考慮水文變異的河道生態(tài)徑流研究

莫崇勛，阮俞理，莫桂燕，林怡彤，孫桂凱，楊云川

(1.廣西大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，廣西南寧530004;2.工程防災(zāi)與結(jié)構(gòu)安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西南寧530004；3.廣西防災(zāi)減災(zāi)與工程安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西南寧530004)

1 研究背景及區(qū)域概況

河流生態(tài)需水特別是河道內(nèi)生態(tài)徑流的研究已成為水科學(xué)領(lǐng)域以及生態(tài)學(xué)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。李捷等[1]對(duì)河道內(nèi)最小生態(tài)徑流和適宜生態(tài)徑流等做出了界定，并提出一種新的逐月頻率計(jì)算方法；李梅等[2]提出了一種既考慮河道自身參數(shù)又考慮維持一定生態(tài)所需要流量的水力學(xué)方法；萬(wàn)東輝等[3]基于水文循環(huán)理論，分析了雅礱江流域生態(tài)需水量；王紅瑞等[4]引入水文系統(tǒng)模糊性理論，建立了基于梯形模糊數(shù)的不確定河道生態(tài)需水模型。然而，在氣候變化和人類(lèi)活動(dòng)的影響下，降雨徑流等水文時(shí)間序列往往已經(jīng)發(fā)生了顯著的變異，序列一致性遭到破壞。因此，在考慮水文變異的基礎(chǔ)上對(duì)河道內(nèi)生態(tài)徑流進(jìn)行研究，有利于更為科學(xué)、合理地計(jì)算河道生態(tài)需水，維持河流生態(tài)系統(tǒng)的健康發(fā)展。2015年，劉劍宇[5]等研究了水文變異條件下，鄱陽(yáng)湖流域的生態(tài)流量，并發(fā)現(xiàn)變異前后生態(tài)需水滿足率發(fā)生顯著變化。廣西多數(shù)流域水文過(guò)程易受氣候變化和人類(lèi)活動(dòng)以及臺(tái)風(fēng)等特殊天氣的影響，水文序列往往已經(jīng)發(fā)生變異；但是相關(guān)研究尚未在廣西相關(guān)流域開(kāi)展。為此，本文采用Mann-Kendall等方法對(duì)廣西澄碧河流域壩首和平塘兩個(gè)主要水文站的徑流序列進(jìn)行突變檢驗(yàn)，并根據(jù)突變檢驗(yàn)結(jié)果將徑流序列分成變異前時(shí)期以及變異后時(shí)期。分別研究?jī)蓚€(gè)水文站變異前后最小生態(tài)徑流過(guò)程和適宜生態(tài)徑流過(guò)程，并通過(guò)對(duì)比分析變異前后適宜生態(tài)徑流滿足率的變化，進(jìn)而分析水文變異對(duì)河道內(nèi)生態(tài)徑流的影響，以期為該流域水資源利用及生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。

澄碧河流域位于廣西壯族自治區(qū)百色市，流域氣候?qū)儆趤啛釒Ъ撅L(fēng)氣候，受全球變暖影響較為嚴(yán)重，流域內(nèi)多年平均降雨量1 560 mm，降雨年內(nèi)分配不均，每年5月～9月的降水量約占全年雨量的87%左右。壩首和平塘水文站是流域內(nèi)兩個(gè)主要的水文站，數(shù)據(jù)完整且可靠，其中壩首水文站記錄有1963年～2014年52年的逐日流量數(shù)據(jù)，平塘站則記錄有1963年～2011年49年逐日流量資料。

2 研究方法

2.1 突變檢驗(yàn)方法

本文采用Mann-Kendall法進(jìn)行突變點(diǎn)的初步檢驗(yàn)，并采用Hurst系數(shù)法、累積距平法、有序聚類(lèi)法、滑動(dòng)T檢驗(yàn)法、以及滑動(dòng)秩和檢驗(yàn)法進(jìn)行突變點(diǎn)的綜合檢測(cè)及突變程度強(qiáng)弱的分析。本文僅簡(jiǎn)要介紹Mann-Kendall法的原理和步驟[6]，其他方法的原理和步驟參考文獻(xiàn)[7]。

首先，設(shè)原始時(shí)間序列為y1，y2…yn，mi表示第i個(gè)樣本yi大于yj(1≤j≤i)的累積數(shù)，定義統(tǒng)計(jì)量

(1)

在原序列隨機(jī)獨(dú)立等假設(shè)下，dk的均值和方差分別為

(2)

將上面公式的dk標(biāo)準(zhǔn)化，得

(3)

其中，UFk組成一條UF曲線，通過(guò)信度檢驗(yàn)可得出其是否有明顯的變化趨勢(shì)。把前述步驟引用到反序列中，計(jì)算得到另一條曲線UB，則兩條曲線在置信區(qū)間內(nèi)十字相交的交點(diǎn)確定為突變點(diǎn)。給定顯著性α=0.05，則統(tǒng)計(jì)量UF和UB的臨界值為±1.96。

2.2 生態(tài)徑流計(jì)算方法

2.2.1 逐月最小生態(tài)徑流計(jì)算法

最小生態(tài)徑流可定義為：為了滿足河流生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)穩(wěn)定和健康所需的最小流量過(guò)程，最小生態(tài)徑流可以看作一個(gè)閾值，其所對(duì)應(yīng)的水量通常被視為河流的最小生態(tài)需水量，是研究河流生態(tài)的重要指標(biāo)。具體方法如下[8]：

將逐日流量數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算統(tǒng)計(jì)，得到12個(gè)月的月平均流量系列，記為Qnm。其中，n表示年份，m表示月份。然后，取每個(gè)月系列的最小值qm=min(Qnm)作為該月的最小生態(tài)徑流量，即可得到全年最小生態(tài)徑流過(guò)程。

2.2.2 逐月頻率計(jì)算法

適宜生態(tài)徑流是對(duì)河流生態(tài)環(huán)境最為適合的徑流過(guò)程，是研究河流生態(tài)的另一個(gè)重要指標(biāo)。將獲得的歷史流量數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到1月至12月份的月平均流量系列Qnm， 并把每年劃分為豐、平、枯3個(gè)時(shí)期，分別記為F、P、K。對(duì)每個(gè)時(shí)期擬定不同的保證率(PF=50%，PP=70%，PK=90%)，按如下步驟計(jì)算[9]：

若序列Qm∈F′，即月平均流量序列為豐水期序列，將Qm用P-III曲線進(jìn)行適線，取P=50%的流量值，并記為qm；同理，如果Qm∈P，即月平均流量序列為平水期序列，將Qm用P-III曲線進(jìn)行適線，取P=70%的流量值；如果Qm∈K即月平均流量序列為枯水期序列，將Qj用P-III曲線進(jìn)行適線，取P=90%的流量值。最后得到qm序列即為適宜生態(tài)流量過(guò)程。根據(jù)研究流域徑流序列特征，本次研究年內(nèi)分期為：5月～9月豐水期，10月～12月平水期，1月～4月枯水期。

3 結(jié)果與分析

3.1 突變檢測(cè)結(jié)果與分析

運(yùn)用Mann-Kendall法對(duì)澄碧河流域壩首及平塘兩個(gè)水文站徑流序列進(jìn)行突變的初步檢驗(yàn)(見(jiàn)圖1和圖2)。由圖1可初步判斷：壩首站流量可能在1992年前后發(fā)生突變，1992年前后流量呈現(xiàn)減少趨勢(shì)；采用Hurst系數(shù)法對(duì)突變程度進(jìn)行分析，Hurst系數(shù)值為0.72，說(shuō)明變異程度屬中度變異。由圖2可以初步判斷：平塘站流量可能在1989年前后發(fā)生突變，1989年前后也呈現(xiàn)出流量減少的趨勢(shì)；Hurst系數(shù)值為0.69，屬中度偏弱變異。考慮到僅用單一檢驗(yàn)方法有其適應(yīng)流域的局限性、檢驗(yàn)結(jié)果的片面性及誤差性，本次研究采用累積距平法、有序聚類(lèi)法、滑動(dòng)秩和、滑動(dòng)T等多種突變檢驗(yàn)法對(duì)突變檢驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證分析及綜合檢測(cè)，將可能變異點(diǎn)中權(quán)重最大的年份作為最終突變年份。突變年綜合檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1。由此可知，壩首和平塘流量序列突變年分別為1992年和1989年。

圖1 壩首水文站徑流突變初步檢驗(yàn)結(jié)果

圖2 平塘水文站徑流突變初步檢驗(yàn)結(jié)果

站名可能突變年所占權(quán)重所用方法最終突變年壩首198902滑動(dòng)秩和199206M?K、有序聚類(lèi)、滑動(dòng)T199302累積距平1992平塘198906M?K、滑動(dòng)秩和、滑動(dòng)T199004累積距平、有序聚類(lèi)1989

3.2 最小生態(tài)徑流結(jié)果與分析

以突變年為分界點(diǎn)，采用逐月最小生態(tài)徑流計(jì)算法分別對(duì)壩首和平塘兩站水文變異前后最小生態(tài)徑流進(jìn)行分析(見(jiàn)圖3和圖4)。圖3和圖4皆表明水文變異后的河流最小生態(tài)徑流過(guò)程小于水文變異前的最小生態(tài)流量過(guò)程，即水文變異使得生態(tài)徑流的最小閾值變小。壩首水文站最小生態(tài)徑流過(guò)程線峰值從變異前39.8 m3/s下降到變異后的23.3 m3/s，但峰值出現(xiàn)時(shí)間大致相同，僅相差一個(gè)月，最小年生態(tài)徑流量差值達(dá)1.12億m3。平塘水文站最小生態(tài)徑流過(guò)程線峰值從變異前37.4 m3/s下降到變異后的24.1 m3/s，峰值出現(xiàn)時(shí)間也僅相差一個(gè)月，最小年生態(tài)徑流量差值達(dá)1.22億m3。究其原因是：水文序列變異加強(qiáng)了降雨徑流過(guò)程的極值化現(xiàn)象，研究結(jié)果反映流域徑流極小化現(xiàn)象被加強(qiáng)。

圖3 壩首站變異前后最小生態(tài)徑流結(jié)果

圖4 平塘站變異前后最小生態(tài)徑流結(jié)果

3.3 適宜生態(tài)徑流結(jié)果與分析

同樣以突變年為分界點(diǎn)，采用逐月頻率計(jì)算法分別對(duì)壩首和平塘兩站的變異前后適宜生態(tài)徑流進(jìn)行分析(見(jiàn)表2、3)。

表2 兩站變異前后適宜生態(tài)徑流計(jì)算結(jié)果

表3 壩首及平塘水文站變異前后適宜生態(tài)徑流滿足率成果 %

綜合可知，兩站的豐水期時(shí)段變異前適宜生態(tài)流量均普遍小于影響期；平水期變化不明顯；枯水期時(shí)段變異前適宜生態(tài)流量普遍大于變異后。其中，壩首水文站豐水期適宜生態(tài)徑流平均增加12.82 m3/s，徑流過(guò)程線峰值從變異前101.5 m3/s上升到變異后的128.4 m3/s，峰值都出現(xiàn)在7月份；而枯水期生態(tài)徑流則平均減少了2.4 m3/s。平塘水文站豐水期適宜生態(tài)徑流平均增加11.56 m3/s，徑流過(guò)程線峰值從變異前101.5 m3/s上升到變異后的128.4 m3/s，峰值都出現(xiàn)在7月份；而枯水期生態(tài)徑流則平均減少了1.5 m3/s。這更進(jìn)一步說(shuō)明：水文變異使得徑流極值化現(xiàn)象增強(qiáng)；表現(xiàn)為豐水時(shí)期更豐，枯水時(shí)期更枯。這與廣西澄碧河流域20世紀(jì)90年代以來(lái)汛期洪澇災(zāi)害頻發(fā)和枯水期旱災(zāi)頻發(fā)現(xiàn)象相符；也是全球氣候變化導(dǎo)致極端事件強(qiáng)度和頻率逐年增加的證明。

3.4 滿足率變化結(jié)果與分析

各月適宜生態(tài)徑流滿足的天數(shù)與序列相應(yīng)月份總天數(shù)的比值即為該月適宜生態(tài)徑流的滿足率。對(duì)比分析壩首和平塘水文站變異前后適宜生態(tài)徑流滿足率(見(jiàn)表3)，來(lái)進(jìn)一步探討水文變異對(duì)生態(tài)需水的影響。

由表3可知，由于水文變異的影響，壩首和平塘水文站適宜生態(tài)徑流滿足率呈現(xiàn)出枯水時(shí)變異前適宜生態(tài)徑流滿足率總體高于變異后；而豐水期間則是相反的現(xiàn)象。其中，受水文變異影響后壩首站枯水期適宜生態(tài)徑流滿足率平均下降10.8%，豐水期則平均上升3.7%；平塘站枯水期適宜生態(tài)徑流滿足率則平均下降7.5%，豐水期平均上升5.8%，平水期滿足率基本無(wú)變化。由此說(shuō)明，水文變異對(duì)生態(tài)徑流的影響主要發(fā)生在枯水期和豐水期，對(duì)平水期影響較弱。

4 結(jié) 論

(1)研究流域壩首和平塘兩水文站的徑流序列均發(fā)生了變異。其中，壩首站突變發(fā)生于1992年，變異程度為中度；平塘站突變年份為1989年，變異程度為中度偏弱。

(2)水文變異影響了河流生態(tài)徑流過(guò)程。受水文變異影響河流最小生態(tài)徑流變小，變異后最小生態(tài)徑流過(guò)程線總體上比變異前最小生態(tài)徑流過(guò)程線要“矮胖”；流域內(nèi)兩個(gè)水文站最小年生態(tài)徑流量在變異前后的差值均為1億m3左右?？梢?jiàn)，水文變異使河流最小生態(tài)徑流閾值變小。

(3)由于水文變異的作用，河流在豐水期時(shí)段適宜生態(tài)流量與變異前相比得到增加，平水期則無(wú)顯著變化，枯水期時(shí)段適宜生態(tài)流量則呈減少趨勢(shì)。

(4)水文變異對(duì)適宜生態(tài)徑流滿足率的影響主要是在枯水期和豐水期，對(duì)平水期的適宜生態(tài)徑流滿足率基本無(wú)影響。豐水時(shí)變異前適宜生態(tài)徑流滿足率要比變異后小，而枯水期間則是相反。

(5)鑒于水文變異會(huì)影響河道生態(tài)徑流，因此水資源利用與管理過(guò)程中要根據(jù)區(qū)域水文變異具體情況充分考慮河道生態(tài)徑流過(guò)程；以使水資源利用與生態(tài)環(huán)境相符合，保障水系統(tǒng)與生態(tài)系統(tǒng)的和諧。

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