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ZHANG Jianyun, WANG Guoqing, JIN Junliang, HE Ruimin, LIU Cuishan. Evolution and variation characteristics of the recorded runoff for the major rivers in China during 1956—2018[J]. Advances in Water Science, 2020, 31(2): 153-161. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2020.02.001
Citation: ZHANG Jianyun, WANG Guoqing, JIN Junliang, HE Ruimin, LIU Cuishan. Evolution and variation characteristics of the recorded runoff for the major rivers in China during 1956—2018[J]. Advances in Water Science, 2020, 31(2): 153-161. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2020.02.001

Evolution and variation characteristics of the recorded runoff for the major rivers in China during 1956—2018

doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2020.02.001
Funds:

The study is financially supported by the National R & D Program of China 2016YFA0601501

the National Natural Science Foundation of China 41830863

  • Received Date: 2019-10-01
    Available Online: 2020-03-10
  • Publish Date: 2020-03-30
  • Surface water is a key natural resources and a restrictive element to maintain regional ecological balance and support development of social economy. River runoff is the main form of surface water resources. Variation of the both river runoff and surface water will directly influence water resources management of a basin. Based on the annual report series of water resources and the recorded runoff of 10 representative hydrometric stations on major rivers in China, the variations of the surface water resources of the ten water resources zones and recorded runoff of major rivers in China during 1956—2018 were investigated. The results show that:① The annual runoff gauged on major rivers during 1956—2018 shows a downward trend with exception of the Datong station on the Yangtze River. ② The recorded annual runoff of the Tangnaihai station on the upper Yellow River presented an insignificant decreasing trend while that gauged at the Huayuankou station on the Yellow River exhibited a significant decreasing trend. During 1980—2000 and 2001—2018, the recorded runoff at the Tangnaihai station changed by 1.8% and-5.9% as comparing to baseline in 1956—1979 while that of the Huayuankou station decreased by 26.7% and 41.0% respectively. ③ Geographically, the Yellow River could be treated as separation boundary of runoff variation trends from the north to the south of China in terms of significance level. Recorded annual runoff presented significant decreasing trends for rivers in the north to the Yellow River while that exhibited insignificant variation trends for rivers in its south. The recorded runoff in 2001—2018 decreased by more than 25% relative to the baseline of 1956—1979 for the northern China rivers, with the highest reduction of over-80% occurring in the Haihe River. ④ The average annual surface water resources of China during 1956—2018 was approximately 2 726.6 billion m3, which is 12.2 billion m3 less than that in the second water resources assessment conduced in 2004. Reduction of surface water in the Haihe River zone, Yellow River zone, and Liaohe River zone aggravated contradiction between water supply and water demand since the early 21st century.
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Evolution and variation characteristics of the recorded runoff for the major rivers in China during 1956—2018

doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2020.02.001
Funds:

The study is financially supported by the National R & D Program of China 2016YFA0601501

the National Natural Science Foundation of China 41830863

Abstract: Surface water is a key natural resources and a restrictive element to maintain regional ecological balance and support development of social economy. River runoff is the main form of surface water resources. Variation of the both river runoff and surface water will directly influence water resources management of a basin. Based on the annual report series of water resources and the recorded runoff of 10 representative hydrometric stations on major rivers in China, the variations of the surface water resources of the ten water resources zones and recorded runoff of major rivers in China during 1956—2018 were investigated. The results show that:① The annual runoff gauged on major rivers during 1956—2018 shows a downward trend with exception of the Datong station on the Yangtze River. ② The recorded annual runoff of the Tangnaihai station on the upper Yellow River presented an insignificant decreasing trend while that gauged at the Huayuankou station on the Yellow River exhibited a significant decreasing trend. During 1980—2000 and 2001—2018, the recorded runoff at the Tangnaihai station changed by 1.8% and-5.9% as comparing to baseline in 1956—1979 while that of the Huayuankou station decreased by 26.7% and 41.0% respectively. ③ Geographically, the Yellow River could be treated as separation boundary of runoff variation trends from the north to the south of China in terms of significance level. Recorded annual runoff presented significant decreasing trends for rivers in the north to the Yellow River while that exhibited insignificant variation trends for rivers in its south. The recorded runoff in 2001—2018 decreased by more than 25% relative to the baseline of 1956—1979 for the northern China rivers, with the highest reduction of over-80% occurring in the Haihe River. ④ The average annual surface water resources of China during 1956—2018 was approximately 2 726.6 billion m3, which is 12.2 billion m3 less than that in the second water resources assessment conduced in 2004. Reduction of surface water in the Haihe River zone, Yellow River zone, and Liaohe River zone aggravated contradiction between water supply and water demand since the early 21st century.

ZHANG Jianyun, WANG Guoqing, JIN Junliang, HE Ruimin, LIU Cuishan. Evolution and variation characteristics of the recorded runoff for the major rivers in China during 1956—2018[J]. Advances in Water Science, 2020, 31(2): 153-161. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2020.02.001
Citation: ZHANG Jianyun, WANG Guoqing, JIN Junliang, HE Ruimin, LIU Cuishan. Evolution and variation characteristics of the recorded runoff for the major rivers in China during 1956—2018[J]. Advances in Water Science, 2020, 31(2): 153-161. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2020.02.001
  • 20世纪以来, 全球气候持续性显著变暖, 对区域河川径流与水资源产生一定影响[1-4];随着人口迅速增长和经济快速发展, 人类对水资源需求日益增多, 进而导致区域水资源供给需求矛盾不断加剧[5]。河川径流是地表水资源的主要形式, 变化环境下河川径流及地表水资源量的变化将对区域水资源管理带来严峻挑战[6-7]

    河川径流及地表水资源的变化及其演变特征是流域管理者关注和科技工作者研究的核心内容[8-10]。受变化环境的影响, 在全球前200条大的河流中, 约有三分之一表现出显著性变化趋势, 其中, 呈上升趋势的有19条河流, 呈现下降趋势的为45条;并且, 人类活动对径流影响大于气候变化[11]。已有研究结果表明, 海河是受人类活动影响最为显著的河流, 1970—2010年实测径流量较1950—1969年减少30%~70%, 其中, 人类活动的影响占径流总减少量的60%以上[12-13]。中国北方辽河实测径流量自20世纪70年代以来减少明显[13-14], 中国最北边的松花江实测径流量整体呈现非显著性减少趋势[15]。变化环境下, 中华母亲河黄河上游径流量出现弱减少趋势, 中下游减少明显[13, 16]。中国第一大河流长江, 由于上游大量兴建大型水库, 水利工程的蓄水和调度对中下游河川径流产生了深刻影响, 具体表现为径流季节提前, 伏秋(特别是10月)流量显著降低[17];中国南方珠江的最大支流西江实测径流量在1950—2015年减少明显, 且具较强的持续性[18]。目前观测资料和已有研究均表明, 在过去的50~60年间, 河川径流已经或正在发生着变化, 并给水资源管理带来了新的挑战。

    从目前已有研究成果来看, 对江河径流量变化态势的分析大多集中在单独一个流域, 对中国主要江河的实测径流量总体演变态势及其特征认识相对缺乏。张建云等[13]、王金星等[19]利用1950—2006年实测径流量资料综合分析了中国六大流域径流量演变趋势及年内分配的变化, 发现北方主要河流年径流量呈减少趋势, 南方江河径流量以波动性演变特征为主, 水利工程对径流的年内分配产生明显的影响。然而, 相关研究缺乏对最近十几年中国经济快速发展期和气候变化共同影响下的中国主要江河径流和地表水资源的变化情况及特征分析。

    本文应用1956—2018年中国主要江河代表性水文站的实测流量资料, 以及第一、二次中国水资源评价结果和2001—2018年的水资源公报资料, 系统分析中国主要江河实测径流量的变化趋势以及中国十大水资源区地表水资源的变化及其特征, 以期为第三次水资源评价以及将来河流的开发治理与保护提供科学依据。

  • 中国江河水系分为七大流域:长江、黄河、松花江、辽河、海河、淮河和珠江流域。基于七大流域的完整性及水资源空间分布和地理特征, 全国分为十大水资源分区, 分别为:松花江区(Ⅰ)、辽河区(Ⅱ)、海河区(Ⅲ)、黄河区(Ⅳ)、淮河区(Ⅴ)、长江区(Ⅵ)、东南诸河区(Ⅶ)、珠江区(Ⅷ)、西南诸河区(Ⅸ)、西北诸河区(Ⅹ)。根据第二次中国水资源评价, 1956—2000年中国平均地表水资源量27 388亿m3, 其中, 长江、黄河等七大江河区地表水资源量占64.9%[1]。本文以全国十大水资源区和七大江河为研究对象, 分析河川径流和地表水资源的变化特征。表 1给出了十大水资源分区及所选代表性水文站的基本信息, 图 1给出了中国十大水资源分区、主要河流水系以及所选代表性水文站位置示意图。

    序号 水资源分区 水资源分区面积/km2 主要江河 水文站 控制面积/km2
    松花江区 934 802 松花江 哈尔滨 389 769
    辽河区 314 146 辽河 铁岭 120 764
    海河区 320 041 海河 石匣里
    观台
    23 627
    17 800
    黄河区 795 043 黄河 唐乃亥
    花园口
    121 972
    730 036
    淮河区 330 009 淮河 吴家渡 121 330
    长江区 1 782 715 长江 宜昌
    大通
    1 005 501
    1 705 383
    东南诸河区 244 574
    珠江区 578 974 珠江 梧州 327 006
    西南诸河区 844 114
    西北诸河区 3 362 261

    Table 1.  Basic information of the ten water resources zones and the representative hydrometric stations on major rivers in China

    Figure 1.  Major river system, ten water resources zones, and locations of the representative hydrological stations in China

    所选的代表性水文站大多在江河干流上, 且控制面积相对较大, 例如, 长江大通站控制面积为1 705 383 km2, 占长江流域面积的95.6%, 黄河花园口站的控制面积为730 036 km2, 占黄河流域面积的91.8%。海河流域与其他江河不同, 由潮白河、永定河、大清河等多条河流组成, 因此, 在海河选了两个控制面积相对较大的岳城水库入库控制站观台水文站和官厅水库入库控制站石匣里水文站, 二者基本上代表了海河南北区的水文情势。由于长江和黄河流域横穿中国东西区域, 上下游水文特征差别较大, 因此, 也分别在这两条河流的上下游选择了干流控制性水文站。

    收集整理了中国七大江河干流的十个重点水文站1956—2018年的实测流量资料, 用于分析主要江河径流的演变趋势;此外, 收集了水利部发布的2001—2018年全国水资源公报数据, 结合全国第一、二次水资源调查评价结果, 分析十大水资源分区地表水资源的变化特征。

  • 采用Mann-Kendall趋势检验法诊断径流序列演变的趋势特征及其显著性, 该方法具有检验范围宽、受人为影响较小的特点, 是目前水文、气象系列趋势检验方法中应用较多且具有理论意义的一种方法[20-21]。其统计量τ、方差σ2、标准化统计量Zs(M-K值)的计算公式为:

    $$ \tau = \frac{{4P}}{{N(N - 1)}} - 1 $$ (1)
    $$ {\sigma ^2} = \frac{{2(2N + 9)}}{{9N(N - 1)}} $$ (2)
    $$ {Z_{\rm{s}}} = \tau /\sigma $$ (3)

    式中: P为研究系列的所有观测值中xixj出现的次数;N为系列长度。

    当统计量Zs不满足$ - {Z_{1 - \frac{\alpha }{2}}} \le {Z_{\rm{s}}} \le {Z_{1 - \frac{\alpha }{2}}}$ (α为给定的显著水平)时, 即表明序列具有显著的变化趋势, 反之, 趋势不显著。当给定显著水平α=0.05时, 临界值为±1.96。

  • 图 2给出了中国七大江河10个重点水文站1956—2018年实测年径流量过程, 采用Mann-Kendall方法诊断了10个水文站年和季节径流量变化趋势的显著性(表 2)。由图 2可以看出: ①仅长江大通站实测径流量呈现略微上升趋势(年径流量的线性倾向率为0.327 mm/a), 其余各站径流量均为不同程度的减少趋势。②黄河上游以及黄河以南的江河年径流量变化趋势不明显;而黄河下游及其以北江河实测径流量下降趋势明显, 特别是海河观台站, 年径流量下降幅度为-1.768 mm/a, 并且在1980年之后多数年份径流量接近于0。

    Figure 2.  Recorded annual runoff from 1956—2018 gauged at the ten representative hydrometric stations on the seven major rivers in China

    序号 河流 水文站 倾向率/(mm·a-1) M-K值
    1 松花江 哈尔滨 -0.696 -3.11 -2.76 -1.64 -3.55 -1.24
    2 辽河 铁岭 -0.289 -2.89 0.82 -3.28 -2.97 1.71
    3 海河 石匣里 -0.684 -8.46 -8.69 -7.18 -6.52 -8.70
    4 海河 观台 -1.768 -5.29 -4.82 -4.29 -4.91 -6.20
    5 黄河 唐乃亥 -0.177 -0.77 -0.90 -0.50 -0.74 0.55
    6 黄河 花园口 -0.631 -5.13 -1.73 -3.87 -5.32 -2.17
    7 淮河 吴家渡 -0.585 -0.61 -0.74 -0.91 -0.28 0.99
    8 长江 宜昌 -0.385 -1.05 2.69 -1.54 -2.88 4.78
    9 长江 大通 0.327 0.69 0.79 0.20 -1.28 5.02
    10 珠江 梧州 -0.269 -0.48 0.59 -1.47 -0.74 3.02

    Table 2.  Variation trends of the recorded annual and seasonal runoff from 1956—2018 gauged at the 10 representative hydrometric stations on the seven major rivers in China

    表 2可以看出: ①长江大通站年径流量系列的M-K值为0.69, 径流量呈增加趋势, 其他的水文站年径流量系列的M-K值均小于0, 年径流量呈减少趋势;其中, 黄河中下游及其以北江河实测年径流量系列的M-K值超过0.05置信水平阈值-1.96, 为显著性减少趋势, 而黄河上游唐乃亥站及黄河以南江河实测年径流量系列的M-K值介于0.05置信水平阈值±1.96之间, 为非显著性变化趋势。②海河流域石匣里和观台水文站的季节径流量系列M-K值均超过0.05置信水平阈值-1.96, 为显著性减少趋势。③ 4个季节径流量均呈现一致性减少趋势的还有黄河中下游花园口水文站与松花江哈尔滨水文站;其中, 花园口站只有春季径流量为非显著性减少趋势, 其余季节径流量减少趋势显著;松花江流域春、秋径流量为显著性减少, 夏、冬径流量为非显著性减少。④所有水文站秋季径流量均出现减少趋势, 但黄河上游唐乃亥站、长江下游大通站、淮河吴家渡站以及珠江梧州站为非显著性减少。⑤夏季径流量只有长江大通站为弱增加趋势, 其余各站均呈现减少趋势, 其中, 显著性减少主要发生在黄河花园口站以及海河、辽河水文站。⑥大多水文站的冬季径流量呈现增加趋势, 其中, 长江和珠江的3个水文站冬季径流量显著增多, 但海河、黄河中下游以及松花江水文站冬季径流量呈现减少趋势。

    第一次全国水资源评价采用1956—1979年水文系列, 评估了中国十大水资源区及每个省份的水资源状况[1]。为与全国水资源评价系列一致, 探究1980年以来实测径流量的变化情况, 本研究将1956—1979年作为基准期, 将1980—2000年和2001—2018年作为对比期, 分析各个水文站实测年径流量较基准期的变化(表 3)。

    序号 河流 水文站 径流量变化/%
    2001—2018年 1980—2000年
    1 松花江 哈尔滨 -25.0 9.1
    2 辽河 铁岭 -42.2 -9.8
    3 海河 石匣里 -90.0 -70.1
    4 海河 观台 -81.7 -77.8
    5 黄河 唐乃亥 -5.9 1.8
    6 黄河 花园口 -41.0 -26.7
    7 淮河 吴家渡 -0.4 0.4
    8 长江 宜昌 -5.0 2.1
    9 长江 大通 0.7 8.4
    10 珠江 梧州 -7.5 1.5

    Table 3.  Changes in the recorded runoff during 1980—2000 and 2001—2018 relative to the baseline of 1956—1979 for the ten representative hydrometric stations on the major rivers in China

    表 3可以看出: ①与基准期相比, 1980—2000年有6个站点实测径流量增加, 分别是松花江哈尔滨站、淮河吴家渡、长江宜昌和大通站、珠江梧州站以及黄河上游唐乃亥站, 其中, 松花江哈尔滨站和长江大通站增加相对较多, 分别增多9.1%和8.4%;黄河花园口站、海河流域的石匣里和观台站、辽河的铁岭站实测径流量减少, 其中海河石匣里与观台站减少较多, 分别为-70.1%和-77.8%。② 2001—2018年, 除了长江大通站实测径流量较基准期略有增多(0.7%)之外, 其余各站实测径流量均呈现不同程度的减少, 其中, 海河石匣里和观台站减少80%以上, 辽河铁岭站与黄河花园口站减幅超过40%, 此外, 松花江哈尔滨站减少量也达到-25%。③总的来看, 自21世纪以来, 由于水利工程修建、工农业发展耗水的增多, 诸多人类活动对河川径流产生巨大的影响, 而这种影响主要体现为减少, 相比而言, 北方河流减少幅度更大。

  • 水利部已经组织了2次全国水资源评价, 并正式发布了第一、二次水资源评价成果[1]。自1997年起, 水利部基于水文站点监测数据、不同行业用水等资料每年定期发布水资源公报[22]。根据第一次全国水资源采用1956—1979年水文系列, 评价结果中国地表水资源量为27 115亿m3, 其中, 长江及其以南地区占全国地表水资源的84%。第二次全国水资源评价采用1956—2000年水文系列, 与第一次全国水资源评价结果相比, 地表水资源略有增加, 为27 388亿m3

    基于第一、二次全国水资源评价成果和2001—2018年全国水资源公报资料, 表 4给出了1980—2000年和2001—2018年中国十大水资源区地表水资源量较1956—1979年的变化。可以看出:① 1980—2000年和2001—2018年两个时段的十大水资源区地表水资源量较1956—1979年的变化具有较好的一致性;高寒区域(松花江区和西北诸河区)和湿润区域(长江、珠江及东南诸河地表水资源)两个时段地表水资源均为增加, 而位于半湿润及半干旱地区的淮河及其以北的3大河流(黄河、海河、辽河)以及西南诸河区在两个时段地表水资源均为减少。②从变化幅度来看, 1980—2000年期间, 十大水资源区中有7个区域变幅超过5%, 其中, 海河区减少最多, 为-40.6%;松花江区增幅最大, 为12.8%。在2001—2018年期间, 有6个区域变化幅度超过5%, 海河区减小幅度达-53.8%, 为最大, 该时期增幅最大的为西北诸河区, 增幅为13.1%。③总的来看, 21世纪以来, 东部海河、黄河、辽河地表水资源锐减, 加重了区域水资源供需矛盾。西北诸河区地表水资源增加较多, 对于区域生态改善起到一定的积极作用。

    序号 水资源区 地表水资源变化/%
    2001—2018年 1980—2000年
    1 松花江 -0.9 12.8
    2 辽河 -19.8 -10.3
    3 海河 -53.8 -40.6
    4 黄河 -17.5 -12.9
    5 淮河 -5.1 -14.6
    6 长江 0.7 7.4
    7 东南诸河 6.8 8.4
    8 珠江 2.8 2.2
    9 西南诸河 -4.4 -1.9
    10 西北诸河 13.1 2.1

    Table 4.  Changes in surface water resources of the ten major water resources zones of China during 1980—2000 and 2001—2018年relative to 1956—1979年

    根据第二次全国水资源评价结果和21世纪以来公布的逐年全国水资源公报资料, 1956—2018年全国地表水资源量约为27 266亿m3, 较第二次全国水资源评价结果偏少122亿m3表 5给出了1956—2018年十大水资源区地表水资源较第二次全国水资源评价结果的变化, 可以看出, 海河、辽河、黄河区域地表水资源减少幅度较大, 分别为-11.0%、-4.1%和-2.9%, 西北诸河地表水资源约增多3.6%;其他区域地表水资源尽管存在增减变化, 但均在±1.0%左右。

    水资源区 松花江 辽河 海河 黄河 淮河 长江 东南诸河 珠江 西南诸河 西北诸河
    水资源变化/% -1.9 -4.1 -11.0 -2.9 1.1 -0.8 0.8 0.5 -0.9 3.6

    Table 5.  Changes in surface water resources of the ten major water resources zones of China during 1956—2018 relative to that during 1956—2000 from the Second Water Resources Assessment of China

  • 张建云等[13]研究了长江、黄河、淮河、海河、松辽及珠江1950—2004年径流量的变化, 就实测径流年代际演变趋势及其显著性而言, 与本文的主要结论基本一致。珠江、长江实测径流量依然以自然波动为主, 年径流量呈现非显著性趋势;北方河流实测径流量呈现显著性减少趋势。但是, 由于本文系列延长了14年, 使得1980年以来实测径流量较前期的变化幅度, 二者存在明显的差异, 说明中国北方江河径流量保持着持续减少的特征。表 6给出了两项分析结果的对比。

    序号 河流 水文站 径流量变化/%
    文献[13] 本文
    1 松花江 哈尔滨 -2.5 -25.0
    2 辽河 铁岭 -30.9 -42.2
    3 海河 石匣里 -76.6 -90.0
    4 海河 观台 -77.9 -81.7
    5 黄河 唐乃亥 -3.2 -5.9
    6 黄河 花园口 -33.0 -41.0
    7 淮河 吴家渡 -4.8 -0.4
    8 长江 宜昌 -0.8 -5.0
    9 长江 大通 3.7 0.7
    10 珠江 梧州 -2.2 -7.5

    Table 6.  Results comparison of runoff changes for major rivers in China, conducted by Zhang et al[13] and this study

    表 6可以看出: ① 1980年之后实测径流量较前期变化的两项成果在增减变化趋势完全一致, 只有大通站表现为略微增加, 其余各站均为减少态势。②本文分析结果发现, 除淮河吴家渡站之外的水文站实测径流量减少幅度变得更大, 特别是哈尔滨站, 减少幅度由-2.5%变为-25.0%, 说明近十多年来北方河流河川径流量在持续减少;干旱区的黄河、海河、辽河继续增大了径流减少的态势, 湿润区的长江大通站径流量增幅变小, 增幅由3.7%降低到0.4%;南方部分河流也呈现降幅增大的特征, 如珠江梧州站减幅由-2.2%变到-7.5%。③ 2005—2018年期间中国河川径流量进一步减少的事实, 可能是由于气候与下垫面等自然环境要素变化, 以及水利工程修建、经济发展导致需水用水量增加等社会因素引起[23-24], 科学识别不同驱动要素对河川径流变化的影响对于区域水资源管理至关重要。

  • (1) 1956—2018年期间, 除长江流域外, 中国其余的6条主要江河实测径流量均呈现出不同程度的下降趋势;黄河上游以及黄河以南地区河流的年径流量均为非显著性变化, 黄河中下游及其以北河流的实测年径流量均呈现显著性减少趋势。

    (2) 与基准期1956—1979年相比, 2001—2018年北方江河实测径流量减少幅度均超过25%, 其中海河流域减少幅度最大, 石匣里站和观台站实测径流量减少80%以上, 其次为辽河和黄河, 黄河花园口站和辽河铁岭站分别减少41%和42%。南方珠江流域减少约7%, 长江和淮河径流量与基准期基本相当, 无显著性变化。

    (3) 与以往分析结果相比, 最近十几年(2005—2018年)在中国经济快速发展和气候变化共同影响下, 经过系列延长后, 径流变化的增幅变小, 减幅更大(淮河吴家渡站除外);变化环境下中国河流径流量总体在持续减少, 北方地区水资源供需矛盾更加突出。

    (4) 与第一次水资源评价结果相比, 2001—2018年, 中国十大水资源区中6个区域地表水资源变化幅度超过5%;其中, 海河、黄河和辽河3个区域表现为减少, 海河区减小幅度最大, 为-53.8%;西北诸河区和东南诸河区表现为增加, 增幅分别为13.1%和6.8%。1956—2018年全国地表水资源量约为27 266亿m3, 较第二次全国水资源评价结果偏少122亿m3

Reference (24)

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