劉劍宇, 張 強(qiáng),3,*, 顧西輝

1 中山大學(xué)水資源與環(huán)境系, 廣州 510275

2 中山大學(xué)華南地區(qū)水循環(huán)與水安全廣東省普通高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 廣州 510275

3 宿州學(xué)院地球科學(xué)與工程學(xué)院, 宿州 234000

水文變異條件下鄱陽(yáng)湖流域的生態(tài)流量

劉劍宇1,2, 張 強(qiáng)1,2,3,*, 顧西輝1,2

1 中山大學(xué)水資源與環(huán)境系, 廣州 510275

2 中山大學(xué)華南地區(qū)水循環(huán)與水安全廣東省普通高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 廣州 510275

3 宿州學(xué)院地球科學(xué)與工程學(xué)院, 宿州 234000

受氣候變化和人類(lèi)活動(dòng)綜合影響，鄱陽(yáng)湖流域水文狀況發(fā)生變異。河流生態(tài)系統(tǒng)適應(yīng)了變異前的水文狀況，變異后勢(shì)必會(huì)影響當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)系統(tǒng)?；诖耍捎?種變異檢測(cè)方法對(duì)水文變異進(jìn)行綜合診斷，闡明水文變異原因。在此基礎(chǔ)上，采用15種概率分布函數(shù)分別擬合5站各月變異前日流量序列，最終確定5站點(diǎn)各月最優(yōu)分布函數(shù)及所對(duì)應(yīng)的概率密度最大處的流量，即得河道內(nèi)生態(tài)流量。研究表明：(1)撫河于1962年發(fā)生弱變異，贛江、修河于1968年發(fā)生中變異，信江、饒河于1991年發(fā)生弱變異；(2)變異后，贛江、信江、饒河、修河生態(tài)需水滿足率平均上升11%，撫河生態(tài)需水滿足率下降32%；(3)水文變異增加提高生態(tài)需水滿足率，水利工程建設(shè)降低年均生態(tài)需水滿足率、提高干季生態(tài)需水滿足率。高森林覆蓋率提高干季生態(tài)需水滿足率，對(duì)年均生態(tài)需水滿足率影響不明顯。研究結(jié)果為鄱陽(yáng)湖流域水資源管理及區(qū)域水資源規(guī)劃與配置提供重要科學(xué)依據(jù)。

鄱陽(yáng)湖流域; 生態(tài)流量; 水文變異

在全球氣候變化和人類(lèi)活動(dòng)共同作用下，河流水文過(guò)程發(fā)生顯著變異[1]，改變了流域生態(tài)系統(tǒng)已適應(yīng)了的變異前的水文狀態(tài)[2]。為科學(xué)、合理計(jì)算河流生態(tài)需水，保障河流生態(tài)系統(tǒng)良性發(fā)展，有必要在水文變異的基礎(chǔ)上對(duì)河流生態(tài)需水進(jìn)行研究。崔瑛等[3]回顧了國(guó)內(nèi)外生態(tài)需水的研究進(jìn)展，認(rèn)為生態(tài)需水尚無(wú)統(tǒng)一認(rèn)可的概念。李捷等[4]提出逐月頻率計(jì)算法，通過(guò)與Tennant法對(duì)比得出該方法的優(yōu)缺點(diǎn)及適用范圍。張華等[5]運(yùn)用水文平衡原理構(gòu)建湖泊生態(tài)需水模型，估算了東居延海不同湖面面積下的生態(tài)需水量。李劍鋒等[6]提出考慮水文變異的河道內(nèi)生態(tài)需水計(jì)算方法，對(duì)黃河干流各站的月平均流量序列進(jìn)行生態(tài)需水計(jì)算。但相關(guān)研究尚未在鄱陽(yáng)湖流域開(kāi)展。鄱陽(yáng)湖濕地是我國(guó)最大的淡水湖生態(tài)濕地，對(duì)維系區(qū)域和國(guó)家生態(tài)安全具有重要作用。受人類(lèi)活動(dòng)與氣候變化影響，該流域氣象水文過(guò)程發(fā)生顯著變異，變異后勢(shì)必會(huì)對(duì)當(dāng)?shù)匾约佰蛾?yáng)湖湖區(qū)生態(tài)系統(tǒng)造成不同程度的影響。國(guó)務(wù)院于2009年正式批復(fù)《鄱陽(yáng)湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)規(guī)劃》，這標(biāo)志著鄱陽(yáng)湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)正式上升為國(guó)家戰(zhàn)略。因此，研究鄱陽(yáng)湖流域生態(tài)需水更具有實(shí)踐意義。

本文對(duì)鄱陽(yáng)湖流域水文變異情況下，探討：1)采用M-K檢驗(yàn)法、累積距平法、有序聚類(lèi)法等八種變異診斷方法對(duì)變異點(diǎn)進(jìn)行系統(tǒng)檢測(cè)，增加變異檢驗(yàn)的可信度；2)選用Log-Logistic分布、Weibull分布、Pearson-III型分布等15種概率分布函數(shù)分別對(duì)各站點(diǎn)各月份變異前的日流量序列進(jìn)行擬合分析；3)在擬合優(yōu)度檢驗(yàn)方面，采用3種擬合優(yōu)度檢驗(yàn)方法對(duì)概率分布函數(shù)進(jìn)行擬合優(yōu)度分析，更好的反映站點(diǎn)水文特征。并通過(guò)對(duì)變異前后生態(tài)需水滿足率的變化，分析討論水文變異對(duì)河道內(nèi)生態(tài)需水的影響。該項(xiàng)研究對(duì)科學(xué)分析計(jì)算河道內(nèi)生態(tài)需水具有重要理論意義，對(duì)鄱陽(yáng)湖流域水資源管理具有重要參考價(jià)值。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來(lái)源

圖1 鄱陽(yáng)湖流域、主要水文站點(diǎn)、水庫(kù)、灌區(qū)位置示意圖 Fig.1 Location of Poyang Lake,hydrological stations, water reservoirs and irrigation areas in the Poyang Lake Basin

鄱陽(yáng)湖是我國(guó)第一大淡水湖，流域面積16.22萬(wàn)km2，占長(zhǎng)江流域面積的9%。鄱陽(yáng)湖入湖水量主要受贛江、撫河、信江、饒河、修河五大支流(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“五河”)影響，構(gòu)成山江湖一體的核心-邊緣結(jié)構(gòu)體系[7](圖1)。鄱陽(yáng)湖地處亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，降水量季節(jié)分配不均，流域大部分地區(qū)4—6月降水總量占全年降水總量的45%—50%。鄱陽(yáng)湖流域共建有大中型水庫(kù) 208 座，總庫(kù)容 204.2 億 m3，10個(gè)大中型引水灌溉渠系，其中大于6 670 hm2以上的灌區(qū)有7個(gè)(圖1)。

本文數(shù)據(jù)為鄱陽(yáng)湖流域水系“五河”主要控制站的日流量(表1)，數(shù)據(jù)來(lái)源于江西省水文局。部分缺失數(shù)據(jù)通過(guò)與相鄰的水文站水文序列建立回歸關(guān)系進(jìn)行插補(bǔ)(R2>0.8)。

2 研究方法

受氣候變化和人類(lèi)活動(dòng)的雙重影響，水文序列往往發(fā)生變異，使水文序列分布發(fā)生改變。河流生態(tài)系統(tǒng)適應(yīng)了變異前的水文狀態(tài)，變異后勢(shì)必影響當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)系統(tǒng)。基于此，本文首先對(duì)研究區(qū)域河流水文序列進(jìn)行變異檢驗(yàn)分析，再結(jié)合生物系統(tǒng)基礎(chǔ)理論對(duì)鄱陽(yáng)湖流域生態(tài)需水進(jìn)行研究。

表1 鄱陽(yáng)湖流域水文站流量數(shù)據(jù)

2.1 水文變異檢驗(yàn)方法

變異點(diǎn)檢驗(yàn)方法眾多，李劍鋒等[6]使用滑動(dòng)秩和檢驗(yàn)法對(duì)黃河干流水文變異進(jìn)行了分析，馬嵐等[8]利用重新標(biāo)度極差分析法對(duì)石羊河下游徑流變異進(jìn)行了檢測(cè)?？紤]到單一檢測(cè)方法有其適用流域的局限性，本文采用Hurst系數(shù)法對(duì)變異程度進(jìn)行初步分析，并選用M-K檢驗(yàn)法、累積距平法、有序聚類(lèi)法、Lee-heg法、滑動(dòng)T檢驗(yàn)法、滑動(dòng)F檢驗(yàn)法、滑動(dòng)游程檢驗(yàn)法和滑動(dòng)秩和檢驗(yàn)法八種方法對(duì)水文變異進(jìn)行綜合診斷。

2.2 生態(tài)需水計(jì)算方法

若水文變異診斷存在變異點(diǎn)，則認(rèn)為水文序列的總體分布不一致，不符合水文資料的一致性要求?？梢哉J(rèn)為流域生態(tài)環(huán)境適應(yīng)了變異前的水文狀態(tài)，因此計(jì)算河道內(nèi)生態(tài)流量時(shí)，只考慮變異前的水文序列。若水文序列不存在變異點(diǎn)，則采用整個(gè)水文序列計(jì)算生態(tài)需水。

流量作為河流生態(tài)系統(tǒng)最重要的環(huán)境因子之一，可以作為河流生態(tài)環(huán)境的重要考察指標(biāo)。生態(tài)適宜性理論[9]認(rèn)為，生物在適宜的環(huán)境中，生物數(shù)量最多，生長(zhǎng)最好；隨著生態(tài)因子偏離適宜值，生物生長(zhǎng)繁殖速度減慢；當(dāng)超過(guò)生物耐受區(qū)間，生物數(shù)量即會(huì)減少，直至消亡。長(zhǎng)期的自然選擇促使生物適應(yīng)出現(xiàn)頻率較高的環(huán)境因子。因此，本文取概率密度最大處流量作為適宜生物生長(zhǎng)繁殖的生態(tài)流量。Green等[10]研究指出，任一種概率分布函數(shù)只可能對(duì)某種分布或者某個(gè)子樣本容量的檢驗(yàn)效果較好，并不存在一種占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)的概率分布函數(shù)。采用Log-Logistic分布、Weibull分布、Pearson-III型分布等[11]15種分布函數(shù)對(duì)5個(gè)站點(diǎn)變異前各月流量序列進(jìn)行擬合，并采用Kolmogorov-Smirnov(K-S)、Anderson Darling(A-D)和Chi-Squared(C-S)[12]3種檢驗(yàn)方法進(jìn)行擬合優(yōu)度檢驗(yàn)分析。

3 變異點(diǎn)檢驗(yàn)及成因分析

3.1 變異點(diǎn)檢測(cè)

采用Hurst系數(shù)法對(duì)變異程度作初步檢驗(yàn)，虎山、李家渡、梅港、外洲、萬(wàn)家埠三站Hurst系數(shù)分別為0.63、0.51、0.62、0.71、0.76，根據(jù)謝平等[13]基于Hurst系數(shù)對(duì)變異程度的劃分，虎山、李家渡、梅港三站為弱變異，外洲、萬(wàn)家埠兩站為中變異。采用M-K檢驗(yàn)法、累積距平法、有序聚類(lèi)法等方法[14]對(duì)具體變異點(diǎn)進(jìn)行綜合檢測(cè)，將可能變異點(diǎn)中權(quán)重最高的年份作為最終變異點(diǎn)(表2)。

表2 變異點(diǎn)綜合診斷結(jié)果

虎山、梅港和李家渡三站的年徑流量均發(fā)生了弱變異，變異點(diǎn)分別是1991、1991、1962年；萬(wàn)家埠和外洲兩站年徑流量發(fā)生了中變異，變異年份同為1968年。各站點(diǎn)水文序列變異點(diǎn)被多種方法同時(shí)檢測(cè)出，增加了變異點(diǎn)存在的可信度。

3.2 水文變異成因分析

整個(gè)鄱陽(yáng)湖流域近50年來(lái)氣候變化明顯。鄱陽(yáng)湖流域降雨量呈增加趨勢(shì)，蒸發(fā)量呈下降趨勢(shì)，降雨量在20世紀(jì)60年代中后期以及90年代初發(fā)生突變?cè)黾?，蒸發(fā)量明顯減小[15]。運(yùn)用一元線性法對(duì)徑流序列進(jìn)行趨勢(shì)分析，發(fā)現(xiàn)信江、饒河、贛江、修河四河徑流序列都有不同程度的增加趨勢(shì)，這與鄱陽(yáng)湖流域降水量突變?cè)黾?、蒸發(fā)量突變減少基本相符，水利工程等會(huì)引起徑流量減小，因此，氣候變化是上述四河徑流突變?cè)黾拥闹饕颉Ｏ喾?，撫河徑流序列的線性系數(shù)為-1.318，趨勢(shì)減少，如果徑流突變由氣候變化主導(dǎo)，那徑流變異應(yīng)該是突變?cè)黾?，因此，撫河水文變異主要受人?lèi)活動(dòng)的影響。

各站點(diǎn)變異具體成因分析

(1)信江、饒河 鄱陽(yáng)湖流域年降水量在1990年突變?cè)黾?，夏季降水量和暴雨頻率在1992年突變?cè)黾覽16]，與梅港、虎山兩站水文序列1991年變異時(shí)間點(diǎn)基本一致。饒河從水庫(kù)數(shù)量、規(guī)模和級(jí)別上都落后于其他流域，水利工程對(duì)降雨徑流的調(diào)蓄較少，徑流量受水利工程影響較小。因此，氣候變化是引起信江、饒河兩河水文變異(增加)的主要原因。

(2)贛江、修河 東亞夏季風(fēng)在20世紀(jì)60年代中后期發(fā)生了一次突變，由正常偏強(qiáng)夏季風(fēng)轉(zhuǎn)為弱夏季風(fēng)[17]。夏季風(fēng)減弱，南方降水增多，平均氣溫降低，蒸發(fā)量減少，導(dǎo)致年降水量在60年代中后期發(fā)生突變。年降水量的增加和蒸發(fā)量的減少是引起兩河徑流變異增加。這與本文檢測(cè)出的贛江、修河徑流變異時(shí)間大致相同。

(3)撫河 李家渡上游有贛撫平原灌區(qū)(1958—1960)、洪門(mén)水庫(kù)(1958—1961)。贛撫平原水利工程1958年動(dòng)工，1960年秋開(kāi)始收益，東西灌渠設(shè)計(jì)引水流量分別為60m3/s、107 m3/s，占撫河多年平均流量的42%；洪門(mén)水庫(kù)為江西四大水庫(kù)之一，始建于1958年，1961年開(kāi)始蓄水，流域面積2736km2，最大庫(kù)容12億m3。本文檢驗(yàn)出的變異時(shí)間與洪門(mén)水庫(kù)和贛撫平原灌渠建成時(shí)間相近，表明人類(lèi)活動(dòng)是導(dǎo)致?lián)岷铀淖儺惖闹饕颉?/p>

4 結(jié)果分析

4.1 生態(tài)需水計(jì)算結(jié)果

根據(jù)變異點(diǎn)發(fā)生年份將水文序列分段，選用變異前序列計(jì)算河道內(nèi)生態(tài)需水。將概率密度最大處流量作為河道內(nèi)生態(tài)流量，求概率密度最大處流量。以贛江外洲站4月份為例，選用上述3種檢驗(yàn)方法對(duì)15種分布函數(shù)進(jìn)行擬合優(yōu)度分析，綜合檢驗(yàn)結(jié)果表明Johnson SB分布為外洲站4月份水文序列最優(yōu)概率分布函數(shù)(表3)。同時(shí)，以該月為例比較了幾個(gè)概率分布函數(shù)的理論概率分布曲線與經(jīng)驗(yàn)概率分布(圖2)，認(rèn)為Johnson SB法與經(jīng)驗(yàn)概率分布吻合更好。

表3 外洲站4月逐日流量的15種概率分布函數(shù)擬合優(yōu)度檢驗(yàn)表

圖2 外洲站4月逐日流量的理論與經(jīng)驗(yàn)概率分布曲線及相應(yīng)的概率差異圖Fig.2 Probability distribution functions and Probability Difference for the respectively daily flow at the April of Waizhou station

采用相同方法對(duì)其它各站點(diǎn)站逐月日流量序列進(jìn)行擬合優(yōu)度檢驗(yàn)分析，得到相應(yīng)水文序列最優(yōu)分布函數(shù)與生態(tài)流量(表4)。

選用15種分布函數(shù)對(duì)5個(gè)站點(diǎn)變異前水文序列進(jìn)行系統(tǒng)分析，并采用3種檢驗(yàn)方法對(duì)擬合優(yōu)度綜合檢驗(yàn)。檢驗(yàn)分析發(fā)現(xiàn)，不同子流域、不同月份最優(yōu)分布函數(shù)存在差異。因此，按不同流域、不同月份水文序列分別進(jìn)行概率分析是必要的。

在擬合優(yōu)度綜合檢驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，某種分布函數(shù)在一種擬合優(yōu)度檢驗(yàn)方法下是最優(yōu)的，但另外一種方法檢驗(yàn)效果卻非常差。例如對(duì)外洲站5月份水文序列分布函數(shù)的擬合檢驗(yàn)， K-S檢驗(yàn)廣義Pareto分布為最優(yōu)，A-D檢驗(yàn)為最劣，C-S檢驗(yàn)拒絕。故選用A-D檢驗(yàn)、C-S檢驗(yàn)最優(yōu)的，K-S檢驗(yàn)第二的Johnson SB分布作為外洲站5月份最優(yōu)分布函數(shù)。因此，采用多種方法對(duì)概率分布函數(shù)擬合優(yōu)度進(jìn)行綜合檢驗(yàn)更為合理。

4.2 與其它方法對(duì)比

將本文所采用的方法與最小月平均流量法、逐月最小流量法等常用方法比較。由于篇幅限制，只列出各方法所求得的年均生態(tài)流量(表5)。最小月平均流量法與最枯月頻率法所給出的生態(tài)流量各月相同，不能反映生態(tài)需水的月份差異；除外洲站外，各站生態(tài)流量的Tennant法[18]等級(jí)基本處于差水平。逐月最小流量法與本文方法都能反映生態(tài)需水的月份差異，但最小月平均流量法考慮的是最小月平均流量這一極端條件，因此，該方法下各月生態(tài)流量均小于本文生態(tài)流量。逐月頻率計(jì)算法下生態(tài)流量與本文生態(tài)流量相當(dāng)，逐月頻率計(jì)算法在一定的保證率下對(duì)生態(tài)需水進(jìn)行計(jì)算，其保證率的設(shè)定至今沒(méi)有統(tǒng)一定論，計(jì)算結(jié)果主觀性較強(qiáng)。本文方法計(jì)算頻率最大處流量，計(jì)算結(jié)果在Tennant法等級(jí)中屬于好或中水平，可以滿足水生生物的正常需求，其計(jì)算結(jié)果具有確定性與合理性。

表4 5站點(diǎn)各月份水文序列最優(yōu)分布函數(shù)及其對(duì)應(yīng)的生態(tài)流量

表5 與其它生態(tài)需水計(jì)算方法比較

5 討論

如果實(shí)測(cè)流量大于生態(tài)流量，則認(rèn)為該流量滿足生態(tài)需水的要求。各月生態(tài)需水得以滿足的日數(shù)與序列相應(yīng)月份總?cè)諗?shù)之比為生態(tài)需水滿足率[19]。通過(guò)對(duì)各流域生態(tài)需水滿足率的對(duì)比分析來(lái)探討氣候變化與人類(lèi)活動(dòng)對(duì)生態(tài)需水的影響。

5.1 變異前后年生態(tài)需水滿足率變化

除撫河李家渡外，其它四站水文變異后生態(tài)需水滿足率均上升，平均上升幅度為11%，河流生態(tài)系統(tǒng)的正常需水得到更好保障(表6)。河流徑流量增加使得變異后生態(tài)需水滿足率提高。鄱陽(yáng)湖流域1961—2003年饒河、信江、贛江中下游、信江中下游地區(qū)降水量呈增加趨勢(shì)，暴雨、特大暴雨頻次增加明顯對(duì)年降水量增加貢獻(xiàn)最大，同時(shí)流域內(nèi)蒸發(fā)量的減少一定程度上也增加了河川徑流[20]。變異后蒸發(fā)量的減少，降水量的增加是徑流量增加、生態(tài)需水滿足率提高的主要原因。

撫河變異前，各月生態(tài)需水滿足率絕大部分在70%以上，說(shuō)明撫河變異前70%以上的時(shí)間河流流量滿足生態(tài)需水的要求，能保障河流生態(tài)系統(tǒng)的正常需水。撫河流域水文變異后，各月生態(tài)需水滿足率均下降，近半數(shù)月份生態(tài)需水滿足率不到50%，平均生態(tài)需水滿足率下降32%。撫河徑流量的大量減少導(dǎo)致變異后生態(tài)需水滿足率降低。沿線灌區(qū)從撫河干支流上大量引水用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，造成河道內(nèi)徑流量大幅度減少，使撫河生態(tài)需水滿足率變化方向與其它四河相反。李家渡生態(tài)需水滿足率下降與沿途灌渠大量引水有直接關(guān)系。

表6 水文變異前后生態(tài)需水滿足率

5.2 變異前后干濕季生態(tài)需水滿足率變化差異

鄱陽(yáng)湖流域4—6月是全年雨量最大的3個(gè)月份，所以把徑流量最大的4、5、6月定義為濕季，把徑流量最小的11、12月及次年1月定義為干季，對(duì)比分析變異后干濕季生態(tài)需水滿足率的差異。饒河虎山、贛江外洲、修河萬(wàn)家埠3站干季生態(tài)需水滿足率高于濕季，撫河李家渡、信江梅港兩站生態(tài)需水滿足率干季小于濕季。流域森林植被對(duì)徑流變化有重要影響，森林可以起到蓄水、保水、保土作用，調(diào)節(jié)年際間枯水的流量，并且顯著提高干季徑流量。江西從20世紀(jì)80年代開(kāi)始實(shí)行山江湖工程、退耕還林工程、中德造林工程、長(zhǎng)(珠)防林工程以及各種人造林工程，大量植樹(shù)造林使江西省的森林覆蓋率迅速提高到60.1%，居全國(guó)第二位。饒河流域森林覆蓋率達(dá)67.8%，修河流域?yàn)?4.4%，贛江流域63.6%，信江流域?yàn)?4.3%，撫河流域?yàn)?3.0%。

饒河虎山站干季生態(tài)需水滿足率與年生態(tài)需水滿足率均為“五河”最高。饒河流域第一產(chǎn)業(yè)只占12.1%，農(nóng)業(yè)用地在“五河”中最少，土地利用類(lèi)型以林地為主，饒河流域森林覆蓋率在“五河”中最高，占流域面積的67.8%，森林覆蓋率明顯增加干季徑流量，增大干季生態(tài)需水滿足率。饒河上游婺源、德興一帶是江西省的三大暴雨中心之一，該流域水資源量相當(dāng)?shù)刎S富。

贛江外洲站年生態(tài)需水滿足率僅高于撫河，干季生態(tài)需水滿足率高出濕季39.1%，為“五河”干濕季生態(tài)需水滿足率差別最大的河流。水庫(kù)對(duì)徑流量變化具有重要的調(diào)節(jié)作用，使下游河道枯水流量相對(duì)穩(wěn)定，徑流量年內(nèi)分配較天然均勻，在一定程度上緩解干旱。贛江流域內(nèi)有水庫(kù)107座，庫(kù)容達(dá)75.13億m3，流域面積、水庫(kù)數(shù)量和容量均居五河之首，尤其是1990年修建的贛江流域最大水庫(kù)萬(wàn)安水庫(kù)，其總庫(kù)容達(dá)22.16億m3，對(duì)枯水的調(diào)節(jié)發(fā)揮及其重要的作用。

修河流域森林覆蓋率居鄱陽(yáng)湖流域第二位，但干季生態(tài)需水滿足率僅高出濕季2.4%，這主要是由于萬(wàn)家埠上游的潦河流域只有7座中型水庫(kù)，水庫(kù)以灌溉型為主，流域內(nèi)水庫(kù)數(shù)量、規(guī)模和級(jí)別均落后于其它流域，水庫(kù)調(diào)蓄功能小于其它流域。

而撫河李家渡站、信江梅港站干季生態(tài)需水滿足率均低于濕季，分別低8.5%、3.5%。撫河流域耕地資源豐富，相應(yīng)的林業(yè)用地較少。撫河與信江兩流域森林覆蓋率遠(yuǎn)小于其它流域，森林調(diào)節(jié)能力有限是造成干季生態(tài)需水滿足率小于濕季的主要原因。撫河干、濕兩季生態(tài)需水滿足率的差距大于信江，一方面是撫河流域森林覆蓋率小于信江流域，另一方面撫河流域水庫(kù)18座遠(yuǎn)小于信江流域的35座，撫河流域森林與水庫(kù)的調(diào)節(jié)能力均小于信江。

6 結(jié)論

(1)受氣候變化和人類(lèi)活動(dòng)雙重影響，河流水文狀況發(fā)生不同程度變異。虎山、梅港水文序列均發(fā)生弱變異，變異年份為1991年，變異主要原因?yàn)?0年代初降水量的突變?cè)黾印Ｍ庵?、萬(wàn)家埠兩站水文序列發(fā)生中變異，變異年份為1968年，變異主要是受20世紀(jì)60年代中期夏季風(fēng)變化影響。撫河流域徑流于1962年發(fā)生弱變異，變異原因是受水利工程建設(shè)影響。

(2)鄱陽(yáng)湖流域水文變異提高了生態(tài)需水滿足率。另外，氣候變化與人類(lèi)活動(dòng)對(duì)生態(tài)需水影響的程度均不同，水利工程降低年均生態(tài)需水滿足率，而提高干季生態(tài)需水滿足率；高森林覆蓋率提高干季生態(tài)需水滿足率，而對(duì)年均生態(tài)需水滿足率影響不明顯；修河、饒河、信江、贛江徑流變異增加使年生態(tài)需水滿足率上升，撫河徑流變異減小使年生態(tài)需水滿足率大幅度減小。高森林覆蓋率與水利工程的大量建設(shè)使饒河虎山、贛江外洲、修河萬(wàn)家埠3站干季生態(tài)需水滿足率高于濕季；低森林覆蓋率使信江流域、撫河流域干季生態(tài)需水滿足率小于濕季。

(3)水文序列變異點(diǎn)檢測(cè)符合水文資料一致性要求，選用最優(yōu)分布函數(shù)所對(duì)應(yīng)流量作為河流的生態(tài)流量，符合水生生物生長(zhǎng)需求。與Tennant法、最小月流量法、逐月頻率計(jì)算法等方法比較，本文計(jì)算結(jié)果更具確定性與合理性。本文研究對(duì)鄱陽(yáng)湖流域各支流水資源管理與規(guī)劃提供重要科學(xué)依據(jù)。

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Evaluation of ecological flow with considerations of hydrological alterations in the Poyang Lake basin

LIU Jianyu1,2, ZHANG Qiang1,2,3,*, GU Xihui1,2

1DepartmentofWaterResourcesandEnvironment,SunYat-senUniversity,Guangzhou510275,China2KeyLaboratoryofWaterCycleandWaterSecurityinSouthernChinaofGuangdongHighEducationInstitute,SunYat-SenUniversity,Guangzhou510275,China3SchoolofEarthSciencesandEngineering,SuzhouUniversity,Suzhou234000,China

Fluvial hydrological processes within the Poyang Lake basin are significantly altered under the influence of human activities and climate changes. Poyang Lake is the largest freshwater lake and plays an important role in conservation of biological diversity and also in flood mitigation in the Yangtze River basin. In this case, ecological instream streamflow is also altered and the ecological environment is potentially affected under the influences of altered hydrological processes. With consideration of hydrological alterations, re-evaluation of ecological instream streamflow will be of great scientific and practical merit in terms of water resource management and conservation of ecological environment. We use the Hurst coefficient method to preliminary analyze the degree of alterations in five major tributaries of the Poyang lake basin. Then we use eight mutation testing methods to comprehensively investigate change points. We use 15 kinds of probability distribution functions to fit respectively daily flow for each month before occurrence of the hydrological alterations. Finally, the monthly optimal distribution functions and corresponding streamflow with the largest probability are determined and computed, and accepted as the ecological instream streamflow. Results indicate that: (1) main causes behind the hydrological alterations of the Gan, Xin, Rao and Xiu Rivers are the climate changes such as the precipitation changes observed in this study. However, the Hu River is mainly affected by human activities; (2) due to large amounts of water diversion irrigation system, hydrological processes in the Hu River were significantly altered after 1962. The hydrological alterations of the Gan and Xiu Rivers occurred in 1968. The East Asian Summer Monsoon led to anincrease of precipitation during the mid-1960s; The Xin, Rao Rivers were dominated by significant hydrological alterations in 1991. Increase of precipitation in the early 1990s is the main cause behind this hydrological alterations that occurred in the 1960s;(3) The increase of forest coverage and the construction of water conservancy are expected to improve the satisfaction rate of the ecological water requirement in the dry season. The satisfactory rate of ecological water requirement in the dry season is higher than that in the wet season in the Rao, Gan, and Xiu Rivers. However, the Fu and Xin Rivers do not follow this trend. The forestation and increased vegetation coverage can greatly alter the spatiotemporal distribution of water or runoff and can significantly increase the runoff during the dry seasons. Woodland has an important influence on the changes of runoff. Due to the large forest coverage, the ecological instream flow is greatly satisfied during dry seasons in the Rao River when compared to the other four rivers. A difference is found in the Gan River in terms of water requirements of ecological instream flow between wet and dry seasons. The number of reservoirs in the Gan River basin is high when compared to the other four tributaries of the Poyang Lake basin that were considered in this study. Forest coverage in the Xiu River basin accounts for 64.4% of the total area, which is ranked the second largest in the Poyang Lake. However, the difference between wet and dry seasons is small. The quantity and scale of the reservoir in the Xiu River basin falls far behind others. Therefore, the regulation activities of the reservoirs in Xiu River basin is not evident than other river basins. On the contrary, the satisfactory rate of ecological water requirements for the dry season is below that for the wet season in the Fu and Gan River. The rate of forest coverage in those two basins is far less than in other basins. The ability to regulate the forest is limited. These results will provide an important scientific basis for the planning and management of water resources within the Poyang Lake basin under a changing environment.

Poyang Lake basin; ecological streamflow; hydrological alterations

鄱陽(yáng)湖濕地與流域研究教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(江西師范大學(xué))主任開(kāi)放基金資助項(xiàng)目(ZK2013006); 安徽省高校引進(jìn)“領(lǐng)軍人才”專(zhuān)項(xiàng)項(xiàng)目

2014- 04- 08;

日期:2014- 09- 30

10.5846/stxb201404080664

*通訊作者Corresponding author.E-mail: zhangq68@mail.sysu.edu.cn

劉劍宇, 張強(qiáng), 顧西輝.水文變異條件下鄱陽(yáng)湖流域的生態(tài)流量.生態(tài)學(xué)報(bào),2015,35(16):5477- 5485.

Liu J Y, Zhang Q, Gu X H.Evaluation of ecological flow with considerations of hydrological alterations in the Poyang Lake basin.Acta Ecologica Sinica,2015,35(16):5477- 5485.