黃河流域河流生態(tài)干旱指數(shù)構(gòu)建及生態(tài)干旱演變規(guī)律

毛文靜，姜田亮，粟曉玲

（1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 水利與建筑工程學(xué)院，陜西 楊凌 712100；2.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利與土木工程學(xué)院，北京 100083）

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，水資源短缺日益嚴(yán)重，干旱已經(jīng)成為全球關(guān)注的熱點(diǎn)［1］。 干旱是指一段時(shí)間、一定區(qū)域范圍內(nèi)陸地降水持續(xù)低于正常值的一種極端氣候現(xiàn)象［2］。 美國(guó)氣象學(xué)會(huì)在總結(jié)各種干旱定義的基礎(chǔ)上將干旱大致分為氣象干旱、農(nóng)業(yè)干旱、水文干旱和社會(huì)經(jīng)濟(jì)干旱4 類(lèi)。 近年來(lái)由干旱引發(fā)的生態(tài)問(wèn)題日益嚴(yán)峻，一些學(xué)術(shù)組織開(kāi)始關(guān)注生態(tài)干旱［3］。 粟曉玲等［4］定義生態(tài)干旱為由自然與人類(lèi)活動(dòng)引發(fā)的生態(tài)系統(tǒng)可獲得的水量低于其需水閾值，導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)超過(guò)脆弱性閾值，影響生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)，并在自然和／或人類(lèi)系統(tǒng)中觸發(fā)反饋的現(xiàn)象。 要定量化地研究生態(tài)干旱，離不開(kāi)干旱指數(shù)［5］。 近半個(gè)世紀(jì)以來(lái)，學(xué)者們提出了許多標(biāo)準(zhǔn)化干旱指數(shù)，以保證干旱定量評(píng)估的客觀(guān)性和一致性［6］。 Park 等［7］認(rèn)為應(yīng)從生態(tài)系統(tǒng)的角度進(jìn)行生態(tài)干旱監(jiān)測(cè)。 對(duì)于旱地生態(tài)系統(tǒng)，通常采用歸一化植被差異指數(shù)（NDVI）［8］、植被干旱指數(shù)（TVDI）［9］和改良植被指數(shù)（EVI）［10］等來(lái)表征植被干旱狀況。 近年來(lái)河流水域生態(tài)干旱問(wèn)題受到關(guān)注，如Kim等［11］采用非參數(shù)核密度估計(jì)，假設(shè)極端干旱后河流水質(zhì)超過(guò)目標(biāo)水質(zhì)的概率，定量評(píng)價(jià)生態(tài)干旱造成的水質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)。 我國(guó)一些學(xué)者開(kāi)展了濕地生態(tài)干旱的初步研究，如馬寨璞等［12］和張麗麗等［13］根據(jù)水位監(jiān)測(cè)分析白洋淀生態(tài)干旱的演變趨勢(shì)；侯軍等［14］選取濕地最小生態(tài)水位作為干旱指標(biāo)，建立濕地干旱指數(shù)，對(duì)呼倫湖濕地進(jìn)行干旱評(píng)價(jià)。 但上述研究未考慮變化環(huán)境下的河道供需水平衡動(dòng)態(tài)，此外河流生態(tài)干旱的成因復(fù)雜，只用單因素指標(biāo)無(wú)法很好地反映區(qū)域干旱的時(shí)空特性。 為解決上述問(wèn)題，筆者基于黃河及其支流上的6個(gè)水文站的逐月徑流數(shù)據(jù)，從河流生態(tài)需水和徑流兩方面構(gòu)建干旱指數(shù)，分析河流生態(tài)干旱的演變特征，以期為有效調(diào)控流域水資源、提高生態(tài)干旱評(píng)估能力提供參考。

1 水文站概況與數(shù)據(jù)來(lái)源

1.1 水文站概況

本文選擇黃河及其支流上的6 個(gè)水文站研究河流生態(tài)干旱的演變規(guī)律：唐乃亥站位于黃河上游，享堂站位于黃河的二級(jí)支流大通河上，花園口站位于黃河中游和下游的分界點(diǎn)附近，林家村站位于渭河干流的中游，張家山站位于渭河支流涇河的出口，頭站位于渭河支流北洛河的下游。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

本文數(shù)據(jù)來(lái)源于《水文年鑒》，各水文站的月徑流序列選取唐乃亥1956—2016 年、享堂1944—2016 年、花園口1958—2015 年、林家村1944—2016 年、張家山1932—2016 年、頭1937—2016 年。

2 研究方法

2.1 河流生態(tài)流量計(jì)算

2.1.1 Tennant 法

Tennant 法是依據(jù)河流流量與生態(tài)質(zhì)量的相關(guān)性建立起來(lái)的經(jīng)驗(yàn)方法［15］。 該方法對(duì)河流生態(tài)質(zhì)量的描述見(jiàn)表1。 本文將多年平均流量的10%作為保持河流生態(tài)系統(tǒng)健康的最小流量、多年平均流量的30%作為能夠?yàn)榇蠖鄶?shù)水生生物提供較好棲息條件的基流量［16］。

表1 Tennant 法對(duì)河流生態(tài)需水推薦標(biāo)準(zhǔn)

2.1.2 最枯月平均流量法

最枯月平均流量法是通過(guò)統(tǒng)計(jì)徑流序列每年的最小月流量，計(jì)算其多年平均值即為河流生態(tài)流量［17］。通常選擇近10 a 的流量序列作為研究資料。 河道生態(tài)流量計(jì)算公式為

式中：Q為河道生態(tài)流量，m3／s；Qij為第i年第j月的實(shí)測(cè)平均流量，m3／s；n為統(tǒng)計(jì)年數(shù)。

2.1.3 Qp 法

Qp 法是一種保證率設(shè)定方法，將徑流序列各年的最枯月流量按從大到小排序，并計(jì)算其保證率。 通常選擇90%保證率對(duì)應(yīng)的最枯月流量作為河道生態(tài)基流［18］。 該方法適用于河流流量較小、可利用的水文序列較長(zhǎng)且被人類(lèi)較好開(kāi)發(fā)和利用的情況。

2.2 河流生態(tài)干旱指數(shù)計(jì)算方法

參照標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)SPEI的構(gòu)建原理，建立標(biāo)準(zhǔn)化河流生態(tài)干旱指數(shù)（SREDI）。 采用逐年逐月的徑流量和生態(tài)需水量之差與平均狀態(tài)之間的偏離程度來(lái)表征河流干旱，計(jì)算步驟如下。

（1）計(jì)算逐年逐月徑流量Wj與生態(tài)需水量WRj的差值Dj：

式中：c0＝2.515 517，c1＝0.802 853，c2＝0.010 328，d1＝1.432 788，d2＝0.189 269，d3＝0.001 308。

2.3 干旱演變特征分析方法

2.3.1 趨勢(shì)分析

Kendall 檢驗(yàn)的原理是將歷年相同月（季）的水文資料進(jìn)行比較，確定序列（x1，x2，…，xn）的所有對(duì)偶值（xp，xq） 中xp ＜xq的出現(xiàn)個(gè)數(shù)r，構(gòu)造統(tǒng)計(jì)量：

式中：UFk為順時(shí)間序列算出的統(tǒng)計(jì)量參數(shù)，服從標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布；E（dk） 為統(tǒng)計(jì)量的數(shù)學(xué)期望；D（dk） 為統(tǒng)計(jì)量的方差。

以逆時(shí)間序列重復(fù)上述計(jì)算，得到UFk＝-UBk（k＝n，n- 1，…，1） 。 分別繪出UFk和UBk曲線(xiàn)，選取顯著性水平α ＝0.05，則其對(duì)應(yīng)臨界值之間的交點(diǎn)即為突變點(diǎn)。

2.3.3 周期分析

Morlet 小波是一種具有時(shí)頻多層次分辨功能的方法，能有效捕獲水文氣象序列不同時(shí)間尺度的周期性特征，并對(duì)序列未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行定性評(píng)估［19］。 小波變化公式為

小波系數(shù)實(shí)部等值線(xiàn)圖體現(xiàn)干旱在不同時(shí)間尺度上的周期波動(dòng)情況，小波系數(shù)方差圖則反映周期的波動(dòng)能量，其峰值對(duì)應(yīng)干旱序列的主周期。

3 結(jié)果與分析

3.1 徑流年際變化分析

圖1 為各水文站徑流量的年際變化趨勢(shì)，可以看出徑流量在研究時(shí)段內(nèi)均呈下降趨勢(shì)。 花園口站的多年平均徑流量最大且年徑流量隨時(shí)間遞減的速率最快；唐乃亥站的多年平均徑流量次之，逐年徑流量呈波動(dòng)下降趨勢(shì)，但趨勢(shì)不明顯；享堂站逐年徑流量的變幅較小，表現(xiàn)為緩慢減小的趨勢(shì)；渭河林家村站年徑流量遞減速率較快，而張家山站和頭站在1965 年附近有明顯異于其他年份的極大值，線(xiàn)性擬合與年徑流量變化過(guò)程線(xiàn)的相關(guān)程度較低。

圖1 各水文站徑流量年際變化趨勢(shì)

研究區(qū)各水文站年徑流量的Kendall 趨勢(shì)檢驗(yàn)成果見(jiàn)表2。 當(dāng)Kendall 統(tǒng)計(jì)量為正值／負(fù)值時(shí)，徑流量有增大／減小的趨勢(shì)。 由表2 可知，研究期各水文站的徑流量均表現(xiàn)為減小趨勢(shì)。 除唐乃亥站外，其余5 個(gè)水文站的徑流量呈顯著減小趨勢(shì)，其中林家村站的減小趨勢(shì)最為明顯，花園口站次之。

表2 各水文站徑流量Kendall 檢驗(yàn)成果

3.2 基于不同方法的河流生態(tài)需水量計(jì)算

表3 為利用Tennant 法、最枯月平均流量法和Qp法分別計(jì)算的各水文站河流生態(tài)需水量，可以看出，不同方法計(jì)算出的各站生態(tài)需水量差異較大。 為進(jìn)一步確定適宜的生態(tài)需水量，采用實(shí)測(cè)月平均水量占月生態(tài)需水的百分比來(lái)衡量生態(tài)需水量的滿(mǎn)足程度，見(jiàn)表4。

表3 不同方法計(jì)算的各水文站生態(tài)需水量 億m3

表4 各水文站不同方法計(jì)算的生態(tài)需水滿(mǎn)足程度 %

從表4 可以看出，Tennant 法計(jì)算的各站生態(tài)需水滿(mǎn)足程度均較高，枯水期可達(dá)100%。 對(duì)于唐乃亥站、享堂站、花園口站和頭站，Tennant 法計(jì)算的生態(tài)需水滿(mǎn)足程度明顯高于另外兩種方法；對(duì)于林家村站和張家山站，Qp 法計(jì)算的生態(tài)需水滿(mǎn)足程度最高。 生態(tài)需水量的最終確定還要考慮水文站當(dāng)?shù)氐淖匀坏乩項(xiàng)l件和用水情況。 唐乃亥站和享堂站位于黃河上游，水土流失嚴(yán)重，生態(tài)環(huán)境脆弱，對(duì)生態(tài)需水量的要求較高，所以選擇Tennant 法的計(jì)算結(jié)果較為合理。 花園口站、林家村站、張家山站和頭站區(qū)域人口較多，工農(nóng)業(yè)較為發(fā)達(dá)，為保證當(dāng)?shù)厣a(chǎn)生活用水，故選擇較小的生態(tài)需水量。

3.3 河流生態(tài)干旱演變特征分析

3.3.1 河流生態(tài)干旱趨勢(shì)分析

各水文站年尺度和季尺度SREDI指數(shù)的Kendall檢驗(yàn)結(jié)果分別見(jiàn)表5 和表6。 由表5 可知，統(tǒng)計(jì)量均小于0，表明研究流域的年尺度河流生態(tài)干旱程度有加劇趨勢(shì)，且除黃河上游的唐乃亥站以外的其他5 個(gè)站變干趨勢(shì)顯著。 氣候變化和人類(lèi)活動(dòng)是流域水文變化最直接和重要的驅(qū)動(dòng)因素。 近60 a 來(lái)，黃河流域氣溫顯著升高，降水量總體減小，人類(lèi)活動(dòng)影響增強(qiáng)［20］。劉昌明等［21］研究表明，受氣候變化和水利水保工程等人類(lèi)活動(dòng)影響，黃河流域?qū)崪y(cè)徑流量呈減小趨勢(shì)，且下游比上游衰減更顯著。 流域生態(tài)干旱程度與徑流量變化成負(fù)相關(guān)關(guān)系，隨著徑流量減小，生態(tài)干旱程度表現(xiàn)為加劇趨勢(shì)，這與本文河流生態(tài)干旱趨勢(shì)的研究結(jié)果一致。 周祖昊等［22］的研究表明，氣候變化和人類(lèi)活動(dòng)（取用水和下墊面）對(duì)流域干旱的貢獻(xiàn)不同。 唐乃亥站和享堂站的用水量和控制流域水土保持面積增量不大，其河流干旱主要受氣候變化的影響；其余4 站主要受人類(lèi)活動(dòng)的影響，且下墊面的水土保持是貢獻(xiàn)最大的因素。

表5 各水文站年尺度SREDI 指數(shù)的Kendall 檢驗(yàn)結(jié)果

表6 各水文站季尺度SREDI 指數(shù)的Kendall 檢驗(yàn)結(jié)果

由表6 可知：唐乃亥站四季的河流生態(tài)干旱加劇，但干旱趨勢(shì)不顯著；享堂站四季干旱程度加劇，但僅有夏季的干旱趨勢(shì)顯著；花園口站夏季干旱減弱，但趨勢(shì)不顯著，春季、秋季和冬季干旱增強(qiáng)，且秋、冬季趨勢(shì)顯著；林家村站四季干旱均顯著加??；張家山站的春季干旱減弱，其余三季呈加劇趨勢(shì)，但只有秋季趨勢(shì)顯著；頭站四季的干旱程度呈加劇趨勢(shì)，但只有秋季的加劇趨勢(shì)顯著。

3.3.2 河流生態(tài)干旱突變分析

采用M-K 法對(duì)6 個(gè)水文站的SREDI指數(shù)序列進(jìn)行突變性檢驗(yàn)，取置信度α＝0.05，臨界值為±1.96。 各水文站年尺度統(tǒng)計(jì)量曲線(xiàn)如圖2 所示，可以看出，年尺度下各水文站均存在置信區(qū)間內(nèi)的突變點(diǎn)，其中：唐乃亥站的突變年份為1994 年和2008 年，享堂站為2007年，花園口站為1985 年，林家村站為1992 年，張家山站為2003 年，頭站為2004 年。 以上突變年份在1990 年和2000 年附近，表明研究區(qū)在20 世紀(jì)90 年代后均表現(xiàn)為干旱趨勢(shì)。

圖2 各水文站SREDI 指數(shù)序列的M-K 突變統(tǒng)計(jì)量曲線(xiàn)

季尺度的突變年份統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表7，可以看出：唐乃亥站春季、秋季和冬季在1990 年和2010 年附近有兩個(gè)突變點(diǎn)；享堂站夏季突變時(shí)間為2008 年，與年尺度接近；花園口站夏季突變點(diǎn)為1971 年，其余季節(jié)與年尺度近似；林家村站四季突變點(diǎn)均在1990 年附近；張家山站夏季和秋季的突變時(shí)間在2000 年左右；頭站夏季和冬季的突變時(shí)間在2002 年左右。

表7 各水文站季尺度河流生態(tài)干旱指數(shù)突變年份匯總

20 世紀(jì)80 年代以來(lái)，黃河流域?qū)嵤┝舜笠?guī)模的水土保持生態(tài)建設(shè)、退耕還林還草以及煤礦開(kāi)采、水利工程建設(shè)。 1981—2000 年，黃河流域氣溫普遍偏高，降水偏少，黃河主要支流徑流量顯著減?。?3］。 這一時(shí)期黃河流域的氣候變化和人類(lèi)活動(dòng)表明本研究得到的河流生態(tài)干旱突變結(jié)果是合理的。 結(jié)合前人的研究結(jié)果，唐乃亥站1994 年的突變可能與1986 年龍羊峽水庫(kù)的修建有關(guān)；享堂站2007 年的突變可能與從大通河向甘肅秦王川輸水的“引大入秦”工程有關(guān)［24］；花園口站和林家村站分別在1985 年和1992 出現(xiàn)顯著突變，可能與1984 年以來(lái)實(shí)施的一系列水土保持措施，尤其是1985 年《黃河中游水土保持治溝骨干工程建設(shè)規(guī)劃》實(shí)施有關(guān)；張家山站和頭站分別在2003 年和2004 年發(fā)生突變，可能與2000 年后渭河流域城鎮(zhèn)化進(jìn)程加快導(dǎo)致的城鎮(zhèn)用地劇增有關(guān)［25］。

3.3.3 河流生態(tài)干旱周期分析

各水文站年尺度SREDI指數(shù)序列的小波系數(shù)實(shí)部等值線(xiàn)（反映干旱不同時(shí)間尺度的周期波動(dòng)情況）見(jiàn)圖3，小波系數(shù)方差（峰值對(duì)應(yīng)干旱序列的主周期，反映周期的波動(dòng)能量）見(jiàn)圖4。 由圖3 可看出，唐乃亥站的干旱序列在5、12、23 a 附近的時(shí)間尺度上存在周期變化，享堂站的干旱序列存在12、28 a 尺度的周期變化，花園口站的干旱序列在13、22 a 附近存在周期變化，林家村站的干旱序列存在5、12、20 a 尺度的周期變化，張家山站的干旱序列存在4、14、20～26 a 尺度的周期變化，頭站的干旱序列存在5、12～16、26～30 a尺度的周期變化。 各站干旱序列存在多種時(shí)間尺度的周期變化特征，且時(shí)間尺度越小周期震蕩越明顯、時(shí)間尺度越大周期波動(dòng)越平穩(wěn)。 由圖4 可知，唐乃亥站存在23、12、7 a 的第一、第二、第三主周期，享堂站存在12、28 a 的第一、第二主周期，花園口站存在13、22 a的第一、第二主周期，林家村站存在32、19 a 的第一、第二主周期，張家山站存在14、4、24 a 的第一、第二、第三主周期，頭站存在14、31、5 a 的第一、第二、第三主周期。

圖3 各水文站河流生態(tài)干旱指數(shù)小波系數(shù)實(shí)部等值線(xiàn)

圖4 各水文站河流生態(tài)干旱指數(shù)小波系數(shù)方差

季尺度下各水文站干旱指數(shù)的第一主周期統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表8。 各站冬季的河流生態(tài)干旱指數(shù)周期較小，表明該季節(jié)流域生態(tài)水量豐枯交替頻繁；花園口站四季第一主周期較小，表明該站控制流域生態(tài)干旱發(fā)生頻率較高。

表8 各水文站季尺度河流生態(tài)干旱指數(shù)第一主周期 a

4 結(jié) 論

（1）研究區(qū)6 個(gè)水文站的年徑流量均為下降趨勢(shì)，除黃河上游的唐乃亥站以外，其余5 個(gè)水文站的下降趨勢(shì)均較顯著。

（2）根據(jù)徑流量對(duì)生態(tài)需水的滿(mǎn)足程度和當(dāng)?shù)刈匀簧鐣?huì)條件，確定唐乃亥站、享堂站、花園口站和頭站采用Tennant 法計(jì)算生態(tài)需水量，林家村站和張家山站采用Qp 法計(jì)算生態(tài)需水量。

（3）年尺度下除唐乃亥站河流生態(tài)干旱趨勢(shì)不顯著外，其余5 站均呈顯著增大趨勢(shì)，與徑流量減小趨勢(shì)一致。 季尺度下除花園口站夏季和張家山站春季干旱減弱外，其余各站各季干旱趨勢(shì)均為加劇，且享堂站夏季、花園口站秋冬季、林家村站四季、張家山站和頭站秋季干旱加劇趨勢(shì)顯著。

（4）年尺度各水文站生態(tài)干旱突變年份在1990年和2000 年附近。 季尺度下，唐乃亥春、秋季和冬季的突變?cè)?990 年和2010 年；享堂夏季突變與年尺度接近；花園口夏季突變點(diǎn)為1971 年，其余季節(jié)與年尺度近似；林家村四季突變點(diǎn)均在1990 年附近；張家山春、夏季的突變情況與年尺度差別不大；頭夏季和冬季的突變年份與年尺度差別不大。