目前，全球气候变暖已经得到人们的普遍认可，在此基础上，气候变化的区域响应研究已经广受关注。在我国，有研究认为气候变化使我国西部夏季降水变率加大，造成黄河水位变化频率和幅度加大^[1]，我国西部降水变化直接影响到黄河水位水情状况，进而影响西部生态用水问题，因而受到关注。刘勤等^[2]通过各月气温降水数据探讨了近50年来黄河流域气温和降水量变化趋势特征，发现黄河流域降水具有上游地区增多、中游地区减少的特点; 陈磊等^[3]分析了黄河流域季节降水的空间分布以及年内年际分配特点，发现黄河流域季节降雨减少趋势的强度大于增加趋势，且大多数站点季节降水序列的未来趋势与过去趋势相反; 姚文艺等^[4]利用黄河上中游干支流水文泥沙定位观测资料对黄河流域1997—2006年水沙变化情势进行了评估，发现黄河河源区径流量年均减少43.90亿m³，预测2050年以前黄河来水、来沙量总体呈平偏枯趋势。陕西韩城的龙门是晋陕峡谷的南口，龙门以上，黄河穿行在深邃的峡谷之中，水面总比降将在1‰左右，以下则黄河河谷骤然展宽为4~10 km的河谷漫滩，流经汾渭阶地平原河段, 黄河龙门至潼关段水文条件特殊，湿地资源极为丰富，同时也属于三门峡库区，研究本段水情变化，可以评价近年来黄河上中游水文变化趋势，也有助于评价黄河水位变化对当地环境造成的影响。

黄河龙门—潼关河段河道长132.5 km，全河段呈藕节状，平均河宽8.5 km，河道总落差52 m，纵比降上陡下缓，使得该河段河道成为天然的滞洪滞沙区。本段黄河游荡性较强，两岸滩地较多，存在大量鱼塘、荷塘及人工灌溉设施，湿地资源极为丰富。该段处于半湿润半干旱季风气候区，四季分明，光照充足，雨量适宜，有洛河、渭河及汾河等主要支流注入。

对黄河龙门站和潼关站2002—2016年间每日水位和流量数据进行分析，利用Mann-Kendall法检验年际变化趋势及突变点。

Mann-Kendall法^[5-6]是一种非参数统计检验方法，被广泛应用于气象与水文的时间序列趋势研究。Mann-Kendall法检验结果给出Z值：在给定的显著性水平上，Z值大于0时呈上升趋势，Z值小于0时呈下降趋势。同时，非参数Mann-Kendall法还可用于对时间序列突变点和突变区域进行检验，具体计算公式见文献[6]。分析绘出UFk和UBk曲线图, 若UFk或UBk的值大于0，则表明序列呈上升趋势，小于0则表明呈下降趋势。当它们超过临界直线时，表明上升或下降趋势显著。超过临界线的范围确定为出现突变的时间区域。如果UFk和UBk两条曲线出现交点，且交点在临界线之间，那么交点对应的时刻便是突变开始的时间。

潼关站2002—2016年期间水位年均值整体呈下降趋势(见图 1)，15年下降了0.921 m，年均最高水位值波动中下降，变化幅度较大(1.42 m)，2003年与2011年分别出现高值，年均最低水位呈波动式下降，变化幅度为1.11 m。而龙门站平均水位和最低水位基本呈下降趋势，二者在2002—2005年有些许上升，2005年后逐年下降，最高水位虽整体呈下降趋势，但在2005年后波动频繁，年平均、最高和最低变化幅度分别为3.25 m、3.37 m和3.39 m。龙门站水位变幅远高于潼关站，二者年平均最高水位的变化特点比平均和最低复杂，且变化幅度很大。

图 1

图 1 潼关站和龙门站水位流量年际变化

潼关站2002—2016年平均流量变化较为平稳(见图 1)，在2003年和2012年有一高值，2012年之后呈逐年下降趋势，最高值和最低值波动剧烈，但变化趋势基本一致，2009年流量最低值和最高值都呈谷值，2011—2013年都呈峰值表现，15年平均、最高和最低变化幅度为574.16 m³/s、3 940.00 m³/s和227.00 m³/s。龙门站流量特点与潼关站类似，均值在2012年有一高值，最高值在2012—2014年呈峰值表现，最低值在2012年呈峰值，二者波动都较大，平均、最高和最低变化幅度分别为510.93 m³/s、6 150.00 m³/s、102.00 m³/s。龙门站流量平均值和最高值远大于潼关站，但最低值小于潼关。

潼关站和龙门站水位变化基本呈下降趋势，潼关站水位变化幅度小于龙门站，但流量变化没有表现出明显的下降趋势，潼关站流量年平均和最高值变幅小于龙门站，但最低值大于后者。

潼关站2002—2016年间日平均水位有两个高值(见图 2)，一年中3月上旬至4月下旬、7月底到10月底水位高于年平均值，其他时间则低于平均值。龙门站水位特点与潼关站基本一致，差别在于第一次水位上涨时间较早，1月底水位开始高于平均值。

图 2

图 2 潼关站和龙门站日均水位流量变化

流量变化特点类似于水位，潼关站在3月底到4月初、7月底到10月底，龙门站在3月初到4月底、7月中旬到10月底流量高于平均值，为丰水期。从年内水位及流量变化来看，龙门站第一次丰水期时间要早于潼关站，持续时间较长，第二次丰水期两站特点较为一致。

对两站年均、年最高和年最低水位、流量进行Mann-Kendall法检验(见表 1)，发现过去15年两站水位Z值都为负值，其中平均和最小都通过99%显著性检验标准，说明两站年平均和最低水位都有显著降低趋势；两站流量Z值都为正值，但平均和最大未通过显著性检验，年最小流量潼关站和龙门站分别通过95%和99%显著性检验，说明呈显著增加趋势。

表 1

表 1 Mann-Kendall法检验结果 平均 最高 最低 潼关 龙门 潼关 龙门 潼关 龙门 水位Z值 3.76** 3.46** 0.40 1.09 3.66** 3.46** 流量Z值 0.79 0.89 0.69 0.99 1.73* 3.76** 注：*、**表示通过95%、99%的显著性检验

表 1 Mann-Kendall法检验结果

利用Mann-Kendall突变性检验分析两站年平均、最高和最低水位及流量的突变特征，结果见图 3。

图 3

图 3 两站年平均水位流量Mann-Kendall突变性检验

从图 3可以看出，潼关站水位UF线除了2003年和2011年有上升趋势之外，2002—2016年平均水位基本呈逐年下降趋势，M-K突变点有2个，分别为2008年和2010年。龙门站UF值在2002—2005年逐年升高，2005—2016年则逐渐下降，说明龙门站水位先升后降。UF线和UB线在2013年相交，其位置处于±U2.58之间，通过a=0.05检验，2013年为突变点。

潼关站流量UF线在2005年以前有1次波动，先升后降，2005—2014年则呈逐年上升趋势，2014—2016年则逐渐下降，与UB线相交有3处，结合滑动t检验，确定2003年为突变点。龙门站UF线表现与潼关站类似，2004年前有1次波动，2004—2013年呈波动式上升，2013—2016年则逐渐下降。在2003年UF与UB曲线相交，为突变点。

潼关站最高水位UF曲线(见图 4)表现出升—降—升—降的波动变化，其中：2006—2013年最高水位逐年增加，在2013年后又开始减少。UF线与UB线有3处相交，与t滑动检验对比，确定2003年与2014年为突变点。龙门站年最高水位UF线在2010年以前有波动上升趋势，2010年以后则波动下降，与UB线相较于2014年，确定其为突变点。

图 4

图 4 两站年最高水位、流量突变检验

潼关站最大流量UF线2002—2005年先升后降，2005—2014年逐年上升，2014—2016年则逐渐下降。与UB线相交有3点，结合t滑动检验，确定2003年为突变点。龙门站最大流量线在2012年之前整体呈上升趋势，2014—2016年则明显下降，经检验，突变点为2003年与2014年。

潼关站过去15年最低流量UF线呈波动式特点(见图 5)，总体有上升趋势，2006年和2015年出现两个高值，2016年略有下降。与UB线相对比，交点有3个，分别在2006、2007、2010年，结合t滑动检验，确定2007年为突变点。龙门站最低水位UF线整体逐年上升，与UB线相交于2007年，确定为突变点。

图 5

图 5 两站年最低水位、流量突变检验

潼关站最低水位UF线在2005年前有1次波动，整体呈下降趋势，与UB线相交于2007年，确定为突变点。龙门站UF线在2005年前逐年上升，2005—2016年则呈明显下降趋势，与UB线相交于2012年，确定为突变点。

潼关站和龙门站水位和流量变化具有一定的协同性，两站平均流量在2012年都出现峰值，最高流量在2012—2013年都出现峰值，相对于流量，两站水位变化共同性不多，这缘于两站所处地理位置不同所引起的。龙门站位于黄河峡谷出口处，两面有大山，河宽不足40 m，流量直接决定了水位的涨跌，龙门站以下至潼关站黄河进入漫滩缓流阶段，流量变化由于河宽的因素使得对水位的影响并不明显，虽然流量在两站有一定的协同性，但水位并未出现这一特点，这一河段由于多条支流的加入以及每年大量引黄灌溉加大了两站水位变化的差异。

Mann-Kendall法检验结果发现，两站过去15年水位呈显著下降趋势，流量Z虽然大于0，但除最低流量外，平均和最高流量都未满足显著检验。这一结果可能是水位降低增加了河流比降，导致流量稍有增加引起，但具体结论仍需进一步论证。黄河龙门至潼关河段纵比降上陡下缓，使得该河段河道成为天然的滞洪滞沙区，是黄河干流上出现“揭河底”冲刷次数最多的河段^[7]。“揭河底”现象不仅会加深河深，使得水位下降，还能够加大这一河段的河流比降，使得龙门站流速加大、水位降低，Mann-Kendall法检验结果中龙门流量Z值比潼关段大，说明其流量增加幅度比潼关站要大。

本研究中虽然水位和流量变化趋势相反，但流量的增加证据并不足，一方面由于两站之间复杂的影响因素; 另一方面, 由于2012年黄河发生自1986年以来最大的一次洪水，数据的异常高值会干扰数据的分析结果^[8]。

两站每年水位和流量变化是受黄河补水规律影响的，第一次为上游积雪融水加大凌汛到来引起，第二次则为降水增加所引起。龙门站丰水季节早于潼关站，是由两站河宽不同造成的，龙门站水位对凌汛到来的响应较为敏感，再加上两站之间黄河河宽加大、流速减慢、渗透增强、春季黄河引水灌溉量增加等的影响，导致潼关站略滞后于龙门站。

突变点时段在两站存在相同的年份，如两站平均流量、最高水位、最高流量、最低水位，但也存在不同的情况，如平均水位和最低流量。平均水位和平均流量突变点都在2003年，最高水位和最高流量两站都在2003年和2014年，由于2012年黄河洪水的影响，龙门站最低水位突变点在2012年，除此之外，两站水位流量最高值多在2007年。两站由于位置不同，河宽、灌溉、水情及下游水库水量调节等因素的影响使两站变化趋势突变点有所不同(见表 2)。

表 2

表 2 两站Mann-Kendall法检验突变点年份 平均年份 最高年份 最低年份 水位 流量 水位 流量 水位 流量 潼关站 2008、2010 2003 2003、2014 2003 2007 2007 龙门站 2013 2003 2014 2003、2014 2012 2007

表 2 两站Mann-Kendall法检验突变点年份

(1) 两站年内水位和流量变化特点基本一致，每年出现两次高值，即3—4月、7—10月，但龙门站特征值开始时间略早于潼关站，结束时间略晚于潼关站。

(2) 2002—2016年间，潼关站和龙门站平均水位、平均流量变化较为平稳，其波动变幅小于年最高和最低值，水位与流量最高值变动最为频繁且变幅较大。潼关站在2003年和2011年最高水位出现峰值，龙门站水位在2005年后波动下降。潼关站流量最高值、最低值在2009年出现谷值，2011—2013年出现峰值，龙门站最高流量则在2012—2014年出现峰值，最低流量在2012年出现峰值。

(3) Mann-Kendall法检验结果发现，2002—2016年间，两站水位都有下降趋势，其中：平均水位、最低水位通过99%显著性检验，而流量则都呈上升趋势，但平均流量和最高流量上升并不明显，Z值未通过检验。两站变化趋势突变点分析发现，平均水位和平均流量突变点都在2003年，最高水位和最高流量两站都在2003年和2014年，最低水位和最低流量则在2007年。