渭河中下游水文變異點(diǎn)識(shí)別及生態(tài)保障流量計(jì)算

辛琛，尚瀟瑛，劉俊，曲艷

（1.陜西省江河水庫管理局，陜西西安710018；2.陜西省河流工程技術(shù)研究中心，陜西西安710018）

渭河中下游水文變異點(diǎn)識(shí)別及生態(tài)保障流量計(jì)算

辛琛1，尚瀟瑛2，劉俊2，曲艷2

（1.陜西省江河水庫管理局，陜西西安710018；2.陜西省河流工程技術(shù)研究中心，陜西西安710018）

針對水文變異引發(fā)的基于水文統(tǒng)計(jì)學(xué)的生態(tài)保障流量分析方法在實(shí)踐應(yīng)用上存在的問題，提出通過水文變異點(diǎn)分析找出受環(huán)境變化影響的轉(zhuǎn)折年，以該年份之前的水文序列計(jì)算生態(tài)系統(tǒng)需要的保障流量的思路，可有效避免因水文變異而導(dǎo)致的水文統(tǒng)計(jì)學(xué)方法失效問題。以渭河中下游為例，通過累積曲線法和Mann-Kendall（M-K）檢驗(yàn)法對渭河干支流7個(gè)關(guān)鍵控制斷面進(jìn)行水文變異點(diǎn)識(shí)別，并以此為基礎(chǔ)，應(yīng)用改進(jìn)Tennant法計(jì)算渭河中下游各控制斷面的生態(tài)低限流量與適宜生態(tài)流量。該成果可作為渭河開展流域綜合治理和生態(tài)保護(hù)的參考數(shù)據(jù)。

水文變異；生態(tài)保障流量；Mann-Kendall法；Tennant法；渭河

0 引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和國民環(huán)保意識(shí)的提高，人們逐漸認(rèn)識(shí)到，對支撐渭河流域社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，保護(hù)渭河水環(huán)境來說，保證一定的河道生態(tài)水量是至關(guān)重要的[1]。然而由于受氣候變化和人類活動(dòng)的影響，很多河流的水文序列都發(fā)生不同程度的變異，徑流資料的一致性難以保障，這也使得很多基于水文統(tǒng)計(jì)學(xué)的生態(tài)保障流量分析方法在實(shí)踐應(yīng)用上需要改進(jìn)[2]。因此，很多學(xué)者提出通過還原徑流過程來解決生態(tài)保障流量推求方法的局限問題?？捎捎趯θ祟惢顒?dòng)的干擾無法準(zhǔn)確測量或資料缺失，這種影響很難定量計(jì)算，這種思路在實(shí)施過程中非常困難。且眾所周知，在人類的擾動(dòng)下水文過程發(fā)生著趨勢性的演變，而非原來的隨機(jī)過程序列，通過還原方法計(jì)算得到的徑流序列來推求生態(tài)徑流，事實(shí)上存在偏大且在實(shí)踐操作中很難保證的問題，進(jìn)而使確定的生態(tài)保障目標(biāo)缺乏實(shí)踐指導(dǎo)意義。因此，針對水文序列變異這一問題，筆者認(rèn)為可通過變異點(diǎn)識(shí)別方法，確定變異點(diǎn)位置，并以變異前和變異后的水文序列為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，計(jì)算不同變異條件下的河流生態(tài)流量。

國際學(xué)術(shù)界在涉及生態(tài)保障流量的計(jì)算中，通常進(jìn)行如下假設(shè)：在相當(dāng)長的一段時(shí)期內(nèi)，流域生態(tài)系統(tǒng)適應(yīng)于當(dāng)前的水文過程，并能通過當(dāng)前的水文過程滿足其生態(tài)要求[1]。結(jié)合水文變異，可得出如下推論：河流生態(tài)系統(tǒng)在相當(dāng)長的時(shí)期內(nèi)，已適應(yīng)了變異前的水文狀態(tài)，當(dāng)水文變異發(fā)生后，差異性的水文變化會(huì)顯著影響河流中的水生和河岸物種。由于流量變化是河流生態(tài)系統(tǒng)的限制性因素，對于河流健康起著十分重要的作用，因此可粗略地認(rèn)為河流水文變異點(diǎn)具有與河流生態(tài)變異同步的特點(diǎn)，即水文變異的時(shí)間點(diǎn)也可看作河流的生態(tài)變異點(diǎn)，故計(jì)算河流生態(tài)保障流量時(shí)，只考慮變異點(diǎn)前水文序列，即可反映出生態(tài)變異點(diǎn)前的水文需求，這對緩解由于環(huán)境變化導(dǎo)致的水文變異對生態(tài)系統(tǒng)的破壞是十分有益的。

渭河集災(zāi)害性洪水頻發(fā)、泥沙淤積和懸河、水資源短缺、生態(tài)環(huán)境惡化等諸多典型問題于一身。由于氣候因素、人為因素、下墊面條件交叉影響，使渭河干支流的水文水力聯(lián)系錯(cuò)綜復(fù)雜，是一個(gè)高強(qiáng)度人類干擾下的復(fù)雜河流，給渭河治理和管理帶來了極大的困擾[3]。識(shí)別渭河干支流主要控制站的水文變異點(diǎn)，通過水文變異點(diǎn)分析找出受環(huán)境變化影響的轉(zhuǎn)折年，以該年份之前的水文序列作為未變異前生態(tài)系統(tǒng)需要的保障流量的計(jì)算數(shù)據(jù)，可有效避免因水文變異而導(dǎo)致的水文統(tǒng)計(jì)學(xué)方法失效問題。

1 數(shù)據(jù)選取

本次研究選取渭河干流林家村（1935~2010年）、魏家堡（1950~2010年）、咸陽（1934~2010年）、臨潼（1961~2010年）、華縣（1959~2010年）以及主要支流涇河張家山（1955~2010年）、北洛河狀頭（1934~2010年）站控制斷面的長系列實(shí)測流量序列為研究數(shù)據(jù)，分別運(yùn)用累積曲線法和Mann-Kendall（M-K）檢驗(yàn)法對其進(jìn)行水文變異點(diǎn)識(shí)別。變異點(diǎn)識(shí)別前需要先將數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化（normalization）處理，再利用標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。通過對七個(gè)水文站的長系列實(shí)測徑流資料進(jìn)行計(jì)算分析，可獲得渭河及其主要支流長系列年平均流量的變異點(diǎn)結(jié)果，為各主要控制斷面的生態(tài)保障流量計(jì)算提供基礎(chǔ)。

2 研究方法

2.1 水文變異點(diǎn)識(shí)別方法

水文變異點(diǎn)分析的方法較多，常見的有累積曲線法、R/S分析法、軼和檢驗(yàn)法、t檢驗(yàn)法、F檢驗(yàn)法、Mann-Kendall（M-K）檢驗(yàn)法、有序聚類分析法等[2]。本次研究采用累積曲線法進(jìn)行變異點(diǎn)識(shí)別，并運(yùn)用M-K檢驗(yàn)法對結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn)，綜合它們的檢驗(yàn)結(jié)果，結(jié)合渭河中下游的實(shí)際情況，確定可能的變異點(diǎn)。

（1）累積曲線法：時(shí)間序列累積值相關(guān)。

（2）Mann-Kendall法：用于趨勢檢驗(yàn)的Mann-kendall方法也可用于變異點(diǎn)的檢驗(yàn)分析中。由于其不需要遵從一定的分布，且不受少數(shù)異常值的干擾，結(jié)構(gòu)簡單，計(jì)算方便，在水文變異點(diǎn)的識(shí)別中較為常用[2]。

假設(shè)（X1，…，Xn）為時(shí)間序列變量，n為時(shí)間序列的長度，當(dāng)用M-K法來檢驗(yàn)水文變異時(shí)，其統(tǒng)計(jì)量S為Xj>Xi（1≤i≤j）的樣本累積數(shù)，即：

定義統(tǒng)計(jì)量：

計(jì)算得出UFτ，給定顯著水平α，查出臨界值Uα，若│UFτ│＞Uα，則系列存在明顯的趨勢；同理以逆序列1Xn，Xn-1，…，X1姨，重復(fù)以上過程，令UBτ=-UFτ1τ=n，n-1…，1τ，繪制UFτ和UBτ曲線圖，若UFτ或UBτ值大于0，則序列有上升趨勢，反之則下降；若UFτ和UBτ曲線相交且交點(diǎn)在臨界線之間(α=0.05，±1.96直線)，則交點(diǎn)對應(yīng)的時(shí)刻即為變異開始的時(shí)間。

2.2 生態(tài)低限流量與生態(tài)適宜流量計(jì)算

根據(jù)河流基本生態(tài)需水的定義，維持河流基本生態(tài)環(huán)境功能不受破壞，就是要求年內(nèi)各時(shí)段的徑流量都能維持在一定水平上，不出現(xiàn)斷流等可能導(dǎo)致河流生態(tài)環(huán)境功能破壞的現(xiàn)象。生態(tài)基流量的確定在國內(nèi)有大量的研究，也提出了水文學(xué)、水力學(xué)等很多計(jì)算方法[1]，但由于渭河中下游河道屬于寬淺型河道，且下游段泥沙淤積較為嚴(yán)重，河道變化極不穩(wěn)定，每隔幾年，河道斷面形狀會(huì)發(fā)生改變，濕周法和R2CROSS法計(jì)算該類河流生態(tài)流量具有明顯的缺陷。而棲息地偏愛法和整體分析法由于缺乏長期、完整的生物監(jiān)測數(shù)據(jù)，應(yīng)用于該類河流系統(tǒng)也存在資料難以獲取的缺點(diǎn)。因此，水文學(xué)方法稱為渭河生態(tài)保障流量計(jì)算的主要方法。本文采用Tennant法計(jì)算渭河關(guān)中段各河段的生態(tài)低限流量與適宜生態(tài)流量[4]。

Tennant法也叫Montana法，是美國目前使用的確定河道生態(tài)環(huán)境用水量的一種方法，具有簡單易行，便于操作的特點(diǎn)。Tennant方法是在分析歷史徑流記錄的基礎(chǔ)上，取天然流量的百分比作為河流生態(tài)基礎(chǔ)流量。用公式表示如下：

其中，Wb為河道生態(tài)基礎(chǔ)流量（m3）；Qi為一年內(nèi)第i個(gè)月多年平均流量（m3）；Zi為對應(yīng)第i月份的推薦基流百分比（%）。其中，Zi分為8個(gè)等級，推薦的基流量分為汛期和非汛期，推薦值以占徑流量的百分比作為標(biāo)準(zhǔn)。

研究表明，一般選取多年平均流量的10%作為河道生態(tài)低限流量，而多年平均流量的30%，能為大多數(shù)水生生物提供了較好的棲息條件，作為適宜生態(tài)流量?？紤]到渭河徑流量及流量過程的年內(nèi)季節(jié)變化與年際豐枯交替變化特性，本文采用改進(jìn)的Tennant法對渭河流域生態(tài)低限流量和生態(tài)適宜流量進(jìn)行計(jì)算，即利用流量系列中位數(shù)替代Tennant法中流量系列的均值，以此消除算數(shù)平均數(shù)受個(gè)別極端流量值的影響[4]。

圖1林家村（合）站徑流序列累積曲線圖(a)與UF-UB曲線圖

圖2魏家堡站徑流序列累積曲線圖(a)與UF-UB曲線圖

3 研究結(jié)果

3.1 水文變異點(diǎn)識(shí)別結(jié)果

應(yīng)用累計(jì)曲線法和M-K檢驗(yàn)法分別對7個(gè)水文站點(diǎn)的實(shí)測徑流資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到水文變異點(diǎn)的分析結(jié)果如下：

圖3咸陽站徑流序列累積曲線圖(a)與UF-UB曲線圖

圖4臨潼站徑流序列累積曲線圖(a)與UF-UB曲線圖

圖5華縣站徑流序列累積曲線圖(a)與UF-UB曲線圖

圖6張家山站徑流序列累積曲線圖(a)與UF-UB曲線圖

圖1~7(a)顯示了通過累積曲線法獲得的林家村等7個(gè)水文站可能的變異區(qū)域，又根據(jù)圖1~7(b)UF-UB曲線圖可以看出，林家村、魏加堡、咸陽以及張家山站的UF、UB兩條曲線均僅有一個(gè)交點(diǎn)。綜合以上兩種方法可知，林家村、魏加堡、咸陽、張家山以及狀頭站等站的水文變異點(diǎn)分別為1992年、1989年、1959年、1996年、2004年。而臨潼的可能變異區(qū)域中，一個(gè)在1970年附近，一個(gè)在1985年附近，又根據(jù)圖4UF-UB曲線圖可得1977~1986年為變異時(shí)間區(qū)域，綜合以上兩種方法確定1985年為臨潼站的水文變異點(diǎn)。根據(jù)圖5UF-UB曲線圖可以看出，華縣1977~1986年為變異時(shí)間區(qū)域，結(jié)合可能變異區(qū)域，確定1977年為華縣站的水文變異點(diǎn)。

圖7狀頭站徑流序列累積曲線圖(a)與UF-UB曲線圖

表1 各水文站點(diǎn)水文變異點(diǎn)

變異點(diǎn)的驅(qū)動(dòng)主要受氣候變化和人類活動(dòng)的影響，在兩種因素作用下，河流水文氣象要素發(fā)生變異，河道水文水力學(xué)條件改變，生物生境遭受沖擊，生態(tài)系統(tǒng)將發(fā)生變化-適應(yīng)-再變化的自適應(yīng)調(diào)整過程。渭河流域的水文變異主要受降水變化和流域水利水土保持工程建設(shè)等人類活動(dòng)的共同作用。近年來，許多學(xué)者對渭河流域的氣候變化、水沙變化以及土地利用變化等方面做了大量的研究工作，研究表明，導(dǎo)致渭河干流徑流量減少的主要原因是人類活動(dòng)，其次是降水，且不同的歷史時(shí)期，渭河流域人類活動(dòng)的劇烈程度不同，對徑流減少量的影響亦不同[5-7]。

4.2 生態(tài)保障流量計(jì)算

根據(jù)變異點(diǎn)位置，選取變異點(diǎn)之前的徑流數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)滿足Tennant法的基本要求（最少擁有20年以上流量系列）。本文在渭河干流及其主要支流涇河、北洛河的7個(gè)水文站長系列年徑流量變異點(diǎn)分析的基礎(chǔ)上，將7個(gè)斷面變異點(diǎn)之前的長系列資料作為人類活動(dòng)影響前河流天然水文系列；采用多年平均流量的10%作為生態(tài)低限流量，多年平均流量的30%作為生態(tài)適宜流量。計(jì)算過程中利用流量系列中位數(shù)替代Tennant法中流量系列的均值，以此消除算數(shù)平均數(shù)受個(gè)別極端流量值的影響[4]。最終得到各主要控制斷面中位數(shù)表（表2）和生態(tài)保障流量計(jì)算結(jié)果（表3）。

5 結(jié)論

本文以渭河中下游河段為研究對象，從主要控制斷面水文變異點(diǎn)識(shí)別和生態(tài)保障流量計(jì)算等兩方面進(jìn)行分析計(jì)算，為生態(tài)需水配置措施的研究提供基礎(chǔ)。

表2 渭河及其主要支流各控制斷面資料系列及中位數(shù)表單位：m3/s

表3 渭河及其主要支流各河段生態(tài)基礎(chǔ)流量過程計(jì)算結(jié)果單位：m3/s

通過累積曲線法和M-K檢驗(yàn)法進(jìn)行變異點(diǎn)識(shí)別，結(jié)果表明1992年為林家村（合）站的水文變異點(diǎn)；1989年為魏家堡站的水文變異點(diǎn)；1959年為咸陽站的水文變異點(diǎn)；1985年為臨潼站的水文變異點(diǎn)；1977年為華縣站的水文變異點(diǎn)；1996年為張家山（合）站的水文變異點(diǎn)；2004年為狀頭（合）站的水文變異點(diǎn)?；谧儺慄c(diǎn)分析結(jié)果，本文采用改進(jìn)Tennant法計(jì)算了渭河中下游7個(gè)主要控制斷面的生態(tài)基礎(chǔ)流量與適宜生態(tài)流量，可作為渭河開展流域綜合治理和生態(tài)保護(hù)的參考數(shù)據(jù)。

然而由于近年來農(nóng)業(yè)灌溉設(shè)施化、城市及工業(yè)化的發(fā)展，大量的河道外引水、河道內(nèi)排污、地下水超采等人類的不合理開發(fā)利用行為，使渭河中下游生命健康受到了威脅，主要表現(xiàn)在生產(chǎn)用水?dāng)D占河道用水，低限流量不滿足；河流水質(zhì)超標(biāo)，水污染嚴(yán)重；下游泥沙淤積嚴(yán)重，防洪形勢嚴(yán)峻；環(huán)境地質(zhì)問題突出等。本文計(jì)算得到的僅為天然狀態(tài)下渭河中下游各站點(diǎn)的生態(tài)保障流量過程，在具體分析某種特殊要求時(shí)，還需要根據(jù)保障目標(biāo)適當(dāng)調(diào)整或開展進(jìn)一步的研究。

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Identification of Hydrological Variation Point and Flow Calculation of Ecological Security in the Middle and Lower Reaches of Weihe River

Xin Chen，Shang Xiaoying，Liu Jun，Qu Yan
（Shaanxi provincial Rivers reservoir management bureau Xi’an 710018,Shaanxi；Shaanxi provincial Rivers Engineering technology research center Xi’an 710018,Shaanxi）

Based on the hydrological variability,this paper puts forward the analysis of problems in the practical application of hydrological statistics.It is proposed that the transitional year affected by the environmental change by the hydrological variation point analysis.The ecological system needs to be calculated by the hydrological sequence before that year,the idea of ensuring the flow of traffic,which can effectively avoid the hydrological variation caused by hydrological statistical method failure.Taking the middle and lower reaches of Weihe River as an example,the hydrological variation points of the seven key control sections of the Weihe River stem and tributary are identified by the cumulative curve method and the Mann-Kendall(M-K)test.Based on the above mentioned,the Tennant method is used to calculate the middle and lower reaches of the Weihe River.The results can be used as Weihe River to carry out comprehensive management of river basin and ecological protection reference data.

Hydrology variation；flow under ecological security；the method of Mann-kenda II；Tennant method and Weihe river

P343

B

1673-9000（2017）03-0003-05

2017-04-03

辛?。?982-），女，陜西吳堡人，工程師，主要從事水資源規(guī)劃與項(xiàng)目管理。