黃河主要子流域徑流及其同旱概率變化研究

劉昌明，王 冠，王愷文，羅秋雨

（1.中國科學院地理科學與資源研究所陸地水循環(huán)及地表過程重點實驗室，北京 100101；2.中國南水北調集團東線有限公司，北京 100070）

黃河是我國第二大河，干流全長5 464 km，流域面積79.5 萬km2，以占全國2%的河川徑流量支撐著全國12%人口的生活用水和17%耕地的灌溉用水，承擔著北方地區(qū)50 多座大中型城市的供水任務［1］。 受氣候變暖和人類活動的影響，黃河徑流量明顯減少，干旱發(fā)生的強度上升、頻率提高、范圍擴大，加劇了黃河水資源短缺情勢、嚴重影響徑流量的穩(wěn)定并威脅流域水資源安全，使黃河流域生態(tài)環(huán)境保護和高質量發(fā)展面臨嚴峻挑戰(zhàn)［2-5］。 2021 年中共中央、國務院印發(fā)的《黃河流域生態(tài)保護和高質量發(fā)展規(guī)劃綱要》和2023年4 月1 日起施行的《中華人民共和國黃河保護法》，為加強黃河流域生態(tài)環(huán)境保護、實現(xiàn)水資源可持續(xù)開發(fā)利用提供了綱領性文件和法律依據(jù)。

干旱是加劇黃河水資源短缺的極端氣象水文災害，長期以來對流域各?。▍^(qū)）社會經(jīng)濟發(fā)展和人民生活帶來巨大影響［6］。 大量學者根據(jù)降水、氣溫、徑流等氣象和水文觀測數(shù)據(jù)，利用多種干旱指標，評估了黃河流域氣象和水文干旱的特征及變化趨勢。 已有研究結果表明，黃河絕大部分子流域氣象和水文干旱加劇，且下游較上游、旱季較濕季干旱加劇的情況更為明顯。隨著氣候持續(xù)變暖，空間復合極端干旱事件引起了廣泛關注［7-10］。 空間復合極端干旱是指多個區(qū)域同時發(fā)生干旱，是一種災害嚴重的極端干旱，若全球產(chǎn)糧區(qū)同時發(fā)生干旱則會嚴重影響國際糧食安全［11］，若調水工程的水源區(qū)和受水區(qū)同時發(fā)生干旱則會影響調水工程效用等［12］。 作為我國華北和西北地區(qū)主要水源的黃河，多個子流域同時發(fā)生干旱的空間復合干旱可能引發(fā)流域性水資源短缺，危及流域及沿黃城市的用水安全，但此前少有研究關注黃河主要子流域同旱的情況。因此，筆者選擇黃河的15 個子流域，依據(jù)1956—2016年實測年徑流量，采用藤Copula 函數(shù)等，分析了多子流域徑流及其同旱概率變化情況，以期為應對黃河流域性干旱提供參考。

1 數(shù)據(jù)來源與分析方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

本研究采用的黃河15 個子流域1956—2016 年河川徑流實測數(shù)據(jù)由黃河水利委員會提供。 15 個子流域及其控制水文站分別為：黃河上游白河唐克站、黑河若爾蓋站、湟水民和站、洮河紅旗站、清水河泉眼山站、大黑河三兩站，中游窟野河溫家川站、無定河白家川站、汾河河津站、涇河張家山站、渭河林家村站、北洛河頭站、沁河武陟站、伊洛河黑石關站，下游大汶河戴村壩站。

1.2 分析方法

1）趨勢分析。 采用Theil-Sen Median 斜率估計法［13］分析年徑流量序列的變化（增加或減少）趨勢，采用Mann-Kendall 趨勢檢驗法［14］分析年徑流量序列變化的顯著程度（將顯著性水平設定為0.05）。

2）同旱概率分析。 藤Copula 函數(shù)被廣泛應用于多維變量的聯(lián)合分布函數(shù)計算［10，15］，其包含RVine、CVine、DVine 等3 種藤結構，計算過程中的邊緣分布函數(shù)從正態(tài)分布、伽馬分布、韋伯分布中篩選得到。 本研究采用藤Copula 函數(shù)分析不同子流域發(fā)生同旱的概率，其能夠考慮不同子流域年徑流量的相關性。 根據(jù)15個子流域年徑流量邊緣分布F1（Q1）、F2（Q2）、…、F15（Q15）（其中Qi為第i個子流域年徑流量），建立聯(lián)合分布函數(shù)：

當F1（Q1）、F2（Q2）、…、F15（Q15）連續(xù)時，藤Copula 函數(shù)是唯一的。 研究中采用R 語言的CDVineCopula Conditional、Copula、Vine Copula 等函數(shù)包實現(xiàn)藤Copula 函數(shù)的計算，從而得到15 個子流域的同旱概率。

2 主要結果分析

2.1 徑流量及其變化趨勢

如圖1（a）所示，在15 個子流域中，洮河、伊洛河多年平均徑流量較大（均超過25 億m3），白河、湟水、涇河、渭河多年平均徑流量為15 億～25 億m3，無定河、汾河、北洛河、沁河、大汶河多年平均徑流量為7 億～15 億m3，黑河、窟野河多年平均徑流量為2 億～7 億m3，清水河、大黑河多年平均徑流量較?。ň蛔? 億m3）。 如圖1（b）所示，1956—2016 年除清水河、黑河這2 個子流域實測年徑流量呈增長趨勢（增長速率在0.1 億m3／a 以下）外，其他13 個子流域實測年徑流量呈減少趨勢（白河、湟水、大黑河、北洛河、大汶河減少速率為0～0.1 億m3／a，窟野河、無定河、沁河減少速率為0.1 億～0.2 億m3／a，汾河、涇河減少速率為0.2億～0.3 億m3／a，洮河、渭河、伊洛河減少速率為0.3 億～0.4 億m3／a），其中10 個子流域（圖中畫斜線的子流域，占比為66.7%）呈顯著減少趨勢，即多年平均徑流量較大的子流域徑流量減少趨勢明顯。

圖1 各子流域多年平均徑流量及其變化速率

2.2 子流域同旱年數(shù)統(tǒng)計

對15 個子流域相互配對，可形成105 個子流域對。以年徑流量的10%分位數(shù)為閾值定義干旱，采用計數(shù)的方式統(tǒng)計得到各子流域對同旱年數(shù)，見表1。 由表1 可知：1956—2016 年子流域兩兩同旱年數(shù)最多為4 a，即同旱頻率不超過7%；子流域兩兩同旱年數(shù)為4 a 的有4 對，分別為黑河-白河、窟野河-大黑河、北洛河-涇河、沁河-渭河；同旱年數(shù)為3 a 及以上的共16 對，除清水河、大汶河外，其他13 個子流域均發(fā)生過3 a 及以上的兩兩同旱；分別與黑河、湟水、伊洛河同旱年數(shù)≥3 a 的子流域均為1個，分別與白河、無定河、汾河、涇河、沁河同旱年數(shù)≥3 a的子流域均為2 個，分別與窟野河、渭河同旱年數(shù)≥3 a的子流域均為3 個，分別與洮河、北洛河同旱年數(shù)≥3 a的子流域均為4 個，與黑河同旱年數(shù)≥3 a 的子流域有5 個。

表1 兩兩子流域間的徑流量相關系數(shù)及同旱年數(shù)統(tǒng)計

對每對子流域進行年徑流量相關性分析（結果見表1），顯著相關的有74 對（占69.5%），相關系數(shù)≥0.6的有29 對（占27.6%），表明各子流域年徑流量間相關性較強，以計數(shù)方式統(tǒng)計得到的同旱頻率可能會低估黃河各子流域同旱的概率。

2.3 同旱概率及其變化

已有研究［5］表明，黃河流域徑流量發(fā)生突變的時間為1990 年前后，因此本研究以1990 年為界，把研究期（1956—2016 年）分為1956—1989 年、1990—2016年兩個時段，分析子流域同旱概率的變化。 采用藤Copula 函數(shù)計算的不同時段子流域同旱概率（見表2）表明：不發(fā)生干旱、僅有1 個子流域發(fā)生干旱的概率，1956—2016 年分別為42%、21%，1956—1989 年分別為52%、25%，1990—2016 年分別為24%、17%（較1956—1989 年明顯減?。?；2 個及以上多子流域發(fā)生同旱的概率，1956—2016 年為37%，1956—1989 年為23%，1990—2016 年為59%，1990 年后2 個及以上多子流域同旱的概率明顯增大。

表2 不同時段子流域同旱概率統(tǒng)計

3 結論

1）1956—2016 年黃河各子流域實測年徑流量普遍呈減少趨勢，其中多年平均徑流量較大的洮河、伊洛河等子流域年徑流量減少趨勢顯著。

2）黃河各子流域年徑流量間存在顯著的相關關系，按同旱年數(shù)計算的同旱頻率可能會低估大范圍同旱的概率。

3）2 個及以上多子流域發(fā)生同旱的概率，1956—2016 年為37%，1956—1989 年為23%，1990—2016 年為59%，1990 年后多子流域同旱的概率顯著增大，意味著黃河流域遭受大范圍同旱災害的形勢變得嚴峻。因此，為保障黃河水資源安全和流域可持續(xù)發(fā)展，應合理規(guī)劃和利用河川徑流，加強水資源集約節(jié)約利用，推動南水北調后續(xù)工程建設和發(fā)展，提升流域水安全保障能力。