徑流變化特征分析及生態(tài)需水保證率評(píng)估

陳朝陽，徐金鵬，管新建，張一鳴

(1.河南省南陽水文水資源勘測(cè)局，河南 南陽 473000；2.鄭州大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院，河南 鄭州 450000)

0 引 言

水資源是社會(huì)生產(chǎn)的核心，無論是對(duì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展還是生態(tài)環(huán)境都起著決定性作用，是人類賴以生存的必需品[1]。在過去幾十年，我國對(duì)水資源的需求不斷增加，在對(duì)水資源開發(fā)利用的過程中，沒有協(xié)調(diào)好生產(chǎn)生活用水與生態(tài)用水之間的平衡[2]。大量本應(yīng)用于維持生態(tài)系統(tǒng)良性運(yùn)轉(zhuǎn)的水資源被用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及生活當(dāng)中，生態(tài)系統(tǒng)因所需水資源無法得到滿足而急劇退化或受損[3]。因此，滿足生態(tài)系統(tǒng)對(duì)于水資源的需求，在經(jīng)濟(jì)社會(huì)用水的同時(shí)，科學(xué)確定維持生態(tài)系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)所需水量，是生態(tài)文明建設(shè)和實(shí)現(xiàn)人水和諧的重要舉措。

近50年來，由于氣候變化和人類活動(dòng)的影響，世界主要河流的徑流狀態(tài)發(fā)生了改變[4]。氣候變化加劇了水循環(huán)過程，使水資源時(shí)空分布更加不平衡，維持生態(tài)系統(tǒng)健康運(yùn)行的水量也難以保證。為了平衡人類和生態(tài)環(huán)境用水之間的矛盾，生態(tài)需水的概念應(yīng)運(yùn)而生。20世紀(jì)40年代，隨著水庫建設(shè)和水資源開發(fā)利用程度不斷提高，美國魚類和野生動(dòng)物保護(hù)協(xié)會(huì)基于魚類生長繁殖和產(chǎn)量與河流流量的關(guān)系，提出了河流最小流量的概念[5]。隨后，各國學(xué)者又繼續(xù)研究生物對(duì)于水流改變的響應(yīng)機(jī)制及計(jì)算方法，并應(yīng)用于水資源規(guī)劃、流域管理方面。目前，國際上最廣為接納的是2007年布里斯班宣言中所描述的生態(tài)需水的解釋，即能夠維持河道及河口的自然生態(tài)系統(tǒng)和維持人類生存發(fā)展所依賴的生態(tài)系統(tǒng)所需要的水量、時(shí)間和水質(zhì)[6]。

本文首先采用M-K法對(duì)徑流序列進(jìn)行趨勢(shì)分析和突變檢驗(yàn)，分析多年徑流變化特征并計(jì)算徑流序列突變年份；其次，采用多種水文學(xué)法對(duì)淮河干流關(guān)鍵斷面進(jìn)行生態(tài)需水量計(jì)算，確定出各條河流生態(tài)需水的推薦值；最后，對(duì)生態(tài)需水計(jì)算結(jié)果進(jìn)行保證率分析，結(jié)合不同水文年不同時(shí)段生態(tài)需水保證率，評(píng)價(jià)淮河干流4個(gè)關(guān)鍵斷面生態(tài)需水保證程度。研究成果可為淮河流域水資源的合理開發(fā)利用提供依據(jù)，促進(jìn)其水生態(tài)系統(tǒng)健康和水生態(tài)文明建設(shè)。

1 方 法

1.1 M-K法

1.1.1 M-K趨勢(shì)分析

該方法假設(shè)時(shí)間數(shù)據(jù)序列(x1，x2，…，xn)為獨(dú)立、隨機(jī)同變量分布的樣本序列[7]。檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量S為

(1)

M-K趨勢(shì)檢驗(yàn)值為

(2)

式中，σs為標(biāo)準(zhǔn)方差；當(dāng)Z>0，時(shí)間序列呈上升趨勢(shì)；當(dāng)Z<0，時(shí)間序列呈下降趨勢(shì)。|Z|大于或等于2.32、1.64、1.28，表示通過置信度分別為99%、95%和90%的顯著性檢驗(yàn)水平。

1.1.2 M-K突變檢驗(yàn)

M-K法不僅可以進(jìn)行趨勢(shì)檢驗(yàn)，還可以明確突變時(shí)間，構(gòu)造序列

(3)

統(tǒng)計(jì)量

(4)

E(Uk)=[k(k-1)]/4；var(Uk)=[k(k-1)(2k+5)]/72

按時(shí)間序列xi順序計(jì)算統(tǒng)計(jì)量序列，得UFk；按時(shí)間序列xi逆序重復(fù)上述過程，得到統(tǒng)計(jì)序列UBk。如果UF和UB兩條曲線出現(xiàn)交點(diǎn)[8]，即為可能出現(xiàn)的突變點(diǎn)。

1.2 生態(tài)需水量化方法

國內(nèi)外關(guān)于生態(tài)需水的計(jì)算方法大致可以分為4大類：水文學(xué)法、水力學(xué)法、棲息地模擬法與整體分析法[9]。其中，水文學(xué)法操作簡(jiǎn)單，適用性強(qiáng)，一直被沿用至今。由于不同方法的計(jì)算結(jié)果會(huì)有差異，且不同的方法適用河段也不同。為避免使用單一方法造成計(jì)算結(jié)果不合理，采用以下4種水文學(xué)法進(jìn)行生態(tài)需水計(jì)算，并結(jié)合河流生態(tài)用水需求，確定淮河干流4個(gè)關(guān)鍵斷面的生態(tài)需水推薦值。

(1)Tennant法。該方法是由Tennant等人在對(duì)美國11條河流進(jìn)行詳細(xì)野外調(diào)研的基礎(chǔ)上提出[10]。通過構(gòu)建水深、流速、河寬等棲息地參數(shù)和流量之間的關(guān)系，再根據(jù)統(tǒng)計(jì)規(guī)律，設(shè)定河流多年平均流量的百分比作為生態(tài)需水估算標(biāo)準(zhǔn)，Tennant法分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)見表1。

表1 Tennant法分級(jí)標(biāo)準(zhǔn) %

(2)最枯月平均流量法。最枯月平均流量法是在一個(gè)長系列的水文資料中尋求每年實(shí)測(cè)最枯月的平均流量，其多年最枯月平均流量值即認(rèn)為是生態(tài)需水值，計(jì)算如下

(5)

式中，Qb為河道生態(tài)需水，m3/s；Qij為該河道第i年j月的實(shí)測(cè)平均流量值，m3/s；n為水文資料的統(tǒng)計(jì)年數(shù)。

(3)Texas法。使用Texas方法估算生態(tài)需水量，首先需要獲得一個(gè)長系列的水文資料；然后將月平均流量按照從大到小的順序排列起來，對(duì)各月流量進(jìn)行頻率計(jì)算，取50%保證率下月流量的某個(gè)特定百分比作為最小流量。吳喜軍提出根據(jù)渭河寶雞段典型植物及魚類的水量要求，特定百分率取20%為宜[11]。

(4)7Q10法。該方法首先通過所在站點(diǎn)的長系列水文資料求得多年平均流量，把多年平均流量按照從大到小的方式排列起來，對(duì)其進(jìn)行頻率計(jì)算；然后取該系列資料中90%保證率的年平均流量對(duì)應(yīng)年份作為目標(biāo)年，求得在該年中連續(xù)最枯7 d實(shí)測(cè)徑流量的平均值，該平均值即是所求河道生態(tài)需水設(shè)計(jì)值。

1.3 生態(tài)需水保證率

生態(tài)需水保證率是指針對(duì)某一條河流，在某一個(gè)特定時(shí)期內(nèi)，通過實(shí)驗(yàn)儀器所測(cè)得的河道實(shí)際徑流量大于生態(tài)需水閾值的序列長度與總序列長度的比值，所求百分比即為其保證率。該值越大，表明該時(shí)段流量能夠滿足河流的生態(tài)環(huán)境需水，河流生態(tài)系統(tǒng)越健康。計(jì)算公式為

Pij=Dij/D=∑sgn(Qijk-Qj)/D

(6)

式中，Pij為第i年j月的生態(tài)需水保證率；Dij為第i年j月生態(tài)需水滿足天數(shù)；D為第i年j月的總天數(shù)；Qijk為第i年第j月第k日的實(shí)測(cè)流量；Qj為第i年j月生態(tài)需水量。

2 淮河干流關(guān)鍵斷面生態(tài)需水及其保證率計(jì)算分析

2.1 淮河流域概況

淮河流經(jīng)河南、湖北、安徽和江蘇4個(gè)省份，全長1 000 km，流域面積27萬km2，以洪河口和洪澤湖為界，分為上游、中游、下游。流域內(nèi)季風(fēng)氣候顯著，降雨時(shí)空分布不均，流域多年平均流量為1 969 m3/s。息縣、王家壩、魯臺(tái)子和蚌埠斷面位于淮河干流中上游，其水文資料具有較好的流域代表性。

圖1 淮河干流及其關(guān)鍵斷面示意

2.2 徑流變化特征分析

2.2.1 徑流趨勢(shì)分析

息縣、王家壩、魯臺(tái)子、蚌埠站1956年～2010年尺度徑流變化情況見圖2。4站徑流變化趨勢(shì)較為接近，其中，息縣斷面多年平均徑流量最小為820 m3/s，多年極值比為12.1；蚌埠斷面多年平均徑流量最大，為9 526 m3/s，多年極值比為15.2。查閱相關(guān)文獻(xiàn)可知，淮河流域于1956年發(fā)生較大洪水，由于息縣位于淮河上游，受洪水影響較小，王家壩、魯臺(tái)子、蚌埠等3個(gè)斷面均于1956年取得徑流最大值，分別為1 645、18 419、22 764 m3/s?？傮w來看，4個(gè)斷面年徑流量從上游到下游依次增加，且年際變化較大，豐枯差異明顯，徑流變化趨勢(shì)具有較高的一致性。

由圖2可以看出，息縣和王家壩斷面年徑流量呈現(xiàn)微弱遞增變化趨勢(shì)，而魯臺(tái)子和蚌埠斷面年徑流量則呈現(xiàn)微弱遞減趨勢(shì)。由各斷面多年徑流變化趨勢(shì)檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)值(見表2)可知，息縣和王家壩的M-K統(tǒng)計(jì)值均大于0，表明其徑流序列呈增加趨勢(shì)；魯臺(tái)子和蚌埠的M-K統(tǒng)計(jì)值均小于0，表明其徑流序列呈減少趨勢(shì)，這也與多年徑流實(shí)際變化趨勢(shì)相一致。除王家壩的M-K統(tǒng)計(jì)值通過90%的顯著性檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)值外，其余3個(gè)斷面均未通過，年徑流變化趨勢(shì)不明顯。

表2 淮河干流關(guān)鍵斷面多年徑流變化趨勢(shì)檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)值

2.2.2 徑流突變檢驗(yàn)

淮河干流息縣、王家壩、魯臺(tái)子和蚌埠4個(gè)斷面1956年～2010年實(shí)測(cè)徑流序列包括足夠的豐、平、枯年份，具有較好的可靠性、代表性和一致性。采用M-K法檢驗(yàn)淮河干流4個(gè)站點(diǎn)長時(shí)間流量資料，給定顯著性水平α=0.05，U=±1.96，結(jié)果如圖3所示。

4個(gè)站點(diǎn)長時(shí)間流量資料均未出現(xiàn)明顯變化趨勢(shì)，且UF與UB線在多處相交，因此采用與M-K法類Pettitt法來進(jìn)一步確定徑流系列的突變點(diǎn)[12]。結(jié)果表明：息縣、王家壩、魯臺(tái)子和蚌埠4個(gè)站點(diǎn)年徑流量分別在1980年、1984年、1977年、1989年前后出現(xiàn)顯著性差異，而M-K法在這幾個(gè)時(shí)間點(diǎn)上也出現(xiàn)了突變，且這也和徑流變化曲線相一致。因此，最終確定4個(gè)站點(diǎn)徑流系列突變點(diǎn)為1980年、1984年、1977年和1989年。

圖2 淮河關(guān)鍵斷面多年徑流變化

圖3 淮河干流關(guān)鍵斷面突變檢驗(yàn)

表3 淮河關(guān)鍵斷面生態(tài)需水計(jì)算結(jié)果

2.3 基于多種水文學(xué)法的生態(tài)需水計(jì)算與分析

2.3.1 生態(tài)需水計(jì)算

水文變異前時(shí)間序列可以理解為未經(jīng)人類活動(dòng)干擾的序列，即為天然徑流[13]?；趶搅髭厔?shì)分析和突變檢驗(yàn)，以突變前的水文序列作為計(jì)算生態(tài)需水的依據(jù)，進(jìn)而以多種水文學(xué)法計(jì)算淮河干流關(guān)鍵斷面生態(tài)需水。

生態(tài)需水及河流生態(tài)系統(tǒng)的正常運(yùn)行與河流水生生物的生活史階段有關(guān)[14]。水生生物的生長、繁殖與水量、水溫等密切相關(guān)，在汛期及非汛期對(duì)水量的需求不同。淮河以雨水補(bǔ)給為主，徑流年內(nèi)差異懸殊，汛期(6月～9月)徑流占全年徑流總量的54%～63%。選取Tennant法、最枯月徑流法、Texas法、7Q10法計(jì)算淮河干流關(guān)鍵斷面非汛期(10月～次年5月)生態(tài)需水；以多年平均流量的30%作為汛期(6月～9月)的生態(tài)需水值。4個(gè)關(guān)鍵斷面非汛期與汛期生態(tài)需水結(jié)果見表3。

通過表2可以看出，使用不同方法計(jì)算出的同一個(gè)斷面的生態(tài)需水值存在差別。對(duì)于息縣斷面，4種方法計(jì)算結(jié)果分別為10.5、16.2、12.6、12.3 m3/s，占多年平均流量的15.4%～23.7%。取4種水文學(xué)法計(jì)算結(jié)果的平均值作為其斷面的非汛期生態(tài)需水推薦值，即是12.9 m3/s，占多年平均徑流的18.9%。

對(duì)于王家壩、魯臺(tái)子和蚌埠斷面，采用7Q10法得出的生態(tài)需水值偏低，分別占多年平均徑流的11.9%、6.9%、9.7%。自王家壩斷面以下，徑流變化幅度比較劇烈，不宜采用7Q10法。隨著淮河生態(tài)經(jīng)濟(jì)帶的提出，沿岸生態(tài)區(qū)主要功能為水源涵養(yǎng)、水土保持、水質(zhì)保護(hù)及生物多樣性維護(hù)，對(duì)河流生態(tài)需水的要求較高。同時(shí)，為保證計(jì)算結(jié)果的合理性，采用Tennant法、最枯月徑流法、Texas法3種方法計(jì)算結(jié)果的平均值作為生態(tài)需水推薦值。王家壩、魯臺(tái)子和蚌埠3個(gè)斷面非汛期生態(tài)需水推薦值分別為33.6、106.5、124.4 m3/s，分別占多年平均徑流量的16.2%、17.5%、15.7%；汛期生態(tài)需水量分別為20.5、62.2、182.6、237.7 m3/s。

2.2.3 生態(tài)需水保證率計(jì)算

生態(tài)需水保證率是河流生態(tài)健康的切實(shí)保障。為分析淮河干流關(guān)鍵斷面1956年～2010年生態(tài)需水保證程度，根據(jù)各斷面的生態(tài)需水計(jì)算結(jié)果，計(jì)算得到淮河干流關(guān)鍵斷面生態(tài)需水保證率見圖4。整體來看，4個(gè)斷面生態(tài)需水保證率變化較大，最小值均出現(xiàn)在6月，分別為78.1%、65.6%、63.3%、54.8%，隨后生態(tài)需水保證率趨于平穩(wěn)，穩(wěn)定在較高水平。

圖4 淮河干流關(guān)鍵斷面生態(tài)需水保證率

息縣多年月平均生態(tài)需水保證率達(dá)到90%以上，維持生態(tài)系統(tǒng)正常運(yùn)行所需的水量基本可以得到保證。王家壩、魯臺(tái)子和蚌埠斷面多年月平均生態(tài)需水保證率分別為81.6%、83.3%、77.9%。為進(jìn)一步研究年內(nèi)生態(tài)需水保證程度，結(jié)合典型年徑流過程進(jìn)行生態(tài)需水保證率計(jì)算[15]，對(duì)4個(gè)關(guān)鍵斷面不同水文年汛期及非汛期的生態(tài)需水保證程度作具體分析。

通過劃分徑流系列的豐、平、枯、特枯等不同年型，確定不同水文年生態(tài)需水保證程度。結(jié)合水文頻率曲線得到豐(P=25%)、平(P=50%)、枯(P=75%)、特枯年(P=95%)對(duì)應(yīng)的年份見表4[16]。

表4 淮河干流關(guān)鍵斷面典型年統(tǒng)計(jì)

表5 淮河干流關(guān)鍵斷面典型年生態(tài)需水保證率

由表5可知：①非汛期生態(tài)需水保證程度高于汛期。汛期水量充足，但用于維持生態(tài)系統(tǒng)正常運(yùn)行所需的水量也隨之升高。各斷面非汛期生態(tài)需水保證率分別為93.0%、92.4%、78.7%、71.4%，汛期生態(tài)需水保證率為88.6%、86.1%、72.8%、71.2%。相比于非汛期，汛期的河流生態(tài)系統(tǒng)健康較難得到保證，通過科學(xué)的水資源優(yōu)化配置來調(diào)節(jié)汛期和非汛期之間的水量差異尤為重要。②豐水年份生態(tài)需水保證程度高于枯水年份。各斷面豐水年與平水年平均生態(tài)需水保證率分別為84.1%、89.1%，枯水年和特枯年平均生態(tài)需水保證率為81.8%、72.7%。③生態(tài)需水保證程度從上游到下游逐漸降低。隨著淮河干流水庫、閘壩等水利設(shè)施的興起，河道徑流狀態(tài)不同程度地發(fā)生了改變，上游斷面的河道徑流狀態(tài)更接近于天然徑流狀態(tài)，河流生態(tài)系統(tǒng)的健康運(yùn)行更容易得到保證。

3 結(jié) 論

(1)4個(gè)斷面時(shí)間序列未出現(xiàn)明顯變化趨勢(shì)，結(jié)合Pettitt檢驗(yàn)方法確定其突變點(diǎn)分別為1980年、1984年、1977年、1989年。

(2)非汛期生態(tài)需水推薦值為16.2、33.6、106.5、124.4 m3/s，汛期生態(tài)需水推薦值為20.5、62.2、182.6、237.7 m3/s。

(3)非汛期生態(tài)需水保證程度高于汛期，豐水年份生態(tài)需水保證程度高于枯水年份，且生態(tài)需水保證程度從上游到下游逐漸降低。