黃河下游近50年徑流量變化特征及影響因素

潘 彬，韓 美，倪 娟

（1.山東師范大學 地理與環境學院，濟南250014；2.山東城建學院，濟南250014）

黃河下游近50年徑流量變化特征及影響因素

潘 彬1，韓 美1，倪 娟2

（1.山東師范大學 地理與環境學院，濟南250014；2.山東城建學院，濟南250014）

應用Mann-Kendall趨勢性檢驗和突變性檢驗法、雙累積曲線法、GM（1，1）模型等方法，對黃河下游1962—2012年徑流量和降水量的變化特征及規律進行了深入探討，以期對黃河下游水資源調配，防洪減災提供科技支撐。結果表明：降水量減少趨勢不顯著，突變時間為1964年，徑流量減少趨勢顯著，突變時間為1979年。降水量和徑流量變化具有明顯的階段性，降水量以1986年為界，分為豐水期、枯水期兩個階段，徑流量以1979年、1985年為界，分為枯—豐—枯3個階段，黃河目前處于枯水期。采用雙累積曲線法定量分析了降水量和人類活動對徑流量的影響程度。結果表明：突變時刻前，降水量和徑流量同步變化，呈現正相關，突變時刻后，人類活動是影響徑流量變化的主要因素，人類活動和降水量對徑流量的作用比例分別為68%和32%。利用GM（1，1）模型預測了未來5年降水量和徑流量的變化趨勢，表明未來5年降水量和徑流量將會有所增加。

黃河下游；降水量；徑流量；人類活動

河川徑流是十分重要的水資源，徑流量變化直接影響水資源的開發和利用，進而影響人類生產生活活動。聯合國政府間氣候變化專門委員會（IPCC）[1]第4次評估報告指出，在21世紀中葉，全球年平均徑流量在高緯度地區預計將增加10%～40%，中緯度地區的一些干旱地區將降低10%～30%。因此，探究徑流量變化的原因成了各國學者研究的熱點問題，Sajikumar等[2]用SWAT模型研究咯拉拉邦和印度流域徑流量變化，指出森林覆蓋度的減少會使流域徑流量增加。Khadka等[3]對TAMAKOSHI流域的徑流量變化做了分析，結果表明，該流域徑流量的大小主要受季風降水的影響，并且徑流量以每年5.5 m3的速度增加。劉偉等[4]利用渾河流域56 a的逐月降水和徑流資料，研究了渾河流域降水與徑流的變化特征，結果表明，渾河流域徑流量和降水量的相關系數為0.682，二者具有較高的相關性，變化趨勢一致。熱孜燕等[5]利用烏魯木齊河1957—2009年徑流量、氣溫和降水量等數據，探究了烏魯木齊河徑流與氣候變化的對應關系，通過相關性和灰色關聯度分析表明，烏魯木齊河徑流量的變化主要受降水的影響。劉鑫[6]利用大凌河流域7個主要水文站資料研究了大凌河近50 a徑流年內、年際變化規律，指出大凌河7月、8月徑流比例為全年最大，年內分配不均是在20世紀60年代。據此，可以看出影響徑流量變化的主要因素為氣候變化和人類活動兩個方面。

黃河是中國的母親河，孕育出光輝燦爛的文明，其多年平均徑流量占全國的2%，為全國12%的人口提供生活生產用水，但由于近年來氣候變化以及過度開發利用，導致黃河徑流量不斷減少，因此，探究黃河徑流量變化的原因成了我國地理學者研究的熱門話題。李夫星等[7]研究表明，黃河徑流量的變化與東亞夏季風關系密切。李二輝等[8]對黃河上游和中游的徑流量變化進行了分析，表明水利水保工程、生產生活用水等人類活動是引起黃河徑流量減少的主要因素。付永鋒等[9]研究表明，黃河源區徑流量減少是下墊面蒸散發能力增強、下滲量增大和降水量減少共同作用的結果。張翠等[10]研究指出，黃河入海徑流量與氣溫呈顯著的負相關關系，與降水量呈顯著的正相關關系，氣溫與入海徑流量的關系更為密切，以上研究均取得了顯著的成果，但是大多數學者的研究區域主要集中在黃河源區及中上游，而對黃河下游的徑流變化分析較少。本文則以黃河下游花園口、利津水文站作為代表站，研究黃河下游徑流量變化的特征及其規律性，以期對黃河下游水資源調配、防洪減災提供科技支撐，為社會生產實踐服務。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗資料

以黃河下游花園口水文站（113°75′E，34°65′N）、濱州水文站（118°E，37°35′N）、墾利水文站（118°55′E，37°58′N）和利津水文站（118°13′E，37°29′N）為代表站，探究黃河下游近50 a徑流量和降水量的變化特征。其中，花園口是黃河下游的第一個水文站，始建于1938年7月，集水面積為73萬km2。利津水文站是黃河下游最后一個水文控制站，始建于1934年6月，集水面積為75.2萬km2。1962—2012年的徑流量數據來自于《東營市水利志（2002年）》、《東營市統計年鑒》、《山東省統計年鑒》、2001—2013年《黃河泥沙公報》和《黃河水資源公報》以及花園口、利津水文站。1962—2012年降水量數據來源于濱州、利津、墾利水文站以及中國氣象局網站《中國地面氣候資料數據集》。

1.2 方法

1.2.1 Mann-Kendall趨勢檢驗法和突變檢驗法 Mann-Kendall檢驗法[11-12]是一種非參數統計檢驗方法，常用于評估有關氣候要素的時間序列變化，與參數統計檢驗方法相比，此方法不需要樣本遵從一定的分布，也不受少數異常值的干擾，而且計算簡單，是目前較為常用的趨勢診斷方法。本文主要應用此方法對黃河下游徑流量和降水量進行趨勢性和突變性檢驗。

1.2.2 GM（1，1）模型 GM（1，1）模型[13]是將無規律的原始數據進行累加，得到規律性較強的序列后進行建模，由生成模型得到的數據進行累減得到原始數據的預測值，然后再進行預測。本文利用該方法來預測黃河下游利津水文站未來5 a的徑流量和降水量。

1.2.3 雙累積曲線法 雙累積曲線法[14]是檢驗兩個參數間關系一致性及其變化的常用方法。雙累積曲線是在直角坐標系中繪制同期內一個變量的連續累積值與另一個變量連續累積值的關系線，它可用于水文氣象要素一致性的檢驗、缺值的插補或資料校正，以及水文氣象要素的趨勢性變化及其強度分析。本文利用該方法探究黃河下游利津站降水與徑流的定量關系。

2 結果與分析

2.1 降水量、徑流量變化的基本特征

由圖1A可以看出，黃河下游年徑流量的總體變化是呈下降趨勢，表明徑流量在逐年減少，年平均值為315.42億m3。在1997年達到了歷史最低值，為91.28億m3，與黃河在這段時期內多次出現斷流[15-16]有關。在1964年達到最高值905.55億m3，極值比為8.92，可見黃河徑流量在近50 a變化十分劇烈。

由圖1B可以得出，黃河下游年降水量的總體變化趨勢不明顯，僅在均值上下波動，多年平均值為564.09 mm。在1992年達到最低值322.03 mm，1990年達到最大值1 042.70 mm，極值比為2.24，與徑流量的劇烈變化相比，降水量變化相對較為平緩。

圖1 黃河下游近50 a徑流量、降水量變化及5 a滑動平均

從表1可以看出，1962—1966年徑流量的平均值最大，為559.93億 m3，其次是1967—1971年449.70億m3，容易得出，在20世紀60年代徑流量的平均值最大，流量較為豐富。而在1997—2001年，徑流量的平均值最小，為119.48億m3，在1992—1996年，極值比與變差系數分別為0.28，0.11，均為最小值，表明該時期徑流量的變化較小，較為穩定。在降水量變化上，1962—1966年的年降水量為最大，達到了663.64 mm，最小值出現在1977—1981年，其值為60.10 mm，極值比較小，為0.50，變差系數卻最大，為1.27。在1982—1986年，極值比與變差系數同步變化，均為最小值，分別為0.45，0.14。

表1 黃河下游不同年代降水、徑流變化特征

2.2 降水量、徑流量變化的階段性特征

黃河徑流量變化具有明顯的階段性特征，黃河下游徑流量距平累積曲線和徑流量階段性變化特征分別見圖2A和表2，按照曲線連續5 a以上出現相同變化的趨勢，可將黃河下游年徑流量[17]的變化過程分為枯—豐—枯3個階段。第一個枯水期發生的階段在1962—1979年，其徑流量平均值為432.46億m3，變差系數為0.40；第二個枯水期發生的時間開始于1985年，直至目前黃河徑流量的累積距平曲線仍呈下降趨勢，黃河處于枯水階段，年徑流量的平均值為211.98億m3。變差系數為0.33，可見徑流量在1985年以后變化的十分劇烈，特別是1997—1998年黃河多次出現斷流現象；在1980—1985年，黃河處于豐水期，其年徑流量的平均值為429.81億m3，變差系數也較小，為0.22，黃河水量較為豐富。

黃河下游降水量累積距平曲線和降水量階段性特征分別見圖2B和表3。同樣，按照曲線連續5 a以上出現相同變化的趨勢，可將黃河下游降水量分為兩個階段。第一階段是1962—1986年，該階段降水量平均值為563.75 mm，變差系數為0.26；第二階段1987—2012年，該階段降水量平均值為564.42 mm，變差系數為0.30，其變差系數與標準差均大于第一階段，說明第二階段的降水量變化幅度更大，第一階段降水量較為充分、豐富。

2.3 降水量、徑流量變化的趨勢性和突變性特征

采用Mann-Kendall趨勢檢驗法和突變檢驗法對黃河下游1962—2012年降水量、徑流量的時間變化序列進行檢驗分析，結果分別見表4、圖3A和圖3B。

從表4可以看出，降水量的趨勢是在減少，平均值為564.09 mm，標準差為154.90 mm，檢驗統計量｜Zc｜=0.58＜Z0.1=1.28，表明降水量的減少趨勢不顯著；徑流量的趨勢性也是在減少，平均值為315.42億m3，標準差為161.29億 m3，檢驗統計量｜Zc｜=5.25＞Z0.01=2.32，拒絕原假設，即在置信度99%的水平下，徑流量的減少趨勢是顯著的。

圖2 黃河下游徑流量、降水量累積距平曲線

表2 黃河下游徑流量階段性變化特征

表3 黃河下游降水量階段性變化特征

表4 Mann-Kendall趨勢檢驗結果

綜上，降水量和徑流量的變化趨勢均為減少，其中，降水量減少趨勢不顯著，徑流量的減少趨勢顯著。

從圖3A可以看出，UF曲線中的Z統計量從1969年開始變為負值，即表明黃河下游徑流量從此時開始呈下降趨勢。在置信度α=0.05的臨界直線下，兩條曲線均未超出臨界直線，并且在臨界直線之間出現交點，按照Mann-Kendall突變檢驗確定突變時刻的原則，在臨界直線之間兩條曲線的交點即為突變開始的時刻，即發生突變的時間為1979年。據此，可將黃河下游徑流量變化分為前、后兩個時期。從表5可以看出，前期的水量與后期相比較為豐富，徑流總量為7784.24億m3，平均徑流量達到了432.46億m3，同時，變差系數小于后期，說明前期徑流量變化幅度較小。

圖3 黃河下游徑流量、降水量M-K曲線

表5 黃河下游前后期徑流量變化

從圖3B可以看出，UF曲線中Z統計量從1964年開始變為負值，說明黃河下游降水量是從此時開始減少，呈下降趨勢。同時，UF和UB曲線在1963年和1964年均出現交點，表明降水量在這兩年之間變化較大，1963—1964年降水量增加了60%，1964—1965年降水量減少了57.35%。突變開始的時刻為1964年，據此可將黃河下游降水量分為前、后兩個時期。從表6可以看出，前后期變差系數同為0.26，前期降水量的平均值為751.15 mm，大于后期，說明前期降水量較為豐富，降水量的變化程度趨于穩定。

2.4 降水量和人類活動對徑流量的影響及作用比例

影響徑流量的因素有很多，大致可分為自然因素和人為因素兩大類[18-19]。自然因素包括降水量、下墊面的性質、植被覆蓋度和氣候條件等，其中降水是徑流形成的主要條件，降水的變化直接影響徑流量的多少。人為因素則包括大型水利水保工程、工農業用水、土地利用類型變化等。因此，降水量和人類活動是影響徑流量變化的主要因素。

表6 黃河下游前后期降水量變化

從圖4中可以看出，黃河下游累積降水量和累積徑流量在1979年出現拐點，表現出兩個階段性特征。在1979年之前，累積降水量和累積徑流量呈顯著的線性關系。表明二者同步變化，在天然情況下，降水量與徑流量的變化是正相關的，說明這一時期內的徑流量并未受到人類的過度干擾。

圖4 黃河下游降水量-徑流量雙累積曲線

為了進一步研究降水量和人類活動對徑流量的影響大小，利用“水文法”中的經驗公式法建立突變年份前的累積降水量和累積徑流量的一元線性回歸方程：

式中：R為徑流量；P為降水量。

公式（1）R2為0.979 5，表明擬合優度較好，可用于評估降水量和人類活動對徑流量的影響強度。利用公式（1）及逐年累積降水量，可計算出突變年后逐年累積徑流量，再通過差分得到逐年徑流量，其值相當于天然降水量形成的徑流量，將突變年份前的徑流量作為背景值，計算不同時段的實測徑流量和理論徑流量，不同時段理論值和實測值的差值即為人類活動對徑流量的影響量，不同時段理論值和背景值的差值即為降水量對徑流量的影響量。計算結果見表7。從表7可以看出，黃河下游徑流量的確有減少的趨勢，特別是1993—2002年的平均徑流量僅占1962—1979年的38%，平均實測徑流量減少了365.79億m3。不同時段降水和人類活動對徑流量的影響程度也不同，1980—1992年降水對徑流的影響比例較大，占到了84%，而在1992年以后，人類活動對徑流量的影響占據絕對主導地位，2003—2012年人類活動對徑流的影響比例甚至達到90%，這與人們在這一時期興修水利，大量引用黃河水有關[20]，自從1986年10月—1989年11月龍羊峽水庫投入使用，并與劉家峽水庫聯合運用，年平均蓄水量為50億m3，這期間只蓄不瀉，導致黃河徑流量出現較大轉折，并且，1985年后，年平均引用黃河水量為327億m3，水土保持措施也導致徑流量每年減少35億m3[21]。

表7 降水與人類活動對黃河下游徑流量的影響 億m3

2.5 降水量、徑流量的分析與預測

利用2007—2012年黃河下游花園口、利津站的徑流、降水數據，分別建立GM（1，1）模型來分析和預測黃河下游2020年前的降水、徑流情況。

徑流量 GM（1，1）模型如下：

式中：R為徑流量。經檢驗該模型平均相對誤差為0.000 4小于0.1，精度等級為“一級”，均方差比為0.38，精度等級為“二級”，綜上，該模型等級為“合格”。同時，根據灰色系統理論，當發展系數a∈（-1，2）且a≥-0.3時，則所建GM（1，1）模型則可用于中長期預測。本模型發展系數a=-0.087 95，所以可用于徑流量的分析和預測。計算結果如表8所示：未來5 a黃河下游的流量較為豐富，平均值達到了429.65億m3，每1年的徑流量都有所增加，說明現階段黃河雖處于枯水期，但其下游的徑流量會緩慢增加，流量較為充足。

降水量GM（1，1）如下：

式中：P為降水量。經檢驗該模型平均相對誤差為0.000 7小于0.1，精度等級為“一級”，均方差比為0.491 9，精度等級為“二級”，綜上，該模型等級為“合格”。同時，該模型發展系數a=-0.017 955 991，可用于降水量的分析和預測。從表8能夠看出，降水量在未來5 a會呈緩慢上升趨勢，其理論值均大于1962—2012年的均值。

表8 黃河下游2015-2020年降水量、徑流量預測情況

3 結論

（1）黃河下游徑流量的變化具有明顯減少的趨勢，并且減少趨勢顯著，徑流量從1969年開始逐漸減少。徑流量還具有明顯的階段性特征，分3個階段。第一階段是1962—1979年的枯水期，第二階段是1979—1985的豐水期，第三階段是1986—2012年的枯水期，而且黃河目前仍處于枯水期。同時，利用Mann-Kendall突變檢驗得出，黃河下游徑流量發生突變的時間是1979年。

（2）黃河下游降水量的變化具有減少的趨勢，但是減少趨勢不顯著，降水量從1964年開始減少。降水量可分為兩個階段。第一階段是1962—1986年的豐水期，第二階段是1987—2012年的枯水期。同時，利用Mann-Kendall突變檢驗得出，黃河下游降水量發生突變的時間是1964年。

（3）黃河下游降水量與徑流量在突變時刻即1979年以前，同步變化，呈現正相關關系，降水量是影響徑流量變化的主要因素。突變時刻后，人類活動對徑流量的影響程度逐漸增加，成為影響徑流量變化的主要因素，同時，人類活動和降水量對徑流量的影響程度分別為68%和32%，人類活動的影響占主導地位。

本文分析了黃河下游近50 a降水量、徑流量變化的基本特征、階段性特征等，定量分析了人類活動和天然降水量對徑流的影響程度，但是并未考慮溫度、蒸發量、土地利用變化等方面的影響。

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Characteristics and Influence Factors of Runoff Variation in the Lower Reaches of the Yellow River in the Last 50 Years

PAN Bin1，HAN Mei1，NI Juan2
（1.School of geography and environment，Shandong Normal University，Ji′nan250014，China；2.Shandong Urban Construction Vocational College，Ji′nan250014，China）

In order to provide scientific support for the development of water resources allocation and flood control in the lower reaches of Yellow River，the characteristics and patterns of the precipitation and runoff had been discussed.The results showed that the decrease of precipitation was not significant，and the year of abrupt change was 1964 while the runoff decreased significantly，and the year of abrupt change was 1979.The changes of precipitation and runoff have obvious stage.The precipitation can be divided into two stages as the boundary of 1986，the abundant water period and the low water period.The runoff can be divided into dry-wet-dry three stages as the boundary of 1979，1985，respectively；the Yellow River is still in the dry season，too.The effects of precipitation and human activities on runoff were quantitatively analyzed by using double cumulative curve method.The results showed that the changes of precipitation and runoff were synchronized with the change of time.The impacts of human activities and precipitation on the runoff are 68%and 32%，respectively，and the human activity is the key factor affecting the runoff in the lower reaches of Yellow River.Finally，the precipitation and runoff change trend of the lower reaches of Yellow River has been analyzed and predicted in the next five years by using the GM （1，1）model.The results show that the precipitation and runoff will slowly increase in the next five years.

the lower reaches of Yellow River；precipitation；runoff；human activity；

P333.3

A

1005-3409（2017）01-0122-06

2015-12-06

2016-03-18

國家自然科學基金面上項目（41371517）；山東省科技計劃（2013GSF11706）

潘彬（1991—），男，陜西安康人，碩士研究生，研究方向為環境演變與區域可持續發展。E-mail：849599377＠qq.com

韓美（1963—），女，山東壽光人，教授，博士生導師，主要從事環境演變與可持續發展和流域水資源與濕地生態評價研究。E-mail：hanmei568568＠126.com