改進(jìn)IHA法的應(yīng)用研究

陳偉東，包為民,2(.河海大學(xué)水文水資源學(xué)院，南京 20098；2. 河海大學(xué)水安全與水科學(xué)協(xié)同創(chuàng)新中心，南京 20098)

0 引 言

水流是水生環(huán)境的主要決定因素，水流的改變會(huì)在不同程度上改變生物棲息地條件，從而影響生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)[1]。人類的水資源開發(fā)利用活動(dòng)，如修建大壩、跨流域調(diào)水等工程會(huì)改變河流的天然徑流過程，對(duì)河流生態(tài)系統(tǒng)健康產(chǎn)生重要影響[2,3]。Brian D Richter等[4]于1996年提出了IHA法(Indicator of Hydrologic Alteration，水文變更指標(biāo)法)用于評(píng)價(jià)水利工程對(duì)河川徑流過程的影響，并可根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果建立河流的生態(tài)流量管理模式[5]。陳啟慧等[6]將該方法用于評(píng)價(jià)葛洲壩對(duì)長江徑流過程的影響，效果良好；陳偉東等[7]采用IHA法分析了錦江水庫對(duì)下游徑流過程的影響。文獻(xiàn)[7]在錦江流域的研究過程中，以1994年為分界點(diǎn)，將1958-2009年的52 a水文序列劃分為干擾前時(shí)期為1958-1993年期間的36 a、干擾后的時(shí)期為1994-2009 期間的16 a。工程前后資料年份相差較大情況下，直接用IHA法評(píng)價(jià)水利工程對(duì)徑流的影響存在一定的不合理性。故此，本文在IHA法的基礎(chǔ)上，引入控制變量思想對(duì)IHA法加以改進(jìn)，將工程前36 a資料進(jìn)行篩選，以期所得評(píng)價(jià)結(jié)果更為科學(xué)有效。

1 研究區(qū)域概況及分析方法

1.1 研究流域概況

錦江屬珠江流域北江水系，是北江上游主源湞江的一級(jí)支流，發(fā)源于江西省崇義縣竹洞，流經(jīng)仁化縣的長江、雙合水、恩口、仁化縣城等地區(qū)，最后于芒壩江口匯入湞江[8]。錦江水庫(圖1)建于錦江中游段，壩址位于廣東省韶關(guān)市仁化縣境內(nèi)，于1990年6月1日開始施工，在1993年8月一號(hào)機(jī)組并網(wǎng)發(fā)電，同年12月30日二號(hào)機(jī)組并網(wǎng)發(fā)電。錦江水庫總庫容1.89 億m3，興利庫容0.68 億m3，調(diào)洪庫容0.45 億m3，屬于季調(diào)節(jié)型水庫。作為仁化縣最大的水利工程，錦江水庫是以防洪、發(fā)電為主，兼顧旅游、供水、養(yǎng)殖等多種效益的大(二)型水庫[9]。本文選用錦江流域中長江、扶溪、城口、五渡村、厚坑、仁化、石塘等7個(gè)雨量(水文)站1958-2009年的降水資料，以滑動(dòng)平均法篩選出適合改進(jìn)IHA法使用的年份。

圖1 錦江流域水系及站網(wǎng)分布Fig.1 River system and station distribution of Jinjiang Basin

1.2 滑動(dòng)平均法

對(duì)序列x1，x2，…，xn的幾個(gè)前期值和后期值取平均，求出新的序列yt，使原序列光滑化，這就是滑動(dòng)平均法[10]。數(shù)學(xué)式表示為：

(1)

式中：yt為新序列；k為滑動(dòng)平均尺度；xt+i為參與此次生成新序列的舊序列值。

當(dāng)k=2時(shí)為5點(diǎn)滑動(dòng)平均。若x有趨勢性，選擇合適的k，yt即可將此趨勢清晰地展示出來?；瑒?dòng)平均法因其簡單、直觀而在水文學(xué)中得到了廣泛的應(yīng)用[11]。

1.3 IHA法

依據(jù)所測的每日河流水文資料，IHA法可算得表征生態(tài)環(huán)境含義的32個(gè)特征參數(shù)值，再計(jì)算它們工程前后的多年平均值以及年際間的變異系數(shù)，則可評(píng)價(jià)工程對(duì)河流水文情勢的干擾。如表1所示，32個(gè)IHA參數(shù)可分為5組，可反映數(shù)量大小、發(fā)生時(shí)間、持續(xù)時(shí)間、頻率以及變化率等水文特征。

表1 IHA法的水文參數(shù)及其特征Tab.1 Summary of hydrological parameters used in the Indicators of Hydrologic Alteration, and their characteristics

1.4 改進(jìn)的IHA法

Brian D Richter等提出的IHA法，對(duì)于工程前后兩個(gè)時(shí)段內(nèi)徑流的資料不進(jìn)行處理，直接將全部的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比評(píng)價(jià)。若工程前后資料年份相差較大，所得評(píng)價(jià)結(jié)果可能不夠嚴(yán)謹(jǐn)。所以，針對(duì)工程前后資料年份相差較大或者資料不足等情況，有必要先對(duì)資料作一個(gè)預(yù)處理。在此處，可引入物理中控制變量的思想，如圖2(a)所示，因素1和因素2導(dǎo)致了結(jié)果，為研究因素2對(duì)結(jié)果的影響，那么需要控制因素1。徑流的關(guān)鍵因素是降水，且年降水量受水庫的影響不像徑流那樣大，所以可控制降水這一變量來研究水庫對(duì)下游徑流的影響。以錦江流域?yàn)槔?，通過流域1958-2009的降水資料來篩選出工程前后年降水量相似度最高的兩個(gè)時(shí)間段，并以此作為改進(jìn)IHA法所需要的研究年份，其具體操作步驟如下：

(1)用滑動(dòng)平均法處理1958-2009年的年降水資料，并作圖。

(2)以流域內(nèi)1994-2009年降水量周期、多年平均降水量、年降水量趨勢線作為評(píng)選指標(biāo)，在1958-1993年中找出年降水量與之最為相近的年份。

(3)采用IHA法計(jì)算新選取的兩個(gè)時(shí)段的數(shù)據(jù)，并加以分析。

圖2 控制變量示意圖Fig.2 Diagram of controlled variable

2 結(jié)果與討論

2.1 IHA法直接計(jì)算結(jié)果

選取錦江水庫壩下的仁化站1958-2009年的日平均流量資料(以1994年為分界)，直接采用IHA法計(jì)算錦江水庫修建前后仁化站流量的特征值， 結(jié)果如表2所示。直接IHA法所做的錦江水庫對(duì)下游徑流影響的分析討論可參考文獻(xiàn)[7]，本文主要研究改進(jìn)的IHA法與IHA法的差異，故表2中的結(jié)果在此處不再作單獨(dú)討論。

表2 仁化站IHA法直接計(jì)算結(jié)果Tab.2 The result of IHA at RenHua station

2.2 由降水確定改進(jìn)IHA法的研究時(shí)間段

錦江水庫對(duì)下游徑流產(chǎn)生影響的年份是1994-2009年，共16 a的徑流資料，未受影響的年份是1958-1993年，共36 a的徑流資料。為IHA法的評(píng)價(jià)結(jié)果更為科學(xué)合理，需要在1958-1993年中挑選出自然情況下與1994-2009年徑流情況最為相似的年份。錦江流域長江、扶溪、城口、五渡村、厚坑、仁化、石塘等7個(gè)雨量站的算術(shù)平均值作為整個(gè)流域的降水, 將其按年份順序繪制成圖并采用滑動(dòng)平均法添加5 a滑動(dòng)平均的趨勢線，如圖3所示。由5 a滑動(dòng)平均趨勢線可看出錦江流域的年降水量存在著周期性。錦江流域1994-2009年間的多年平均降水量為1 708 mm，以16 a為一個(gè)時(shí)期，計(jì)算1958-1993年逐個(gè)時(shí)期的多年平均降水量，結(jié)果見圖4。由圖4可知，與1994-2009年多年平均降水量1 708 mm最為接近的3個(gè)時(shí)期分別是1968-1983年(1 686 mm)、1970-1985年(1 671 mm)、1972-1987年(1 667 mm)。將此3個(gè)時(shí)期與1994-2009年各自的年降水量線性趨勢線及其公式繪制在圖5。圖5表明工程前3個(gè)時(shí)期中1972-1987年的年降水量趨勢與工程后的降水趨勢最相似。同時(shí)參考圖3中的5 a滑動(dòng)平均年降水量趨勢線，可知1972-1987年的年降水量情況與水庫運(yùn)營影響后的1993～2009年的年降水量最為相近。

圖3 錦江流域年降水趨勢變化圖Fig.3 Annual precipitation Tendency of Jinjiang basin

圖4 多年平均降水量Fig.4 Annual mean precipitation

圖5 4個(gè)時(shí)期各自降水趨勢線Fig.5 Trend line of precipitation in four period

2.3 改進(jìn)IHA法計(jì)算結(jié)果

由流域年降水量確定了工程前后仁化站徑流資料的使用年份,采用IHA法進(jìn)行計(jì)算,結(jié)果見表3。將表2與表3中第一組參數(shù)的平均值偏離量繪制成圖6，其中:

偏離量(%)=[(P建庫后-P建庫前)/P建庫前]×100%

式中：P為IHA法參數(shù)值。

圖6 兩種IHA法平均值偏差比較圖Fig.6 Comparison chart of two kinds of IHA method of average deviation

由圖6可知，改進(jìn)IHA法的分析結(jié)果與原IHA法有一定差異，尤其是在主汛期的幾個(gè)月更加突出，3、4、5月份的偏差結(jié)果反映出錦江水庫的調(diào)蓄水效用明顯。改進(jìn)IHA法中所用的工程前后降水?dāng)?shù)據(jù)較為接近，且考慮到水庫實(shí)際調(diào)蓄水情況，本文認(rèn)為改進(jìn)IHA法所得月平均徑流偏離結(jié)果更具合理性。變異系數(shù)CV可以反映出參數(shù)的年際變化程度，圖7則顯示了兩種IHA法變異系數(shù)偏差的對(duì)比情況。由圖7，改進(jìn)IHA法計(jì)算結(jié)果表明建庫后仁化站1月月徑流量年際變化減小，而8、9和12月的年際變化大幅增加。

圖7 兩種方法變異系數(shù)偏差比較圖Fig.7 Comparison chart of two kinds of IHA method about CV

表3中第二組最大1 d平均流量要比表2中的大，在年徑流總量相似的情況下，前者的數(shù)據(jù)更能反映出水利工程帶來的影響。改進(jìn)IHA法最大1 d平均流量建庫前的變異系數(shù)是0.42，IHA法建庫前的變異系數(shù)是0.47，而建庫后均為0.65，表明峰量大小的年際變化增大，也側(cè)面體現(xiàn)了建庫后水庫的削峰作用。結(jié)合第三組中的年最大1 d平均徑流發(fā)生時(shí)間，由于水庫的攔蓄作用，最大1 d平均徑流的發(fā)生時(shí)間延后了近30 d。這在很大程度上改變了下游的徑流過程。對(duì)于某些需要借助高流量進(jìn)行繁衍的生物，比如洄游的魚類來說，這種改變是致命的,故此區(qū)域的生物則可能需要較長時(shí)間來適應(yīng)這種環(huán)境變化。

因?yàn)檫x用的工程前徑流年份不同，所以改進(jìn)IHA法在計(jì)算第四組參數(shù)高流量及低流量的頻率和持續(xù)時(shí)間的高低脈沖閾值要重新計(jì)算，結(jié)果見表4。改進(jìn)IHA法高流量脈沖發(fā)生次數(shù)的平均值偏離量比IHA法的平均值偏離量絕對(duì)值大9.2%,而兩者的高流量脈沖平均歷時(shí)平均值偏差結(jié)果差值達(dá)41.75%。改進(jìn)IHA法低流量脈沖發(fā)生次數(shù)的平均值偏離量比IHA法高11.4%，兩者的平均歷時(shí)平均值偏離量相差不大。改進(jìn)IHA法高流量脈沖發(fā)生次數(shù)的變異系數(shù)比IHA法的結(jié)果高20.7%，而其他3個(gè)參數(shù)的變異系數(shù)平均偏差的絕對(duì)值比IHA法都要大，表明改進(jìn)IHA法得到的結(jié)果顯示出錦江水庫對(duì)下游徑流年際變化的影響要更劇烈。兩種方法均顯示了建庫后年高流量脈沖發(fā)生次數(shù)年際變化加大了，年低流量脈沖發(fā)生次數(shù)年際變化減小了，且高低脈沖平均歷時(shí)的年際變化都減小了。第五組上漲率年平均值參數(shù)，兩種IHA計(jì)算方法結(jié)果相近，表明建庫后水流上漲速度得到有效控制。IHA法中下降率年平均值建庫前后偏離量是3.68%，改進(jìn)IHA法偏離量是-4.48%，考慮水庫的調(diào)蓄水作用使得徑流過程偏于平穩(wěn)，本文認(rèn)為后者更為符合實(shí)際情況。通過以上討論分析，在工程前后有一方數(shù)據(jù)不足時(shí)，尤其是當(dāng)工程后的年份遠(yuǎn)少于工程前的情況，改進(jìn)IHA法篩選出更加合理的年份來評(píng)價(jià)是有必要的。

表3 仁化站改進(jìn)IHA法計(jì)算結(jié)果Tab.3 The result of improved IHA at RenHua station

表4 高低脈沖閾值 m3/sTab.4 Threshold value of high and low pulses in group four

3 結(jié) 語

本文采用IHA法計(jì)算了錦江水庫壩下仁化站1958-2009年的日平均徑流資料的特征值，在此基礎(chǔ)上引入控制變量思想提出了改進(jìn)的IHA法：采用滑動(dòng)平均法處理錦江流域1958-2009年的年降水資料，再以1994-2009年降水量周期、多年平均降水量、年降水量趨勢線作為評(píng)選指標(biāo)，找出降水量與之最為相近的1972-1987年，最后將仁化站1972-1987年與1994-2009年的徑流采用IHA法進(jìn)行計(jì)算分析?？紤]到水庫的調(diào)蓄作用，改進(jìn)IHA法的評(píng)價(jià)結(jié)果比原IHA法更貼合實(shí)際，更為合理、準(zhǔn)確地反映了錦江水庫對(duì)下游水文情勢的影響。改進(jìn)IHA法的評(píng)價(jià)結(jié)果更適用于科學(xué)有效地指導(dǎo)恢復(fù)河流生態(tài)系統(tǒng)。

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