基于IHA-RVA法四水流域水文情勢(shì)變化評(píng)估

王鴻翔，查胡飛，卓志宇，錢 湛，郭文獻(xiàn)

（1.華北水利水電大學(xué)，河南 鄭州 450011；2.湖南省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究總院，湖南 長(zhǎng)沙 410007）

1 研究背景

河流的水文情勢(shì)是河流生態(tài)的內(nèi)在驅(qū)動(dòng)力，它決定著河流發(fā)展趨勢(shì)。在水文情勢(shì)評(píng)估方面，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量研究。其中RICHTER等提出的基于水文改變指標(biāo)法（IHA）的變動(dòng)范圍分析（Range of Variability Approach，RVA）法已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于水文情勢(shì)影響以及湖泊生態(tài)恢復(fù)研究［1］。陳啟慧等［2］采用RVA法對(duì)長(zhǎng)江下游河流水文影響進(jìn)行了初步分析，郭文獻(xiàn)等［3］對(duì)漢江下游河流水文效應(yīng)進(jìn)行了綜合評(píng)估，楊志峰等［4］綜合運(yùn)用RVA法和直方圖匹配（HMA）法分析了黃河下游河流水文情勢(shì)影響，張強(qiáng)等［5］研究了珠江流域水文改變特征。該方法是通過建立指標(biāo)體系來研究復(fù)雜的水文過程，是評(píng)價(jià)水文突變點(diǎn)對(duì)河流徑流過程影響的一種有效分析手段，該方法還可根據(jù)分析結(jié)果建立河流的生態(tài)流量管理模式，可滿足河流管理部門的需要［6-8］。

湘、資、沅、澧四條水系（簡(jiǎn)稱四水）是湖南省水資源的重要組成部分，在湖南省境內(nèi)流域面積總計(jì)12.82萬(wàn)km2。同時(shí)四水作為洞庭湖水系最大的注入者，多年平均入湖水量1669億m3，占總?cè)牒康?0%左右［9］。由此，湘、資、沅、澧四水的重要性不言而喻，為了四水水系的健康可持續(xù)發(fā)展，對(duì)四水流域的水文情勢(shì)研究顯得十分重要。本文結(jié)合國(guó)內(nèi)外在水文情勢(shì)的影響評(píng)估方面的成果，結(jié)合水文變異指標(biāo)、水文統(tǒng)計(jì)方法和變化范圍法定量評(píng)估湘、資、沅、澧四水的4個(gè)代表性的水文站（桃江、桃源、石門、湘潭）水文情勢(shì)的改變程度，為洞庭湖湖區(qū)水文情勢(shì)影響評(píng)價(jià)以及湖泊水生生態(tài)安全提供技術(shù)支撐。

2 數(shù)據(jù)和方法

2.1 研究數(shù)據(jù)選取湘江的湘潭站、資水的桃江站、沅水的桃源站和澧水的石門站作為整個(gè)四水水系的代表性水文站。選取的4個(gè)水文站各具代表性，基本能夠反映出四水水系的水文特征。采用這4個(gè)站點(diǎn)1959—2016年的日均流量觀測(cè)資料。

2.2 研究方法

2.2.1 突變檢驗(yàn)法

（1）Mann-Kendall突變檢驗(yàn)法。設(shè)時(shí)間序列為x1，x2，…，xn，Sk表示第i個(gè)樣本xi＞xj(j≤i)1≤ 的累計(jì)數(shù)，定義統(tǒng)計(jì)量：

在時(shí)間序列隨機(jī)獨(dú)立的假定下，Sk的均值和方差分別為：

將Sk標(biāo)準(zhǔn)化：

其中UF1=0。給定顯著水平α，若則表明序列存在明顯的趨勢(shì)變化，所有UFk可組成一條曲線，將此方法引用到反序列，則反序列的統(tǒng)計(jì)量UBk由下式給出：

其中UB1=0。對(duì)于給定顯著性水平如α=0.05，臨界值±1.96。將UFk、UBk統(tǒng)計(jì)量序列曲線和±1.96兩條直線繪制在同一張紙上，當(dāng)時(shí)間序列的UFk和UBk兩條曲線出現(xiàn)交點(diǎn)且交點(diǎn)位于臨界線之間，那么交點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的時(shí)間則認(rèn)為是突變開始時(shí)間［10］。

（2）累積距平法。對(duì)于某一時(shí)間序列X（x1，x2，…，xn），其在某一時(shí)間t的累計(jì)距平值可表示為：

該方法的核心是根據(jù)距平值來判斷各離散數(shù)據(jù)相對(duì)于序列均值的離散程度，若累計(jì)距平值Xt增大，表明離散數(shù)據(jù)大于其平均值，若Xt減小，則表明小于其平均值，從累積距平曲線明顯的起伏波動(dòng)可判斷序列長(zhǎng)期顯著的趨勢(shì)變化。如果在時(shí)間序列累計(jì)距平曲線中，由Xt增大和減小的兩部分組成，則可確定時(shí)間序列趨勢(shì)變化的拐點(diǎn)［11-12］。

（3）滑動(dòng)T檢驗(yàn)。本文用Mann-Kendall突變檢驗(yàn)法時(shí)，某些特征值出現(xiàn)了多個(gè)交點(diǎn)以及交點(diǎn)在置信度線范圍之外的情況，因此文中對(duì)出現(xiàn)這些情況的特征值用滑動(dòng)T檢驗(yàn)進(jìn)行進(jìn)一步的輔助計(jì)算。滑動(dòng)T檢驗(yàn)主要是通過考察兩組樣本的平均值差異是否明顯來檢驗(yàn)突變。主要是通過比較水位序列中的兩個(gè)子序列之間的均值是否存在顯著差異來檢驗(yàn)，若是兩段子序列之間的均值差異超過了顯著水平，則認(rèn)為發(fā)生了突變。對(duì)于樣本量為n的時(shí)間序列，人為的設(shè)置一個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)，將基準(zhǔn)點(diǎn)前后的子序列x1和x2的樣本分別為n1和n2，兩端子序列的平均值分別為和，方差分別為和。定義統(tǒng)計(jì)量為：

2.2.2 水文改變指標(biāo)法 Richter等［1］于1998年提出水文改變指標(biāo)法（IHA）。將水文情勢(shì)分為5組33個(gè)參數(shù)，分別從流量、時(shí)間、頻率、延時(shí)和改變率等方面分析河流水文情勢(shì)變化［14］。由于在研究期間各水文站并沒有出現(xiàn)零流量日，本文對(duì)IHA參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整后的IHA參數(shù)見表1。

2.2.3 變化范圍法 Richer等［15］于1997年提出變化范圍法，該法以IHA的水文指標(biāo)為基礎(chǔ)，通過分析水利工程建設(shè)前后的日流量數(shù)據(jù)分析水文指標(biāo)的改變程度。一般情況下，各指標(biāo)的平均值加減標(biāo)準(zhǔn)差或以頻率為75%和25%作為IHA指標(biāo)的上下限，成為RVA目標(biāo)。

2.2.4 水文改變度 為定量描述IHA32個(gè)指標(biāo)中單個(gè)水文指標(biāo)受影響后的變異程度，Richter等［15］建議通過水文改變度來評(píng)估，各指標(biāo)的具體水文變異度可由下面的公式量化得到：

式中：Di為第i個(gè)指標(biāo)的水文變異程度；N0,i為變異后的徑流序列IHA值在25%～75%分類范圍內(nèi)的年數(shù)；Ne為相應(yīng)的期望年數(shù)（Ne=P×NT，P為50%，NT為變異后徑流序列的總年數(shù)）?；诿總€(gè)指標(biāo)的變異程度Di，變異后序列總的水文變異程度D0計(jì)算如下：

為了能夠客觀的反映水文改變度的嚴(yán)重性，Richter等認(rèn)為可以將水文改變度劃分為3個(gè)不同等級(jí)的嚴(yán)重性，一般定義|值介于0～33%之間屬于低度改變或不發(fā)生改變；33%～67%之間屬于中度改變；67%～100%之間屬于高度改變，以此對(duì)河流水文情勢(shì)進(jìn)行量化判斷［15-17］。

表1 調(diào)整后的IHA流量參數(shù)

3 結(jié)果與討論

3.1 四水水系年均流量變化特征

3.1.1 年均流量趨勢(shì)性檢驗(yàn) 趨勢(shì)性是反映樣本序列隨時(shí)間增加的傾向，即增加、減少或不變。為揭示四水水系年平均流量趨勢(shì)變化，點(diǎn)繪1959—2016年年平均流量年際變化過程曲線（見圖1）。由圖1可知，研究期間，四水水系年平均流量除個(gè)別特枯年或特大洪水年的波動(dòng)幅度較大外，基本上都有不同程度的增長(zhǎng)趨勢(shì)，僅石門站出現(xiàn)微弱下降趨勢(shì)。

運(yùn)用M-K檢驗(yàn)方法檢驗(yàn)4個(gè)站點(diǎn)年平均流量變化的趨勢(shì)性（表2）可知，湘潭站、桃江站和桃源站年平均流量總體呈微弱上升態(tài)勢(shì)，上升趨勢(shì)均不明顯，都沒有通過顯著性檢驗(yàn)，石門站呈現(xiàn)微弱下

降趨勢(shì)，也未通過顯著性檢驗(yàn)，下降趨勢(shì)不明顯。

圖1 四水流域年均流量變化及趨勢(shì)

表2 四水水系年均流量變化趨勢(shì)M-K檢驗(yàn)

3.1.2 年均流量突變性檢驗(yàn) 運(yùn)用Mann-Kendall檢驗(yàn)、累計(jì)距平法和滑動(dòng)T檢驗(yàn)法，對(duì)湘潭、桃江、桃源和石門4個(gè)水文控制站研究期間的年均流量序列進(jìn)行突變年份檢驗(yàn)，通過以上3種檢測(cè)方法綜合判別4站點(diǎn)理論上的突變年份如表3所示。

表3 四水年均流量突變統(tǒng)計(jì)結(jié)果

3.2 四水流域水文指標(biāo)變化通過以上對(duì)四水流域各支流水文情勢(shì)突變點(diǎn)的研究，將突變點(diǎn)以前的流量過程作為自然態(tài)基準(zhǔn)流量序列，將突變后時(shí)間序列的水文過程同突變前進(jìn)行比較分析。運(yùn)用IHA和RVA法計(jì)算四水流域各站點(diǎn)的水文改變程度。四水突變前后各流量指標(biāo)參數(shù)改變程度計(jì)算結(jié)果如表4所示。

3.2.1 月流量變化 四水流域4個(gè)水文站最明顯的水文變異大多集中出現(xiàn)在3月、4月、5月、7月和10月（見圖2）。四水流域各水系雖然水文突變點(diǎn)不盡相同，但突變前后月流量變化相似，都在豐水期（5—10月）的變化更大。

3.2.2 年極端流量大小 由表4可以看出，四水的年均最小值流量改變度的絕對(duì)值相對(duì)于年均最大值流量要高些，這說明水文情勢(shì)的變化對(duì)年均最小值流量的影響更深些。桃江站的年均1d最小值流量和基流指數(shù)改變度最大均呈中度改變，其余都為低度改變，年均1d、3d最大值流量水文改變度最小，呈低度改變；湘潭站的年均3d、7d最小值流量和基流指數(shù)改變度較大，其中基流指數(shù)的改變度達(dá)到高度改變，年均1d、3d最大值流量水文改變度最小且均為低度改變；桃源站的年均30d最小值流量改變度最大達(dá)到了中度改變，基流指數(shù)的水文改變度最小呈現(xiàn)低度改變；石門站的年均1d最小值流量改變度最大，達(dá)到了高度改變，年均90d最小值流量改變度最小僅為-1.65，屬于低度改變。

圖2 突變前后月中值流量變化

3.2.3 年極端流量發(fā)生時(shí)間 由表4可以看出，桃源和湘潭站的年最小值出現(xiàn)時(shí)間比突變前的出現(xiàn)時(shí)間有所提前，且水文改變程度較高；石門站的年最小值出現(xiàn)時(shí)間比突變前的出現(xiàn)時(shí)間提前，水文改變度為低度改變；桃江站的年最小值出現(xiàn)時(shí)間比突變前的出現(xiàn)時(shí)間有所推遲，水文改變度也是低度改變；4個(gè)站點(diǎn)的年最大值出現(xiàn)時(shí)間均出現(xiàn)了不同程度的推遲，且水文改變度均為低度改變，其中石門站年最大值出現(xiàn)時(shí)間的水文改變度最低。

3.2.4 高低脈沖的頻率及歷時(shí) 由表4可以看出，桃江、湘潭和桃源站的低脈沖次數(shù)都發(fā)生了中度改變，但石門站的低脈沖次數(shù)發(fā)生了高度改變；湘潭、桃源和石門站的低脈沖歷時(shí)都發(fā)生了中度改變，桃江站低脈沖歷時(shí)發(fā)生了低度改變；桃江、桃源和石門站的高脈沖次數(shù)是發(fā)生了低度改變，但湘潭站的高脈沖次數(shù)發(fā)生了中度改變；桃江、湘潭和桃源站的高脈沖歷時(shí)都發(fā)生了低度改變，石門站發(fā)生了中度改變。綜上所述，各站點(diǎn)的低脈沖次數(shù)和歷時(shí)的改變度均大于高脈沖次數(shù)和歷時(shí)的改變度。

3.2.5 流量變化改變率及頻率 從表4可以看出，上升率除湘潭站無(wú)變化外，桃江、桃源和石門站的上升率均為中高度改變，石門站的水文改變度最為顯著；4個(gè)站點(diǎn)的下降率均為低度改變；逆轉(zhuǎn)次數(shù)中桃源站和石門站的水文改變度都較高，達(dá)到了高度改變，而桃江和湘潭站的水文改變度較低都是低度改變。整體來看石門站的變化較為顯著。

3.3 河流水文改變度

3.3.1 水文突變前后水文指標(biāo)變化度比較 為了評(píng)價(jià)四水各水系水文突變前后水文情勢(shì)的變化程度，計(jì)算桃江、湘潭、桃源和石門4個(gè)水文站32個(gè)水文指標(biāo)絕對(duì)值的改變度的基礎(chǔ)上，繪制了3個(gè)等級(jí)的水文改變度（圖3）。

在32個(gè)水文指標(biāo)中，石門和湘潭站的水文改變程度相對(duì)于桃源和桃江站的水文改變度要高。石門站發(fā)生高度改變的指標(biāo)有4個(gè)，發(fā)生中度改變的有9個(gè)，其中高度改變是4個(gè)水文站中最高的；桃江站沒有高度改變的水文指標(biāo)，中度改變的水文指標(biāo)也只有5個(gè)，是4個(gè)站點(diǎn)中水文改變度最低的。這說明四水水系的4個(gè)流域在水文突變的情況下，影響最深的是石門站（見圖4）。

如圖4所示，受水文突變的影響，石門水文站的水文情勢(shì)在改變度等級(jí)統(tǒng)計(jì)中發(fā)生高度改變的所占比列最高，占13%，桃源、湘潭和桃江站的高度改變所占的比列次之，分別為6%、3%和0%；桃江站低度改變的水文指標(biāo)所占比列最高，為84%，桃源、湘潭和石門站的低度改變依次降低，分別為75%、72%和59%；4個(gè)站點(diǎn)改變度最低的都是高度改變。

3.3.2 整體水文改變度分析 桃源、桃江、湘潭和石門水文站各組水文改變度綜合改變度見表5。分別計(jì)算出桃源、桃江、湘潭和石門4個(gè)水文站各組指標(biāo)的整體水文改變度以及各水文站的整體水文改變度，計(jì)算結(jié)果如表5所示，據(jù)表5分析可知，桃源站第1、2組均為低度改變，第4、5組為中度改變，僅第3組為高度改變；桃江站的水文改變度均為低度改變；湘潭站的第1、5組為低度改變，第2、4組為中度改變，第3組為高度改變；石門站的第1、3組為低度改變，第2、4組為中度改變，第5組為高度改變。改變程度的不同，反映了各河流的水文突變對(duì)當(dāng)?shù)睾恿魉那閯?shì)的影響程度。綜合分析可知桃源、桃江、湘潭、石門的整體水文改變度分別為35%、22%、36%和42%，只有桃江站的水文改變度為低度改變，其余3站都處于中等改變度。桃源和湘潭站的第3組指標(biāo)水文改變度變化最明顯，均為高度改變；石門站的第5組改變度最為顯著，為72%。因此，水文突變對(duì)桃江站的水文情勢(shì)影響最小。

表4 四水流域水文突變前后IHA指標(biāo)統(tǒng)計(jì)

圖3 四水水文改變度

圖4 四水水系不同等級(jí)變化度所占比例

表5 各水文站流量序列整體水文改變度

4 結(jié)論

本文采用Mann-Kendall法、累積距平法檢驗(yàn)以及滑動(dòng)T檢驗(yàn)法分析湘、資、沅、澧四水1959—2016年的水文特征與水文突變點(diǎn)，并應(yīng)用水文指標(biāo)變動(dòng)范圍法（IHA-RVA）和水文改變度法綜合評(píng)估了四水各站點(diǎn)突變前后水文指標(biāo)改變程度，具體結(jié)論有：（1）湘江（湘潭）、資水（桃江）、沅水（桃源）年均流量呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，趨勢(shì)不顯著，而澧水（石門）年均流量呈下降趨勢(shì)，趨勢(shì)不顯著；（2）湘江（湘潭）、資水（桃江）、沅水（桃源）和澧水（石門）突變年份分別為1991年、1987年、1989年和1973年，洞庭湖四水年均流量突變年份有所差異，表明湘江、資水、沅水和澧水的水電工程受影響程度不同，大型水電工程建設(shè)主要集中在1980年代；（3）四水中湘江（湘潭）、資江（桃江）、沅江（桃源）和澧水（石門）生態(tài)水文綜合改變度分別為36%、22%、35%和42%，其中湘江、沅江和澧水屬于中度改變，資江屬于低度改變。