王鴻翔，查胡飛，卓志宇，錢 湛，郭文獻(xiàn)

（1.華北水利水電大學(xué)，河南 鄭州 450011；2.湖南省水利水電勘測設(shè)計研究總院，湖南 長沙 410007）

1 研究背景

河流的水文情勢是河流生態(tài)的內(nèi)在驅(qū)動力，它決定著河流發(fā)展趨勢。在水文情勢評估方面，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量研究。其中RICHTER等提出的基于水文改變指標(biāo)法（IHA）的變動范圍分析（Range of Variability Approach，RVA）法已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于水文情勢影響以及湖泊生態(tài)恢復(fù)研究［1］。陳啟慧等［2］采用RVA法對長江下游河流水文影響進(jìn)行了初步分析，郭文獻(xiàn)等［3］對漢江下游河流水文效應(yīng)進(jìn)行了綜合評估，楊志峰等［4］綜合運用RVA法和直方圖匹配（HMA）法分析了黃河下游河流水文情勢影響，張強等［5］研究了珠江流域水文改變特征。該方法是通過建立指標(biāo)體系來研究復(fù)雜的水文過程，是評價水文突變點對河流徑流過程影響的一種有效分析手段，該方法還可根據(jù)分析結(jié)果建立河流的生態(tài)流量管理模式，可滿足河流管理部門的需要［6-8］。

湘、資、沅、澧四條水系（簡稱四水）是湖南省水資源的重要組成部分，在湖南省境內(nèi)流域面積總計12.82萬km2。同時四水作為洞庭湖水系最大的注入者，多年平均入湖水量1669億m3，占總?cè)牒康?0%左右［9］。由此，湘、資、沅、澧四水的重要性不言而喻，為了四水水系的健康可持續(xù)發(fā)展，對四水流域的水文情勢研究顯得十分重要。本文結(jié)合國內(nèi)外在水文情勢的影響評估方面的成果，結(jié)合水文變異指標(biāo)、水文統(tǒng)計方法和變化范圍法定量評估湘、資、沅、澧四水的4個代表性的水文站（桃江、桃源、石門、湘潭）水文情勢的改變程度，為洞庭湖湖區(qū)水文情勢影響評價以及湖泊水生生態(tài)安全提供技術(shù)支撐。

2 數(shù)據(jù)和方法

2.1 研究數(shù)據(jù)選取湘江的湘潭站、資水的桃江站、沅水的桃源站和澧水的石門站作為整個四水水系的代表性水文站。選取的4個水文站各具代表性，基本能夠反映出四水水系的水文特征。采用這4個站點1959—2016年的日均流量觀測資料。

2.2 研究方法

2.2.1 突變檢驗法

（1）Mann-Kendall突變檢驗法。設(shè)時間序列為x1，x2，…，xn，Sk表示第i個樣本xi＞xj(j≤i)1≤ 的累計數(shù)，定義統(tǒng)計量：

在時間序列隨機獨立的假定下，Sk的均值和方差分別為：

將Sk標(biāo)準(zhǔn)化：

其中UF1=0。給定顯著水平α，若則表明序列存在明顯的趨勢變化，所有UFk可組成一條曲線，將此方法引用到反序列，則反序列的統(tǒng)計量UBk由下式給出：

其中UB1=0。對于給定顯著性水平如α=0.05，臨界值±1.96。將UFk、UBk統(tǒng)計量序列曲線和±1.96兩條直線繪制在同一張紙上，當(dāng)時間序列的UFk和UBk兩條曲線出現(xiàn)交點且交點位于臨界線之間，那么交點所對應(yīng)的時間則認(rèn)為是突變開始時間［10］。

（2）累積距平法。對于某一時間序列X（x1，x2，…，xn），其在某一時間t的累計距平值可表示為：

該方法的核心是根據(jù)距平值來判斷各離散數(shù)據(jù)相對于序列均值的離散程度，若累計距平值Xt增大，表明離散數(shù)據(jù)大于其平均值，若Xt減小，則表明小于其平均值，從累積距平曲線明顯的起伏波動可判斷序列長期顯著的趨勢變化。如果在時間序列累計距平曲線中，由Xt增大和減小的兩部分組成，則可確定時間序列趨勢變化的拐點［11-12］。

（3）滑動T檢驗。本文用Mann-Kendall突變檢驗法時，某些特征值出現(xiàn)了多個交點以及交點在置信度線范圍之外的情況，因此文中對出現(xiàn)這些情況的特征值用滑動T檢驗進(jìn)行進(jìn)一步的輔助計算。滑動T檢驗主要是通過考察兩組樣本的平均值差異是否明顯來檢驗突變。主要是通過比較水位序列中的兩個子序列之間的均值是否存在顯著差異來檢驗，若是兩段子序列之間的均值差異超過了顯著水平，則認(rèn)為發(fā)生了突變。對于樣本量為n的時間序列，人為的設(shè)置一個基準(zhǔn)點，將基準(zhǔn)點前后的子序列x1和x2的樣本分別為n1和n2，兩端子序列的平均值分別為和，方差分別為和。定義統(tǒng)計量為：

2.2.2 水文改變指標(biāo)法 Richter等［1］于1998年提出水文改變指標(biāo)法（IHA）。將水文情勢分為5組33個參數(shù)，分別從流量、時間、頻率、延時和改變率等方面分析河流水文情勢變化［14］。由于在研究期間各水文站并沒有出現(xiàn)零流量日，本文對IHA參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整后的IHA參數(shù)見表1。

2.2.3 變化范圍法 Richer等［15］于1997年提出變化范圍法，該法以IHA的水文指標(biāo)為基礎(chǔ)，通過分析水利工程建設(shè)前后的日流量數(shù)據(jù)分析水文指標(biāo)的改變程度。一般情況下，各指標(biāo)的平均值加減標(biāo)準(zhǔn)差或以頻率為75%和25%作為IHA指標(biāo)的上下限，成為RVA目標(biāo)。

2.2.4 水文改變度 為定量描述IHA32個指標(biāo)中單個水文指標(biāo)受影響后的變異程度，Richter等［15］建議通過水文改變度來評估，各指標(biāo)的具體水文變異度可由下面的公式量化得到：

式中：Di為第i個指標(biāo)的水文變異程度；N0,i為變異后的徑流序列IHA值在25%～75%分類范圍內(nèi)的年數(shù)；Ne為相應(yīng)的期望年數(shù)（Ne=P×NT，P為50%，NT為變異后徑流序列的總年數(shù)）?；诿總€指標(biāo)的變異程度Di，變異后序列總的水文變異程度D0計算如下：

為了能夠客觀的反映水文改變度的嚴(yán)重性，Richter等認(rèn)為可以將水文改變度劃分為3個不同等級的嚴(yán)重性，一般定義|值介于0～33%之間屬于低度改變或不發(fā)生改變；33%～67%之間屬于中度改變；67%～100%之間屬于高度改變，以此對河流水文情勢進(jìn)行量化判斷［15-17］。

表1 調(diào)整后的IHA流量參數(shù)

3 結(jié)果與討論

3.1 四水水系年均流量變化特征

3.1.1 年均流量趨勢性檢驗 趨勢性是反映樣本序列隨時間增加的傾向，即增加、減少或不變。為揭示四水水系年平均流量趨勢變化，點繪1959—2016年年平均流量年際變化過程曲線（見圖1）。由圖1可知，研究期間，四水水系年平均流量除個別特枯年或特大洪水年的波動幅度較大外，基本上都有不同程度的增長趨勢，僅石門站出現(xiàn)微弱下降趨勢。

運用M-K檢驗方法檢驗4個站點年平均流量變化的趨勢性（表2）可知，湘潭站、桃江站和桃源站年平均流量總體呈微弱上升態(tài)勢，上升趨勢均不明顯，都沒有通過顯著性檢驗，石門站呈現(xiàn)微弱下

降趨勢，也未通過顯著性檢驗，下降趨勢不明顯。

圖1 四水流域年均流量變化及趨勢

表2 四水水系年均流量變化趨勢M-K檢驗

3.1.2 年均流量突變性檢驗 運用Mann-Kendall檢驗、累計距平法和滑動T檢驗法，對湘潭、桃江、桃源和石門4個水文控制站研究期間的年均流量序列進(jìn)行突變年份檢驗，通過以上3種檢測方法綜合判別4站點理論上的突變年份如表3所示。

表3 四水年均流量突變統(tǒng)計結(jié)果

3.2 四水流域水文指標(biāo)變化通過以上對四水流域各支流水文情勢突變點的研究，將突變點以前的流量過程作為自然態(tài)基準(zhǔn)流量序列，將突變后時間序列的水文過程同突變前進(jìn)行比較分析。運用IHA和RVA法計算四水流域各站點的水文改變程度。四水突變前后各流量指標(biāo)參數(shù)改變程度計算結(jié)果如表4所示。

3.2.1 月流量變化 四水流域4個水文站最明顯的水文變異大多集中出現(xiàn)在3月、4月、5月、7月和10月（見圖2）。四水流域各水系雖然水文突變點不盡相同，但突變前后月流量變化相似，都在豐水期（5—10月）的變化更大。

3.2.2 年極端流量大小 由表4可以看出，四水的年均最小值流量改變度的絕對值相對于年均最大值流量要高些，這說明水文情勢的變化對年均最小值流量的影響更深些。桃江站的年均1d最小值流量和基流指數(shù)改變度最大均呈中度改變，其余都為低度改變，年均1d、3d最大值流量水文改變度最小，呈低度改變；湘潭站的年均3d、7d最小值流量和基流指數(shù)改變度較大，其中基流指數(shù)的改變度達(dá)到高度改變，年均1d、3d最大值流量水文改變度最小且均為低度改變；桃源站的年均30d最小值流量改變度最大達(dá)到了中度改變，基流指數(shù)的水文改變度最小呈現(xiàn)低度改變；石門站的年均1d最小值流量改變度最大，達(dá)到了高度改變，年均90d最小值流量改變度最小僅為-1.65，屬于低度改變。

圖2 突變前后月中值流量變化

3.2.3 年極端流量發(fā)生時間 由表4可以看出，桃源和湘潭站的年最小值出現(xiàn)時間比突變前的出現(xiàn)時間有所提前，且水文改變程度較高；石門站的年最小值出現(xiàn)時間比突變前的出現(xiàn)時間提前，水文改變度為低度改變；桃江站的年最小值出現(xiàn)時間比突變前的出現(xiàn)時間有所推遲，水文改變度也是低度改變；4個站點的年最大值出現(xiàn)時間均出現(xiàn)了不同程度的推遲，且水文改變度均為低度改變，其中石門站年最大值出現(xiàn)時間的水文改變度最低。

3.2.4 高低脈沖的頻率及歷時 由表4可以看出，桃江、湘潭和桃源站的低脈沖次數(shù)都發(fā)生了中度改變，但石門站的低脈沖次數(shù)發(fā)生了高度改變；湘潭、桃源和石門站的低脈沖歷時都發(fā)生了中度改變，桃江站低脈沖歷時發(fā)生了低度改變；桃江、桃源和石門站的高脈沖次數(shù)是發(fā)生了低度改變，但湘潭站的高脈沖次數(shù)發(fā)生了中度改變；桃江、湘潭和桃源站的高脈沖歷時都發(fā)生了低度改變，石門站發(fā)生了中度改變。綜上所述，各站點的低脈沖次數(shù)和歷時的改變度均大于高脈沖次數(shù)和歷時的改變度。

3.2.5 流量變化改變率及頻率 從表4可以看出，上升率除湘潭站無變化外，桃江、桃源和石門站的上升率均為中高度改變，石門站的水文改變度最為顯著；4個站點的下降率均為低度改變；逆轉(zhuǎn)次數(shù)中桃源站和石門站的水文改變度都較高，達(dá)到了高度改變，而桃江和湘潭站的水文改變度較低都是低度改變。整體來看石門站的變化較為顯著。

3.3 河流水文改變度

3.3.1 水文突變前后水文指標(biāo)變化度比較 為了評價四水各水系水文突變前后水文情勢的變化程度，計算桃江、湘潭、桃源和石門4個水文站32個水文指標(biāo)絕對值的改變度的基礎(chǔ)上，繪制了3個等級的水文改變度（圖3）。

在32個水文指標(biāo)中，石門和湘潭站的水文改變程度相對于桃源和桃江站的水文改變度要高。石門站發(fā)生高度改變的指標(biāo)有4個，發(fā)生中度改變的有9個，其中高度改變是4個水文站中最高的；桃江站沒有高度改變的水文指標(biāo)，中度改變的水文指標(biāo)也只有5個，是4個站點中水文改變度最低的。這說明四水水系的4個流域在水文突變的情況下，影響最深的是石門站（見圖4）。

如圖4所示，受水文突變的影響，石門水文站的水文情勢在改變度等級統(tǒng)計中發(fā)生高度改變的所占比列最高，占13%，桃源、湘潭和桃江站的高度改變所占的比列次之，分別為6%、3%和0%；桃江站低度改變的水文指標(biāo)所占比列最高，為84%，桃源、湘潭和石門站的低度改變依次降低，分別為75%、72%和59%；4個站點改變度最低的都是高度改變。

3.3.2 整體水文改變度分析 桃源、桃江、湘潭和石門水文站各組水文改變度綜合改變度見表5。分別計算出桃源、桃江、湘潭和石門4個水文站各組指標(biāo)的整體水文改變度以及各水文站的整體水文改變度，計算結(jié)果如表5所示，據(jù)表5分析可知，桃源站第1、2組均為低度改變，第4、5組為中度改變，僅第3組為高度改變；桃江站的水文改變度均為低度改變；湘潭站的第1、5組為低度改變，第2、4組為中度改變，第3組為高度改變；石門站的第1、3組為低度改變，第2、4組為中度改變，第5組為高度改變。改變程度的不同，反映了各河流的水文突變對當(dāng)?shù)睾恿魉那閯莸挠绊懗潭?。綜合分析可知桃源、桃江、湘潭、石門的整體水文改變度分別為35%、22%、36%和42%，只有桃江站的水文改變度為低度改變，其余3站都處于中等改變度。桃源和湘潭站的第3組指標(biāo)水文改變度變化最明顯，均為高度改變；石門站的第5組改變度最為顯著，為72%。因此，水文突變對桃江站的水文情勢影響最小。

表4 四水流域水文突變前后IHA指標(biāo)統(tǒng)計

圖3 四水水文改變度

圖4 四水水系不同等級變化度所占比例

表5 各水文站流量序列整體水文改變度

4 結(jié)論

本文采用Mann-Kendall法、累積距平法檢驗以及滑動T檢驗法分析湘、資、沅、澧四水1959—2016年的水文特征與水文突變點，并應(yīng)用水文指標(biāo)變動范圍法（IHA-RVA）和水文改變度法綜合評估了四水各站點突變前后水文指標(biāo)改變程度，具體結(jié)論有：（1）湘江（湘潭）、資水（桃江）、沅水（桃源）年均流量呈現(xiàn)上升趨勢，趨勢不顯著，而澧水（石門）年均流量呈下降趨勢，趨勢不顯著；（2）湘江（湘潭）、資水（桃江）、沅水（桃源）和澧水（石門）突變年份分別為1991年、1987年、1989年和1973年，洞庭湖四水年均流量突變年份有所差異，表明湘江、資水、沅水和澧水的水電工程受影響程度不同，大型水電工程建設(shè)主要集中在1980年代；（3）四水中湘江（湘潭）、資江（桃江）、沅江（桃源）和澧水（石門）生態(tài)水文綜合改變度分別為36%、22%、35%和42%，其中湘江、沅江和澧水屬于中度改變，資江屬于低度改變。