河南省主要流域徑流量變化及其對降水變化的響應

栗士棋，劉 穎，杜付然，李柯星，程芳芳，王國慶

(1.鄭州大學水利科學與工程學院，鄭州 450001；2.水利部應對氣候變化研究中心，南京 210029；3.南京水利科學研究院，南京 210029; 4.河南省水文水資源局，鄭州 450003；5.鄭州市氣象局，鄭州 450048)

IPCC第五次報告表明[1]，近130年全球平均氣溫升高0.85 ℃，20世紀90年代為工業革命以來最熱的10年，氣候變暖已經成為全球最重要的環境問題之一。全球升溫背景下，河川徑流作為區域生態環境和支撐社會經濟的重要因素，其時空分布發生改變，直接影響水資源管理實踐，進而威脅區域和國家水安全[2]。相關研究表明[3-4]，近60年(1956—2018年)除長江流域之外，中國其余的6條主要江河實測徑流量均呈下降趨勢。其中，海河流域減少幅度最大[5]，與1980年前相比減少約為85%；黃河支流徑流深自1970年后顯著減少，頭道拐—龍門區間徑流占比由2000年以前的31.0%下降為23.5%[6]。全國河川徑流不同程度的下降，對區域工農業發展、流域生態保護與高質量發展乃至社會經濟穩定發展提出嚴峻挑戰[7-8]。在此基礎上，王國慶[9]、張利茹[10]、盧明龍[11]、涂鋼[12]、梁鈺[13]等分別選取我國六大流域中的單個典型流域，具體分析了降水—徑流的響應變化關系。區域內主要流域徑流演變規律及其與環境要素關系的研究對我國水資源開發利用具有重要意義[14-16]。

河南省是中國重要的糧食基地，地處暖溫帶—亞熱帶過渡區，水資源嚴重匱乏，人均水資源量376 m3，約占全國水平的5.8%。省內海河、黃河、長江、淮河四大流域交匯，分別占據省內面積的9.3%、21.8%、16.8%、52.1%。分析環境變化下河南省主要流域徑流量變化及其對環境要素的響應，對河南省水資源管理者科學應對全球升溫，深入認識人類活動對區域水文影響等方面具有積極意義[17]。本文以河南省四大主要流域為研究對象，系統分析了40年來氣溫、降水及實測徑流量的變化趨勢，以此為基礎，進一步研究了氣候變化背景下河南省河川徑流變化與降水變化的響應關系。

1 資料與方法

1.1 基本資料

考慮水文站控制面積及數據序列長度等因素，在河南省海河區、黃河區、長江區、淮河區選取6個水文站(圖1)，在全省范圍內及其周邊選取179個氣象站點，收集整理了1973-2016年實測氣溫、降水及徑流量資料。

圖1 河南省主要流域河流水系及重點水文站地理位置分布

1.2 研究方法

采用線性回歸法與Mann-Kendall非參數趨勢檢驗法，對區域水文趨勢變化進行判別并檢驗其顯著性。線性回歸法可以較為直觀地看出時間序列是否具有遞增或遞減的趨勢，其方程斜率可以表征時間序列的平均趨勢變化情況[18]。Mann-Kendall(簡稱M-K)方法中變量可以不遵從正態分布，對于某一時間序列，能夠區分其是自然波動還是存在確定變化趨勢。通過數據序列本身及其次序構造統計量M-K秩次相關系數。首先假定序列無趨勢，當統計量M-K值介于給定顯著水平α(一般取0.05)的臨界值±1.96之間時，接受原假設，表明趨勢不顯著；反之，拒絕原假設，則趨勢顯著。目前，該方法被廣泛應用于水文、氣象序列的變化趨勢檢測中[19-22]。

當水文序列出現持續性變異后，可將變異前后的序列視為不同類群[23]，這種變異一般是由人為或自然原因引起的。目前，有序聚類法推求變異點較為常用，其基本原理是同類之間的離差平方和較小，不同類之間的離差平方和較大，其實質是尋找最優分割點。首先假定系列變異點，計算變異點前后不同系列離差平方和，以離差平方和最小為目標函數，推求最優變異點[24-25]。

2 結果與討論

2.1 河南省1973-2016年氣溫、降水演變

降水是徑流的主要來源。全球氣溫的普遍升高，直接影響降水的時空分布及數量，進而影響區域水文循環，因而氣溫變化分析對正確把握降水徑流關系至關重要。本文采用Mann-Kendall法和線性回歸法，對河南省年平均氣溫、年降水量演變趨勢進行分析。圖2為河南省1973-2016年年平均氣溫和年降水量線性變化趨勢空間分布。圖3為1973-2016年河南省海河區、黃河區、長江區、淮河區年平均年降水量演變。

圖2 河南省1973-2016年年均氣溫(a)、降水(b)線性變化率

圖3 河南省1973-2016年四大流域區降水量年際變化

河南省1973-2016年氣溫平均線性變化率為0.31 ℃/a，四大主要流域氣溫變化趨勢一致，呈升高態勢，多數站點每年升溫幅度為0.2～0.7 ℃，只有少數站點升溫低于0.2 ℃。線性回歸和M-K分析結果表明：①從年際變化來看，河南省年均氣溫呈波動升高態勢，20世紀80年代中期氣溫偏低，進入90年代氣溫以偏高為主；M-K檢測值為5.1，超過5%顯著性水平。②海河區升溫幅度較大，多數站點升溫幅度介于0.2～0.7 ℃/a，且不存在升溫低于0.2 ℃/a的站點；M-K檢測值為5.2，超過5%顯著性水平。③黃河區站點升溫幅度主要介于0.2～0.4 ℃/a，上游升溫幅度較高；M-K檢測值為5.03，超過0.05的顯著性水平檢驗。④長江區站點升溫幅度適中，每年升溫幅度介于0.2～0.4 ℃/a，僅有一個站點升溫幅度大于0.4 ℃/a；M-K檢測值為4.62，超過0.05的顯著性水平檢驗。⑤淮河區各站升溫差異較大，西部站點升溫幅度較小，北部站點升溫幅度較大；M-K檢測值為5.12，超過0.05的顯著性水平檢驗。

河南省1973-2016年降水平均線性變化率為0.35 mm/a。四大流域中，海河區、黃河區、長江區年降水量呈下降趨勢，其年降水線性變化率分別為-0.11 mm/a、-0.2 mm/a、-0.61 mm/a；淮河區年降水量有增加趨勢，線性變化率為0.862 mm/a。線性回歸和M-K分析結果表明：①河南省年平均降水量呈自然波動—增加—減少態勢，20世紀末21世紀初降水量較大，近5年略有回升；M-K檢測值為0.132，上升趨勢不顯著。②海河區年降水量呈自然波動—增加—減少態勢，20世紀80年代中期到21世紀初偏多偏少年交替出現，近5年降水量略有回升；降水集中在東南部；M-K檢測值為-0.11，年降水量呈不顯著下降趨勢。③黃河區降水量以自然波動為主，80年代后呈緩慢減少態勢，在90年代末降水豐枯年交替出現；下游降水量大于上游的；M-K檢測值為-0.33，下降趨勢不顯著。④長江區年降水量總體表現為偏多偏少年交替出現；除東北部降水略有增加，流域內大部站點降水呈下降趨勢；M-K檢測值為-0.56，下降趨勢不顯著。⑤淮河區年降水量呈五階段波動(減少—增加—減少—增加—減少)態勢，兩次增加分別發生在20世紀80年代中期和21世紀初；流域內自北向南站點年降水呈減少—增加—減少趨勢；M-K檢測值為0.314，上升趨勢不顯著。

2.2 四大流域重點水文站1973-2016年實測徑流量演變

河川徑流是水資源的重要形式。近幾十年，我國社會經濟高速發展，隨著水利工程的興建、農業灌溉及土地利用等人類活動導致的區域水資源開發利用及下墊面條件的改變，對河川徑流產生了影響。表1給出了河南省四大流域重點水文站1973-2016年實測徑流量變化趨勢分析結果。

由表1可知：①海河區安陽水文站年徑流量呈減少趨勢，年徑流量線性遞減率為-6.59 m3/(s·a)；M-K檢測值為-3.99，通過95%顯著性檢驗，下降趨勢顯著。②黃河區黑石關水文站年徑流量呈減少趨勢，年徑流線性遞減率為-0.74 m3/(s·a)；M-K檢測值為-1.85，下降趨勢不顯著。③長江區唐河水文站年徑流量呈減少趨勢，年徑流量線性遞減率為-17.62 m3/(s·a)；M-K檢測值為-2.66，超過0.05的顯著性水平檢驗，下降趨勢顯著。④淮河區周口、班臺、息縣3代表站年徑流量均呈減少趨勢，周口、班臺、息縣3站年徑流量線性遞減率分別為-17.26 m3/(s·a)、-12.21 m3/(s·a)、-22.21 m3/(s·a)；M-K檢測值分別為-0.79、-0.86、-0.9，下降趨勢不顯著。⑤總體來看，近40年河南省河川徑流呈下降趨勢，海河區、長江區實測徑流量下降較為明顯。

表1 河南省四大流域重點水文站年實測徑流量變化趨勢

圖4給出6水文站1973-2016年徑流序列變化。由圖4可以看出：①海河區在20世紀60-70年代屬徑流豐水期，年平均徑流流量最高達到697.4 m3/s，80-90年代徑流呈現持續遞減態勢，2000年后流域徑流有小幅度回升。②黃河區徑流在研究期內呈持續性緩慢遞減態勢，有較大的徑流年代際波動，最大徑流量為3614 m3/s(1964年)，約為最小徑流量210.23 m3/s(1995年)的17.2倍。③長江區徑流在2010年前呈現自然波動狀態，2010年后徑流量呈現快速遞減趨勢，徑流年代際波動幅度較大，最大徑流量為2667.9 m3/s出現在1975年，最小徑流量為92.6 m3/s出現在2016年。④綜合息縣、周口、班臺3站徑流序列演變可知，淮河區在20世紀60-70年代屬流域豐水期，徑流呈自然波動態勢，總體來看，流域徑流量呈小幅度變化。

圖4 河南省各代表站1973-2016年年平均徑流年際變化

2.3 徑流變化的階段性及其與降水的響應關系

采用有序聚類分析的方法，對各水文站年徑流序列變化的階段性進行分析(表2)。圖5給出了安陽站和黑石關站1973-2016年實測徑流量離差平方和的時序變化過程。由圖5可知，安陽站實測離差平方和為單谷底變化過程，在1978年進入谷底；黑石關站實測離差平方和總體呈現寬谷底變化過程，在1986年前后進入谷底，在1990年實測徑流離差平方和達到最低點。

表2 徑流序列突變點診斷結果

圖5 安陽站(a)黑石關站(b)1973-2016年實測徑流量離差平方和變化

由表2可以看出：①海河區安陽站以1978年為界，可將整個徑流量序列劃分為2個明顯的時段，分別為第一階段1973-1977年，第二階段1978-2016年。②黃河區黑石關站實測徑流量變化以1986年和1990年為分界年份可劃分為3個階段，第一階段1973-1985年，第二階段1986-1989年，第三階段1990-2016年。③長江區唐河站實測徑流量以2011年為界，可以劃分為2個階段，第一階段為1973-2010年，第二階段為2011-2016年。④淮河區周口站以1986年和2013年為界，可將整個徑流量序列劃分為1973-1985年、1986-2012年、2013-2016年三個階段。班臺站以2009年為界，可將實測徑流量變化劃分為1973-2008年、2009-2016年兩個階段。息縣站實測徑流量變化以2009年為分界年份，可劃分為2個階段，第一階段1973-2008年，第二階段2009-2016年。

在上述徑流量變化三個階段中，選取第一階段為前期，后兩個階段為后期，點繪6個流域代表站不同階段實測年徑流量與年降水量之間的散點圖(圖6)。由圖6可看出：①各流域降水徑流呈正相關關系，然而位于河南淮河區的典型流域降水徑流相關性明顯高于其他流域的相關性，降水對徑流具有較為明顯的影響。②對不同階段來說，降水徑流關系存在差異，第一階段降雨徑流關系點群大多位于其他階段之上，說明在降水相同的條件下，第一階段的流域產流量大于后面的其他階段的產流量。③從6個典型流域代表站來看，黃河流域黑石關站、海河流域安陽站、長江流域唐河站不同階段降水徑流關系差異較大，而淮河流域的3個站點在不同階段的降水徑流關系點群相對集中，降水徑流關系變化相對較小。

圖6 河南省主要流域不同階段降水徑流關系

在流域自然環境較為穩定的情況下，降水徑流關系不會發生較大變化；隨著經濟社會的快速增加，大規模的水利工程修建及工農業用水量的增加，均對河川徑流產生直接的影響[5,7]。因此，降水徑流關系的改變，在一定程度上反映了流域內人類活動的影響[18,19]。結合上述分析，可以初步判斷，人類活動對黃河黑石關站、海河安陽站、長江唐河站徑流影響較大，而對淮河的3個站點徑流影響相對較小；此外，由多數流域降水徑流關系點群發現，在降水較大的情況下，前期與后期點群距離較大，說明隨著降水量的增多，人類活動對河川徑流量的影響可能更大。

3 結 論

(1)河南省1973-2016年氣溫呈顯著升高態勢，氣溫平均線性變化率為0.31 ℃/a，四大流域中，升溫幅度由高到低依次為海河區、淮河區、黃河區、長江區。全省降水呈非顯著性變化趨勢，四大流域中，海河區、黃河區、長江區降水減少，淮河區降水呈增加趨勢。

(2)河南省6個代表性水文站實測徑流量均呈減少態勢，其中海河區安陽站、長江區唐河站實測徑流量減少趨勢顯著，其余4個水文站實測徑流量為非顯著性減少趨勢。

(3)6個水文代表站中，黑石關站、安陽站、唐河站不同階段降水徑流關系差異較大，淮河流域3個水文站降水徑流關系變化相對較小；隨著降水量的增多，人類活動對河川徑流量的影響可能更大。