紀(jì) 毅，王 旭，雷曉輝，蔡思宇

(1. 北京工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院 水質(zhì)科學(xué)與水環(huán)境恢復(fù)工程北京市重點實驗室，北京100124； 2. 中國水利水電科學(xué)研究院，北京 100038)

隨著人類和社會經(jīng)濟的發(fā)展，河流水文過程在人類活動的影響下會發(fā)生改變，水文過程的改變在積累到一定程度后就會發(fā)生變異，這種變異會對已經(jīng)適應(yīng)變異前水文狀態(tài)的生態(tài)環(huán)境造成破壞。從狹義上講，能夠維持正常生態(tài)環(huán)境不遭到破壞所需要的水量即為生態(tài)需水量，因此，為了能夠保障河流生態(tài)系統(tǒng)良性發(fā)展，有必要在分析水文過程變異的基礎(chǔ)上對河流生態(tài)需水量進行研究[1-3]?，F(xiàn)階段，國內(nèi)外生態(tài)流量的計算取得了一定的成果，總結(jié)河道內(nèi)生態(tài)需水的計算方法主要包括四種：基于歷史徑流數(shù)據(jù)的水文學(xué)法[4]、基于水力學(xué)基礎(chǔ)和河道特征的水力學(xué)法[5]、基于河道生物特點的生境法[6]、基于流域整體生態(tài)需求的綜合法[7]等。鄭志宏[8]利用改進的Tennant法對黃河下游水文站的生態(tài)流量進行了研究；張強[9]利用改進的7Q10法、NGPRP法、逐月最小生態(tài)徑流計算法和逐月頻率計算法對珠江流域11個主要水文控制站點的實測月徑流量做了全面而系統(tǒng)的研究，分析珠江流域生態(tài)徑流過程。孟鈺[10]以淮河干流魚類長吻鮠為保護目標(biāo)，建立長吻鮠分時期生態(tài)需求與流量之間的概念性模型。陳亞寧等[7]在以塔里木河流域內(nèi)生態(tài)較為脆弱的地區(qū)作為研究對象，將水過程作為該地區(qū)生態(tài)安全分析的核心，計算該地區(qū)的生態(tài)需水量。本文以大通河流域作為研究區(qū)域，近年來由于向外調(diào)水工程和水電工程的修建，導(dǎo)致大通河河道水量嚴(yán)重減少，在個別月份尕大灘水文站甚至出現(xiàn)斷流現(xiàn)象，這對河道內(nèi)及沿岸的生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生了很大的影響。為了研究尕大灘水文站的月徑流的變異點和生態(tài)需水，通過引入基尼系數(shù)研究分析該站月徑流年內(nèi)分配均勻程度確定變異點，然后利用變異點以前的徑流序列確定逐月河道內(nèi)生態(tài)需水，最后通過生態(tài)需水和變異點前后平均流量的對比結(jié)果及生態(tài)流量破壞頻率分析水文變異對生態(tài)流量的影響。

1 基于基尼系數(shù)的年內(nèi)分配均勻度評價模型

基尼系數(shù)的本質(zhì)是量化及評價一組數(shù)據(jù)的分布均勻程度，因此，可以將其引入河流水文要素( 降水、徑流等) 年內(nèi)分配均勻度的變異分析之中[11]。本文以徑流的年內(nèi)分布均勻度作為研究對象，分析徑流的年內(nèi)分配均勻程度發(fā)生變異的年份，構(gòu)建基于基尼系數(shù)的月徑流年內(nèi)分布均勻度模型步驟如下：①歷史月徑流數(shù)據(jù)分組排序：將歷史月徑流數(shù)據(jù)以年為單位進行分組，然后對每一組的月徑流數(shù)據(jù)進行升序排列；②對每組數(shù)據(jù)進行累計處理：分別對時間和月徑流數(shù)據(jù)進行對應(yīng)累計處理，其中時間以月為單位；③繪制洛倫茲曲線：每組均以時間累計值于總時間的比值作為橫坐標(biāo)，以月徑流累計值與徑流總和的比值作為縱坐標(biāo)，例繪制面積圖，以1956年數(shù)據(jù)為例(見圖1)；④求解基尼系數(shù)GI：利用公式(1)計算基尼系數(shù)。

GI=SB/(SA+SB)

(1)

式中：SA、SB分別代表A、B所在區(qū)域的面積。

圖1 1956年月徑流洛倫茲曲線(GI=0.779)Fig.1 Lorenz curve of annual distribution for monthly runoff in 1956(GI=0.799)

2 基于基尼系數(shù)的年內(nèi)分配均勻度變異分析

水文要素變異主要分為趨勢變異和跳躍變異兩種，針對這兩種變異，水文要素變異診斷分為趨勢診斷和變異診斷兩種。其中，趨勢診斷的方法主要有：相關(guān)系數(shù)法、Spearman秩次相關(guān)檢驗法；Kendall秩次相關(guān)檢驗法，跳躍診斷的方法有：Lee-Heghinan法、滑動游程檢驗法、BSYES方法等[12]。由于單一的診斷方法都具有一定的局限性，謝平[12]提出了一種針對水文要素變異的綜合診斷系統(tǒng)，提高了變異診斷的精度和可靠性。綜合變異診斷系統(tǒng)針對趨勢變異和跳躍變異，包括初步診斷、詳細(xì)診斷和綜合診斷，具體方法見表1。利用水文診斷系統(tǒng)分別對大通河流域尕大灘水文站的月徑流GI值序列和年際徑流均值序列進行變異診斷，取第一信度水平α=0.05，第二信度水平β=0.02，診斷結(jié)果及過程如下。

2.1 初步診斷

變異診斷系統(tǒng)的初步診斷采用過程線法、滑動平均法和Hurst系數(shù)法對尕大灘水文站的月徑流GI序列和年際徑流總量序列進行變異檢驗。圖2為月徑流GI序列過程線及其滑動平均過程線，由圖2可以看出，尕大灘站的月徑流GI序列值在1997年之前基本上全部小于GI序列值的均值，但在1997年以后GI值均大于平均值，因此可以初步診斷GI值在1997年存在變異，變異類型為增加或向上的跳躍。圖3為年徑流均值序列過程線及其滑動平均過程線，由圖3可以看出，年徑流均值序列沒有明顯的變異點。利用Hurst系數(shù)法計算兩組序列的系數(shù)值h分別為0.813、0.572。初步診斷GI序列值存在強變異，年徑流均值序列不存在變異。

圖2 GI序列及其滑動平均過程線Fig.2 The GI series and its moving average

圖3 年徑流均值序列及其滑動平均過程線Fig.3 The series of the runoff and its moving average

2.2 詳細(xì)診斷

根據(jù)初步診斷結(jié)果顯示月徑流GI序列存在變異，而年際徑流均值序列不存在變異，因此，只需要對GI序列進行詳細(xì)診斷。利用水文變異診斷系統(tǒng)中的跳躍診斷方法和趨勢診斷方法得到以下結(jié)論：①跳躍診斷中有5種方法診斷GI序列值在1997年發(fā)生顯著跳躍，有兩種方法診斷GI序列值分別在2002年和1993年發(fā)生了顯著跳躍；②趨勢診斷中，在信度水平α=0.05的條件下，3種診斷方法均顯示上升趨勢顯著。具體診斷結(jié)果見表1。

2.3 綜合診斷

跳躍綜合診斷包括權(quán)重綜合和顯著性綜合兩部分，其中跳躍診斷方法的權(quán)重由向量相似度法確定。經(jīng)跳躍綜合診斷可得：GI序列變異點1997年的綜合權(quán)重為0.76，綜合顯著性為5，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于變異點2002年和變異點1993年的綜合權(quán)重，因此，跳躍變異綜合診斷變異點為1997年。趨勢綜合診斷中綜合顯著性為3，說明GI序列有明顯的趨勢性。最終利用效率系數(shù)法求得，跳躍變異和趨勢變異的效率系數(shù)分別為48.33%和35.16%，最終判斷GI序列符合在1997年發(fā)生跳躍變異，具體結(jié)果見表1。

表1 月徑流GI序列和年徑流均值序列變異診斷結(jié)果Tab.1 Results of variation in diagnosis of GI series and annual runoff

2.4 變異分析

月徑流GI序列產(chǎn)生跳躍變異的可能原因主要分類兩類：氣候變化影響和人類活動影響。氣候變化主要是通過降雨、氣溫等氣象因素對徑流產(chǎn)生影響，這種影響必然導(dǎo)致徑流總量和年均徑流均值產(chǎn)生變異，但是根據(jù)綜合診斷系統(tǒng)診斷徑流均值并未發(fā)生變異，因此，可以基本排除氣候變化因素對GI序列產(chǎn)生的影響。人類活動主要是通過改變下墊面、修建水利工程等方式影響徑流。大通河上游流域下墊面受到人類活動影響的程度很小，因此，對于尕大灘站徑流的年內(nèi)分布均勻度影響主要是通過修建水利工程。由圖4可以看出，各月的平均徑流流量由“高瘦型”轉(zhuǎn)變?yōu)椤鞍中汀?，這種徑流分布形態(tài)的變異主要是因為水利工程的調(diào)蓄作用引起的。另外，通過統(tǒng)計大通河流域水電站數(shù)量及裝機容量累積變化發(fā)現(xiàn)(見圖5)，大通河從1996年開始修建水利工程，尕大灘水文站月徑流GI值在1997年發(fā)生變異，兩者時間相吻合，因此推測月徑流GI值的變異主要是因為大通河水利工程的修建。

圖4 變異前后月徑流平均流量對比Fig.4 Comparison of monthly runoff mean flow

圖5 大通河流域水電站數(shù)量及裝機容量Fig.5 Number and installed capacity of hydropower station in Datonghe basin

3 生態(tài)需水計算

3.1 數(shù)據(jù)選擇

根據(jù)變異診斷系統(tǒng)和變異分析的結(jié)果顯示尕大灘站的月徑流GI值在人類活動的影響下發(fā)生了變異，變異點年份前后各種水文要素的總體分布會出現(xiàn)了變化，變異后的水文要素分布對于已經(jīng)穩(wěn)定的當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)系統(tǒng)是不利的，而且變異后的水文序列對于生態(tài)需水計算會產(chǎn)生影響，因此，變異點年份以后的水文序列在計算生態(tài)需水時應(yīng)該被排除。因此，本文選擇1956-1996年尕大灘的月徑流資料為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)計算河流的生態(tài)流量。

3.2 生態(tài)流量計算方法

在計算生態(tài)流量時采用“逐月徑流頻率計算法”，即將逐月徑流分布中頻率最大處的徑流量作為河道生態(tài)流量，再由每個月的生態(tài)流量組成全年的生態(tài)流量過程。在確定徑流頻率最大處之前，首先要選擇合適的概率分布函數(shù)，常用的概率分布有PⅢ型分布、GEV分布等。李劍鋒等[13]利用檢驗概率平均值對比分析PⅢ型分布和GEV分布對于月徑流的擬合效果，發(fā)現(xiàn)GEC分布更加符合月徑流的分布特點。因此，本文選擇GEV分布作為月徑流的分布函數(shù)。

GEV概率密度分布函數(shù)如下所示：

(3)

利用線形矩法對GEV概率分布函數(shù)進行參數(shù)估計，公式如下。

(4)

(5)

(7)

ζ≈

(10)

式中：n代表月徑流序列的長度；xj代表第j年某月的徑流量；ζ、σ、μ分別為GEV分布的形狀參數(shù)、尺度參數(shù)、位置參數(shù)，其中ζ<0、ζ=0、ζ>0分別對應(yīng)著Frechet分布、Gumbel分布和Weibull分布。

生態(tài)流量x即GEV分布中出現(xiàn)頻率最高的流量為：

(11)

3.3 生態(tài)流量分析

以1956-1996年尕大灘的月徑流作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，利用上述生態(tài)流量計算方法計算分析大通河尕大灘處的1-12月的生態(tài)流量，并與月均值進行對比，結(jié)果如表2所示。

由表2可以看出，變異前的月平均流量均大于生態(tài)流量，變異后非汛期(10月至次年5月)的平均流量增加，汛期(6-9月)的平均流量減小，在五六月出現(xiàn)了平均流量小于生態(tài)流量的現(xiàn)象。

表2 尕大灘水文站各月河道內(nèi)生態(tài)流量和平均流量 m3/s

如果月徑流大于生態(tài)流量則認(rèn)為該流量滿足生態(tài)需水，否則認(rèn)為生態(tài)需水遭到破壞。各月生態(tài)需水遭到破壞的個數(shù)與月份的序列長度之比為生態(tài)需水破壞頻率，計算結(jié)果見表3。由表3可以看出，在突變點1997年前后，生態(tài)流量破壞頻率在汛期(6-9月)和非汛期(10月至次年5月)發(fā)生相反的變化。變異前各月生態(tài)流量的破壞頻率除了5月份均全部保持在42%以下，說明變異前不同月份均有58%以上的時間能夠滿足生態(tài)需水。變異后汛期的生態(tài)流量破壞頻率增加，特別是6月和7月破壞頻率增幅很大，增加幅度分別為88.26%和75.70%，而非汛期的生態(tài)流量破壞頻率降低，特別是1-3月，在變異后沒有出現(xiàn)過生態(tài)流量破壞的現(xiàn)象。這是由于水利工程在汛期攔截了部分上游來水，并在非汛期下泄部分蓄水量，由于在非汛期河道生態(tài)需水量較小，所以水利工程的調(diào)蓄作用對于該時段生態(tài)流量的調(diào)節(jié)作用明顯。但對于汛期，水利工程對河道生態(tài)流量的破壞需要通過優(yōu)化水利工程的調(diào)度規(guī)則，盡量避免對河道生態(tài)流量的破壞。

表3 尕大灘水文站各月生態(tài)流量破壞頻率 %

4 結(jié) 語

(1)本文利用基尼系數(shù)GI研究月徑流年內(nèi)分配均勻度變化，通過綜合診斷系統(tǒng)分析月徑流GI值，發(fā) 現(xiàn)大通河流域尕大灘水文站的月徑流年內(nèi)分配均勻程度在1997年發(fā)生了向上跳躍變異，通過對比尕大灘水文站年徑流均值變異分析結(jié)果及對大通河流域水電工程的調(diào)查推斷該變異主要是因為人類活動影響。

(2)在變異點分析的基礎(chǔ)上確定了生態(tài)需水的計算序列為1956-1996年，在此基礎(chǔ)上利用現(xiàn)行矩法計算GEV的分布函數(shù)，分別求出該分布下各月概率密度最大處的流量，將其作為生態(tài)流量。

(3)對比變異點前后的各月平均流量與生態(tài)流量發(fā)現(xiàn)，變異點以前各月平均流量均大于生態(tài)流量，變異后五六月出現(xiàn)了平均流量小于生態(tài)流量的現(xiàn)象。分析生態(tài)需水破壞頻率發(fā)現(xiàn)變異后汛期的生態(tài)流量破壞頻率增加，特別是6月和7月破壞頻率增幅很大，增加幅度分別為88.26%和75.70%，而非汛期的生態(tài)流量破壞頻率降低。

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