趙洪彬，黃曉榮,2，周星宇，馬 凱

(1.四川大學(xué)水利水電學(xué)院，成都 610065；2.四川大學(xué)水力學(xué)與山區(qū)河流開發(fā)保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610065)

0 引 言

河流系統(tǒng)可以為人類的生活生產(chǎn)提供寶貴的服務(wù)，例如提供生活、工業(yè)和農(nóng)業(yè)用水，魚類養(yǎng)殖，作為交通運(yùn)輸?shù)暮叫型ǖ酪约八婇_發(fā)等[1]。除此之外，河流系統(tǒng)也具有非常大的生物價(jià)值，包含了約全球40%的魚類和1/4脊椎動(dòng)物，如海豚、鴨嘴獸、鱷魚、鳥類和蛇，甚至還有更多種類的無脊椎動(dòng)物、植物和藻類，其中許多尚未被發(fā)現(xiàn)[16]。但正因?yàn)楹恿飨到y(tǒng)的巨大效用和生物價(jià)值，使得全世界各地過度開發(fā)，加劇了河流生態(tài)系統(tǒng)的破壞。

河流流態(tài)是河流生態(tài)的內(nèi)在驅(qū)動(dòng)力，它決定著河流的發(fā)展趨勢(shì)[2]。目前已開發(fā)了170多種流量變化指標(biāo)來描述河流流態(tài)的情勢(shì)[3]，其中廣泛應(yīng)用的是由RICHTER等人[4]提出的水文改變指標(biāo)法(IHA)，該指標(biāo)體系包含33個(gè)指標(biāo)共分5組，即月均流量、年極端流量、年極端流量出現(xiàn)時(shí)間、高和低脈沖的頻率及延時(shí)和流量變化的改變率和頻率。為了進(jìn)一步判斷河流水文情勢(shì)的變化情況，RICHTER等人[5]在IHA的基礎(chǔ)上又提出了變動(dòng)范圍法(RVA)。國內(nèi)已有許多學(xué)者采用IHA-RVA法對(duì)各個(gè)流域進(jìn)行水文情勢(shì)評(píng)估，取得了較好的成果[6-9]。但I(xiàn)HA指標(biāo)法仍存在許多局限性，TIMPE等人[10]在利用IHA分析大壩對(duì)水文情勢(shì)的影響時(shí)發(fā)現(xiàn)IHA指標(biāo)法沒有考慮氣候變化和土地利用的影響。GAO等人[3]指出IHA指標(biāo)間存在相關(guān)性，導(dǎo)致大量的信息冗余。于是，他利用主成分分析法(PCA)確定了IHA 33個(gè)指標(biāo)里最具代表性的生態(tài)水文指標(biāo)。VOGEL[11]等人提出了基于流量歷時(shí)曲線(Flow Duration Curve，F(xiàn)DC)的生態(tài)赤字、生態(tài)剩余2個(gè)廣義指標(biāo)來評(píng)價(jià)河道徑流生態(tài)機(jī)制。由于該方法無量綱，概念清晰且指標(biāo)少，因此更能直觀地反映出河流系統(tǒng)的水文情勢(shì)變化[12]。

因此，本文的主要思路是：①先利用Mann-Kendall檢驗(yàn)法找出金沙江流域中游攀枝花站自然流態(tài)下徑流突變點(diǎn)，討論氣候變化對(duì)攀枝花站徑流的影響，并結(jié)合攀枝花上游梯級(jí)電站首臺(tái)機(jī)組運(yùn)行時(shí)間，將徑流序列分成3個(gè)時(shí)間段進(jìn)行趨勢(shì)分析；②采用基于FDC的生態(tài)指標(biāo)法分別從年、季尺度上對(duì)攀枝花水文站的水文情勢(shì)進(jìn)行評(píng)價(jià)；③繪出梯級(jí)電站影響下近3 a的FDC曲線，并結(jié)合年、季FDC生態(tài)指標(biāo)結(jié)果，分析攀枝花上游梯級(jí)電站對(duì)該站流態(tài)的影響情況。

本文希望為進(jìn)一步推行長(zhǎng)江流域大保護(hù)計(jì)劃，明確長(zhǎng)江上游河流生態(tài)修復(fù)目標(biāo)和開展生態(tài)修復(fù)措施提供參考依據(jù)。

1 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)

金沙江流域是長(zhǎng)江上流的干流，位于四川宜賓以上，長(zhǎng)約3 500 km，流域面積約為50.2 萬km2，占長(zhǎng)江流域總面積的27.8%。本文選取金沙江中游控制站攀枝花站為研究對(duì)象，攀枝花站控制面積為25.9 萬km2，1966-2017年，攀枝花站多年平均徑流量達(dá)到564 億m3。正是由于攀枝花上游水能資源較為豐富，目前規(guī)劃建設(shè)電站16座，其中已建成電站6座[13]。

本文選取金沙江流域主要控制性水文站攀枝花站(1966-2017年)日流量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，該站位于金沙江流域中游，雅礱江入河口之上，且該徑流數(shù)據(jù)無缺測(cè)，經(jīng)過系統(tǒng)整編，質(zhì)量可靠。同時(shí)，收集了攀枝花站上游9個(gè)雨量站對(duì)應(yīng)時(shí)段(1966-2017年)的日雨量數(shù)據(jù)資料。2010年左右，攀枝花上游許多日調(diào)節(jié)或周調(diào)節(jié)的電站陸續(xù)投產(chǎn)。因此，取1966-2010年(45 a)的徑流序列為自然流態(tài)進(jìn)行計(jì)算。

2 研究方法

生態(tài)剩余和生態(tài)赤字是基于流量歷時(shí)曲線(FDC)提出來的，其中FDC由日流量數(shù)據(jù)和其超過概率構(gòu)成，其超過概率表示為[11]：

pi=i÷(n+1)

(1)

式中：n為觀測(cè)日流量的總天數(shù)；i為秩。

利用日徑流序列資料可以根據(jù)實(shí)際分析需要構(gòu)造不同尺度下FDC曲線。本文選取攀枝花站的日徑流資料構(gòu)建年尺度和季尺度的FDC曲線。以構(gòu)建年尺度FDC為例，根據(jù)其自然狀態(tài)下45 a的年FDC，得到75%分位FDC和25%分位FDC作為上、下限?？蓪?5%～75%分位范圍內(nèi)視為河流生態(tài)系統(tǒng)的適應(yīng)性范圍[15,18]。如圖1所示，如果某一年的年FDC低于25%分位線，則將25%分位線與該年FDC之間的區(qū)域定義為生態(tài)赤字。這一數(shù)值反映了河流生態(tài)系統(tǒng)需水量的不足程度。反之，如果某一年的年FDC位于75%分位線之上，則將75%分位線與該年FDC之間的區(qū)域定義為生態(tài)剩余，即反映了該年河流生態(tài)系統(tǒng)需水量的富裕情況[12,15]。

圖1 基于FDC的生態(tài)剩余和生態(tài)赤字定義Fig.1 Definition of ecological surplus and ecological deficit based on FDC

3 結(jié)果與討論

3.1 Mann-Kendall檢驗(yàn)及趨勢(shì)分析結(jié)果

利用攀枝花站控制的上游9個(gè)雨量站數(shù)據(jù)資料，運(yùn)用泰森多邊形法對(duì)其流域面雨量進(jìn)行計(jì)算，再采用Mann-Kendall[14]法對(duì)攀枝花站自然流態(tài)下的年均徑流進(jìn)行突變點(diǎn)檢驗(yàn)。結(jié)果顯示，攀枝花站年均徑流突變較為明顯，在95%置信區(qū)間內(nèi)年均徑流突變點(diǎn)為1984年。

依據(jù)Mann-Kendall檢驗(yàn)結(jié)果，以1984年為界，對(duì)自然狀態(tài)下徑流突變前后以及電站影響時(shí)期下的徑流進(jìn)行趨勢(shì)分析。徑流和降水過程如圖2所示，其中黑色線表示1966-1984年即突變前的結(jié)果，紅色線表示1985-2010年即突變后的結(jié)果，藍(lán)色線表示2011-2017年即電站影響下的結(jié)果。由圖2結(jié)果表明，徑流和降水有相同的變化規(guī)律。自然狀態(tài)下，突變前后徑流和降水都有所增加；電站影響時(shí)期，徑流和降水都呈現(xiàn)減少的趨勢(shì)。如表1所示。

表1 攀枝花站3個(gè)時(shí)段徑流和降水的變化結(jié)果Tab.1 Changes in runoff and precipitation during the three periods at Panzhihua Station

圖2 攀枝花降水、徑流過程趨勢(shì)Fig.2 Trend pattern of precipitation and runoff in Panzhihua

3.2 年尺度FDC生態(tài)指標(biāo)分析結(jié)果

圖3表示1966-2017年年FDC生態(tài)指標(biāo)與其對(duì)應(yīng)年份的降水距平之間的變化關(guān)系[12,15]。其中條形圖對(duì)應(yīng)的是降水距平的結(jié)果，綠色表示降水高于均值，紅色表示降水低于均值；折線圖表示FDC生態(tài)指標(biāo)的變化，藍(lán)色代表生態(tài)赤字，橙色代表生態(tài)剩余。圖3表明：在自然流態(tài)下，1984年后綠色條形圖明顯增多，表明降水明顯增加，由此導(dǎo)致該地區(qū)年流量增加，表現(xiàn)出生態(tài)剩余上升。2010年后即電站影響時(shí)期，降水減少，生態(tài)赤字增加。由此表明該地區(qū)在1966-2017年，河道生態(tài)需水狀態(tài)呈現(xiàn)出從不足到富裕再到不足的變化趨勢(shì)。同時(shí)，無論是任何時(shí)期，圖3中均表現(xiàn)出降水距平與生態(tài)指標(biāo)具有良好的相關(guān)關(guān)系，即降水較多時(shí)，生態(tài)剩余明顯增加；降水較少時(shí)，生態(tài)赤字明顯增加。初步判斷降水對(duì)該地區(qū)的流量變化具有一定的影響。

圖3 年尺度降水距平與生態(tài)指標(biāo)變化結(jié)果Fig.3 Results of annual scale precipitation distance average and ecological indicators

為了更好地研究降水距平與FDC生態(tài)指標(biāo)的相關(guān)關(guān)系，圖4繪制出2者的散點(diǎn)圖，并進(jìn)行線性分析，發(fā)現(xiàn)其趨勢(shì)線基本過原點(diǎn)，且散點(diǎn)大致分布在一三象限，表明降水距平與FDC生態(tài)指標(biāo)具有較好的線性關(guān)系。另外，通過統(tǒng)計(jì)分析，我們發(fā)現(xiàn)降水高于平均值的年份出現(xiàn)生態(tài)剩余的概率為90.5%，降水低于平均值的年份出現(xiàn)生態(tài)赤字的概率為84.0%。綜合結(jié)果表明，該地區(qū)流量變化主要是由降水變化引起的[15]。此外，為了進(jìn)一步說明生態(tài)指標(biāo)在這3個(gè)時(shí)間段的變化情況，圖5繪制出3段時(shí)間的生態(tài)指標(biāo)的箱型圖。圖5表明，前后2段時(shí)期生態(tài)剩余處于較低水平；中間段生態(tài)剩余明顯增多。進(jìn)一步說明該地區(qū)在1966-2017年，河道流態(tài)呈現(xiàn)出“低高低”的拋物線規(guī)律。

圖4 年FDC生態(tài)指標(biāo)與降水距平線性關(guān)系Fig.4 Relationship between FDC ecological indicators and precipitation distance average

圖5 3段時(shí)期FDC生態(tài)指標(biāo)箱型圖Fig.5 FDC ecological indicators box diagram for three periods

3.3 季尺度FDC生態(tài)指標(biāo)分析結(jié)果

不同季節(jié)的FDC生態(tài)指標(biāo)與其降水距平相關(guān)程度不同。由圖6可以看出，任何一個(gè)時(shí)間段內(nèi)，夏季的降水距平與生態(tài)指標(biāo)相關(guān)關(guān)系最好，冬季最弱，春季和秋季介于2者之間，這是由于夏季降水量級(jí)遠(yuǎn)大于冬季，當(dāng)降水足夠大時(shí)，降水會(huì)成為改變其流量的主要因素。圖6(b)顯示出夏季的降水規(guī)律與年尺度的變化情況相一致，而圖6(a)、(c)和(d)顯示出春季、秋季和冬季的降水與整年的降水變化一致性較弱，綜合表明夏季的降水和生態(tài)指標(biāo)的變化情況最能代表整年的變化[12,15]。

圖6 季尺度降水距平與FDC生態(tài)指標(biāo)變化結(jié)果Fig.6 Seasonal precipitation anomalies and FDC ecological indicators change results

圖7(b)顯示出夏季的生態(tài)指標(biāo)震蕩幅度最大，變化最為劇烈，這是由夏季高流量的劇烈變幅造成的。圖7(d)顯示，由于冬季低流量影響，生態(tài)指標(biāo)變幅較小，基本維持在0值附近。從時(shí)間變化上來看，自1966-2017年以來，對(duì)于任何一個(gè)季節(jié)，生態(tài)赤字均表現(xiàn)出從減少到增加的趨勢(shì)，生態(tài)剩余則表現(xiàn)出從增加到減少的趨勢(shì)，整體呈現(xiàn)出“低高低”的拋物線規(guī)律，這與年尺度FDC結(jié)果相同。

圖7 季尺度FDC生態(tài)指標(biāo)變化箱型圖Fig.7 Seasonal FDC ecological indicator change box diagram

3.4 梯級(jí)電站對(duì)攀枝花站流態(tài)的影響

2010年左右，攀枝花上游梯級(jí)電站陸續(xù)投產(chǎn)，目前已建的6座電站均在2015年及以前完成發(fā)電蓄水任務(wù)。因此，為進(jìn)一步討論梯級(jí)電站對(duì)該站流態(tài)的影響，分別做出2015、2016、2017年以及自然流態(tài)下25%分位、75%分位的FDC曲線，如圖8所示。并結(jié)合圖3結(jié)果，可以看出，在電站影響時(shí)期，年尺度FDC生態(tài)指標(biāo)和降水距平的相關(guān)性很好。此外，圖8顯示，這3 a的FDC曲線與自然流態(tài)下25%分位、75%分位的FDC曲線過程較為一致，且這3 a降水較少，與實(shí)際徑流流態(tài)較為符合，表明在年尺度下，梯級(jí)電站對(duì)流量的調(diào)節(jié)作用很小。

圖8 2015、2016、2017年FDC曲線Fig.8 2015, 2016, 2017 FDC curve

根據(jù)圖6和圖7顯示的結(jié)果，在電站影響時(shí)期，季尺度FDC生態(tài)指標(biāo)和降水距平仍然具有一定的相關(guān)關(guān)系，季尺度FDC生態(tài)指標(biāo)呈現(xiàn)出“低高低”的拋物線規(guī)律，與年尺度結(jié)果一致。此外，由圖8顯示，2016、2017年冬季流量基本低于25%分位線，流量呈現(xiàn)出赤字狀態(tài)，這是由于2016、2017年冬季降水低于多年冬季平均降水，由氣候變化主導(dǎo)了該時(shí)間段的流量變化。2015年冬季FDC曲線起伏較小，且2015冬季降水與平均值相當(dāng)，與實(shí)際徑流流態(tài)較為符合。綜合以上討論，結(jié)果表明，在季尺度上，攀枝花上游梯級(jí)電站對(duì)該站的流量調(diào)節(jié)作用也很小。

目前攀枝花上游已建成6個(gè)電站，電站參數(shù)如表2所示。因此，考慮到攀枝花上游已建成電站的調(diào)節(jié)性能均為周調(diào)節(jié)或日調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)性能較小，并結(jié)合以上結(jié)果，綜合表明低水頭水壩對(duì)河流水文情勢(shì)影響有限[17]，攀枝花上游梯級(jí)電站對(duì)該站的水文情勢(shì)影響甚微。

表2 攀枝花站上游已建電站參數(shù)Tab.2 Power plant parameters in the upper reaches of Panzhihua Station

4 結(jié) 論

(1)運(yùn)用Mann-Kendall突變點(diǎn)檢驗(yàn)法得到了攀枝花站自然流態(tài)下的徑流突變點(diǎn)為1984年，并結(jié)合攀枝花上游電站投產(chǎn)時(shí)間將攀枝花站徑流分為3個(gè)時(shí)間段，采用趨勢(shì)分析以及基于FDC的生態(tài)剩余、生態(tài)赤字的生態(tài)指標(biāo)法對(duì)該站水文情勢(shì)進(jìn)行評(píng)價(jià)。結(jié)果顯示，自1966-2017年以來，徑流和降水呈現(xiàn)出“低高低”的變化趨勢(shì)。

(2)年尺度FDC生態(tài)指標(biāo)表明降水距平與FDC生態(tài)指標(biāo)之間具有較好的線性相關(guān)關(guān)系，說明了該地區(qū)流量變化主要是由降水變化引起的；季尺度FDC生態(tài)指標(biāo)顯示夏季和年的變化情況有更好的一致性，這是由于夏季高降水、高流量的影響，使得夏季的降水和生態(tài)指標(biāo)的變化情況最能代表整年的變化。

(3)在電站影響時(shí)期，年尺度FDC生態(tài)指標(biāo)和降水距平存在較好的相關(guān)關(guān)系，并且季尺度FDC生態(tài)指標(biāo)變化規(guī)律與年尺度結(jié)果一致，同時(shí)考慮到攀枝花上游已建成電站的調(diào)節(jié)性能均為周調(diào)節(jié)或日調(diào)節(jié)，其調(diào)節(jié)性能較小，表明攀枝花上游梯級(jí)電站對(duì)該站的水文情勢(shì)影響甚微。

為更好地說明金沙江中游水文情勢(shì)的變化情況，接下來的研究應(yīng)考慮土地利用的變化以及具有更強(qiáng)調(diào)節(jié)性能的梯級(jí)電站的影響，除了考慮天然徑流突變前后的變化外，還應(yīng)考慮大型水庫建成前后對(duì)徑流造成的改變，為水文情勢(shì)評(píng)價(jià)提供更準(zhǔn)確的結(jié)果，為未來水庫調(diào)度以及建設(shè)長(zhǎng)江流域生態(tài)保護(hù)系統(tǒng)提供科學(xué)的依據(jù)。