍羊峽水庫在應(yīng)對連續(xù)枯水中發(fā)揮了重要作用，但最長持續(xù)補(bǔ)水時間為３ ａ，難以有效應(yīng)對黃河持續(xù)多年的連續(xù)枯水。在國家水網(wǎng)建設(shè)背景下，亟須建設(shè)古賢等大型水利樞紐以提高徑流調(diào)節(jié)能力、建設(shè)南水北調(diào)西線工程以增加連續(xù)枯水段黃河徑流量，提高流域應(yīng)對連續(xù)枯水和極端枯水的水資源安全保障能力。