考慮IHA位置信息的水文情勢(shì)變化評(píng)估方法

葉云鵬，王龍飛

(1.滄州市人防指揮信息保障中心，河北 滄州 061001；2.黑龍江省水利科學(xué)研究院，黑龍江 哈爾濱 150080)

1 改進(jìn)的RVA評(píng)價(jià)方法

改進(jìn)的RVA方法包含以下3個(gè)部分：(1)利用原始的RVA方法計(jì)算頻次變化D。(2)利用一級(jí)連通度指數(shù)與Tanimoto相似度計(jì)算出各年份IHA指標(biāo)位置分布的改變度TS。(3)計(jì)算河流的整體改變度OA。

1.1 原始RVA法

利用突變前后各指標(biāo)落在25%～75%統(tǒng)計(jì)范圍內(nèi)的年數(shù)進(jìn)行頻次變化計(jì)算，第i個(gè)IHA指標(biāo)的頻次改變度Di的計(jì)算如式(1)[1]：

(1)

式中：Ni為變化后第i個(gè)指標(biāo)落于統(tǒng)計(jì)范圍內(nèi)的年數(shù)；Ne是落于統(tǒng)計(jì)范圍內(nèi)的期望年數(shù)。

河流水文情勢(shì)的整體頻率改變度D的計(jì)算如式(2)：

(2)

式中：n為選擇進(jìn)行評(píng)估的IHA指標(biāo)的數(shù)目，在本研究中選取32個(gè)指標(biāo)，因涇河流域在1961—2010年未發(fā)生斷流事件，故不考慮斷流天數(shù)的影響。

1.2 指標(biāo)位置分布相似度和改變度計(jì)算

本文引入一級(jí)連通度指數(shù)來(lái)對(duì)各指標(biāo)的位置信息進(jìn)行量化，利用Tanimoto相似度來(lái)評(píng)判變化的程度。

(1)一級(jí)連通度指數(shù)。一級(jí)連通度指數(shù)可以反映信息的連續(xù)情況，在道路交通及基因比對(duì)等方面已經(jīng)有廣泛應(yīng)用[2]。首先對(duì)IHA指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，按照河流生態(tài)承載力將各指標(biāo)劃分為3個(gè)范圍L1 =(p0，p25)，L2=(p25，p75)，L3=(p75，p100)。其次，統(tǒng)計(jì)各指標(biāo)落在L2范圍的情況，第t個(gè)年份的一級(jí)連通度指數(shù)計(jì)算如式(3)：

(3)

式中：Idt為各指標(biāo)在第t個(gè)年份的一級(jí)連通度指數(shù)；k為總年數(shù)，a；σj為同一范圍內(nèi)相鄰兩個(gè)位置之間的標(biāo)準(zhǔn)化位置積。

(2)Tanimoto相似度。Tanimoto相似度常被用于對(duì)比兩個(gè)基因序列的相似性，可以用來(lái)對(duì)比數(shù)列中元素位置的相似性。對(duì)于參與比較的2m年數(shù)據(jù)(變化前及變化后各有m年)，變化前與變化后兩個(gè)序列T1、T2的Tanimoto相似度TS1，2計(jì)算如式(4)[3]：

(4)

TS的值在0～1之間分布，數(shù)值越大表示兩個(gè)序列越相似。

河流水文情勢(shì)的整體IHA分布情況改變TA計(jì)算如式(5)：

(5)

式中：m為變化前或變化后參與比較的年數(shù)；TSi為變化前第i年與變化后第i年IHA指標(biāo)分布的變化度。

1.3 河流水文情勢(shì)整體改變度及等級(jí)評(píng)估

河流水文情勢(shì)整體改變度計(jì)算應(yīng)當(dāng)同時(shí)考慮IHA指標(biāo)的頻次變化與IHA指標(biāo)分布情況的變化。定義整體改變度計(jì)算如式(6)：

OA=1-(1-D)(1-TA)

(6)

利用單個(gè)指標(biāo)或整體改變度的數(shù)值能夠確定水文情勢(shì)改變的等級(jí)：改變度在0～0.33定義為無(wú)改變或低度改變；在0.33～0.67定義為中度改變；在0.67～1.00定義為重度改變。

2 研究區(qū)及資料情況

涇河屬于黃河流域渭河水系的一級(jí)河流，發(fā)源于寧夏回族自治區(qū)涇源縣，流經(jīng)寧、甘、陜3省31縣市，全長(zhǎng)455.1 km，總落差2180 m，流域控制面積45 421 km2。氣候?yàn)榈湫偷臏貛Т箨懶詺夂颍嗄昶骄邓繛?50～650 mm。降水主要集中在夏秋季的7—9月份，占全年降水總量的72%～86%，且期間多發(fā)強(qiáng)度較大的暴雨，最大1 d和3 d的降水可占年降水量的9.2%和30.5%；春季和冬季降水稀少。涇河流域的生態(tài)系統(tǒng)較為脆弱，水土流失、水資源短缺、植被涵養(yǎng)能力差等問(wèn)題嚴(yán)重威脅流域生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。因此，正確評(píng)估涇河的水文情勢(shì)變化對(duì)區(qū)域生態(tài)健康具有舉足輕重的意義[4]。涇河流域概況如圖1所示。

圖1 涇河流域概況

本文選取了1961—2010年涇河流域張家山水文站的逐日實(shí)測(cè)平均流量進(jìn)行分析，資料均來(lái)源于涇渭河流域水文年鑒。

3 結(jié)果及討論

3.1 徑流突變點(diǎn)檢驗(yàn)

突變分析方法選取累積距平法[5]，計(jì)算結(jié)果如圖2(a)所示。涇河徑流在1986年前后發(fā)生了顯著跳躍，顯著性檢驗(yàn)值為|T|>T(0.05/2)。因此，選取1961年～1985年數(shù)據(jù)作突變前序列，1986—2010年作為突變后序列，突變前后徑流情況如圖2(b)。

圖2 涇河流域1961—2010年徑流突變分析

3.2 原始RVA結(jié)果分析

原始RVA結(jié)果如表1所示，從表中可以看出該流域的月徑流量均有明顯地減少，其中9—11月的減少程度最大。在第二組的IHA指標(biāo)中，最小流量有較大程度的改變，最高改變量可達(dá)-78.1%，而最大流量相對(duì)改變幅度小一點(diǎn)，這說(shuō)明該流域的生態(tài)流量的維持正遭受?chē)?yán)峻考驗(yàn)。在突變后年最小值的時(shí)間提前了12 d，年最大值出現(xiàn)時(shí)間推遲了2 d。相應(yīng)的，年低流量發(fā)生次數(shù)增多了60%，但平均延時(shí)沒(méi)有顯著變化，高流量次數(shù)減少了25%，延時(shí)減少16.7%，說(shuō)明該流域流量整體出現(xiàn)減少的情況。第五組指標(biāo)流量漲落水率改變幅度不高，但逆轉(zhuǎn)次數(shù)增加了26%。整體而言，IHA指標(biāo)大多呈減少趨勢(shì)，且多數(shù)指標(biāo)減少幅度大，說(shuō)明該流域水文生態(tài)狀況改變明顯。通過(guò)傳統(tǒng)RVA評(píng)估，有3個(gè)指標(biāo)達(dá)到重度改變，16個(gè)指標(biāo)為中度改變，13個(gè)指標(biāo)為低度改變。

表1 IHA指標(biāo)統(tǒng)計(jì)及原始RVA結(jié)果

3.3 位置分布改變情況及整體變化度評(píng)估

為了直觀描述連通度，將突變前、后的指標(biāo)分布通過(guò)熱力圖畫(huà)出，結(jié)果見(jiàn)圖3。不同的分區(qū)(L1，L2，L3)被分別標(biāo)上了不同的顏色，黑色代表指標(biāo)在L2區(qū)域。由此可見(jiàn)，連通度即為落在L2區(qū)域指標(biāo)的聯(lián)通程度，因此可作為指標(biāo)分布情況的一種表征。從圖3可看出，突變前后指標(biāo)連通度變化非常明顯，尤其是在突變后的后半時(shí)期，分布在L2區(qū)域的指標(biāo)多集中在后面幾個(gè)指標(biāo)。因此，即使是突變前、后落在L2區(qū)域的指標(biāo)數(shù)目相同，但是其指標(biāo)分布也有可能是不同的，例如1972年與2004年落在L2區(qū)域的指標(biāo)數(shù)均是9個(gè)(三角所指列)，在這種情況下原始RVA計(jì)算結(jié)果為無(wú)變化，但從圖中可看出，1972年前6個(gè)月的流量指標(biāo)有5個(gè)處于L2區(qū)域，但2004年前6個(gè)月的流量指標(biāo)僅有1個(gè)處于L2區(qū)域，這種差異明顯對(duì)生態(tài)造成的影響不同。

圖3 突變前后指標(biāo)分布熱力圖

對(duì)各年份IHA指標(biāo)的位置變化及涇河水文情勢(shì)整體改變度進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如表2所示。僅從各范圍的統(tǒng)計(jì)來(lái)看，多數(shù)指標(biāo)落入的范圍發(fā)生了改變，整體呈現(xiàn)向L1區(qū)域遷移的趨勢(shì)，這與徑流突變后水量降低有關(guān)。尤其是1995年以后，原屬于L2區(qū)域的指標(biāo)整體向L1區(qū)域遷移，說(shuō)明1995年前后可能是一個(gè)潛在的突變點(diǎn)，河流的水文情勢(shì)也發(fā)生了改變。采用傳統(tǒng)RVA法計(jì)算的水文情勢(shì)改變度為0.36，改變等級(jí)屬于中度改變；利用Tanimoto相似度計(jì)算的IHA指標(biāo)分布情況的改變度為0.30，屬于低度改變；這說(shuō)明相較于徑流各種特征發(fā)生變化的差異而言，各指標(biāo)內(nèi)部的量級(jí)變化是主導(dǎo)水文情勢(shì)改變的因素。經(jīng)過(guò)整體水文情勢(shì)的評(píng)估，涇河流域水文情勢(shì)的整體改變度為0.56，改變等級(jí)仍屬于中度改變，盡管等級(jí)未發(fā)生改變，但可以看出原始RVA方法對(duì)河流水文情勢(shì)的改變存在低估。

表2 突變前、后指標(biāo)變化情況統(tǒng)計(jì)及水文情勢(shì)改變度

3.4 評(píng)價(jià)結(jié)果合理性分析

為進(jìn)一步驗(yàn)證本方法的合理性，采用突變后徑流資料前后年份交換的方法假設(shè)了12種情景。在第一個(gè)情景中，第1和第25年數(shù)據(jù)發(fā)生交換，即1986年的徑流過(guò)程和2010年的徑流過(guò)程進(jìn)行對(duì)調(diào)。第2個(gè)情景是交換第1年與第25年以及第2年與第24年，依此類(lèi)推。對(duì)各種情景下原始RVA與考慮IHA指標(biāo)分布的改進(jìn)RVA法的表現(xiàn)進(jìn)行分析，結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖4 不同假設(shè)情境下原始RVA與改進(jìn)RVA結(jié)果對(duì)比

由圖4可見(jiàn)，原始RVA未考慮IHA指標(biāo)的位置變化，所以取值未發(fā)生變化。而考慮IHA指標(biāo)分布變化的改進(jìn)RVA法在每種不同情景下均有或多或少的變化，能夠有效地對(duì)不同變化情況的水文情勢(shì)變化度進(jìn)行區(qū)分。

4 結(jié) 論

(1)涇河流域1961—2010年的徑流在1986年左右發(fā)生突變，且在1996年左右存在潛在的突變點(diǎn)。

(2)原始RVA法未考慮突變前后IHA位置的變化，對(duì)河流水文情勢(shì)改變度有所低估，本文提出的方法有效地解決了該問(wèn)題。

(3)涇河近50年水文情勢(shì)發(fā)生了中等程度的改變，頻次改變度為0.36，IHA指標(biāo)分布情況改變度為0.30，整體改變度為0.56，亟須生態(tài)保護(hù)。

對(duì)不同的河流，造成其水文情勢(shì)改變的因素不同，未來(lái)可利用本方法對(duì)其他河流進(jìn)行評(píng)估。