1998年以来黄河干流水资源量变化特征分析

刘秀 刘永和 赵建民 赵亚迪 李建林

摘要：采用Mann-Kendall法、距平累计法、变差系数法和Sen's斜率估测法分析了1998-2015年黄河流域水资源量变化趋势，结果表明：1998-2015年，黄河水资源量整体上比20世纪末的干旱时期有所增大，且具有空间差异性;干流5个主要水文站中的年均天然河川径流量和水资源总量除兰州站小于1956-2000年的而大于1987-2000年的外，头道拐站、龙门站、三门峡站、花园口站均小于1956-2000年的和1987-2000年的，但与1987-2000年的差异不显著;1998年以来，5站天然径流量、实测径流量、水资源总量都呈现增大趋势，且实测径流量除龙门站外都通过了99%的显著性检验。黄河流域与地表水不重复计算量的地下水资源量主要集中在中下游的河谷平原，1998-2015年呈现减小趋势。河川径流及水资源变化主要受降水、人类取用水活动和土地利用变化的影响。黄河流域取耗水量呈明显增长趋势，耗水强度最大的为兰州站一头道拐站和龙门站一三门峡站区间，5站控制流域平均降水量除兰州站、头道拐站外.均呈不显著增大趋势。1998-2015年黄河径流量与水资源量增长的主要原因为降水量增大。

关键词：水资源量;变化特征;影响因素;黄河

中图分类号：TV213.4;TV882.1

文献标志码：A

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

黄河是西北和华北地区的重要水源，支撑了全国12%的人口和9%的GDP [1-2]。径流量年内、年际变化大，汛期径流量占全年的60%以上[3-4]。20世纪70年代以来，黄河径流量显著减小，特别是20世纪90年代断流态势尤为严重[5]。1952-2000年中游河口镇至龙门区间的径流量显著减小6-7].1950-2005年下游年径流量总体呈递减趋势[8-9]。20世纪80年代以来黄河流域年降水量呈不明显下降趋势.90年代年降水量最小，进入21世纪后轻微增大[10-11].特别是黄河源区1990-2010年降水量明显增大[12]。地表取水造成黄河径流量显著减小，花园口站以上地区地下水开发利用和水土保持措施拦蓄降水，也影响了河川径流量[13]。虽然已有较多文献研究了黄河水资源长期变化趋势，但资料截至年限一般在21世纪最初10 a，对黄河水资源近期变化趋势的研究相对较少。为此选取黄河干流5个主要水文站1998-2015年的资料，分析近期黄河水资源变化的时空特征，以期为黄河水资源规划及流域治理提供参考。

1 资料来源

数据来自《黄河水资源公报》，包括1998-2015年黄河干流5个主要水文站（兰州、头道拐、龙门、三门峡、花园口）的天然河川径流量、实测径流量、地下水资源量，全流域（1998-2015年）及各区间的平均降水量（2005-2015年）、水资源总量（1998-2015年）以及取耗水量（2004-2015年）等数据。

2 研究方法

采用Mann - Kendall法、距平累计法、变差系数法[14-15]和Sen's斜率估测法[16]。Sen's法反映各变量的年变化量，距平累计法与Mann -Kendall法用以判断各指标的变化趋势和突变点，变差系数法判断各变量的波动性。

3 結果分析

3.1 地表水资源量的变化

地表水资源量是指河流、湖泊、冰川等地表水体中由当地降水形成的动态水量，一般用天然河川径流量及实测径流量表示。1998-2015年，5站天然径流量均呈增大趋势（见表1），各站天然径流量只有三门峡站通过了显著性水平为0.05的检验：Sen's斜率估测值（K）三门峡站最大，为7.795亿m3/a，其次是兰州站，最小的是龙门站，说明兰州站以上和龙门站一三门峡站区间是黄河径流增长的主要区域;变差系数（C）显示，各站天然河川径流量年际变化均较大，但兰州站C（ 0.148）最小，说明兰州站以上流域天然来水量较稳定。5站实测径流量除龙门站外，均通过了显著性水平为0.01的检验：三门峡站实测径流量K值最大（为6.839亿m/a），龙门站最小（为2.9亿m/a）;实测径流量增加明显的区间为兰州站以上、龙门站一三门峡站和三门峡站一花园口站;C显示，兰州站实测径流量相对稳定，年际波动较小，头道拐站年际变化最大，主要原因可能是兰州站以上流域大多为天然草地，用水少，水源涵养能力强[17]，而河套灌区大量的农业用水活动给头道拐站径流量带来了强烈干扰。

地表水还原水量为水库蓄变量与地表水耗水量之和，即天然径流量与实测径流量之差。表1中各站控制流域中地表水还原水量均为非显著变化，只有三门峡站以上流域为增加趋势，但年增率只有0.143亿m/a。兰州站、头道拐站以上流域2006年减少量较大。用水量增多情况下，还原水量减小，说明流域取水量的利用率提高。兰州站C为1.348，年际波动显著。

各站1998-2015年天然径流量与1956-2000均值相比，均呈现减小趋势，与1987-2000年均值相比均呈现先减小再增大的趋势（见图1）。1998年以来，龙门站以上各站径流量变化趋势相似，2000-2004年、2014-2015年属枯水期，龙门站2006-2011年属枯水期，三门峡站1998-2004年、2006-2011年、2013-2015年属枯水期，花园口站1998-2002年、2006-2010年、2013-2015年属枯水期。整体上，下游丰枯转变的时间要滞后于上游。

实测径流量是天然径流量扣除地表取水量和水库蓄变量外，通过水文站断面的实际水量。黄河5站实测径流量与天然河川径流量的变化既有差别又有联系。天然河川径流量从上游到下游基本上逐渐增大，但实测径流量则先增大后减小，在头道拐站急剧减小，原因是兰州站与头道拐站之间的河套地区降水少而耗水量大。兰州站实测和天然径流量差异不大，多年平均实测径流量占天然径流量的90%左右，受上游水库蓄洪补枯的影响而发生变动，个别年份水库放水增加了径流量，出现实测径流量大于天然河川径流量的现象。兰州站以下4站实测径流量则显著小于天然径流量（见图2），4站实测径流量占天然径流量的比例规律与兰州站较为相似，整体上波动增大，2003年达到最小值。

3.2 地下水资源量和水资源总量变化

地下水资源量是指降雨或地表水人渗补给地下含水层的水量，最终出流补给地表水或消耗于潜水蒸发或者人类的开采活动，包括与地表水重复计算量和不重复计算量两部分。1998-2015年各站水资源总量和地下水资源量分析指标值见表2，可以看出：各站控制流域的地下水资源量（与地表水不重复计算量）均为减小趋势，兰州站通过了0.01的显著性检验，龙门站和三门峡站通过了0.05的显著性检验，龙门站以上流域地下水资源量（与地表水不重复计算量）年减小率最大：兰州站以上流域地下水资源量很不稳定，年际变化较大，龙门站、三门峡站、花园口站控制流域年际变化较小;地下水资源量（与地表水不重复计算量）主要集中在中下游河谷盆地，减小原因可能是人类开采活动造成地下水位下降，包气带加厚，阻隔了大气降水对地下水的补给。

水资源总量是指当地降水形成的地表水资源量与地下水资源量之和扣除二者的重复计算量，不包括入境水量。表2中各站控制流域的水资源总量均为增大趋势，但都没有通过0.05的显著性检验。三门峡站以上流域的K值最大，龙门站以上流域的最小，说明水资源增加主要集中在兰州站以上流域和龙门站一三门峡站区间。兰州站和头道拐站C都在0.18以上，说明水资源总量具有一定的年际波动性。

3.3 水资源量变化的影响因素

地表取水量指直接从黄河干支流引（提）的水量，地下取水量指从地下含水层抽取的水量。在水资源规划和使用的过程中，总是优先开发地表水资源[18]。耗水量指分配给用水户（包括输水损失在内）的用水量，即不能回归黄河干流的用水量。

表3和图3显示.1998-2015年黄河流域的年平均降水量及取耗水量均为稳定显著增大，置信度超过99%，波动性不大，与胡士辉等[18]的研究结果一致。地表水取耗水量增速均大于取耗水总量和地下水取耗水量增速，说明黄河流域水资源开发利用率不断提高，对地表水的压力增大。

2005-2015年各水文站降水量分析指标值见表4，可以看出：黄河流域降水量变化不大，兰州站、头道拐站降水略有减小，龙门站、三门峡站、花园口站降水量呈增大趋势。各区间平均径流系数见表5 [19].可以看出：2005-2015年兰州站以上、兰州站一头道拐站、头道拐站一龙门站、龙门站一三门峡站、三门峡站一花园口站区间平均径流系数分别为0，30、-0. 05、0.05、0.08、0.19，趋势性增长不明显;与多年平均水平相比，兰州站以上和三门峡站一花园口站区间径流系数变化不大，2005-2015年均值小于1956-2000年序列的，但大于1987-2000年序列的：兰州站一头道拐站、头道拐站一龙门站、龙门站一三门峡站的径流系数与1956-2000年序列的相比均显著减小，龙门站一三门峡站、三门峡站一花园口站区间径流系数与1987-2000年序列的差异不大，兰州站一头道拐站区间则显著小于1987-2000年序列的。降水量增大对2005年以来黄河流域天然河川径流量和水资源恢复性增长起到了促进作用，而实测径流量则受到降水和取耗水量增长的共同影响。

3.4 天然河川径流量与水资源总量均值和水资源利用率分析

黄河干流年均天然河川径流量和水资源总量见表6.可以看出：兰州站以上1998-2015年年均天然河川径流量和水资源总量大于1987-2000年的而小于1956-2000年的：兰州站一头道拐站和头道拐站一龙门站区间.1998-2015年年均天然河川径流量和水资源总量显著小于1987-2000年和1956-2000年的平均值，兰州站一头道拐站区间黄河天然径流量和水资源量减小幅度最大，在1998-2015年出现负值，即头道拐站天然径流量小于兰州站的，说明受气候干旱和人类用水活动影响，该河段出现了类似内流河的净耗水现象，其原因一方面是水土保持措施使地表径流量减少，另一方面是农业灌溉使大量黄河水消耗于蒸发和深层渗漏：龙门站一三门峡站区间，1998-2015年年均天然河川径流量和水资源总量小于1987-2000年的和1956-2000年的，与1956-2000年的差异显著，与1987-2000年的差异不显著，其原因是与20世纪80年代以前相比黄土高原水土保持措施面积有了很大增加，减水减沙效果显著，植被蒸发量增大，流人干流的水量减少[20]：三門峡站一花园口站区间1998-2015年年均天然河川径流量和水资源总量均大于1987-2000年的和1956-2000年的。2005-2015年黄河降水和径流变化具有一定的空间分异特征：黄河径流主要来自兰州站以上流域，兰州站一头道拐站降水稀少，头道拐站一龙门站径流增长不多，龙门站一花园口站区间是黄河流域第二个主要产流区间（见表4）。兰州站以上流域降水呈非显著降低趋势，流域降水一径流关系表现出一定的“蒸发悖论”，即随着气候变暖，陆地蒸发量减少，径流系数增大，兰州站以上流域水资源量增大反映了近年来退耕还林（草）、湿地保护等的积极成效。

由表7、表8可以看出：2004-2015年黄河流域水资源供需不平衡。兰州站一头道拐站区间是黄河流域最主要的耗水区，2004-2015年均水资源消耗量为125.63亿m.为当地水资源量的187.5倍，其中地表水消耗量为105.51亿m：龙门站一三门峡站区间以年均78.77亿m的水资源消耗量和66.77%的水资源消耗率位居第二：三门峡站一花园口站的水资源消耗率也超过了40%。由于农业灌溉用水量很小，因此头道拐站一龙门站区间的水资源消耗量最小，兰州站以上的水资源消耗率最低，尚有一定的水资源开发潜力。

4 讨论

综合近年来关于黄河流域水资源变化的研究成果：近百年来黄河上中游降水量没有显著性变化，降水量在20世纪90年代最小，进入21世纪有增加趋势，而上游和中游径流量均呈减小趋势，在1985年左右发生突变[1]：21世纪初黄河上中游年水资源量较多年平均值有较大变化[21-22];唐乃亥站、头道拐站、龙门站、花园口站、利津站径流量在2000年左右出现转折[23-26]：降水因素是黄河上游径流量增加的主要因素[27-28];GM（1，1）模型预测黄河下游2013-2017年降水量和径流量均增加[29]：水库的联合运用以及人类取水活动对年径流量的突变有直接影响[1]。上述结论与本文的研究结果基本一致。

黄河流域水资源具有水资源形成和消耗时空分离的“二元结构”，兰州站以上黄河主要水源区的地位进一步加强。黄河中下游有进一步水资源开发潜力的区域主要是头道拐站一龙门站区间的黄土丘陵和三门峡站一花园口站区间的山区与黄土台塬，但头道拐站一龙门站区间水土流失严重，有限的水资源主要是高含沙洪水。

受气候变化、下垫面、人类活动等影响[8，25，30]，黄河水资源变化相当复杂，未来水资源变化的可逆性及其对流域环境演变的响应规律等，都有待进一步研究。刘昌明等[31]认为，随着大规模的退耕还林生态环境建设，黄河流域植被已经接近相对稳定状态，土地利用覆盖变化对水资源的影响不大，未来水资源变化主要取决于气候变化与人类活动。随着黄河流域用水强度不断增大，应该不断加强水源工程建设，加强对南水北调西线工程、“引汉济渭”工程、“东水西调”工程等的研究。

5 结语

（1）受气候变化和人类活动的影响，黄河干流5个主要水文站（兰州、头道拐、龙门、三门峡、花园口）1998-2015年天然河川径流量、水资源量都显著小于1956-2000年的，且略小于1987—2000年的（兰州站除外）。

（2） 1998年以来黄河流域降水量、地表水资源量、取耗水量均呈先减小后增大趋势，2004年后水资源情势好转。河川径流量和水资源量增加最显著的区间为兰州站以上和龙门站一花园口站。

（3）黄河流域地下水资源量（与地表水不重复计算量）主要集中在中下游河谷盆地，1998-2015年呈减小趋势。地表水耗水为黄河流域耗水的主要部分，耗水量（地表水）的年变化率大于取水量（地表水）的年变化率。

（4）黄河实测径流量与天然径流量的变化主要受气候、降水量及人类活动的影响。人类取用水活动对实测径流量的影响是负面的，河川径流量与水资源量的恢复性增长主要是气候变化带来的降水增加，且在兰州站以上区间出现了“蒸发悖论”，需要进一步深入研究。

参考文献：

[1] 李二辉，穆兴民，赵广举.1919-2010年黄河上中游区径流量变化分析[J].水科学进展，2014，25（2）：155-163.

[2]HE B，MIAO C，SHI W.Trend， Abrupt Change and Perio-dicity of Streamflow in the Mainstream of Yellow River[J].Environmental Monitoring and Assessment， 2013， 185（7）：6187-6199，

[3] 王怀柏，赵淑饶，张家军，等.1950-2010年黄河径流情势变化特点[J].人民黄河，2011，33（ 12）：16-18.

[4] 於凡，张光辉，柳玉梅，全球气候变化对黄河流域水资源影响分析[J].水文，2008，28（5）：52-56.

[5] 陈霁巍，穆兴民，黄河断流的态势、成因与科学对策[J].自然资源学报，2000，15 （1）：31-35.

[6] 穆兴民，巴桑赤烈，ZHANG Lu，等，黄河河口镇至龙门区间来水来沙变化及其对水利水保措施的响应[J].泥沙研究，2007（2）：36-41.

[7] 张国胜，李林，时兴合，等，黄河上游地区气候变化及其对黄河水资源的影响[J].水科学进展，2000，11（3）：277-283.

[8] 张建云，王国庆，贺瑞敏，等，黄河中游水文变化趋势及其对气候变化的响应[J].水科学进展，2009，20（2）：153-158.

[9] 任国玉，姜彤，李维京，等，气候变化对中国水资源情势影响综合分析[J].水科学进展，2008，19（6）：772-779.

[10] 赵兰兰，刘志雨，王金星，气候变化下的黄河流域极端水文现象特征分析[J].水文，2015，35（5）：78-81.

[11] 史红玲，胡春宏，王延贵，等，黄河流域水沙变化趋势分析及原因探讨[J].人民黄河，2014，36（4）：1-5.

[12] 白路遥，荣艳淑，气候变化对长江、黄河源区水资源的影响[J].水资源保护，2012，28（1）：46-50.

[13]潘启民，常晓辉，蒋秀华，等，黄河花园口以上地下水利用对河川径流的影响[J].人民黄河，2014，36（12）：55-57.

[14] 王岚，刘志辉，姚俊强，等.197 8-2011年呼图壁河径流的变化趋势[J].水土保持通报，2015，35（3）：62-67.

[15]曹建廷，秦大河，罗勇，等，长江源区1956-2000年径流量变化分析[J].水科学进展，2007，18（1）：29-33.

[16] 杨林山，李常斌，王帅兵，等，气候变化和人类活动对洮河流域植被动态的影响研究[J].资源科学，2014，36（9）：1941-1948.

[17] 姚玉璧，王润元，邓振镛，等，黄河上游主要产流区气候变化及其对水资源的影响：以甘南高原为例[J].中国沙漠，2007，27（5）：903-909.

[18] 胡士辉，陈巧红，张桂花，等，黄河流域水资源利用趋势分析[J].水资源与水工程学报，2012，23（2）：112-115.

[19] 張学成，王玲，高贵成，等，黄河流域降雨径流关系动态分析[J].水利水电技术，2001，32（8）：1-5.

[20] 冉大川，姚文艺，张攀，等，黄河头道拐站水沙来源空间分布及其影响因素[J].泥沙研究，2015（1）：42-48.

[21]潘启民，仝春莲，黄河上中游近年水资源量变化特点分析[J].人民黄河，2013，35（9）：53-54.

[22] 陈亚宁，李稚，范煜婷，等，西北干旱区气候变化对水文水资源影响研究进展[J].地理学报，2014，69（9）：1295-1304.

[23] 白夏，王义民，戚晓明，等，黄河上游径流统计特征及演变规律分析[J].人民黄河，2016，38（9）：4-7.

[24] 孙永寿，段水强，刘希胜，等，近年来青海省黄河流域泥沙变化趋势及成因分析[J].水资源与水工程学报，2015，26（3）：169-174.

[25] 赵广举，穆兴民，田鹏，等，近60年黄河中游水沙变化趋势及其影响因素分析[J].资源科学，2012，34（6）：1070-1078.

[26] 任惠茹，李国胜，崔林林，等，近60年来黄河人海水沙通量变化的阶段性与多尺度特征[J].地理学报，2014，69（5）：619-631.

[27] ZHANG Yongyong， ZHANC Shifeng， ZHAI Xiaoyan， eta1. Runoff Variation and Its Response to Climate Change inthe Three Rivers Source Region[J]. Joumal ofGeographical Sciences， 2012， 22（5）：781-794.

[28] 黄荣辉，周德刚，气候变化对黄河径流以及源区生态和冻土环境的影响[J].自然杂志，2012，34（1）：1-9.

[29]潘彬，韩美，倪娟，黄河下游近50年径流量变化特征及影响因素[J].水土保持研究，2017，24（1）：122-127.

[30] 宋晓猛，张建云，占车生，等，气候变化和人类活动对水文循环影响研究进展[J].水利学报，2013，44（7）：779-790.

[31] 刘昌明，李艳忠，刘小莽，等，黄河中游植被变化对水量转化的影响分析[J].人民黄河，2016，38（ 10）：7-12.