基于ＩＨＡ?ＲＶＡ法的若爾蓋濕地水文情勢研究

摘 要：若爾蓋濕地為黃河上游主要產(chǎn)流區(qū)，為研究若爾蓋濕地水文情勢的變化，選取黃河干流吉邁站、瑪曲站和主要支流白河唐克站、黑河大水站的歷史逐年、日流量資料，應(yīng)用Ｍａｎｎ?Ｋｅｎｄａｌｌ 法、距平累積法以及Ｐｅｔｔｉｔｔ 檢驗法分析４ 站突變特征。采用水文指標(biāo)變動范圍法（ＩＨＡ?ＲＶＡ）和水文改變度法綜合評估各站對比時段和評價時段水文指標(biāo)改變程度。研究結(jié)果表明：４ 站年徑流量無顯著突變趨勢；與對比時段相比，評價時段４ 站整體水文改變度接近中度改變，其中唐克站達(dá)到中度改變；３２ 個水文改變指標(biāo)中，極端大流量事件均以減少為主，高、低流量脈沖頻率均以下降為主，改變度最大的是流量改變率及逆轉(zhuǎn)次數(shù)，瑪曲、吉邁、大水站流量增大率和減小率均下降，逆轉(zhuǎn)次數(shù)減少改變度除唐克站外均達(dá)到中度甚至高度改變，這將給河流生物群落帶來一定的影響，也在一定程度上反映了濕地退化現(xiàn)象。

關(guān)鍵詞：水文情勢；ＩＨＡ?ＲＶＡ 法；水文改變度；若爾蓋濕地；黃河

中圖分類號：ＴＶ６２；ＴＶ８８２．１ 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：Ａｄｏｉ：１０．３９６９／ ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－１３７９．２０２３．０４．００６

引用格式：許明一，蘇柳．基于ＩＨＡ?ＲＶＡ 法的若爾蓋濕地水文情勢研究［Ｊ］．人民黃河，２０２３，４５（４）：３５－３９，１０１．

１ 研究背景

黃河上游是由一系列河流、星羅棋布的大小湖泊、沼澤和草原以及位于高山之巔的冰川雪原和埋藏于地下的潛水組成的一個完整而復(fù)雜的水資源系統(tǒng)。瑪多以下進(jìn)入峽谷段，徑流補(bǔ)給以降水為主，其中吉邁至瑪曲段為多雨區(qū)，至索宗寺和瑪曲處黃河與白河、黑河匯合，水量顯著增加。阿壩州黃河流域位于此河段，其多年平均（１９５６—２０１６ 年）地表水資源量４１．４１ 億ｍ３，占黃河流域多年平均（１９５６—２０１６ 年） 地表水資源量５８３．６ 億ｍ３的７．１％。

若爾蓋濕地位于阿壩州若爾蓋縣境內(nèi)青藏高原東北部的黃河上游，是世界上面積最大、保存最完好的高原高寒泥炭沼澤濕地，是黃河最重要的水源涵養(yǎng)區(qū)［１－２］ 。濕地對調(diào)節(jié)氣候、改善生態(tài)環(huán)境和保護(hù)生物多樣性都有著極其重要的作用，被生態(tài)學(xué)家稱為“地球之腎”。同時，若爾蓋濕地是我國生物多樣性研究熱點(diǎn)地區(qū)之一。２０ 世紀(jì)６０ 年代以來，受人類活動和氣候變化的影響，若爾蓋濕地面臨一系列問題，比如濕地萎縮、功能退化、草甸含水量減小、水土流失、濕地荒漠化、生物多樣性下降等［３－４］ 。

國內(nèi)外學(xué)者非常關(guān)注人類活動對河流水文情勢的影響［５－７］ 。２０ 世紀(jì)８０ 年代，美國學(xué)者提出水資源研究不僅要考慮化學(xué)指標(biāo)，更應(yīng)注重生態(tài)指標(biāo)，９０ 年代研究成果增加，并發(fā)布了恢復(fù)生態(tài)完整性等多項指導(dǎo)原則，其他國家、地區(qū)、組織也出臺相關(guān)技術(shù)導(dǎo)則。我國在２０１５ 年后出臺各種有關(guān)河湖生態(tài)保護(hù)的規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)、導(dǎo)則等，其中在水文情勢方面明確了各種水文要素時空變化的態(tài)勢和趨勢，常用流量、頻率、發(fā)生時機(jī)、延續(xù)時間和變化率等表示?？紤]對河流生態(tài)系統(tǒng)有重要意義的這５ 種水文情勢，國外學(xué)者建立了評估生態(tài)水文變化過程的ＩＨＡ 指標(biāo)體系及對河流生態(tài)健康評價的ＲＶＡ 方法。運(yùn)用ＩＨＡ?ＲＶＡ 法研究河湖生態(tài)流量，能夠有效評估河流生態(tài)水文情勢的變化特性，目前常用該方法評價河流水文情勢［８－９］ 。

本文選取若爾蓋濕地黃河干流及主要支流斷面，通過Ｍａｎｎ?Ｋｅｎｄａｌｌ 法、距平累積法、Ｐｅｔｔｉｔｔ 檢驗法３ 種方法進(jìn)行突變點(diǎn)檢驗，基于ＩＨＡ?ＲＶＡ 法評價水文情勢指標(biāo)及變化特性，分析討論水文情勢變化原因，以期為若爾蓋濕地生態(tài)保護(hù)管理提供科學(xué)依據(jù)。

２ 研究數(shù)據(jù)及方法

２．１ 數(shù)據(jù)資料

選取若爾蓋濕地黃河干流瑪曲水文站及其上游吉邁水文站徑流系列，以及若爾蓋濕地重要黃河支流白河唐克水文站、黑河大水水文站徑流系列進(jìn)行分析。采用ＩＨＡ?ＲＶＡ 法分析２０００—２０１９ 年水文情勢相對于對比時段的變化?，斍?、吉邁水文站將建站至２０世紀(jì)９０ 年代作為對比時段，即瑪曲站對比時段為１９６０—１９８９ 年，吉邁站對比時段為１９５９—１９８９ 年；大水、唐克水文站將２０ 世紀(jì)８０ 年代建站至１９９９ 年作為對比時段，即大水站對比時段為１９８５—１９９９ 年，唐克站對比時段為１９８１—１９９９ 年。數(shù)據(jù)采用水文站實測日徑流量數(shù)據(jù)。

２．２ 研究方法

２．２．１ 突變檢驗方法

本研究選取若爾蓋濕地相關(guān)的水文站作為代表水文站，基于各水文站建站至２０１９ 年的歷年年均流量資料，運(yùn)用Ｍａｎｎ?Ｋｅｎｄａｌｌ 法［１０］（以下簡稱Ｍ－Ｋ 法）、距平累積法［１１－１２］ 和Ｐｅｔｔｉｔｔ 檢驗法［１３］ 對年均流量進(jìn)行趨勢性和突變性分析。其中Ｍ－Ｋ 法、距平累積法比較常見，本文不作詳細(xì)介紹。

Ｐｅｔｔｉｔｔ 檢驗是一種與Ｍ－Ｋ 法相似的非參數(shù)檢驗方法，該方法不適用于突變點(diǎn)較多的情況，直接利用秩序列檢驗突變點(diǎn)［１４］ ，因而在生態(tài)水文學(xué)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。Ｐｅｔｔｉｔｔ 檢驗的原理是對于包含Ｎ 個樣本的時間序列數(shù)據(jù)Ｘ，計算其統(tǒng)計量Ｕ。

把Ｕｔ 中絕對值最大的點(diǎn)記為Ｋｔ ，設(shè)該點(diǎn)為最顯著的突變點(diǎn)，并計算Ｋｔ所對應(yīng)的統(tǒng)計量Ｐ，如果Ｐ 小于給定的顯著水平，那么存在統(tǒng)計顯著的突變點(diǎn)。

２．２．２ ＩＨＡ?ＲＶＡ 方法

為定量分析河流自然水文情勢變化特征，Ｒｉｃｈｔｅｒ等［１５］ 建立了水文變化指標(biāo)體系ＩＨＡ，其包括流量特征、頻率特征、時間特征、高低脈沖流量及其發(fā)生時機(jī)特征、河流水文流量日變化幅度特征，共５ 組３３ 個評價指標(biāo)，本次研究無流量為０ 的情況，故有３２ 個評價指標(biāo)（見表１）［１６］ 。

變化范圍評價法（Ｒａｎｇｅ ｏｆ Ｖａｒｉａｂｉｌｉｔｙ Ａｐｐｒｏａｃｈ，ＲＶＡ）可分析不同時段ＩＨＡ 指標(biāo)的變化程度即水文改變度，根據(jù)評價時段落在ＲＶＡ 目標(biāo)區(qū)間內(nèi)的年數(shù)占預(yù)期年數(shù)的比例評價水文情勢變化程度［１７］ 。本文將對比時段各ＩＨＡ 指標(biāo)值的２５％至７５％作為ＲＶＡ 目標(biāo)區(qū)間。水文改變度定義為［１６－２０］

式中：Ｄｉ為第ｉ 個ＩＨＡ 指標(biāo)的水文改變度；Ｎｏ為評價時段落到ＲＶＡ 目標(biāo)區(qū)間內(nèi)的年數(shù)；Ｎｅ 為評價時段落到ＲＶＡ目標(biāo)區(qū)間內(nèi)的預(yù)期年數(shù)，本文預(yù)期年數(shù)為評價時段總年數(shù)的一半，為１０；ｉ 為ＩＨＡ 指標(biāo)編號，ｉ ＝１，２，…，３２。

Ｒｉｃｈｔｅｒ 建議，當(dāng)Ｄｉ 落在［０％，３３％）范圍內(nèi)時，水文改變度為無改變或低度改變；在［３３％，６７％）范圍內(nèi)時，為中度改變；在［６７％，１００％］范圍內(nèi)時，為高度改變［１６］ 。基于ＩＨＡ?ＲＶＡ 法，提出綜合指標(biāo)改變度，基于每個指標(biāo)的變異程度Ｄｉ ，變異后的水文變異程度Ｄ 計算公式如下［１６－１７，２１－２２］ ：

式中：Ｄ 為流域整體的水文改變度。

３ 結(jié) 果

３．１ 突變性檢驗結(jié)果

采用Ｍ－Ｋ 法和Ｐｅｔｔｉｔｔ 檢驗法進(jìn)行趨勢檢驗，結(jié)果見表２，４ 個站檢驗結(jié)果均為無顯著性改變，其中Ｐｅｔｔｉｔｔ 檢驗的Ｋ 值范圍均達(dá)不到相應(yīng)的顯著水平。

４ 個站的距平累積變化過程見圖１?，斍?、吉邁站１９９０ 年之后有來水減小的趨勢，吉邁站２００４ 年達(dá)到最低點(diǎn)；唐克站、大水站２０００ 年之后有來水減小趨勢，２０１０ 年來水開始增大。由此說明ＩＨＡ?ＲＶＡ 法中評價年份和對比年份選取較為合理。

３．２ ＩＨＡ?ＲＶＡ 評價結(jié)果

３．２．１ 整體情況

ＩＨＡ?ＲＶＡ 評價結(jié)果見表３。與２０ 世紀(jì)９０ 年代前相比，２０００—２０１９ 年瑪曲、吉邁斷面河流整體屬于低度改變；與２０００ 年前相比，２０００—２０１９ 年大水?dāng)嗝婧恿髡w屬于低度改變，唐克斷面河流整體達(dá)到中度改變。對于３２ 個ＩＨＡ 評價指標(biāo)，４ 個斷面均以低度改變?yōu)橹?，瑪曲斷面中度改變所占比例較大。唐克斷面河流整體屬中度改變，主要原因是基流量的增大。

３．２．２ 月均流量

分析２０００—２０１９ 年４ 個斷面各組ＩＨＡ 指標(biāo)值相對于對比時段指標(biāo)值的偏離度。對于月均流量，２０００—２０１９年瑪曲斷面１—１２ 月月均流量僅５ 月、１２月少量增大，其余均減小，改變度７ 月份為４０％，其他均在０％～２０％之間，減小（增大）幅度９ 月份最大為２７．２％，其他在７．２％ ～１６．３％之間；吉邁斷面１—４ 月、６—７ 月、１１—１２ 月月均流量增大，其余月份減小，改變度９ 月份為５０％、５ 月份為４０％，其他均在０％ ～２０％之間，增大（減?。?幅度１—４ 月及１２ 月份平均為３２．３％，其他在０．６％～１９．９％之間；唐克斷面月均流量僅２—３ 月、１１ 月增大，其余減小，改變度１２ 月份為４０％，其他均在１０％～３０％之間，減?。ㄔ龃螅┓龋?月份為３６．６％，２ 月、３ 月均在２４％ 以上，其他月份在１．０５％～１７．９％之間；大水?dāng)嗝嬖戮髁績H１—２ 月、１０月、１２ 月增大，其余減小，改變度３ 月為７０％，２ 月、４月為４０％，其他月份在０％～３０％之間，減?。ㄔ龃螅┓茸兓草^大，其中１—２ 月、４ 月、６ 月、９ 月在３０％以上，其他月份在０．７％～２３．８％之間。

總體來說，汛期平均流量均不同程度減小，枯水期１１ 月至次年２ 月則不同程度增大。各水文站流量序列整體水文改變度分級見表４。

３．２．３ 極端流量及持續(xù)時間

最大１、３、７、３０、９０ ｄ 平均流量，２０００—２０１９ 年４個水文站均小于對比時段，瑪曲站平均減?。保罚叮?，改變度平均為１４％；吉邁站平均減?。保保梗?，改變度平均為１６％；唐克站平均減?。保梗矗?，改變度平均為２４％；大水站平均減小１０％，改變度平均為１６％。反映出年最大流量減小，說明大流量事件在一定范圍內(nèi)處于收緊狀態(tài)。

最?。?、３、７、３０、９０ ｄ 平均流量，２０００—２０１９ 年瑪曲斷面小于對比時段，平均減?。保矗担?，改變度平均為４２％，屬中度改變；吉邁斷面大于對比時段，平均增大３７％，改變度平均為１６％；唐克斷面大于對比時段，平均增大２９％，屬中高度改變；大水?dāng)嗝娲笥趯Ρ葧r段，平均增大１５．９％，屬中度改變。

４ 個站基流變化情況：瑪曲減?。埃担?，改變度２０％；吉邁增大２６．５％，改變度高達(dá)９０％；唐克增大幅度較大，為７６．８％，改變度高達(dá)１００％；大水增大５９％，改變度為５０％。

３．２．４ 極端流量發(fā)生時間

瑪曲站年最大流量發(fā)生時間基本不變，最小流量推遲較多，由１２—１ 月推遲至１—２ 月；吉邁站年最大、最小流量發(fā)生時間均基本不變；唐克站年最大流量發(fā)生時間基本不變，最小流量提前較多，由２—３ 月提前至１—２ 月；大水站年最大流量發(fā)生時間基本不變，最小流量不規(guī)律變化；改變度方面，大水站最小流量發(fā)生時間為中度改變，唐克站最小流量發(fā)生時間為高度改變，其余均為低度改變。

３．２．５ 高、低流量脈沖頻率及歷時

瑪曲站高、低流量脈沖發(fā)生次數(shù)均減少，持續(xù)時間均延長，其中低流量脈沖發(fā)生次數(shù)及持續(xù)時間均為中度改變；吉邁站高、低流量脈沖發(fā)生次數(shù)均減少，持續(xù)時間高流量脈沖略有延長、低流量脈沖略微縮短，其中低流量脈沖發(fā)生次數(shù)為中度改變；唐克站高、低流量脈沖發(fā)生次數(shù)均減少，持續(xù)時間高流量脈沖縮短、低流量脈沖延長，均為低度改變；大水站高流量脈沖發(fā)生次數(shù)減少、持續(xù)時間延長，低流量脈沖發(fā)生次數(shù)增加、持續(xù)時間縮短，均為低度改變。

３．２．６ 流量改變率及逆轉(zhuǎn)次數(shù)

瑪曲、吉邁、大水站流量增大率和減小率均下降，瑪曲站逆轉(zhuǎn)次數(shù)由８７ 次減少至６８ 次，改變度達(dá)５０％；吉邁站逆轉(zhuǎn)次數(shù)由１３０ 次減少至１２０ 次，改變度高達(dá)９０％；大水站逆轉(zhuǎn)次數(shù)由５９ 次減少至５０ 次，改變度達(dá)５０％。唐克站流量增大率和減小率變化不大，逆轉(zhuǎn)次數(shù)由６９ 次減少至５１ 次，改變度為２０％。圖２ 為水文站對比時段與評價時段逆轉(zhuǎn)次數(shù)的變化。河流流量逆轉(zhuǎn)次數(shù)多少關(guān)系著河流的生態(tài)水文規(guī)律，河流生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定將受到流量變化及頻率的影響。流量逆轉(zhuǎn)次數(shù)的改變，將對水生動植物的生物量和多樣性產(chǎn)生影響，危害水生動植物的生存環(huán)境［２３］ 。

４ 討 論

河流水文情勢受到氣候變化、人類活動等多因素的復(fù)合影響?，斍鷶嗝嬉陨系狞S河干流及黑河、白河支流上游沒有控制性水利樞紐工程，基本處于天然狀態(tài)。流量過程變異程度可能與氣候、人類活動影響有關(guān)，比如全球變暖、區(qū)域蒸發(fā)量增大、過度放牧、開挖溝渠等，濕地生態(tài)環(huán)境明顯惡化［２４－２６］ 。在黃河源區(qū)的研究結(jié)果為氣溫升高，水面蒸發(fā)量增大，降水增加趨勢并不顯著，這可能是導(dǎo)致該區(qū)域徑流量減少的主要原因［２７］ 。人工開渠直接疏干成片沼澤濕地是沼澤濕地退化的重要原因［２５］ 。人類活動使鼠蟲天敵銳減，缺乏食物鏈約束的鼠蟲害肆虐，蠶食牧草，縱橫交錯的地下洞穴使土壤水分流失、牧草枯萎死亡，從而形成大面積的水土流失。

４ 個站２０００—２０１９ 年多年平均天然徑流量比長系列徑流量有所減少，４ 個站平均減少不到５％。在前人分析中，若爾蓋濕地徑流量呈下降趨勢，兩條主要支流白河以及黑河流域徑流量下降趨勢顯著，且各站大流量事件減少，瑪曲站小流量事件減少，其他站小流量事件增加，說明大流量減小，小流量可能會被消耗，在一定程度上引起濕地水位下降，沼澤溯源下切速率增大，加速了濕地萎縮與退化，也可能影響黃河上游的水資源量短缺情勢［２８－２９］ 。

在后續(xù)研究中，需深入研究河流水文情勢與水生動植物之間動態(tài)關(guān)系，結(jié)合生態(tài)監(jiān)測資料，定量分析水文情勢改變對高原水生生物的影響程度［５，３０］ ，還需研究水文變化與濕地儲水的關(guān)系等，以期為若爾蓋濕地生態(tài)保護(hù)和恢復(fù)提供參考。

５ 結(jié) 論

采用ＩＨＡ?ＲＶＡ 法分析了黃河干流吉邁、瑪曲，支流黑河大水、白河唐克４ 個水文站長系列水文情勢演變過程，得到以下結(jié)論。

（１）對４ 個斷面逐年的流量過程進(jìn)行突變性檢驗，都沒有通過顯著性檢驗，說明流量過程變異程度的變化均是漸進(jìn)的，沒有顯著的突變點(diǎn)。

（２）與對比時段相比，評價時段河流整體改變度為低度或中度，唐克站整體改變度較大；５—１０ 月月均流量以減小為主，其他月份除瑪曲站外均以增大為主；極端大流量事件均以減少為主，極端小流量事件的流量除瑪曲站外均以增大為主。高、低流量脈沖頻率均以下降為主。

（３）改變度最大的是流量改變率及逆轉(zhuǎn)次數(shù)，瑪曲、吉邁、大水站流量增大率和減小率均下降，逆轉(zhuǎn)次數(shù)減少改變度除唐克站外均已達(dá)到中度甚至高度改變。

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［３０］ ＡＣＲＥＭＡＮ Ｍ，ＡＲＴＨＩＮＧＴＯＮ Ａ Ｈ，ＣＯＬＬＯＦＦ Ｍ Ｊ，ｅｔ ａｌ．Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ Ｆｌｏｗｓ ｆｏｒ Ｎａｔｕｒａｌ，Ｈｙｂｒｉｄ，ａｎｄ Ｎｏｖｅｌ ＲｉｖｅｒｉｎｅＥｃｏｓｙｓｔｅｍｓ ｉｎ ａ Ｃｈａｎｇｉｎｇ Ｗｏｒｌｄ［Ｊ］．Ｆｒｏｎｔｉｅｒｓ ｉｎ Ｅｃｏｌｏｇｙａｎｄ ｔｈｅ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ，２０１４，１２（８）：４６６－４７３．

【責(zé)任編輯 張 帥】