高敏華

(廣東省水文局肇慶水文分局，廣東 肇慶 526060)

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，人類對(duì)河流水資源開(kāi)發(fā)利用程度顯著提高。人類活動(dòng)與氣候變化的共同影響下，江河水文情勢(shì)隨之發(fā)生改變[1]，這已成為當(dāng)今水文研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。國(guó)內(nèi)外有關(guān)河流水文情勢(shì)受水利工程蓄排水影響的研究較多，郭文獻(xiàn)等[2]指出長(zhǎng)江中下游河流水文情勢(shì)因三峽水庫(kù)蓄水影響發(fā)生了較大的改變。張颯等[3]量化分析了受水庫(kù)影響，漢江中游水文情勢(shì)的變化情況。王學(xué)雷等[4]對(duì)漢江中下游的水文情勢(shì)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)隨著階級(jí)水庫(kù)數(shù)量越多，下游水文站的水文情勢(shì)變化也隨之增大。

西江為珠江三角洲地區(qū)提供豐富的水資源，作為貫穿粵港澳大灣區(qū)的主要河流，是粵港澳大灣區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的戰(zhàn)略腹地[5]。20世紀(jì)80年代以來(lái)，西江流域在氣候變化及人類活動(dòng)的頻繁作用下，流域下墊面發(fā)生顯著變化，產(chǎn)匯流機(jī)制也隨之改變，水文時(shí)間序列的一致性受到了破壞[6]。高要水文站作為西江進(jìn)入廣東境內(nèi)后首個(gè)干流控制站，其水文情勢(shì)的變化將對(duì)粵港澳大灣區(qū)水資源開(kāi)發(fā)利用帶來(lái)巨大的影響。本文運(yùn)用IHA/RVA法[7]對(duì)西江下游高要段進(jìn)行水文情勢(shì)變化分析，IHA水文指標(biāo)體系的指標(biāo)個(gè)數(shù)調(diào)整至33個(gè)，此指標(biāo)體系包括月平均、年極值、年極值出現(xiàn)時(shí)間、脈沖次數(shù)和歷時(shí)、改變度和頻次等五組具有生態(tài)意義的IHA水文指標(biāo)，同時(shí)應(yīng)用這套指標(biāo)加上RVA(Range of Variability Approach)閾值法得以量化評(píng)價(jià)人類活動(dòng)對(duì)西江下游水文特性的影響程度，為西江下游水資源的合理開(kāi)發(fā)提供依據(jù)。

1 研究區(qū)域概況

西江發(fā)源于云南省曲靖市沾益區(qū)馬雄山，在廣東省珠海市的磨刀門(mén)注入南海。全長(zhǎng)2 214 km。集水面積約為353 120 km2[8]。其中南盤(pán)江與紅水河為西江上游，黔江與潯江為西江中游，梧州以下為西江下游。梧州水文站是西江干流控制站，集水面積為327 006 km2，占西江集水面積的94.6%，占西江(廣西境內(nèi))年徑流總量的85%[9]。高要水文站為西江進(jìn)入廣東省后首個(gè)干流控制站，位于西江梧州水文站下游約167 km處，集水面積為351 535 km2，占西江集水面積的99.6%。研究區(qū)域及站點(diǎn)分布見(jiàn)圖1。

圖1 研究區(qū)域及站點(diǎn)分布

2 研究方法

2.1 突變點(diǎn)檢驗(yàn)方法

2.1.1Mann-Kendall突變檢驗(yàn)法

Mann-Kendall[10]檢驗(yàn)方法是一種非參數(shù)檢驗(yàn)方法。經(jīng)Sneyers[11]進(jìn)一步完善和優(yōu)化，形成了現(xiàn)在的計(jì)算形式，可檢驗(yàn)序列的變化趨勢(shì)和突變出現(xiàn)時(shí)間。具體計(jì)算步驟如下。

定義待檢驗(yàn)時(shí)間序列為X(x1、x2,…,xn)，以序列中后一個(gè)數(shù)值大于其之前所有數(shù)值的個(gè)數(shù)計(jì)數(shù)值為新序列Pk：

(1)

(2)

將Pk進(jìn)行累加求和得Sk：

(3)

計(jì)算Sk的均值及方差：

(4)

求得統(tǒng)計(jì)量UFk，見(jiàn)式(5)：

(5)

當(dāng)k=1時(shí)，UFk=0。UFk為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布，若UFk>0，表示檢驗(yàn)序列為上升趨勢(shì)；若UFk<0，表示檢驗(yàn)序列為下降趨勢(shì)。給定顯著性水平α，查詢正態(tài)分布表，若|UFk|>Uα表示UFk穿過(guò)顯著性檢驗(yàn)區(qū)域表明趨勢(shì)是顯著性的，否則趨勢(shì)不顯著。按照待檢驗(yàn)時(shí)間序列為X(x1、x2,…,xn)的逆序時(shí)間序列X′(xn、xn-1,…,x1)，重復(fù)一次以上進(jìn)行計(jì)算，所得結(jié)果進(jìn)行倒序并求負(fù)，得到UBk統(tǒng)計(jì)量序列。給定顯著性水平區(qū)域，α=0.05，臨界值U0.05=±1.96；最后，將UFk統(tǒng)計(jì)量序列曲線、UBk統(tǒng)計(jì)量序列曲線以及±1.96直線繪制到一張圖上。若2條曲線相交，且交點(diǎn)在顯著性檢驗(yàn)區(qū)域內(nèi)的，這個(gè)交點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的時(shí)間被認(rèn)為是突變的開(kāi)始時(shí)間。

2.1.2Pettitt突變檢驗(yàn)法

Pettitt突變檢驗(yàn)法[12]是一種尋找單一變量連續(xù)時(shí)間序列突變點(diǎn)的突變檢驗(yàn)方法。具體計(jì)算步驟如下。

定義待檢驗(yàn)的一個(gè)連續(xù)時(shí)間序列中的2個(gè)子序列X(x1,x2,…,xt)及X′(xt+1,xt+2,…,xN)；利用Mann-Whitney統(tǒng)計(jì)量來(lái)檢驗(yàn)這2個(gè)秩序列是否來(lái)自于同一個(gè)分布，Mann-Whitney統(tǒng)計(jì)量Ut,N見(jiàn)式(6)：

(6)

定義統(tǒng)計(jì)量Ut,N中的最大值的絕對(duì)值所出現(xiàn)的時(shí)間為待檢驗(yàn)序列的突變點(diǎn)出現(xiàn)的時(shí)間，即Kt,N=max|Ut,N|；其顯著性檢驗(yàn)見(jiàn)式(7)：

(7)

2.1.3累積距平法

累積距平法[13]是一種根據(jù)待檢測(cè)時(shí)間序列各數(shù)值與該序列平均值的差值的累積數(shù)形成的曲線來(lái)判斷待檢測(cè)時(shí)間序列趨勢(shì)變化以及變化轉(zhuǎn)折點(diǎn)的檢驗(yàn)方法。具體計(jì)算步驟如下。

定義待檢測(cè)時(shí)間序列X(x1,x2,…,xn)，以序列中每一個(gè)數(shù)值距離序列平均數(shù)的差值的累積數(shù)新的序列，時(shí)間序列X在某一時(shí)刻t的累積距平值可表示為：

(8)

(9)

繪制累積距平值曲線，若曲線出現(xiàn)明顯轉(zhuǎn)折點(diǎn)，則可以將該點(diǎn)作為待檢測(cè)時(shí)間序列突變點(diǎn)選取的參考。

2.2 IHA/RVA法

IHA/RVA中所用到的水文指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 IHA/RVA中水文指標(biāo)

在原始長(zhǎng)序列數(shù)據(jù)中計(jì)算出33個(gè)IHA指標(biāo)值的年序列；分別找出33個(gè)IHA指標(biāo)值年序列的突變點(diǎn)，33個(gè)IHA指標(biāo)值年序列的水文改變度見(jiàn)式(10)：

(10)

式中Di——第i個(gè)IHA指標(biāo)值序列的水文改變度；ei——第i個(gè)IHA指標(biāo)值序列的變化后年序列落入變化前年序列值25%和75%中位數(shù)范圍(即RVA目標(biāo)范圍)的值的個(gè)數(shù)；ee——期望變化后年序列能落入RVA目標(biāo)范圍的個(gè)數(shù)，即為變化后年序列個(gè)數(shù)的50%。

綜合33個(gè)IHA指標(biāo)值序列的水文改變度計(jì)算見(jiàn)式(11)：

(11)

式(11)中定義了水文改變度(0～100%)的變化程度：當(dāng)0≤D≤33%時(shí)，表示為L(zhǎng)(little)，水文改變度為輕度；當(dāng)34%≤D≤67%時(shí)，表示為M(medium)，水文改變度為中度；當(dāng)68%≤D≤100%時(shí)，表示為H(high)，水文改變度為高度[7]。

當(dāng)33個(gè)流量IHA指標(biāo)改變度集中在低度改變和高度改變時(shí)，若按照傳統(tǒng)的IHA/RVA法在計(jì)算整體改變度，則會(huì)出現(xiàn)低度改變指標(biāo)和高度改變指標(biāo)的生態(tài)意義無(wú)法很好體現(xiàn)的問(wèn)題?？蛇\(yùn)用改進(jìn)的內(nèi)梅羅指數(shù)評(píng)價(jià)法[14]與IHA/RVA法相結(jié)合，對(duì)IHA流量指標(biāo)的整體改變度以及5組指標(biāo)的改變度進(jìn)行改進(jìn)并對(duì)比分析調(diào)整，見(jiàn)式(12)—(14)：

(12)

(13)

(14)

3 結(jié)果與討論

3.1 年徑流量變化特征

為滿足西江流域水資源的持續(xù)開(kāi)發(fā)利用的需要，流域梯級(jí)水利工程陸續(xù)建成運(yùn)行，對(duì)西江下游水文情勢(shì)變化影響直接且顯著。高要水文站位于西江下游，為西江進(jìn)入廣東境內(nèi)后首個(gè)干流控制站，其斷面上游167 km處為廣西梧州水文站，高要水位站至梧州水文站河段，干流上無(wú)大型蓄水工程，無(wú)控制性水利樞紐，支流賀江(廣東境內(nèi))、羅定江、新興江干流同樣也無(wú)控制性水利工程。

為了更好地識(shí)別人類活動(dòng)對(duì)高要水文站年徑流量變化的影響，采用雙累積曲線法[15](Double Mass Curve)對(duì)梧州水文站與高要水文站年徑流量進(jìn)行對(duì)比分析(圖2)。

圖2 梧州水文站和高要水文站年徑流量雙累積曲線

由圖2可知，梧州水文站和高要水文站1974—2018年年徑流量累積量所繪制的關(guān)系線為直線，斜率不變，2個(gè)變量具有一致性。在排除了區(qū)間降水因素影響后，可以認(rèn)為1974—2018年高要水文站的年徑流量變化與梧州水文站的年徑流量變化具有一致性。

由圖3可見(jiàn)，高要水文站1974—2018年年徑流量在1982、1992、2003及2013年均發(fā)生趨勢(shì)變化。高要水文站多年徑流量為2 187×108m3。梧州水文站斷面以上主要水利工程運(yùn)行時(shí)間及其庫(kù)容占高要水文站多年平均徑流量比值見(jiàn)圖4。

圖3 高要水文站年徑流量累積距平曲線

圖4 梧州以上主要水利工程

高要水文站1974—2018年徑流量時(shí)間序列在1982年前后發(fā)生趨勢(shì)變化，恰時(shí)上游樂(lè)灘水電站(惡灘水電站)投入運(yùn)行。1992年前后發(fā)生趨勢(shì)變化，恰時(shí)上游巖灘水電站投入運(yùn)行，2003年前后發(fā)生趨勢(shì)變化，恰時(shí)上游龍灘水利樞紐進(jìn)入截流建設(shè)階段。這表明高要水文站徑流變化受到梧州水文站上游水利工程投產(chǎn)運(yùn)行的影響。

3.2 IHA指標(biāo)突變點(diǎn)的確定

目前有以水利工程蓄水時(shí)間作為突變點(diǎn)選取的原則[16]，以計(jì)算年徑流量時(shí)間序列的突變點(diǎn)作為突變點(diǎn)選取的原則[17]，有使用多種突變點(diǎn)檢驗(yàn)方法對(duì)突變點(diǎn)綜合分析與判別[18]。因高要水文站年徑流量出現(xiàn)多次趨勢(shì)變化，為更好地反映各IHA指標(biāo)水文序列的改變情況，僅確定某一年份為突變時(shí)間不妥，可單獨(dú)對(duì)每個(gè)IHA指標(biāo)水文序列進(jìn)行趨勢(shì)分析以確定突變點(diǎn)，同時(shí)僅使用一種突變點(diǎn)檢驗(yàn)方法，易出現(xiàn)突變點(diǎn)無(wú)法檢出的情況[19]。綜上，本文以對(duì)流量、水位IHA指標(biāo)時(shí)間序列綜合Mann-Kendall檢驗(yàn)法、Pettitt突變檢驗(yàn)法和累積距平等3種檢驗(yàn)方法作為突變點(diǎn)選取原則。檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 高要水文站IHA流量指標(biāo)序列突變時(shí)間

續(xù)表2 高要水文站IHA流量指標(biāo)序列突變時(shí)間

33個(gè)流量IHA指標(biāo)時(shí)間序列突變時(shí)間分布較分散。高要水文站1974—2018年徑流量時(shí)間序列在1982年前后發(fā)生趨勢(shì)變化，恰時(shí)上游樂(lè)灘水電站(惡灘水電站)投入運(yùn)行。高要水文站1974—2018年徑流量時(shí)間序列在1992年前后發(fā)生趨勢(shì)變化，恰時(shí)上游巖灘水電站投入運(yùn)行，流量IHA指標(biāo)中，年最大30日流量、年最大90日流量、6月平均流量、7月平均流量、流量上升率、流量下降率指標(biāo)時(shí)間序列的突變點(diǎn)出現(xiàn)在1992—1993年。百龍灘水電站與京南電站均于1997年投入運(yùn)行，高要水文站流量IHA指標(biāo)中，年低脈沖次數(shù)、年低脈沖歷時(shí)及逆轉(zhuǎn)次數(shù)時(shí)間序列的突變點(diǎn)出現(xiàn)在1997—1999年。高要水文站1974—2018年徑流時(shí)間序列在2003年前后發(fā)生趨勢(shì)變化，恰時(shí)上游龍灘水利樞紐進(jìn)行截流，2003—2013年，高要水文站徑流量呈下降趨勢(shì)。

3.3 流量變化特征

根據(jù)高要水文站33個(gè)流量指標(biāo)序列進(jìn)行RVA改變度計(jì)算，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 高要水文站流量IHA/RVA改變度計(jì)算結(jié)果

續(xù)表3 高要水文站流量IHA/RVA改變度計(jì)算結(jié)果

3.3.1月平均流量

從表3可見(jiàn)，雖然各月平均流量序列的突變點(diǎn)均不相同，但是突變前后各月平均流量的變化趨勢(shì)基本相同，突變前后月平均流量均在豐水期變化較大，符合月平均流量變化規(guī)律。1、12月平均流量改變度為高度改變，2、3、5、6月改變度為中度改變，4月、7—11月改變度為輕度改變。

梧州水文站汛期除7月外，4—10月逐月徑流有不同程度的遞減趨勢(shì)，而非汛期1—3月以及11、12月徑流呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，這一現(xiàn)象得益于梧州水文站上游水利工程的調(diào)節(jié)作用，使梧州水文站月徑流量變化呈現(xiàn)“蓄峰補(bǔ)枯”的態(tài)勢(shì)[20]。高要水文站1974—2018年月平均流量除6、7月外基本呈現(xiàn)5—10月為遞減趨勢(shì)，1—4月以及11、12月為增加趨勢(shì)。呈現(xiàn)豐水期流量減少，枯水期流量增大的態(tài)勢(shì)。2005年1月始，珠江流域開(kāi)展區(qū)域聯(lián)合調(diào)度工作，上游水利工程在豐水期有序蓄水[21]。這使高要水文站5—6月平均流量指標(biāo)發(fā)生中度改變，除6—7月外，豐水期各月平均流量指標(biāo)改變后平均值均有所減少?？菟诹髁吭黾樱?、12月平均流量指標(biāo)發(fā)生高度改變，上游水利工程在枯水期的調(diào)節(jié)作用對(duì)生態(tài)流量保障具有重要意義。

3.3.2流量年極值

從表3可見(jiàn)，年最大1、3、7、30、90日流量改變度為低度改變，而年最小1、3、7、30、90日流量改變度均為100%，改變度為高度改變。突變后流量年極值的均值均大于突變前，年最小1、3、7、30、90日流量突變后均值較突變前增幅在60%～80%，年最大1、3、7、30、90日流量突變后均值較突變前增幅在6%～13%。年最小流量極值突變后均值較突變前增幅較大，流量年最小極值指標(biāo)突變后序列的值均未落入RVA目標(biāo)范圍內(nèi)，2009年以來(lái)，梧州水文站上游已運(yùn)行投產(chǎn)水利工程庫(kù)容占高要水文站多年平均徑流比的25.3%，這表明梧州水文站上游水利工程枯水期調(diào)節(jié)對(duì)年最小流量極值產(chǎn)生較大的影響。

3.3.3年極值出現(xiàn)時(shí)間

流量零值日天數(shù)為零。水位基流指數(shù)改變度為高度改變，為100%，其突變后序列無(wú)值落入RVA范圍內(nèi)。年最大日流量出現(xiàn)時(shí)間和年最小日流量出現(xiàn)時(shí)間的改變度為輕度改變，為0。

3.3.4脈沖次數(shù)和歷時(shí)

流量年高脈沖次數(shù)、年低脈沖次數(shù)和年低脈沖歷時(shí)改變度為高度改變，流量年高脈沖歷時(shí)改變度為輕度改變。流量高脈沖次數(shù)突變前后的均值從6次增加到9次，增幅為50%。流量高脈沖歷時(shí)突變前后均值從18.2 d減少至12.5 d，減幅為31.3%。流量低脈沖歷時(shí)突變前后均值從29.8 d減至10.4 d，減幅為65%。流量低脈沖次數(shù)和歷時(shí)突變時(shí)間出現(xiàn)在1999年，恰時(shí)天生橋一級(jí)水電站運(yùn)行投產(chǎn)，天生橋一級(jí)水電站庫(kù)容占高要水文站多年平均徑流比的5%，流量低脈沖次數(shù)和歷時(shí)變化在一定程度上受到天生橋一級(jí)水電站調(diào)蓄的影響。

3.3.5改變度和頻次

與突變前相比，突變后的流量上升率、下降率和逆轉(zhuǎn)次數(shù)的均值均有所增加，增幅分別為24%、38%和16%。流量上升率、下降率和逆轉(zhuǎn)次數(shù)改變度為高度改變。流量逆轉(zhuǎn)次數(shù)改變度為高度改變，表明上游水利工程的調(diào)蓄一定程度上影響了水生動(dòng)植物的生長(zhǎng)。

3.3.6流量改變度整體分析

為更好地探究西江下游流量的變化對(duì)水文情勢(shì)造成的影響，現(xiàn)將高要水文站流量IHA指標(biāo)突變時(shí)間以及改變度的絕對(duì)值用圖5表達(dá)。

圖5 高要水文站流量IHA指標(biāo)突變時(shí)間和改變度

從數(shù)量分布上看，高要水文站33個(gè)流量IHA指標(biāo)改變度其中屬于輕度改變的有15個(gè)，中度改變4個(gè)，高度改變14個(gè)。33個(gè)流量IHA指標(biāo)改變度88%集中在低度改變和高度改變。若按照傳統(tǒng)的IHA/RVA法在計(jì)算整體改變度，則會(huì)出現(xiàn)低度改變指標(biāo)和高度改變指標(biāo)的生態(tài)意義無(wú)法很好體現(xiàn)的問(wèn)題?，F(xiàn)運(yùn)用改進(jìn)的內(nèi)梅羅指數(shù)評(píng)價(jià)法[14]與IHA/RVA法相結(jié)合，對(duì)高要水文站IHA流量指標(biāo)的整體改變度以及5組指標(biāo)的改變度進(jìn)行改進(jìn)并對(duì)比分析,見(jiàn)表4。

表4 高要水文站整體流量改變度 %

由表4可見(jiàn)，調(diào)整前后，綜合流量改變度均為中度改變，調(diào)整后的綜合流量改變度由64%降至37%，但依然為中度改變。受梧州水文站上游水利工程調(diào)節(jié)的影響，高要水文站的水文情勢(shì)發(fā)生了一定的改變，特別是1、12月平均流量，流量年最小極值，基流指數(shù)，流量上升率、下降率、逆轉(zhuǎn)次數(shù)等IHA指標(biāo)。人類活動(dòng)是高要水文站1974—2018年流量變化的主要貢獻(xiàn)因子。

4 結(jié)論

通過(guò)收集西江下游高要水文站1974—2018年逐日平均流量，應(yīng)用Mann-Kendall法、Pettitt突變檢驗(yàn)法及累積距平法分析西江下游高要段的水文情勢(shì)特征和水文突變點(diǎn)，運(yùn)用IHA/RVA法綜合評(píng)估了高要水文站突變前后水文指標(biāo)的改變程度。

a)1974—2018年高要水文站流量綜合改變度為37%，改變度為中度改變。運(yùn)用累積雙曲線法，在排除降水因素的影響后，梧州水文站與高要水文站年徑流量變化具有一致性。這表明高要水文站徑流變化主要受到流域上游水利工程投產(chǎn)運(yùn)行的影響。

b)高要站徑流量系列發(fā)生突變的年份與流域上游大型水利工程建設(shè)運(yùn)行的時(shí)間一致，如徑流量在1982、1992、2003年趨勢(shì)發(fā)生變化，分別與樂(lè)灘電站、巖灘電站、龍灘水利樞紐工程建設(shè)運(yùn)行的年份一致，表明下游的水文規(guī)律和水文情勢(shì)已受到人類活動(dòng)的影響。

c)高要站流量總體呈現(xiàn)豐水期減少，枯水期增大的態(tài)勢(shì)，尤其枯水期1、12月平均流量指標(biāo)突變后均值較突變前增加73%，改變度為高度改變 ，這體現(xiàn)了西江流域聯(lián)合調(diào)度“蓄峰補(bǔ)枯”的成效，同時(shí)流量年最小極值具有增大的趨勢(shì)，表明西江流域上游控制性水利工程的建設(shè)和流域開(kāi)展的聯(lián)合調(diào)度有助于保障流域下游的用水安全和生態(tài)安全。

d)IHA/RVA法被廣泛運(yùn)用于河流湖泊水文情勢(shì)變化分析與評(píng)價(jià)，本文僅使用IHA/RVA法對(duì)西江下游水文情勢(shì)的變化進(jìn)行分析，可考慮綜合對(duì)比現(xiàn)今學(xué)者對(duì)IHA/RVA法的改進(jìn)方法，進(jìn)一步結(jié)合流域特點(diǎn)對(duì)各IHA水文指標(biāo)進(jìn)行調(diào)整并賦予權(quán)重，使評(píng)價(jià)體系更符合分析評(píng)價(jià)西江下游水文情勢(shì)變化的需要。