基于IHA-RAV法的長江源區(qū)生態(tài)水文情勢變化

李光錄，樊立娟

(1.青海省水文水資源測報中心，西寧 810000；2.青海省海東市水務(wù)局，青海 海東 810600)

1 研究背景

河流作為生態(tài)系統(tǒng)和國土空間的重要組成部分，是經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的重要依托和保障，具有重要的資源、生態(tài)和經(jīng)濟(jì)功能。河流生態(tài)流量作為維系河道生態(tài)功能、生態(tài)環(huán)境的重要因素，是衡量河流生態(tài)系統(tǒng)健康可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵指標(biāo)，是當(dāng)前河道生態(tài)水文學(xué)研究熱點之一。1996年Ricater等[1]提出水文改變指標(biāo)IHA(Indicators of Hydrologic Alteration)，在河流生態(tài)水文情勢變化規(guī)律研究和環(huán)境生態(tài)流量評估工作中得到了廣泛應(yīng)用[2-5]。長江源區(qū)地處青藏高原，其生態(tài)系統(tǒng)對氣候條件的變化非常敏感[6-7]。合理評估江源河流水文情勢變化及其生態(tài)效應(yīng)，對研究長江源區(qū)氣候變化響應(yīng)機(jī)理和青藏高原生態(tài)文明建設(shè)具有重要研究意義。

綜合評價月均流量、年極值流量、流量高低脈沖和流量變化率、逆轉(zhuǎn)次數(shù)等因素變化情勢是評價河流生態(tài)系統(tǒng)的健康可持續(xù)發(fā)展程度的基礎(chǔ)。近年來，對長江源區(qū)水文情勢研究多集中在水資源量及徑流年內(nèi)分配變化情形分析[8-9]，鮮有源區(qū)環(huán)境生態(tài)流量變化情勢的研究。本文分析長江源區(qū)直門達(dá)水文站年平均流量突變發(fā)生時間，采用IHA水文評價指標(biāo)體系，提取流量均值、極值、高低脈沖頻次在內(nèi)的5組32項指標(biāo)，使用變化范圍法(Range of Variability Approach，RVA)分析突變點前后源區(qū)生態(tài)水文情勢改變情況。研究成果以期為長江源區(qū)水資源承載力、生態(tài)系統(tǒng)的健康可持續(xù)發(fā)展和生態(tài)脆弱性修復(fù)等提供有力的科學(xué)支撐。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 研究區(qū)概況及采用數(shù)據(jù)

長江源區(qū)位于青藏高原腹地，生態(tài)環(huán)境具有原始、敏感、脆弱等特點。長江源區(qū)包括通天河與巴塘河匯合口以上集水區(qū)域(見圖1)。本文選用長江干流控制站直門達(dá)水文站1957—2021年實測逐日流量資料，依照不同水文評價指標(biāo)對河流生態(tài)系統(tǒng)的作用，分析長江源區(qū)生態(tài)水文情勢變化。直門達(dá)水文站是長江干流水文站，測站附近海拔約3 540 m，距離河源1 140 km，控制面積13.77萬km2。

圖1 長江源區(qū)示意圖Fig.1 Map of the source region of Yangtze River

2.2 水文改變指標(biāo)

Richter建立的IHA指標(biāo)體系包括流量均值、極值、極值時間、頻次和歷時以及逆轉(zhuǎn)率5個方面33項特征值指標(biāo)[10-11]。由于直門達(dá)水文站自1957年以來未發(fā)生斷流情況，不考慮斷流時間指標(biāo)，共使用32項指標(biāo)分析長江源區(qū)河流生態(tài)效應(yīng)變化規(guī)律，參數(shù)詳見表1。

表1 水文改變指標(biāo)法(IHA)指標(biāo)及其生態(tài)效應(yīng)Table 1 Indicators of hydrological change and their ecological effects

2.3 變化范圍和水文改變度

變化范圍法(RVA)[12]選取變點前期水文序列變化上下限作為基礎(chǔ)，評估變點前后水文情勢變化情況，取各指標(biāo)變點前期25%和75%分位數(shù)區(qū)間作為滿足河流生態(tài)需求的范圍，其單一指標(biāo)和整體改變度計算公式為

Di=|(N0i-Ne)/Ne|×100%，

(1)

其中：Ne=rNT。

式中：Di和D0分別為第i個IHA指標(biāo)和整體的水文改變度；N0i和Ne為變點后各指標(biāo)滿足河流生態(tài)需求條件的實際年數(shù)和預(yù)測年數(shù)；r為變點前各指標(biāo)滿足河流生態(tài)需求條件的年數(shù)占總年數(shù)比；NT為變點后總年數(shù)；N為指標(biāo)個數(shù)。本文選取Richter水文改變度劃分標(biāo)準(zhǔn)[12]來評價直門達(dá)水文站在變點前后水文改變程度，判斷標(biāo)準(zhǔn)見表2。

表2 水文改變程度Table 2 Degrees of hydrologic change

2.4 時間序列分析方法

采用貝葉斯變點檢驗法，分析直門達(dá)站年平均流量突變發(fā)生時間，具體算法見文獻(xiàn)[13-14]。使用趨勢坡度、Kendall趨勢檢驗[15]以及去趨勢波動分析法(Detrended Fluctuation Analysis，DFA)[16-17]評價月均流量、年極值流量趨勢變化和長程相關(guān)情況。具體計算步驟見參考文獻(xiàn)[18]—文獻(xiàn)[19]。

3 結(jié)果分析

3.1 流量均值變化情況

使用貝葉斯突變檢驗法檢驗長江源直門達(dá)水文站流量均值變異情況，結(jié)果表明直門達(dá)站年均流量系列在2004年發(fā)生突變，在2004年以后呈現(xiàn)明顯增加態(tài)勢，見圖2。這與李其江[20]采用有序聚類法、滑動t檢驗法、M-K檢驗法等方法得出的結(jié)論一致。

圖2 年均流量貝葉斯檢驗概率分布Fig.2 Probability distribution of Bayesian test for annual average flow

3.2 長江源區(qū)水文突變點前后水文改變度

以2004年為界，定量分析長江源直門達(dá)水文站水文改變度，以1957—2003年為基準(zhǔn)期，分析2004—2021年各指標(biāo)統(tǒng)計參數(shù)，直門達(dá)站各指標(biāo)改變度計算指標(biāo)見表3。32個IHA指標(biāo)中，有2個高度改變指標(biāo)、12個中度改變指標(biāo)、18個低度改變指標(biāo)。綜合改變度為37.2%，為中度改變。

3.3 月均流量變化

由表3和圖3可知，2004年以來直門達(dá)水文站全年月均流量均有不同程度的增加，表明長江源區(qū)河道內(nèi)水生生物棲息可利用水量增大，有利于提升水生生物適宜棲息地的數(shù)量和生物多樣性等生態(tài)效應(yīng)；其中4月份和11月份平均流量改變度分別為90%和70%，為高度改變，表明長江源區(qū)春、冬季徑流增大，發(fā)生凌汛可能性增強(qiáng)。其他月份改變程度為中度改變和低度改變，改變次數(shù)分別為4次和6次。計算月均流量綜合水文改變度為46.8%，為中度改變。這表明長江源區(qū)汛期時間增長，汛期流量增加，有利于水生生物繁殖和下游河岸生態(tài)補(bǔ)水。

表3 2004—2021年直門達(dá)水文站IHA指標(biāo)改變度計算Table 3 Statistics of IHA at Zhimenda Station from 2004 to 2021

圖3 變點前后月均流量變化對比Fig.3 Comparison of monthly average flow before and after the change point

使用趨勢坡度、Kendall趨勢檢驗法和DFA法對直門達(dá)水文站1957—2021年各月及年流量均值進(jìn)行趨勢和長程相關(guān)檢驗，結(jié)果見表4。由Slope值及Kendall檢驗結(jié)果可知，直門達(dá)站各月流量及年流量均值均呈現(xiàn)上升趨勢，除7月份和8月份外其他月值均通過Kendall顯著性水平0.05的檢驗，表明直門達(dá)站7月份和8月份流量均值呈現(xiàn)不顯著上升趨勢，其他各月流量均值及年均值呈現(xiàn)顯著性上升的趨勢。由DFA計算Hurst指數(shù)分析長程相關(guān)性，除6月份流量均值Hurst指數(shù)<0.5外，其他指標(biāo)Hurst指數(shù)均>0.5，表明直門達(dá)站6月份流量未來變化趨勢與現(xiàn)狀變化趨勢成反相關(guān)，未來呈現(xiàn)下降趨勢，這可能與氣候變化有關(guān)，需待進(jìn)一步的研究。其他各月及年流量均值未來呈現(xiàn)持續(xù)增長趨勢。未來流量的增加，更好地保障了區(qū)域生態(tài)流量，進(jìn)而驅(qū)動生態(tài)環(huán)境向好發(fā)展。

表4 直門達(dá)水文站1957—2021年月均流量時間序列檢驗Table 4 Time-series tests for monthly average flow of Zhimenda Station from 1957 to 2021

3.4 流量極值變化

由表3和圖4可知，2004年以來直門達(dá)水文站各時段平均流量最小值和最大值的均值較2004年之前均有不同程度的增加。高流量增大有助于維持水生生物適宜的水溫、溶解氧和水化學(xué)成分，同時低流量增加可為源區(qū)水生生物提高更多的所需水量，有利于維持河道內(nèi)生物多樣性和生態(tài)系統(tǒng)的健康持續(xù)發(fā)展。各時段平均最小流量中除90 d 平均最小流量為低改變度外，其他均為中改變度。1、3、30 d平均最大流量為低改變度，7、90 d平均最大流量為中改變度?；髦笖?shù)水文改變度為0%，為低改變度。表明長江源區(qū)河道水量和地下水的互饋關(guān)系處于穩(wěn)定狀態(tài)。流量極值綜合改變度為32.2%，為低改變度，表明長江源區(qū)極端流量事件處于一個穩(wěn)定的范圍，在一定程度上維持了長江源區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。最小流量增加可以為水生生物提供適宜的棲息地，同時更好地保障流域生態(tài)流量。

圖4 突變點前后最小、最大流量變化對比Fig.4 Comparison of minimum and maximum flows before and after the change point

表5為直門達(dá)水文站1957—2021年極值流量趨勢檢驗長程相關(guān)統(tǒng)計。各時段平均流量最小值和最大值趨勢坡度均為正，1、3、7 d流量未通過Kendall顯著性水平0.05的檢驗，表明直門達(dá)水文站平均最小1、3、7 d流量呈現(xiàn)不顯著上升趨勢，平均最小30、90 d流量和各時段最大值通過Kendall顯著性水平0.05的檢驗，呈現(xiàn)顯著增長趨勢。各時段平均流量最小值和最大值Hurst指數(shù)均>0.5，結(jié)合趨勢坡度分析，各年極值指數(shù)未來呈現(xiàn)持續(xù)增長趨勢?；髦笖?shù)呈現(xiàn)不顯著下降趨勢，Hurst指數(shù)<0.5，表明基流指數(shù)未來將呈現(xiàn)增長趨勢。

表5 直門達(dá)水文站1957—2021年流量極端值時間序列檢驗Table 5 Time-series tests for extreme flows of Zhimenda Station from 1957 to 2021

3.5 年極端值出現(xiàn)時間

由表3可知，年最小流量出現(xiàn)時間變化較大，出現(xiàn)時間均值提前，水文改變度為25%，屬低改變度。但長江源區(qū)最小流量呈現(xiàn)增加態(tài)勢，對水生生物影響較小。年最大值出現(xiàn)時間變化較小，水文變化度為10%，屬低度改變。極端值出現(xiàn)時間綜合改變度為19.0%，屬低度改變，表明對水生生物棲息地以及魚類洄游影響較小。

3.6 年高低流量脈沖頻次及歷時

由表3和圖5可知，高、低流量脈沖頻次均值減少，均為低度改變。在一定程度上反映出長江源區(qū)干旱和洪澇發(fā)生次數(shù)減少，使得長江源區(qū)河道、河灘的受水情況趨于穩(wěn)定，有利于該區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)平衡、健康發(fā)展；低脈沖歷時均值增加，高脈沖歷時均值減少，均為中度改變，反映出源區(qū)河道內(nèi)枯水和洪水過程持續(xù)性增強(qiáng)，給源區(qū)河道及沿岸生態(tài)環(huán)境帶來不確定的影響。高低流量頻次及歷時綜合改變度為36.3%，屬中度改變。

圖5 變點前后高低脈沖頻次及歷時Fig.5 High and low flow frequencies and durations before and after the change point

3.7 變化次數(shù)及逆轉(zhuǎn)率

由表3可知，流量上升率、下降率及逆轉(zhuǎn)率均值絕對值增大，均屬低度改變。在一定程度上反映出河道流量波動幅度和頻率增強(qiáng)，對河流生物和河岸帶生物、景觀產(chǎn)生一定影響。水生動物在高流量脈沖刺激下開始產(chǎn)卵，水生植物在高流量脈沖時期獲得充足的水源，低流量脈沖則為下一個周期的高流量脈沖做準(zhǔn)備。變化次數(shù)及逆轉(zhuǎn)率綜合改變度為14.9%，為低度改變。這表明長江源區(qū)流量改變程度較低，維持在生態(tài)系統(tǒng)相對穩(wěn)定的狀態(tài)。

4 結(jié) 論

(1)長江源區(qū)直門達(dá)水文站年均流量在2004年發(fā)生變異，2004年以后呈現(xiàn)明顯增加態(tài)勢。

(2)以2004年為界，統(tǒng)計IHA指數(shù)，定量分析水文改變度，結(jié)果表明直門達(dá)水文站IHA指數(shù)綜合改變度為37.2%，屬于中度改變。

(3)全年月均流量均有不同程度的增加，反映出長江源區(qū)河道內(nèi)水生生物棲息可用水量增大，有利于提升水生生物適宜棲息地的數(shù)量和生物多樣性；其中4月份和11月份平均流量改變度分別為90%和70%，為高度改變，表明長江源區(qū)春、冬季徑流增大，發(fā)生凌汛可能性增強(qiáng)。計算月均流量綜合水文改變度為46.8%，為中度改變。表明長江源區(qū)汛期時間增長，汛期流量增加，有利于水生生物繁殖和下游河岸生態(tài)補(bǔ)水。同時趨勢和長程相關(guān)檢驗結(jié)果表明除7月份和8月份流量均值呈現(xiàn)不顯著上升趨勢，其他各月流量均值及年均值呈現(xiàn)顯著性上升的趨勢。

(4)流量極值綜合改變度為低改變度，表明長江源區(qū)極端流量事件處于一個穩(wěn)定的范圍，在一定程度上維持了長江源區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。最小流量增加可以為水生生物提供適宜的棲息地，同時更好地保障了流域生態(tài)流量。

(5)極端值出現(xiàn)時間綜合改變度為19.0%，屬低度改變，表明對水生生物棲息地以及魚類洄游影響較小。

(6)高、低流量脈沖頻次均值減少，均為低度改變。在一定程度上反映出長江源區(qū)干旱和洪澇發(fā)生次數(shù)減少，使得長江源區(qū)河道、河灘的受水情況趨于穩(wěn)定；高、低脈沖歷時變化給源區(qū)河道及沿岸生態(tài)環(huán)境帶來不確定的影響。

(7)流量上升率、下降率及逆轉(zhuǎn)率均屬低改變度。在一定程度上反映出長江源區(qū)流量改變程度較低，維持在生態(tài)系統(tǒng)相對穩(wěn)定的狀態(tài)。

長江源區(qū)受人類活動的干擾較少，氣候變化是影響生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性的主要因素，分析IHA指標(biāo)變化情況，表明長江源區(qū)環(huán)境流量組分與水文情勢發(fā)生一定變化，IHA指數(shù)綜合改變度為37.2%，屬于中度改變。長江源區(qū)河道生態(tài)環(huán)境有轉(zhuǎn)好的趨勢，增加的生態(tài)流量有利于維持長江源區(qū)生物多樣性和生態(tài)系統(tǒng)的健康可持續(xù)發(fā)展。未來氣候變化可能會進(jìn)一步影響長江源區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的健康狀況，但I(xiàn)HA 指標(biāo)體系對生態(tài)系統(tǒng)的影響評估只是通過水文指標(biāo)進(jìn)行間接的反映，而忽視了生態(tài)系統(tǒng)的整體性。今后需加強(qiáng)長江源區(qū)生態(tài)系統(tǒng)整體變化情況研究，開展歸因分析，深入分析各指標(biāo)生態(tài)響應(yīng)機(jī)理，優(yōu)化評價指標(biāo)體系，以提高河流生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)和水資源管理效能。