近60 a琴江流域水文情勢變化研究

彭爵宜

(廣東省水文局梅州水文分局，廣東 梅州 512000)

1 研究背景

河流水文情勢是決定河流生態(tài)系統(tǒng)的物質能量循環(huán)、生境健康狀況、物種良好影響的關鍵因素[1]。近幾十年來，隨著全球氣候變化和日益增強的人類活動干擾，特別是流域水利工程的開發(fā)利用，不同程度地影響了流域或區(qū)域的自然水循環(huán)過程，進而改變了河流的水文情勢[2]。研究人類活動影響下的河流水文情勢變化，通過量化不同尺度不同水文要素的變化程度，是實現(xiàn)水量、水質、水生態(tài)和諧發(fā)展的必要基礎，也是實現(xiàn)水資源科學高效管理的必備手段。郭文獻等[3]研究了三峽水庫蓄水導致的長江中下游河流水文情勢改變狀況，陳棟為等[4]對東江水利工程下游的博羅水文站水文情勢進行了相關研究，江善虎等[5]對變化環(huán)境下渭河流域生態(tài)水文情勢演變歸因做了系列研究，左其亭等[6]基于水文情勢分析研究了閘控河流的生態(tài)需水模型，鄧春暖[7]研究了不同水文情勢(干旱、淹水梯度及周期)和鹽堿脅迫對濕地蘆葦植的生理生態(tài)相應機制。這些研究方法中，IHA-RVA的水文改變指標法通過構建33個評價指標建立了一種有效評價人類活動對河流徑流變化過程影響分析的技術手段，該方法已廣范應用于不同尺度的河流水文情勢變化研究中。本文應用該方法分析了韓江流域上游琴江近60 a的水文變化過程，通過月平均、年極值、年極值出現(xiàn)時間、脈沖次數(shù)和歷時、改變度和頻次等5組具有生態(tài)意義的指標量化評價了琴江水文情勢的變化程度，可為科學管理琴江流域提供技術依據(jù)。

2 研究區(qū)域概況

琴江位于梅州市西南，是梅江源頭，集雨面積為2 871 km2，河長為136 km，落差約32 m，河床比降為1.10‰(琴江流域平面示意見圖1)。尖山水文站位于梅州市五華縣梅林鎮(zhèn)，是琴江流域的區(qū)域代表站，也是琴江中上游的控制站，該站建于1958年6月，集雨面積為1 578 km2，河長為105 km。

圖1 琴江流域平面示意

3 數(shù)據(jù)來源和研究方法

本文選取琴江控制站尖山站逐日平均流量進行分析。通過運用Mann-Kendall檢驗法(M-K法)、累積距平法、pettitt法對尖山站1959—2019年逐日平均流量進行趨勢性綜合分析，并應用IHA-RVA水文指標分別從流量、時間、頻率、改變率等方面評價琴江近60 a的水文情勢變化。

Mann-Kendall檢驗法(M-K法)、累積距平法、pettitt法[8-10]。IHA水文指標體系有33個指標，包括各月月均流量、年極值流量、極值時間、流量脈沖次數(shù)和歷時、水文過程改變度和頻次等五組具有生態(tài)意義的IHA水文指標，在這套指標基礎加上RVA閾值法可以量化評價河流水文情勢的改變程度[11-12]。

IHA-RVA中所用到的水文指標見表1。

表1 IHA-RVA的水文指標

根據(jù)表1分別找出33個IHA指標值年序列水文改變度，具體計算公式如下：

(1)

式中:

Di——第i個IHA指標值序列的水文改變度；

ei——第i個IHA指標值序列的變化后年序列落入變化前年序列值25%和75%中位數(shù)范圍(即RVA目標范圍)的值的個數(shù)；

ee——期望變化后年序列能落入RVA目標范圍的個數(shù)，即為變化后年序列個數(shù)的50%[13]。

33個IHA指標值序列的綜合水文改變度計算公式如下：

(2)

0≤D≤33%，水文改變度為輕度L(little)；34%≤D≤67%，水文改變度為中度M(medium)；68%≤D≤100%，水文改變度為高度H(high)[14]。

4 成果分析

4.1 趨勢性分析

從尖山站1959—2019年年均流量變化過程可以看出，該站年均流量總體呈減少趨勢，經(jīng)Mann-Kendall趨勢性檢驗得到z值為-0.247，該值>-1.64，說明尖山站近60 a年均流量下降趨勢不明顯(見圖2)。

圖2 尖山站近60年年均流量變化過程示意

4.2 突變點分析

通過Mann-Kendall檢驗法(M-K法)、累積距平法、pettitt法檢驗尖山站1959—2019年年均流量序列的突變點，從圖3～圖5各檢驗法得出的突變點分析，運用MK檢驗法發(fā)現(xiàn)1961年、1969年、2001年為突變年，累計距平法發(fā)現(xiàn)1972年和2001年為突變年，pettitt法發(fā)現(xiàn)2001年為突變年。綜合3種檢驗方法，選取2001年為最優(yōu)突變年，該年與尖山站上游洞口新村電站投產(chǎn)時間一致，可印證突變點檢驗有效。

圖3 Mann-Kendall檢驗法示意

圖4 累計距平檢驗法示意

圖5 pettitt檢驗法示意

4.3 突變前后指標分析

根據(jù)IHA指標計算方法，將2001年前后徑流系列計算出相應的突變前后均值及該指標相應的上下限閾值，結合公式(1)計算出各指標的變異程度(結果見表2)。

表2 尖山站IHA-RVA指標法之流量變異度計算成果

1) 月均流量變化

從表2看出，突變后各月流量減少約5.98%～29.6%，2月減少幅度較其他月份偏多。月均流量指標突變后水文改變度為5.3%～36.8%，4月改變度最大，呈中度變異；其他各月流量IHA指標反映當月水文改變度均為輕度，總體而言，這組指標反映琴江近20年各月均流量變化程度較小。

2) 年極值變化

從表2分析出，突變后，年最大平均流量減少約16.21%～29.48%，年最小平均流量減少約7.28%～19.62%，年最大流量減少幅度明顯較年最小流量減少幅度大。這組指標按照IHA-RVA評價法計算出的水文改變度均為輕度，反映本流域極值流量雖有減少，但達不到無明顯變化。

3) 年極值時間變化

尖山站自建立至今未出現(xiàn)零流量現(xiàn)象，因此零值天數(shù)不參與評價，表2反映基流指數(shù)和年最小值出現(xiàn)日期均呈中度變異，說明2001年之后琴江最小流量出現(xiàn)時間和生態(tài)基流發(fā)生較大變化，而年最大值出現(xiàn)日期呈高度變異，說明2001年之后琴江當年最大洪水時間與2001年之前呈高度變化。這3個指標反映了琴江近20 a來洪水、枯水兩種狀態(tài)的時間發(fā)生了顯著變化，與前40 a天然河流環(huán)境下的規(guī)律不一致。

4) 流量脈沖頻次變化

年高低脈沖頻次和歷時反映河流生態(tài)活力，從表2分析，2001年突變之后，琴江河流高脈沖頻次和歷時呈輕度變化，低脈沖頻次和歷時為中度變化，說明近20 a琴江低枯水發(fā)生頻率與歷時與前40 a天然狀態(tài)相比有明顯變化，說明上游電站干擾下，本流域低枯水現(xiàn)象發(fā)生頻次有所增長。

5) 水文過程改變情況

從表2分析，流量上升率指標改變度為36.8%，呈中度變化，下降率指標改變度為100%，流量變化的逆轉次數(shù)改變度為100%，后兩者呈高度變異；這3個指標反映琴江流量波動變化的高度性，說明河流流量日際變化顯著，反映該河流受上游日調節(jié)電站的極大影響。

6) 綜合改變度分析

以上5組32個水文變異指標中高度(H)變化指標有3個，中度(M)變化指標有6個指標，低度(L)變化指標有23個，根據(jù)公式(2)計算出綜合水文改變度為50.3%，屬中等變化，說明琴江流域于2001年突變后改變程度較大，該水系有不良變化趨勢。

5 結語

本文利用IHA-RVA法研究了近60 a琴江流域的水文情勢變化情況，通過M-K法、累積距平法、pettitt法檢驗出琴江于2001年發(fā)生突變，綜合突變前后32個水文指標的變異程度最終得出琴江流域突變后的綜合水文改變度為中等程度。突變后琴江1—12月的月均流量變化程度、年極值流量變化程度、年高脈沖流量的次數(shù)和歷時變化均屬輕度；但是洪枯水發(fā)生時間產(chǎn)生了較大的變異，與原天然河流環(huán)境下的規(guī)律不一致。此外，流量序列波動變化的高度性也印證了電站調節(jié)對流量序列的平穩(wěn)性造成了較大影響?？傮w而言，琴江流域在人類活動干擾下已發(fā)生較明顯的水文情勢變化。