1998年以來黃河干流水資源量變化特征分析

劉秀 劉永和 趙建民 趙亞迪 李建林

摘要：采用Mann-Kendall法、距平累計法、變差系數(shù)法和Sen's斜率估測法分析了1998-2015年黃河流域水資源量變化趨勢，結(jié)果表明：1998-2015年，黃河水資源量整體上比20世紀(jì)末的干旱時期有所增大，且具有空間差異性;干流5個主要水文站中的年均天然河川徑流量和水資源總量除蘭州站小于1956-2000年的而大于1987-2000年的外，頭道拐站、龍門站、三門峽站、花園口站均小于1956-2000年的和1987-2000年的，但與1987-2000年的差異不顯著;1998年以來，5站天然徑流量、實測徑流量、水資源總量都呈現(xiàn)增大趨勢，且實測徑流量除龍門站外都通過了99%的顯著性檢驗。黃河流域與地表水不重復(fù)計算量的地下水資源量主要集中在中下游的河谷平原，1998-2015年呈現(xiàn)減小趨勢。河川徑流及水資源變化主要受降水、人類取用水活動和土地利用變化的影響。黃河流域取耗水量呈明顯增長趨勢，耗水強(qiáng)度最大的為蘭州站一頭道拐站和龍門站一三門峽站區(qū)間，5站控制流域平均降水量除蘭州站、頭道拐站外.均呈不顯著增大趨勢。1998-2015年黃河徑流量與水資源量增長的主要原因為降水量增大。

關(guān)鍵詞：水資源量;變化特征;影響因素;黃河

中圖分類號：TV213.4;TV882.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10. 3969/j.issn. 1000- 1379.2019.02.015

黃河是西北和華北地區(qū)的重要水源，支撐了全國12%的人口和9%的GDP [1-2]。徑流量年內(nèi)、年際變化大，汛期徑流量占全年的60%以上[3-4]。20世紀(jì)70年代以來，黃河徑流量顯著減小，特別是20世紀(jì)90年代斷流態(tài)勢尤為嚴(yán)重[5]。1952-2000年中游河口鎮(zhèn)至龍門區(qū)間的徑流量顯著減小6-7].1950-2005年下游年徑流量總體呈遞減趨勢[8-9]。20世紀(jì)80年代以來黃河流域年降水量呈不明顯下降趨勢.90年代年降水量最小，進(jìn)入21世紀(jì)后輕微增大[10-11].特別是黃河源區(qū)1990-2010年降水量明顯增大[12]。地表取水造成黃河徑流量顯著減小，花園口站以上地區(qū)地下水開發(fā)利用和水土保持措施攔蓄降水，也影響了河川徑流量[13]。雖然已有較多文獻(xiàn)研究了黃河水資源長期變化趨勢，但資料截至年限一般在21世紀(jì)最初10 a，對黃河水資源近期變化趨勢的研究相對較少。為此選取黃河干流5個主要水文站1998-2015年的資料，分析近期黃河水資源變化的時空特征，以期為黃河水資源規(guī)劃及流域治理提供參考。

1 資料來源

數(shù)據(jù)來自《黃河水資源公報》，包括1998-2015年黃河干流5個主要水文站（蘭州、頭道拐、龍門、三門峽、花園口）的天然河川徑流量、實測徑流量、地下水資源量，全流域（1998-2015年）及各區(qū)間的平均降水量（2005-2015年）、水資源總量（1998-2015年）以及取耗水量（2004-2015年）等數(shù)據(jù)。

2 研究方法

采用Mann - Kendall法、距平累計法、變差系數(shù)法[14-15]和Sen's斜率估測法[16]。Sen's法反映各變量的年變化量，距平累計法與Mann -Kendall法用以判斷各指標(biāo)的變化趨勢和突變點(diǎn)，變差系數(shù)法判斷各變量的波動性。

3 結(jié)果分析

3.1 地表水資源量的變化

地表水資源量是指河流、湖泊、冰川等地表水體中由當(dāng)?shù)亟邓纬傻膭討B(tài)水量，一般用天然河川徑流量及實測徑流量表示。1998-2015年，5站天然徑流量均呈增大趨勢（見表1），各站天然徑流量只有三門峽站通過了顯著性水平為0.05的檢驗：Sen's斜率估測值（K）三門峽站最大，為7.795億m3/a，其次是蘭州站，最小的是龍門站，說明蘭州站以上和龍門站一三門峽站區(qū)間是黃河徑流增長的主要區(qū)域;變差系數(shù)（C）顯示，各站天然河川徑流量年際變化均較大，但蘭州站C（ 0.148）最小，說明蘭州站以上流域天然來水量較穩(wěn)定。5站實測徑流量除龍門站外，均通過了顯著性水平為0.01的檢驗：三門峽站實測徑流量K值最大（為6.839億m/a），龍門站最?。?.9億m/a）;實測徑流量增加明顯的區(qū)間為蘭州站以上、龍門站一三門峽站和三門峽站一花園口站;C顯示，蘭州站實測徑流量相對穩(wěn)定，年際波動較小，頭道拐站年際變化最大，主要原因可能是蘭州站以上流域大多為天然草地，用水少，水源涵養(yǎng)能力強(qiáng)[17]，而河套灌區(qū)大量的農(nóng)業(yè)用水活動給頭道拐站徑流量帶來了強(qiáng)烈干擾。

地表水還原水量為水庫蓄變量與地表水耗水量之和，即天然徑流量與實測徑流量之差。表1中各站控制流域中地表水還原水量均為非顯著變化，只有三門峽站以上流域為增加趨勢，但年增率只有0.143億m/a。蘭州站、頭道拐站以上流域2006年減少量較大。用水量增多情況下，還原水量減小，說明流域取水量的利用率提高。蘭州站C為1.348，年際波動顯著。

各站1998-2015年天然徑流量與1956-2000均值相比，均呈現(xiàn)減小趨勢，與1987-2000年均值相比均呈現(xiàn)先減小再增大的趨勢（見圖1）。1998年以來，龍門站以上各站徑流量變化趨勢相似，2000-2004年、2014-2015年屬枯水期，龍門站2006-2011年屬枯水期，三門峽站1998-2004年、2006-2011年、2013-2015年屬枯水期，花園口站1998-2002年、2006-2010年、2013-2015年屬枯水期。整體上，下游豐枯轉(zhuǎn)變的時間要滯后于上游。

實測徑流量是天然徑流量扣除地表取水量和水庫蓄變量外，通過水文站斷面的實際水量。黃河5站實測徑流量與天然河川徑流量的變化既有差別又有聯(lián)系。天然河川徑流量從上游到下游基本上逐漸增大，但實測徑流量則先增大后減小，在頭道拐站急劇減小，原因是蘭州站與頭道拐站之間的河套地區(qū)降水少而耗水量大。蘭州站實測和天然徑流量差異不大，多年平均實測徑流量占天然徑流量的90%左右，受上游水庫蓄洪補(bǔ)枯的影響而發(fā)生變動，個別年份水庫放水增加了徑流量，出現(xiàn)實測徑流量大于天然河川徑流量的現(xiàn)象。蘭州站以下4站實測徑流量則顯著小于天然徑流量（見圖2），4站實測徑流量占天然徑流量的比例規(guī)律與蘭州站較為相似，整體上波動增大，2003年達(dá)到最小值。

3.2 地下水資源量和水資源總量變化

地下水資源量是指降雨或地表水人滲補(bǔ)給地下含水層的水量，最終出流補(bǔ)給地表水或消耗于潛水蒸發(fā)或者人類的開采活動，包括與地表水重復(fù)計算量和不重復(fù)計算量兩部分。1998-2015年各站水資源總量和地下水資源量分析指標(biāo)值見表2，可以看出：各站控制流域的地下水資源量（與地表水不重復(fù)計算量）均為減小趨勢，蘭州站通過了0.01的顯著性檢驗，龍門站和三門峽站通過了0.05的顯著性檢驗，龍門站以上流域地下水資源量（與地表水不重復(fù)計算量）年減小率最大：蘭州站以上流域地下水資源量很不穩(wěn)定，年際變化較大，龍門站、三門峽站、花園口站控制流域年際變化較小;地下水資源量（與地表水不重復(fù)計算量）主要集中在中下游河谷盆地，減小原因可能是人類開采活動造成地下水位下降，包氣帶加厚，阻隔了大氣降水對地下水的補(bǔ)給。

水資源總量是指當(dāng)?shù)亟邓纬傻牡乇硭Y源量與地下水資源量之和扣除二者的重復(fù)計算量，不包括入境水量。表2中各站控制流域的水資源總量均為增大趨勢，但都沒有通過0.05的顯著性檢驗。三門峽站以上流域的K值最大，龍門站以上流域的最小，說明水資源增加主要集中在蘭州站以上流域和龍門站一三門峽站區(qū)間。蘭州站和頭道拐站C都在0.18以上，說明水資源總量具有一定的年際波動性。

3.3 水資源量變化的影響因素

地表取水量指直接從黃河干支流引（提）的水量，地下取水量指從地下含水層抽取的水量。在水資源規(guī)劃和使用的過程中，總是優(yōu)先開發(fā)地表水資源[18]。耗水量指分配給用水戶（包括輸水損失在內(nèi)）的用水量，即不能回歸黃河干流的用水量。

表3和圖3顯示.1998-2015年黃河流域的年平均降水量及取耗水量均為穩(wěn)定顯著增大，置信度超過99%，波動性不大，與胡士輝等[18]的研究結(jié)果一致。地表水取耗水量增速均大于取耗水總量和地下水取耗水量增速，說明黃河流域水資源開發(fā)利用率不斷提高，對地表水的壓力增大。

2005-2015年各水文站降水量分析指標(biāo)值見表4，可以看出：黃河流域降水量變化不大，蘭州站、頭道拐站降水略有減小，龍門站、三門峽站、花園口站降水量呈增大趨勢。各區(qū)間平均徑流系數(shù)見表5 [19].可以看出：2005-2015年蘭州站以上、蘭州站一頭道拐站、頭道拐站一龍門站、龍門站一三門峽站、三門峽站一花園口站區(qū)間平均徑流系數(shù)分別為0，30、-0. 05、0.05、0.08、0.19，趨勢性增長不明顯;與多年平均水平相比，蘭州站以上和三門峽站一花園口站區(qū)間徑流系數(shù)變化不大，2005-2015年均值小于1956-2000年序列的，但大于1987-2000年序列的：蘭州站一頭道拐站、頭道拐站一龍門站、龍門站一三門峽站的徑流系數(shù)與1956-2000年序列的相比均顯著減小，龍門站一三門峽站、三門峽站一花園口站區(qū)間徑流系數(shù)與1987-2000年序列的差異不大，蘭州站一頭道拐站區(qū)間則顯著小于1987-2000年序列的。降水量增大對2005年以來黃河流域天然河川徑流量和水資源恢復(fù)性增長起到了促進(jìn)作用，而實測徑流量則受到降水和取耗水量增長的共同影響。

3.4 天然河川徑流量與水資源總量均值和水資源利用率分析

黃河干流年均天然河川徑流量和水資源總量見表6.可以看出：蘭州站以上1998-2015年年均天然河川徑流量和水資源總量大于1987-2000年的而小于1956-2000年的：蘭州站一頭道拐站和頭道拐站一龍門站區(qū)間.1998-2015年年均天然河川徑流量和水資源總量顯著小于1987-2000年和1956-2000年的平均值，蘭州站一頭道拐站區(qū)間黃河天然徑流量和水資源量減小幅度最大，在1998-2015年出現(xiàn)負(fù)值，即頭道拐站天然徑流量小于蘭州站的，說明受氣候干旱和人類用水活動影響，該河段出現(xiàn)了類似內(nèi)流河的凈耗水現(xiàn)象，其原因一方面是水土保持措施使地表徑流量減少，另一方面是農(nóng)業(yè)灌溉使大量黃河水消耗于蒸發(fā)和深層滲漏：龍門站一三門峽站區(qū)間，1998-2015年年均天然河川徑流量和水資源總量小于1987-2000年的和1956-2000年的，與1956-2000年的差異顯著，與1987-2000年的差異不顯著，其原因是與20世紀(jì)80年代以前相比黃土高原水土保持措施面積有了很大增加，減水減沙效果顯著，植被蒸發(fā)量增大，流人干流的水量減少[20]：三門峽站一花園口站區(qū)間1998-2015年年均天然河川徑流量和水資源總量均大于1987-2000年的和1956-2000年的。2005-2015年黃河降水和徑流變化具有一定的空間分異特征：黃河徑流主要來自蘭州站以上流域，蘭州站一頭道拐站降水稀少，頭道拐站一龍門站徑流增長不多，龍門站一花園口站區(qū)間是黃河流域第二個主要產(chǎn)流區(qū)間（見表4）。蘭州站以上流域降水呈非顯著降低趨勢，流域降水一徑流關(guān)系表現(xiàn)出一定的“蒸發(fā)悖論”，即隨著氣候變暖，陸地蒸發(fā)量減少，徑流系數(shù)增大，蘭州站以上流域水資源量增大反映了近年來退耕還林（草）、濕地保護(hù)等的積極成效。

由表7、表8可以看出：2004-2015年黃河流域水資源供需不平衡。蘭州站一頭道拐站區(qū)間是黃河流域最主要的耗水區(qū)，2004-2015年均水資源消耗量為125.63億m.為當(dāng)?shù)厮Y源量的187.5倍，其中地表水消耗量為105.51億m：龍門站一三門峽站區(qū)間以年均78.77億m的水資源消耗量和66.77%的水資源消耗率位居第二：三門峽站一花園口站的水資源消耗率也超過了40%。由于農(nóng)業(yè)灌溉用水量很小，因此頭道拐站一龍門站區(qū)間的水資源消耗量最小，蘭州站以上的水資源消耗率最低，尚有一定的水資源開發(fā)潛力。

4 討論

綜合近年來關(guān)于黃河流域水資源變化的研究成果：近百年來黃河上中游降水量沒有顯著性變化，降水量在20世紀(jì)90年代最小，進(jìn)入21世紀(jì)有增加趨勢，而上游和中游徑流量均呈減小趨勢，在1985年左右發(fā)生突變[1]：21世紀(jì)初黃河上中游年水資源量較多年平均值有較大變化[21-22];唐乃亥站、頭道拐站、龍門站、花園口站、利津站徑流量在2000年左右出現(xiàn)轉(zhuǎn)折[23-26]：降水因素是黃河上游徑流量增加的主要因素[27-28];GM（1，1）模型預(yù)測黃河下游2013-2017年降水量和徑流量均增加[29]：水庫的聯(lián)合運(yùn)用以及人類取水活動對年徑流量的突變有直接影響[1]。上述結(jié)論與本文的研究結(jié)果基本一致。

黃河流域水資源具有水資源形成和消耗時空分離的“二元結(jié)構(gòu)”，蘭州站以上黃河主要水源區(qū)的地位進(jìn)一步加強(qiáng)。黃河中下游有進(jìn)一步水資源開發(fā)潛力的區(qū)域主要是頭道拐站一龍門站區(qū)間的黃土丘陵和三門峽站一花園口站區(qū)間的山區(qū)與黃土臺塬，但頭道拐站一龍門站區(qū)間水土流失嚴(yán)重，有限的水資源主要是高含沙洪水。

受氣候變化、下墊面、人類活動等影響[8，25，30]，黃河水資源變化相當(dāng)復(fù)雜，未來水資源變化的可逆性及其對流域環(huán)境演變的響應(yīng)規(guī)律等，都有待進(jìn)一步研究。劉昌明等[31]認(rèn)為，隨著大規(guī)模的退耕還林生態(tài)環(huán)境建設(shè)，黃河流域植被已經(jīng)接近相對穩(wěn)定狀態(tài)，土地利用覆蓋變化對水資源的影響不大，未來水資源變化主要取決于氣候變化與人類活動。隨著黃河流域用水強(qiáng)度不斷增大，應(yīng)該不斷加強(qiáng)水源工程建設(shè)，加強(qiáng)對南水北調(diào)西線工程、“引漢濟(jì)渭”工程、“東水西調(diào)”工程等的研究。

5 結(jié)語

（1）受氣候變化和人類活動的影響，黃河干流5個主要水文站（蘭州、頭道拐、龍門、三門峽、花園口）1998-2015年天然河川徑流量、水資源量都顯著小于1956-2000年的，且略小于1987—2000年的（蘭州站除外）。

（2） 1998年以來黃河流域降水量、地表水資源量、取耗水量均呈先減小后增大趨勢，2004年后水資源情勢好轉(zhuǎn)。河川徑流量和水資源量增加最顯著的區(qū)間為蘭州站以上和龍門站一花園口站。

（3）黃河流域地下水資源量（與地表水不重復(fù)計算量）主要集中在中下游河谷盆地，1998-2015年呈減小趨勢。地表水耗水為黃河流域耗水的主要部分，耗水量（地表水）的年變化率大于取水量（地表水）的年變化率。

（4）黃河實測徑流量與天然徑流量的變化主要受氣候、降水量及人類活動的影響。人類取用水活動對實測徑流量的影響是負(fù)面的，河川徑流量與水資源量的恢復(fù)性增長主要是氣候變化帶來的降水增加，且在蘭州站以上區(qū)間出現(xiàn)了“蒸發(fā)悖論”，需要進(jìn)一步深入研究。

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