渭河生態(tài)水文聯(lián)系變異分區(qū)研究

張洪波,顧　磊,陳克宇,俞奇駿

(長(zhǎng)安大學(xué) a 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,b 旱區(qū)地下水文與生態(tài)效應(yīng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710054)

渭河生態(tài)水文聯(lián)系變異分區(qū)研究

張洪波a，b,顧磊a,陳克宇a,俞奇駿a

(長(zhǎng)安大學(xué) a 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,b 旱區(qū)地下水文與生態(tài)效應(yīng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710054)

[摘要]【目的】 對(duì)生態(tài)水文聯(lián)系分區(qū)以表征不同空間范圍內(nèi)的變異情勢(shì)，進(jìn)而為流域生態(tài)水文聯(lián)系的良性維持提供理論支撐?！痉椒ā?統(tǒng)計(jì)渭河流域21個(gè)站點(diǎn)水文序列的水文改變指標(biāo)(IHA)，應(yīng)用變化范圍(Range of Variability Approach，RVA)法對(duì)其不同時(shí)間段的生態(tài)水文聯(lián)系改變程度進(jìn)行評(píng)估，并分析其空間分布規(guī)律?；贗HA構(gòu)建分區(qū)指標(biāo)體系，依據(jù)不同站點(diǎn)的生態(tài)水文聯(lián)系變異程度，運(yùn)用層次聚類(lèi)法進(jìn)行分區(qū)，并與主成分分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比以驗(yàn)證其合理性。【結(jié)果】 依據(jù)渭河流域內(nèi)各站點(diǎn)的生態(tài)水文聯(lián)系變異情況，將渭河流域劃分為強(qiáng)烈變異區(qū)、中度變異區(qū)與輕度變異區(qū)3個(gè)變異區(qū)，不同分區(qū)可反映其生態(tài)水文聯(lián)系綜合變異的變異情勢(shì)。根據(jù)各分區(qū)內(nèi)的主導(dǎo)變異成分，可將3個(gè)分區(qū)再細(xì)化成5個(gè)變異小區(qū)，在強(qiáng)烈變異區(qū)中，將高、低脈沖流量和豐水期流量為主導(dǎo)變異成分的站點(diǎn)劃為強(qiáng)烈變異區(qū)Ⅰ，極端流量和流量變化率為主導(dǎo)變異成分的站點(diǎn)劃為強(qiáng)烈變異區(qū)Ⅱ；在中度變異區(qū)中，將高、低脈沖流量和流量變化率為主導(dǎo)變異成分的站點(diǎn)劃為中度變異區(qū)Ⅰ，將最小極端流量、高脈沖流量和豐水期流量為主導(dǎo)變異成分的站點(diǎn)劃為中度變異區(qū)Ⅱ；由于輕度變異區(qū)各主導(dǎo)變異成分均較輕，故未進(jìn)一步細(xì)分?；趯哟尉垲?lèi)法的生態(tài)水文聯(lián)系的變異分區(qū)結(jié)果較為合理，與主成分分析結(jié)果基本吻合。【結(jié)論】 各變異分區(qū)可表征不同分區(qū)的綜合變化強(qiáng)度和主導(dǎo)變異成分，通過(guò)該分區(qū)可基本了解渭河流域不同區(qū)域河流生態(tài)水文聯(lián)系的變化情況。

[關(guān)鍵詞]生態(tài)水文聯(lián)系；變異分區(qū)；水文改變指標(biāo)；層次聚類(lèi)；渭河流域

流域分區(qū)管理是流域現(xiàn)代化管理的一個(gè)重要趨向，根據(jù)流域或地區(qū)的水文特性、自然地理?xiàng)l件、生態(tài)特征，可將流域劃分成不同區(qū)域，以利于后續(xù)的流域綜合治理以及規(guī)劃設(shè)計(jì)工作的進(jìn)行[1-2]。特別是近幾年，隨著國(guó)家流域管理水平的進(jìn)一步提高，分區(qū)管理愈發(fā)普遍，并成為區(qū)域水文分析、水資源保護(hù)、水土保持、生態(tài)恢復(fù)等工作的基礎(chǔ)[3]，如水文分區(qū)、水資源功能分區(qū)、植被覆蓋分區(qū)、侵蝕分區(qū)、生態(tài)分區(qū)等研究正在成為流域管理研究的熱點(diǎn)[4-7]。然而由于分區(qū)目的和分區(qū)指標(biāo)不盡相同，其分區(qū)結(jié)果的差異性也較為顯著。

水文分區(qū)是水文分析和水文計(jì)算的基礎(chǔ)，其分區(qū)優(yōu)劣直接關(guān)系到水文計(jì)算的準(zhǔn)確性和工程設(shè)計(jì)的合理性。目前水文分區(qū)的方法較多，可分為地理景觀法、等值線圖法、產(chǎn)流特性分區(qū)法、暴雨洪水參數(shù)法、流域水文模型參數(shù)法與主成分聚類(lèi)分析法等[8]。依據(jù)其研究方法類(lèi)別大致可將其分為兩類(lèi)：其一是基于水文數(shù)據(jù)和解譯遙感數(shù)據(jù)獲取相關(guān)分區(qū)指標(biāo)信息，通過(guò)GIS軟件疊加各種指標(biāo)信息分區(qū)圖，并結(jié)合專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行耦合處理，進(jìn)而劃分得到不同水文分區(qū)[9]。第二是根據(jù)分區(qū)目標(biāo)，甄選研究區(qū)域分區(qū)指標(biāo)，對(duì)不同指標(biāo)值進(jìn)行主成分分析與聚類(lèi)分析，得到相應(yīng)的分區(qū)結(jié)果。目前國(guó)內(nèi)有關(guān)水文分區(qū)的研究成果較多，如產(chǎn)流特性分區(qū)、暴雨洪水分區(qū)、地類(lèi)參數(shù)分區(qū)等等[10]，但面向生態(tài)的水文分區(qū)成果則較為有限。孟偉等[11]從水文條件、地貌、植被、土壤、土地利用等方面研究遼河流域水生態(tài)特征，并對(duì)其進(jìn)行了水生態(tài)分區(qū)，將水文格局與水生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行了初步結(jié)合；楊?lèi)?ài)民等[12]認(rèn)為生態(tài)水文分區(qū)應(yīng)重點(diǎn)反映生態(tài)水文復(fù)合系統(tǒng)的分異規(guī)律，并選取降水深、徑流深、水面蒸發(fā)量、產(chǎn)水模數(shù)、徑流系數(shù)、干旱指數(shù)、耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地、未利用土地比例、人均GDP、人口密度等多個(gè)指標(biāo)，采用ISODATA模糊聚類(lèi)分析法對(duì)全國(guó)進(jìn)行了生態(tài)水文分區(qū)。尹民等[13]針對(duì)已有生態(tài)水文分區(qū)不能反映河流生態(tài)環(huán)境需水量的空間差異性這一問(wèn)題，進(jìn)一步歸納了河流生態(tài)水文分區(qū)的概念和內(nèi)涵，認(rèn)為生態(tài)水文分區(qū)應(yīng)在水資源分區(qū)依據(jù)的基礎(chǔ)上，考慮各種自然因素和人為因素對(duì)河流生態(tài)環(huán)境需水量的影響，同時(shí)構(gòu)建了反映三級(jí)分區(qū)方案不同特性的指標(biāo)體系，提出了我國(guó)河流生態(tài)水文分區(qū)方案。蔡燕等[3]提出河流生態(tài)水文分區(qū)的關(guān)鍵在于揭示流域空間特性，包括影響因素(如氣候、地勢(shì)、人類(lèi)活動(dòng)等)和現(xiàn)狀特征(如生態(tài)、水文現(xiàn)狀)，并基于生態(tài)重要性、水文條件、生態(tài)背景與人類(lèi)活動(dòng)4類(lèi)指標(biāo)，通過(guò)RIAM模型對(duì)黃河流域進(jìn)行了生態(tài)水文分區(qū)。孫艷等[14]依據(jù)地形地貌、土地利用、水土流失、水資源以及經(jīng)濟(jì)特性等建立了分區(qū)指標(biāo)體系，通過(guò)分層聚類(lèi)分析方法對(duì)南水北調(diào)東線一期受水區(qū)進(jìn)行了生態(tài)水文區(qū)劃。

以上研究顯示，對(duì)于生態(tài)水文分區(qū)而言，不同學(xué)者已從不同的角度開(kāi)展了相應(yīng)的分區(qū)研究，但尚未見(jiàn)從河流生態(tài)水文聯(lián)系角度開(kāi)展分區(qū)研究的報(bào)道。因此，本研究擬以生態(tài)水文聯(lián)系為分區(qū)因子，通過(guò)建立生態(tài)水文分區(qū)評(píng)估指標(biāo)體系，評(píng)價(jià)渭河流域不同區(qū)域的生態(tài)水文情勢(shì)變化，并依據(jù)生態(tài)水文聯(lián)系變異評(píng)估結(jié)果進(jìn)行分區(qū)，旨在揭示不同生態(tài)水文聯(lián)系變異的空間分布特征，并為今后的渭河流域生態(tài)保護(hù)和工程規(guī)劃設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

1研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)

渭河是黃河最大的支流，發(fā)源于甘肅省渭源縣鳥(niǎo)鼠山，流域控制面積約13.4萬(wàn)km2，流經(jīng)甘肅、寧夏、陜西3省，于渭南市潼關(guān)縣匯入黃河。流域水系呈扇狀分布，兩岸支流眾多，其中南岸支流數(shù)量較多，但徑流量較小，控制流域面積也不大，具有河長(zhǎng)短、急流、低沙等特點(diǎn)；北岸支流主要發(fā)源于黃土高原區(qū)，包括多條徑流量較大的支流，如涇河、北洛河、葫蘆河、千河等，具有河長(zhǎng)長(zhǎng)、坡度小、含沙大等特點(diǎn)。流域內(nèi)的水資源分布不均，水量呈南多北少趨勢(shì)，南岸以僅占流域面積20%的集水面積，富集了流域48%以上水量。從徑流時(shí)程分配上看，渭河徑流年內(nèi)分配不均勻，年際變化較大，特殊的徑流條件及人類(lèi)活動(dòng)的高強(qiáng)度擾動(dòng)，使得渭河正面臨著水多、水少、水臟、水渾等諸多問(wèn)題，對(duì)河流生態(tài)水文聯(lián)系和流域生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)都造成了較大的威脅或損害。

為反映渭河流域生態(tài)水文聯(lián)系在空間上的變化，本研究選取渭河流域21個(gè)站點(diǎn)(圖1)日徑流量資料作為基礎(chǔ)資料，其中包括7個(gè)干流站點(diǎn)，分別是武山(1975-2009年)、北道(1973-2009年)、林家村(1960-2009年)、魏家堡(1961-2009年)、咸陽(yáng)(1934-2009年)、臨潼(1961-2009年)及華縣(1961-2009年)的逐日流量資料；另外14個(gè)支流站點(diǎn)分別為涇河楊家坪(1974-2009年)、張家山(1973-2009年)2個(gè)站點(diǎn)及散渡河甘谷站(1953-2009年)、葫蘆河秦安站(1956-2009年)、藉河天水站(1959-2009年)、牛頭河社棠站(1972-2009年)、通關(guān)河鳳閣嶺站(1971-2009年)、清姜河益門(mén)鎮(zhèn)站(1973-2009年)、灞河馬渡王站(1973-2009年)、灃河秦渡鎮(zhèn)站(1973-2009年)、石頭河鸚鴿站(1974-2009年)、黑河黑峪口站(1941-2009年)、千河千陽(yáng)站(1964-2009年)和北洛河狀頭站(1970-2009年)。資料來(lái)源于水利部黃河水利委員會(huì)水文局,由于其為整編資料，即已通過(guò)“三性”審查，故本研究?jī)H對(duì)個(gè)別缺測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行插補(bǔ)處理。

圖 1渭河流域及其站點(diǎn)的分布

圖中灰色區(qū)域分別表示北道、林家村、魏家堡、咸陽(yáng)、張家山、臨潼、華縣站點(diǎn)控制流域內(nèi)未被其他

站點(diǎn)控制的區(qū)域，在后文圖、表中簡(jiǎn)稱(chēng)為北未控、林未控、魏未控、咸未控、張未控、臨未控、華未控

Fig.1Distribution of hydrologic stations in Wei River basin

The gray areas represent uncontrolled drainages of Beidao,Linjiacun,Weijiabu,Xianyang,Zhangjiashan,Lintong,

and Huaxian stations and they are represented by Beiweikong,Linjweikong,Weiweikong,

Xianweikong,Zhangweikong,Lintweikong,and Huaweikong in tables and figures below

張洪波等[15]對(duì)渭河流域水文變異診斷的研究結(jié)果顯示，渭河流域21個(gè)站點(diǎn)水文序列的變異點(diǎn)大多發(fā)生在1994年之前，僅張家山站的河流水文情勢(shì)在1997年發(fā)生了較為明顯的變異。為了保證評(píng)價(jià)結(jié)果的可對(duì)比性，本研究統(tǒng)一選取1997-2009年的水文序列作為流域生態(tài)水文聯(lián)系評(píng)估的變異段，而基準(zhǔn)段則以各站資料起始年至變異年為準(zhǔn)，由于該時(shí)期水文序列近似為天然徑流序列，故可將其作為提取RVA邊界的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

2研究方法

2.1河流生態(tài)水文系統(tǒng)與表征指標(biāo)

河流生態(tài)水文系統(tǒng)是河流水文系統(tǒng)與河流生態(tài)系統(tǒng)的復(fù)合體，側(cè)重于將河流的水文循環(huán)、徑流機(jī)制與河流生態(tài)過(guò)程相結(jié)合，通過(guò)蘊(yùn)含了大量重要生命和環(huán)境要素信息的河流水文過(guò)程，驅(qū)動(dòng)生態(tài)系統(tǒng)中的能量流動(dòng)、生命循環(huán)及棲息地變化等進(jìn)程[16]。河流生態(tài)水文聯(lián)系主要表現(xiàn)為河流水流與河流生態(tài)系統(tǒng)相關(guān)要素間的相互作用和依存關(guān)系，也可表征河流生態(tài)水文系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。河流生態(tài)水文指標(biāo)體系是評(píng)估河流生態(tài)水文聯(lián)系的一種手段，用其可表征和評(píng)估一個(gè)流域或區(qū)域生態(tài)水文系統(tǒng)的健康狀態(tài)。生態(tài)水文指標(biāo)體系一般由一系列具有生態(tài)意義的水文要素或特征所組成，并作為生態(tài)水文系統(tǒng)對(duì)水需求的外在表現(xiàn)形式。通過(guò)該指標(biāo)體系的評(píng)估結(jié)果可分析和了解河流生態(tài)系統(tǒng)的存在狀態(tài)和演化方向，同時(shí)改變生態(tài)水文指標(biāo)，即生態(tài)系統(tǒng)的水供給形態(tài)，也可影響河流生態(tài)系統(tǒng)的整體運(yùn)行狀態(tài)和趨勢(shì)，實(shí)現(xiàn)人與自然的良性互動(dòng)即人水和諧的構(gòu)想。

Richter等[17]國(guó)際著名學(xué)者在生態(tài)水文聯(lián)系領(lǐng)域已開(kāi)展大量研究工作，并發(fā)現(xiàn)水文要素在月流量、極端水文現(xiàn)象大小與歷時(shí)、極端水文現(xiàn)象出現(xiàn)時(shí)間、脈沖流量頻率與歷時(shí)、流量變化出現(xiàn)頻率與變化率等方面都與河流生態(tài)系統(tǒng)存在明顯的響應(yīng)關(guān)系[18]，如月流量均值可以定義棲息地環(huán)境特征(濕周、流速、棲息地面積等)；極端水文事件的出現(xiàn)時(shí)間可作為水生生物特定的生命周期或者生命活動(dòng)的信號(hào)，而其發(fā)生頻率又與生物的繁殖或死亡有關(guān)，進(jìn)而影響生物種群的動(dòng)態(tài)變化；水文變量的變化率則與生物承受變化的能力有關(guān)等。Richter等[17]提出的表征河流生態(tài)水文特性的水文改變指標(biāo)體系(IHA)中，生態(tài)水文指標(biāo)與生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)的聯(lián)系如表1所示。

表 1　河流的主要生態(tài)水文改變指標(biāo)(IHA)及其對(duì)河流生態(tài)系統(tǒng)的影響

2.2分區(qū)指標(biāo)的構(gòu)建與計(jì)算

IHA指標(biāo)體系包括33個(gè)水文改變指標(biāo)，通過(guò)RVA方法可獲得不同指標(biāo)在變異點(diǎn)前后的改變度及體系綜合改變度[19]。然而若選用33個(gè)指標(biāo)進(jìn)行分區(qū)，則會(huì)因指標(biāo)體系過(guò)于龐雜而無(wú)法獲得較好的分區(qū)結(jié)果。因此，本研究通過(guò)綜合甄選，確定了7個(gè)生態(tài)水文聚合指標(biāo)(表2)，并計(jì)算其改變度，分別為豐水期流量改變度、枯水期流量改變度、最小極端流量改變度、最大極端流量改變度、低脈沖流量改變度、高脈沖流量改變度以及變化率改變度。計(jì)算中，可首先應(yīng)用IHA軟件[17]對(duì)日徑流資料進(jìn)行處理，獲得33個(gè)指標(biāo)的長(zhǎng)序列，再依據(jù)表2中的聚合指標(biāo)獲取方法，計(jì)算得到不同的聚合指標(biāo)改變度。

表 2　渭河流域生態(tài)水文聯(lián)系分區(qū)的指標(biāo)體系及獲取方法

根據(jù)RVA方法，各聚合指標(biāo)改變度的計(jì)算公式為：

(1)

式中：Di為第i項(xiàng)指標(biāo)改變度；Fob為變異段中實(shí)際落入中值區(qū)的年份與變異段總年數(shù)的比值；Fex為變異段中各聚合指標(biāo)預(yù)期落入中值區(qū)的頻率，本研究取預(yù)期無(wú)變化，即為33%。

聚合指標(biāo)改變度可分為3種，即低變異、中變異及高變異。具體計(jì)算過(guò)程如下：首先將天然序列(即基準(zhǔn)段)各聚合指標(biāo)排序，按由小到大等分為3個(gè)區(qū)間，即低值區(qū)、中值區(qū)以及高值區(qū)，并確定3個(gè)區(qū)間的界值a和b；然后統(tǒng)計(jì)變異段中各聚合指標(biāo)值落入閾值a和b之間的情況，最后根據(jù)公式(1)計(jì)算不同聚合指標(biāo)的改變度。

由于渭河干流站點(diǎn)的控制面積與個(gè)別支流站點(diǎn)存在重合，為便于分區(qū)計(jì)算，本研究干流站點(diǎn)，即北道、林家村、魏家堡、咸陽(yáng)、臨潼、華縣以及張家山站的改變度由各支流站點(diǎn)改變度與未控區(qū)間改變度綜合確定。現(xiàn)以北道站為例，其計(jì)算方法如下：

(2)

2.3分區(qū)方法

分區(qū)方法選用層次聚類(lèi)法，也稱(chēng)系統(tǒng)聚類(lèi)法，主要是對(duì)給定的數(shù)據(jù)集進(jìn)行層次分解，直到滿足某種條件為止[20]，該方法應(yīng)用過(guò)程中的關(guān)鍵是選取合適的距離計(jì)算方法與分類(lèi)方法。目前常用的距離計(jì)算方法較多，如歐式距離、標(biāo)準(zhǔn)歐式距離、街區(qū)距離、馬氏距離、相似系數(shù)距離、切比雪夫距離等等，其中歐式距離或者標(biāo)準(zhǔn)歐式距離法最為常用[21]；而分類(lèi)方法主要包括最短距離法、最長(zhǎng)距離法、平均距離法、加權(quán)平均法、重心法以及離差平方和法等等，其中最短距離法為最基本且常用的方法。

通過(guò)不同距離計(jì)算與分類(lèi)方法的對(duì)比分析，本研究選取標(biāo)準(zhǔn)歐式距離法和離差平方和法作為本研究的距離計(jì)算和分類(lèi)方法。具體步驟如下：

(1)根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)歐式距離法計(jì)算距離數(shù)值向量D，并將其排列為距離方陣M；

(2)通過(guò)離差平方和法計(jì)算聚類(lèi)進(jìn)度表(Z矩陣)；

(3)計(jì)算Z矩陣與聚類(lèi)距離數(shù)值向量D的相關(guān)系數(shù)C，并進(jìn)行檢驗(yàn)。相關(guān)系數(shù)C越大，則表示聚類(lèi)結(jié)果越好。

3結(jié)果與分析

3.1聚合指標(biāo)改變度

對(duì)渭河流域21個(gè)水文站的日徑流資料進(jìn)行處理，得到21個(gè)統(tǒng)計(jì)站點(diǎn)(區(qū)間)的日徑流序列，再應(yīng)用IHA軟件對(duì)33個(gè)指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)與分析，并依據(jù)表2中的聚合指標(biāo)獲取方法和改變度計(jì)算方法得到不同站點(diǎn)(或區(qū)間)的聚合指標(biāo)改變度，結(jié)果如表3所示。

表 3　渭河流域21個(gè)站點(diǎn)或區(qū)間的聚合指標(biāo)改變度

3.2分區(qū)計(jì)算

以聚合指標(biāo)改變度結(jié)果為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)集，應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)歐式距離法計(jì)算渭河流域21個(gè)統(tǒng)計(jì)站點(diǎn)(區(qū)間)的距離數(shù)值向量D和距離方陣M，并通過(guò)離差平方和法計(jì)算聚類(lèi)進(jìn)度表并繪制樹(shù)狀分類(lèi)圖如圖2、圖3所示。依據(jù)圖3所示的層次聚類(lèi)分區(qū)結(jié)果，可以將渭河流域的21統(tǒng)計(jì)站點(diǎn)(區(qū)間)大體分為5個(gè)分區(qū)。

1)強(qiáng)烈變異區(qū)。該區(qū)內(nèi)各站點(diǎn)(區(qū)間)的整體水文指標(biāo)改變度均較大，屬于生態(tài)水文聯(lián)系變化較為強(qiáng)烈的區(qū)域。平均聚合指標(biāo)改變度均在0.6以上，可見(jiàn)該區(qū)域內(nèi)河流生態(tài)水文系統(tǒng)受到較大擾動(dòng)。根據(jù)其主導(dǎo)變異指標(biāo)的差異，又可將其細(xì)分為2個(gè)小區(qū)：

①?gòu)?qiáng)烈變異區(qū)Ⅰ。包括北道未控區(qū)間、咸陽(yáng)未控區(qū)間，區(qū)內(nèi)高、低脈沖流量和豐水期流量為主導(dǎo)變異指標(biāo)。評(píng)估表明，該區(qū)域內(nèi)高脈沖流量的次數(shù)和延時(shí)均有大幅縮減，低脈沖流量則有顯著增加，豐水期流量衰減強(qiáng)烈，這種變化將強(qiáng)烈影響水流對(duì)灘區(qū)和濕地水生生物的支持，導(dǎo)致泥沙運(yùn)輸、河道結(jié)構(gòu)、底層擾動(dòng)等功能的滿足程度下降，無(wú)法在魚(yú)類(lèi)繁殖或育苗期提供更寬廣的區(qū)域來(lái)供其產(chǎn)卵，同時(shí)也會(huì)對(duì)育苗區(qū)域養(yǎng)分的補(bǔ)給產(chǎn)生較大影響[18]。

②強(qiáng)烈變異區(qū)Ⅱ。包括甘谷、秦安、黑峪口、華縣未控區(qū)間、臨潼未控區(qū)間、魏家堡未控區(qū)間、武山，區(qū)內(nèi)極端流量(最小極端流量、最大極端流量)和流量變化率為主導(dǎo)變異指標(biāo)。評(píng)估結(jié)果顯示，該區(qū)域內(nèi)極端流量和變化率均呈減小趨勢(shì)，且減小幅度較為明顯。極端大流量的縮減將會(huì)減小河道出現(xiàn)新棲息地和生境的可能，同時(shí)也會(huì)割斷沿河的湖泊、水塘、洪泛區(qū)等的水分和營(yíng)養(yǎng)補(bǔ)給。極端小流量的變化會(huì)威脅魚(yú)類(lèi)等水生物種的生存，特別是在魚(yú)類(lèi)產(chǎn)卵、孵卵以及遷徙等關(guān)鍵期，其影響更為顯著。另外，水流平均變化率趨于平緩，將影響水中浮游生物的生長(zhǎng)和發(fā)展，尤其是較長(zhǎng)時(shí)間的近靜水狀態(tài)，將直接影響某些與動(dòng)水(或洪水)變化息息相關(guān)的植物的生長(zhǎng)。

圖 2渭河流域21個(gè)統(tǒng)計(jì)站點(diǎn)(區(qū)間)聚合指標(biāo)改變度的距離方陣M

球形半徑代表各站點(diǎn)(區(qū)間)間變異情勢(shì)的差異度，半徑越小差異越小，越可能劃為同一分區(qū)

Fig.2Distance matrix M of variation degree of aggregate indicators of 21 statistics stations in Wei River basin

Radiuses represent variation diversities among hydrological stations,smaller radius indicates smaller diversity,

with higher possibility to be divided into the same region

圖 3　渭河流域21個(gè)統(tǒng)計(jì)站點(diǎn)(區(qū)間)生態(tài)水文聯(lián)系變異情勢(shì)樹(shù)狀分類(lèi)圖

2)中度變異區(qū)。整體水文指標(biāo)改變度處于中等水平，平均改變度基本維持在0.4～0.6，河流生態(tài)水文聯(lián)系受到一定程度的影響。根據(jù)其主導(dǎo)變化指標(biāo)，可將其再劃為2個(gè)小區(qū)：

①中度變異區(qū)Ⅰ。包括林家村未控區(qū)間、秦渡鎮(zhèn)、千陽(yáng)、社棠，區(qū)內(nèi)高、低脈沖流量以及流量變化率為主導(dǎo)變異指標(biāo)，其變異將會(huì)對(duì)河道結(jié)構(gòu)、棲息地功能、灘區(qū)、濕地生物(特別是動(dòng)水相關(guān)生物)產(chǎn)生一定影響。

②中度變異區(qū)Ⅱ。包括張家山未控區(qū)間、狀頭、天水、楊家坪，區(qū)域內(nèi)最小極端流量、高脈沖流量、豐水期流量為主要變異指標(biāo)，該變異將影響河道生物生存條件、濕地灘區(qū)營(yíng)養(yǎng)補(bǔ)給以及棲息地有效面積。

3)輕度變異區(qū)。包括鳳閣嶺、馬渡王、益門(mén)鎮(zhèn)、鸚鴿，區(qū)內(nèi)各聚合指標(biāo)改變度較低，均在0.4以下，生態(tài)水文聯(lián)系變異程度較輕。其中枯水期流量、最小極端流量、低脈沖流量較其他指標(biāo)變化明顯?？梢?jiàn)該區(qū)內(nèi)河流生態(tài)水文系統(tǒng)在枯水季節(jié)受到的擾動(dòng)影響較豐水季節(jié)更為嚴(yán)重，故區(qū)內(nèi)非汛期時(shí)的河流健康狀況更值得注意。

層次聚類(lèi)分區(qū)結(jié)果顯示，Z矩陣與聚類(lèi)距離數(shù)值向量D的相關(guān)系數(shù)C值為0.7，且大于其他距離法(如街區(qū)距離、馬氏距離、相似系數(shù)距離、切比雪夫距離等)以及聚類(lèi)法(如最短距離法、最長(zhǎng)距離法、平均距離法、加權(quán)平均法、重心法等)計(jì)算所得C值，說(shuō)明基于標(biāo)準(zhǔn)歐式距離和離差平方和的層次聚類(lèi)法的分類(lèi)結(jié)果相對(duì)較好。同時(shí)，為了驗(yàn)證層次聚類(lèi)法分區(qū)結(jié)果的合理性，對(duì)7個(gè)聚合指標(biāo)的改變度進(jìn)行主成分分析，其結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知，主成分分析法獲得的分區(qū)結(jié)果(21個(gè)站點(diǎn)(區(qū)間)的第1、第2主成分聚類(lèi)圖)，與層次聚類(lèi)法的分區(qū)結(jié)果相符，5個(gè)站點(diǎn)群分別位于不同區(qū)域。由此可見(jiàn)，層次聚類(lèi)法的分區(qū)結(jié)果較為合理可信。

3.3分區(qū)圖及成因分析

根據(jù)層次聚類(lèi)法的分區(qū)結(jié)果，應(yīng)用ArcGIS軟件繪制渭河流域生態(tài)水文聯(lián)系變異分區(qū)圖如圖5所示。由圖5可以看出，渭河流域生態(tài)水文聯(lián)系變異的程度整體較為強(qiáng)烈，且變異區(qū)域較為廣泛。其中強(qiáng)烈變異區(qū)主要集中在渭河流域的關(guān)中段和北道站以上流域，其面積占到了流域面積的35.8%。中度變異發(fā)生在除鳳閣嶺站控制面積以外的大部分區(qū)域，其中涇河和北洛河流域較北道-林家村段更為強(qiáng)烈。強(qiáng)烈變異區(qū)和中度變異區(qū)的總面積為 123 345.87 km2，占流域總面積的97.51%?？梢?jiàn)渭河流域生態(tài)水文聯(lián)系變異呈現(xiàn)出了較強(qiáng)的流域性特征，這與渭河流域高強(qiáng)度的人類(lèi)活動(dòng)息息相關(guān)。郭愛(ài)軍等[22]的研究成果顯示，渭河流域的降水在空間和時(shí)間上的變化并不顯著，對(duì)徑流影響的平均貢獻(xiàn)率較小，因此認(rèn)為渭河流域生態(tài)水文聯(lián)系變異的主要驅(qū)動(dòng)力應(yīng)來(lái)自于人類(lèi)活動(dòng)和下墊面的變化。渭河流域強(qiáng)擾動(dòng)區(qū)大部分地處關(guān)中-天水經(jīng)濟(jì)帶，區(qū)內(nèi)農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)，工業(yè)集中，是西北地區(qū)的重要經(jīng)濟(jì)發(fā)展區(qū)。在經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展的強(qiáng)力驅(qū)動(dòng)下，該區(qū)域取用水頻繁，庫(kù)群蓄滯強(qiáng)烈，使渭河的河流生態(tài)水文情勢(shì)受到劇烈擾動(dòng)[15]。近些年來(lái)，渭河流域陸續(xù)出現(xiàn)了河道萎縮、泥沙淤積、水污染加劇、生態(tài)系統(tǒng)惡化以及水資源供需矛盾突出等諸多問(wèn)題[23-24]，而這些問(wèn)題無(wú)不與河流水文情勢(shì)的變化息息相關(guān)，并成為限制渭河流域經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的重要因素。

從變異指標(biāo)上看，7個(gè)聚合指標(biāo)均發(fā)生了較為嚴(yán)重的變異，其空間分布亦有所差異。從渭河干流出口站華縣站的變異情況看，豐水期流量、枯水期流量、最小極端流量、最大極端流量、低脈沖流量、高脈沖流量以及變化率的改變度分別為0.095，0.095，0.430，0.960，0.220，0.640和0.670，這表明渭河流域整體上在最大極端流量、高脈沖流量以及變化率方面變化較為強(qiáng)烈，將進(jìn)一步影響其匯入河流，即黃河特別是黃河中下游河段的生態(tài)水文變化。從空間分布上看，高低流量指標(biāo)變異主要發(fā)生在武山-咸陽(yáng)段(除林家村-魏家堡段)，流量變化率的變化主要發(fā)生在流域的大部分區(qū)域(除北道站未控區(qū)和魏家堡-咸陽(yáng)段)，極端流量的變異則主要以武山站以上和咸陽(yáng)站以下區(qū)域?yàn)橹鳌?/p>

圖 5渭河流域生態(tài)水文聯(lián)系變異分區(qū)圖

Fig.5Division of eco-hydrologic connection variability in Wei River basin

4結(jié)論

通過(guò)對(duì)渭河流域生態(tài)水文聯(lián)系變異程度的評(píng)估和分區(qū)計(jì)算，得到如下結(jié)論：

1)基于標(biāo)準(zhǔn)歐式距離法和離差平方和聚類(lèi)法的層次分析聚類(lèi)法，可應(yīng)用于渭河流域生態(tài)水文聯(lián)系變異分區(qū)研究，其分區(qū)結(jié)果合理可信。

2)依據(jù)渭河流域內(nèi)各站點(diǎn)的生態(tài)水文聯(lián)系變異情況，可將渭河流域劃分為3個(gè)變異區(qū)，不同分區(qū)可反映其生態(tài)水文聯(lián)系綜合變異的嚴(yán)重程度。3個(gè)分區(qū)可進(jìn)一步細(xì)化成5個(gè)變異小區(qū)，各小區(qū)可區(qū)別不同的主導(dǎo)變異成分。通過(guò)該分區(qū)結(jié)果可基本了解渭河流域內(nèi)不同區(qū)域的河流生態(tài)水文聯(lián)系的變化情況。

3)渭河流域生態(tài)水文聯(lián)系變異呈現(xiàn)出較強(qiáng)的流域性特征，變異的主要驅(qū)動(dòng)力來(lái)自于人類(lèi)活動(dòng)和下墊面的變化，其強(qiáng)烈的擾動(dòng)導(dǎo)致了流域生態(tài)水文聯(lián)系的改變或損害，且其影響的空間差異較大，在今后的流域水資源管理或工程建設(shè)中應(yīng)分區(qū)予以關(guān)注。

4)渭河流域生態(tài)水文聚合指標(biāo)變異均較大。從流域的整體情況看，最大極端流量、高脈沖流量以及變化率方面變化較為強(qiáng)烈，將進(jìn)一步影響黃河中下游河段生態(tài)水文系統(tǒng)的變化。指標(biāo)的空間差異較明顯，在河流生態(tài)水文聯(lián)系良性維持方面，應(yīng)結(jié)合各區(qū)不同的生態(tài)水文聯(lián)系變異情況，加強(qiáng)流域生態(tài)水文管理。

5)本研究以渭河流域?yàn)槔?，研究了面向生態(tài)水文聯(lián)系的變異分區(qū)，取得了一定的成果，但在實(shí)踐應(yīng)用層面仍存在問(wèn)題，比如如何使用生態(tài)水文變異分區(qū)指導(dǎo)區(qū)域的水資源管理實(shí)踐，這在后續(xù)研究中需重點(diǎn)考量。作者認(rèn)為，生態(tài)水文變異分區(qū)應(yīng)同水資源功能分區(qū)一樣，成為區(qū)域水資源管理和水利工程規(guī)劃的重要限制性因素，即應(yīng)作為不同生態(tài)水文分區(qū)內(nèi)水資源規(guī)劃利用的限制性條件。因此，建立生態(tài)水文聯(lián)系變異指標(biāo)與水事活動(dòng)間的關(guān)系，并依據(jù)其關(guān)系設(shè)置限建規(guī)則，將成為生態(tài)水文變異分區(qū)應(yīng)用于流域水資源管理實(shí)踐的重要切入點(diǎn)。

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Division of eco-hydrologic connection variability in Wei River basin

ZHANG Hong-boa，b,GU Leia,CHEN Ke-yua,YU Qi-juna

(aSchoolofEnvironmentalScienceandEngineering,bKeyLaboratoryofSubsurfaceHydrologyandEcologicalEffectinAridRegionofMinistryofEducation,Chang’anUniversity,Xi’an,Shaanxi710054,China)

Abstract:【Objective】 The division of eco-hydrologic connection was conducted to demonstrate the spatial variability and provide theoretical basis for maintaining eco-hydrologic connection in river basin.【Method】 The paper extracted the indicators of hydrologic alteration (IHA) from hydrological series of 21 hydrometric stations in Wei River basin,and evaluated their alterations and spatial distribution between pre-impact and post-impact periods by range of variability approach (RVA).An index system was also established based on the original IHA for division and hierarchical cluster procedures (HCP) was used to obtain the division results about alteration degrees on eco-hydrologic connection in basin.The results were compared to that of the principal component analysis to verify the rationality of HCP division.【Result】 According to variation degrees of eco-hydrologic connection in Wei River basin,3 variation regions,i.e.,the high alteration region,the moderate alteration region and the low alteration region,were divided to represent the spatial distribution of the variation degree.The 3 regions were further divided into 5 sub-regions depending on different leading indicators.In the high alteration region,the stations with highly altered indicators such as high/low flow pulses and mean flow in wet season were grouped into high alteration region Ⅰ,whereas the stations with highly altered indicators such as minima/maxima flow condition and rate of change were grouped into high alteration region Ⅱ.In the moderate alteration region,the stations with obviously altered indicators such as high/low flow pulses and rate of change were grouped into moderate alteration region Ⅰ,and the stations with strongly altered indicators such as minima flow condition,high flow pulses and mean flow in wet season were grouped into moderate alteration region Ⅱ.The low alteration region was not subdivided due to the similar altered indicators.The HCP can be used for the spatial division on eco-hydrologic connection variation with rational results.【Conclusion】 The distribution of variation degree and principal variation indexes in each sub-region can be characterized.This study provides basis for river ecological protection and water engineering designing.

Key words:eco-hydrologic connection;variation division;IHA;hierarchical cluster procedures;Wei River basin

DOI：網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間:2016-05-0314:0510.13207/j.cnki.jnwafu.2016.06.029

[收稿日期]2014-10-29

[基金項(xiàng)目]國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51009009，51379014)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)(310829152018)

[作者簡(jiǎn)介]張洪波(1979-)，男，遼寧康平人，副教授，博士，主要從事水資源系統(tǒng)工程研究。E-mail：hbzhang@chd.edu.cn

[中圖分類(lèi)號(hào)]P343.1

[文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A

[文章編號(hào)]1671-9387(2016)06-0210-11

網(wǎng)絡(luò)出版地址:http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1390.S.20160503.1405.058.html