基于RVA法和PCA法評估三座店水庫對下游徑流的影響

顧玉嬌，楊肖麗，任立良,2，李文婷，高 甜

(1.河海大學(xué)水文水資源學(xué)院 ，南京 210098；2. 河海大學(xué) 水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點實驗室，南京 210098)

0 引 言

人類活動一直影響著河流水文情勢，日益增加的水利工程在一定程度上干擾了不同時間尺度(月、季、年、年代際)河道徑流的特征，引起了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注[1]。1996年，RICHTER等[2]建立了一套水文改變指標體系(IHA)，對河流水文狀態(tài)改變進行描述。在此基礎(chǔ)上，1997年，RICHTER等又提出了變化范圍法(RVA)，使用所有 IHA 水文指標改變度的平均值作為水文整體改變度，來量化水利工程建設(shè)對河流影響，為河流生態(tài)管理提供依據(jù)和指導(dǎo)[3,4]。國內(nèi)外運用此法也進行了一些研究，來評估人類活動對河流徑流過程的影響。GRAF 等[5]基于IHA 法，分析了美國幾個大型水利工程建設(shè)后導(dǎo)致下游生態(tài)地貌發(fā)生變化，對河岸地形變化進行了深入研究。陳偉東等[6]提出基于控制變量思想改進IHA法，通過控制降水量因素，找出工程前后兩降水量最相似的兩個時期進行分析。郭衛(wèi)等[7]應(yīng)用RVA法評估了水庫運行后的岷江流域河流水文情勢變異情況，得出了高度改變的結(jié)論。近年來北方地區(qū)干旱問題嚴重，水資源短缺成為制約北方地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展的主要因素[8]。因此，運用RVA法量化水庫對河流生態(tài)特性的影響，為北方地區(qū)水資源管理提供依據(jù)至關(guān)重要。本文應(yīng)用RVA法和PCA法，評估對三座店水庫對下游河道徑流的影響，定量分析人類活動對河流水文特性的影響程度，為該區(qū)域水資源規(guī)劃管理提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)

初頭朗水文站控制流域隸屬于老哈河流域，地跨內(nèi)蒙古自治區(qū)和河北兩省，介于北緯 42°～42.5°, 東經(jīng)117°～118.5°之間 (圖1)，河流面積約3 009 km2[9]。該流域?qū)僦袦貛О敫珊荡箨懶约撅L(fēng)氣候，夏季高溫多雨，冬季寒冷干燥，降水主要集中在6-8月，約占年降水量的70%，冬季基本無降水[10]。

三座店水庫，是大(Ⅱ)型水庫，位于內(nèi)蒙古赤峰市境內(nèi)西遼河支流陰河的下游，距赤峰市城區(qū)35 km, 初頭朗水文站(118°37′E,42°27′N)上游[11]。工程于2005年開工建設(shè)，2009年開始下閘蓄水，2011年全面完工。工程設(shè)計總庫容3.05 億m3，控制流域面積2 842 km2，年徑流1.41 億m3，每年向赤峰城區(qū)供水4 745 萬m3，可為下游生態(tài)農(nóng)業(yè)灌溉補充水源[12]。用于實驗的水文觀測數(shù)據(jù)來自內(nèi)蒙古水文局提供的1971-2016年初頭朗站逐日平均流量資料。

圖1 初頭朗水文站控制流域Fig.1 Basin Controlled by Chutoulang Hydrological Station

2 方 法

2.1 RVA法

Richter在1996年提出了IHA指標體系, 該指標體系共有33個指標參數(shù)，涵蓋流量、出現(xiàn)時間、持續(xù)時間、頻率以及變化率等5個方面水文特征[13]，根據(jù)其統(tǒng)計特征劃分為 5組，33個指標(表1)。

1997年，Richter提出了RVA閾值的概念，以各指標平均值±1標準偏差或?qū)⒅笜税l(fā)生概率為 75%、25% 作為上下限。計算水利工程建造后受影響年份資料的IHA指標值，并估算單一指標的水文改變度及整個河段的整體水文改變度來判斷河流受影響的程度[14]。本文采用RVA法，得到的結(jié)果見表2，表2中偏移量和水文改變度的計算公式如下公式(1)和公式(2), 水文整體改變度的計算公式如下公式(3)。

表1 水文改變指標及參數(shù)Tab.1 Summary of hydrological parameters used in the Indicators of Hydrologic Alteration

(1)

(2)

(3)

式中：P為IHA指標參數(shù)；Di為第i個水文指標的改變度；Noi為第i個指標在受到干擾后落在RVA閾值內(nèi)的實際年數(shù)；Nf為干擾后的水文指標落于RVA閾值范圍內(nèi)的預(yù)期年數(shù)；0≤Di<33%為低度改變；33%≤Di<67%為中度改變；67%≤Di≤100%為高度改變。

2.2 主成分分析(PCA)

主成分分析是通過降維的方法將一系列具有相關(guān)性的變量轉(zhuǎn)化為少數(shù)幾個不相關(guān)的變量，保留關(guān)鍵信息的同時簡化數(shù)據(jù)的多樣性[15]。本文中33個指標，5組數(shù)據(jù)，為了減少水文指標間的冗余，采用主成分分析技術(shù)來選擇主要的生態(tài)水文指標。IHA統(tǒng)計數(shù)據(jù)集在進行分析前，由于指標的單位和大小不同，需要先進行標準化，具體做法是減去平均值，然后除以標準差[16]。為使各變量保留更多的方差，接受特征值大于1且解釋的累積方差百分比大于80%的主成分(PCs)。然后，選取PCs中載荷(絕對值)最高的指標用于表示相應(yīng)的主成分[17]。出現(xiàn)頻率最高的指標被認為是生態(tài)最相關(guān)水文指標(ERHIs)。

3 結(jié)果與分析

3.1 RVA法計算結(jié)果

初頭朗水文站是三座店水庫所在流域的出口站點，可以直接地反映三座店水庫修建對于下游徑流的影響。將2005年作為河流水文條件發(fā)生明顯變化的起始年，以1971-2004年共計34年初頭朗逐日平均流量作為河流生態(tài)系統(tǒng)未受干擾前的自然流量，并以自然狀態(tài)水位序列中的指標參數(shù)±1標準偏差分別作為閾值的上、下限。以2005-2016年的日流量作為三座店水庫興建后河流生態(tài)系統(tǒng)受人類干擾的流量，共計12年。結(jié)果如表2，根據(jù)式(3)算得整體改變度為59%，為中度改變。33個指標水文改變度大部分都呈中高度變化，說明三座店水庫建造及運行初頭朗水文站控制流域產(chǎn)生了負面影響。

表2 初頭朗站IHA指標變異評估Tab.2 Evaluation of IHA index variation at Chutoulong station

續(xù)表2 初頭朗站IHA指標變異評估

3.2 最相關(guān)水文指標(ERHIs)選取

在進行水文情勢分析中，運用降維的方法選取一個變量子集表示盡可能多的原始完整性變量。如圖2所示，前3個主成分特征值均大于1，且方差累積率為96.439%，根據(jù)主成分選取原則，選擇PC1、PC2、PC3為所需主成分。

為了進一步確定各主成分的解釋變量，以因子載荷矩陣中載荷值的絕對值來進行比較分析，表 3 列出了 PC1～PC3 的因子載荷矩陣。PC1 的最高載荷值對應(yīng)的變量為6月均值指標，PC2的最高載荷值對應(yīng)的變量為最小30日平均流量指標，PC3最高載荷值對應(yīng)的變量為零流量天數(shù)。最終所選解釋的3個指標為:6月均值、最小30日平均流量和零流量天數(shù)。3個指標的選取也具有一定的合理性，3個生態(tài)最相關(guān)水文指標之間最大相關(guān)度為0.34，最小的為0.002，幾乎不相關(guān)。

圖2 基于主成分分析的特征值和累積率的變化Fig.2 Variations of eigenvalue and cumulative contribution rate explained based on PCA

3.3 建庫對下游徑流過程的影響

3.3.1 月均流量變化

初頭朗水文站汛期主要集中在6-9 月份，建庫前平均月流量為5.45 m3/s，建庫后下降到1.26 m3/s，下降了77%?？菟诘牧髁吭?2-3月份最小，建庫前平均月流量為0.99 m3/s下降到0.31 m3/s，月均流量整體呈下降趨勢。水庫干擾后月均流量減少的平均偏移量是66.9%，綜合改變度為61%，屬于中度改變。水庫干擾前月平均流量在1-4月保持低流量水平，5月份之后有顯著地抬升，在8月份之后急劇下降；水庫建造后，各月流量變化平穩(wěn)且保持在低流量水平，除4月份以外，受水庫影響后的各月平均流量都小于影響前自然狀態(tài)下的平均流量(圖3)。這可能是因為4月份是老哈河流域農(nóng)作物的關(guān)鍵播種期，農(nóng)業(yè)灌溉需要大量用水。建庫前3～5月份月平均流量持續(xù)降低，6月份開始回升，建庫后水庫進行調(diào)節(jié)蓄水，3-4月份月平均流量有所增加，4月份進行大面積農(nóng)田灌溉，4-5月份流量減少。

表3 前3個主成分的載荷值Tab.3 Loadings for the first three principal components

圖3 初頭朗水文站水庫建成前后月均值流量比較Fig.3 Comparison of monthly mean discharge before and after the completion of the reservoir at Chutoulong hydrological station

運用PCA法選出的生態(tài)最相關(guān)水文指標6月流量均值呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢(圖4)。受水庫影響從3.69 m3/s下降到1.19 m3/s，減少量為68%，水文改變度為41%，為中度改變。表明由于水庫修建和人類用水過度(如水庫下游大面積的農(nóng)業(yè)灌溉)對徑流的年內(nèi)分配影響較大，月份的豐枯特征改變明顯，是造成流域下游徑流急劇下降的根本原因。 這與國內(nèi)已有的研究結(jié)論比較一致。如雍斌等在研究人類活動對老哈河流域近 50 年徑流變化的影響中，得出了在降水無明顯變化的情況下老哈河流域初頭朗水文站所在子流域流量呈現(xiàn)顯著下降趨勢的結(jié)論[18]。以1980年為突變年起，他把這種結(jié)果歸因于90%由人類活動引起的。朱磊等在對赤峰市近50年徑流下降的原因分析中發(fā)現(xiàn).初頭朗水文站徑流下降是由于大型水庫的興建導(dǎo)致的，人類活動對徑流下降的貢獻率在枯水年高，豐水年相對較小[9]。

圖4 1971-2016年初頭朗水文站6月流量均值Fig.4 Monthly Flows for June of Chutoulang hydrological station in 1971-2016

3.3.2 年極端流量變化

水庫建造及運行使年極端流量顯著減少，平均偏移率為69.3%，綜合改變度61%，為中度改變，說明三座店水庫的建立及運行使河流天然低流量過程增加。2005年開始建庫出現(xiàn)了少量斷流的情況，2009年水庫建成后斷流天數(shù)呈現(xiàn)斷崖式的上升，有些年份出現(xiàn)整年斷流現(xiàn)象。年平均零流量天數(shù)水庫影響前為4.059 d，水庫影響后上升至133.6 d，偏移量達3191%，水文改變度為62%，屬于中度改變(圖5)。受水庫影響，年均30日最小流量從0.21 m3/s下降到0.02 m3/s，2009-2013年5年時間，低至零，偏移量達88.48%，水文改變度為48%，屬于中度改變(圖6)。從2009年起至2013年6月份，初頭朗水文站控制流域出現(xiàn)了長期的斷流現(xiàn)象，除了流域本身位于干旱地區(qū)外，更多的是由于水庫攔截導(dǎo)致下游來水量減少，社會經(jīng)濟用水的增加導(dǎo)致斷流現(xiàn)象頻發(fā)。赤峰市歷年經(jīng)濟數(shù)據(jù)(圖7)所示：隨著人口數(shù)量、赤峰市GDP總量持續(xù)增加，耗水量極大的農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)規(guī)模不斷擴大，耕地面積從1971年的88.97 萬hm2增加到2016年的93.38 萬hm2，耕地總面積從三座店水庫建造開始有顯著增加，最高峰2011年達111.47 萬hm2，后由于干旱原因，農(nóng)田面積驟減。糧食產(chǎn)量從1971年的86.8 萬t開始實現(xiàn)穩(wěn)步增長，截止2016年已達503.24 萬t，翻了6倍。水利工程支持下的農(nóng)業(yè)灌溉成為導(dǎo)致初頭朗水文站控制流域流量下降，斷流現(xiàn)象頻發(fā)的最主要原因。這與王西琴等研究西遼河斷流問題的結(jié)果一致：流域降水減少、水利工程攔截和社會經(jīng)濟用水增加是導(dǎo)致西遼河斷流的3個主要因素[19]。

圖5 1971-2016年初頭朗水文站零流量天數(shù)Fig.5 Zero-flow days of Chutoulang hydrological station in 1971-2016

圖6 1971-2016年初頭朗水文站最小30日平均流量Fig.6 The 30-Day Minimum average flow rate of Chutoulang hydrological station in 1971-2016

4 結(jié) 論

本研究基于初頭朗水文站的實測徑流量數(shù)據(jù)，首先采用RVA法去除了氣候的影響，結(jié)合主成分分析法選擇最相關(guān)的3個指標定量地分析了三座店水庫建立對下游徑流的影響，得出以下結(jié)論：

圖7 赤峰市歷年經(jīng)濟數(shù)據(jù)Fig.7 Economic data of Chifeng City over the Years

(1)近40年來，初頭朗控制流域流量整體呈現(xiàn)逐步降低趨勢。

(2)三座店水庫的建造對下游河流水文情勢的整體改變度為中度改變。

(3)三座店水庫的建造使得下游初頭朗水文站月均值發(fā)生了明顯變化，尤其是汛期(6-9月)建庫后流量平均減少了77%，月份的豐枯特征改變明顯。

(4)該流域年極端流量受水庫影響變化顯著，三座店水庫運行后, 零流量天數(shù)呈現(xiàn)陡崖地增加(增加了3 191%)，水文改變度為62%，水利工程攔截和社會經(jīng)濟用水增加起著不可忽視的干擾作用。

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