湄公河下游生態(tài)水文情勢變化研究

葛 金 金，張 汶 海，渠 曉 東，趙 樹 辰

(1.中國水利水電科學(xué)研究院，北京 100038； 2.長江水利委員會 瀾湄水資源合作中心，北京 100038； 3.長江勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430010)

0 引 言

近幾十年來，由于人類活動影響，全球河道徑流均發(fā)生了一定改變，并且在生態(tài)脆弱區(qū)變化顯著。河道徑流變化特征不僅影響著沿岸流域社會經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，也制約著流域生態(tài)系統(tǒng)演變。另外，跨界河流河道的徑流變化，將會直接影響到沿岸國家涉水合作關(guān)系以及流域命運(yùn)共同體的建設(shè)進(jìn)程。因此，及時、公開、透明的研究流域水文情勢變化特征，對于識別流域水文變化特征，推進(jìn)流域水資源綜合管理，及時化解水資源爭端具有重要意義。

瀾滄江-湄公河(以下簡稱“瀾湄”)是東南亞地區(qū)最大的國際河流[1]，在中國境內(nèi)稱為瀾滄江，出境后稱為湄公河。何大明[2]系統(tǒng)描述了1995年以前瀾湄徑流變化特征，周婷等[3]評估了湄公河上游清盛站的徑流變化趨勢，劉慧等[4]分析了近年來瀾湄流域上游水庫調(diào)度對水文情勢的影響，路斌等[5]分析了瀾湄主要干支流的水文特征與魚類多樣性分布之間的關(guān)系，吳迪等[6]預(yù)測了瀾湄中上游未來氣候條件下水文徑流模式，K.瓦斯蒂拉等[7]分析了湄公河河口三角洲區(qū)域洪水脈沖變化特征?？梢钥闯?，近年來對瀾湄水文特征變化的研究多集中在瀾滄江河段及湄公河上游和中游河段，較少關(guān)注下游段，而下游人類活動較上游更為集中，徑流演變趨勢和水文生態(tài)變化特征等方面對流域沿岸影響更為明顯，因此深入研究湄公河下游河段的水文變化對湄公河三角洲水生態(tài)保護(hù)具有重要意義。

為了探究長時間序列尺度的湄公河下游水文特征變化影響，以及生態(tài)環(huán)境變化關(guān)系，基于湄公河下游桔井站1961～2020年的日流量資料，本文利用Mann-Kendall法分析了流量變化趨勢和突變點(diǎn)，采用變動范圍法(RVA法)定量分析了桔井站水文情勢的變化程度，研究可為湄公河水資源綜合管理提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)域概況

瀾湄先后流經(jīng)中國、緬甸、老撾、泰國、柬埔寨和越南進(jìn)入海洋(見圖1)，流域總面積79.50萬km2，全長4 880 km，干流總落差約5 060 m[8]。湄公河分為上、中、下游，上游段為清盛至萬象河段，中游段為萬象至巴色河段，下游段為巴色至金邊河段，金邊以下區(qū)域?yàn)殇毓尤侵轠9]。湄公河三角洲和洞里薩湖是世界公認(rèn)具有較高漁業(yè)生產(chǎn)力的區(qū)域[10]。桔井站位于柬埔寨境內(nèi)，沿湄公河干流下游約300 km到達(dá)湄公河三角洲，多年平均徑流量11 862.8 m3/s[11]。由于受到氣候變化、水電開發(fā)、水資源管理等影響，湄公河下游的水文情勢發(fā)生了變化，近年來受到學(xué)者的廣泛關(guān)注[12]。本文選取1961～2020年桔井站日流量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，數(shù)據(jù)來源于湄公河委員會(https：∥www.mrcmekong.org/)。

圖1 瀾淪江-湄公河流域Fig.1 Lancang-Mekong River Basin

2 研究方法

2.1 突變點(diǎn)診斷

Mann-Kendall突變檢測法是常用的檢驗(yàn)時間序列的變化趨勢、識別突變點(diǎn)的方法，具有功能強(qiáng)大，不需要樣本遵從一定的分布，不受少數(shù)異常值的干擾，適用性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。在突變檢測中，序列數(shù)據(jù)(x1，x2，…，xn)是n個獨(dú)立的、隨機(jī)變量同分布的樣本，構(gòu)建一秩序列Sk[13]：

(1)

式中：Ri為xi>xj(1≤j≤i)的累計(jì)數(shù)。在時間序列隨機(jī)獨(dú)立的假設(shè)下，定義統(tǒng)計(jì)量：

(2)

當(dāng)k=1時，UF1=0。E(Sk)、Var(Sk)是累積數(shù)Sk的均值和方差，在相互獨(dú)立，且有相同連續(xù)分布時，計(jì)算公式為

E(Sk)=n(n+1)/4

(3)

Var(Sk)=n(n+1)(2n+3)/72

(4)

按時間序列逆序(xn，xn-1，…，x1)，重復(fù)上述過程計(jì)算出UBk，當(dāng)UFk=UBk時，焦點(diǎn)為突變點(diǎn)。當(dāng)置信水平為0.05，|UFk|>1.96時，時間序列數(shù)據(jù)存在明顯的上升或下降趨勢：大于1.96時是上升趨勢明顯，小于-1.96時是下降趨勢明顯。

2.2 滑動t檢驗(yàn)

滑動t檢驗(yàn)是對比兩組時間序列平均差異是否顯著的方法，構(gòu)造t統(tǒng)計(jì)量為[14]

(5)

2.3 變動范圍法(RVA法)

Richter于1996年提出了IHA法，將有生態(tài)學(xué)意義的33個水文指標(biāo)分成月中值流量、年極值流量、頻率、持續(xù)時間和變化速率5個組分，共同表征水文情勢[15]。1997年，Richter又提出變動范圍法(RVA法)，RVA法是建立在IHA法的基礎(chǔ)上的一種定量分析水文情勢改變程度的方法。RVA法將IHA指標(biāo)劃分成影響前和影響后兩個時間序列，將逐個IHA指標(biāo)在影響前時間序列中的發(fā)生率的25%和75%作為上下限閾值，通過對比影響前后IHA指標(biāo)落入閾值范圍內(nèi)的指標(biāo)個數(shù)變動計(jì)算各項(xiàng)指標(biāo)的改變度，單個IHA指標(biāo)改變度和整體水文改變度計(jì)算公式如下[16]：

(6)

(7)

式中：Di為第i個IHA指標(biāo)的水文改變度；D0為整體水文改變度；Noi為第i個IHA指標(biāo)影響后的觀測年數(shù)中落在RVA目標(biāo)內(nèi)的年數(shù)；Ne為影響后IHA指標(biāo)落入RVA目標(biāo)內(nèi)的年數(shù)。當(dāng)Di<0.33時，為低度改變；當(dāng)0.33≤Di<0.67時，為中度改變；當(dāng)Di≥0.67時，為高度改變。

3 結(jié)果與討論

3.1 年均流量變化特征

分別選用Mann-Kendall突變檢測法、滑動t檢驗(yàn)對湄公河桔井站進(jìn)行序列變異的診斷，檢驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。在Mann-Kendall突變檢測法中，流量呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢，在1962～1970年UF始終小于-1.96，呈現(xiàn)顯著減小的趨勢；1996，1998，2015，2019年，UF=UB，為突變點(diǎn)，均發(fā)生在0.05置信水平區(qū)間內(nèi)。結(jié)合t檢驗(yàn)結(jié)果，在0.05置信區(qū)間內(nèi)，1991～2000年間年均流量存在顯著變化，受到閘壩建設(shè)和引水灌溉量加劇影響，年均流量呈現(xiàn)下降趨勢。1996年，在湄公河桔井站以上河段支流，例如泰國的華納水壩、老撾南口水壩等以灌溉和發(fā)電效益為主的水利工程開始運(yùn)營，這些閘壩在建成后實(shí)施泄流調(diào)控，水文累積效應(yīng)致使湄公河流量發(fā)生突變，截至2020年，上游左岸支流“三河”已建和在建的大壩40余座，右岸濛河已建和在建的大壩有上百座。同時自1996年開始，湄公河委員會為應(yīng)對旱情采取了一系列非工程措施，包括在湄公河推動的“維持干流流量規(guī)程”“流域水質(zhì)管理規(guī)程”等相關(guān)措施，在一定程度上調(diào)整了河道流量。這一時期人類活動對河流流量影響較大，因此，選取1996年作為流量時間序列的突變點(diǎn)。

圖2 1961～2020年桔井站年均流量突變檢驗(yàn)結(jié)果Fig.2 Test results of mutation in average annual flow at Kratie Station from 1961 to 2020

3.2 流量組分變化特征

(1) 月中值流量變化特征。由圖3可知，桔井站以1996年為界，月中值流量發(fā)生了顯著改變：① 在旱季(11月至次年5月)，影響后水文序列月中值流量大幅度提高，其中，4，5月份增加量最大，分別為1 548，1 975 m3/s，增加比例為122.08%和91.60%。② 在雨季(6～10月)，影響后水文序列月中值流量未有顯著的增加或減少趨勢，但是峰值從9月份提前到8月份，最高值也有所降低。月中值流量呈現(xiàn)明顯的旱季增加現(xiàn)象，說明支流建壩和水利相關(guān)部門的水資源管理措施有效緩解了下游旱情，對魚類在旱季的存活率有一定正向作用，對岸邊帶植物侵占河道的現(xiàn)象有一定遏制作用，但是這種流量節(jié)律的變動同樣會增加物種入侵的風(fēng)險[17]。

圖3 影響前后月中值流量變化Fig.3 Change of monthly median flow before and after the mutation

(2) 年極值流量變化。由表1可知，年極值流量影響前后發(fā)生了顯著變化：① 影響后時間序列中年最小流量變化顯著，除0流量天數(shù)沒有變化外，最小流量均增加，且增加將近1倍；② 影響后年最大流量指標(biāo)中除30 d最大流量出現(xiàn)減少趨勢外，其余均呈現(xiàn)增加趨勢，以3 d最大流量增加最為顯著，增加1 780 m3/s；③ 影響前后涉及年最小流量的指標(biāo)顯著增加，且產(chǎn)生了高度改變，涉及年最大流量相關(guān)的4個指標(biāo)中有3個處于低度改變，1個處于中度改變，說明桔井上游水電站的運(yùn)行和水資源的管理措施改變了河流原有的極值流量變化過程，對旱季極值流量過程影響較大，對豐水期極值流量影響相對較小。極端流量的變化會影響河流生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，尤其是河道與河岸的物質(zhì)交換過程[16]。

表1 年極值流量變化Tab.1 The change of magnitude and duration of annual extreme flow

(3) 年極值流量發(fā)生時間。年極值流量出現(xiàn)時間與水生物種的生命史過程息息相關(guān)，可反映外界影響對自然水文情勢的季節(jié)性波動。由圖4(a)可知：影響后年最小流量出現(xiàn)時間發(fā)生高度改變(改變度為76.9%)，發(fā)生時間提前10～25 d，季節(jié)內(nèi)波動呈現(xiàn)增加趨勢，2019年12月份桔井上游棟沙宏水電站正式投產(chǎn)，年最小流量出現(xiàn)時間可能受其影響，出現(xiàn)異常高值點(diǎn)。由圖4(b)可知：影響后年最大流量出現(xiàn)時間發(fā)生中度改變(改變度為37.5%)，季節(jié)內(nèi)波動呈現(xiàn)增加趨勢。年最小流量出現(xiàn)時間提前加速破壞了水生動植物棲息的穩(wěn)定狀態(tài)，波動范圍增加可能導(dǎo)致流域內(nèi)水生生物生命史信號受到干擾，對生物多樣性產(chǎn)生不利影響[18]。

圖4 影響前后極端流量發(fā)生時間變化Fig.4 The change of occurrence time of annual extreme flow before and after the mutation

(4) 高低流量的頻率及延時。高低流量的頻率及延時是河流生態(tài)過程的直接驅(qū)動力，直接影響水生物種的生存機(jī)會。由表2可知：① 在影響后水文序列中，低流量脈沖次數(shù)和延時均值顯著減小，高流量延時均值增加，但增加幅度較小，高流量脈沖次數(shù)均值未發(fā)生顯著變化；② 對于低流量脈沖次數(shù)、低流量延時和高流量脈沖次數(shù)的離散系數(shù)，影響后水文序列中均高于影響前水文序列，表明影響后水文序列的上述3個指標(biāo)波動范圍增加；③ 低流量脈沖次數(shù)和延時均呈現(xiàn)高度改變，高流量出現(xiàn)次數(shù)和延時呈現(xiàn)低度改變。低流量脈沖次數(shù)的下降能夠降低河灘出現(xiàn)干濕反復(fù)交替現(xiàn)象，對河漫灘的穩(wěn)定有一定的積極作用，高流量延時的增加能夠促進(jìn)岸邊帶動植物的養(yǎng)分交換過程，但是由于增加幅度較小，促進(jìn)作用可能有限[19]。

表2 高低流量的頻率及延時變化Tab.2 The change of frequency and duration of high and low flows

(5) 流量改變率及頻率。流量改變率及頻率的變動對河道內(nèi)的水生生物種群生存和繁殖有一定影響，由表3可知：① 從均值來看，流量逆轉(zhuǎn)次數(shù)出現(xiàn)較小幅度增加，流量平均增大率、流量平均減小率降低；② 從離散系數(shù)來看，流量平均增大率和流量逆轉(zhuǎn)次數(shù)波動范圍降低，流量平均減小率波動范圍增加；③ 流量平均減小率為高度改變，流量平均增大率為中度改變，流量逆轉(zhuǎn)次數(shù)為低度改變。流量平均增大率、流量平均減小率的降低和流量逆轉(zhuǎn)次數(shù)的增加對浮游生物、部分底棲動物等這類生命周期較短的本地物種的生存可能存在脅迫作用，進(jìn)而影響桔井站下游整個水生生物棲息環(huán)境的穩(wěn)定性[20]。

表3 流量改變率及頻率Tab.3 Change rate and change frequency of flow

3.3 整體改變度

綜合33個IHA指標(biāo)結(jié)果(見圖5)，桔井站水文情勢的整體改變度為57.99%，屬于中度改變，表明1996年后，一系列的人類活動對湄公河下游的水文情勢影響較大。33個IHA指標(biāo)中有16個屬于高度改變(48.48%)，8個屬于中度改變(27.27%)，9個屬于低度改變(24.24%)。其中，高度改變的指標(biāo)15個都與旱季流量相關(guān)，占比93.75%，表明水文擾動主要發(fā)生在旱季。

圖5 IHA指標(biāo)水文改變度Fig.5 Hydrological alteration degree of IHA index

有研究表明，旱季流量在河流中發(fā)揮著重要的生態(tài)作用，增加旱季流量可能產(chǎn)生重要的生態(tài)后果。湄公河流域自1996年后，出現(xiàn)了入侵物種數(shù)量增加[21]，羅氏蝦等泛濫成災(zāi)[22]，下游的河岸帶地表植被覆蓋度、漁業(yè)產(chǎn)量呈現(xiàn)下降趨勢[23-24]等生態(tài)問題，可能都與旱季流量變動幅度較大有關(guān)，具體相關(guān)性還有待進(jìn)一步監(jiān)測研究，但是需要指出的是現(xiàn)狀(1996～2020年)水文情勢的改變有利于減緩枯季干旱的發(fā)生。

4 結(jié) 論

(1) 湄公河下游桔井站年均流量呈現(xiàn)先下降后增加的趨勢，其中1962～1970年下降趨勢顯著，1996年為水文過程突變年份，表明1996年后，人類活動影響較大，如興建灌溉和發(fā)電為主的水利工程及人類非工程水資源管理措施對湄公河下游水文情勢影響較為顯著。

(2) 對比1996年前后IHA指標(biāo)改變度發(fā)現(xiàn)，桔井站整體改變度為57.99%，屬于中度改變，其中與旱季流量相關(guān)的指標(biāo)改變度較高，這些水文節(jié)律的變化在緩解區(qū)域旱災(zāi)的同時，也會加重物種入侵的風(fēng)險，對生態(tài)產(chǎn)生一定影響。

(3) 隨著湄公河中下游干流水利工程相繼開發(fā)，包括棟沙宏、沙耶武里等電站的投入運(yùn)行，將會改變河流自然水文情勢。為維護(hù)湄公河河流生態(tài)系統(tǒng)健康，應(yīng)加強(qiáng)水生態(tài)跟蹤監(jiān)測，持續(xù)加強(qiáng)生態(tài)流量研究，將生態(tài)需求納入調(diào)度規(guī)程內(nèi)，降低水文情勢變動帶來的生態(tài)負(fù)向效應(yīng)。