衢江衢州段徑流IHA指標(biāo)體系趨勢(shì)性變化分析

鄭 騫，姜 磊，孫路風(fēng)，吳紅雨

(1.衢州市水土保持監(jiān)督管理站，浙江 衢州 324000；2.衢州市銅山源水庫(kù)管理局， 浙江 衢州 324000；3.浙江九州治水科技股份有限公司，浙江 衢州 324000)

衢江衢州段徑流IHA指標(biāo)體系趨勢(shì)性變化分析

鄭 騫1，姜 磊1，孫路風(fēng)2，吳紅雨3

(1.衢州市水土保持監(jiān)督管理站，浙江 衢州 324000；2.衢州市銅山源水庫(kù)管理局， 浙江 衢州 324000；3.浙江九州治水科技股份有限公司，浙江 衢州 324000)

基于1956—2006年衢江衢州站逐日流量資料，通過(guò)非參數(shù)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)Mann-Kendall法分析了衢江衢州段徑流的33個(gè)IHA指標(biāo)趨勢(shì)性變化.結(jié)果表明：近年來(lái)在人類(lèi)活動(dòng)影響下衢江年極端最小流量、基流指數(shù)、漲落變換次數(shù)等序列呈顯著上升趨勢(shì)，低脈沖歷時(shí)、漲水率序列呈顯著下降趨勢(shì)，說(shuō)明流域上游水庫(kù)群已起到蓄豐補(bǔ)枯的徑流調(diào)節(jié)作用，降低了汛期的洪峰流量，枯水量級(jí)有所提高，枯水期持續(xù)歷時(shí)縮短，有利于保護(hù)水生態(tài)系統(tǒng)，保障其枯期生態(tài)需水.

衢州；徑流；IHA指標(biāo)體系；趨勢(shì)性變化

近年來(lái)，人類(lèi)活動(dòng)(主要包括水庫(kù)群攔蓄、引調(diào)水、抽取地下水、水土保持、城市化)對(duì)河流水文情勢(shì)變化的影響一直都屬于生態(tài)水文學(xué)科的熱門(mén)研究方向，相關(guān)學(xué)者也做了大量的研究[1].特別是隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展、人類(lèi)活動(dòng)對(duì)河流的影響不斷加劇，針對(duì)我國(guó)不同地區(qū)具有不同水文特征和生態(tài)學(xué)特征的河流進(jìn)行研究分析，意義重大[2].

錢(qián)塘江是浙江省第一大河.科學(xué)開(kāi)發(fā)、利用和保護(hù)錢(qián)塘江水資源對(duì)浙江省經(jīng)濟(jì)社會(huì)健康發(fā)展至關(guān)重要.本文以衢江的衢州段為研究對(duì)象，采用非參數(shù)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)Mann-Kendall(M-K)法對(duì)33個(gè)IHA指標(biāo)進(jìn)行長(zhǎng)序列趨勢(shì)性變化分析.研究成果可為衢江水資源開(kāi)發(fā)利用與生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)支持.

1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)

錢(qián)塘江南源從馬金溪至常山港再至衢江，下游入蘭江、富春江、錢(qián)塘江，最終匯入杭州灣.衢州市地處浙江省西南部，位于錢(qián)塘江流域的上游地區(qū)，多年平均水資源總量為101.32億m3，人均水資源占有量4 150 m3，為全國(guó)水平的1.8倍，全省水平的2.1倍.

選取衢江干流衢州水文站作為研究衢江徑流長(zhǎng)序列趨勢(shì)性變化的控制節(jié)點(diǎn).衢州站位于城區(qū)西安門(mén)大橋下游[118.87°E，28.98°N]，斷面以上集水面積約為5 424 km2.衢州站1956—2006年共51 a的流量資料作為徑流趨勢(shì)性變化研究的基礎(chǔ)資料.錢(qián)塘江流域水系及衢州站位置示意圖(見(jiàn)圖1).

圖1 錢(qián)塘江水系及站點(diǎn)分布示意圖

2 研究方法

2.1 非參數(shù)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)Mann-Kendall法

非參數(shù)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)Mann-Kendall法是檢測(cè)時(shí)間序列趨勢(shì)變化的常用方法，其優(yōu)點(diǎn)是不需要樣本遵從一定的分布，也不受少數(shù)異常值的干擾，以適用范圍廣、人為性少、定量化程度高而著稱(chēng)[3-4].

對(duì)某一時(shí)間序列{x(t)}{t=1,2,…,n}，M-K法趨勢(shì)檢驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)量公式是：

(1)

式中，sign()為符號(hào)函數(shù)：

(2)

當(dāng)n≥8時(shí)，統(tǒng)計(jì)量S近似服從正態(tài)分布，其均

值及方差分別為：

E(S)=0

(3)

Var(S)=

(4)

式中，i為時(shí)間序列中等值子序列(序列值連續(xù)相等的子序列)的長(zhǎng)度，ti為長(zhǎng)度為i的等值子序列的數(shù)量.

構(gòu)造檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量Z：

(5)

Z服從標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布.在雙邊檢驗(yàn)中，若|Z|≥Z1-α/2，則表示在顯著性水平α下拒絕原假設(shè)，說(shuō)明時(shí)間序列存在顯著的趨勢(shì)變化.Z為正值表示增加趨勢(shì)，負(fù)值表示減少趨勢(shì).Z的絕對(duì)值在≥1.64、1.96和2.58時(shí)，分別表示通過(guò)了0.10、0.05和0.01顯著性水平的檢驗(yàn)，即檢驗(yàn)結(jié)果分別具有90%、95%和99%的置信度.

2.2 IHA(Indicators of Hydrologic Alteration)指標(biāo)體系

河流水流情勢(shì)涉及大量的信息和數(shù)據(jù)，過(guò)程描述相當(dāng)復(fù)雜，通過(guò)建立指標(biāo)體系來(lái)研究復(fù)雜的生態(tài)水文過(guò)程，是一種有效的分析手段.目前，國(guó)內(nèi)外應(yīng)用較為廣泛的是IHA指標(biāo)體系[5-6].IHA法依據(jù)河流的日水文資料(系列長(zhǎng)度>20 a)，評(píng)估河流生態(tài)水文變化的程度及其對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的影響，該指標(biāo)體系共涵蓋5類(lèi)33個(gè)指標(biāo)，包括月流量狀況、極端水文現(xiàn)象的大小與歷時(shí)、極端水文現(xiàn)象的出現(xiàn)時(shí)間、高低脈沖流量的頻率與歷時(shí)以及流量變化的出現(xiàn)頻率與變化率，來(lái)描繪河流的流量變化特征.其中，極端水文事件的出現(xiàn)時(shí)間和歷時(shí)與特定的生命過(guò)程需求是否得到滿(mǎn)足有關(guān)，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；水文變量的變化率與生物承受變化的能力有關(guān).33項(xiàng)具體生態(tài)水文指標(biāo)及其生態(tài)意義(見(jiàn)表1).項(xiàng)目采用參數(shù)方法統(tǒng)計(jì)各IHA指標(biāo)，即統(tǒng)計(jì)均值.

表1 生態(tài)水文指標(biāo)及其生態(tài)意義

3 IHA指標(biāo)變化趨勢(shì)

3.1 月均流量

衢州站各月平均流量序列的M-K檢驗(yàn)結(jié)果(見(jiàn)表2).結(jié)果表明，5月的流量序列呈顯著下降趨勢(shì)，通過(guò)了95%置信度檢驗(yàn).1月、7月、8月、9月、11月和12月的流量序列上升趨勢(shì)顯著，通過(guò)了90%以上的置信度檢驗(yàn)，其它月份的長(zhǎng)序列均未呈現(xiàn)明顯的上升或下降趨勢(shì).

3.2 年水文極值大小和歷時(shí)

衢州站年極端流量序列的M-K檢驗(yàn)結(jié)果(見(jiàn)表3).年極端最小流量序列都呈顯著上升趨勢(shì)，除最小90日流量序列的上升趨勢(shì)是通過(guò)了95%置信度檢驗(yàn)，其余年極端最小流量序列的上升趨勢(shì)都通過(guò)了99%置信度檢驗(yàn).年極端最大流量序列基本穩(wěn)定，未檢測(cè)到顯著變化趨勢(shì).水庫(kù)群蓄豐補(bǔ)枯的徑流調(diào)節(jié)作用顯著改善了生態(tài)水文條件，枯水量級(jí)有所提高，有利于保護(hù)水生態(tài)系統(tǒng)，保障其枯期生態(tài)需水.M-K檢驗(yàn)的Z=4.40，表明基流指數(shù)序列的上升趨勢(shì)顯著，通過(guò)了99%置信度檢驗(yàn).

表2 月平均流量序列M-K檢驗(yàn)結(jié)果

表3 年極端流量序列M-K檢驗(yàn)結(jié)果

3.3 年極值水文狀況發(fā)生時(shí)間

衢州站年極端流量發(fā)生時(shí)間的趨勢(shì)變化特征(見(jiàn)圖2).最小1日流量發(fā)生時(shí)間的M-K檢驗(yàn)Z=1.41，最大1日流量發(fā)生時(shí)間的M-K檢驗(yàn)Z=0.94，未檢測(cè)到顯著變化趨勢(shì)，說(shuō)明極端流量的發(fā)生時(shí)間基本穩(wěn)定，未有明顯的增加或減少趨勢(shì).

3.4 高、低流量脈沖的頻率及歷時(shí)

衢州站低、高脈沖次數(shù)及歷時(shí)序列的趨勢(shì)變化特征(見(jiàn)圖3).

圖2 年極端流量發(fā)生時(shí)間趨勢(shì)變化

圖3 脈沖特征趨勢(shì)變化

各序列趨勢(shì)變化M-K檢驗(yàn)的結(jié)果(見(jiàn)表4).除低脈沖歷時(shí)序列呈顯著下降趨勢(shì)外，其余序列基本穩(wěn)定，未檢測(cè)出顯著變化趨勢(shì).低脈沖歷時(shí)序列呈顯著下降可以反應(yīng)枯水期的時(shí)間大幅縮短，這與上游建造水庫(kù)或者堰壩等工程，增加了枯水期的生態(tài)流量下泄有關(guān)，也證明水利工程在調(diào)節(jié)徑流年內(nèi)分配，改善枯水期河道水生態(tài)環(huán)境方面發(fā)揮了積極的作用.

表4 脈沖特征M-K檢驗(yàn)結(jié)果

3.5 水流條件變化率及頻率

衢州站漲水率、落水率、漲落變換次數(shù)序列的趨勢(shì)變化特征(見(jiàn)圖4).

圖4 漲水率、落水率、漲落變換次數(shù)趨勢(shì)變化

各序列趨勢(shì)變化M-K檢驗(yàn)的結(jié)果(見(jiàn)表5).

表5 脈沖特征M-K檢驗(yàn)結(jié)果

漲水率序列呈顯著下降趨勢(shì)，M-K檢驗(yàn)Z=-2.51，通過(guò)了95%置信度檢驗(yàn).落水率序列基本穩(wěn)定，M-K檢驗(yàn)Z=0.65，未檢測(cè)到顯著變化趨勢(shì).漲落變換次數(shù)序列呈顯著上升趨勢(shì)，M-K檢驗(yàn)Z=7.42，通過(guò)了99%置信度檢驗(yàn).漲水率降低可能是由于水庫(kù)的防洪作用，山洪暴發(fā)時(shí)水庫(kù)適當(dāng)攔蓄洪水，削減洪峰，并降低了流量上漲率.漲落變換次數(shù)顯著增多也可能是由于水庫(kù)的調(diào)節(jié)作用.水庫(kù)根據(jù)防洪、發(fā)電等需要適時(shí)調(diào)整庫(kù)區(qū)水位，發(fā)揮蓄水、泄水功能，從而影響漲水、退水過(guò)程，改變漲落水變換次數(shù).

4 結(jié) 論

采用非參數(shù)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)Mann-Kendall法分析了衢江衢州段51 a長(zhǎng)序列徑流的33個(gè)IHA指標(biāo)的趨勢(shì)性變化.結(jié)果表明：(1)衢江站月流量序列除5月有下降趨勢(shì)，其他月份無(wú)顯著變化趨勢(shì)或有上升趨勢(shì)，說(shuō)明了衢江月均流量基本保持穩(wěn)定.(2)最小1日、3日、7日、30日、90日平均流量序列、基流序列均呈顯著上升趨勢(shì)，說(shuō)明了衢江枯水期的流量顯著提高.(3)低脈沖歷時(shí)序列呈顯著下降趨勢(shì)，說(shuō)明了 衢江枯水期的歷時(shí)顯著減少.(4)漲水率序列呈顯 著下降趨勢(shì)，漲落變換次數(shù)呈顯著增多趨勢(shì)，說(shuō)明了洪水期間，水庫(kù)群將天然的大流量洪峰過(guò)程分割成為了若干個(gè)小的洪峰，削減了洪峰，降低了流量的上漲率，改變了漲落水變換的次數(shù).

隨著近50 a來(lái)人類(lèi)活動(dòng)影響，衢江的水文情勢(shì)發(fā)生了較大變化，流域上游水庫(kù)群蓄豐補(bǔ)枯的徑流調(diào)節(jié)作用顯著改善了生態(tài)水文條件，降低了汛期的洪峰流量，枯水量級(jí)有所提高，枯水期持續(xù)歷時(shí)縮短，有利于保護(hù)水生態(tài)系統(tǒng)，保障其枯期生態(tài)需水.

[1] 李國(guó)芳,夏自強(qiáng).人類(lèi)活動(dòng)和氣候變化對(duì)徑流量的影響研究[C]//全國(guó)水問(wèn)題研究學(xué)術(shù)研討會(huì)，2005.

[2] 鄭 騫,紀(jì)碧華,饒桐貴,等.衢江衢州段生態(tài)徑流計(jì)算[J].水電能源科學(xué),2007,35(3):27-29.

[3] HUANG F, XIA Z Q, ZHANG N, et al. Flow-Complexity Analysis of the Upper Reaches of the Yangtze River, China[J]. Journal of Hydrologic Engineering, 2011,16(11):914-919.

[4] HUANG F, XIA Z Q, LI F, et al. Hydrological Changes of the Irtysh River and the Possible Causes[J]. Water Resources Management, 2012, 26(11):3195-3208.

[5] RICHTER B D, BAUMGARTNER J V, POWELL J, et al. A method for assessing hydrologic alteration within ecosystems[J]. Conservation Biology,1996,10(4):1163-1174.

[6] RICHTER B D, BAUMGARTNER J V, WIGINGTON R, et al. How much water does a river need?[J]. Freshwater Biology, 1997,37(1):231-249.

TrendVariationofIHAIndicatorSysteminQuzhouSectionofQujiang

ZHENG Qian1, JIANG Lei1, SUN Lu-feng2, WU Hong-yu3

(1.Soil and Water Conservation Supervision Station of Quzhou, Quzhou 324000, China; 2.Quzhou Tongshanyuan Reservoir Administration Bureau, Quzhou 324000, China; 3.ZheJiang Jiuzhou Water Control Technology Co., Ltd., Quzhou 324000, China)

Based on the 51-year daily runoff data of Quzhou Station from 1956 to 2016 of Qujiang River, the trend variation of 33 IHA indicators by Mann-Kendall test on Quzhou Section is analyzed. Results show that under the influence of human activity, the series of extreme minimum flow, base flow index, and changing frequency fluctuation of Qujiang River shows a significant upward trend, and those of low pulse duration, rose water rate significantly declines, which indicates the ecological hydrological conditions are significantly improved by the runoff regulation effect of upstream reservoir groups. Water conservancy projects also reduce flood peak flow in flood season, increase the amount of dry water and shorten the duration of dry season, which is conducive to protecting the water ecosystem and the ecological water demand in dry season.

Quzhou; runoff; IHA indicator system; trend variation

2017-07-09

衢州市115人才工程培養(yǎng)人員科技項(xiàng)目

鄭 騫(1986-)，男，浙江衢州人，碩士，工程師，研究方向?yàn)樯鷳B(tài)水文與環(huán)境水文.

10.3969/j.issn.2095-7092.2017.05.002

TV697

A

1008-536X(2017)05-0005-05