摘要：

長(zhǎng)江上游梯級(jí)水庫(kù)群的聯(lián)合調(diào)度會(huì)改變下游水文情勢(shì)，對(duì)河流生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生影響。通過(guò)M-K檢驗(yàn)、滑動(dòng)t檢驗(yàn)法、累計(jì)距平統(tǒng)計(jì)量法對(duì)長(zhǎng)江上游朱沱站1956～2022年日均流量序列進(jìn)行趨勢(shì)及突變檢驗(yàn)，選取水文變化指標(biāo)法的水文參數(shù)，利用水文變化幅度（RVA）法和改進(jìn)水文變化幅度法定量評(píng)估朱沱站徑流序列的變化程度。結(jié)果表明：朱沱站年徑流量呈不顯著下降趨勢(shì)，并在2005年發(fā)生突變。原有RVA法評(píng)估朱沱站徑流序列變異程度為48.81%，改進(jìn)RVA法評(píng)估改變度為56.54%，均表現(xiàn)為中等程度變化。水庫(kù)群對(duì)朱沱站水文情勢(shì)的主要影響體現(xiàn)為1～5月份及11～12月份流量增加，6～10月份流量減少。突變后年最小流量遠(yuǎn)大于天然徑流狀態(tài)，年最小流量也提前出現(xiàn)；低流量歷時(shí)顯著減少；流量逆轉(zhuǎn)次數(shù)增加。研究成果可為長(zhǎng)江上游流域水生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)及水資源合理開(kāi)發(fā)提供參考。

關(guān)鍵詞：

改進(jìn)RVA法； 水文變化指標(biāo)法； 水文變化幅度法； 水庫(kù)群聯(lián)合調(diào)度； 朱沱站； 長(zhǎng)江上游

中圖法分類(lèi)號(hào)：TV11

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2025.02.003

文章編號(hào)：1006-0081（2025）02-0014-08

0 引 言

長(zhǎng)江是一條典型的雨洪河流，極端暴雨事件頻發(fā)，徑流量年內(nèi)分配不均，金沙江干流、岷江、嘉陵江、烏江是長(zhǎng)江上游洪水的主要來(lái)源。20世紀(jì)長(zhǎng)江流域發(fā)生過(guò)多次大洪水事件，洪災(zāi)損失嚴(yán)重［1-2］。針對(duì)防洪問(wèn)題，金沙江干流分布的4座巨型水電站（烏東德、白鶴灘、溪洛渡、向家壩）已成為長(zhǎng)江防洪體系中的骨干水利工程［3］。這些大型水利工程發(fā)揮巨大效益的同時(shí)，改變了河流原本水文情勢(shì)，如極值流量、汛期流量等。水文情勢(shì)發(fā)生改變又會(huì)對(duì)魚(yú)類(lèi)產(chǎn)卵場(chǎng)功能產(chǎn)生影響，甚至影響長(zhǎng)江早期魚(yú)類(lèi)資源［4-5］。

在對(duì)河流水文情勢(shì)評(píng)估研究中，Richter等［6］首先提出了水文變化指標(biāo)法（Indicators of hydrologic alteration，IHA），從流量、時(shí)間、頻率、延時(shí)和變化率5個(gè)方面評(píng)估河流生態(tài)水文情勢(shì)。Richter等［7］在水文變化指標(biāo)的基礎(chǔ)上，提出了水文變化幅度法（Ranges of variability approach，RVA），定量化評(píng)估河流水文情勢(shì)在變異后的改變程度。但水文變化幅度法容易對(duì)河流整體水文情勢(shì)改變度評(píng)估不全面，不能反映各個(gè)水文指標(biāo)在目標(biāo)管理范圍中的變化特征。

改進(jìn)RVA法通常包括內(nèi)梅羅指數(shù)法、歐氏距離法、綜合權(quán)重法等。薛聯(lián)青等［8］通過(guò)內(nèi)梅羅指數(shù)法得到塔里木河水文情勢(shì)改變度，結(jié)果較RVA法程度更高，評(píng)價(jià)結(jié)果更加符合客觀(guān)事實(shí)。張如強(qiáng)等［9］采用歐拉距離法計(jì)算徑流突變年份前后典型年份的變化，發(fā)現(xiàn)該方法得到的河流水文情勢(shì)整體改變度大于RVA法。張康等［10］利用CRITIC法分析了長(zhǎng)江上游水庫(kù)群聯(lián)合調(diào)度對(duì)河流水文情勢(shì)的影響，得到的結(jié)果更加客觀(guān)實(shí)際，更能有效避免RVA法忽略中低度改變指標(biāo)的弊端；尹心安等［11］通過(guò)在RVA基礎(chǔ)上引入均值和變異系數(shù)計(jì)算河流整體水文情勢(shì)改變度，明晰了水文指標(biāo)在目標(biāo)區(qū)間的變化特征。

本文以長(zhǎng)江上游干流朱沱水文站1956～2022年日均流量數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，利用IHA法、RVA法、改進(jìn)RVA法評(píng)估長(zhǎng)江上游干流受水庫(kù)影響下的水文情勢(shì)改變度，為進(jìn)一步開(kāi)展長(zhǎng)江上游流域水生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)及水資源合理開(kāi)發(fā)提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)來(lái)源

朱沱水文站（圖1）位于東經(jīng)105°51′、北緯29°01′，水文站控制流域面積為694 700 km2，平均流量為8 520 m3/s，年徑流量為2 690億m3［12］。朱沱站流量可以作為長(zhǎng)江上游干流、岷江和赤水河等重要支流出流水文特征的代表，且朱沱水文站于1954年建立，資料序列較長(zhǎng)，具有良好的連續(xù)性和可靠性，選取1956～2022年日均流量過(guò)程資料。

2 研究方法

2.1 突變檢驗(yàn)

準(zhǔn)確地判定突變年份是評(píng)估河流水文情勢(shì)變化程度的關(guān)鍵。本文利用M-K檢驗(yàn)、滑動(dòng)t檢驗(yàn)及累計(jì)距平法進(jìn)行比較分析，在給定的顯著性水平下進(jìn)行突變檢驗(yàn)，綜合得到徑流序列的突變點(diǎn)。

2.2 IHA法

IHA包含5組水文改變指標(biāo)，共33個(gè)水文參數(shù)。由于朱沱水文站從未出現(xiàn)過(guò)斷流現(xiàn)象，故本文的水文參數(shù)共選取32個(gè)，IHA具體水文參數(shù)見(jiàn)表1。

2.3 RVA法

RVA法指在IHA法的基礎(chǔ)上，計(jì)算出各水文參數(shù)的改變度，然后對(duì)河流水文情勢(shì)的整體改變度進(jìn)行評(píng)估，具體操作步驟如下。

（1） 利用突變前日均流量資料計(jì)算32個(gè)水文參數(shù)特征值（中值或均值）。

（2） 計(jì)算RVA目標(biāo)管理范圍，即計(jì)算突變前每一個(gè)指標(biāo)的平均值±標(biāo)準(zhǔn)差或中值±百分位數(shù)。

（3） 利用突變后日均流量資料計(jì)算32個(gè)水文參數(shù)特征值。

（4） 計(jì)算每一指標(biāo)的變化程度Di，計(jì)算公式如下：

Di=No，i-NeNe×100%

（1）

Ne=r×NT（2）

式中：Di為各水文指標(biāo)的改變度；

No，i為第i個(gè)指標(biāo)在受人類(lèi)影響后特征值仍落在RVA目標(biāo)管理范圍內(nèi)的實(shí)際年數(shù)；

Ne為第i個(gè)指標(biāo)在受人類(lèi)影響后特征值仍落在RVA目標(biāo)管理范圍內(nèi)的預(yù)期年數(shù)；

r為突變前IHA指標(biāo)落在RVA范圍內(nèi)的年數(shù)比例，對(duì)于25%～75%頻率區(qū)間內(nèi)的目標(biāo)范圍，r=50%;

NT為突變后水文序列的總年數(shù)。該方法可以將水文情勢(shì)改變度劃分為3個(gè)等級(jí)：0≤Di＜33%屬于低改變度；33%≤Di＜67%屬于中改變度；67%≤Di≤100%屬于高改變度［13］。

（5）計(jì)算河流水文情勢(shì)整體改變度Do，計(jì)算公式如下：

Do=∑32i=1D2i32（3）

2.4 改進(jìn)RVA法

改進(jìn)RVA法在RVA法基礎(chǔ)上引入均值M和變異系數(shù)CV［14］以反映水文指標(biāo)在目標(biāo)管理范圍中的集中趨勢(shì)和離散程度等數(shù)值分布特征，可以提高評(píng)估河流水文情勢(shì)改變程度的準(zhǔn)確性和綜合性。

利用改進(jìn)RVA法評(píng)估河流水文情勢(shì)的基本方法是計(jì)算各水文指標(biāo)分別在自然狀態(tài)下和受人類(lèi)活動(dòng)影響下，在目標(biāo)管理范圍內(nèi)的均值及變異系數(shù)的百分比，定量化分析指標(biāo)值的集中趨勢(shì)和離散程度。將原水文情勢(shì)的改變度記為頻率改變度（D），結(jié)合引入的均值、變異系數(shù)，計(jì)算綜合水文情勢(shì)變化程度（OA），具體的操作步驟如下。

（1） 計(jì)算頻率改變度（D）。本文RVA范圍采用均值±標(biāo)準(zhǔn)差的方法，若目標(biāo)范圍超過(guò)了突變前指標(biāo)值的最大、最小范圍，則采用指標(biāo)值的75，25百分位數(shù)作為閾值上下限。進(jìn)一步利用原有RVA法計(jì)算各指標(biāo)的改變度Di和河流整體水文改變度Do，評(píng)估整體頻率改變度D（D=Do）。

（2） 計(jì)算均值改變度（DM）及變異系數(shù)改變度（DCV）。計(jì)算公式如下：

CVm=σm/Mm（4）

σm=1n∑nk=1（Mmk-Mm）2 （5）

DMm=Mo，m-Mc，mMo，m×100%（6）

DM=1G∑Gm=1DMm（7）

DCVm=CVo，m-CVc，mCVo，m×100%（8）

DCV=1G∑Gm=1DCVm（9）

式中：

CVm為等m個(gè)指標(biāo)在目標(biāo)區(qū)間內(nèi)的變異系數(shù)；

σm，Mm分別為第m個(gè)指標(biāo)在目標(biāo)管理范圍內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)差和均值；

Mmk為第m個(gè)指標(biāo)落在目標(biāo)范圍內(nèi)第k年的數(shù)值；

DMm為第m個(gè)指標(biāo)在目標(biāo)管理范圍內(nèi)均值的改變度；

Mc，m，Mo，m分別為第m個(gè)指標(biāo)突變前后落在目標(biāo)管理范圍內(nèi)的均值；

DCVm為第m個(gè)指標(biāo)在目標(biāo)管理范圍內(nèi)變異系數(shù)的改變度；

CVc，m，CVo，m分別為第m個(gè)指標(biāo)突變前后落在目標(biāo)管理范圍內(nèi)的變異系數(shù)；

DM，DCV分別為整體均值、變異系數(shù)的改變度。

（3） 計(jì)算河流整體水文情勢(shì)改變度（OA）。計(jì)算公式如下：

OA=1-（1-D）×（1-DM）×（1-DCV） （10）

3 結(jié)果分析

3.1 年徑流量特征分析

3.1.1 年徑流量趨勢(shì)分析

圖2為朱沱站徑流量年際變化情況，最大、最小年徑流量為3 257億m3、1 934億m3，多年平均年徑流量為2 637億m3。1956～2022年，朱沱站年徑流量呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，斜率為-1.149 4億m3/a，檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量為0.355，未通過(guò)α=0.05檢驗(yàn)，年徑流量下降趨勢(shì)不顯著。

3.1.2 年徑流量突變檢驗(yàn)

采用M-K突變檢驗(yàn)、滑動(dòng)t檢驗(yàn)和累計(jì)距平法綜合分析朱沱水文站1956～2022年徑流量突變年份，根據(jù)突變年份將朱沱站徑流序列劃分為自然狀態(tài)和受影響狀態(tài)。通過(guò)顯著性水平檢驗(yàn)的3種方法檢驗(yàn)結(jié)果如圖3所示，徑流序列突變年份見(jiàn)表2。

根據(jù)以上3種方法得出理論突變年份為2005年，結(jié)合長(zhǎng)江上游水庫(kù)建成情況，紫坪鋪水庫(kù)于2004年12月下閘蓄水，對(duì)下游徑流產(chǎn)生了一定影響，本文選取2005年為朱沱站1956～2022年突變年份；同時(shí)考慮到長(zhǎng)江上游大型水庫(kù)——向家壩水電站于2012年投產(chǎn)運(yùn)行，故本文將2012～2022年流量過(guò)程進(jìn)行單獨(dú)分析，討論向家壩水電站運(yùn)行對(duì)其下游江段水文情勢(shì)的影響，為了解近年來(lái)大型水庫(kù)運(yùn)行對(duì)河流水文情勢(shì)的改變提供參考。

3.2 水文情勢(shì)變化分析

根據(jù)突變檢驗(yàn)結(jié)果，將1956～2004年徑流序列作為天然徑流狀態(tài)，2005～2022年徑流序列作為受影響狀態(tài)。利用改進(jìn)RVA法計(jì)算朱沱站水文情勢(shì)改變度，由于2012～2022年徑流序列較短，對(duì)向家壩運(yùn)行前后水文情勢(shì)改變程度采用原有RVA法計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3～4。

利用原有RVA法評(píng)估2005～2022年和2012～2022年兩個(gè)序列的水文情勢(shì)整體改變度分別為48.81%和62.46%，改進(jìn)RVA法評(píng)估2005～2022年序列水文情勢(shì)改變度為56.54%，均屬于中度改變程度。根據(jù)IHA指標(biāo)落區(qū)圖（圖4），兩個(gè)序列均發(fā)生重度變化的指標(biāo)為1，2，3月平均流量、年均7，30，90 d最小流量、基流指數(shù)、低流量發(fā)生次數(shù)、低流量發(fā)生歷時(shí)、逆轉(zhuǎn)次數(shù)，共10個(gè)指標(biāo)，且兩個(gè)序列發(fā)生重度變化的指標(biāo)重合率很高。發(fā)生中度變化的指標(biāo)為7月平均流量、12月平均流量、年均1，3，7，30，90 d最大流量、年最小流量出現(xiàn)時(shí)間、年最大流量出現(xiàn)時(shí)間，共9個(gè)指標(biāo)。其中，RVA法計(jì)算結(jié)果表明，在2012～2022年序列中，1月平均流量、3月平均流量、年均 90 d 最小流量、低流量歷時(shí)和逆轉(zhuǎn)次數(shù)的變化程度已經(jīng)達(dá)到100%，在2005～2022年序列中，1月平均流量、低流量歷時(shí)和逆轉(zhuǎn)次數(shù)已達(dá)到高程度改變。兩個(gè)序列各指標(biāo)變化程度見(jiàn)表5。

3.2.1 月均流量變化

圖5表明2005～2022年序列中1～5月份及12月份的平均流量高于天然徑流序列；6～10月份明顯低于天然徑流序列，其中，8～9月份流量下降最為突出，分別減少1 950，2 240 m3/s；只有11月份流量較天然徑流序列變化不明顯。在2012～2022年序列中，流量變化與2005～2022年序列對(duì)比天然徑流序列變化類(lèi)似，其中，3月份流量增加最為明顯，達(dá)到了54%。

3.2.2 年極端流量與年極端流量出現(xiàn)時(shí)間變化

圖6表示2005～2022年、2012～2022年序列極端流量與天然徑流序列正常范圍的關(guān)系，其中，天然徑流序列的正常范圍為均值±標(biāo)準(zhǔn)差。從圖6中可以看出，兩個(gè)序列的極端年最大流量均落在天然徑流序列的正常范圍中，但又均小于正常范圍均值，這表明朱沱站上游的梯級(jí)水庫(kù)群在汛期起到了一定的防洪作用。而兩序列的極端年最小流量均未落在天然徑流序列的正常范圍內(nèi)，都落在箱體最大值上方，表明年最小流量因子已發(fā)生較大程度的變化。

根據(jù)表3可知，天然徑流序列中最大流量一般發(fā)生在8月上旬，與兩個(gè)序列年最大流量出現(xiàn)時(shí)間相差不大，這可能與近年來(lái)長(zhǎng)江上游未發(fā)生較大洪水，以及上游梯級(jí)水庫(kù)沒(méi)有進(jìn)行大幅度蓄水有關(guān)。歷史上年最小流量發(fā)生時(shí)間一般在3月上旬，而兩序列中的年最小流量發(fā)生時(shí)間分別在2月下旬和2月中旬，與歷史年最小流量發(fā)生時(shí)間差異明顯，發(fā)生時(shí)間提前。圖7年最小流量出現(xiàn)時(shí)間顯示，天然徑流序列中，年最小流量發(fā)生時(shí)間絕大部分落在RVA范圍內(nèi)，在突變后，超過(guò)半數(shù)的年最小流量出現(xiàn)時(shí)間落在了范圍外，表明最小流量因子也已發(fā)生較大程度變化。

3.2.3 高低流量頻率及歷時(shí)變化

根據(jù)表3～4可知，兩個(gè)序列的高流量發(fā)生時(shí)間和歷時(shí)均值均接近于歷史序列，變化不大。但低流量歷時(shí)變化明顯，2005～2022年（改進(jìn)RVA法）和2012～2022年的低流量歷時(shí)指標(biāo)改變度分別為95.95%，100%，為高度變化。2012～2022年序列低流量發(fā)生次數(shù)的均值為0，這可能與水庫(kù)流量調(diào)節(jié)有關(guān)。

3.2.4 流量變化率與逆轉(zhuǎn)次數(shù)變化

根據(jù)圖8流量逆轉(zhuǎn)次數(shù)變化可以看出，突變后的兩個(gè)序列的流量逆轉(zhuǎn)次數(shù)都無(wú)法落在RVA范圍之內(nèi)，且都落在了RVA閾值上限，表明突變后的流量逆轉(zhuǎn)次數(shù)發(fā)生了顯著增加，可能與上游水庫(kù)群調(diào)蓄有關(guān)。流量變化率與逆轉(zhuǎn)次數(shù)的顯著變化會(huì)對(duì)河流的生態(tài)系統(tǒng)健康產(chǎn)生不利影響。

3.3 水文情勢(shì)變化原因

氣候變化和人類(lèi)活動(dòng)是影響徑流變化的主要驅(qū)動(dòng)因素，氣候變化通過(guò)降水、蒸散發(fā)作用等方式來(lái)改變水文要素，而人類(lèi)活動(dòng)則通過(guò)改變下墊面來(lái)實(shí)現(xiàn)。氣候變化對(duì)長(zhǎng)江中下游徑流改變的貢獻(xiàn)率高達(dá)70%［15］，同樣，長(zhǎng)江上游的水文變化對(duì)氣候因素更為敏感，人類(lèi)活動(dòng)對(duì)徑流影響的貢獻(xiàn)率也在增加［16］。在重慶段，人類(lèi)活動(dòng)是造成徑流變化的主要原因，氣候因素中降水量對(duì)徑流量變化的影響較潛在蒸散發(fā)量更為突出［17］。

本研究中發(fā)現(xiàn)朱沱水文站徑流量呈下降趨勢(shì)，與李帥等［18］研究得出長(zhǎng)江上游120 a來(lái)氣溫和潛在蒸散發(fā)量整體呈增加趨勢(shì)，而降水量卻未呈增加趨勢(shì)導(dǎo)致徑流量減少的結(jié)果一致。同時(shí)，水庫(kù)也會(huì)通過(guò)促進(jìn)庫(kù)區(qū)的水面蒸發(fā)來(lái)改變徑流量［19］。由于水庫(kù)“削峰補(bǔ)枯”效應(yīng)，汛期長(zhǎng)江干流徑流量減少，非汛期徑流量增加［20］，與本研究水文情勢(shì)突變后各月平均徑流量變化一致。另外，IHA指標(biāo)中的后4組水文指標(biāo)變化可能與長(zhǎng)江上游梯級(jí)水庫(kù)的調(diào)度運(yùn)行規(guī)則有關(guān)。

4 結(jié) 論

本文基于朱沱水文站1956～2022年序列日流量資料，利用M-K突變檢驗(yàn)、滑動(dòng)t檢驗(yàn)和累計(jì)距平統(tǒng)計(jì)量法分析得出朱沱站徑流序列突變年份為2005年，在原有RVA法基礎(chǔ)上，引入IHA指標(biāo)在目標(biāo)區(qū)間的均值（DM）和變異系數(shù)（DCV）兩個(gè)參數(shù)對(duì)長(zhǎng)江上游的水文情勢(shì)進(jìn)行分析，綜合評(píng)價(jià)長(zhǎng)江上游水文情勢(shì)改變度，結(jié)果表明朱沱站的水文情勢(shì)已發(fā)生中等程度變化，具體結(jié)論如下。

（1） 朱沱站1956～2022年徑流量呈不顯著下降趨勢(shì)，年際變化較大。

（2） 朱沱站多年日徑流序列2005～2022年、2012～2022年水文情勢(shì)改變度分別為56.54%，62.46%，后者已接近重度程度變化。發(fā)生中等程度變化的指標(biāo)一般與極端流量相關(guān)，發(fā)生重度程度變化的指標(biāo)一般與最小流量相關(guān)。

（3） 長(zhǎng)江上游梯級(jí)水庫(kù)群對(duì)朱沱站水文情勢(shì)的主要影響包括：1～5月份及11～12月份流量增加，6～10月份流量減少，這與水庫(kù)群“削峰補(bǔ)枯”有關(guān)；突變后年最小流量遠(yuǎn)大于天然徑流狀態(tài)，年最小流量也提前發(fā)生；低流量歷時(shí)顯著減少；流量逆轉(zhuǎn)次數(shù)增加。

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（編輯：江 文）

Study on hydrological regime change of Changjiang River upper main stream based on improved RVA method

MI Guoxin1，WANG Li1，2，LU Jia1，CHEN Junwen1，ZHANG Peng1，2，YANG Shengfa1，2

（1.College of River and Ocean Engineering，Chongqing Jiaotong University，Chongqing 400074，China；

2.National Engineering Research Center of Inland Waterway Regulation，Chongqing 400074，China）

Abstract： Joint operation of reservoir groups in the upper reaches of Changjiang River will inevitably change the downstream hydrological situation and affect the river ecosystem.Mann-Kendall test，slide t test and cumulative anomaly statistical method were used to test the trend and sudden change of daily average discharge series from 1956 to 2022 at Zhutuo Station in the upstream of Changjiang River.The hydrological parameters of the hydrological change index method were selected，and the change degree of runoff sequence in Zhutuo Station was quantitatively evaluated by the Range of Variability Approach （RVA） method and the improved RVA method.The results showed that the average annual runoff of Zhutuo Station showed an insignificant downward trend，and there was a sudden change in 2005.The variation degree of the original Hydrological change index method to assess the runoff sequence of Zhutuo Station was 48.81%，and the variation degree of the improved method to assess the runoff sequence was 56.54%，showing a moderately change.The main impact of reservoir groups on the hydrological situation of Zhutuo Station was the discharge increase from January to May and from November to December，and the discharge decreased from June to October.After the sudden change，the average annual flow was far greater than the natural runoff，and the minimum flow also occurred in advance.The time of low flow was significantly reduced，and the number of reversals increased.This results can provide a reference for the protection of water ecosystem and rational development of water resources in the upper reaches of Changjiang River.

Key words：

improved RVA method； hydrological change index method； Range of Variability Approach method； reservoir group joint operation； Zhutuo Station； upper reaches of Changjiang River