變化環境下近60年來中國北方江河實測徑流量及其年內分配變化特征

王樂揚， 李清洲， 王金星， 姜彤， 劉翠善， 王艷君

(1.南京信息工程大學 地理科學學院，江蘇 南京 210044； 2.山東農業大學 水利工程學院，山東 泰安 271018；3.水利部信息中心，北京 100142； 4.南京水利科學研究院 水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室，江蘇 南京 210029)

以全球氣候變化和經濟社會快速發展為特征的環境變化對區域水文循環具有重要的影響[1-2]。20世紀以來，全球氣候持續性顯著變暖，世界前200條大的河流中有三分之一河流的徑流量表現出顯著增加或減小的趨勢[3]，對區域水資源產生一定的影響[4]。人口增加和經濟社會的快速發展對水資源量的需求日益增多，進而導致水資源供需矛盾不斷加劇[5-6]。河川徑流是重要的地表水資源，也是維持河流生態和區域經濟發展的關鍵性因素，河川徑流量減少會嚴重制約經濟的穩定發展[7]。

河川徑流變化直接關系到流域水資源狀況，因此，其變化特征一直是流域管理者和水文學者關注和研究的核心內容[8-12]。海河流域是中國的政治文化中心，受大規模人類活動影響，近50年來實測徑流量減少60%以上[8]。馮禹昊對遼河流域的分析結果表明，遼河實測徑流量自20世紀70年代以來減少明顯[9]。汪雪格等采用Mann-Kendall方法檢測了松花江流域實測徑流量的演變趨勢，發現實測徑流量整體呈現非顯著性減少趨勢[10]。張建云等對中國六大流域1950—2006年實測徑流量的變化趨勢研究發現南方河流徑流量變化不大，北方河流徑流量減少明顯[12]。田蕾等對遼河近60年徑流變化成因分析認為，實測徑流量的變化與人類活動關系密切[13]。觀測資料和目前已有研究表明，在過去的幾十年，河川徑流已經發生了不同程度的變化，并對水資源開發利用帶來了新的挑戰[14-16]。在上述徑流演變特征分析中，所采用的方法包括Spearman方法、雙累積曲線法、Mann-Kendall趨勢檢驗法、滑動平均方法等多種[17-19]，其中，Man-Kendall趨勢檢驗法具有檢驗范圍寬、受人為影響小的特點, 是目前趨勢檢驗方法中應用較多且具有理論基礎的一種方法[18]。

中國水資源南多北少，北方黃淮海流域以全國7%的水資源量支撐了超過30%的耕地、人口、和GDP。然而，已有研究多以單一流域為對象分析徑流變化及其原因，對近10年來經濟高速發展期間我國水資源短缺與北方江河徑流變化的脆弱性的整體認識相對欠缺，科學認識我國北方江河徑流量的演變態勢對我國水資源節約與保護尤為重要[7]。本文根據我國北方黃河、海河、遼河和松花江代表性水文站的實測徑流量資料，采用Mann-Kendall趨勢檢驗法，初步分析了近60年來實測徑流量的演變趨勢，以期為今后河流的開發治理提供參考依據。

1 數據資料與研究方法

1.1 數據資料

以中國北方松花江、遼河、海河和黃河為研究對象，系統收集了6個重點水文站(唐乃亥、花園口、石匣里、觀臺、鐵嶺、哈爾濱)1955—2018年實測徑流量資料，表1給出了各水文站的基本信息。

由表1可以看出：①大多數水文站總體控制了研究流域的面積，例如，花園口水文站控制面積730 036 km2，占黃河流域面積的95%以上。②各個水文站實測徑流量年際變化程度不同，哈爾濱站實測徑流量年際變化相對較小，Cv值為0.372 8；海河流域實測徑流量年際變化懸殊，石匣里和觀臺兩個水文站測得的年徑流量的Cv值超過了1。③徑流量差異大，松花江平均年徑流量超過100 mm；而海河石匣里站年徑流量只有15.37 mm，不到松花江流域的1/6，特別是在1980年之后，徑流量常常趨近于0 mm，長時間處于枯水狀態。

表1 中國北方主要江河及重點水文站基本信息

1.2 研究方法

2 結果與討論

2.1 中國北方主要江河實測徑流量演變趨勢

圖1給出了中國北方主要江河6個重點水文站1955—2018年實測年徑流量過程，且采用Mann-Kendall方法診斷了年和季節徑流量變化趨勢的顯著性，結果見表2。

圖1 中國北方主要江河重點水文站1955—2018年實測年徑流量過程

由圖1可以看出：①所有水文站年徑流量均呈現出不同程度的減少趨勢；②相比而言，黃河唐乃亥站年徑流量變化趨勢不明顯，其年代際特別表現為先增加、然后減少、最后再增加的態勢，其中20世紀90年代是一個相對較枯的時期；③海河石匣里和觀臺站年徑流量下降趨勢劇烈，特別是在1980年之后多數年份的徑流量接近于0 mm。

表2 中國北方主要江河重點水文站實測徑流量演變趨勢診斷

注：表中黃色部分代表顯著性減少趨勢，綠色部分代表增加趨勢。

由表2可以看出：①所有水文站年徑流量系列的M-K值均小于0，年徑流量系列的傾向率均為負，說明在過去60年間中國北方河流的年徑流量均呈現減少趨勢；其中，除黃河唐乃亥站之外的其他水文站年徑流量系列的M-K值均小于置信水平為0.05時的閾值-1.96，年徑流量呈顯著性減少趨勢。②黃河花園口站、海河石匣里站和觀臺站以及松花江哈爾濱站季節徑流量系列的M-K值均為負，說明季節徑流量均呈現一致性減少趨勢；其中，海河流域所有季節徑流量變化趨勢均超過置信水平0.05的顯著性檢驗；黃河花園口站只有春季徑流量呈非顯著性減少趨勢，其余季節徑流量減少趨勢顯著；松花江哈爾濱站春、秋徑流量呈顯著性減少趨勢，夏、冬徑流量呈非顯著性減少趨勢。③黃河唐乃亥站和遼河鐵嶺站季節徑流量有增有減；其中，唐乃亥站冬季徑流量呈非顯著增加趨勢，其余3個季節徑流量呈非顯著性減少趨勢；遼河鐵嶺站夏、秋季節徑流量呈顯著性減少趨勢，而冬、春季節徑流量呈非顯著性增加趨勢。

2.2 1980年以來不同時段實測徑流量的變化及其年內分配

為探究1980年以來實測徑流量的變化情況，將1955—1979年作為基準期，將1980—1999年和2000—2018年作為對比期，分析各個水文站實測年徑流量較基準期的變化和實測徑流量年內分配較基準期的變化，結果如圖2所示。

由圖2可以看出：①1980—1999年，黃河唐乃亥站和松花江哈爾濱站實測徑流量較基準期的分別偏多2.0%和8.7%，其余各站實測徑流量均較基準期的偏少；其中海河流域的兩個水文站的偏少較多，均超過65%；其次為黃河花園口站，約偏少25.8%。②21世紀以來的近20年，所有各站實測徑流量較基準期均偏低；其中黃河上游唐乃亥站的實測徑流量偏低約7.9%，松花江哈爾濱站的偏少26.6%，其余各站實測徑流量減少幅度均超過40%；海河流域的減少幅度最大，超過80%。③就1980年以來的徑流量變化而言，松花江和遼河變化最大；哈爾濱站實測徑流量由1980—1999年的偏多8.7%變化為2000—2018年的偏少26.6%，變化幅度為35.3%；而鐵嶺站的變化幅度由偏少6.9%變為偏少44.4%，變幅(37.5%)也超過了35%。

圖2 1980—1999年和2000—2018年各水文站實測年徑流量較基準期的變化

圖3給出了1980—1999年和2000—2018年各水文站不同時期徑流量較基準期變化的年內分配情況，由圖3可以得到如下結論。

1)黃河上游唐乃亥站：在1980—1999年，唐乃亥站有5個月份徑流量較基準期的偏多，其中，5—7月份偏多較大，特別是6月份偏多超過20%；另外3個偏多的月份分別為2、5和12月，偏多均不到4%；該期間，唐乃亥站減少的月份主要集中在8—11月份，均偏少5%左右，1、3、4月份偏少均不到3.5%。21世紀以來，唐乃亥站大多數月份的徑流量持續減少，與基準期的相比，4、5月份和8—11月份徑流量偏少均超過5%，其中，4—5月份和8—9月份徑流量減少均超過10%；在該時期內，只有2、6、7、12月份徑流量較基準期的略微偏多；但值得注意的是，12月份徑流量持續偏多，這可能與全球氣溫升高、黃河上游冰雪融化有一定的關系。

2)黃河花園口站：在1980—1999年和2000—2018年徑流量都有較大幅度的減少，平均減少幅度分別達到25.8%和42.9%。1980—1999年僅在2月份有所增加，在4—11月份減少幅度均超過30%，其中11月份減少幅度最大，為46%。在2000—2018年期間，只有6月份徑流量有較大增加，達到了60.6%，其余月份均明顯減少，其中8—11月減少幅度均超過50%。21世紀初期以來，黃河水利委員會每年均利用小浪底等水庫開展調水調沙試驗，通過加大泄流量以期達到沖刷河床、增大河道過流能力的目的，這是2000年之后6月份徑流量增多的主要原因。

3)海河石匣里站和觀臺站：兩站所有月份實測徑流量在1980年之后的兩個對比時期均較基準期的大幅度減少。相比而言，石匣里站各月徑流量減少幅度相對較為一致，在1980—1999年期間，降幅在70%左右；2000年之后的前9個月，徑流量減少幅度在90%左右，后3個月徑流量減幅在80%左右。觀臺站非汛期徑流量減少幅度更大；在汛期月份減少幅度相對較小，但也超過60%。

4)遼河鐵嶺站：1980—1999年徑流量相較之前略有減少，在1、2、5月份徑流量有較大增加，增幅均超過30%，其余月份徑流量均減少。在2000—2018年期間，1、2月份徑流量有很大的增加，增加率達到了130.7%和143.0%；4月和6—11月有較大幅度的減少，減少幅度都在50%左右。

5)松花江哈爾濱站：在1980—1999年徑流量相較之前的有所增加，主要體現在8、9月份徑流量有較大的增加，增幅分別為40.2%和25.0%；但在4—6月都有所減少，其中6月份徑流量減少最多，達到了26.4%。2000—2018年期間，徑流量僅在2、3月份有5%左右的增加量，其余月份徑流量均減少；其中10月份徑流量減少最多，達到了46.5%。

圖3 1980—1999年和2000—2018年各水文站實測徑流量較基準期變化的年內分配

2.3 結果討論

流域下墊面環境和強人類活動是流域水文過程發生變化的重要原因，人類活動通過改變降水-徑流關系進而對河川徑流量產生一定的影響。以黃河花園口站為例，圖4給出了不同時間段黃河流域降水與徑流之間的關系。

圖4 變化環境下不同時期黃河流域年降水量與花園口站徑流量之間的關系

由圖4可以看出，黃河流域3個時期的點群較為分散，特別是2000—2018年的點群明顯偏低，表明在同樣降水條件下流域的產流量明顯偏小，說明由于流域內人類活動的作用，流域水文情勢發生明顯變化，這與前述黃河花園口站徑流量銳減的診斷結果和目前已有的研究結論總體一致[11,15]。

張建云等[12]研究了中國主要江河1951—2006年徑流量的變化，其研究結果表明：1980年以來，黃河花園口站年徑流量較前期減少33%，海河觀臺站和石匣里站徑流量減少77%左右，遼河鐵嶺站減少約31%，松花江哈爾濱站減少2.5%。而本文分析發現：21世紀以來，松花江哈爾濱站的徑流量較1980年之前基準期的減少26.6%，遼河鐵嶺站和黃河花園口站徑流量減少超過40%，海河觀臺站和石匣里站分別減少82.5%和90.2%，均高于文獻[12]的分析結果。這充分說明，在近十幾年內，由于經濟社會和工農業的快速發展，人類活動對水資源的需求進一步增大，其對河川徑流的影響也進一步加劇[6]。 然而，水資源南多北少是中國水資源的自然稟賦，如何以水資源為剛性約束保障經濟社會的可持續穩定發展是水資源管理必須考慮的重要問題[20]。

3 結論

1)在1955—2018年，中國北方主要江河實測徑流量都呈現出不同程度的下降趨勢。其中，黃河上游唐乃亥站實測徑流量為非顯著性減少；其余各站的為顯著性減少，特別是海河流域，實測徑流量減少趨勢最為明顯。

2)與基準期1956—1979年相比，2000—2018年期間海河流域實測徑流量減少幅度最大，約80%～90%。其次為遼河鐵嶺站和黃河花園口站的，分別減少44%和42%。松花江哈爾濱站的減少幅度為26.6%。

3)在兩個對比時期1980—1999年和2000—2018年，海河流域每個月份的平均實測徑流量均小于基準期的，其余站點主汛期月徑流量大多小于基準期相應月份的徑流量，而非汛期徑流量有增有減，但是以減少為主。

4)環境變化對中國北方主要河流降水-徑流關系產生一定的影響；同樣降水條件下，21世紀以來的河川徑流量明顯偏少，人類活動是中國北方主要江河徑流變化的重要原因之一。