1951—2020年黄河上中游径流变化特征及归因分析.pdf

DOI:10.12171/j.10001522.2023007719512020 年黄河上中游径流变化特征及归因分析孙莉茹1毕华兴1,2,3,4马志瑾5赵丹阳1王宁1刘泽晖1王鑫1（1.北京林业大学水土保持学院，北京100083；2.林木资源高效生产全国重点实验室，北京100083；3.山西吉县森林生态系统国家野外科学观测研究站，北京100083；4.水土保持国家林业局重点实验室、北京市水土保持工程技术研究中心、林业生态工程教育部工程研究中心（北京林业大学），北京100083；5.黄河水利委员会水文局，河南郑州450004）摘要:【目的】河川径流是地表重要的水资源，对其变化特征和原因进行解析，是流域水资源科学管理规划的前提。【方法】本文采用 Mann-Kendall 趋势检验、Pettitt 突变检验、Budyko 弹性系数法等方法分析了黄河上游和中游近 70 年（19512020 年）径流变化的趋势和成因。【结果】（1）19512020 年黄河上游年降水量呈不显著增加趋势（4.04mm/（10a），P0.05），中游呈不显著减少趋势（4.90mm/（10a），P0.05）；上游、中游年潜在蒸散发均呈不显著增加趋势（1.77、2.23mm/（10a），P0.05）；（2）黄河上游和中游 19802020 年土地利用/覆盖变化明显，主要表现在林草面积的增加，上游、中游年 NDVI 分别以 0.025/（10a）、0.042/（10a）的速率显著增加（P0.01）；（3）19512020 年，上游和中游年径流量分别以 3.46、7.46mm/（10a）的速率显著减少（P0.05)anddecrease4.90mm/(10year)(P0.05)inthemiddlereachesoftheYellow River.The potential evapotranspiration in the upper and middle reaches showed no significantincreasetrend(1.77mm/(10year),2.23mm/(10year),P0.05).(2)From1980to2020,thechangesoflanduse/coverintheupperandmiddlereachesoftheYellowRiverareobvious,mainlyintheincreaseofforest and grass area,and the NDVI in the upper and middle reaches of the Yellow River increasedsignificantlyattheratesof0.025/(10year)(P0.01)and0.042/(10year)(P0.01),respectively.(3)From1951to2020,therunoffofupperandmiddlereachesdecreasedattherateof3.46mm/(10year)(P0.01)and7.46mm/(10year)(P0.05）；中游年降水量呈不显著减少趋势（P0.05），年潜在蒸散发呈不显著增加趋势（P0.05）。黄河上游和中游的年降水、潜在蒸散发均发生了变化且变化程度不同，存在一定的空间差异。第1期孙莉茹等：19512020 年黄河上中游径流变化特征及归因分析853.2 黄河上游和中游土地利用/覆盖变化19802020 年黄河上游和中游 6 种土地利用类型面积占比情况见表 2。上游土地利用类型主要为草地（平均占约 62.40%），40 年来面积略有增加，其次是耕地（13.14%），呈现先增加后减少的趋势；林地平均占比约 7.84%，呈增加趋势。由于中游是重要的粮食产区，耕地是其主要的土地利用类型（39.69%），40 年来面积显著减少；其次是草地（34.58%）、林地（19.79%），均呈增加趋势。在其余土地利用类型中，上游和中游均表现为水域面积基本不变，未利用土地有所减少，建设用地显著增加。19802020 年黄河上游和中游土地利用类型转移矩阵见表 3。从表中可以看出上游和中游草地、林地均表现为转入面积大于转出面积，上游耕地转入转出基本持平，中游耕地转入明显小于转出，且转出均以林草为主，这与流域多年实施的“三北”防护林建设和退耕还林还草工程密切相关。其余土地利用类型在上游和中游占比不大，故可近似认为黄河上游和中游土地利用变化主要为植被变化。进一步采用归一化植被指数（NDVI）研究植被变化。黄河上游和中游 19822020 年 NDVI 多年平均值分别为 0.48、0.54，其年际变化趋势见图 3。从图中可知，19822020 年，上游、中游年 NDVI 分别以 0.025/（10a）（P0.01）、0.042/（10a）（P0.01）的速率显著增加，植被恢复现象明显，且中游整体上植被覆盖度比上游高，NDVI 增加速率较上游快，植被恢复效果较上游好。3.3 黄河上游和中游径流变化及归因分析3.3.1径流变化趋势及突变检验黄河上游和中游多年平均径流量分别为 58.78、1 200y=0.177 4x+614.4R2=0.019 1y=0.404 4x 397.8R2=0.030 1y=0.222 9x+579.3R2=0.011 3y=0.489 7x+1 512.4R2=0.017 5潜在蒸散发Potential evapotranspiration/mm9006003001 2009006003001 200潜在蒸散发Potential evapotranspiration/mm降水量Precipitation/mm降水量Precipitation/mm9006003001 2009006003001950 1960 1970 1980 1990年份 Yeara 上游 Upper reaches2000 2010 20201950 1960 1970 1980 1990年份 Yearb 中游 Middle reaches2000 2010 2020降水量 Precipitation潜在蒸散发 Potential evapotranspiration图219512020 年黄河上游和中游年降水、潜在蒸散发变化趋势Fig.2ChangingtrendofannualprecipitationandpotentialevaporationintheupperandmiddlereachesoftheYellowRiverfrom1951to2020表1黄河上游和中游降水、潜在蒸散发 Mann-Kendall 趋势检验结果Tab.1ResultsofMann-KendalltrendtestforprecipitationandpotentialevapotranspirationintheupperandmiddlereachesoftheYellowRiver区域Region降水量Precipitation潜在蒸散发PotentialevapotranspirationZ值Zvalue显著性Significance趋势TrendZ值Zvalue显著性Significance趋势Trend上游Upperreaches1.57NS上升Raise1.13NS上升Raise中游Middlereaches0.85NS下降Descend0.91NS上升Raise注：NS代表不显著。Note:NSrepresentsnotsignificant.表219802020 年黄河上游和中游土地利用类型面积占比Tab.2AreaproportionoflandusetypesintheupperandmiddlereachesoftheYellowRiverfrom1980to2020%土地利用类型Landusetype上游Upperreaches中游Middlereaches1980199020002010202019801990200020102020耕地Cultivatedland12.9513.0613.4713.2312.9940.4040.6040.5339.5937.34林地Forestland7.737.757.747.888.1119.6119.5219.5720.1120.14草地Grassland62.6662.7962.0661.7862.7234.3534.3234.4834.4935.24水域Waterarea2.011.851.881.872.001.111.050.991.051.04建设用地Constructionland1.191.201.291.432.221.761.792.042.293.87未利用土地Unusedland13.4613.3513.5613.8111.962.772.722.392.472.3786北京林业大学学报第46卷42.02mm，其年际变化趋势见图 4。从图中可知，19512020 年，黄河上游和中游年径流量分别以3.46、7.46mm/（10a）的速率减少。对径流进行趋势和突变检验（表 4），结果显示黄河上游和中游年径流量均表现为显著减少趋势（P0.01），且中游年径流量减少的变化趋势明显大于上游；上游和中游年径流序列均存在突变（满足=0.01 的显著性水平），突变年份分别为 1986 年、1990 年。3.3.2径流变化归因分析pE0n（1）敏感性分析。根据径流突变年份，分别将黄河上游和中游 19512020 年径流量划分为基准期和变化期 2 个时期。根据上游和中游基准期与变化期的多年平均降水量、径流量、潜在蒸散发量，分别计算各时期的参数 n 及弹性系数，结果见表 5。从表 5 中计算得出的弹性系数来看，潜在蒸散PE0nPE0n发和土地利用/覆盖（用参数 n 表示其变化情况）与径流量呈负相关，而降水量与径流量呈正相关，且径流变化对降水最敏感，其次是土地利用/覆盖。对比上游基准期与变化期，上游降水、潜在蒸散发分别增加 8.93、3.56mm，参数 n 增大 0.30。弹性系数|由 2.11 增加到 2.42，表明当降水增加 10%时，变化期径流增加量比基准期多 3.17%；|、|分别由1.11、1.88 增加到 1.42、2.16，表明当潜在蒸散发、参数 n 增加 10%时，变化期径流减少量分别比基准期多 3.17%、2.82%。对比中游基准期与变化期，中游降水减少 28.46mm，潜在蒸散发增加 13.40mm，参数 n 增加 0.59。弹性系数|由 2.88 增加到 3.56，表明当降水减少 10%时，变化期径流减少量比基准期多 6.80%；|、|分别由 1.88、2.09 增加到 2.56、2.70，表明当潜在蒸散发、参数 n 增加 10%时，变化期径流减少量分别比基准期多 6.80%、6.10%。表319802020 年黄河上游和中游土地利用类型的转移矩阵Tab.3TransfermatrixoflandusetypesintheupperandmiddlereachesoftheYellowRiverfrom1980to2020km2区域Region土地利用类型Landusetype上游（2020）Upstream(2020)/中游（2020）Midstream(2020)耕地Cultivatedland林地Forestland草地Grassland水域Waterarea建设用地Constructionland未利用土地Unusedland总计Sum上游（1980）Upperreaches(1980)耕地Cultivatedland1642.4514777.75985.193919.231221.7655327.81林地Forestland1176.1412803.56216.00265.17532.0433013.47草地Grassland16597.2513662.812160.242839.9115187.86267661.61水域Waterarea1060.61210.112165.33199.46790.178601.84建设用地Constructionland2046.17162.551041.10111.01143.345092.62未利用土地Unusedland1865.18932.9919916.89884.19664.8457426.06总计Sum55526.7934631.48 267918.198532.789477.0651037.14中游（1980）Middlereaches(1980)耕地Cultivatedland8925.1936861.291241.208183.97452.14138708.52林地Forestland7532.7410804.97185.61525.19158.3967251.35草地Grassland32310.1711454.86639.712094.882347.58117911.51水域Waterarea1356.22187.80612.35212.6164.553805.52建设用地Constructionland3220.90167.08614.6663.2127.896041.37未利用土地Unusedland718.53278.793018.0685.13321.309502.68总计Sum128183.2869058.18 120975.643586.8513285.608131.420.550.50归一化植被指数Normalized vegetation index0.450.400.550.600.650.50归一化植被指数Normalized vegetation index0.45y=0.002 5x 4.614 4R2=0.663 2y=0.004 2x 7.820 1R2=0.792 1a 上游 Upper reaches19801990年份 Yearb 中游 Middle reaches20002010202019801990年份 Year200020102020图319822020 年黄河上游和中游年植被指数变化趋势Fig.3VariationtrendofannualNDVIintheupperandmiddlereachesoftheYellowRiverfrom1982to2020第1期孙莉茹等：19512020 年黄河上中游径流变化特征及归因分析8719512020 年黄河上游和中游降水、潜在蒸散发和土地利用/覆盖弹性系数的年际变化及其趋势检验见图 5 和表 6。由图表可知，各因子弹性系数的绝对值均呈显著增加趋势，说明在此期间上游和中游的径流变化对气候变化和土地利用/覆盖变化的敏感性均逐渐增强。且中游各因子弹性系数的绝对值及其变化程度均大于上游，说明中游径流对气候变化和土地利用/覆盖变化更加敏感，反映了径流对气候变化和土地利用/覆盖变化敏感性的空间差异性。（2）影响性质与程度。黄河上游和中游各影响因子对径流变化的影响性质与程度见表 7。由表 7 可知，降水、潜在蒸散发、土地利用/覆盖变化引起上游径流的变化量分别为 2.91、0.27、23.36mm，分别占上游径流减少总量的14.04%、1.30%、112.73%；引起黄河中游径流的变化量分别为6.87、1.16、23.85mm，分别占中游径流减少总量的 21.54%、3.63%、74.83%。由此可知，19512020 年降水，潜在蒸散发和土地利用/覆盖对上游和中游径流均有明显的影响，其中土地利用/覆盖对径流的影响程度最大，对径流减少起到了主导作用，是引起黄河上游和中游径流变化的主要因素；就气候变化而言，降水变化对径流的影响比潜在蒸散发更显著。14012010080径流量 Runoff/mm604020014012010080径流量 Runoff/mm60402001950 1960 1970 1980 1990年份 Yeara 上游 Upper reaches2000 2010 20201950 1960 1970 1980 1990年份 Yearb 中游 Middle reaches2000 2010 2020y=0.345 7x+745.2R2=0.107 0y=0.746 2x+1 523.5R2=0.417 7图419512020 年黄河上游和中游年径流变化趋势Fig.4VariationtrendofannualrunoffintheupperandmiddlereachesoftheYellowRiverfrom1951to2020表4黄河上游和中游径流趋势及突变检验结果Tab.4ResultsofrunofftrendsandabruptchangetestsintheupperandmiddlereachesoftheYellowRiver范围RegionMann-Kendall趋势检验Mann-KendalltrendtestPettitt突变检验PettittmutationtestZ值Zvalue显著性Significance趋势Trend突变年份Mutationyear显著性Significance上游Upperreaches3.22*下降Descend1986*中游Middlereaches6.07*下降Descend1990*注：*表示P0.01。Note:*representsP0.05）的速率不显著增加，中游以4.90mm/（10a）（P0.05）的速率不显著减少；上游、中游年潜在蒸散发量分别以 1.77、2.23mm/（10a）（P0.05）的速率不显著增加。（2）19802020 年，黄河上游和中游土地利用/覆盖变化明显，主要表现在林草面积的增加；上游和中 游 年 NDVI 在 19822020 年 间 分 别 以 0.025、0.042/（10a）（P0.01）的速率显著增加，对比而言中游整体上植被覆盖度比上游高，且 NDVI 增加趋势更显著。（3）19512020 年，黄河上游和中游年径流量分别以 3.46、7.46mm/（10a）（P土地利用/覆盖潜在蒸散发。且径流对气候变化和土地利用/覆盖变化的敏感性均逐年增强，增加幅度表现为中游上游，即气候和土地利用/覆盖的变化将更容易引起径流的变化，且这一现象在中游更为明显。（5）根据径流突变年份划分基准期与变化期，通过 Budyko 弹性系数法对径流进行归因分析得出，各影响因子对黄河上游和中游径流变化的影响性质和程度有所不同。其中，降水、潜在蒸散、土地利用/覆盖变化对上游径流减少的影响性质和程度分别为14.04%、1.30%、112.73%，对中游分别为 21.54%、3.63%、74.83%。土地利用/覆盖变化是引起黄河上游和中游径流减少的主要因素，其次是降水和潜在蒸散。参 考 文 献 Zhai R,Tao F.Contributions of climate change and humanactivities to runoff change in seven typical catchments acrossChinaJ.Science of the Total Environment,2017,605606:219229.190北京林业大学学报第46卷黄斌斌,郝成元,李若男,等.气候变化及人类活动对地表径流改变的贡献率及其量化方法研究进展 J.自然资源学报,2018,33(5):899910.HuangBB,HaoCY,LiRN,etal.ResearchprogressonthequantitativemethodsofcalculatingcontributionratesofclimatechangeandhumanactivitiestosurfacerunoffchangesJ.JournalofNaturalResources,2018,33(5):899910.2胡慧杰,崔凯,曹茜,等.黄河近百年径流演变特征分析 J.人民黄河,2019,41(9):1419.HuHJ,CuiK,CaoQ,etal.AnalysisofthecharacteristicsoftherunoffevolutioninYellowRiverinrecent100yearsJ.YellowRiver,2019,41(9):1419.3鲍振鑫,严小林,王国庆,等.19562016 年黄河流域河川径流演变规律 J.水资源与水工程学报,2019,30(5):5257.BaoZX,YanXL,WGQ,etal.ThetrendinstreamflowoftheYellow River Basin during 19562016J.Journal of WaterResourcesandWaterEngineering,2019,30(5):5257.4刘昌明,刘小莽,田巍,等.黄河流域生态保护和高质量发展亟待解决缺水问题 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