管新建, 張一鳴, 孟 鈺, 劉 欣

(鄭州大學(xué) 水利科學(xué)與工程學(xué)院, 鄭州 450001; 2.中科華水工程管理有限公司, 鄭州 450000)

自20世紀(jì)50年代以來，淮河流域內(nèi)就興建了大量的水利工程，水資源供給體系不斷完善，但對(duì)水資源進(jìn)行分配時(shí)，卻往往忽視生態(tài)用水，致使河流生態(tài)環(huán)境不斷惡化，生活用水和生態(tài)用水之間的矛盾日益尖銳。因此，科學(xué)計(jì)算分析維持河流生態(tài)系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)所需的河道流量，對(duì)水資源進(jìn)行合理配置，實(shí)現(xiàn)人水和諧的可持續(xù)發(fā)展，具有現(xiàn)實(shí)的意義和緊迫感。各國(guó)學(xué)者對(duì)環(huán)境流量進(jìn)行了大量的研究，提出了一些相對(duì)成熟的方法[1]。Tennant給定了水生生物的生態(tài)流量區(qū)間[2]，首次將水文學(xué)方法應(yīng)用于生態(tài)流量問題。Richter首先提出了反映流域徑流量與生態(tài)環(huán)境的聯(lián)系[3]，即水文變化指標(biāo)法(IHA)。隨后Richter對(duì)IHA進(jìn)行改進(jìn)，提出了變化范圍法(RVA)[4]。此外，模糊評(píng)價(jià)法[5]、生態(tài)棲息地矩陣法[6]的提出對(duì)河流流量管理具有一定的促進(jìn)作用。

本文將IHA法應(yīng)用于淮河干流王家壩斷面突變前后兩個(gè)水文序列[7]，對(duì)比分析突變前后環(huán)境流量成分及其生態(tài)影響，充分考慮環(huán)境流量所呈現(xiàn)出的年內(nèi)不同尺度的變化特征以及不同水文年的年際變化特征，并結(jié)合RVA法進(jìn)行河流水文改變度以及水文生態(tài)特征分析，充分發(fā)揮河流環(huán)境流量在生態(tài)文明建設(shè)的重要作用，為淮河干流水資源配置及河流健康提供參考。

1 研究方法

人類活動(dòng)會(huì)在一定程度上改變徑流原始狀態(tài)，在對(duì)長(zhǎng)序列流量資料進(jìn)行研究時(shí)，首先要找出顯著性變化點(diǎn)。文中選擇Mann-Kendall法進(jìn)行突變檢驗(yàn)[8]，指出突變發(fā)生時(shí)間[9]；并以Pettitt法進(jìn)行驗(yàn)證，明確突變點(diǎn)，將徑流序列劃分為突變前和突變后兩個(gè)序列。在此基礎(chǔ)上，利用IHA水文分析技術(shù)對(duì)突變前后典型年過程進(jìn)行環(huán)境流量組分分析，對(duì)比突變前后環(huán)境流量指標(biāo)計(jì)算結(jié)果；基于IHA指標(biāo)，利用RVA法確定各個(gè)指標(biāo)的水文改變度，評(píng)價(jià)河流水文變化情況。

1.1 突變檢驗(yàn)方法

1.1.1 Mann-Kendall法 Mann-Kendall法(以下簡(jiǎn)稱M-K法)是一種非參數(shù)檢驗(yàn)方法，可以描述序列的變化趨勢(shì)、明確突變時(shí)間，首先以對(duì)時(shí)間Xi(i=1,2，…,n)構(gòu)造序列:

(1)

若Xi>Xj,則Si取1；反之，Si值取0 (j=1,2，…，i)

定義統(tǒng)計(jì)量：

(2)

按時(shí)間序列X順序計(jì)算統(tǒng)計(jì)量序列，得UFk；按時(shí)間序列X逆序重復(fù)上述過程，得統(tǒng)計(jì)序列UBk。如果UF和UB兩條曲線出現(xiàn)交點(diǎn)[10]，交點(diǎn)對(duì)應(yīng)時(shí)刻便是突變開始的時(shí)間。

1.1.2 Pettitt法 Pettitt方法與M-K法類似，同為非參數(shù)檢驗(yàn)方法。Pettitt法是直接利用秩序列來檢測(cè)突變點(diǎn)的，若t時(shí)刻滿足式3條件，則t點(diǎn)處為突變點(diǎn)。

Kt=max|Ck| (k=2,3，…,n)

(3)

式中：Ck是第i時(shí)刻數(shù)值大于或小于j時(shí)刻數(shù)值個(gè)數(shù)的累計(jì)數(shù)，(j=1,2…,i)。

1.2 水文變化指標(biāo)法

1.2.1 IHA指標(biāo)參數(shù) 環(huán)境流量組成(Environment Flow Components,EFC)是一套水文學(xué)流量參數(shù)，代表流量狀況的全系列，以維持河流生態(tài)完整的可持續(xù)性。發(fā)生頻率、發(fā)生時(shí)間、持續(xù)時(shí)間等對(duì)環(huán)境流量結(jié)果仍有參考價(jià)值，具體指標(biāo)見表1。

表1 IHA指標(biāo)參數(shù)

1.2.2 環(huán)境流量組成的界定 EFC根據(jù)不同的目標(biāo)閾值可以分為低流量、極端低流、高脈沖流量、小洪水和大洪水5種流量形式，對(duì)于河流生態(tài)具有重要意義，環(huán)境流量組成的運(yùn)算流程見圖1。

1.3 水文變化范圍法

RVA法是在IHA方法的基礎(chǔ)上對(duì)河流變化情況進(jìn)行評(píng)估的方法，它基于為每個(gè)IHA參數(shù)確定自然流量四分位數(shù)范圍的目標(biāo)，水文改變度的定義如下：

(4)

式中：Dm是第m個(gè)指標(biāo)的改變度；No，j為IHA值落在目標(biāo)內(nèi)的年數(shù)；Ne=pNT是IHA落入目標(biāo)的預(yù)期年數(shù)；NT是觀察年數(shù)的總數(shù)，在目標(biāo)范圍內(nèi)，p取50%。

圖1 環(huán)境流量組成的運(yùn)算流程

2 實(shí)例分析

2.1 研究區(qū)概況

淮河流域地處中國(guó)東部，多年平均徑流量為621億m3。王家壩站控制流域面積3.06萬(wàn)km2，河段上起洪河口，下至南照集，長(zhǎng)68 km，斷面多年平均流量2 482 m3/s，徑流年內(nèi)年際分布不均勻，汛期集中在6—9月。王家壩控制斷面位于淮河干流上中游分界點(diǎn)，降雨充沛，徑流量高于淮河干流平均水平，生物多樣性較為豐富，但隨著氣候變化和人類活動(dòng)的影響，王家壩河段徑流狀態(tài)在一定程度上發(fā)生了改變，生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性也面臨著各種各樣的挑戰(zhàn)。文中選擇淮河干流王家壩斷面1956—2010年的實(shí)測(cè)徑流系列作為研究基礎(chǔ)，包括足夠的豐、平、枯流量資料，具有較好的可靠性、一致性和代表性(圖2)。

2.2 突變檢驗(yàn)

王家壩站1956—2010年尺度徑流變化情況見圖2，王家壩斷面徑流年際變化不均勻，豐枯年份差異明顯，其中1956年徑流最大，為7 093 m3/s，1966年徑流最小，為634 m3/s。

利用M-K法對(duì)王家壩站1956—2010年的日流量序列進(jìn)行檢驗(yàn)，結(jié)果見圖4。王家壩站長(zhǎng)系列流量資料未出現(xiàn)明顯變化趨勢(shì)，且UF與UB線在多處相交。因此采用Pettitt法進(jìn)一步確定徑流序列的突變點(diǎn)[11]，在M-K法計(jì)算出Uk的基礎(chǔ)上，找出序列Ck的最值，其對(duì)應(yīng)年份即為突變年份。結(jié)果表明：王家壩斷面年徑流量在1984年前后出現(xiàn)明顯差異，與M-K法的計(jì)算結(jié)果一致。因此，最終確定王家壩站徑流系列突變點(diǎn)為1984年。

圖2 研究區(qū)簡(jiǎn)圖

氣候變化和人類活動(dòng)是改變徑流狀態(tài)的兩個(gè)主要因素，淮河干流王家壩站徑流序列在1984年發(fā)生突變。根據(jù)調(diào)查，20世紀(jì)80年代正值改革開放初期，淮河流域內(nèi)工農(nóng)業(yè)得到空前發(fā)展，基礎(chǔ)設(shè)施也不斷完善，淮河流域也加大了水土保持工作力度，使得研究區(qū)內(nèi)的下墊面情況發(fā)生變化，在一定程度上改變了徑流狀態(tài)。

圖3 王家壩站年徑流量分布

圖4 王家壩站M-K檢驗(yàn)

2.3 環(huán)境流量計(jì)算與分析

2.3.1 環(huán)境流量指標(biāo) 根據(jù)2.2計(jì)算結(jié)果將王家壩時(shí)間序列劃分為兩個(gè)子序列。通過頻率曲線篩選出兩個(gè)階段的典型年，即豐水年(p=25%)、平水年(p=50%)、枯水年(p=75%)，突變前典型年分別為1968年、1976年、1958年，突變后典型年為1991年、1997年、1992年，典型年環(huán)境流量劃分情況如圖5所示。通過IHA水文分析技術(shù)對(duì)突變前后環(huán)境流量指標(biāo)進(jìn)行分析，結(jié)果見表2。

由表2和圖5可知：整體來看突變后流量值更大，其中6月流量值漲幅最為顯著，達(dá)到106.7%；大、小洪水的平均歷時(shí)均有增加[12]，且突變后各流量事件量值較為集中。突變后流量事件以高脈沖流量、低流量為主，豐水年(1991年)的低流量和高脈沖流量事件集中在1—5月和9—12月，占據(jù)全年流量過程的75%；平水年(1997年)的流量過程均為低流量和高脈沖流量事件，其中高脈沖流量集中在6—7月，流量過程峰高量大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于相鄰時(shí)期的低流量事件量值，且持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)；枯水年(1992年)除1月出現(xiàn)極端流量事件外，其余均為低流量和高脈沖流量事件。

徑流狀態(tài)的改變勢(shì)必會(huì)引起環(huán)境流量組分及水文指標(biāo)的改變，包括魚類在內(nèi)的水生生物對(duì)流量的改變表現(xiàn)得極為敏感，特別是處于繁殖期的水生生物。在徑流突變較大的河段，生態(tài)系統(tǒng)功能越健全，生物的適應(yīng)性也越強(qiáng)，當(dāng)某一水文指標(biāo)改變時(shí)，河流生態(tài)系統(tǒng)的正常運(yùn)行和生物的生存與發(fā)展將受到影響。通過對(duì)水資源的合理分配，保證正常的河道外“三生”用水需求的同時(shí)，盡可能協(xié)調(diào)河道內(nèi)生態(tài)需水和人類用水之間的矛盾，才能維持流域生態(tài)系統(tǒng)健康運(yùn)轉(zhuǎn)。

對(duì)比突變前后各環(huán)境流量組分[13]，突變后流量有增加的趨勢(shì)，尤其是在汛期，年內(nèi)分布相對(duì)均勻，維持生態(tài)系統(tǒng)正常運(yùn)行就有更充足的水量，但通過生態(tài)調(diào)度平衡汛期與非汛期的流量差異，合理分配有限的水資源仍然重要。其中各環(huán)境流量指標(biāo)中值反映河道流量的一般狀態(tài)，離散系數(shù)反映與均值的偏離程度，突變前后34個(gè)指標(biāo)離散系數(shù)較突變前顯著下降，各流量事件中值與均值偏離程度較小。這種流量事件集中化的趨勢(shì)在徑流年內(nèi)年際變化上，則表現(xiàn)為年內(nèi)年際分配相對(duì)均勻，將在一定程度上減少水文災(zāi)害的產(chǎn)生，從而有利于水生生物的健康發(fā)展。

極端低流事件是對(duì)生態(tài)系統(tǒng)造成破壞的主要原因，雖然突變后王家壩站流量模式以低流量和高脈沖流量為主，但極端流量事件仍占有一定比重。采用汛期水庫(kù)蓄水、加大流域內(nèi)植被保護(hù)力度、減少地下水開采量等措施能在一定程度上增加枯水季節(jié)流量值，避免極端流量事件的發(fā)生，從而減少對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的破壞。高流量事件是生態(tài)系統(tǒng)正常運(yùn)行及生物繁殖的主要信號(hào)和媒介，突變后高脈沖流量和大、小洪水的出現(xiàn)時(shí)間更早，其中高脈沖流量出現(xiàn)時(shí)間提前到4月，更適合魚類的產(chǎn)卵繁殖；且高流量事件持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng)，能在一定程度上改變魚類在內(nèi)的多種水生生物的棲息地環(huán)境，促進(jìn)魚類產(chǎn)卵，為魚類和其他生物的生存和健康發(fā)展提供有利條件。

2.3.2 水文生態(tài)特征分析 根據(jù)王家壩站水文變化情況計(jì)算結(jié)果，33個(gè)水文變化指標(biāo)均未有高度改變；發(fā)生中度改變的有2月、3月、6月、7月、10月平均流量、最大7日流量、最小流量出現(xiàn)時(shí)間、高流量洪峰、等8個(gè)指標(biāo)，其余25個(gè)指標(biāo)均為低度改變。

對(duì)于月均水量，除4月、7月、10月月均水量外，其余各月流量均有不同程度增加，其中，3月流量增加幅度最大，表明各月流量呈現(xiàn)增加趨勢(shì)；各月水文改變度均為低或中度改變，6月水文改變度最大。對(duì)于年均極值，最大7日流量為中度改變，其余指標(biāo)均為低度改變(圖6)。

年極值出現(xiàn)時(shí)間稍有推遲，但仍在RVA閾值范圍內(nèi)，對(duì)于生物生存及生態(tài)系統(tǒng)正常運(yùn)行的影響可以忽略不計(jì)。對(duì)于頻率與歷時(shí)，高流量平均持續(xù)時(shí)間為中度改變，突變后該指標(biāo)大多落入RVA閾值范圍內(nèi)。變化率這組參數(shù)總體上變化不太明顯，流量平均增加率為中度改變，與流量平均減少率一樣，突變前后均減少35%；自1990年之后，該指標(biāo)就很少落入RVA閾值范圍內(nèi)[14](圖7)。

表2 王家壩站環(huán)境流量指標(biāo)

王家壩站位于淮河干流中上游，上游大型水利工程少，更接近于未開發(fā)利用時(shí)的生境系統(tǒng)，更有利于生態(tài)系統(tǒng)的良性循環(huán)。而且王家壩以上干支流經(jīng)過的地方大多為山區(qū)，經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平不高，人類活動(dòng)對(duì)王家壩以上河流影響較小，河流水文情勢(shì)變化不明顯。

20世紀(jì)八十年代，人們一味重視社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，而不注重河流管理與保護(hù)，忽視了對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的保護(hù)，使得部分水文變化指標(biāo)在徑流序列在突變后未落入RVA閾值范圍內(nèi)，這將在一定程度上影響水生物種對(duì)于水水分的獲取，進(jìn)而影響其生長(zhǎng)。但是從水文變化指標(biāo)整體改變情況來看，各指標(biāo)基本落入RVA閾值范圍內(nèi)，這也就意味著其水文生態(tài)特征整體未發(fā)生明顯變化，這與人們對(duì)于生態(tài)系統(tǒng)的保護(hù)是密不可分的。隨著經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)的不斷完善，生態(tài)系統(tǒng)破壞對(duì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展以及人類生存環(huán)境的影響日益顯著，人們?cè)絹碓揭庾R(shí)到河流保護(hù)的重要性，生態(tài)流量和生態(tài)調(diào)度也受到了重視。

圖5 突變前后典型年環(huán)境流量成分

圖6 6月平均流量(A)及最大7日流量(B)過程線

圖7 高流量持續(xù)時(shí)間(A)及流量平均增加率(B)變化

3 結(jié) 論

(1) 通過對(duì)王家壩站徑流資料分析表明，徑流的年際分布不均勻，豐枯年份差異顯著；采用M-K法和Pettitt法進(jìn)行突變檢驗(yàn)，結(jié)果表明王家壩站徑流序列在1984年發(fā)生突變。

(2) 突變后流量有增加趨勢(shì)，高流量平均歷時(shí)和持續(xù)時(shí)間有所增加，且流量模式趨于單一化，以高脈沖流量和低流量為主，流量模式更為集中。33個(gè)水文變化指標(biāo)均未出現(xiàn)高度改變，各月流量呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)，以3月流量表現(xiàn)最為顯著。

(3) 突變后王家壩環(huán)境流量組分發(fā)生了不同程度的變化，總體來看，這些水文現(xiàn)象的變化有利于水生生物的生存，但是通過生態(tài)調(diào)度調(diào)節(jié)汛期和非汛期之間的流量差異，減少極端事件的發(fā)生顯得尤為重要。 就水文生態(tài)特征而言，王家壩水文情勢(shì)更接近于未開發(fā)時(shí)的狀態(tài)，但隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，突變后水文生態(tài)特征經(jīng)歷了從生態(tài)破壞到逐漸恢復(fù)的轉(zhuǎn)變。