水土保持生態(tài)建設(shè)對黃河中游水文情勢影響研究

穆興民 賈昊 高鵬 趙廣舉 孫文義

摘 要：以黃河中游河口鎮(zhèn)至潼關(guān)區(qū)間（河潼區(qū)間）的頭道拐、府谷、吳堡、龍門和潼關(guān)水文站日均流量為研究對象，采用水文指標(biāo)改變度（IHA）方法計(jì)算1958—2020年32個(gè)水文指標(biāo)值，以1958—1979年作為參照，評價(jià)各個(gè)水文站1980年以來和2000年以來水土保持生態(tài)建設(shè)對黃河水文情勢的影響。結(jié)果表明：黃河河潼區(qū)間整體水文改變度呈低等級高度改變;在五大類水文指標(biāo)中，年極端流量類（第II類）和高低流量的頻率及歷時(shí)類（第V類）水文指標(biāo)呈高度改變;在32個(gè)指標(biāo)中，1980年以來和2000年以來流量的逆轉(zhuǎn)次數(shù)發(fā)生高度改變，11月平均流量呈低度改變。水利水土保持措施和退耕還林（草）工程對黃河中游水文情勢產(chǎn)生較大影響，使得河流徑流波動(dòng)性減弱。

關(guān)鍵詞：徑流;水文情勢;水文改變度;水土保持;黃河中游

中圖分類號：P333.5;TV882.1

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2021.10.009

引用格式：穆興民，賈昊，高鵬，等.水土保持生態(tài)建設(shè)對黃河中游水文情勢影響研究[J].人民黃河，2021，43（10）：44-50.

Abstract： Hydrological regime is an important indicator reflecting river ecosystem change， which affects river health and social-economic development along the river. This study applied the IHA（Indicators of Hydrological Alternation method） to the Toudaoguai， Fugu， Wubao， Longmen and Tongguan hydrological stations from Hekouzhen to Tongguan in the Yellow River basin. The daily streamflow from 1958 to 2020 were used to estimate 32 hydrological indicators. The whole time series were divided into two periods of 1958-1979 and 1980-2020. The results show that the degrees of hydrological alternation during 1980-2020 at all the stations remain low level when comparing with the indicators in the period of 1958-1979. Among the five groups of hydrological indicators， annual extreme flow（Group II） and the frequency and duration of high and low pulses（Group V） show high degree of alternation. Among the 32 indicators， the reversal times of runoff show high degree of alternation， and average flows in November show low degree in the middle reaches of the Yellow River since 1980. Hydraulic projects and soil and water conservation measures have great impact on the hydrological regime changes in the middle reaches， and weakened the fluctuation of river runoff.

Key words： runoff; hydrological regime; degree of alternation; soil and water conservation; Middle Yellow River

黃土高原的自然環(huán)境決定了黃河徑流及泥沙變化是一個(gè)需要長期研究的課題，黃河水沙的增加、減少甚或不變都會(huì)引起社會(huì)各界的廣泛關(guān)注[1]。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和水土保持及生態(tài)建設(shè)工程的規(guī)模化實(shí)施，黃河水文情勢發(fā)生較世界其他大河更為顯著的變化。黃河及其入黃支流徑流量顯著減小[1-2]，中游地區(qū)的諸多支流幾乎淪為季節(jié)性河流;黃河在20世紀(jì)70年代后出現(xiàn)頻繁斷流[3]，河口三角洲萎縮[4]。進(jìn)入21世紀(jì)，黃河水沙的突兀性減少使黃河水沙情勢研究再次成為焦點(diǎn)和熱點(diǎn)[1]。

河流的水文情勢是河流生態(tài)系統(tǒng)變化的內(nèi)生動(dòng)力，其變化影響著河流健康及沿河地區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。河流水文情勢變化包括水文要素在時(shí)間和空間上的變化。針對河流單一站點(diǎn)徑流特征，目前國內(nèi)外學(xué)者多對年徑流量的階段性、突變性、周期性、趨勢性及其影響因素開展研究，為水資源合理利用提供理論支撐[5-7]。Poff等[8]認(rèn)為水文情勢包括流量的量級、歷時(shí)、出現(xiàn)時(shí)間、頻率和變化率等5個(gè)方面。因此，評價(jià)河流生態(tài)系統(tǒng)的健康狀況、水資源管理及洪水特征需構(gòu)建完善的河川徑流指標(biāo)體系，以充分體現(xiàn)河流水文系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)和功能。Richter等[9]提出了包含33個(gè)指標(biāo)的水文改變度（Indicators of Hydrologic Alteration，IHA）方法，將長系列的日水文數(shù)據(jù)匯總成一系列相對易于處理的與生物生態(tài)相關(guān)的水文參數(shù)，通過某一時(shí)間節(jié)點(diǎn)前后33個(gè)徑流指標(biāo)的變化來表征水文情勢的變化。

自Richter等[9]提出IHA方法以來，該方法在世界各地河流水文情勢分析中得到了廣泛應(yīng)用。為了定量化標(biāo)度徑流情勢變化等級，Richter 等[10]提出變異范圍（Range of Variability Approach，RVA）分析法進(jìn)行單變量及水文綜合改變的評定，并定義了 RVA 閾值。Shiau等[11]提出直方圖匹配法（HMA）用于標(biāo)度徑流情勢改變度。陳偉東等[12]認(rèn)為在水利工程建設(shè)前后資料年數(shù)相差較大的情況下，直接用 IHA 法評價(jià)工程對徑流的影響存在一定的不合理性，并提出了改進(jìn)方法。目前，IHA方法多用于水利工程特別是水庫建設(shè)后河流水文情勢改變的研究。Jiang等[13]采用IHA法分析指出，三峽大壩對長江中下游徑流變化率和年極端流量改變較大，且從大壩開始向下游延伸的影響愈來愈小。陳啟慧等[14]采用IHA法對長江徑流研究發(fā)現(xiàn)，總體上葛洲壩水利樞紐對河流天然徑流的改變不大，但具有一定的削峰坦化作用。周毅等[15]研究指出，黃河源區(qū)水文情勢呈中度改變，并呈向小流量變化的趨勢。不同于大型水利工程，水土保持生態(tài)建設(shè)工程對河流水文情勢的影響是一個(gè)累積的漸變過程，當(dāng)流域水土保持生態(tài)建設(shè)工程達(dá)到一定規(guī)模后方能顯現(xiàn)。黃土高原占黃河中游大部分地區(qū)，是黃河流域水土流失最嚴(yán)重、入黃泥沙最多的區(qū)域，也是黃河流域水土保持生態(tài)建設(shè)投入最大、成效最顯著的區(qū)域。隨著水土保持與生態(tài)恢復(fù)的推進(jìn)，黃河中游地區(qū)流域下墊面產(chǎn)流及匯流條件發(fā)生顯著變化，河流水文情勢發(fā)生改變[16]。黃河水文情勢變化有兩個(gè)重要時(shí)段，一個(gè)是20世紀(jì)80年代，另一個(gè)是20世紀(jì)末實(shí)施退耕還林（草）工程后[1]。根據(jù)黃河徑流量及輸沙量變化成因分析以及表達(dá)習(xí)慣[17]，本文選擇1980年和2000年為時(shí)間節(jié)點(diǎn)，以1958—1979年為參照，對黃河中游河口鎮(zhèn)至潼關(guān)區(qū)間（河潼區(qū)間）的頭道拐、府谷、吳堡、龍門和潼關(guān)站的水文情勢進(jìn)行多維度的綜合分析和評價(jià)，以期為黃河水資源的合理利用及水生態(tài)治理提供科學(xué)支撐。

1 材料與方法

1.1 資料來源

研究所用日流量資料來源于黃河水利委員會(huì)《黃河流域水文年鑒》，部分實(shí)測資料有缺失，分別為頭道拐站1970年、1987年、1989—2001年，府谷站1958—1972年、1990—2001年、2005年5月1日—2006年4月22日，吳堡站1970年、1990—2001年，龍門站1970年、1988年、1991—2001年、2005年4月26日—2006年4月22日，潼關(guān)站1958年、1959年1—6月、1961年1—6月、2005年4月26日—2006年4月22日。

1.2 研究方法

1.2.1 水文改變度方法

Richter等[9]于1996年提出的水文改變度（IHA）方法可以全面刻畫河流水文情勢。IHA方法把33個(gè)水文指標(biāo)劃分為5類，可從各個(gè)維度全面評價(jià)河流水文情勢的改變狀況。鑒于河潼區(qū)間干流未出現(xiàn)零流量日，故本文不包括零流量天數(shù)指標(biāo)，調(diào)整后的水文要素指標(biāo)見表1。

1.2.2 確定變化等級方法

為了定量描述每個(gè)水文指標(biāo)受影響后的改變程度，Richter等[9]在IHA法的基礎(chǔ)上提出了定量表征水文改變度的等級評價(jià)方法：

式中：Di為第i（i=1～33）個(gè)指標(biāo)的水文改變程度（正值表示增大，負(fù)值表示減小），|Di|值介于0～33%之間屬于低度改變或未發(fā)生改變，|Di|值介于34%～66%之間屬于中度改變，|Di|值介于67%～100%之間屬于高度改變;N0，i為第i個(gè)IHA在變異后仍落于RVA閾值內(nèi)的年數(shù);Ne為IHA變異后預(yù)期落于RVA閾值內(nèi)的年數(shù)。

IHA方法通過諸多指標(biāo)反映河流的水文情勢，但無法把握水文情勢改變的整體狀態(tài)。Shiau[11，18]等在水文改變度的基礎(chǔ)上提出整體水文改變度D0，即采用加權(quán)平均法來計(jì)算河流水文情勢的整體改變度，分為以下3種情況進(jìn)行計(jì)算。

情況①：若選取的每個(gè)水文要素指標(biāo)的改變度均小于33%，則將其歸類為整體水文改變度為低度，計(jì)算公式為

式中：n為評估所使用的水文要素指標(biāo)的個(gè)數(shù)。

情況②：若選取的每個(gè)水文要素指標(biāo)的改變度均小于67%，且至少存在一個(gè)水文要素指標(biāo)的改變度大于或等于33%，則將其歸類為整體水文改變度為中度，計(jì)算公式為

式中：Nm為屬于中度改變的水文指標(biāo)個(gè)數(shù)。

情況③：若選取的水文要素指標(biāo)中至少存在1個(gè)水文要素指標(biāo)的改變度大于或等于67%，則將其歸類為整體水文改變度為高度，計(jì)算公式為

式中：Nk為屬于高度改變的水文指標(biāo)個(gè)數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 河潼區(qū)間黃河水文情勢整體改變度

與1958—1979年相比，1980年以來和2000年以來，河潼區(qū)間各水文站水文情勢整體呈低等級高度改變狀態(tài)，2000年以來改變度有所增大（見表2及表3）。由于水文改變度達(dá)到或略超閾值（如龍門及潼關(guān)），因此說低等級。對于不同類別水文要素，與1958—1979年相比，1980年以來各水文站第Ⅰ類、第Ⅲ類及第Ⅳ類水文要素改變度多呈中度改變，第Ⅱ類和第Ⅴ類呈高度改變;而2000年以來，第Ⅲ類水文要素改變度顯著增大。這表明20世紀(jì)80年代以來及2000年以來，水利工程和水土保持生態(tài)工程引起河潼區(qū)間水文情勢變化，尤其對年極端流量及流量變化率影響較大。

2.2 河潼區(qū)間各類水文指標(biāo)的改變度

2.2.1 第Ⅰ類指標(biāo)（月均流量）改變度

與1958—1979年相比，1980年以來河潼區(qū)間月均流量整體呈中度改變，2000年以來月均流量整體呈中度改變，除個(gè)別站及個(gè)別月份外，月均流量呈現(xiàn)減小趨勢（見表4及表5）。1980年以來河潼區(qū)間月均流量（尤其是5月）中度改變在全年占比較高，汛期月均流量呈中度改變，部分站個(gè)別月份發(fā)生高度改變。2000年以來河潼區(qū)間月均流量（尤其是11月）中度改變在全年占比較高，5—8月月均流量水文改變度為中度改變。2000年以來潼關(guān)水文站月均流量發(fā)生高度改變，為全年的58.3%。1980年以來和2000年以來除府谷水文站外，其他4個(gè)水文站6月月均流量呈增大趨勢，其中潼關(guān)水文站達(dá)到高度改變。

2.2.2 第Ⅱ類指標(biāo)（年極端流量）改變度

與1958—1979年相比，1980年以來河潼區(qū)間極端流量整體呈中等級低度改變，2000年以來極端流量整體呈中等級高度改變，極端流量整體呈減小趨勢（見表6及表7）。1980年以來，河潼區(qū)間最小30 d流量、最大3 d流量和最大7 d流量發(fā)生低度改變，最小1 d流量、最大90 d流量和基流指數(shù)發(fā)生中度改變;潼關(guān)水文站的極端流量主要呈低度改變，占整體極端流量指標(biāo)數(shù)的54.5%。2000年以來，河潼區(qū)間最小1 d流量、最小30 d流量以及最大1、30、90 d流量和基流指數(shù)發(fā)生中等級高度改變，其中最小1 d流量減小了18%、最大30 d流量減小了43%;潼關(guān)水文站的極端流量主要呈中度改變，占整體極端流量指標(biāo)數(shù)的63.6%。1980年以來，河潼區(qū)間最小30 d流量上游呈減小趨勢、下游呈增大趨勢，吳堡站發(fā)生高度改變;2000年以來河潼區(qū)間最小30 d流量除府谷站外，其他4個(gè)水文站呈增大趨勢，其中吳堡站達(dá)到高度改變。

2.2.3 第Ⅲ類指標(biāo)（年極端流量發(fā)生時(shí)間）改變度

與1958—1979年相比，1980年以來河潼區(qū)間極端流量發(fā)生時(shí)間整體呈中等級低度改變，2000年以來極端流量發(fā)生時(shí)間整體呈中等級高度改變（見表8）。1980年以來河潼區(qū)間最小1 d流量出現(xiàn)時(shí)間呈低度改變，除府谷和龍門站呈提前趨勢外，其他3個(gè)水文站呈推遲趨勢;最大1 d流量出現(xiàn)時(shí)間除潼關(guān)站呈推遲趨勢外，其他4個(gè)水文站呈提前趨勢，其中府谷站從第161天提前至第149天，潼關(guān)站從第169天推遲至第182天。2000年以來河潼區(qū)間最小1 d流量出現(xiàn)時(shí)間除府谷站呈提前趨勢外，其他4個(gè)水文站呈推遲趨勢，且潼關(guān)水文站呈高度改變;最大1 d流量出現(xiàn)時(shí)間呈提前趨勢，其中府谷站從第224天提前至第89天，頭道拐站、龍門站和潼關(guān)站呈中度改變，府谷站和吳堡站呈高度改變。

2.2.4 第Ⅳ類指標(biāo)（高、低流量的頻率及歷時(shí)）改變度

與1958—1979年相比，1980年以來河潼區(qū)間高、低流量頻率及歷時(shí)整體呈中等級低度改變，2000年以來高、低流量的頻率及歷時(shí)整體呈中等級高度改變（見表9）。1980年以來，河潼區(qū)間低流量歷時(shí)呈低度改變，高流量發(fā)生頻率呈中度改變，除府谷站高流量發(fā)生次數(shù)達(dá)到高度改變外，其他各站的均為低度改變或中度改變，吳堡站與潼關(guān)站的水文指標(biāo)改變趨勢相同。2000年以來，河潼區(qū)間低流量發(fā)生頻率呈顯著減小趨勢，且達(dá)到高度改變;高流量的平均歷時(shí)達(dá)到中等級高度改變;除龍門個(gè)別指標(biāo)呈增大趨勢外，其他各站的水文指標(biāo)呈減小趨勢，其中潼關(guān)站高、低流量頻率及歷時(shí)的水文改變度為河潼區(qū)間最高。

2.2.5 第Ⅴ類指標(biāo)（流量變化改變率及頻率）改變度

與1958—1979年相比，1980年以來河潼區(qū)間流量變化改變率及頻率改變度整體呈中等級高度改變，2000年以來流量變化改變率及頻率改變度整體呈高度改變（見表10）。1980年以來，河潼區(qū)間流量變化的逆轉(zhuǎn)次數(shù)呈高度改變，府谷站和吳堡站流量變化改變率及頻率整體呈高度改變。2000年以來，除頭道拐和龍門站流量平均減小率呈中度改變以及潼關(guān)站的流量平均增大率呈低度改變外，其他均為高度改變。1980年以來和2000年以來河潼區(qū)間流量變化的逆轉(zhuǎn)次數(shù)均呈高度改變，表明黃河中游徑流逐漸趨于穩(wěn)定，河流徑流量的波動(dòng)性減小，說明水利水土保持措施和退耕還林（草）對河川徑流的水文情勢有較大穩(wěn)定作用。

2.3 河潼區(qū)間32個(gè)水文指標(biāo)的改變度

在32個(gè)水文指標(biāo)中，與1958—1979年相比，1980年以來和2000年以來流量變化的逆轉(zhuǎn)次數(shù)均發(fā)生高度改變，11月月均流量呈低度改變。1980年以來河潼區(qū)間5個(gè)水文站的水文情勢變化以中等級低度改變?yōu)橹鳎?000年以來則以中等級高度改變?yōu)橹?，表明水利水土保持措施和退耕還林（草）對河潼區(qū)間的水文情勢產(chǎn)生較大影響（見圖1、圖2）。

3 結(jié) 論

IHA法是目前評價(jià)河流水文情勢變化的最好方法。本文分析了黃河中游河口鎮(zhèn)至潼關(guān)區(qū)間5個(gè)干流水文站1958—2020年逐日流量資料，以1958—1979年為參照，采用IHA法評價(jià)1980年以來和2000年以來黃土高原水土保持生態(tài)建設(shè)對黃河中游水文情勢變化的影響，所得結(jié)論如下。

（1）與1958—1979年相比，1980年以來河潼區(qū)間水文情勢整體呈低等級高度改變，極端流量和流量變化改變率及頻率呈高度改變，其他水文指標(biāo)呈中度或低度改變。

（2）與1958—1979年相比，2000年以來河潼區(qū)間整體水文改變度高于1980年以來的，并且達(dá)到中等級高度改變，其中2000年以來的第Ⅲ類水文指標(biāo)（年極端流量發(fā)生時(shí)間）達(dá)到高度改變，高于1980年以來的中度改變。

（3）河潼區(qū)間的水土保持工程措施和植被恢復(fù)對水文情勢的影響主要體現(xiàn)在極端流量減小和流量變化的逆轉(zhuǎn)次數(shù)減少，使得徑流波動(dòng)性減小，逐漸趨于穩(wěn)定。

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