近60年來岷江水文情勢(shì)評(píng)價(jià)

郭文獻(xiàn)，周昊彤，張 麗，焦旭洋，王鴻翔

（華北水利水電大學(xué)，鄭州450045）

0 引言

河流生態(tài)水文情勢(shì)是河流生態(tài)系統(tǒng)的自然動(dòng)力學(xué)特征，決定并影響著河流生態(tài)系統(tǒng)的能量過程、生物相互作用和物理?xiàng)⒌氐那闆r等，水文情勢(shì)的變化對(duì)生物群落的組成和多樣性造成嚴(yán)重影響，改變了物種的分布和豐度［1］。岷江為長(zhǎng)江上游重要支流之一，其水資源的開發(fā)及其利用十分受人們重視。近幾十年來，岷江流域水庫的建設(shè)強(qiáng)度顯著增加，逐漸形成包含串并混聯(lián)的梯級(jí)水庫群。水庫的建設(shè)對(duì)流岷江流域造成嚴(yán)重的整體壓力，水文情勢(shì)發(fā)生了較大的改變，勢(shì)必會(huì)對(duì)流域內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生一定的干擾。

隨著岷江流域大規(guī)模水庫的頻繁開發(fā)與人類活動(dòng)的加劇對(duì)岷江水文情勢(shì)帶來了較大的改變，其流量有減少的趨勢(shì)，并對(duì)下游魚類的洄游產(chǎn)卵產(chǎn)生了一定的影響［2］。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于水文情勢(shì)改變的定量分析進(jìn)行了諸多探討。最為學(xué)者們廣泛應(yīng)用的是分析河流整體水文情勢(shì)變化的變動(dòng)范圍法（RVA），該方法由Richter 提出，利用河流流量變化與外界生態(tài)改變程度，得到流域整體的改變度［3-5］。郭文獻(xiàn)等［6］對(duì)三峽水庫運(yùn)行后長(zhǎng)江下游水文情勢(shì)變化以及長(zhǎng)江魚類產(chǎn)卵和物種豐度的變化展開了研究；呂超楠等［7］對(duì)岷江流域水庫建設(shè)改變輸沙量、徑流量進(jìn)行了綜合評(píng)估，得出流域內(nèi)水文情勢(shì)變化與水庫建設(shè)有關(guān)的結(jié)論；王宇等［8］基于RVA 法從河流水文情勢(shì)指標(biāo)和生態(tài)多樣性指標(biāo)兩方面分析尼爾基水利樞紐運(yùn)行對(duì)下游河流水文情勢(shì)的影響；張康［9］等采用CHITIC 法改進(jìn)的RVA 法對(duì)長(zhǎng)江支流的整體水文變異度進(jìn)行了綜合的探究，根據(jù)水文指標(biāo)權(quán)重反映控制斷面整體改變度。由于岷江流域內(nèi)水庫建設(shè)情況與水生生物資料較少，缺乏人類活動(dòng)對(duì)水文情勢(shì)影響的整體分析和水文情勢(shì)變化對(duì)流域內(nèi)生物的影響定性分析，因此對(duì)于此類問題還需進(jìn)一步探討。

本研究以岷江流域下游高場(chǎng)水文站為研究對(duì)象，高場(chǎng)水文站是岷江下游出口河段控制站。選取高場(chǎng)站1956-2017年歷史日均流量數(shù)據(jù)，采用Mann-Kendall 法［10］、均值差異T 檢驗(yàn)法［11］分析岷江水文特征與變化趨勢(shì)，結(jié)合累積距平法對(duì)高場(chǎng)水文站的流量時(shí)間序列進(jìn)行階段劃分［12］。隨后用水文變化指標(biāo)體系（IHA）和變動(dòng)范圍法（RVA）對(duì)高場(chǎng)水文站突變前后時(shí)間序列的水文改變程度定量分析，并探討岷江流域水文情勢(shì)變化的原因。本次研究，在前人的基礎(chǔ)上對(duì)岷江流域的水文情勢(shì)變化進(jìn)行了更為詳細(xì)的探討，分析岷江流域梯級(jí)電站開發(fā)對(duì)流量的改變度，并根據(jù)分析結(jié)果對(duì)流域內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定及一些水生生物的影響進(jìn)行評(píng)價(jià)，為水電開發(fā)及河道整治提供參考。

1 研究區(qū)域概況及數(shù)據(jù)來源

岷江是長(zhǎng)江上游左岸一級(jí)支流，發(fā)源于四川松潘岷山南麓，擁有豐富淡水漁業(yè)資源。岷江作為成都平原水資源的重要來源，流域內(nèi)擁有都江堰水利工程，為“天府之國(guó)”的形成提供了基礎(chǔ)支撐，涵養(yǎng)區(qū)23 037 km2［13］。岷江流域上有條較大的支流為大渡河，流域由岷江干流上游、青衣江與大渡河匯流而成。岷江下游是魚類重要的棲息場(chǎng)所，也是溝通岷江中上游、大渡河的重要通道［14］。本次研究對(duì)象高場(chǎng)水文站處于大渡河與岷江的交匯處，位于岷江下游，因此高場(chǎng)水文站的流量數(shù)據(jù)具有代表性。隨著科技發(fā)展和人類生活水平的提高，近年來對(duì)岷江流域的開發(fā)力度急劇增加，岷江流域的水體環(huán)境已經(jīng)發(fā)生了較大的變化，對(duì)生態(tài)環(huán)境也產(chǎn)生了不可逆轉(zhuǎn)的后果，尤其是岷江流域上梯級(jí)電站的逐步修建對(duì)岷江下游徑流和魚類資源帶來一系列影響［15］。大渡河上建有龔嘴水庫于1972年開始蓄水，銅街子水庫于1993年開始運(yùn)行，在高場(chǎng)站的控制面積內(nèi)對(duì)水文序列造成了顯著改變，位于岷江上游的紫坪鋪水庫在2006年投入運(yùn)行，與岷江流域原有水庫并聯(lián)運(yùn)行。岷江流域水系見圖1。

圖1 岷江流域示意圖Fig.1 Schematic diagram of the Minjiang River Basin

本文使用的逐日流量數(shù)據(jù)來源于長(zhǎng)江流域水文年鑒，水電站建設(shè)數(shù)據(jù)為當(dāng)?shù)卣?013年5月開展的野外調(diào)查收集得來。

2 研究方法

本研究主要采用Mann-Kendall 檢驗(yàn)法、累積距平法、滑動(dòng)T 檢驗(yàn)法結(jié)合均值差異T 檢驗(yàn)法，以高場(chǎng)水文站為研究對(duì)象分析岷江流域的趨勢(shì)性和突變性檢驗(yàn)，方法計(jì)算過程見參考文獻(xiàn)［16，17］。

Richter 等1996年提出33 個(gè)水文改變指標(biāo)（Indicators of Hydrology Alteration，IHA），IHA 指標(biāo)可以定量分析岷江流域水庫建設(shè)對(duì)河流水文情勢(shì)的影響程度，可結(jié)合水文變化指標(biāo)法的基礎(chǔ)變動(dòng)范圍法（RVA）來進(jìn)行分析［18］。將高場(chǎng)水文站的日流量資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并將處于自然狀態(tài)下的長(zhǎng)期水文資料作為定義水文變量變化范圍的基礎(chǔ)。根據(jù)水文情勢(shì)的基本特征將32個(gè)水文指標(biāo)劃分為五組（本研究不考慮零流量天數(shù)水文指標(biāo)），分析水文情勢(shì)突變前后的改變程度，確定人類活動(dòng)因素對(duì)自然河流的改變。其公式如下：

式中：Di表示第i個(gè)指標(biāo)的水文改變度；N0，i表示突變后的IHA值落在RVA 范圍內(nèi)的年數(shù)；Ne表示突變后IHA 值預(yù)期落在RVA 范圍內(nèi)的年數(shù)（Ne=P×NT，P為50%，NT為突變后流量系列總年數(shù)）。

Richter 等建議頻率75%作為各個(gè)指標(biāo)上限，25%作為各個(gè)指標(biāo)下限，作為RVA 的范圍。若突變后計(jì)算出的水文指標(biāo)在上、下限之內(nèi)，則河流自身的承載能力可以適應(yīng)水文情勢(shì)帶來的變化；若水文指標(biāo)計(jì)算結(jié)果不在上、下限范圍內(nèi)，則表明水文情勢(shì)的改變會(huì)對(duì)流域內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)造成不可逆的影響，甚至造成生態(tài)群落的改變。為了對(duì)IHA 指標(biāo)改變度進(jìn)行定量分析為水文改變度設(shè)定一個(gè)判斷標(biāo)準(zhǔn)，Di值在0～33%屬于低度改變；33%～67%屬于中度改變；67%～100%屬于高度改變。為了研究河流突變后整體的改變度體現(xiàn)出各指標(biāo)的權(quán)重，本研究采用對(duì)較大的Di值賦予較大的權(quán)重，其公式如下：

式中：D0表示整體水文變化程度，判斷標(biāo)準(zhǔn)與Di相同。

3 結(jié)果與討論

3.1 岷江年均流量變化特征

圖2 為岷江高場(chǎng)水文站1956-2017年均流量變化。由圖中可知，所選水文序列年中，極大值為3 185 m3/s（1990年），次極大值為3 183 m3/s（1985年），極小值為2 014 m3/s（2006年），次極小值為2 168 m3/s（1972年），岷江年均流量呈下降趨勢(shì)。根據(jù)趨勢(shì)檢驗(yàn)分析的結(jié)果，得出高場(chǎng)站1965-2017年的檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量為-2.76，統(tǒng)計(jì)量為負(fù)值，表示呈下降的趨勢(shì)，且統(tǒng)計(jì)量的絕對(duì)值大于2.58，通過99%的顯著水平檢驗(yàn)。

圖2 岷江年均流量及趨勢(shì)線Fig.2 Annual average flow and trend line of Minjiang

3.2 年均流量突變性檢驗(yàn)

岷江水量豐富，可開發(fā)水電資源較多，近些年岷江流域水庫建設(shè)明顯增加，水庫的數(shù)量和水庫的容量顯著提升。目前，岷江流域上已修建完成的水庫共計(jì)875 座，其中大型水庫高達(dá)20 余座，累計(jì)總庫容達(dá)153 億m3。其中，大型水庫占已建成水庫總庫容的83%以上，為人們生活，灌溉，航運(yùn)等帶來了極大的便利。

高場(chǎng)水文站所處位置特殊，位于大渡河和岷江干流的交匯處，流量變化可以綜合反映岷江流域水庫串聯(lián)模式下水庫調(diào)蓄的影響程度。結(jié)合大渡河和岷江干流上大中型水庫的建設(shè)，龔嘴水庫和銅街子水庫分別于1972年和1992年開始運(yùn)行。在近十年岷江流域水庫建設(shè)突飛猛進(jìn)，總庫容快速增大，分別于2005年和2009 修建大（1）型水庫紫坪鋪和瀑布溝水庫。另外采用高場(chǎng)水文站1956-2017年流量系列資料，進(jìn)行趨勢(shì)性和突變性檢驗(yàn)，得出可能突變的年份，如表1所示。

表1 年均流量突變統(tǒng)計(jì)結(jié)果Tab.1 Statistical results of annual runoff variation

3.3 岷江流域突變前后水文情勢(shì)分析

綜合以上分析，選取銅街子水庫投入運(yùn)行1993年前后，岷江下游高場(chǎng)站年均流量發(fā)生突變。將高場(chǎng)水文站逐日流量數(shù)據(jù)劃分為突變前（1956-1993年）和突變后（1994-2017年）兩個(gè)階段，并與水文指標(biāo)法、變動(dòng)范圍法（RVA）相結(jié)合來分析水文情勢(shì)整體變化與各水文指標(biāo)改變程度，計(jì)算過程見表2。

表2 岷江突變前后IHA指標(biāo)統(tǒng)計(jì)表Tab.2 IHA index statistics table before and after abrupt change in Minjiang

3.3.1 月中值流量大小

結(jié)合月中值流量與月中值流量差可知（見圖3、4），岷江下游流量突變前，高場(chǎng)站1-4月份流量逐月遞增，在4月份時(shí)流量增加到頂峰，5-11月份流量有不同程度的減少。其中原因與岷江水庫串聯(lián)運(yùn)行模式有關(guān)，水庫的運(yùn)行對(duì)岷江下游的蓄水可以起到一定的調(diào)節(jié)作用，在汛期水庫蓄水可以減少下泄流量，在枯水期放水以免下游干旱。岷江流域水庫建設(shè)一直在進(jìn)行，水庫的數(shù)量和容量不斷增加。1993年以前水庫建設(shè)比較平緩，多建設(shè)中小型水庫，在1993年之后大中型水庫不斷增大，平均庫容增大量超過之前所有時(shí)期總和，形成水庫串聯(lián)運(yùn)行模式。為人們帶來了巨大效益的同時(shí)也改變了岷江的水文情勢(shì)。

圖3 月中值流量比較Fig.3 Comparison of monthly median flow

3.3.2 年極值流量變化

圖5 和圖6 為改變最為顯著的年極值流量變化圖，從圖中可以看出年均7 d 最小流量在銅街子水庫建設(shè)后呈上升趨勢(shì)，改變度為高度改變且部分高于RVA 閾值上限；年均1 d 最大流量則呈下降趨勢(shì)，水文的改變程度在流域的可承載范圍內(nèi)。

圖5 年均最小7 d流量變化Fig.5 The minimum 7 day annual flow changes in the annual average

圖6 年均最大1 d 流量變化Fig.6 The maximum annual 1 day flow change

圖4 月中值流量差Fig.4 Difference of monthly median flow

3.3.3 年極端流量發(fā)生時(shí)間

由表2 可知，在水庫建設(shè)后年極端流量發(fā)生時(shí)間改變度呈微小變化，表明年極端流量的發(fā)生對(duì)流域內(nèi)生境的影響較小。圖7 為年最大流量出現(xiàn)時(shí)間曲線圖，圖中最大流量出現(xiàn)時(shí)間閾值范圍有所增加，但大部分還處于上、下限之間，具有一定的穩(wěn)定性。突變后對(duì)岷江流域造成了一定的影響，岷江水利設(shè)施的建設(shè)使得高流量時(shí)間基本穩(wěn)定。

圖7 最大流量出現(xiàn)時(shí)間Fig.7 Maximum flow time

3.3.4 高低流量的頻率及歷時(shí)

高場(chǎng)水文站高、低脈沖出現(xiàn)次數(shù)在水文突變后都有不同程度的增加，而歷時(shí)都有不同程度的減少。圖8 為高場(chǎng)站突變前后低脈沖次數(shù)曲線圖，低脈沖次數(shù)從4 次升高到了8 次，歷時(shí)從5 d減少到了2 d，低脈沖次數(shù)的改變度達(dá)到43%為中度改變，由圖中也可知突變后高場(chǎng)站低脈沖次數(shù)整體增加，突變后超出RVA 閾值上限的部分明顯增多，這將對(duì)汛期過渡產(chǎn)生不利影響。高脈沖的次數(shù)從8 次上升到10 次，歷時(shí)從4 d 下降到3 d，其中高脈沖次數(shù)也為中度改變。表明水庫的建設(shè)對(duì)岷江的水文環(huán)境帶來了改變，顯著的改變了岷江下游的水文情勢(shì)。

圖8 高場(chǎng)站突變前后低脈沖次數(shù)Fig.8 Low pulse frequency curve before and after abrupt change

3.3.5 流量變化改變率及頻率

水文條件變化的速率及頻率改變度大部分呈現(xiàn)高度改變，下降率和逆轉(zhuǎn)次數(shù)較突變前后變化顯著，下降率改變度達(dá)到100%。圖9為高場(chǎng)站突變前后逆轉(zhuǎn)次數(shù)變化曲線圖，呈明顯上升趨勢(shì)，表明突變過程中水庫建設(shè)對(duì)岷江下游流域產(chǎn)生較大的影響，兩岸的植物受到干旱的威脅，影響泥沙運(yùn)輸對(duì)河床構(gòu)造產(chǎn)生一定的改變。生態(tài)系統(tǒng)對(duì)外界的變化有一定的界限，一但超過這個(gè)界限便會(huì)威脅到河流生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定，帶來一些不利的因素。

圖9 高場(chǎng)站突變前后逆轉(zhuǎn)次數(shù)變化Fig.9 Change of the reversing times before and after mutation

3.3.6 整體水文改變度分析

基于IHA-RVA 法對(duì)岷江水文情勢(shì)突變前后結(jié)果分析，對(duì)表2 中高場(chǎng)水文站突變前后32 個(gè)水文指標(biāo)絕對(duì)值的改變度進(jìn)行排序，并將在圖中將3 個(gè)等級(jí)的水文改變度進(jìn)行劃分。由圖10 可知，屬于中度改變的水文指標(biāo)占32 個(gè)水文指標(biāo)中的47%，高度改變和低度改變分別占總比例的13%和40%，中度改變最高。在32 個(gè)水文指標(biāo)中下降率的改變度達(dá)到了100%，其次高度改變中逆轉(zhuǎn)次數(shù)達(dá)到了89%；1、2、7、8、9、11、12月份流量、年均3、20、90 d 最小流量、年均1、90 d 最大流量、基流指數(shù)以及高、低脈沖次數(shù)為中度改變，其余水文指標(biāo)為低度改變。

圖10 岷江水文改變度Fig.10 Hydrologic change of discharge sequence

通過岷江下游流域5 組32 個(gè)水文指標(biāo)的整體水文改變度來分析岷江下游的水文情勢(shì)變化。各組整體改變度計(jì)算結(jié)果見表3，水文條件變化的速率及頻率為高度改變；月平均水量變化和年極端水文條件為中度改變；其他皆為低度改變。由表3可知，整體的改變度屬于中等改變。高場(chǎng)水文站的變化程度主要由中度改變占主導(dǎo)，表明梯級(jí)水庫的建設(shè)，顯著的改變了岷江下游河流的水文情勢(shì)。對(duì)水生生物的物種豐度，河岸植物的土壤環(huán)境，河流溫度等都產(chǎn)生了改變。

表3 高場(chǎng)站流量序列整體水文改變度Tab.3 Overall hydrological change of discharge sequence

3.4 水文情勢(shì)變化對(duì)重要魚類影響

長(zhǎng)江流域是我國(guó)各水系之首，無論是干流還是支流都擁有豐富的魚類資源［19］。岷江是長(zhǎng)江流域最為重要的支流，魚類種類和數(shù)量也十分豐富。岷江的魚類資源數(shù)據(jù)收集較早，早于1957年張春霖和劉成漢便對(duì)岷江的魚類資源做了初步的調(diào)查，調(diào)查結(jié)果共有魚類68 屬92 種。2014 至2015年呂浩等對(duì)岷江干流下游進(jìn)行調(diào)查，研究區(qū)域共調(diào)查到魚類71 種，16 種長(zhǎng)江上游特有魚類，1 種外來物種［20］。BAO J 等［21］2019年于岷江最大支流大渡河進(jìn)行實(shí)測(cè)，魚類取樣顯示，有40 個(gè)物種聚集在大壩下游。此時(shí)，大渡河已修建15 座水利工程，認(rèn)為是破壞河流天然狀態(tài)的主要因素，對(duì)洄游魚類造成嚴(yán)重影響。自然界雖對(duì)外界環(huán)境的改變有一定的調(diào)節(jié)能力，但是在岷江不斷建設(shè)中，各種水利工程都會(huì)對(duì)魚類的洄游、產(chǎn)卵等造成一定的阻隔，甚至改變?nèi)郝浣Y(jié)構(gòu)和功能群［22］。

人類長(zhǎng)期的活動(dòng)影響會(huì)對(duì)生態(tài)環(huán)境造成一些無法挽回的影響，需加強(qiáng)保護(hù)措施。數(shù)據(jù)表明岷江流域在建設(shè)中因?yàn)樗那閯?shì)發(fā)生改變，魚類資源的種類和數(shù)量都有一定的下降。人們充分利用了岷江流域豐富的水資源修建水庫，汛期蓄水、枯水期放水造福兩岸。至2017年底岷江已經(jīng)修建大中小型水庫共計(jì)875座，累積總庫容約為153 億m3，目前流域內(nèi)正在建水庫有22 座，總庫容約為38.8 億m3。在高場(chǎng)控制面積內(nèi)，龔嘴和銅街子水庫于1972年、1993年投入運(yùn)行；紫坪鋪水庫和瀑布溝水庫分別于2006年和2009年投入運(yùn)行。梯級(jí)電站對(duì)流域內(nèi)生態(tài)環(huán)境帶來了較大的影響，改變了生物群落和魚類的生存環(huán)境，給魚類繁衍帶來了不利的影響［23］。

種種現(xiàn)象表明岷江水庫建設(shè)導(dǎo)致水文變異是岷江流域魚類資源變化的根本原因。岷江流域的生態(tài)及水體環(huán)境已經(jīng)發(fā)生了劇烈的變化，近些年人類活動(dòng)的加劇以及岷江下游梯級(jí)水電站的建設(shè)，導(dǎo)致魚類種類的下降和數(shù)量的減少，并伴隨著外來物種的入侵，不利于生態(tài)環(huán)境的建設(shè)和保護(hù)。在今后的研究中需在大壩建設(shè)前后對(duì)魚類群落進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，以了解生態(tài)對(duì)水文變化的反應(yīng)，從而對(duì)受監(jiān)管河流進(jìn)行有效的資源管理［24］。

4 結(jié)論

本研究主要基于生態(tài)水文指標(biāo)變化范圍法（IHA-RVA）及水文改變度法對(duì)岷江流域水文情勢(shì)變化進(jìn)行分析評(píng)價(jià)，結(jié)果如下。

（1）根據(jù)岷江逐日流量數(shù)據(jù)分析得出：岷江年均流量呈下降趨勢(shì)，通過99%置信度檢驗(yàn)，下降趨勢(shì)顯著；通過Mann-Kendall 法、累積距平法、均值差異T 檢驗(yàn)法和滑動(dòng)T 檢驗(yàn)法結(jié)合水庫建設(shè)得到突變年份為1993年。表明岷江流域自20世紀(jì)90年代以來以大、中型水庫修建對(duì)其流量變化產(chǎn)生影響顯著。

（2）通過對(duì)銅街子水庫建設(shè)后水文改變的分析，岷江下游非汛期1-4月份流量增加，汛期5-10月份流量減少；年極小流量和年極大流量閾值范圍有所增加但大部分還處于上、下限之間，維持了最大流量出現(xiàn)時(shí)間的基本穩(wěn)定性；高、低脈沖出現(xiàn)次數(shù)在水文突變后都有不同程度的增加，而歷時(shí)都有不同程度的減少，其中突變前低脈沖次數(shù)變化最為明顯增大50%；高場(chǎng)水文站流量上升率減少，但下降率和逆轉(zhuǎn)次數(shù)突變后有所上升，其中下降率改變度達(dá)到了100%最為顯著。根據(jù)對(duì)岷江流域突變年前后的改變程度分析，得出高場(chǎng)水文站大多水文指標(biāo)都為中度改變，五組數(shù)據(jù)中流量變化改變率及頻率為高度改變，高場(chǎng)水文站的整體改變度為45%，屬于中度改變。

（3）1983-1998為長(zhǎng)江流域水庫集中建設(shè)階段，水利工程的建設(shè)為人們帶來了資源與便利的同時(shí)也對(duì)流域內(nèi)的水文情勢(shì)造成了變化，進(jìn)而對(duì)岷江流域產(chǎn)卵活動(dòng)產(chǎn)生一定影響，使得流域內(nèi)水文情勢(shì)明顯的改變，從而造成河流生態(tài)功能受損、水生生物棲息地遭到改變。導(dǎo)致岷江魚類種類和數(shù)量有明顯的減少，造成了外來物種的入侵?！?/p>