黃河干流徑流量和輸沙量階段性分析

何 毅

(西北農林科技大學資源環境學院，陜西 楊陵 712100)

黃河干流徑流量和輸沙量階段性分析

何 毅

(西北農林科技大學資源環境學院，陜西 楊陵 712100)

階段性是描述河流水沙豐枯變化持續長度的主要特征。利用“中國河流泥沙公報”數據，運用Mann－Kendall方法(簡稱M－K檢驗方法)、距平累積曲線法和以自然年代為階段分析黃河干流徑流量和輸沙量的變化，探討黃河干流水沙變化的階段性。數據系列至2008年，大多數數據長達50多年。結果表明:近50多年來，黃河干流徑流量和輸沙量均具有逐年代顯著減少的變化趨勢;M－K檢驗表明，徑流量突變點唐乃亥站出現在1994年，蘭州、頭道拐、龍門、潼關站徑流量突變點均在1990年，花園口和高村站徑流量突變點在1986年;利用距平累積曲線分析黃河干流徑流量和輸沙量同步變化可以分為豐水豐沙期、豐水枯沙期、枯水枯沙期和枯水豐沙期等4個時期。

徑流;輸沙;階段;黃河

河川徑流及輸沙量變化存在一定的周期性和階段性特征，隨著全球氣候變化和人類活動綜合影響的加劇，河川徑流和輸沙量發生了顯著的時空變化，直接影響了流域水資源的合理配置、開發與利用。王飛等［1～2］分析了近四百余年來黃河三門峽站天然徑流量，認為在不同的最小控制時段約束下能充分認識黃河天然徑流量的不同階段特征。丁永健等［3］運用距平累計曲線分析了我國西部地區近50年徑流量時間變化及其空間差異。穆興民等［4］利用黃河陜縣站天然徑流量資料，分析了1919～1997年黃河天然徑流量年際變化的階段性、周期性及其未來變化趨勢。本研究擬采用以自然年代分段、距平累積曲線、Mann－Kendall檢驗等方法，對黃河干流近50多年來的徑流量和輸沙量進行變化趨勢、階段性劃分、突變性等變化特征研究，為更好了解黃河干流水沙狀況的階段性提供參考依據。

1 數據與方法

本文選用《中國河流泥沙公報》黃河干流9個水文控制站的徑流量和年輸沙量數據。其中，蘭州、頭道拐、龍門、花園口站徑流量和年輸沙量時間序列為:1950～2008年;艾山、高村、利津、潼關站徑流量和年輸沙量時間序列為:1952～2008年;唐乃亥站徑流量時間序列為:1956～2008年、輸沙量時間序列為:1956～2008年。

式中:LPi為第 i年的距平累積值，Xi為第 i年的水文要素值為某水文要素的多年平均值。

根據距平有正有負的特點，當距平累積持續增大時，表明該時段內水文要素值大于平均值;當距平累積持續不變表明該時段水文要素值等于平均值;當距平累積持續減小時，表明時段內水文要素值小于平均值。據此，可以較其他方法更能直觀而準確地確定水文要素變化的階段性［4］。本研究數據分析計算利用 EXCEL 2003軟件，水沙序列突變點分析采用 DPS 7.05軟件進行。

2 結果與分析

2.1 自然年代(以10年為界)分段

黃河干流各站徑流量(表略)，與多年均值相比，60年代以前，除唐乃亥站較偏枯外，其余各站都偏豐或正常;60年代，從上游到下游，都普遍偏豐;70年代，除頭道拐和龍門站外，其余各站基本上趨于正常;80年代，艾山站趨于平水，利津站偏枯，其余各站都偏豐;90年代，上游至下游則都偏枯，其中唐乃亥站偏少幅度最小，為11.5%，有沿程向下游偏少幅度逐漸加大趨勢，利津站偏少幅度最大，達到了54%;21世紀以來，自上游至下游，都普遍偏枯?？偟膩碚f近50多年來，黃河干流徑流量逐年代呈現出階梯狀下降，其中利津站下降趨勢最為明顯，21世紀以來徑流量比1960年以前減少了70%，唐乃亥站徑流量減小幅度最小，21世紀以來徑流量比1960年以前減少了12.5%。

黃河干流各站年輸沙量，與多年均值相比，60年代以前，除唐乃亥站年輸沙量偏少外，其余各站均偏多在44.4% ～92.9%之間變化;60年代，與上一時段相似，仍是除唐乃亥站年輸沙量偏少外，其余各站均偏多在20.1% ～72.5%之間變化;70年代，除蘭州站年輸沙量偏少外，其余各站在1% ～33.3%之間變化，輸沙量基本上趨于正?；蛏晕⑵?80年代，除唐乃亥站年輸沙量偏多外，其余各站均偏少在7.6% ～36.1%之間變化;90年代，黃河上游至下游各站年輸沙量則都偏少，其中唐乃亥站偏少幅度最小，為9.8%，頭道拐站偏少幅度最大，達到了61.2%;21世紀以來，從上游到下游，年輸沙量減少幅度在40.3% ～88%之間變化，具有明顯的下降趨勢。近50多年來，黃河干流輸沙量呈逐年代下降趨勢，其中花園口站下降趨勢最為明顯，21世紀以來輸沙量比1960年以前減少了93%，唐乃亥站輸沙量減小的幅度最小，21世紀以來輸沙量與1960年以前基本持平。

總體上近50多年以來，除60年代和80年代黃河干流的徑流量較常年略偏多外，整個黃河干流的徑流和輸沙量總體上均呈現逐年代遞減的趨勢。進入21世紀以來，黃河干流徑流量和輸沙量分別較多年平均偏少36.3%和78%，是徑流量和輸沙量最少的一個時期。

2.2 Mann－Kendall方法分段

對黃河干流9個水文控制站的徑流量和輸沙量進行變點分析(僅列出唐乃亥和花園口站，其他站點圖略)。

圖1 黃河干流水文站M－K法檢驗曲線

注:Sl為輸沙量，其均值單位為:億t;R為徑流量

在95%信度水平下，艾山站和利津站徑流量突變點不顯著。由表1可看出，以1994年作為時序分割點，唐乃亥站徑流量原始系列被分為1950～1974年和1975～2008年兩部分，分別計算該系列徑流統計特性，變點前后時間序列比較可知，唐乃亥站徑流量均值減少了20%，變差系數增加了1%;同樣以1990年作為時序分割點，蘭州、頭道拐、龍門以及潼關站徑流量原序列均可被分前后兩部分，變點后時間序列部分與變點前進行比較，這四個站的徑流量均值減少了22% ～43%，變差系數減少了31% ～40%;以1986年作為時序分割點，花園口站和高村站徑流量原序列被分為前后兩部分，變點后時間序列部分與變點前進行比較，這兩個站的徑流量均值減少了43%～48%，變差系數減少了10% ～11%。另外，通過對年輸沙量存在突變點的蘭州和頭道拐站進行計算，并對變點后時間序列部分與變點前進行比較，這兩站的年輸沙量均值減少了58%～67%。

年徑流量的變差系數Cv值的大小反映出年平均徑流量相對于多年平均徑流量的離散程度，當 Cv=0時，說明年平均徑流量的取值都等于多年平均徑流量，Cv越大，說明年平均徑流量相對于多年平均徑流量越離散。由以上計算結果可以看出，黃河干流各站年徑流量的變差系數 Cv值在0.124～0.331之間。

由此可知，黃河干流各站徑流量和輸沙量在突變點后均明顯減少，年徑流量的年際變化較大，突變點前后階段性明顯。

2.3 距平累積曲線法分段

由圖2可以看出(僅列出唐乃亥站和頭道拐站，其他站點圖略)，在研究時段內，黃河干流各站徑流量和輸沙量均呈現出明顯的階段性變化，黃河干流各站徑流量和年輸沙量距平累積值均存在波動，但二者波動并不同步，且變化較復雜。根據距平累計曲線，分析黃河干流水沙同步變化，可把黃河干流各站的徑流量和輸沙量變化劃分為:豐水豐沙期、豐水枯沙期、枯水枯沙期以及枯水豐沙期。

圖2 黃河干流徑流和輸沙量距平累計曲線

分析結果表明，對唐乃亥站1962～1967年、1974～1976年、1980～1984年三個階段為豐水豐沙期，這時期內，河道內多水多沙;1956～1961年、1968～1973年、1989～1990年、1994～2008年四個時段內，河道內少水少沙，是枯水枯沙期;1985～1988年這個時段內河道內水少沙多，是枯水豐沙期。同理分析，對蘭州站1964～1968年為豐水豐沙期，1961～1963年和1980～1985年是豐水枯沙期，1969～1973年和1986～2008年這兩時段內是枯水枯沙期。對頭道拐站1950～1954年、1958～1967年和1974～1985年為豐水豐沙期，1955～1957年、1968～1973年和1986～2008年這三個時段內是枯水枯沙期。對龍門站1950～1953年、1957～1959年、1964～1968年和1977～1979年四個階段為豐水豐沙期，1973～1976年和1980～1985年這兩個時段內是豐水枯沙期，1986～2008年是枯水枯沙期，1969～1972年是枯水豐沙期。對潼關站1952～1959年和1964～1968年為豐水豐沙期，1982～1985年是豐水枯沙期，1986～2008年這個時段內是枯水枯沙期，1969～1973年是枯水豐沙期。對花園口站1950～1958年和1964～1968年為豐水豐沙期，1959～1963年和1980～1985年是豐水枯沙期，1986～2008年是枯水枯沙期，1968～1974年是枯水豐沙期。對高村站1952～1959年和1964～1968年為豐水豐沙期，1985～2008年是枯水枯沙期，1969～1974年是枯水豐沙期。對艾山站1952～1959年和1964～1968年為豐水豐沙期，1986～2008年是枯水枯沙期，1969～1973年是枯水豐沙期。對利津站1950～1968年和1982～1985年為豐水豐沙期，1974～1976年是豐水枯沙期;1986～2008年是枯水枯沙期，1969～1973年和 1977～1981年這兩時段內是枯水豐沙期。

總體來說黃河干流在1960年代以前，除了上游的唐乃亥和蘭州站，其余各站均為豐水豐沙期，徑流量和年輸沙量距平累積曲線均呈上升趨勢，多水多沙;黃河干流上游從唐乃亥站至頭道拐站，基本在1969～1973年附近為枯水豐沙期，徑流量距平累積曲線呈下降趨勢，而年輸沙量距平累積曲線呈上升趨勢，少水多沙;而在1986～2008年附近，整個黃河干流為枯水枯沙期，徑流量和年輸沙量距平累積曲線均呈下降趨勢，黃河少水少沙。黃河干流徑流量和輸沙量在不同時期具有不同的變化特征，階段性明顯。

3 結論與討論

本研究利用不同方法對黃河干流徑流量和輸沙量的階段性進行劃分，得到以下結論:

(1)近50多年來，黃河干流徑流量和輸沙量均具有逐年代顯著減少的變化趨勢。其中，黃河干流徑流量逐年代呈現出階梯狀下降趨勢。

(2)采用M－K檢驗方法對黃河干流各站年徑流量和輸沙量水沙系列進行突變點分析，得到唐乃亥站徑流量突變點在1994年;蘭州、頭道拐、龍門、潼關站徑流量突變點均出現在1990年;花園口和高村站徑流量突變點在1986年;蘭州和頭道拐站的年輸沙量突變點分別為1974年和1984年，其他水文站的輸沙量突變點不顯著。突變點后徑流量和輸沙量均顯著減少，階段性明顯。

(3)近50多年來，黃河干流徑流量和輸沙量同步變化可以分為豐水豐沙期、豐水枯沙期、枯水枯沙期、枯水豐沙期等4個階段。

基于以上結論，目前河流水沙變化研究的分段主要以自然時間為主［11－13］，但是氣象水文要素自身并不一定存在規律性，例如唐乃亥站，在 1960～1970年，徑流量和輸沙量均出現3次升降變化，而徑流量在1994年前后才出現明顯的轉折點，如果把這些變化幅度很大年份前后的數值平均，必然會導致階段性差異的減小，從而導致水沙變化分析主觀性過強;利用M～K檢驗方法進行水沙變化階段劃分，可以有效的找出突變點進而劃分階段，但是不利于階段的具體細分。而根據徑流量和輸沙量距平累計值進行河流水沙變化階段劃分，可以直觀顯示出徑流和泥沙變化的相對持續性，從而更直觀明確的表現相應時段的氣象水文特征。

［1］王飛，穆興民，焦菊英，等.不同最小控制時段約束下黃河天然徑流量變化階段性［J］.水土保持學報，2009，23(3):34～37.

［2］王飛，穆興民，焦菊英，等.基于含沙量分段的人類活動對延河水沙變化的影響分析［J］.泥沙研究，2007，(4):8 ～13.

［3］丁永建，葉柏生，韓添丁，等.過去50年中國西部氣候和徑流變化的區域差異［J］.中國科學(D輯):地球科學，2007，37(2):206～214.

［4］穆興民，李靖，王飛，等.黃河天然徑流量年際變化過程分析［J］.干旱區資源與環境，2003，17(2):1 ～5.

［5］Helsel D R，Hirsch RM. Statistical Methods in Water Resources［M］. U S Geological Survey，2002，323.

［6］Frei C，Schar C.Detection probability of trend in rare events:Theory and application to heavy precipitation in the Alpine region［J］. Journal of Climate，2001，14:1568.

［7］Burn D H，Burn M A，Hag E. Detection of hydrologic trends and variability［J］. Journal of Hydrology ，2002 ，255(1 ～ 4):107.

［8］陳亞寧，徐宗學.全球氣候變化對新疆塔里木河流域水資源的可能性影響［J］.中國科學(D 輯)，2004 ，34(11):1047.

［9］Mann HB. Non ～ parametric tests again trend［J］.Econometrica.1945，(13):245 ～259.

［10］Kendall MG. Rank correlation measures［M］.Charles Griffin.London.1975.

［11］徐學選，穆興民，王煒.基于水土保持的延河流域治理水文響應模型［J］.中國水土保持科學，2003，(1):20 ～24.

［12］段喜明，吳普特，陳曉兵，等.水土保持和氣候波動對三川河水沙變化的影響［J］.人民黃河，2006 ，28(5):53～55.

［13］王國慶，張建云，賀瑞敏.環境變化對黃河中游汾河徑流情勢的影響研究［J］.水科學進展，2006，17(6):853～858.

Stage Analysis of Runoff and Annual Sediment of Main Stream of the Yellow River

HE Yi
(College of Resources and Environment，Northwest A ＆ F University，Yangling712100，Shannxi)

The stage is an important character to describe runoff and sediment change in the river during long period.The variation of runoff and sediment in main stream of the Yellow River are analyzed by using Mann－Kendall method，accumulation deviation method on basis of the latest 50 years data published in the China Gazette of River Sedimentation.The results showed that runoff and annual sediment of Main Stream of the Yellow River were dropping obviously over the past 50 years;The Mann－Kendall test indicated catastrophe point of runoff in Tang Nai Hai station was 1994，catastrophe point of runoff in Lan Zhou，Tou Dao Guai，Long Men and Tong Guan station was 1990，and catastrophe point of runoff in Hua Yuan Kou and Gao Chun station was 1986.The runoff and sediment in main stream of the Yellow River had similar change trend which could be divided four obvious periods according to analysis of accumulation deviation method.

Runoff;sediment transporting;stage and the Yellow River

P641.1

A

1004－1184(2011)06－0142－03

2011－08－29

何毅(1985－)，男，廣西梧州人，在讀碩士研究生，主攻方向:GIS應用。