基于IHA-RVA法的湘江流域水文情勢評價

卓志宇，錢 湛，姜 恒，王鴻翔，郭文獻

(1.湖南省水利水電勘測設計研究總院，長沙 410007; 2. 華北水利水電大學，鄭州 450045)

湘江是長江水系的主要支流之一，同時也是湖南省最大的河流，被譽為湖南省的母親河，對流域內人民生活用水和人文發(fā)展都有著至關重要的作用[1]。近年來，隨著國內河流水利的頻繁開發(fā)，湘江作為長江重要支流之一，其開發(fā)程度亦逐步加深。這種深度開發(fā)必將對湘江水文情勢帶來較大改變，直接或間接地改變流域內重要物種的生境，影響物種的分布和群落結構，進而對湘江流域生態(tài)系統(tǒng)產生深遠影響[2]。

目前，國內外學者非常關注人類活動對河流水文情勢的影響[3-7]；水文情勢的研究開始只注重分析平均量，到分析極小、極大值，再發(fā)展到研究建立水文指標體系來全面分析水文情勢的過程[8]。其中，運用基于水文改變指標法(IHA)的變化范圍法(RVA)來研究生態(tài)水文情勢的改變，能夠有效地評估筑壩對河流生態(tài)水文情勢的影響，目前該法已廣泛應用于研究河流水文情勢評價[3]。

本研究根據湘江水文控制站點湘潭站1959-2016年歷史日均流量數據為研究對象，采用Mann-Kendall法[9,10]分析湘潭站流量趨勢變化，結合滑動T檢驗法[11]和累積距平法[12,13]確定長時間軸的水文突變年份，基于水文改變指標法(IHA)和變化范圍法(RVA)進行湘潭水文站在突變前后時間序列的水文改變程度評價，并基于IHA指標計算的結果分析湘江水文突變前后湘潭站整體水文情勢變化情況，對湘潭站的水文改變程度進行定量評價，以此為湘江流域水生態(tài)保護和區(qū)域水資源管理提供科學依據。

1 研究數據與方法

本次研究選取湘江控制性水文站湘潭站作為流域代表性水文站，基于1959-2016年湘潭水文站的日均流量觀測資料，運用滑動T檢驗法、累積距平法和Mann-Kendall法(M-K法)對日均流量數據進行趨勢性和突變性分析；這幾種方法作為比較常見的數學方法，本文就不做詳細介紹。

1.1 水文改變指標

RICHTER等[14]于1998年提出的水文改變指標(IHA)，該法包含33個水文參數，并依據水文情勢的5種基本特征劃分水文指標，綜合流量、時間、頻率、延時和改變率等方面評價河流水文狀態(tài)改變。鑒于在研究期間內湘潭水文站未出現過日流量為零的情況，故本研究不考慮零流量天數這一水文指標，調整后的IHA參數見表1。

表1 IHA流量參數Tab.1 Flow parameters of IHA

1.2 變化范圍法

變動范圍法(RVA)以水文改變指標法(IHA)為基礎建立構建，基于水文變異點前后河道的日均流量數據進行水文指標變化的程度評估，但評定水文指標受影響的標準要依據生態(tài)受影響的資料[3]。RICHTER等提出以各指標的平均值±δ(標準差)或者以頻率75%和25%作為各個指標的上下限作為RVA的目標[3]。若水文變異后受影響的流量記錄仍有大部分落在RVA目標內，則說明水文變異對河流有輕微影響，仍屬于自然流量的變化范圍內；若受影響的流量記錄落在RVA目標范圍以外占大部分，則表明水文變異給河流系統(tǒng)的生態(tài)系統(tǒng)帶來嚴重的負面影響[3, 15-17]。

1.3 水文改變度

RICHTER[15-18]等主張運用水文改變度來測算各指標的具體水文變異度，以此定量描述單個水文指標受影響后的變異程度，具體計算公式如下：

(1)

式中：Di表示第i個指標的水文變異程度；No,i表示變異后的徑流序列IHA值在25%～75%內的年數；Ne表示相應的期望年數(Ne=P×NT，P為50%，NT為變異后徑流序列的總年數)基于每個指標的變異程度Di，變異后序列總的水文變異程度D0計算公式如下：

(2)

運用RVA法，將湘江控制水文站湘潭站年均流量分為1959-1990年和1991-2016年兩個序列，并分別作為水文突變前后的序列；將32個IHA(水文指標法)分為5組，以均值± δ(標準差)作為上下限，進行水文情勢指標計算，進而評估水文突變點后湘潭站的整體水文情勢改變程度，具體計算過程見參考文獻[14,15, 19]。

2 結果與討論

2.1 湘江年均流量變化特征

2.1.1 年均流量趨勢性檢驗

圖1為湘潭水文站1959-2016年的年均流量結果，由圖可知湘江流域豐枯水年交替頻繁，具有較強波動性；在研究區(qū)間內除1963、1994、2002和2011年(1994和2002年為特大洪水年，1963和2011年為枯水年)年均流量出現較大波動外，年均流量總體呈上升趨勢。

Mann-Kendall趨勢檢驗分析結果表明，湘潭水文站1959-2016年多年平均流量的統(tǒng)計量均為1.194，有上升趨勢；因為其統(tǒng)計量小于1.64，所以湘潭站的上升趨勢未通過顯著性水平檢驗(90%)，上升趨勢不顯著。

圖1 湘江年均流量及趨勢線Fig.1 Annual average flow and trend line of Xiangjiang

2.1.2 年均流量突變性檢驗

運用Mann-Kendall檢驗、累計距平法以及滑動T檢驗法，對1959-2016年間湘潭水文控制站的年均流量序列進行突變年份檢驗，運用上述3種檢測方法綜合評判湘潭站理論突變年份，結果如表2所示。

表2 年均流量突變統(tǒng)計結果Tab.2 Statistical results of annual runoff variation

2.2 湘江流域水文突變前后水文改變度

本研究為了定量評估湘江流域流量的水文改變程度，綜合2.1.2部分的突變性檢驗分析結果，將湘潭站的歷年日流量數據劃分為兩個時段：①1991年以前湘潭站日流量水文過程是在自然狀態(tài)下基準流量序列；②1991-2016年湘潭站日流量過程作為水文突變后的流量改變序列。由自然態(tài)水位序列中的每個指標參數平均值±標準差或25%～75%區(qū)間范圍作為生態(tài)水文目標的上下限閥值，以此得到湘江流域水文突變前后兩個流量序列的多年月平均流量變化及其水文情勢目標的上下限。在此基礎上運用IHA和RVA法計算突變前后湘潭水文站的水文改變程度，計算結果如表3所示。

表3 湘江突變前后IHA指標統(tǒng)計表Tab 3 IHA index statistics table before and after abrupt change in Xiangjiang

由表3可知，湘潭站月均流量值水文改變度達到13%，呈低度改變；湘潭站年均最小值流量突變后比突變前均有不同程度的增加，而年均1、3、7 d最大值流量突變后比突變前均有不同程度的增加，只有年均30、90 d最大值呈現下降趨勢；其中湘潭站最小值流量變異度大部分均屬于中度改變，僅年均90 d最小值處于低度改變，最大值流量改變度也處于低度改變；突變后湘潭站年最小流量出現時間發(fā)生明顯變化，且年最大值流量出現時間變化較?。幌嫣墩咀钚×髁砍霈F時間波動幅度較大，其水文改變度高達100%；湘潭站除高脈沖次數增加外，其余的都減少了，其中高脈沖出現的次數變化最為明顯，改變度達到59%；湘潭站流量上升率增加，改變度為零，而下降率減少，逆轉次數較突變前卻增加。

2.2.1 月均值流量變化

圖2和圖3為湘江水文突變前后湘潭站月均值流量對比圖和月均值流量差圖。由圖可知，湘江流量發(fā)生突變后，湘潭站在6月-次年3月份月均值流量差有不同程度的增加，特別是在8月份的增加量達到約720 m3/s的最大值，造成這一現象的原因可能與水利設施在汛期排空庫容，使下泄流量增加有關；在4、5月份月均值流量差卻有不同程度的降低，并在4月份減少量達到最大值約500 m3/s，造成這一現象的原因可能與上游水庫蓄水發(fā)電，降低了河道下泄流量有關；同時，湘江流域的水庫“蓄洪補枯”也使得年內流量峰值的發(fā)生時間發(fā)生了推遲。種種現象均表明湘江流域的水文變異與水利工程的運行息息相關。

圖2 突變前后湘潭站月均值流量比較Fig.2 Comparison of monthly mean flow rate before and after sudden change

圖3 突變前后月均值流量差Fig.3 Monthly mean flow difference before and after the sudden change

2.2.2 年極值流量變化

圖4、5分別為湘潭站流量變化最顯著的最大、最小流量變化圖。由圖可知，湘潭站的年均3 d最小流量在水文突變的影響下呈明顯的上升趨勢，且絕大部分高于RVA閾值上限，這表示水文突變使得湘江年內枯水期流量增加；湘潭站年均最大7 d流量的波動范圍收緊，表示水文突變后的湘江高流量事件處于一個穩(wěn)定的范圍內，這與水庫“蓄洪補枯”導致的結果相吻合。

圖4 年均最小3 d流量變化Fig.4 The minimum 3 day annual flow changes in the annual average

圖5 年均最大7 d流量變化Fig.5 The maximum annual 7 day flow change

2.2.3 年極端流量發(fā)生時間

圖6為湘潭站最小流量出現時間變化圖。由圖6可知，湘潭站最小流量出現時間的均值在突變后發(fā)生了提前，并且最小流量出現時間的閾值范圍也有所收緊，比水文突變之前更為穩(wěn)定。自然流態(tài)下的河道最低流量出現時間根據氣候的變化具有不穩(wěn)定性，水文變異后的最小流量出現時間閾值范圍的收緊，顯示出水文變異維持了最小流量發(fā)生時間的穩(wěn)定性。

圖6 最小流量出現時間Fig.6 Minimum flow time

2.2.4 高低流量的頻率及歷時

圖7為湘潭站突變前后高脈沖次數曲線圖。由圖7可知，突變后湘潭站高脈沖次數整體減少，超出RVA下限的部分增多；突變后的湘江在一定程度上增加了高脈沖的發(fā)生次數，這將不利于汛期過度，而低脈沖次數以及歷時的變短也將使得流域旱季水量減少。

圖7 湘潭站突變前后高脈沖次數曲線Fig.7 High pulse frequency curve before and after abrupt change

2.2.5 流量變化改變率及頻率

圖8為突變前后湘潭站逆轉次數變化情況。由圖可知，湘潭站的下降率發(fā)生的水文改變度最為顯著，但均屬于低度改變；湘潭站的流量改變率和頻率變化較為微弱，這表明突變的過程對湘潭站下泄流量影響較小；流量變化改變率及頻率的增加或減少將給河流生物群落帶來一定的影響；由于生態(tài)系統(tǒng)對外界環(huán)境的變化的承載能力有限，河流生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定將受到流量的變化改變率及頻率的影響。

圖8 湘潭站突變前后逆轉次數變化Fig.8 Change of the reversing times before and after mutation

2.2.6 整體水文改變度分析

為探究湘江流域的水文突變對流域水系水文情勢所造成的影響，計算出湘潭站在突變前后32個水文指標絕對值的改變度，并繪制3等級的水文改變度，結果如圖9所示。由圖9可知，湘潭站32個水文指標大多屬于低度改變，其中僅流量年最小值出現時間的水文改變度達到100%；湘潭站的基流指數，流量年均1、3、7和30 d最小值，以及高、低脈沖次數和低脈沖歷時均屬于中度改變，其余都為低度改變；受突變的影響，湘潭站的流量在改變度等級統(tǒng)計中發(fā)生低度改變的水文指標所占的比例最高，占72%，發(fā)生中度改變所占的比例次之，占到25%，發(fā)生高度改變的占有率最少僅有3%；低度變化主導湘潭站的變化程度，結果表明湘江流量在整個突變前后的改變較小，并處于向良好的趨勢。

圖9 湘江水文改變度Fig.9 Hydrologic change degree of Xiangjiang

由表4可知，湘潭站僅第3組屬于高度改變，其他4組指標分別為中度和低度改變，究其原因在于流量年最小值出現時間的改變程度較大；從整體水文改變度而言，湘潭站的水文改變度處于中度改變。

表4 湘潭站流量序列整體水文改變度Tab.4 Overall hydrological change of discharge sequence

3 討 論

本文得出的研究結果與杜鵑等[20]和陳淑芳[21]對湘江流域的研究結果基本一致，認為湘江在1991年以后年均流量有增長趨勢，并且在汛期流量還有所增長。分析其原因與氣候變化和人類活動有關。其中氣候變化包括全球氣候變暖引起的溫室效應加劇，局部地區(qū)降雨量增加等。而人類活動則包括了像生產生活用水、水利工程建設、水土保持措施以及人為河道變遷等。雖然文中多次推測造成水文變異的因素與水利工程的建設運行有關，但并沒有給出具體的實驗數據予以證實，如要進一步研究導致水文變異的關鍵因素，仍需搜集大量資料進行水文模型的建立，希望在將來的研究中予以重視。此外，本研究僅對湘江湘潭水文站各項水文指標的改變程度進行分析，未深入研究造成各指標改變后對湘江河流生態(tài)系統(tǒng)的實際影響，總體上湘江水文情勢改變度為中度改變，部分水文指標改變較大，由于水文指標改變對河流生態(tài)系統(tǒng)產生影響，尤其是梯級電站工程修建導致了水文情勢改變，進而湘江魚類產卵場生境條件改變，對魚類產卵繁殖活動產生影響，此外洪水脈沖次數減少也對河岸帶濕地植被產生影響。在后續(xù)研究中，需深入研究河流水文情勢變化與水生動物和植物生境之間動態(tài)關系，定量水文情勢改變對河流水生生物的影響程度，為湘江河流生態(tài)保護和恢復提供參考。

4 結 論

以1959-2016年內湘江水文控制站湘潭站歷史日均流量數據為研究對象，綜合Mann-Kendall法、滑動T檢驗法、累積距平法，以及IHA法和RVA法評價湘江水文突變前后湘潭站整體水文情勢變化情況。結果表明，湘江流域年均流量呈增長趨勢，趨勢不明顯；水文情勢的突變年份出現在1991年；通過對湘江流域水文突變前后的水文指標分析，湘江整體水文改變度為36%，僅達到中度改變；其中，年最小流量的出現時間受影響最大，達到100%；總體來看，湘江水文情勢整體水文改變度較小，湘江河流生態(tài)系統(tǒng)總體處于良好狀況。

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