甘南高原输出地表径流量演变趋势分析

Analysis of the trend in surface runoff discharge from the Gannan Plateau

摘要

目的 甘南高原是黄河及长江流域白龙江上游的重要产流区，分析区域内输出地表径流量演变趋势，为优化水资源可持续开发利用提供依据。 方法 以甘南高原为研究区域，基于玛曲、双城、岷县、舟曲等16个控制水文站66 a长系列实测径流资料，提出采用实测径流评价区域内对外输出地表径流的概念，采用多种趋势突变检验法、ARIMA模型等方法，分析区域内黄河干流、洮河、大夏河、白龙江实测径流量及输出地表径流量的演变趋势。 结果 甘南高原代表站仅玛曲站实测径流呈增加趋势，其余洮河岷县、大夏河双城及白龙江舟曲站均呈减少趋势，各站实测径流突变点均显著；甘南高原对外输出的地表径流量约为80.70亿m³，呈不显著减少趋势，减少率为1.36亿m³/10 a，突变点年份为1989年；黄河流域输出的地表径流量对下游兰州水文站实测径流量的贡献率多年平均为21.1%，呈减少趋势，减少率为0.18亿m³/10 a；长江流域白龙江对下游武都水文站的贡献率多年平均为37.3%，呈增加趋势，增加率为0.14亿m³/10 a；预测甘南高原2023年、2024年输出的地表径流量分别为78.79亿m³、77.83亿m³。 结论 受气候变化和人类活动的影响，1990年以来的30多年间甘南高原对外输出的地表径流量呈减少趋势。

Abstract

Objective The Gannan Plateau is an important runoff production area in the upper reaches of the Bailong River in the Yellow River and Yangtze River basins.The development trend of the regional production surface runoff is analyzed to provide a basis for optimizing the sustainable development and use of water resources. Method This article takes the Gannan Plateau as the research area and is based on 66 years of measured runoff data from 16 control hydrological stations,including Maqu,Shuangcheng,Minxian and Zhouqu.Propose the concept of using measured runoff to evaluate the external output of surface runoff within an area.The development trend of measured runoff and output surface runoff of the mainstream of the Yellow River,Taohe River,Daxia River and Bailong River in the region is analyzed using multiple trend mutation test methods,ARIMA model and other methods. Result The measured runoff at the representative station of Gannan Plateau only at Maqu Station shows an increasing trend,while that at the other stations in Minxian County of Taohe River,Shuangcheng of Daxia River and Zhouqu of Bailong River shows a decreasing trend,and the measured runoff mutation points at each station are significant.The surface runoff output from the Gannan Plateau to the outside world is 8.07 billion m³,showing an insignificant decreasing trend,with a reduction rate of 136 million m³/10 a,and the year of the mutation point is 1989.The contribution rate of surface runoff output from the Yellow River Basin to the measured runoff at the downstream Lanzhou Hydrological Station is 21.1% on average over the years,showing a decreasing trend,with a reduction rate of 18 million m³/10 a.The annual average contribution rate of the Bailong River in the Yangtze River Basin to the downstream Wudu Hydrological Station is 37.3%,showing an increasing trend,with an increase rate of 14 million m³/10 a.The predicted surface runoff output in 2023 and 2024 is 7.879 billion m³ and 7.783 billion m³,respectively. Conclusion Due to the effects of climate change and human activities,surface runoff from the Gannan Plateau has been decreasing for more than 30 years since 1990.This conclusion is of great significance for the development and utilization of water resources and economic and social development in the lower reaches of the Gannan Plateau and deserves high attention.

Graphical abstract

关键词

输出地表径流量 / 演变趋势 / 预测 / 甘南高原

Key words

output surface runoff / evolution trend / forecast / the Gannan Plateau

Author summay

牛最荣，正高级工程师，主要从事水文学与水资源的研究与教学。E-mail：[e-mail]

甘南高原区域跨黄河、长江流域，区域内独特的地理环境孕育了大面积的草地、森林和湿地生态系统，是黄河、长江上游重要的水源涵养地，拥有“三河一江”以及120多条支流，蕴含丰富的水资源，是被誉为“中华水塔”的重要组成部分^［1-3］。近年来由于气候变化和人类活动等因素导致了甘南高原区径流发生显著变化^［4-6］，因此研究甘南高原实测径流量及输出径流量的变化及对下游的影响，有利于为区域水生态保护和水资源开发利用提供科学依据。

近年来一些学者开展了甘南高原水资源方面的研究，如汪治桂等^［7］研究了1976~2019年甘南高原汛期不同等级降水时空变化特征，分析得出暴雨对汛期年降水量的贡献在逐年增加，其他等级降水的贡献略有减少；杨帆等^［8］分析了1973~2010年甘南高原气候历史演变趋势及其对水资源的影响，发现研究区暖干化导致水资源减少，湖泊水位下降，干旱草地面积扩大，草地涵养水源功能降低，产流量减少，黄河“蓄水池”的作用明显下降；王伟军等^［9］分析了2000~2014年甘南高原植被覆盖度变化及其对气候变化的响应，研究得出近15 a甘南高原年均气温和降水量均呈波动上升趋势；牛最荣等^［10］研究了白龙江干流代表站径流变化特征，结果表明4个水文站多年径流量变化趋势呈现出缓慢减少的趋势，上游减少的幅度比下游小；王静等^［11］研究了黄河上游兰州以上干流与主要支流流域径流时空分布规律及演变趋势，结果显示黄河源区各区间径流持续减少；牛最荣等^［12］分析了洮河还现后径流变化特征，得出红旗站年径流量呈现减小趋势。以上文献分析了甘南高原区域内降水、气温、植被覆盖度等对径流的影响及径流的演变规律，但并未系统地研究区域内各河流对外输出径流量情况及其演变趋势。

本文以甘南高原为研究区域，采用长系列水文资料分析大夏河、洮河、黄河干流以及白龙江各代表站的实测径流量、输出地表径流量的演变趋势，及黄河流域输出地表径流量对下游兰州水文站实测径流的贡献率情况，并基于水文站实测径流量提出对外输出地表径流量概念和计算方法，分析得出研究区不同水系对外输出的地表径流量，不包括区域内消耗用水、外调水等不能回归到下游河道内的水量，对下游的水资源开发利用更具实际意义。

1 研究区概况

甘南高原地处青藏高原东北边缘与黄土高原西部过渡地带，涉及甘南州的临潭县、卓尼县、夏河县、合作市、玛曲县、碌曲县、迭部县和舟曲县的舟曲水文站断面以上部分共8个县区。甘南高原是黄河上游重要的生态屏障，具有重要的水源涵养、水源补给、水土保持、维持生物多样性、调节区域气候等功能，在维护黄河流域水资源和生态安全方面具有不可替代的作用，在中国西部生态环境系统中处于十分重要的位置^［13-14］。研究区域属于大陆季风气候，地势西北部高，东南部低；气候严寒，高寒润湿；境内海拔1 100~4 900 m，大部分地区在3 000 m以上，年平均气温的变化范围1.6~13.3 ℃^［15］。

黄河干流由玛曲县木西合乡入境，控制站为门堂；由玛曲县欧拉秀玛乡出境，控制站为军功，为甘肃省与青海省、四川省的界河；洮河由碌曲县入境，控制站为碌曲，由西向东在岷县境内折向北流，止于永靖县汇入黄河刘家峡水库，控制站为李家村、红旗水文站；大夏河流经夏河县、临夏县、临夏市，由东乡县注入黄河刘家峡水库，代表站为双城、折桥水文站；白龙江流经甘南州的迭部县、舟曲县，陇南市的宕昌县、武都区、文县，在四川省广元市境内汇入嘉陵江，代表站为白云、舟曲水文站。

2 材料与方法

2.1 研究数据

选取甘南高原区域黄河干流、大夏河、洮河及白龙江的玛曲、双城、岷县、舟曲4个代表站，分析各站1956~2021年径流量的演变趋势，数据来源于水文年鉴。

选取甘南高原区域黄河干流的出入境控制站门堂、玛曲、军功水文站，支流沙柯曲久治、贾曲贾诺、白河唐克、黑河大水水文站；洮河干流的入境控制站碌曲及干流岷县、李家村水文站；大夏河干流的夏河及出境控制站双城水文站；白龙江干流的入境控制站白云及出境控制站舟曲水文站，采用水文站的实测径流量，分析各河流从甘南高原输出的地表径流量。

2.2 研究方法

2.2.1 演变趋势分析

对水文序列进行趋势和突变点分析的方法有很多，为更加适应研究区水文特性，本文年径流量趋势变化分析采用Spearman检验、坎德尔秩次相关法和趋势线法^［16］；年径流量序列突变点分析采用Mann-Kenddall秩次相关法、滑动T检验法^［17-18］。采用平均径流深、水文比拟法相结合的方法计算甘南高原各流域输出的地表径流量。

2.2.2 输出地表径流量

分析研究区输出地表径流量的主要依据是：区域内人类活动对径流影响相对不大、水资源开发利用程度低，实测径流量可较准确地反映出研究区域内对外输出的地表径流量。通常情况下，根据生产生活用水量计算得出的还原水量精度不高，且经还原计算后的天然径流量不能全部回归到下游河道，故输出地表径流量对下游的水资源开发利用更具实际意义。

输出地表径流量计算公式：

W_区域=W_{采用控制站}±W_{参考控制站}（1）

W_区域是研究区对外输出的径流量；W_{采用控制站}是直接采用水文站实测值计算的区域径流量；W_{参考控制站}是参考水文站实测值，采用径流深等值线法或水文比拟法分析得出的区域径流量。

2.2.3 输出地表径流量预测

预测分析未来几年甘南高原输出的地表径流量，可为区域社会经济发展的决策部署提供技术支撑^［19］。自回归滑动平均模型（ARIMA模型）是研究时间序列的重要方法，由自回归模型（AR模型）与滑动平均模型（MA模型）为基础“混合”而成，具有适用范围广、预测误差小的特点^［20］。ARIMA模型基本思想是将预测对象随时间推移而形成的数据序列视为一个随机序列，用一定的数学模型来近似描述这个序列。模型确定后就可以从时间序列的过去值预测未来值。ARIMA（p，d，q）中p，d，q分别为模型的自回归项阶数、移动平均项阶数和差分阶数，具体表达式为：

y（t）=ψ（1）y（t-1）+ψ（2）y（t-2）+…+ψ（p）y（t-p）+ε（t）-

θ（1）ε（t-1）-θ（2）ε（t-2）-θ（q）ε（t-q）（2）

式中：y（t）为历年水文特征值d阶差分后的平稳序列；ψ（p）为自回归模型参数；ε（t）为白噪声；θ（q）为滑动平均模型的参数。本研究应用SPSS软件自带的专家建模器，采用赤池信息量AIC最小准则，自动遍历求解出最优参数。

2.2.4 输出地表径流量贡献率

黄河干流兰州水文站位于刘家峡水库下游约80 km处，长江流域白龙江武都水文站位于舟曲水文站下游约76 km处。本研究分析得出的甘南高原大夏河、洮河输出地表径流量均在刘家峡水库汇入到黄河干流，白龙江输出地表径流量汇入武都水文站。以兰州、武都水文站实测径流量为基准值，分析1956~2021年甘南高原黄河流域及长江流域白龙江输出的地表径流量对兰州、武都水文站实测径流量的贡献率变化情况。

3 结果与分析

3.1 实测径流量演变趋势

3.1.1 趋势分析

1956~2021年玛曲、双城、岷县、舟曲4个代表水文站历年实测年径流量变化曲线及趋势见图1，趋势检验结果见表1。

由历年实测年径流量变化趋势图可以看出，黄河干流玛曲水文站年径流量呈不显著增大趋势，增大率为0.74亿m³/10 a，变化幅度较小；大夏河水文站年径流量呈不显著减小趋势，减小率为0.36亿m³/10 a；洮河岷县水文站年径流量呈显著减小趋势，减小率为1.88亿m³/10 a；白龙江舟曲水文站径流量呈不显著减少趋势，减小率为0.18亿m³/10 a。

3.1.2 突变分析

采用Mann-Kenddal检验法、T检验法，分析4个代表水文站年1956~2021年径流量的突变点，分析结果见图2、表2。Mann-Kenddal检验法的UF在0上下波动，说明该时期径流量变化趋势不显著。UF<0，且介于0.00与0.05显著性水平之间说明该时期径流量呈减小或增大趋势，但是不明显，UF值超过0.05显著性水平，持续上升或者下降，表明该时段径流量呈显著增大或者减小趋势。

由图2可以看出，黄河干流代表站玛曲站多年径流量显著性突变发生在1991年，突变量为11.9亿m³；大夏河水系代表站点双城站多年径流量显著性突变发生在1969年，突变量为2.53亿m³；洮河水系代表站点岷县站多年径流量显著性突变发生在1987年，突变量为9.65亿m³；白龙江水系代表站点舟曲站显著性突变发生在1986年，突变量为2.38亿m³。

甘南高原实测径流量空间分布特征为：黄河干流呈增加趋势，其余大夏河、洮河、白龙江均为减少趋势，其中洮河减小率最大，为1.88亿m³/10 a。

3.2 输出地表径流量演变趋势

3.2.1 输出地表径流量演变

甘南高原地域广，海拔高，无大的灌区，以雨养农业为主，草场实行轮牧制度，控制牲畜数量，草原受到保护，基本无工业，人类活动密度小，人类活动对地表径流的影响相对小。无测站控制区输出地表径流量采用水文比拟和平均径流深结合的方法推算；有测站控制区的直接采用控制站实测径流量，最后将无控制站区和有控制站区输出的地表径流量相加，即为区域输出的地表径流总量。

采用控制站1956~2021年实测径流计算甘南高原区域主要河流输出的地表径流量，分析历年输出的地表径流量演变规律及突变点情况。甘南高原不同区域输出的地表径流量、趋势检验、突变点分析分别详见表3~5。

从表4~5中可以看出，甘南高原合计输出的地表径流量80.70亿m³，呈不显著减少趋势，减少率为1.36亿m³/10 a。玛曲以上区域呈不显著增加趋势，增加率为0.15亿m³/10 a，显著突变点发生在1989年，突变量为2.41亿m³，玛曲以下呈不显著增加趋势，增大率为0.14亿m³/10 a，主要显著突变点发生在1992年，突变量为2.72亿m³；白龙江呈不显著减少趋势，无明显突变点；洮河呈显著减少趋势，减小率为1.89亿m³/10 a，显著突变点发生在1985年，突变量为10.13亿m³；大夏河呈不显著减少趋势，减小率为0.26亿m³/10 a，显著突变点发生在1968年，突变量为2.19亿m³。

3.2.2 输出地表径流量预测

根据4.2节计算得出的甘南高原不同流域输出地表径流量成果，基于1956~2021年系列值，采用自回归滑动平均模型ARIMA（p，d，q），预测2023~2024年2 a的输出地表径流量。预测结果见表6。表中统计量Q6用于检验残差前6阶自相关系数是否满足白噪声，通常其对应P值大于0.1，说明满足白噪声检验，反之则说明不是白噪声。表中Q6的P值均大于0.1，在0.1的显著性水平下不能拒绝原假设，模型的残差是白噪声，模型基本满足要求。从预测结果看，2022年、2023年甘南高原输出的地表径流量略小于现状年。

3.3 输出地表径流量贡献率

3.3.1 黄河流域

甘南高原黄河流域输出的地表径流量多年平均为65.71亿m³，占兰州水文站多年平均实测径流量311.0亿m³的21.1%。历年贡献率情况见图3。由图3分析可得，历年贡献率呈下降趋势，减少率为0.27%/10 a，合计输出地表径流量减少0.18亿m³/10 a。

3.3.2 长江流域白龙江

甘南高原长江流域白龙江输出的地表径流量多年平均为14.99亿m³，占武都水文站多年平均实测径流量40.41亿m³的37.3%。历年贡献率情况见图4。由图4可得，历年贡献率呈增加趋势，增加率为0.91%/10 a，合计输出地表径流量增加0.14亿m³/10 a。

4 讨论

由于20世纪90年代以来全球性气温升高和人类活动加剧的影响，甘南高原地表径流量的补给和产流条件发生了变化^［21］。本文主要分析了甘南高原作为重要的水源涵养区输出的地表径流量，研究发现甘南高原对外输出的地表径流量呈减少趋势，经预测发现，除黄河玛曲段，其余河流输出的地表径流量未来两年还会持续下降，这种情况应引起人们的足够重视^［21］。

甘南高原是黄河上游的重要产流区，本文研究的重点是甘南高原输出地表径流量的变化和对下游的径流量贡献情况。相对采用天然径流量评价得出地表水资源量，由于天然径流量包含的还原部分水量无法到达下游河道，导致下游实际来水量小于水资源评价值，进而会影响下游水资源开发工程规模大小的确定。

由于气温升高导致的流域内蒸散量增加，是甘南高原地表产水量减少的另一个不利因素，同时降水和人类活动也在不断发生着变化，今后需要进一步深入研究不同影响因素对甘南高原产流的影响机理及不同河流水系之间的径流量变化差异。

5 结论

1） 黄河干流玛曲站实测年径流量历年呈不显著增加趋势，大夏河双城站呈不显著减小趋势，洮河岷县站呈显著减小趋势，白龙江舟曲站呈不显著减小趋势，上述4站径流量突变年份分别为1991年、1969年、1987年、1986年。

2） 甘南高原输出地表径流量为80.70亿m³，占甘肃省自产地表水资源量256.1亿m³的31.5%，历年呈不显著减少趋势，减少率为1.36亿m³/10 a，突变点年份为1989年；黄河流域输出地表径流量为65.71亿m³，呈减少趋势，减少率为0.27亿m³/10 a，对黄河干流兰州径流量的贡献率为21.1%；长江流域输出地表径流量为14.99亿m³，呈减少趋势，减少率为0.05亿m³/10 a。

3） 预测2023年、2024年甘南高原输出地表径流量分别为78.79亿m³、77.83亿m³，呈减少趋势，均小于多年平均值，其中黄河流域输出地表径流量分别为61.46亿m³、63.68亿m³，呈增加趋势，主要原因可能是玛曲段的产水持续增加；长江流域输出地表径流量分别为17.33亿m³、14.15亿m³，呈减少趋势。

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基金资助

甘肃省重点研发计划项目(21YF5FA094)

甘肃省水利科学试验研究与技术推广计划项目（甘水建管发［2021］71号(GSA-JSYF-2021-006)

甘肃省水利科学试验研究与技术推广计划项目（甘水建管发［2021］71号(6GSAU-JSYF-2021-016)

甘水建管发〔2022〕59 号,22GSLK068