平原河網(wǎng)地區(qū)生態(tài)水位計算分析

摘要：為了研究平原河網(wǎng)地區(qū)生態(tài)水位，以上海市青松片區(qū)域為例，采用滑動T檢驗和累積距平法，分析1952～2021年水位變化趨勢，確定水位變異點；以水位變異點為界，分別采用保證率法和年內(nèi)展布法計算變異前后及長序列時段區(qū)域內(nèi)生態(tài)水位及年內(nèi)過程，評估生態(tài)水位滿足程度。計算結果表明：1997年為水位突變年份，突變后多年平均水位較突變前抬升0.22 m；以年內(nèi)展布法計算的突變后生態(tài)水位與長系列相比，存在明顯上漲，幅度在8.3%～15%之間，年內(nèi)生態(tài)水位2.28～2.51 m，總體滿足程度為98.3%。分析結果可為平原河網(wǎng)地區(qū)水生態(tài)環(huán)境保護、水資源調(diào)度決策提供參考。

關鍵詞：生態(tài)水位； 變化趨勢； 保證率法； 平原河網(wǎng)

中圖法分類號：TV213

文獻標志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2024.09.018

文章編號：1006-0081（2024）09-0100-05

0 引 言

平原河網(wǎng)地區(qū)水文條件復雜，人類聚集活動頻繁，水資源需求量大，同時需要考慮水生態(tài)、水安全、水資源管理需求。水利控制片由一線堤防、水閘、泵站、片內(nèi)河道和圩區(qū)等組成，水位既受自然氣象因素影響，又受人類工程調(diào)度影響，根據(jù)防汛要求設置有警戒水位等控制高水位，同時片內(nèi)存在生產(chǎn)、生活用水與生態(tài)用水需求，水位過低時會直接影響區(qū)域的生態(tài)系統(tǒng)功能和用水需求，水生態(tài)安全直接關系到區(qū)域內(nèi)的生態(tài)安全，近年來維持河道等水生態(tài)系統(tǒng)功能不喪失、需要保留的水位最低值研究已成為十分重要的課題。

參考SL/Z 479-2010《河湖生態(tài)需水評估導則（試行）》，生態(tài)水位研究的主要方法有水文學法、水力學法、棲息地評價法及整體分析法等。谷桂華等［1］利用長系列日水位資料，借鑒生態(tài)水文學方法，對撫仙湖適宜生態(tài)水位及水位改變度進行分析研究；朱曄［2］考慮南方平原河網(wǎng)地區(qū)特殊水文地理條件和用水需求，以南通市呂運河為例開展針對南方平原河網(wǎng)地區(qū)河流的生態(tài)需水研究；楊恒等［3］運用天然水位資料法、湖泊形態(tài)法等6種分析方法計算洞庭湖適宜生態(tài)水位和生態(tài)需水量，明晰湖區(qū)生態(tài)水文現(xiàn)狀。

目前針對平原河網(wǎng)地區(qū)水利控制片生態(tài)水位及其變異點的研究較少，本文基于保證率法和年內(nèi)展布法，選擇上海市14個水利控制片中面積較大的青松片，以片內(nèi)代表站青浦水位站1952～2021年日均水位數(shù)據(jù)為基礎，開展區(qū)域生態(tài)水位研究。由于水利工程建設及人為活動、氣候變化等可能對水利控制片內(nèi)水位特性帶來一定的影響［4-5］，本文首先采用滑動T檢驗和累積距平法分析多年水位的變化趨勢，后分別計算1952～2021年、1952～1997年、1998～2021年水利控制片生態(tài)水位，為區(qū)域水生態(tài)環(huán)境保護、水資源調(diào)度決策提供一定的參考。

1 研究區(qū)概況

青松片地處上海境內(nèi)，是上海開展水利分片治理第一片，涉及上海市青浦區(qū)與松江區(qū)內(nèi)28個鄉(xiāng)鎮(zhèn)，是青浦區(qū)、松江區(qū)內(nèi)最大的水利控制片，也是區(qū)域經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展的重要載體［6］。青松片東面基本上以青浦、松江兩區(qū)與閔行區(qū)的區(qū)界與淀北片和淀南片為界，南面以橫潦涇—豎潦涇—黃浦江一線與浦南西片、浦南東片為界，西南以淀山湖—攔路港—泖河—斜塘一線與商榻片、太北片、太南片為界，控制區(qū)周長163 km，總面積758.23 km2，全區(qū)水面率8.85%。青松片處于太湖流域下游蝶形洼地的東緣，屬于太湖八個水利分區(qū)之一浦西區(qū)，地面高程大多在3.5 m以下，河網(wǎng)密布，洪澇、漬害嚴重，太湖重要行洪通道吳淞江、太浦河均流經(jīng)該區(qū)域，同時在區(qū)域旱情時保障供水安全。1979年12月，經(jīng)上海市人民政府批準，設立青松大控制水利工程建設項目，截至20世紀90年代，開挖13條骨干河道，建設6 m以上孔徑水閘10座、4，5 m孔徑的小型套閘69座，水生態(tài)環(huán)境因而發(fā)生相應變化。目前，青松片內(nèi)共有圩區(qū)180個，圩內(nèi)獨立泵站52座，獨立水閘855座，泵閘551座。

2 數(shù)據(jù)和方法

2.1 研究數(shù)據(jù)

青松片內(nèi)水位站點分為圩內(nèi)站、片內(nèi)圩外站，圩內(nèi)站水位主要受圩區(qū)邊界泵閘等工程調(diào)度控制，片內(nèi)圩外站水位同時受片內(nèi)工程調(diào)度與潮汐、上游來水、降雨等氣象因素影響，能夠反映水利控制片內(nèi)水位情況。青浦水位站位于青松片青浦區(qū)柘澤塘中段，是青松片內(nèi)的國家基本水位站，累積歷史資料長度超70 a，主要監(jiān)測項目為水位、降水、蒸發(fā)，多年平均水位2.47 m，多年平均降雨量為1 050.7 mm?？紤]到青浦水位站位于青松片中部區(qū)域，能較好地代表區(qū)域水文情勢，本文以青浦水位站監(jiān)測水位代表青松片內(nèi)圩區(qū)外河道水位、監(jiān)測雨量代表青松片內(nèi)雨量，資料來源于《中華人民共和國水文年鑒》長江流域水文資料第6卷第20冊。青松片及青浦水位站如圖1所示。

2.2 研究方法

2.2.1 變化趨勢分析方法

2.2.1.1 滑動T檢驗

滑動T檢驗主要通過考察兩組樣本的平均值是否存在顯著差異來檢驗樣本是否存在突變。對樣本數(shù)量為n的時間序列，設置一個分界點，分界點前后序列x1和x2的樣本數(shù)量分別為n1和n2，平均值分別為x1—和x2—，方差分別為S1和S2，計算統(tǒng)計量：

T=x1—－x2—S 1n1+1n2（1）

S= n1S21+n2S22n1+n2－2（2）

將統(tǒng)計量T與一定置信度α下t分布表中Tα/2進行比較，若|T|gt;|Tα/2|，則表明序列在該點存在顯著性變異。

2.2.1.2 累積距平法

累積距平法是一種常用的判斷時序數(shù)據(jù)變化趨勢的方法，對某一時間序列x1，x2，x3，…，xn，其在某一時間的累積距平值為

Xt=∑ti=1（xi－x—）（3）

依據(jù)累積距平值的趨勢判斷數(shù)據(jù)變化情況，若累積距平曲線由持續(xù)增大和持續(xù)減小的兩部分組成，則兩段曲線的臨界拐點可判斷為該時間序列的變異點。

2.2.2 生態(tài)水位計算方法

2.2.2.1 保證率法（QP法）

保證率法（QP法）通過計算歷年逐月月均水位，以年為劃分選取各年最枯月均水位，進行皮爾遜Ⅲ型曲線排頻，選取特定保證率下的水位作為生態(tài)水位。

2.2.2.2 年內(nèi)展布法

年內(nèi)展布法依據(jù)歷史徑流資料計算同期均值比，將同期均值比與多年平均流量的乘積作為生態(tài)需水量［7］。進行生態(tài)水位計算時，將逐月多年最小月均水位的平均值H—min與多年水位平均值H—的比值作為同期均值比η，以同期均值比與各月多年平均水位h—i的乘積作為生態(tài)水位：

H—=112∑12ih—i（4）

h—i=1n∑nj=1hij（5）

H—min=112∑12i=1hmin（i）（6）

η=H—min/H—（7）

Hi=h—i×η（8）

3 水位變化趨勢分析

考慮到多年來水利控制片及周邊區(qū)域進行了大量的圩區(qū)建設和骨干河道開挖、貫通等工程，需要對水位是否存在變異點進行分析。經(jīng)Mann-Kendall 秩次相關檢驗［8］，水位變化趨勢不顯著；采用滑動T檢驗［9］和累積距平法［10］對水位變化趨勢進行分析，發(fā)現(xiàn)存在明顯變異點。

3.1 變化趨勢計算

3.1.1 水位變化趨勢

采用滑動T檢驗，顯著性水平取0.01，分析1952～2021年水位數(shù)據(jù)，結果如圖2所示。水位在1962～1964年、1972年、1997年、2007年及2011年出現(xiàn)突變。

采用累積距平法分析1952～2021年水位數(shù)據(jù)，計算結果如圖3所示。由圖可知，1952～1956年間累計距平值存在波動，1957～1997年持續(xù)減小，1997～2021年持續(xù)增大，判斷1997年為變異點。

3.1.2 雨量變化趨勢

對1952～2021年的年雨量值進行滑動T檢驗和累積距平計算，結果見圖4～5，雨量未表現(xiàn)出明顯突變。

3.2 變化趨勢分析

1952～2021年水利控制片雨量未發(fā)生明顯突變，判斷水位情勢變化與降雨沒有明顯關系。查閱資料發(fā)現(xiàn)：1992年底，除松江縣毛竹港河口有待建閘控制外，整個青松片基建骨干控制工程已完成；且1991年太湖流域發(fā)生嚴重洪澇災害后，太湖流域綜合治理了太浦河、攔路港、紅旗塘、黃浦江上游等骨干防洪工程。由于工程對水位變化的影響是一個長期的過程［11］，綜合判斷1997年水位突變主要受人類活動工程建設影響。1952～1997年多年平均水位2.40 m，1998～2021年多年平均水位2.62 m，與年平均水位對比如圖6所示，可見1997年前后水位變化幅度較大，可能是水利控制工程建設和水閘調(diào)度等使水利控制片內(nèi)基本水位有所提升。

4 生態(tài)水位計算

根據(jù)變化趨勢計算結果，采用保證率法和年內(nèi)展布法，分別計算水利控制片1952～2021年、1952～1997年、1998～2021年的生態(tài)水位。

4.1 計算結果

采用皮爾遜Ⅲ型曲線，將每年最枯月水位進行排頻，分別計算1952～2021年、1952～1997年、1998～2021年青松片不同保證率下的水位，結果見表1。

保證率為90%、95%時，1952～2021年、1952～1997年生態(tài)水位計算結果相近，與1998～2021年生態(tài)水位計算結果相差10%左右，可見1998～2021年水利控制片內(nèi)生態(tài)水位變化較大。

采用年內(nèi)展布法計算青松片生態(tài)水位，同期均值比計算結果見表2。生態(tài)水位年內(nèi)過程見表3。

由表3可知，1952～1997年的年內(nèi)生態(tài)水位較1952～2021年較為接近，總體偏大0.2%～3.5%；1998～2021年的年內(nèi)生態(tài)水位值與1952～2021年相差較大，漲幅在8.3%～15%。

4.2 滿足情況分析

考慮生態(tài)水位存在年內(nèi)變化，分析年內(nèi)展布法計算的生態(tài)水位結果，發(fā)現(xiàn)采用長序列1952～2021年計算的青松片內(nèi)生態(tài)水位與1952～1997年片內(nèi)生態(tài)水位較為接近，與1998～2021年片內(nèi)生態(tài)水位存在較大差異，1997年基本水位抬升后生態(tài)水位計算值有所增大，生態(tài)水位保障程度有所提升?？紤]到人類活動和工程建設已成為常態(tài)，根據(jù)青浦各月適宜生態(tài)水位閾值，對變異后1998～2021年青松片生態(tài)水位滿足情況進行分析，結果見表4。共288個月里，滿足生態(tài)水位閾值區(qū)間需求的共283個月，總體滿足程度為98.3%。

參考上海市水務局《上海市水務局關于發(fā)布本市重點河道生態(tài)水位（試行）的通知》，青浦南門控制斷面生態(tài)水位2.30 m，本文計算結果與之相比較為相近。

5 結 論

（1） 通過滑動T檢驗和累積距平法計算發(fā)現(xiàn)，1997年青松片水位存在明顯的變異，變異點后多年平均水位抬升0.22 m。

（2） 本文采用保證率法和年內(nèi)展布法，以青松片為例計算生態(tài)水位，變異后短序列計算結果和長系列計算結果相差較大，但與上海市下發(fā)的重點河道生態(tài)水位較為接近。

未來還需要從更廣泛的視角對平原河網(wǎng)地區(qū)水生態(tài)水環(huán)境進行持續(xù)的研究，為生態(tài)調(diào)度和水位保障保護提供更科學的支撐。

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（編輯：李 晗）

Research on ecological water level calculation in plain river network

PAN Jingye

（Hydrological Survey Team of Shanghai Qingpu District，Shanghai 200434，China）

Abstract：

The Qingsong water conservancy zone in Shanghai was taken as an example to research the ecological water level in plain river network.Based on the water level from 1952 to 2021，the water level variation trend and its mutation point were detected by using moving T-test and cumulative anomaly method.The ecological water level during different times before and after the mutation level was calculated by assuring-probability method and dynamic calculation method，and the satisfaction degree of ecological water level was analyzed accordingly.The calculation results showed that water level changed abruptly in 1997.The mean annual water level after 1997 increased 0.22 m comparing with the level before 1997.The calculated ecological water level from 1998 to 2021 had significantly increased between 8.3% and 15% comparing with the level from 1952 to 2021 by using dynamic calculation method.The ecological water level within the year were from 2.28 to 2.51 m and the overall satisfaction degree of ecological water level from 1998 to 2021 was 98.3%.The analysis results can provide a reference for water ecological protection and water resource management in plain river network.

Key words：

ecological water level； variation tendency； assuring-probability method； plain river network