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干旱区研究 >

2024 , Vol. 41 >Issue 6: 928 - 939

DOI: https://doi.org/10.13866/j.azr.2024.06.03

水土资源

祖厉河干流近65 a径流变化及归因分析

  • 梁双河 ,
  • 牛最荣 ,
  • 贾玲
展开
  • 甘肃农业大学水利水电工程学院，甘肃 兰州 730070
牛最荣. E-mail:

梁双河（1998-），男，硕士研究生，主要研究方向为水文与水资源. E-mail:

收稿日期: 2023-10-10

  修回日期: 2024-04-18

  网络出版日期: 2025-08-12

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及技术推广计划项目(22GSLK068)

甘肃省水利科学试验研究及技术推广计划项目(22GSLK069)

收起

Analysis of runoff changes and attribution in the main stream of Zuli River in the past 65 years

  • LIANG Shuanghe ,
  • NIU Zuirong ,
  • JIA Ling
Expand
  • College of Water Resources and Hydropower Engineering, Gansu Agricultural University, Lanzhou 730070, Gansu, China

Received date: 2023-10-10

  Revised date: 2024-04-18

  Online published: 2025-08-12

Fold

摘要

基于祖厉河干流会宁、郭城驿、靖远3个国家基本水文站1957—2021年实测的月、年径流量资料，采用线性倾向估计、Mann-Kendall检验、小波分析等方法，探讨了祖厉河流域不同时间尺度径流变化规律，进行了径流减少的归因分析。结果表明：（1） 1957—2021年期间祖厉河干流径流量呈减少趋势，近30 a径流量减少52.9%。（2） 会宁、郭城驿、靖远3个水文站实测年径流量分别在1992年、1984年、1994年发生了突变。（3） 祖厉河干流3站径流量与降水量呈现相似的丰枯周期。分析结果表明，祖厉河干流实测年径流量减少主要受水土保持措施等人类活动的影响，其次为降水减少等气候因素的影响，其中，人类活动和气候变化对径流减少的贡献率分别为74.47%、25.53%。

关键词： 人类活动; 气候变化; 径流量; 归因分析; 祖厉河干流

本文引用格式

梁双河 , 牛最荣 , 贾玲 . 祖厉河干流近65 a径流变化及归因分析[J]. 干旱区研究, 2024 , 41(6) : 928 -939 . DOI: 10.13866/j.azr.2024.06.03

Abstract

Based on the measured annual and monthly runoff data of Huining, Guochengyi and Jingyuan stations in the main stream of Zuli River from 1957 to 2021, the variation characteristics and driving factors of runoff at different time scales in Zuli River Basin were analyzed by linear tendency estimation, Mann-Kendall test and wavelet analysis. The results showed that: which are mainly influenced by human activities and climatic factors. (1) The runoff of the main stream of the Zuli River showed a decreasing trend from 1957 to 2021, and the runoff has decreased by 52.9% over the past 30 years. (2) The measured annual runoff of the three hydrological stations of Huining, Guochengyi, and Jingyuan underwent abrupt changes in 1992, 1984, and 1994, respectively. (3) Runoff and precipitation showed similar cycles of abundant and low state at the three stations of the main stream of Zuli River. The analysis results show that the reduction of measured annual runoff in the main stream of the Zuli River is mainly affected by human activities such as soil and water conservation measures, followed by climatic factors such as the reduction of precipitation, of which human activities and climate change contribute to the reduction of runoff by 74.47% and 25.53%, respectively.

Key words： human activities; climate change; runoff; attribution analysis; main stream of Zuli River

河川径流不仅是水文循环的重要组成部分，也是影响生态环境变化和社会经济发展的重要因素。近年来，在气候变化与人类活动加剧的大背景下，流域水循环过程和水资源时空分布规律发生了明显改变，使得河流水文特性更加复杂[1⇓⇓⇓-5]。中国西北干旱区水资源短缺、生态环境脆弱，严重影响和制约了区域经济的可持续发展[6⇓-8]。祖厉河作为黄河上游的一级支流，地处黄土高原半干旱区[9⇓-11]，近年来，由于水土保持治理措施等人类活动，使得流域下垫面发生改变，流域持水能力增加，河川径流锐减，干涸现象频发[12-13]，掌握祖厉河流域近几十年来的径流演变特征对该流域水资源合理利用至关重要。因此，开展祖厉河干流径流变化特征研究迫在眉睫。
20世纪末期，全球大部分河流的年径流量发生了显著变化[14-15]。刘晓燕等[16-17]研究发现，进入21世纪，窟野河入黄径流量急剧减少，减幅达到了67%；刘昌明等[18]研究表明，除黄河上游部分流域外，中下游流域径流和降水普遍减少，气温普遍上升、潜在蒸散发普遍增大；许炯心[19]研究了人类活动对黄河河川径流的影响，结果表明灌溉面积对黄河侧支循环和主干循环相对强度指标变化的贡献率分别为86.55%和57.61%。祖厉河流域作为黄河上游的重要支流，近30 a来径流量呈显著锐减趋势，引起了诸多学者的关注。赵秀兰等[10]对祖厉河上游会宁站降水量、径流量、输沙量进行了研究，结果表明降水、径流、输沙量呈现出逐年减少的趋势，年际存在明显的“丰-枯”周期性变化；吕明侠等[12]通过M-K检验法和双累积曲线法对祖厉河河源区径流和泥沙对气候的响应进行了研究，结果表明祖厉河上游源区自20世纪80年代以来区域性气候变化明显，降水量逐渐减少，气温显著升高，同时蒸发持续增加。降水量在1994年出现了突变，径流量在1997年发生突变。河道径流量逐渐减少，自2000年开始出现了持续干涸现象。
综上所述，尽管众多学者针对祖厉河流域径流变化开展了一定的研究工作，但以往的径流变化特征研究多局限于趋势性、突变性等一两个方面，且多集中于上游会宁站或下游靖远站，也少有学者从气候变化和人类活动两方面进行全面的归因分析。随着全球气候变暖，人类活动影响加剧，祖厉河流域面临着断流的威胁，全面分析近30 a环境变化背景下祖厉河干流径流演变规律具有重要意义。因此，本文选取祖厉河干流会宁、靖远、郭城驿3个水文站1957—2021年长系列月、年尺度实测径流资料，采用线性倾向、Mann-Kendall突变检验等方法，科学分析流域干流径流量年际、季节变化规律，并从降水、气温、蒸发等气候变化因素和水利水保工程措施等人类活动两个方面对祖厉河干流径流变化的综合性影响进行讨论，分析了突变节点发生的原因，旨在为流域的水资源科学管理和生态环境治理提供科学依据。

1 数据与方法

1.1 研究区概况

祖厉河由祖河、厉河汇集而成，是黄河流域上游一级支流[10,20]。祖厉河发源于会宁县南部的华家岭北麓，流经甘肃省会宁、安定、通渭、陇西、榆中、靖远六县（区）及宁夏的一部分，于靖远县红咀子汇入黄河。流域地处104°13′~105°35′E、35°16′~36°34′N之间（图1），其干流长度220 km，多年平均径流量为1.041×108 m3，多年平均输沙量为4170×104 t，流域总面积为10653 km2[21]，其中，在甘肃省境内的面积为10056 km2，占流域总面积的94.40%。海拔在1200~3100 m之间。流域地处海洋季风边缘，属温带半干旱气候，具有大陆性季风气候特点[20,22]。年均气温3.60~8.80 ℃，全年日照时数在2430~2680 h之间，降水量少且分布不均，全流域年均降水量为314.70 mm，其中68.50%的降雨集中在6—9月，年蒸发量1407~1736 mm[22]。
图1 研究区概况图

Fig. 1 Overview map of the study area

1.2 数据来源

本文采用的基础数据资料包括祖厉河干流会宁、郭城驿、靖远三处水文站1957—2021年实测月尺度径流数据和33处雨量站1957—2021年降水观测资料，所有径流和降水数据均为甘肃省水文站实测资料，资料来源可靠，满足“三性”要求。水文站概况见表1。
表1 祖厉河干流水文站概况

Tab. 1 Overview of the Zuli River main stream hydrological station

流域 河段 站点 经纬度 控制面积/km2 时间
上游 会宁 105°03′E，35°41′N 990 1957—2021年
祖厉河干流 中游 郭城驿 104°53′E，36°13′N 5473 1957—2021年
下游 靖远 104°40′E，36°33′N 10647 1957—2021年
本文将一年划分为3—5月（春季）、6—8月（夏季）、9—11月（秋季）、12月至次年2月（冬季）。

1.3 研究方法

采用线性倾向估计法[23⇓⇓⇓⇓-28]、5 a滑动平均法[29⇓⇓-32]、累积距平法[27]分析年径流量变化趋势和丰枯状况并检验其显著性水平。采用Mann-Kendall突变检验法[33⇓⇓-36]确定年径流量的突变年份，该方法是目前水文分析中应用较为广泛的一种检验时间突变点的研究方法。采用小波分析法[37-38]研究径流量周期变化特征。采用双累积曲线法[39]定量估算气候变化和人类活动对径流变化的贡献率。

2 结果与分析

2.1 趋势性分析

会宁站、郭城驿、靖远站的年径流量分别以-0.03×108 m3·(10a)-1、-0.06×108 m3·(10a)-1、-0.15×108 m3·(10a)-1的速率显著减少（图2a、图2c、图2e，表2）。其中，会宁站最大值为0.45×108 m3（1959年），最小值为0.003×108 m3（2016年），两者相差0.447×108 m3，最大年径流量是最小年径流量的150倍；郭城驿站年均径流量为0.54×108 m3，其中，最大值为1.89×108 m3（1959年），最小值为0.17×108 m3（2014年），两者相差1.72×108 m3，最大值是最小值的11.12倍；靖远站年均径流量为1.02×108 m3，其中，最大值为3.03×108 m3（1964年），最小值为0.39×108 m3（1975年），两者相差2.64×108 m3，最大值是最小值的7.77倍。
图2 祖厉河干流年径流量趋势线和累积距平

Fig. 2 Trend line and cumulative distance level of annual runoff in the main stream of the Zuli River

表2 祖厉河干流四季径流量趋势分析

Tab. 2 Trend analysis of runoff volume in the main stream of Zuli River in four seasons

水文站 春季 夏季 秋季 冬季 年
倾向率
/[m3·(10a)-1]		 变化趋势 倾向率
/[m3·(10a)-1]		 变化趋势 倾向率
/[m3·(10a)-1]		 变化趋势 倾向率
/[m3·(10a)-1]		 变化
趋势		 倾向率
/[m3·(10a)-1]		 变化趋势
会宁站 -0.005 显著下降 -0.019 显著下降 -0.008 显著下降 -0.001 显著下降 -0.034 显著下降
郭城驿站 -0.001 下降不显著 -0.063 显著下降 -0.008 显著下降 0.003 显著上升 -0.064 显著下降
靖远站 -0.004 下降不显著 -0.142 显著下降 -0.015 下降不显著 0.011 显著上升 -0.152 显著下降
根据年径流量累积距平曲线可以看出（图2），会宁站1957—1970年呈现上升趋势，为丰水年；1973—1977年为偏枯年；1986—2021年呈现下降趋势，为枯水年（图2b）。郭城驿站1957—1970年呈上升趋势，为丰水年；1999—2017年呈下降趋势，为枯水年（图2d）。靖远站1957—1970年呈上升趋势，为丰水年；1999—2021年呈下降趋势，为枯水年（图2f）。
对会宁站、郭城驿、靖远站四季径流量进行趋势性和显著性分析，结果如表2所示。会宁站四季均呈现显著下降趋势，下降速率排序为：夏季[-0.019×108 m3·(10a)-1]>秋季[-0.008×108 m3·(10a)-1]>春季[-0.005×108 m3·(10a)-1]>冬季[-0.001×108 m3·(10a)-1]；郭城驿站和靖远站春季、夏季、秋季均呈现下降趋势，且春秋季下降不显著，而冬季均呈现显著上升趋势。

2.2 突变分析

利用M-K法对1957—2021年会宁站、郭城驿站、靖远站年径流量时间序列进行突变检验（图3）。根据图3a，UF和UB曲线相交于1992年且处于置信水平95%的置信区间内，表明会宁站年径流量在1992年发生了突变。以突变点为时间节点，将研究序列分为1957—1992年（突变前）和1993—2021年（突变后）两个时间段，对会宁站年径流量突变前后的差异进行分析（图4a）。结果表明（表3），突变前年平均径流量大于多年平均径流量；突变后年平均径流量小于多年平均径流量。突变前后径流总量分别占多年径流总量的79.01%和20.99%，值得注意的是突变后年平均径流量差不多是突变前年平均径流量的1/3。可见，会宁站突变后径流量减少的比较显著。
图3 祖厉河干流年径流量M-K检验

Fig. 3 M-K test chart of annual runoff volume of the main stream of the Zuli River

图4 基于突变点的祖厉河干流年际径流量变化

Fig. 4 Interannual runoff variability in the mainstem Zuli River based on mutation points

表3 祖厉河干流突变前后径流分析

Tab. 3 Analysis of runoff before and after a sudden change in the main stream of the Zuli River

站名 突变时间 突变前平均径流量 突变后平均径流量 多年平均径流量
会宁站 1992年 0.17×108 m3 0.06×108 m3 0.12×108 m3
郭城驿站 1984年 0.67×108 m3 0.44×108 m3 0.54×108 m3
靖远站 1994年 1.22×108 m3 0.74×108 m3 1.02×08 m3
郭城驿站年径流量在1984年发生突变（图3b）。进一步分析年径流量突变前后的变化（图4b），结果表明，突变前年平均径流量大于多年平均径流量；突变后年平均径流量小于多年平均径流量。突变前后径流总量分别占多年径流总量的53.85%和46.15%。突变前年平均径流量大约是突变后年平均径流量的1.52倍。
靖远站年径流量在1994年发生突变（图3c）。进一步分析年径流量突变前后的变化（图4c），结果表明，突变前年平均径流量大于多年平均径流量；突变后年平均径流量小于多年平均径流量。突变前后径流总量分别占多年径流总量的70.32%和29.68%。突变前年平均径流量大约是突变后年平均径流量的1.65倍。

2.3 周期性分析

2.3.1 会宁站

结合图5a和图5b，会宁站年径流量存在4个主周期，分别是17 a、4 a、8 a和29 a，其中，17 a为第一主周期。年径流量在1~7 a、8~12 a、13~23 a、24~32 a时间尺度上存在周期性变化，且均存在多次丰枯交替震荡，1997年之前周期性比较明显。如图6a所示，对于17 a的特征时间尺度，存在4个明显的丰水期中心和4个枯水期中心，其中，丰水期中心对应的年份为1968年、1979年、1991年、2004年，枯水期中心对应的年份为1962年、1974年、1986年、1997年。
图5 祖厉河干流年径流量小波方差和实部

Fig. 5 Wavelet variance and real part of the annual runoff in the main stream of the Zuli River

图6 祖厉河干流年径流量小波周期

Fig. 6 Wavelet periodogram of annual runoff in the main stream of the Zuli River

2.3.2 郭城驿站

结合图5c和图5d，郭城驿站年径流量存在3个主周期，分别为4 a、8 a和15 a，其中，4 a为第一主周期。3~6 a、7~12 a、13~26 a时间尺度上存在周期性变化。13~26 a尺度变化特征明显，存在丰枯交替的4次周期变化。从小波方差图中可以看出，郭城驿站存在一个明显的峰值，对应着4 a尺度特征。由图6b可知，第一主周期丰枯交替特别频繁，丰水中心最大值对应年份为1962年，枯水中心最小值对应年份为1958年，1977年之前周期性比较明显。

2.3.3 靖远站

结合图5e和图5f，靖远站年径流量存在3个主周期，分别为7 a、4 a和23 a，其中，7 a为第一主周期。1~6 a、7~18 a、19~32 a时间尺度上存在周期性变化，2001年之前周期性比较明显。由图6c可知，第一主周期存在13个丰水期中心和12个枯水期中心，丰枯交替频繁。丰水期中心最大值对应年份为1959年，枯水期中心最小值对应年份为1962年。

2.4 径流减少的归因分析

2.4.1 降水变化趋势

祖厉河干流会宁、郭城驿、靖远3个水文站1957—2021年降水量均呈现下降趋势（图7a、图7c、图7e），下降速率由大到小为：郭城驿站[-7.24 mm·(10a)-1]、靖远站[-7.08 mm·(10a)-1]、会宁站[-6.02 mm·(10a)-1]。会宁站、郭城驿站、靖远站降水量65 a内分别减少了27.1 mm、17.1 mm和12.5 mm。根据年降水量累积距平曲线可以看出，会宁站1957—1968年、2017—2020年呈现上升趋势，处于多雨期；1970—2016年呈现下降趋势，处于少雨期（图7b）。郭城驿站和靖远站累积距平曲线呈相同走势，均在1957—1968年、2016—2020年呈上升趋势，处于多雨期；1996—2016年呈下降趋势，处于少雨期（图7d、图7f）。
图7 祖厉河干流年降水量趋势线和累积距平

Fig. 7 Annual precipitation trend line and cumulative distance level in the main stream of the Zuli River

与前文径流丰枯变化径流对比分析（表4）可知，降水的多少与径流的丰枯基本一致，但径流的丰枯相较于降水有一定的滞后性，表明祖厉河干流径流量随着降水量的减少而减少。
表4 祖厉河干流降水径流丰枯对比

Tab. 4 Comparison of the abundance of precipitation runoff in the main stream of the Zuli River

站名 多雨期 丰水期 少雨期 枯水期
会宁站 1957—1968年、2017—2020年 1957—1970年 1970—2016年 1986—2021年
郭城驿站 1957—1968年、2016—2020年 1957—1970年 1996—2016年 1999—2017年
靖远站 1957—1968年、2016—2020年 1957—1970年 1996—2016年 1999—2021年

2.4.2 水土保持措施

如图8为祖厉河流域1956—2015年各项水土保持措施面积变化，从20世纪70年代开始大力开展农田基本建设，坡面梯田化、沟道坝系化等工程措施，梯田面积增加趋势显著，从1970年的8.42×103 hm2增加到1979年的57.64×103 hm2，其他水土保持措施面积增加不明显。从80年代开始各类水土保持措施面积都开始增加，其中，梯田、林地和种草面积大幅增加，林地和种草面积增加了5倍和12倍，直到90年代后期，坝地面积又呈现缓慢减少趋势，从1995年的2.27×103 hm2减少到2015年的2.04×103 hm2，其他各类措施面积逐年增加，其中，封禁治理面积增加趋势非常显著，从1990年的4.87×103 hm2增加到2015年的23.31×103 hm2，梯田、林地和种草面积分别从1990年的83.03×103 hm2、71.97×103 hm2和83.49×103 hm2增加到2015年的276.56×103 hm2、195.31×103 hm2和131.46×103 hm2。
图8 祖厉河流域水土保持措施面积

注：梯田、林地、种草面积绘制在主坐标轴，坝地的封禁治理绘制在次坐标轴。

Fig. 8 Area of soil and water conservation measures in the Zuli River Basin

结合图9a、图9b可知，祖厉河流域20世纪70年代中小型淤地坝大量建设，达到了31座，80年代开始淤地坝数量逐年增加，10 a内骨干坝和中小型坝分别增加了8座和11座。90年代淤地坝建成51座，其中，骨干坝43座，中小型坝8座。2000—2009年为淤地坝建设的高峰期（骨干坝75座，中小型坝154座）。
图9 祖厉河流域淤地坝数量

Fig. 9 Number of silt dams in the Zuli River basin

2.4.3 气候变化与人类活动对径流减少的贡献率

采用双累积曲线将径流减少归因于降水和人类活动。如图10、表5所示，变异期的多年平均降水量较基准期减少了30.05 mm，而径流量较基准期减少了0.47×108 m3。降水、人类活动分别引起径流减少0.12×108 m3、0.35×108 m3，表明降水、人类活动对祖厉河干流径流减少的贡献率分别为25.53%、74.47%，人类活动是流域径流量锐减的主导因素。
图10 祖厉河干流降水-径流量双累积曲线

Fig. 10 Precipitation-runoff double cumulative curve of the main stream of Zuli River

表5 气候变化和人类活动对祖厉河干流径流变化影响

Tab. 5 Impacts of climate change and human activities on changes in runoff from the main stem of the Zuli River

时间 年均
降水量/mm		 径流量及其变化 人类活动 气候变化
突变前
实测值/108 m3		 突变后
实测值/108 m3		 突变后
计算值/108 m3		 变化
总量/108 m3		 影响量
/108 m3		 贡献率
/%		 影响量
/108 m3		 贡献率
/%
1957—1994年（突变前） 378.46 1.21 0.74 1.09 0.47 0.35 74.47 0.12 25.53
1995—2021年（突变后） 348.41

3 讨论

降水、蒸发、气温是径流变化的主要气象因素[40-41]，有研究表明，降水变化是中国大部分河流径流变化的主要原因[42]。本研究发现，1957—2021年祖厉河干流年降水量均呈下降趋势，降水量减少，导致径流减少。有研究表明，祖厉河上游源区自20世纪80年代以来，区域性气候变化明显，气温显著升高，蒸发量增加，造成径流减少[12]。
祖厉河流域的人类活动主要包括水土保持治理措施和跨流域引水灌溉工程。水土保持治理措施是指实施梯田、造林、种草、封禁治理等。祖厉河流域水土保持治理从20世纪70年代开始发展，80年代和90年代水土保持措施面积和淤地坝数量大幅增加，截至2016年，流域内梯田、封禁治理、林地和草地面积分别达到了298.59×103 hm2、26.17×103 hm2、97.47×103 hm2、131.46×103 hm2 [21]，水土流失治理程度达到60.31%。随着水土保持措施数量的增加，流域内植被数量增大，植被生理及其环境水分支撑所对应的水分消耗，对径流形成存在抑减效应，间接导致祖厉河流域径流量的减少[22]，而会宁站、郭城驿站和靖远站径流突变均发生在1980年以后，很可能与20世纪80—90年代大力发展水土保持措施有关。另外，跨流域引水灌溉工程——靖会引黄电力提灌工程影响尤为重要[43]。1973年靖会灌区通水后，每年调水在108 m3的量级以上，但由于中下游人口剧增，土地利用类型改变较大，地表调水显然并没有使区域内的河川径流量增加[44]。可见，人类活动造成的地表变化和区域径流量的关联响应相当明显。靖会灌区处于祖厉河中下游，有研究表明，灌溉回归水会对中下游的径流进行补给，对郭城驿和靖远水文站年径流量产生一定的影响，而上游会宁及以上并未受到影响[43,45-46]。由此可见，郭城驿站年径流量突变较早与靖会工程密切相关。
综上所述，以水土保持措施与靖会工程为主的人类活动占主要因素，以降水量减少为主的气候变化占次要因素，二者的共同作用导致了祖厉河干流径流减少。
祖厉河流域地处干旱半干旱地区，其径流量的变化对流域的生态环境变化和经济社会发展具有重要作用，后续还需对径流减少这一现状加以关注。同时，祖厉河是黄河上游泥沙的主要来源之一，由于气候变化和人类活动的影响，近几十年来流域输沙量锐减，水沙关系随之改变，在后续研究中需加强对水沙变化及其驱动因素的研究，从而为流域生态环境修复提供科学依据。

4 结论

本文以祖厉河干流为研究对象，对径流变化的趋势性、突变性、周期性进行了全面分析，并讨论了影响祖厉河径流变化的主要原因，定量估算气候变化和人类活动对径流变化的贡献率，主要结论如下：
（1） 祖厉河干流近65 a径流量总体呈现减少趋势，减小速率由大到小为：靖远[-0.15×108 m3·(10a)-1]、郭城驿[-0.06×108 m3·(10a)-1]、会宁[-0.03×108 m3·(10a)-1]。祖厉河干流径流年内分配极不均匀，主要集中在6—9月，占年径流总量的75%左右。
（2） 会宁、靖远水文站实测年径流量分别在1992年、1994年发生了突变，这与20世纪80—90年代大力发展水土保持措施和降水量减少有关；郭城驿水文站实测年径流量在1984年发生突变，是靖会引黄电力提灌工程修建导致。自突变发生以来，3站突变后年径流总量较突变前分别减少了73.43%、38.62%、57.80%。
（3） 祖厉河会宁站、郭城驿站、靖远站均具有多尺度特征周期。干流3站年径流量小波周期图近30 a波动幅度减小甚至趋于平稳，可反映出祖厉河干流近30 a丰枯次数相对减少，旱涝灾害发生频率降低。
（4） 祖厉河干流3个水文站径流量丰枯周期随着降水量的变化而变化，但人类活动对祖厉河径流变化的影响远大于气候变化对祖厉河径流变化的影响。其中，人类活动的贡献率为74.47%，气候变化的贡献率为25.53%。

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