基于EFCS法的長(zhǎng)江上游環(huán)境流量評(píng)價(jià)

王鴻翔，張愛(ài)民，郭文獻(xiàn)

(華北水利水電大學(xué)，河南 鄭州 450011)

0 引 言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人類開(kāi)始大規(guī)模的在河流上修建攔蓄工程，在防洪、發(fā)電、灌溉、供水和航運(yùn)方面起到了重要的作用，在促進(jìn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展以及人類文明進(jìn)步的同時(shí)，也影響了河流生態(tài)環(huán)境，尤其改變了河流自然水文過(guò)程，河流自然水文過(guò)程決定并影響著河流生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)、能量過(guò)程、物理?xiàng)⒌貭顩r和生物相互作用等，在不同時(shí)空尺度上改變棲息地條件，從而影響物種的分布和豐度，進(jìn)而影響生物群落的組成和多樣性[1,2]。然而近些年，隨著長(zhǎng)江上游的水電開(kāi)發(fā)活動(dòng)加快，特別是金沙江下游梯級(jí)水電站溪洛渡、向家壩的建成蓄水，以及烏東德、白鶴灘的開(kāi)工建設(shè)，會(huì)改變保護(hù)區(qū)的自然水文情勢(shì)，進(jìn)而對(duì)長(zhǎng)江上游珍稀特有魚類產(chǎn)生影響。

為了減緩水利工程建設(shè)對(duì)河流生態(tài)系統(tǒng)影響，各國(guó)專家學(xué)者開(kāi)展了大量相關(guān)研究，其中環(huán)境水流量研究是當(dāng)前研究熱點(diǎn)。環(huán)境水流評(píng)估主要方法概括為水文法、水力學(xué)法、生境模擬法以及整體分析法，其中最為常用的方法為水文法。目前國(guó)內(nèi)環(huán)境水流研究存在的問(wèn)題主要在于大多數(shù)只針對(duì)流量大小進(jìn)行計(jì)算，結(jié)論也只偏向于月均流量等單一要素，缺乏考慮水生生物的具體需求。EFCS法從水生生物需求出發(fā)，通過(guò)計(jì)算環(huán)境水流參數(shù)，根據(jù)生物調(diào)查結(jié)果過(guò)識(shí)別水生生物關(guān)鍵期，再通過(guò)HEC-RPT設(shè)置環(huán)境水流參數(shù)并參考?xì)v年水生生物關(guān)鍵期的水文過(guò)程線，生成帶有時(shí)間節(jié)點(diǎn)的，包含流量、頻率、持續(xù)時(shí)間、變化率等多種水文要素特征的推薦環(huán)境水流過(guò)程，解決了目前研究只針對(duì)單一要素計(jì)算，缺乏與生物相結(jié)合的問(wèn)題[3]。因此根據(jù)長(zhǎng)江屏山水文站1956-2012年日均流量資料，通過(guò)Mann-Kendall法、累積距平法、滑動(dòng)T檢驗(yàn)法突變檢驗(yàn)劃分有效徑流數(shù)據(jù)，通過(guò)EFCS法推薦適宜環(huán)境水流。

1 研究區(qū)域

長(zhǎng)江上游珍稀、特有魚類國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)(以下簡(jiǎn)稱“保護(hù)區(qū)”)內(nèi)分布有白鱘、達(dá)氏鱘和胭脂魚三種國(guó)家重點(diǎn)保護(hù)水生物種，和六十多種長(zhǎng)江特有魚類[3]。保護(hù)區(qū)范圍包括長(zhǎng)江干流金沙江向家壩軸線下1.8 km至重慶馬桑溪長(zhǎng)江干流江段及部分支流河段，范圍在東經(jīng)104°24′51.34″～106°24′19.19″，北緯28°38′6.96″～29°20′40.92″之間(圖1)?？缭剿拇?、貴州、云南、重慶四省市，保護(hù)區(qū)河流總長(zhǎng)1 162.61 km，總面積331 784.213 hm2。保護(hù)區(qū)上游控制水文站為屏山水文站，下游控制水文站為寸灘水文站，河流主要包括赤水河干流和部分支流、岷江下游和越溪河支流，以及南廣河、長(zhǎng)寧河、沱江和永寧河河口區(qū)河段。保護(hù)區(qū)屬于亞熱帶濕潤(rùn)保護(hù)區(qū)，月均溫度維持在16～20 ℃，比同緯度下的長(zhǎng)江上、中游流域高2～4 ℃。年降水量一般在1 200 mm以上，多年平均流量為10 767 m3/s，主要集中在7-9月份，占年均流量的52.47%。其中保護(hù)區(qū)按照功能分為：核心區(qū)，緩沖區(qū)和試驗(yàn)區(qū)，其中向家壩下游至南溪鎮(zhèn)江段為保護(hù)區(qū)的核心區(qū)。

2 研究數(shù)據(jù)和方法

2.1 研究數(shù)據(jù)

屏山水文站位于溪洛渡水電站壩下游的向家壩庫(kù)內(nèi)，距向家壩壩址上游33 km處，其水文特征可視為干流江段進(jìn)入保護(hù)區(qū)內(nèi)的代表流量，能夠較好的反映保護(hù)區(qū)上游的來(lái)水情況。因此本文選取屏山水文站1956-2012年日流量數(shù)據(jù)，鑒于2012年向家壩蓄水后屏山站被淹沒(méi)，屏山站2012年流量資料用向家壩水文站資料代替，數(shù)據(jù)來(lái)源于長(zhǎng)江流域水文年鑒，可靠性較高。

圖1 長(zhǎng)江上游珍稀特有魚類國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)示意圖Fig.1 National nature reserve for the rare and endemic fishes in the upper reaches of the Yangtze river

2.2 研究方法

(1)突變性檢驗(yàn)方法。本研究主要采用Mann-Kendall檢驗(yàn)法[4-6]、累積距平法[6,7]和滑動(dòng)T檢驗(yàn)法[8]，對(duì)屏山水文站進(jìn)行趨勢(shì)性和突變性檢驗(yàn)，方法具體計(jì)算過(guò)程見(jiàn)參考文獻(xiàn)[4-8]。

(2)環(huán)境水流組成判別方法。對(duì)于環(huán)境水流組成的判別，Richter等提出一套算法，將輸入后的時(shí)間徑流序列劃分為兩類水文日:高流量日和低流量日，在此基礎(chǔ)上通過(guò)相關(guān)閾值的參數(shù)的設(shè)置劃分環(huán)境水流事件，不同水流模式閾值參數(shù)劃分方法具體見(jiàn)表1。

表1 不同水流模式閾值參數(shù)劃分方法Tab.1 Division method of threshold parameter in different flow pattern

注：該表格內(nèi)容來(lái)自文獻(xiàn)[9]。

環(huán)境水流指標(biāo)說(shuō)明：特枯流量、高脈沖流量、小洪水和大洪水四種流量事件中的上升率(或下降率)指的是相應(yīng)流量事件中第二日流量值相較于第一日流量值的上升(或下降)百分比，其計(jì)算公式如下：

(1)

式中：P為流量事件的上升率(或下降率)，%；Q1為第一日流量，m3/s；Qs為流量事件的第二日流量，m3/s；當(dāng)P為正值時(shí)為上升率，當(dāng)P為負(fù)值時(shí)為下降率。

通過(guò)對(duì)屏山水文站的日徑流突變前后兩個(gè)水文序列進(jìn)行環(huán)境流指標(biāo)統(tǒng)計(jì)分析，包括徑流突變前后的中值、離散系數(shù)和偏差系數(shù)。中值反映計(jì)算時(shí)段流量的一般水平，對(duì)流量序列進(jìn)行由小到大排序后，取第50百分位數(shù)值作為中值參數(shù)。離散系數(shù)反映與均值的偏離的程度計(jì)算計(jì)算公式如下：

CD=(H-L)/M

(2)

式中：H為突變前后水文序列的第75百分位數(shù)，m3/s；L為突變前后水文序列的第25百分位數(shù)，m3/s；M為突變前后水文序列的第50百分位數(shù)。

偏差系數(shù)是指突變前后各指標(biāo)數(shù)值相對(duì)于蓄水前各指標(biāo)數(shù)值的偏差。

2.3 EFCS法評(píng)估步驟

EFCS法的評(píng)估流程主要包括個(gè)步驟：①對(duì)研究區(qū)域水文數(shù)據(jù)進(jìn)行突變分析；②對(duì)水文序列進(jìn)行環(huán)境水流組成分析，評(píng)價(jià)突變前后環(huán)境水流變化情況；③對(duì)研究區(qū)域進(jìn)行生態(tài)調(diào)查，獲得目標(biāo)種群的生態(tài)需水；④根據(jù)目標(biāo)種群的生態(tài)需水及突變前環(huán)境水流組成，推薦適合環(huán)境流量；⑤進(jìn)行合理性驗(yàn)證。

3 結(jié)果與討論

3.1 屏山站年均流量趨勢(shì)檢驗(yàn)

為揭示長(zhǎng)江上游年均流量的變化趨勢(shì)，點(diǎn)繪出長(zhǎng)江上游屏山水文站點(diǎn)1956-2012年的年均流量變化(圖2)。由圖2可以看出，屏山水文站年均流量呈現(xiàn)輕微上升趨勢(shì)， 根據(jù)M-K趨勢(shì)檢驗(yàn)法分析，屏山站趨勢(shì)檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量為0.86<1.96，表明屏山徑流序列變化呈上升趨勢(shì)，未通過(guò)95%的置信區(qū)間，因此上升趨勢(shì)不顯著。由此可見(jiàn)，屏山站年均流量趨勢(shì)總體變化不顯著，推測(cè)屏山站年均流量上升可能與向家壩建設(shè)蓄水有關(guān)。

圖2 長(zhǎng)江上游年均流量變化Fig.2 Annual mean flow in the upper reaches of Yangtze River

3.2 M-K突變檢驗(yàn)結(jié)果

本文綜合采用Mann-Kendall檢驗(yàn)、累計(jì)距平法和滑動(dòng)T檢驗(yàn)法，對(duì)長(zhǎng)江上游屏山水文站年均流量序列進(jìn)行突變年份檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 長(zhǎng)江上游年均流量突變檢驗(yàn)Tab.2 Abrupt change of annual mean flow

根據(jù)表2中M-K檢驗(yàn)法、累計(jì)距平法、滑動(dòng)T檢驗(yàn)法三種方法檢驗(yàn)屏山水文站的徑流時(shí)間的突變點(diǎn)出現(xiàn)在1968和1997年。考慮到1968年受人類活動(dòng)干擾較小，年徑流改變?yōu)闅夂蜃兓?，而長(zhǎng)江上游最早的大型水電站-雅礱江二灘水電站于1998年蓄水發(fā)電，可認(rèn)為金沙江干支流1997年以前的徑流過(guò)程未受到人類開(kāi)發(fā)活動(dòng)的重大影響，基本處于自然河流狀態(tài)，因此，以1997年為屏山站年均徑流突變年份。

3.3 長(zhǎng)江上游環(huán)境水流指標(biāo)分析

本研究采用非參數(shù)法進(jìn)行統(tǒng)計(jì)環(huán)境水流指標(biāo)，統(tǒng)計(jì)分析屏山水文站的徑流突變前后變化，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖3和圖4所示。

圖4 屏山站環(huán)境水流指標(biāo)Fig.4 Environmental flow indicator of pingshan station.

據(jù)圖3分析可知屏山水文站在1981年之后大洪水事件和特枯流量事件的發(fā)生次數(shù)顯著減少，并且小洪水事件發(fā)生的頻率出現(xiàn)明顯的增加，2000年之后大洪水事件及特枯流量事件完全消失，小洪水出現(xiàn)時(shí)間間隔時(shí)間增長(zhǎng)且量級(jí)逐漸減少，極端枯水流量和高脈沖流量事件歷時(shí)均呈顯著減少趨勢(shì)。水流過(guò)程全部化為枯水流量和高脈沖流量組成模式，環(huán)境流的組成趨向單一化。其原因可能是由于屏山河段上游大規(guī)模興建水電工程后，其群水庫(kù)在汛期削減洪峰，非汛期下泄水流，增加河道流流量，群水庫(kù)調(diào)度運(yùn)行方式疊加累積導(dǎo)致環(huán)境水流組成模式單一化。據(jù)環(huán)境水流指標(biāo)中值(見(jiàn)圖4)所示，大洪水出現(xiàn)次數(shù)顯著減少，小洪水出現(xiàn)時(shí)間延遲，極端枯水流量和高脈沖流量持續(xù)時(shí)間顯著減少，受影響較大的環(huán)境流指標(biāo)包括極端枯水流量頻率和歷時(shí)、高脈沖流量事件的歷時(shí)上升率，大洪水次數(shù)，受影響較大的流量時(shí)間為極端枯水流量、高脈沖、大洪水事件。

3.4 長(zhǎng)江上游生物調(diào)查結(jié)果

3.4.1 長(zhǎng)江上游典型魚類產(chǎn)卵規(guī)模變化

根據(jù)《長(zhǎng)江三峽工程生態(tài)與環(huán)境監(jiān)測(cè)公報(bào)》(1997-2015)統(tǒng)計(jì)分析，長(zhǎng)江上游魚類產(chǎn)卵場(chǎng)數(shù)量以及魚類種群資源正在逐漸減少，長(zhǎng)江上游特有魚類在漁獲物中所占的比例、相對(duì)優(yōu)勢(shì)度以及日均單船捕撈量均明顯減少。其中長(zhǎng)薄鰍是被中國(guó)瀕危動(dòng)物紅皮書及中國(guó)物種紅色目錄列為易危物種，主要分布在金沙江、雅礱江、安寧河、岷江、大渡河、青衣江、沱江中下游、長(zhǎng)江上游干流、赤水河、嘉陵江、涪江、渠江中下游及大寧河。據(jù)調(diào)查顯示以宜賓-重慶段產(chǎn)量最大，2000年前每年產(chǎn)量約為10 t，2000年以后年產(chǎn)量?jī)H為2～3 t[10，11]。圓口銅魚隸屬于重要的洄游型魚類，產(chǎn)卵場(chǎng)分布在金沙江，由屏山以上直至云南朵美一帶，資源量已經(jīng)呈顯著下降趨勢(shì)[11，12]。根據(jù)《長(zhǎng)江三峽工程生態(tài)與環(huán)境監(jiān)測(cè)公報(bào)》中三峽庫(kù)區(qū)天然捕撈量情況繪制銅魚與圓口銅魚漁獲物數(shù)量圖(圖5)，可看出1998-2002年銅魚與圓口銅魚數(shù)量總體呈下降趨勢(shì)，圓口銅魚漁獲物數(shù)量總體呈顯著下降趨勢(shì)，尤其是2005-2008年長(zhǎng)江上游水電開(kāi)發(fā)集中建設(shè)期間下降趨勢(shì)顯著。

表3 長(zhǎng)江上游代表性魚類生長(zhǎng)、繁殖和產(chǎn)卵的生態(tài)需求Tab.3 The ecological demands of growth, reproduction and spawning of the represent fish in the upper reaches of the Yangtze river

注明:表中“-”表示缺乏相關(guān)數(shù)據(jù)。

3.4.2 長(zhǎng)江上游魚類生態(tài)需求分析

長(zhǎng)江上游珍稀特有魚類國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)(以下簡(jiǎn)稱保護(hù)區(qū))內(nèi)共有197種(含亞種)魚類，長(zhǎng)江上游宜賓至重慶段分布有魚類166種，而珍稀、特有魚類共48種，隸屬4目9科32屬。其中白鱘、達(dá)氏鱘為國(guó)家I級(jí)保護(hù)動(dòng)物，胭脂魚為國(guó)家II級(jí)保護(hù)動(dòng)物(危起偉等，2012)，長(zhǎng)江上游魚類生態(tài)需求調(diào)查分析見(jiàn)表3。

3.5 長(zhǎng)江上游河道環(huán)境水流推薦結(jié)果

本研究基于環(huán)境水流的判別方法及算法原理采用非參數(shù)法進(jìn)行統(tǒng)計(jì)環(huán)境水流統(tǒng)計(jì)分析屏山水文站的徑流突變前后變化，將徑流資料進(jìn)行生態(tài)水文分期，劃分為豐、平、枯水年徑流資料，通過(guò)IHA-EFCS法統(tǒng)計(jì)計(jì)算環(huán)境水流參數(shù)，依據(jù)生物調(diào)查結(jié)果識(shí)別水生生物關(guān)鍵期，在通過(guò)HEC-RPT設(shè)置環(huán)境水流參數(shù)并參考?xì)v年代表魚類關(guān)鍵期內(nèi)的環(huán)境流量組成部分，并結(jié)合突變前后繁殖期內(nèi)高低脈沖的變化情況，修正水文過(guò)程生成帶有時(shí)間節(jié)點(diǎn)的，包含流量、頻率、持續(xù)時(shí)間、變化率等多種水文要素特征的推薦環(huán)境水流過(guò)程。屏山站豐、平、枯水水平年的河道環(huán)境水流推薦指標(biāo)計(jì)算結(jié)果如圖6、圖7和圖8所示。

圖6 豐水年的環(huán)境水流過(guò)程Fig.6 The process of environmental flow in wet year

圖7 平水年的環(huán)境水流過(guò)程Fig.7 The process of environmental flow in average year

圖8 枯水年的環(huán)境水流過(guò)程Fig.8 The process of environmental flow in dry year

4 結(jié) 論

(1)屏山水文站年均流量呈現(xiàn)輕微上升趨勢(shì)，推測(cè)可能與向家壩建設(shè)蓄水有關(guān)，并且經(jīng)突變檢驗(yàn)后將1997年作為屏山站年均徑流突變年份，1997年以前的徑流資料作為基準(zhǔn)水文形勢(shì)的參考依據(jù)。

(2)屏山站1981年之后大洪水事件和特枯流量事件的發(fā)生次數(shù)顯著減少，并且小洪水事件發(fā)生的頻率出現(xiàn)明顯的增加，2000年之后大洪水事件及特枯流量事件完全消失，小洪水出現(xiàn)時(shí)間間隔時(shí)間增長(zhǎng)且量級(jí)逐漸減少，極端枯水流量和高脈沖流量事件歷時(shí)均呈顯著減少趨勢(shì)。從環(huán)境水流指標(biāo)中值變化就看來(lái)，大洪水出現(xiàn)次數(shù)顯著減少，小洪水出現(xiàn)時(shí)間延遲，極端枯水流量和高脈沖流量持續(xù)時(shí)間顯著減少，受影響較大的環(huán)境流指標(biāo)包括極端枯水流量頻率和歷時(shí)、高脈沖流量事件的歷時(shí)上升率，大洪水次數(shù)，受影響較大的流量時(shí)間為極端枯水流量、高脈沖、大洪水事件。

(3)考慮到突變之前的天然徑流資料劃分豐、平、枯水年后年限較少，且由于人類活動(dòng)干擾不可能恢復(fù)之前的水流狀態(tài)，無(wú)法反映真實(shí)的河流健康狀況，因此利用1956-2012年徑流資料劃分豐、平、枯水年并計(jì)算基準(zhǔn)的環(huán)境水流參數(shù)，利用突變節(jié)點(diǎn)1997年之前的生態(tài)目標(biāo)關(guān)鍵期內(nèi)的水文過(guò)程作為修正參考依據(jù)，對(duì)比突變后的高低脈沖流量變化狀況，識(shí)別有效關(guān)鍵高低脈沖流量，選擇最接近歷史水文過(guò)程的定制環(huán)境水流過(guò)程線作為推薦環(huán)境水流過(guò)程。