黄河主要子流域径流及其同旱概率变化研究.pdf

收稿日期：基金项目：国家自然科学基金青年科学基金项目（）；中国博士后科学基金面上资助项目（）作者简介：刘昌明（），男，湖南汨罗人，中国科学院院士，主要从事水文水资源研究工作 通信作者：王冠（），女，河南新乡人，工程师，博士，研究方向为水文水资源：【“黄河流域生态保护和高质量发展”专题】黄河主要子流域径流及其同旱概率变化研究刘昌明，王 冠，王恺文，罗秋雨（中国科学院 地理科学与资源研究所 陆地水循环及地表过程重点实验室，北京；中国南水北调集团 东线有限公司，北京）摘 要：干旱加剧黄河水资源短缺情势、影响黄河径流量的稳定、威胁流域水资源安全，使黄河流域生态环境保护和高质量发展面临严峻挑战。为了给应对黄河流域性干旱提供参考，针对多子流域同旱这一极端干旱灾害，基于黄河 个子流域 年实测年径流量数据，采用 趋势检验法分析年径流量序列变化的显著程度，采用藤 函数分析不同子流域发生同旱的概率，研究了多子流域同旱的变化趋势，结果表明：）年黄河各子流域实测年径流量普遍呈减少趋势，其中多年平均径流量较大的洮河、伊洛河等子流域年径流量减少趋势显著；）黄河各子流域年径流量间存在显著的相关关系，按同旱年数计算的同旱频率可能会低估大范围同旱的概率；）个及以上多子流域发生同旱的概率，年为，年为，年为，年后多子流域同旱的概率显著增大，意味着黄河流域遭受大范围同旱灾害的形势变得严峻。为保障黄河水资源安全和流域可持续发展，应合理规划和利用河川径流，加强水资源集约节约利用，推动南水北调后续工程建设和发展，提升流域水安全保障能力。关键词：径流量；干旱；子流域；同旱概率；黄河流域中图分类号：；文献标志码：引用格式：刘昌明，王冠，王恺文，等黄河主要子流域径流及其同旱概率变化研究人民黄河，（）：，（，；，）：，），；），；），：；黄河是我国第二大河，干流全长 ，流域面积 万，以占全国 的河川径流量支撑着全国 人口的生活用水和 耕地的灌溉用水，承担着北方地区 多座大中型城市的供水任务。受气候变暖和人类活动的影响，黄河径流量明显减少，干旱发生的强度上升、频率提高、范围扩大，加剧了黄河水第 卷第 期 人 民 黄 河 ，年 月 ，资源短缺情势、严重影响径流量的稳定并威胁流域水资源安全，使黄河流域生态环境保护和高质量发展面临严峻挑战。年中共中央、国务院印发的黄河流域生态保护和高质量发展规划纲要和 年 月 日起施行的中华人民共和国黄河保护法，为加强黄河流域生态环境保护、实现水资源可持续开发利用提供了纲领性文件和法律依据。干旱是加剧黄河水资源短缺的极端气象水文灾害，长期以来对流域各省（区）社会经济发展和人民生活带来巨大影响。大量学者根据降水、气温、径流等气象和水文观测数据，利用多种干旱指标，评估了黄河流域气象和水文干旱的特征及变化趋势。已有研究结果表明，黄河绝大部分子流域气象和水文干旱加剧，且下游较上游、旱季较湿季干旱加剧的情况更为明显。随着气候持续变暖，空间复合极端干旱事件引起了广泛关注。空间复合极端干旱是指多个区域同时发生干旱，是一种灾害严重的极端干旱，若全球产粮区同时发生干旱则会严重影响国际粮食安全，若调水工程的水源区和受水区同时发生干旱则会影响调水工程效用等。作为我国华北和西北地区主要水源的黄河，多个子流域同时发生干旱的空间复合干旱可能引发流域性水资源短缺，危及流域及沿黄城市的用水安全，但此前少有研究关注黄河主要子流域同旱的情况。因此，笔者选择黄河的 个子流域，依据 年实测年径流量，采用藤 函数等，分析了多子流域径流及其同旱概率变化情况，以期为应对黄河流域性干旱提供参考。数据来源与分析方法 数据来源本研究采用的黄河 个子流域 年河川径流实测数据由黄河水利委员会提供。个子流域及其控制水文站分别为：黄河上游白河唐克站、黑河若尔盖站、湟水民和站、洮河红旗站、清水河泉眼山站、大黑河三两站，中游窟野河温家川站、无定河白家川站、汾河河津站、泾河张家山站、渭河林家村站、北洛河头站、沁河武陟站、伊洛河黑石关站，下游大汶河戴村坝站。分析方法）趋势分析。采用 斜率估计法分析年径流量序列的变化（增加或减少）趋势，采用 趋势检验法分析年径流量序列变化的显著程度（将显著性水平设定为）。）同旱概率分析。藤 函数被广泛应用于多维变量的联合分布函数计算，其包含、等 种藤结构，计算过程中的边缘分布函数从正态分布、伽马分布、韦伯分布中筛选得到。本研究采用藤 函数分析不同子流域发生同旱的概率，其能够考虑不同子流域年径流量的相关性。根据个子流域年径流量边缘分布（）、（）、（）（其中 为第 个子流域年径流量），建立联合分布函数：（，）（），（），（）当（）、（）、（）连续时，藤 函数是唯一的。研究中采用 语言的 、等函数包实现藤 函数的计算，从而得到 个子流域的同旱概率。主要结果分析 径流量及其变化趋势如图（）所示，在 个子流域中，洮河、伊洛河多年平均径流量较大（均超过 亿），白河、湟水、泾河、渭河多年平均径流量为 亿 亿，无定河、汾河、北洛河、沁河、大汶河多年平均径流量为 亿 亿，黑河、窟野河多年平均径流量为 亿 亿，清水河、大黑河多年平均径流量较小（均不足 亿）。如图（）所示，年除清水河、黑河这 个子流域实测年径流量呈增长趋势（增长速率在 亿 以下）外，其他 个子流域实测年径流量呈减少趋势（白河、湟水、大黑河、北洛河、大汶河减少速率为 亿 ，窟野河、无定河、沁河减少速率为 亿 亿 ，汾河、泾河减少速率为 亿 亿 ，洮河、渭河、伊洛河减少速率为 亿 亿），其中 个子流域（图中画斜线的子流域，占比为）呈显著减少趋势，即多年平均径流量较大的子流域径流量减少趋势明显。（）多年平均径流量（）径流量变化速率图 各子流域多年平均径流量及其变化速率人 民 黄 河 年第 期 子流域同旱年数统计对 个子流域相互配对，可形成 个子流域对。以年径流量的 分位数为阈值定义干旱，采用计数的方式统计得到各子流域对同旱年数，见表。由表 可知：年子流域两两同旱年数最多为 ，即同旱频率不超过；子流域两两同旱年数为 的有 对，分别为黑河白河、窟野河大黑河、北洛河泾河、沁河渭河；同旱年数为 及以上的共 对，除清水河、大汶河外，其他 个子流域均发生过 及以上的两两同旱；分别与黑河、湟水、伊洛河同旱年数 的子流域均为 个，分别与白河、无定河、汾河、泾河、沁河同旱年数 的子流域均为 个，分别与窟野河、渭河同旱年数 的子流域均为 个，分别与洮河、北洛河同旱年数 的子流域均为 个，与黑河同旱年数 的子流域有 个。对每对子流域进行年径流量相关性分析（结果见表），显著相关的有 对（占），相关系数的有 对（占），表明各子流域年径流量间相关性较强，以计数方式统计得到的同旱频率可能会低估黄河各子流域同旱的概率。表 两两子流域间的径流量相关系数及同旱年数统计子流域白河黑河湟水洮河清水河大黑河窟野河无定河汾河泾河渭河北洛河沁河伊洛河大汶河白河黑河湟水洮河清水河大黑河窟野河无定河汾河泾河渭河北洛河沁河伊洛河大汶河 注：表中右上部为年径流量相关系数，上标表示显著相关；表中左下部为同旱年数。同旱概率及其变化已有研究表明，黄河流域径流量发生突变的时间为 年前后，因此本研究以 年为界，把研究期（年）分为 年、年两个时段，分析子流域同旱概率的变化。采用藤 函数计算的不同时段子流域同旱概率（见表）表明：不发生干旱、仅有 个子流域发生干旱的概率，年分别为、，年分别为、，年分别为、（较 年明显减小）；个及以上多子流域发生同旱的概率，年为，年为，年为，年后 个及以上多子流域同旱的概率明显增大。表 不同时段子流域同旱概率统计同旱子流域数概率 年 年 年合计 注：同旱子流域数为 表示没有子流域发生干旱。结论）年黄河各子流域实测年径流量普遍呈减少趋势，其中多年平均径流量较大的洮河、伊洛河等子流域年径流量减少趋势显著。）黄河各子流域年径流量间存在显著的相关关系，按同旱年数计算的同旱频率可能会低估大范围同旱的概率。）个及以上多子流域发生同旱的概率，年为，年为，年为，年后多子流域同旱的概率显著增大，意味着黄河流域遭受大范围同旱灾害的形势变得严峻。因此，为保障黄河水资源安全和流域可持续发展，应合理规划和利用河川径流，加强水资源集约节约利用，推动南水北调后续工程建设和发展，提升流域水安全保障能力。参考文献：中国河湖大典编纂委员会中国河湖大典：黄河卷北京：中国水利水电出版社，：（下转第 页）人 民 黄 河 年第 期 ，：，：，（）：，：，：，：，（）：，：，（）：，（），（）：张华明，元鹏飞，朱治双黄河流域碳排放脱钩效应及减排路径资源科学，（）：武翠芳，赵慧，陈少炜黄河流域数字普惠金融与碳减排能力耦合协调分析（）：张杰，张剑勇，马蓝黄河流域生态保护与高质量发展耦合协调关系实证分析（）：，（）：，（），（）：【责任编辑 张华兴】（上接第 页）夏军，彭少明，王超，等气候变化对黄河水资源的影响及其适应性管理人民黄河，（）：，杨大文，张树磊，徐翔宇基于水热耦合平衡方程的黄河流域径流变化归因分析中国科学：技术科学，（）：黄建平，张国龙，于海鹏，等黄河流域近 年气候变化的时空特征水利学报，（）：刘昌明，王恺文，王冠，等 年黄河流域径流及其影响因素的变化分析人民黄河，（）：，周帅，王义民，畅建霞，等黄河流域干旱时空演变的空间格局研究水利学报，（）：王有恒，谭丹，韩兰英，等黄河流域气候变化研究综述中国沙漠，（）：黄婷婷，林青霞，吴志勇，等黄河流域干旱时空特征及其与 的关联性分析人民黄河，（）：高秉丽，巩杰，李焱，等基于 的黄河流域多尺度干湿特征分析干旱区研究，（）：张卓群，冯冬发，侯宇恒基于 函数的黄河流域干旱特征研究干旱区资源与环境，（）：，：，（）：，：，：，：宋松柏 函数在水文多变量分析计算中的问题人民黄河，（）：，【责任编辑 张智民】人 民 黄 河 年第 期