變化環(huán)境下漢江流域生態(tài)徑流演變特征

苗 璐，郝文龍,2，朱長軍,2

（1.河北工程大學(xué) 能源與環(huán)境工程學(xué)院，河北 邯鄲 056038；2.河海大學(xué) 水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點實驗室，南京 210098）

河流系統(tǒng)為人類提供寶貴服務(wù)，例如工業(yè)、農(nóng)業(yè)用水和水電開發(fā)等， 在生態(tài)平衡和水循環(huán)中發(fā)揮著重要作用。 但近年隨著氣候變化和人類活動的不斷加劇，導(dǎo)致水文過程發(fā)生變異［1］，河流生態(tài)環(huán)境出現(xiàn)退化，打破了生態(tài)系統(tǒng)平衡。因而，水文變異作為水生態(tài)環(huán)境的影響因素而引起人們的廣泛關(guān)注［2］。

目前，Olden 等［3］已總結(jié)了170 多種水文指標(biāo)來評估生態(tài)水文變化，其中最廣泛使用的是RICHTER等［4］提出的IHA 法共分5 組，包括33 個指標(biāo)（月平均流量、極端流量及出現(xiàn)的時間、頻率和變化速率等 水 文 指 標(biāo)）。RICHTER 等［5］為 了 對 河 流 的 水 文 變化做進(jìn)一步分析，在IHA 的基礎(chǔ)上又提出了變動范圍法RVA（Range of Variability Approach），許多學(xué)者采用此方法對水文情勢進(jìn)行評估。 盡管IHA-RVA與其他水文指標(biāo)相比較， 已經(jīng)得到了較大的簡化，但是GAO 等［6］指出這些指標(biāo)之間仍存在著很大的冗余和相關(guān)性，且局限性沒有得到較好解決，這會導(dǎo)致對水文情勢的評估更加復(fù)雜。 為解決以上問題，Vogle 等［7］提出了基于流量歷時曲線 （Howduration curve, 簡稱FDC）的生態(tài)指標(biāo)，即生態(tài)赤字和生態(tài)剩余兩個指標(biāo)， 用來分析河流生態(tài)徑流機(jī)制，此方法指標(biāo)較少且概念清晰，用來分析河道徑流的生態(tài)機(jī)制更加直觀。科學(xué)地探討生態(tài)徑流的變化特征對生態(tài)環(huán)境的建設(shè)具有重要意義，為理解漢江流域的生態(tài)徑流機(jī)制及合理取水供水提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

漢江流域起源于陜西省漢中市寧強(qiáng)縣， 在武漢市匯入長江，是長江的最大支流，也是引漢濟(jì)渭和南水北調(diào)工程的水源地。 漢江流域面積約15.9 萬km2,干流全長1577 km，多年平均降水量約887 mm，位于東亞副熱帶季風(fēng)區(qū)， 受歐亞大陸冷高壓和西太平洋副熱帶高壓影響，氣候具有季節(jié)性。

本文選取1959 —2014 年漢江流域支流與干流上的4 個水文站點（干流：白河站、黃家港 站； 支流： 黃 龍灘、 皇 莊站）的日流量數(shù)據(jù)（如表1），采用基于FDC 的生態(tài)指標(biāo)分析突變前后生態(tài)徑流的變化趨勢和變異情況。另外選取分布在漢江流域的23 個降水站點1959—2014 年日降水?dāng)?shù)據(jù)來反映降水對生態(tài)徑流影響。

表1 日流量站點的詳細(xì)數(shù)據(jù)

圖1 研究區(qū)概況

2 研究方法

2.1 變異點分析

Mann Whitney Pettitt 突變點檢驗是由Pettitt 提出的一種非參數(shù)檢驗方法， 該方法可確定已有數(shù)據(jù)的突變點年份。該方法的具體步驟為：假設(shè)一組水文時間數(shù)據(jù)在t 時間發(fā)生突變， 將分割點分為（x1,x2,……xi）（xi+1,xi+2,……xn）兩部分，

若突變點統(tǒng)計量Umax對應(yīng)的時間t 滿足：1≤t≤n，則以上的假設(shè)不成立，t 為突變時間。若t=n，以上假設(shè)成立，結(jié)果說明沒有發(fā)生突變。定義突變點顯著水平p：

若p＜0.05，則表明這組數(shù)據(jù)有明顯的突變點。

2.2 生態(tài)剩余和生態(tài)赤字

生態(tài)剩余和生態(tài)赤字是由Vogel 等人提出以流量歷時曲線（FDC）為基礎(chǔ)，用來評價生態(tài)徑流的兩個指標(biāo)， 其中流量歷時曲線是由所研究時段的日徑流數(shù)據(jù)和此時間段某個流量的超過概率構(gòu)成， 可以表現(xiàn)出徑流的大小與頻率。超過概率為：

式中 i 為日徑流數(shù)據(jù)的秩次；n 為某時間段日流量數(shù)據(jù)的樣本大小。

Gao 等［8］對生態(tài)剩余與生態(tài)赤字的定義做了改進(jìn)，首先根據(jù)日流量數(shù)據(jù)求得所需要的年FDC 和季節(jié)FDC，并將變異前的年或季節(jié)平均流量進(jìn)行排序，找到75%和25%分位數(shù)的流量分別對應(yīng)的年份，所求得的兩個年份定義為75%FDC 和25%FDC，75%FDC 和25%FDC 圍成的面積作為流域生態(tài)系統(tǒng)的保護(hù)范圍，對于某一年或季節(jié)FDC，將超過75%FDC 部分的面積定義為生態(tài)剩余，表示該流域年或季節(jié)生態(tài)需水量的富裕程度。同理，將低于25%FDC 部分的面積定義為生態(tài)赤字，表示該流域生態(tài)系統(tǒng)需水量的不足。

3 結(jié)果與分析

3.1 生態(tài)徑流指標(biāo)變化特征

根據(jù)Pettitt 突變點檢驗法分別求出4 個水文站的突變年份，白河站的突變時間在1984 年，黃莊站和黃家港站的變異點都在1990 年，黃龍灘站主要集中在1989 年。圖2 為4 個水文站年和季節(jié)水文變異前后流量歷時曲線（FDC）散點圖。從圖中可以看出，夏季FDC 變異前高低流量出現(xiàn)的次數(shù)、量級及分布范圍與突變后較為一致，變化不明顯，但是其他尺度上變異前后有較大的區(qū)別， 特別是春季和秋季變異前后的高低流量差別最明顯， 春秋季節(jié)變異后高流量出現(xiàn)的次數(shù)與量級顯著下降， 而低流量呈現(xiàn)出顯著增加趨勢，因此，引起了生態(tài)赤字的增加和生態(tài)剩余的減少。位于支流的黃龍灘水文站除春季外，變異前后FDC 曲線的分布范圍較為一致。位于干流的白河、黃家港水文站的FDC 曲線高低流量出現(xiàn)的范圍大于支流的黃龍灘站， 主要原因可能是支流上黃龍灘水文站的流域面積與徑流量較小。FDC 曲線只能初步對各水文站變異前后生態(tài)徑流指標(biāo)的變化情況進(jìn)行分析， 因此還要考慮各水文站點以上流域的降水對生態(tài)徑流指標(biāo)的影響。

圖2 變異點前后的季節(jié)、年尺度FDC 曲線

3.2 降水對生態(tài)指標(biāo)的影響

降水距平百分率可用來表征所研究時段的降水量較多年同期平均降水量的變化情況。圖3 為4 個水文站點上游流域的降水距平與生態(tài)指標(biāo)的關(guān)系。

圖3 生態(tài)徑流與面平均降水距平百分率時間變化分析

從圖3 可看出， 年尺度上除黃龍灘水文站外降水距平和生態(tài)徑流指標(biāo)的變化特征顯著相關(guān)， 即降水增多時生態(tài)剩余增加， 降水減少時生態(tài)赤字隨著減少。21 世紀(jì)后黃龍灘站降水增多， 生態(tài)剩余卻減少，生態(tài)赤字增加，是由于這片區(qū)域人口密集，受人類活動干擾較多的林用占地面積轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地，對生態(tài)徑流與降水的關(guān)系產(chǎn)生干擾， 且該區(qū)域受到丹江口水庫調(diào)控的影響，這個結(jié)果與祁秉宇［9］除黃家港—白河區(qū)間流域外， 其他站點年降水和徑流顯著相關(guān)相符。其他水文站突變后，藍(lán)色柱形圖明顯增多，表明降水減少，由此導(dǎo)致徑流量的減少，表現(xiàn)出生態(tài)赤字增加。

相比年尺度上降水距平與生態(tài)指標(biāo)的變化特征，季節(jié)尺度上春、夏、秋3 個季節(jié)降水與生態(tài)指標(biāo)相關(guān)性較一致， 尤其是夏季最為明顯， 除黃家港站外，其他水文站降水增多，生態(tài)剩余也有增加趨勢，而黃家港站在20 世紀(jì)90 年代之后降水增加， 但生態(tài)剩余幾乎為0， 是由于黃家港位于丹江口水庫下游， 受水庫的調(diào)節(jié)作用。 生態(tài)剩余對于春季生態(tài)徑流，西部區(qū)域受降水的影響要大于東部區(qū)域，可能是由于東部分布有大量的農(nóng)業(yè)用地，地勢較平坦，農(nóng)業(yè)灌溉也會對生態(tài)徑流起到一定的影響作用。 從各水文站的變化特征來看， 冬季生態(tài)指標(biāo)與降水距平百分率的相關(guān)性差，可能原因是冬季降水較少，土壤的水分不足，降水不是直接轉(zhuǎn)化為徑流，而是優(yōu)先補(bǔ)給土壤水分， 因而降水量的增加與減少對生態(tài)徑流指標(biāo)的影響不大。

為了進(jìn)一步說明生態(tài)徑流指標(biāo)的變化情況，繪制出4 個水文站年與季節(jié)10 年生態(tài)徑流指標(biāo)的箱型圖。如圖4，年尺度上，水源區(qū)的4 個站點的生態(tài)赤字整體上呈增加趨勢， 生態(tài)剩余減少，20 世紀(jì)80年代生態(tài)剩余較大，是明顯的豐水期，而20 世紀(jì)90年代徑流量減少，之后除黃龍灘站呈減少趨勢外，其他站又一致呈增加趨勢。 根據(jù)支流與干流生態(tài)指標(biāo)的變化趨勢可推斷出水源區(qū)的生態(tài)徑流呈減少趨勢。季節(jié)尺度上，灌溉用水高峰時期的春季，位于干流白河站的生態(tài)赤字呈顯著增加趨勢， 黃家港和皇莊站變化不明顯， 有利于水源區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展。夏季徑流是水源區(qū)年徑流的主要來源，生態(tài)徑流總體上呈減少趨勢， 除黃龍灘站外， 其他水文站20 世紀(jì)80 年代生態(tài)剩余都處于較高水平，經(jīng)歷了高值階段，且生態(tài)赤字呈拋物線趨勢，1959—1979 年呈下降趨勢，1979 年之后呈上升趨勢。秋季水源區(qū)生態(tài)徑流的變化也呈相似的減少趨勢， 除皇莊站外，20世紀(jì)90 年代生態(tài)赤字明顯高于生態(tài)剩余，徑流量偏低。 冬季的黃家港水文站從20 世紀(jì)70 年代之后生態(tài)赤字接近為0，生態(tài)剩余也減少，可能是由于1971年丹江口水庫建成，冬季的徑流被調(diào)節(jié)，使徑流的變化幅度減少；安康水庫建庫較晚，所以位于水庫下游的白河站與建庫前相比冬季生態(tài)剩余成增加趨勢，徑流大幅度提高。

圖4 年和季節(jié)尺度生態(tài)徑流10a 年際變化分析

3.3 生態(tài)徑流指標(biāo)與IHA32 水文指標(biāo)比較

圖5 是生態(tài)徑流指標(biāo)與IHA32 指標(biāo)的相關(guān)分析圖，從圖中可看出，大部分生態(tài)徑流指標(biāo)與IHA 指標(biāo)之間具有較好的正負(fù)相關(guān)性， 只有少部分相關(guān)性較弱。如冬季生態(tài)赤字WED（Winter Ecological Deficit）與最小1、3、7、30、90 d 徑流（Min1、3、7、30、90）之間具有較強(qiáng)的正相關(guān)，年生態(tài)剩余（ANES）、季節(jié)生態(tài)剩余（SNES）與最大1、3、7、30、90 d 徑流（Max1、3、7、30、90） 之間具有較顯著的相關(guān)性, 季節(jié)生態(tài)赤字SNED （Seasonal Ecological Deficit） 與大部分的IHA指標(biāo)之間具有負(fù)相關(guān)性， 各月份的月均徑流與大部分的生態(tài)徑流指標(biāo)之間也存在著正相關(guān)性。 徑流漲落次數(shù)（RL）、最大徑流發(fā)生時間（Dmax）、最小徑流發(fā)生時間（Dmin）等少部分的IHA 指標(biāo)與生態(tài)徑流指標(biāo)的相關(guān)性較弱， 這是由于生態(tài)徑流指標(biāo)是由流量歷時曲線（FDC）得到的，它不能用來反應(yīng)最大、最小流量到來的時間等信息， 不能準(zhǔn)確地反映一些較極端的事件，只能反映較大尺度的水文信息，根據(jù)以上對生態(tài)徑流指標(biāo)與IHA32 個水文指標(biāo)的相關(guān)性分析，IHA32 水文指標(biāo)可被生態(tài)徑流指標(biāo)較好地反映出來，生態(tài)指標(biāo)可為水文情勢變化提供評價標(biāo)準(zhǔn)。而且生態(tài)徑流指標(biāo)與IHA 水文指標(biāo)的計算方法互不相通，IHA 指標(biāo)之間的信息冗余和相關(guān)性，生態(tài)赤字與生態(tài)剩余指標(biāo)也能有效地解決， 因此生態(tài)徑流指標(biāo)可作為衡量水文情勢改變的指標(biāo)， 用來反映漢江流域生態(tài)徑流的變化特征。

圖5 生態(tài)指標(biāo)與IHA32 指標(biāo)相關(guān)性

4 結(jié)語

（1）水文變異后，F(xiàn)DC 的分布范圍出現(xiàn)差異，尤其是春季和秋季， 高流量出現(xiàn)的次數(shù)與量級顯著下降，低流量則顯著增加，導(dǎo)致FDC 分布下移，生態(tài)赤字增加，生態(tài)剩余減少。相比位于支流的黃龍灘站，支流上的白河和黃家港站突變前后FDC 變化差異更明顯。

（2）大部分流域在年、春季、夏季、秋季的降水與生態(tài)徑流關(guān)系上具有明顯的相關(guān)性， 年尺度上除黃龍灘站外生態(tài)指標(biāo)與降水的相關(guān)性較為顯著， 降水是生態(tài)徑流變化的主要原因。季節(jié)尺度上，冬季降水與生態(tài)徑流的相關(guān)性最差， 徑流主要受水庫調(diào)蓄作用的影響。

（3）生態(tài)徑流指標(biāo)與大部分IHA 指標(biāo)之間具有較好的相關(guān)性，可以很好地反映IHA 指標(biāo)信息，較IHA指標(biāo)，更適合作為衡量水文改變的指標(biāo)。