基于IHA-RVA法的黔中喀斯特流域水文情勢(shì)變化分析

摘要：以貴州省黔中喀斯特流域?yàn)踅嫌胃闪魅砗育垐?chǎng)橋站為研究站點(diǎn)，采用IHA-RVA生態(tài)水文指標(biāo)變化范圍法對(duì)水電梯級(jí)開發(fā)條件下龍場(chǎng)橋站1979—2020年水文情勢(shì)變化進(jìn)行量化評(píng)估，并根據(jù)雙累積曲線法分析降雨和人類活動(dòng)對(duì)龍場(chǎng)橋站徑流量變化的影響。結(jié)果表明，龍場(chǎng)橋站年均徑流量變化呈顯著下降趨勢(shì)，32個(gè)生態(tài)水文指標(biāo)中，5個(gè)為高度改變，3個(gè)為中度改變，24個(gè)為低度改變，整體水文改變度為40.51%，屬于中度改變；隨著流域梯級(jí)開發(fā)的不斷推進(jìn)，下游龍場(chǎng)橋站徑流量降幅逐漸增加，人類活動(dòng)導(dǎo)致龍場(chǎng)橋站年均徑流量降低，降雨在一定程度上消減了人類活動(dòng)的影響；1985年以來，流域內(nèi)土地利用轉(zhuǎn)移主要表現(xiàn)為耕地、建設(shè)用地的增加，林地、草地、灌木、水域等地類面積的減少，表明土地利用變化對(duì)地表徑流的截流作用不強(qiáng)，但因耕地面積增加導(dǎo)致的農(nóng)業(yè)用水需求增長(zhǎng)可能是龍場(chǎng)橋站徑流減少的另一重要原因；龍場(chǎng)橋站上游梯級(jí)水利水電工程的修建及調(diào)度對(duì)下游水文情勢(shì)產(chǎn)生了影響，增加了流域兩岸生態(tài)系統(tǒng)的不穩(wěn)定性，不利于流域兩岸生物多樣性的維續(xù)。研究結(jié)果可為梯級(jí)開發(fā)條件下黔中喀斯特流域水文水資源高效可持續(xù)利用及生物多樣性保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：水文情勢(shì)；水文改變度；土地利用轉(zhuǎn)移；烏江

中圖分類號(hào)：X143；P331" " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " 文章編號(hào)：1674-3075（2025）02-0091-12

天然水文情勢(shì)是指在人類大規(guī)模開發(fā)利用水資源及改造河流之前，河流基本處于自然狀態(tài)的水文過程（董哲仁，2015）。隨著全球水資源危機(jī)的不斷加劇，人類活動(dòng)對(duì)河川徑流過程的干擾程度也不斷增加，以水壩等水利工程建設(shè)為代表的人類活動(dòng)對(duì)徑流天然水文過程的影響越來越顯著（寧怡楠等，2021；江善虎等，2022；彭弢等，2022；雷澤鑫等，2022）。天然徑流過程與流域生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性、生物種類的多樣性等關(guān)系密切，一方面，徑流水文情勢(shì)的改變通過對(duì)徑流水溫、含氧量、水化學(xué)成分和顆粒物大小產(chǎn)生影響進(jìn)而間接改變水生、河岸和濕地生態(tài)系統(tǒng)的組成、結(jié)構(gòu)及功能；另一方面，水文條件的年內(nèi)變化也是許多水生、河岸和濕地物種成功完成生命周期的關(guān)鍵（唐玉蘭等，2018；Poff amp; Zimmerman，2010）。此外，流域水文過程還主導(dǎo)著徑流上下游之間、徑流與兩岸陸生生態(tài)系統(tǒng)間物質(zhì)、能量、信息等的交換和傳遞；水文情勢(shì)時(shí)空變異性是河流物質(zhì)流、能量流、信息流和物種流的驅(qū)動(dòng)力（董哲仁，2015；Mccartney，2009；Yuan et al，2016；Yang et al，2020）。因此積極探索流域水文變異特征、變異規(guī)律對(duì)流域科學(xué)治理和流域水生態(tài)保護(hù)具有重要意義。

全球范圍內(nèi)不同流域上針對(duì)水電開發(fā)造成流域水文情勢(shì)變異的研究較多，如Guo 等（2022）利用水文指標(biāo)法對(duì)岷江流域水文變異情況及驅(qū)動(dòng)機(jī)制進(jìn)行了研究；Pfeiffer等（2017）基于RVA范圍變化法對(duì)德國(guó)境內(nèi)易北河和萊茵河流域水文情勢(shì)變異情況進(jìn)行了評(píng)價(jià)分析；Chen（2012）基于RVA范圍變化法研究評(píng)價(jià)了雅魯藏布江1961—2000年的水文變異情況；江善虎等（2022）進(jìn)行了變化環(huán)境下渭河流域水文情勢(shì)變異的歸因研究，指出渭河流域生態(tài)水文情勢(shì)改變由氣候變化和人類活動(dòng)共同作用導(dǎo)致；曾金鳳等（2021）利用IHA-RVA生態(tài)水文指標(biāo)變化范圍法研究了東江源區(qū)生態(tài)水文情勢(shì)變化特征，得出水庫(kù)運(yùn)行對(duì)東江源區(qū)周邊生態(tài)系統(tǒng)影響較大。目前我國(guó)大多數(shù)研究主要集中于長(zhǎng)江流域中下游、黃淮海流域等地區(qū)，針對(duì)西南喀斯特流域梯級(jí)開發(fā)條件下流域水文情勢(shì)變異的研究相對(duì)較少，研究基礎(chǔ)略顯薄弱?？λ固氐貐^(qū)水文循環(huán)過程相對(duì)復(fù)雜（White，1977），隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，區(qū)域水資源供需矛盾急劇凸顯。為滿足區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展及居民用水需求，解決區(qū)域資源型、工程型缺水問題，不少流域興修了大量水電梯級(jí)工程，嚴(yán)重破壞了徑流的自然循環(huán)過程（張軍以等，2014），加之在氣候變化和人類活動(dòng)如生態(tài)恢復(fù)工程建設(shè)等的共同作用下，流域降水量、潛在蒸散發(fā)以及下墊面組成結(jié)構(gòu)等發(fā)生改變（蒙?；ê屯跖D春，2009），可能加劇徑流的水情變化。因此有必要對(duì)該地區(qū)的水文變異規(guī)律及驅(qū)動(dòng)機(jī)制開展系統(tǒng)研究。本研究選取龍場(chǎng)橋水文站為研究站點(diǎn)，基于1979—2020年共計(jì)42 a的實(shí)測(cè)日均流量資料，運(yùn)用Mann-Kendall法分析龍場(chǎng)橋站徑流水文特征及變化趨勢(shì)，基于水文指標(biāo)（IHA）變化范圍法（RVA）計(jì)算分析龍場(chǎng)橋站各水文指標(biāo)的變異程度，利用降雨-徑流雙累積曲線法初步探討降水變化和人類活動(dòng)對(duì)流域水文情勢(shì)變異的影響。研究可充實(shí)我國(guó)不同區(qū)域水文基礎(chǔ)研究，為喀斯特地區(qū)水文水資源高效科學(xué)可持續(xù)利用以及流域生態(tài)環(huán)境保護(hù)及治理提供科學(xué)依據(jù)。

1" "研究方法

1.1" "區(qū)域概況

三岔河是黔中喀斯特區(qū)域?yàn)踅饔蛑饕闪?，也稱烏江南源，發(fā)源于貴州高原西部烏蒙山東麓，河流全長(zhǎng)325.6 km，流域面積約7 624 km2。本研究選取三岔河中上游為研究區(qū)（圖1），以龍場(chǎng)橋水文站作為中上游流量出口斷面控制站，集水面積為4 237 km2。龍場(chǎng)橋站上游有阿珠水庫(kù)和平寨水庫(kù)2個(gè)梯級(jí)水利工程。阿珠水庫(kù)于2006年建成，總庫(kù)容3 380萬(wàn)m3，屬日調(diào)節(jié)型水庫(kù)，工程以發(fā)電為主要目的；平寨水庫(kù)于2015年建成，是黔中水利樞紐源頭工程區(qū)，總庫(kù)容10.84億m3，屬年調(diào)節(jié)水庫(kù)，是以灌溉和城市供水為主，兼顧發(fā)電、人畜用水和水環(huán)境改善的綜合水利樞紐工程。流域地貌類型以山地和丘陵為主，地勢(shì)起伏大，自東北向西南下降，海拔高度1 148～2 300 m。該地屬于亞熱帶季風(fēng)性濕潤(rùn)氣候，日照時(shí)數(shù)較少，年均溫為10.4～15.1 ℃，年均降雨量680～1 150 mm，降雨量年際變化較小但年內(nèi)分配不均，5—10月降雨量較多，占全年水量的85%，為流域豐水期，尤其以6—7月為甚，占全年徑流量的40%；11月—次年4月為枯水期，其中2—3月占不到全年水量4%。

1.2" "數(shù)據(jù)來源

龍場(chǎng)橋站1979—2020年逐日徑流數(shù)據(jù)源于貴州省水文水資源局，逐月降雨數(shù)據(jù)源于國(guó)家科技基礎(chǔ)條件平臺(tái)——國(guó)家地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)中心（http：//www.geodata.cn）。利用ArcGIS軟件提取龍場(chǎng)橋站1979—2020年逐月降雨數(shù)據(jù)。土地利用數(shù)據(jù)源自武漢大學(xué)楊杰和黃昕教授的研究團(tuán)隊(duì)，基于Google Earth Engine（GEE）云平臺(tái)，利用LandSat數(shù)據(jù)制作完成（Yang amp; Huang，2021），空間分辨率為30 m。

1.3" "Mann-Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)法

采用Mann-Kendall檢驗(yàn)法對(duì)龍場(chǎng)橋水文站進(jìn)行突變及趨勢(shì)性檢驗(yàn)。作為非參數(shù)檢驗(yàn)常用的一種方法，由于其對(duì)數(shù)據(jù)不做統(tǒng)計(jì)分布檢測(cè)，因此常用于對(duì)氣溫、降水、徑流以及水質(zhì)等水文氣象資料的趨勢(shì)性、突變性檢驗(yàn)分析（王淑紅，2018；王梟軒等，2019）。

1.4" "IHA-RVA生態(tài)水文指標(biāo)變化范圍法

為定量反映龍場(chǎng)橋站水文變異情況，利用IHA-RVA生態(tài)水文指標(biāo)變化范圍法對(duì)龍場(chǎng)橋站1979—2020年逐日流量的水文指標(biāo)變異程度進(jìn)行分析。Richter 等（1997）提出的IHA水文指標(biāo)法將32個(gè)生態(tài)水文指標(biāo)概括為以流量大小、頻率、發(fā)生時(shí)間、歷時(shí)、變化率為代表的5組具有生態(tài)學(xué)意義的水文特征統(tǒng)計(jì)值，通過計(jì)算每組水文特征值的變異程度，進(jìn)而判斷河流水文情勢(shì)變異情況。因龍場(chǎng)橋水文站未出現(xiàn)斷流情況，故不考慮零流量天數(shù)這一水文指標(biāo)。IHA參數(shù)詳見表1。

RVA范圍變化法（Richter，1997）是基于IHA水文指標(biāo)法提出的一種定量評(píng)價(jià)河流水文變異的方法。通過RVA范圍評(píng)價(jià)法可以定量反映人類活動(dòng)前后河流水文情勢(shì)的變異特征。RVA使用未受人類活動(dòng)干擾前的IHA參數(shù)值的自然變化作為參考，以確定河流自然流動(dòng)狀態(tài)被改變的程度，以各IHA指標(biāo)的平均值±標(biāo)準(zhǔn)差（參數(shù)統(tǒng)計(jì)）或者以頻率75%和25%（非參數(shù)統(tǒng)計(jì)）作為RVA的閾值范圍，進(jìn)而計(jì)算各水文指標(biāo)的改變度。IHA指標(biāo)的水文概度定義如下：

[Di=Ni，0?NeNe]" " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " ①

式中：Di為第i個(gè)水文指標(biāo)的改變度，Ni，0為第i個(gè)IHA指標(biāo)受干擾后的觀測(cè)年數(shù)中落在RVA閾值內(nèi)的年數(shù)；Ne為受干擾后IHA指標(biāo)預(yù)期落入RVA閾值的年數(shù)，可以用r×NT計(jì)算，其中，r為受干擾前IHA落入RVA閾值的比例，若設(shè)置25%、75%為RVA閾值，則r=50%。NT為受干擾后流量時(shí)間序列的總年數(shù)。根據(jù)RVA閾值范圍法定義計(jì)算得出的Di值若為0～33%屬于無(wú)或低度改變，介于33%～67%為中度改變，介于67%～100%則為高度改變，河流水文整體改變度計(jì)算公式如下：

[D0=132i=132D2i]" " " " " " " "②

1.5" "雙累積曲線法

雙累積曲線法是檢驗(yàn)2個(gè)參數(shù)間關(guān)系一致性及其變化的方法，也是目前用于水文要素一致性及趨勢(shì)性檢驗(yàn)分析的一種常用方法（穆興民等，2010）。雙累積曲線法的原理是在直角坐標(biāo)系中繪制同期內(nèi)一個(gè)變量的連續(xù)累積值與另一個(gè)變量的連續(xù)累積值的關(guān)系線，一般以被檢驗(yàn)的變量為Y坐標(biāo)，參考變量為X坐標(biāo)，如果2個(gè)變量之間成正比關(guān)系，那么所繪制的關(guān)系線就可用一條直線表示，直線的斜率就是線上點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的2個(gè)變量的比值。通過觀察直線斜率變化情況可判斷2個(gè)變量累積關(guān)系發(fā)生突變的時(shí)間點(diǎn)以及確定導(dǎo)致被檢驗(yàn)變量發(fā)生改變的影響因素（師忱等，2018）。利用雙累積曲線法分析人類活動(dòng)與降水對(duì)龍場(chǎng)橋站徑流變化的影響（郭巧玲等，2017；師忱等，2018），具體步驟如下：

（1）以龍場(chǎng)橋站年均徑流突變時(shí)間為分界點(diǎn)，將龍場(chǎng)橋站降雨及徑流時(shí)間序列劃分為基準(zhǔn)期、變化期2個(gè)時(shí)間段。

（2）對(duì)基準(zhǔn)期內(nèi)的累積降雨及徑流數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合分析，建立擬合方程如下。

[Q=aP+b] ③

式中：[Q]為累積徑流量；[P]為累積降雨量；a和b為擬合參數(shù)。用擬合方程計(jì)算得出變化期內(nèi)模擬逐年累積徑流量[Q']，進(jìn)而反向推算變化期內(nèi)逐年模擬徑流量Q'。

（3）計(jì)算龍場(chǎng)橋站實(shí)測(cè)徑流總變化量，如下式：

ΔQ=Q2-Q1 ④

式中：Q2、Q1分別為基準(zhǔn)期、變化期內(nèi)實(shí)測(cè)年均徑流量。計(jì)算龍場(chǎng)橋站人類活動(dòng)對(duì)徑流的影響量：

ΔQh=Q'-Q ⑤

計(jì)算降雨變化對(duì)龍場(chǎng)橋站徑流變化的影響量：

ΔQp=ΔQ-ΔQh ⑥

（4）分別計(jì)算人類活動(dòng)與降水對(duì)龍場(chǎng)橋站徑流變化的貢獻(xiàn)率。

2" "結(jié)果與分析

2.1" "龍場(chǎng)橋站降雨徑流及徑流變化

龍場(chǎng)橋站1979—2020年均降雨及徑流量變化如圖2。龍場(chǎng)橋站年均降雨量總體呈現(xiàn)出降-增-平-降-增的變化特點(diǎn)，徑流變化呈現(xiàn)出降-增-降-增-降的變化過程，降雨總體呈增加趨勢(shì)，徑流總體呈下降趨勢(shì)。以龍場(chǎng)橋站1979—2020年降雨、徑流數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，繪制降雨-徑流量累積關(guān)系曲線圖（圖3）。可知1979—2020年曲線斜率發(fā)生明顯偏移的點(diǎn)有3個(gè)，分別是1993、2006、2015年。結(jié)合三岔河上游梯級(jí)開發(fā)及站點(diǎn)降雨變化實(shí)際情況對(duì)3個(gè)突變點(diǎn)進(jìn)行分析。2006年以前，龍場(chǎng)橋站上游無(wú)梯級(jí)工程，2006年阿珠水電站建成發(fā)電，2015年平寨水庫(kù)建成，故在2006、2015年累積曲線斜率發(fā)生變化。1993年在未受梯級(jí)開發(fā)影響的情況下，曲線斜率的增加可能與該年降雨量的突然增加有關(guān)（圖2a）。利用Mann-Kendall檢驗(yàn)法對(duì)龍場(chǎng)橋站徑流序列突變年份作進(jìn)一步檢測(cè)可知（圖4），龍場(chǎng)橋站流量在2002、2006年發(fā)生明顯變化，因此選取2006年作為徑流突變年。

2.2" "龍場(chǎng)橋站水文指標(biāo)變化分析

將龍場(chǎng)橋站1979—2020年逐日流量數(shù)據(jù)劃分為2個(gè)時(shí)段：1979—2006年為流域生態(tài)未受干擾的自然流量，2007—2020為流域水文情勢(shì)發(fā)生突變后的時(shí)間序列。以此42 a的逐日流量數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，以各IHA指標(biāo)參數(shù)頻率的25%～75%區(qū)間范圍作為RVA的閾值范圍，計(jì)算龍場(chǎng)橋站水文情勢(shì)的變異情況，結(jié)果如表2。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，對(duì)龍場(chǎng)橋站水文變異情勢(shì)進(jìn)行分析。

2.2.1" "月均值、極值流量變化" "圖5顯示了突變前后龍場(chǎng)橋站多年月流量、降雨量均值情況。由圖5a可知，突變后，除11月份月均流量略有增加外，其余各月平均流量均有不同程度的降低，降幅在豐枯水期呈現(xiàn)不同特征。豐水期降幅最大的為4月和5月，為31.0%、26.4%，流量分別由突變前的33.55 m3/s、75.06 m3/s降至突變后的23.15 m3/s、55.21 m3/s；枯水期的12月至次年1月，月均流量降幅較小，2—3月流量降幅較大，由突變前的28.46 m3/s、26.48 m3/s降至突變后的19.87 m3/s、19.08 m3/s，降幅為30.2%、27.9%。12個(gè)月均值水文指標(biāo)變異度除12月平均流量為中度改變外，其余均為低度改變，月均流量整體水文改變度為19%，為低度改變。圖5b顯示，突變后汛期6—7月龍場(chǎng)橋站月降雨量較突變前有所增加，三岔河在這兩個(gè)月的降雨量約占全年的40%，每年6、7月極易因高強(qiáng)度降雨引發(fā)下游洪澇災(zāi)害。為保證下游地區(qū)汛期防洪安全，上游水利樞紐工程會(huì)對(duì)徑流進(jìn)行攔截，這可能是降雨增加的情況下6、7月月均流量降低的原因。

2.2.2" "年極值流量大小變化" "由表2可以看出，突變后，龍場(chǎng)橋站11個(gè)年極值指標(biāo)均呈不同程度降低，最小1、3、7 d流量變化最大，分別從突變前的13.48、13.92、14.42 m3/s降至0.71、2.83、6.66 m3/s，降幅分別為94.7%、79.7%、53.8%。從11個(gè)極值指標(biāo)水文改變度來看，年最小1 d、3 d的流量水文改變度分別為100%、76.47%，均為高度改變；其次是基流指數(shù)，改變度為47.37%，為中度改變；年極大值指標(biāo)的水文改變度不高，均為低度改變。整體而言龍場(chǎng)橋站年極值流量綜合改變度為43%，為中度改變。圖6顯示了突變前后龍場(chǎng)橋站最小1 d流量的變化，可以看出突變前28 a只有部分年份的IHA指標(biāo)落于流域生態(tài)閾值范圍之外，突變后年最小1 d流量這一指標(biāo)全部落于生態(tài)閾值范圍之外，此外根據(jù)表2的IHA計(jì)算結(jié)果，龍場(chǎng)橋站所有年極大值指標(biāo)水文改變度均為低度改變，可知龍場(chǎng)橋站上游水利樞紐工程的修建及運(yùn)行對(duì)天然狀態(tài)下流量極小值的影響較大，對(duì)極大值的影響并不明顯。年極值流量的變化在一定程度上影響著植被擴(kuò)張、河道地貌，持續(xù)極小值流量的降低極有可能會(huì)導(dǎo)致兩岸動(dòng)植物棲息地面積的減少，不利于流域生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定。

2.2.3" "年極端流量發(fā)生時(shí)間" "根據(jù)IHA計(jì)算結(jié)果（表2），突變前年最小流量的平均發(fā)生時(shí)間在每年的4月中下旬，突變后年最小流量的平均發(fā)生時(shí)間在每年2月中下旬，年最小流量的發(fā)生時(shí)間有所提前，變化時(shí)間為2個(gè)月左右；年最大流量的發(fā)生時(shí)間則有所推遲，從每年的7月上旬推后至7月下旬，推遲時(shí)間約為20 d左右。圖7a顯示，突變后年極大值發(fā)生時(shí)間落在閾值范圍的年數(shù)相較于突變前變化不大，水文變異度為18.18%，為低度改變；突變后年極小值發(fā)生時(shí)間相較突變前表現(xiàn)出較為明顯的變化（圖7b），發(fā)生時(shí)間落在閾值范圍內(nèi)的年份明顯增加。IHA計(jì)算結(jié)果表明，年極小值發(fā)生時(shí)間水文改變度為39.13%，為中度改變。年極端流量值發(fā)生時(shí)間不僅影響著流域內(nèi)生命體的循環(huán)繁衍，還直接影響著水生生物的棲息環(huán)境，突變后龍場(chǎng)橋站年極大值發(fā)生時(shí)間推遲、極小值發(fā)生時(shí)間提前，由此推知龍場(chǎng)橋站上游水利樞紐的修建、運(yùn)行可能對(duì)流域內(nèi)生物的生長(zhǎng)繁殖產(chǎn)生影響，但影響程度的大小需要進(jìn)一步研究。

2.2.4" "高低流量的頻率及歷時(shí)" "由表2、圖8可知，突變后龍場(chǎng)橋站低流量脈沖次數(shù)增加，歷時(shí)減少，低流量脈沖次數(shù)從突變前的4次增加至24次，歷時(shí)從24.34 d降為8.68 d，水文變異程度為88.89%，屬高度改變。變異后有57%的年份低流量脈沖次數(shù)落于RVA閾值范圍外，其次是低流量脈沖歷時(shí)，變異度為76.5%，也呈高度改變。高流量脈沖次數(shù)及歷時(shí)在突變前后變化不大，較突變前略有降低，水文變異度為低度。高低流量脈沖次數(shù)及歷時(shí)長(zhǎng)短的變化是流域內(nèi)動(dòng)、靜水區(qū)物質(zhì)及能量交換的驅(qū)動(dòng)力，對(duì)流域兩岸植被生長(zhǎng)所需水分的大小、滯洪區(qū)水生生物生長(zhǎng)繁殖所需營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)供給以及流域泥沙輸送等產(chǎn)生影響（董哲仁，2009）。龍場(chǎng)橋站低流量脈沖次數(shù)的增加在一定程度上可能會(huì)導(dǎo)致流域生物水分短缺壓力的增加，高流量脈沖次數(shù)的降低則可能不利于流域內(nèi)動(dòng)、靜水區(qū)之間的物質(zhì)能量交換，上游水庫(kù)的調(diào)節(jié)作用縮短了低流量脈沖的歷時(shí)，能在一定程度上緩解兩岸動(dòng)植物面臨的水文短缺壓力（董哲仁和張晶，2009；張文浩等，2021）。

2.2.5" "流量改變率及頻率" "由表2可知，突變后龍場(chǎng)橋站流量減少率、增加率均表現(xiàn)為降低，高低流量間的逆轉(zhuǎn)次數(shù)由突變前的107次增加至198次。如圖9所示，突變后所有年份逆轉(zhuǎn)次數(shù)的平均值明顯高于突變前且突變后所有年份的逆轉(zhuǎn)次數(shù)均超過RVA閾值的上限，水文改變度為-100%，這可能與上游水利樞紐的調(diào)蓄作用有關(guān)。龍場(chǎng)橋站上游阿珠水利樞紐的主要作用是進(jìn)行水力發(fā)電，而平寨水利工程的主要功能是滿足區(qū)域內(nèi)生產(chǎn)、生活用水需求。流域高低流量的之間高頻率逆轉(zhuǎn)，一方面滿足了生產(chǎn)、生活對(duì)水電資源的需求，另一方面也影響著流域生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，導(dǎo)致流域生物對(duì)外界環(huán)境變化承受能力降低，影響流域生物對(duì)棲息地的選擇，進(jìn)而影響流域內(nèi)生物多樣性的發(fā)展。

2.2.6" "流域整體水文改變度分析" "為從整體了解龍場(chǎng)橋站水文情勢(shì)的改變度，根據(jù)公式②計(jì)算了龍場(chǎng)橋站32個(gè)IHA指標(biāo)的水文改變度（圖10），其中有5個(gè)為高度改變，3個(gè)為中度改變，24個(gè)為低度改變。改變度最大的是1 d最小流量及高低流量間逆轉(zhuǎn)次數(shù)，均為100%；改變度最低的是4月平均流量，為0。由公式②分別計(jì)算5組水文指標(biāo)的綜合改變度得出：第4組gt;第5組gt;第2組gt;第3組gt;第1組，即高低脈沖次數(shù)及歷時(shí)gt;流量變化率gt;年極端流量gt;年極端流量發(fā)生時(shí)間gt;月平均流量，計(jì)算得到龍場(chǎng)橋站整體水文改變度為40.51%，為中度改變。

3" "討論

3.1" "水文情勢(shì)變化的影響因素

根據(jù)IHA-RVA生態(tài)水文指標(biāo)變化范圍法，計(jì)算得到龍場(chǎng)橋站水文情勢(shì)的整體變異度為40.51%，為中度改變，說明龍場(chǎng)橋站上游水利工程樞紐的運(yùn)行及調(diào)度對(duì)流域生態(tài)水文情勢(shì)產(chǎn)生了一定的影響。人類活動(dòng)和氣候變化的綜合作用是導(dǎo)致徑流變化的重要原因（劉綠柳等，2021；宋益濤等，2022；李任之等，2021），其中水壩修建、土地利用方式變化以及退耕還林還草等政策實(shí)施引起的植被覆蓋變化等是人類活動(dòng)對(duì)徑流產(chǎn)生影響的重要媒介，這些人類活動(dòng)在一定程度上會(huì)導(dǎo)致流域下墊面結(jié)構(gòu)的變化，從而影響流域的產(chǎn)流匯流，進(jìn)而引起徑流水情的變化（雷澤鑫等，2022；曹宇賢等，2022；劉哲和蘭措，2022）。

3.2" "降雨與人類活動(dòng)對(duì)徑流變化的影響

根據(jù)前文雙累積曲線法確定的徑流突變時(shí)間（2006、2015年）對(duì)龍場(chǎng)橋站1979—2020年降雨與徑流數(shù)據(jù)進(jìn)行劃分：（1）1979—2006（基準(zhǔn)期）、2006—2020（變化期）；（2）1979—2015（基準(zhǔn)期）、2016—2020（變化期），分別對(duì)2個(gè)基準(zhǔn)期內(nèi)累積降雨量、徑流量進(jìn)行線性擬合，擬合方程及效果見圖11。

根據(jù)擬合方程計(jì)算得出不同變化期內(nèi)年累積徑流量∑Q'與逐年徑流量Q'模擬值，進(jìn)而得出不同時(shí)段降雨與人類活動(dòng)對(duì)龍場(chǎng)橋站徑流變化的影響量及貢獻(xiàn)率，計(jì)算結(jié)果如表3。相較于基準(zhǔn)期1979—2006年，變化期2007—2020年龍場(chǎng)橋站實(shí)測(cè)年均徑流量Q總體變化了-4.57億m3，降雨變化引起的年均徑流變化量為2.18億m3，影響貢獻(xiàn)率為-48%，人類活動(dòng)導(dǎo)致的年均徑流變化量為-6.75億m3，影響貢獻(xiàn)率為148%。與基準(zhǔn)期1979—2015年相比，變化期2016—2020年實(shí)測(cè)徑流量總體變化了-5.95億m3，降雨導(dǎo)致的徑流變化量為4.99億m3，人類活動(dòng)導(dǎo)致的徑流變化量為-10.94億m3，降雨與人類活動(dòng)對(duì)徑流變化的影響貢獻(xiàn)率分別為-84%、184%。2個(gè)不同時(shí)段均得出降雨變化使得龍場(chǎng)橋站年均徑流量增加，人類活動(dòng)導(dǎo)致龍場(chǎng)橋站年均徑流量降低，且隨著梯級(jí)開發(fā)不斷加強(qiáng)，徑流量降幅也不斷增加。利用Mann-Kendal趨勢(shì)檢驗(yàn)分析龍場(chǎng)橋站1979—2020年多年降雨量的統(tǒng)計(jì)值為0.032 5，大于0小于1.96，表明降雨總體呈增加趨勢(shì)，但變化趨勢(shì)不明顯；1979—2020年年均徑流量統(tǒng)計(jì)值為-2.145 8，小于0且小于-1.96，說明徑流量呈顯著下降趨勢(shì)，由此印證人類活動(dòng)是導(dǎo)致徑流量降低的主要因素。

3.3" "土地利用變化對(duì)徑流的影響

基于降雨-徑流雙累積曲線法，得出人類活動(dòng)導(dǎo)致龍場(chǎng)橋站年均徑流量的降低，降雨在一定程度上消減了人類活動(dòng)的影響。研究表明（陳玫君等，2018；張寶慶等，2020），人類活動(dòng)如退耕還林、還草等政策的實(shí)施，在一定程度上會(huì)改變流域土地覆被變化，增強(qiáng)對(duì)降雨的截留作用，導(dǎo)致徑流大幅減少。為進(jìn)一步探究人類活動(dòng)對(duì)龍場(chǎng)橋站水文情勢(shì)變異的影響，對(duì)研究區(qū)1985—2020年即退耕還林前后不同時(shí)期內(nèi)土地利用變化進(jìn)行研究，得出流域內(nèi)土地利用轉(zhuǎn)移矩陣，結(jié)果如表4。由表4可知，1985—2020年龍場(chǎng)橋站所在流域內(nèi)土地利用轉(zhuǎn)移特征明顯，其中林地面積轉(zhuǎn)移變化最大，為179.25 km2，主要轉(zhuǎn)向耕地、灌木及草地，轉(zhuǎn)移面積分別為138.37、33.20、7.67 km2。其次是草地，轉(zhuǎn)出面積為90.25 km2，主要轉(zhuǎn)向耕地、林地以及灌木。耕地則主要轉(zhuǎn)向林地、草地及灌木。從不同土地利用類型面積的轉(zhuǎn)入來看，耕地的轉(zhuǎn)入面積最大，為222.77 km2，其次分別是林地、灌木、草地，轉(zhuǎn)入面積分別是80.61、51.71、35.27 km2。就龍場(chǎng)橋站所在流域內(nèi)不同土地利用的凈變化量而言，除耕地和建設(shè)用地呈凈增加狀態(tài)外，其余4種土地利用類型均表現(xiàn)為凈減少狀態(tài)，凈減少量最大的是林地，其次是草地、灌木。研究區(qū)域內(nèi)耕地、建設(shè)用地面積增加，林地、草地、灌木、水域等地類面積減少，可推知土地利用變化對(duì)地表徑流的攔截作用不強(qiáng)，以水電梯級(jí)開發(fā)建設(shè)為代表的人類活動(dòng)是導(dǎo)致徑流量減少的主要因素。此外，由于區(qū)域內(nèi)耕地面積增加導(dǎo)致的農(nóng)業(yè)用水需求增長(zhǎng)可能是龍場(chǎng)橋站徑流減少的另外一個(gè)重要原因。本研究與田仁偉（2019）等的研究結(jié)果不同，可能與所選研究區(qū)域不同有一定關(guān)系。

3.4" "研究局限與展望

阿珠水庫(kù)、平寨水庫(kù)的修建和運(yùn)行導(dǎo)致下游龍場(chǎng)橋站水文情勢(shì)的變化。隨著黔中水利二期工程建設(shè)工作的不斷推進(jìn)，受水區(qū)的需水量將進(jìn)一步增加，屆時(shí)平寨水庫(kù)的“源頭”作用將會(huì)進(jìn)一步凸顯，其下游河流水文情勢(shì)將會(huì)受到更深刻的影響，流域內(nèi)生態(tài)環(huán)境的穩(wěn)定性、生物多樣性也將面臨新的挑戰(zhàn)。本文通過IHA-RVA生態(tài)水文指標(biāo)變化范圍法分析了梯級(jí)開發(fā)條件下龍場(chǎng)橋站水文情勢(shì)變異特征及程度，概括性地探討了降雨及人類活動(dòng)對(duì)水文情勢(shì)的影響程度，但未對(duì)人類活動(dòng)、氣象因素中的各種具體因子如植被覆蓋變化、氣溫、蒸散發(fā)等作深入分析探討。后續(xù)將繼續(xù)致力研究不同氣候因子及人類活動(dòng)對(duì)流域水文情勢(shì)的影響，以期更全面深入地了解流域水文情勢(shì)演變規(guī)律及驅(qū)動(dòng)機(jī)制。

參考文獻(xiàn)

曹宇賢， 徐力剛， 范宏翔， 等， 2022.1960年以來氣候變化與人類活動(dòng)對(duì)鄱陽(yáng)湖流域生態(tài)徑流改變的影響[J]. 湖泊科學(xué)， 34（1）： 232-246.

CAO Y X， XU L G， FAN H X， et al， 2022. Impact of climate change and human activities on the changes of ecological flow indicators in the Lake Poyang Basin since 1960s[J]. Journal of Lake Sciences， 34（1）： 232-246.

陳玫君， 穆興民， 高鵬， 等， 2018. 北洛河上游徑流變化特征及其驅(qū)動(dòng)因素研究[J]. 中國(guó)水土保持科學(xué)， 16（6）： 1-8.

CHEN M J， MU X M， GAO P， et al， 2018. Characteristics and driving factors of runoff changes in the upper reach of the Beiluo River basin[J]. Science of Soil and Water Conservation， 16（6）： 1-8.

董哲仁， 2009. 河流生態(tài)系統(tǒng)研究的理論框架[J]. 水利學(xué)報(bào)， 40（2）： 129-137.

DONG Z R， 2009. Framework of research on fluvial ecosystem[J]. Journal of Hydraulic Engineering， 40（2）： 129-137.

董哲仁， 張晶， 2009. 洪水脈沖的生態(tài)效應(yīng)[J]. 水利學(xué)報(bào)， 40（3）： 281-288.

DONG Z R， ZHANG J， 2009. Ecological effect of flood pulses[J]. Journal of Hydraulic Engineering， 40（3）： 281-288.

董哲仁， 2015. 論水生態(tài)系統(tǒng)五大生態(tài)要素特征[J]. 水利水電技術(shù)， 46（6）： 42-47.

DONG Z R， 2015. On features of five dominant ecological components of aquatic ecosystem[J]. Water Resources and Hydropower Engineering， 46（6）： 42-47.

郭巧玲， 韓振英， 丁斌， 等， 2017. 窟野河流域徑流變化及其影響因素研究[J]. 水資源保護(hù)， 33（5）： 75-80.

GUO Q L， HAN Z Y， DING B， et al， 2017. Study of runoff variation characteristics and influence factors in Kuye River[J]. Water Resources Protection， 33（5）： 75-80.

江善虎， 劉亞婷， 任立良， 等， 2022. 變化環(huán)境下渭河流域生態(tài)水文情勢(shì)演變歸因研究[J]. 水資源保護(hù)， 38（6）： 9-14， 70.

JIANG S H， LIU Y T， REN L L， et al， 2022. Attribution analysis of eco-hydrological regime evolution in the Weihes River Basin under changing environmen[J]. Water Resources Protection， 38（6）：9-14， 70.

雷澤鑫， 傅健宇， 羅俊杰， 等， 2022. 景觀格局視角下晉西三川河流域徑流變化歸因分析[J]. 生態(tài)學(xué)報(bào)， 42（12）： 4946-4958.

LEI Z X， FU J Y， LUO J J， et al， 2022. Attribution analysis of runoff changes in the Sanchuan River Basin of Shanxi Province from the perspective of landscape patterns[J]. Acta Ecologica Sinica， 42（12）： 4946-4958.

李任之， 黃河清， 余國(guó)安， 等， 2021. 氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)瀾滄江-湄公河流域徑流變化的影響[J]. 資源科學(xué)， 43（12）： 2428-2441.

LI R Z， HUANG H Q， YU G A， et al， 2021. Contributions of climatic variation and human activities to streamflow changes in the Lancang-Mekong River Basin[J]. Resources Science， 43（12）： 2428-2441.

劉綠柳， 魏麟驍， 徐影， 等， 2021. 氣候變化對(duì)黃河流域生態(tài)徑流影響預(yù)估[J]. 水科學(xué)進(jìn)展， 32（6）： 824-833.

LIU L L， WEI L X， XU Y， et al， 2021. Projection of climate change impacts on ecological flow in the Yellow River basin[J]. Advances in Water Science， 32（6）：824-833.

劉哲， 蘭措， 2022. 青海北川河流域徑流變化的機(jī)理研究： 基于模型和統(tǒng)計(jì)兩種方法[J]. 地理科學(xué)進(jìn)展， 41（2）： 304-315.

LIU Z， LAN C， 2022. Investigating the mechanisms of streamflow change in the Beichuan River Basin， Qinghai Province： based on modeling and statistic analyses[J]. Progress in Geography， 41（2）： 304-315.

蒙海花， 王臘春， 2009. 巖溶地區(qū)土地利用變化的水文響應(yīng)研究： 以貴州后寨河流域?yàn)槔齕J]. 中國(guó)巖溶， 28（3）： 227-234.

MENG H H， WANG L C， 2009. Hydrological responses to land-use changes in Karst area： a case study in Houzhai river， Guizhou province[J]. Carsologica Sinica， 28（3）： 227-234.

穆興民， 張秀勤， 高鵬， 等， 2010. 雙累積曲線方法理論及在水文氣象領(lǐng)域應(yīng)用中應(yīng)注意的問題[J]. 水文， 30（4）： 47-51.

MU X M， ZHANG X Q， GAO P， et al， 2010. Theory of double mass curves and its applications in hydrology and meteorology[J]. Journal of China Hydrology， 30（4）： 47-51.

寧怡楠， 楊曉楠， 孫文義， 等， 2021. 黃河中游河龍區(qū)間徑流量變化趨勢(shì)及其歸因[J]. 自然資源學(xué)報(bào)， 36（1）： 256-269.

NING Y N， YANG X N， SUN W Y， et al， 2021. The trend of runoff change and its attribution in the middle reaches of the Yellow River[J]. Journal of Natural Resources， 36（1）： 256-269.

彭弢， 賈仰文， 牛存穩(wěn)， 等， 2022. 永定河三家店以上流域徑流減少歸因分析[J]. 水利水運(yùn)工程學(xué)報(bào) （1）： 67-76.

PENG T， JIA Y W， NIU C W， et al， 2022. Attribution of runoff attenuation in the Yongding River basin upstream of the Sanjiadian[J]. Hydro-Science and Engineering， （1）： 67-76.

師忱， 袁士保， 史常青， 等， 2018. 灤河流域氣候變化與人類活動(dòng)對(duì)徑流的影響[J]. 水土保持學(xué)報(bào)， 32（2）： 264-269.

SHI C， YUAN S B， SHI C Q， et al， 2018. Effects of climate change and human activities on runoff in Luanhe basin[J]. Journal of Soil and Water Conservation， 32（2）： 264-269.

宋益濤， 王雙濤， 羅平平， 等， 2022. 變化環(huán)境下徑流演變的研究方法進(jìn)展[J]. 水資源與水工程學(xué)報(bào)， 33（2）： 68-76， 84.

SONG Y T， WANG S T， LUO P P， et al， 2022. Advances in research methods of runoff evolution under changing environment[J]. Journal of Water Resources and Water Engineering， 33（2）： 68-76， 84.

唐玉蘭， 孫健， 項(xiàng)瑩雪， 等， 2018. 閘壩對(duì)渾河上游水文情勢(shì)和生態(tài)的影響[J]. 安全與環(huán)境學(xué)報(bào)， 18（5）： 2020-2027.

TANG Y L， SUN J， XIANG Y X， et al， 2018. Upstream hydrological situation of Hunhe River and the ecological impact of the gate dam[J]. Journal of Safety and Environment， 18（5）： 2020-2027.

田仁偉， 趙翠薇， 賀中華， 等， 2019.1995—2016年三岔河上游土地利用變化對(duì)徑流的影響[J]. 水土保持通報(bào)， 39（3）： 12-18.

TIAN R W， ZHAO C W， HE Z H， et al， 2019. Impacts of land use changes on streamflow in upper reach of Sancha River Basin during 1995-2016[J]. Bulletin of Soil and Water Conservation， 39（3）： 12-18.

王淑紅， 2018. 渭河支流葫蘆河干流徑流變化特征及其影響因素分析研究[D]. 蘭州： 蘭州大學(xué).

王梟軒， 左小清， 楊澤楠， 等， 2019. 基于Mann-Kendall檢驗(yàn)和信息熵的成都市1980—2016年降水時(shí)空變化[J]. 中國(guó)水土保持科學(xué)， 17（4）： 26-33.

WANG X X， ZUO X Q， YANG Z N， et al， 2019. Spatio-temporal changes of precipitation in Chengdu from 1980 to 2016 based on Mann-Kendall test and information entropy[J]. Science of Soil and Water Conservation， 17（4）： 26-33.

張寶慶， 邵蕊， 趙西寧， 等， 2020. 大規(guī)模植被恢復(fù)對(duì)黃土高原生態(tài)水文過程的影響[J]. 應(yīng)用基礎(chǔ)與工程科學(xué)學(xué)報(bào)， 28（3）： 594-606.

ZHANG B Q， SHAO R， ZHAO X N， et al， 2020. Effects of large-scale vegetation restoration on eco-hydrological processes over the Loess Plateau， China[J]. Journal of Basic Science and Engineering， 28（3）： 594-606.

張軍以， 王臘春， 蘇維詞， 等， 2014. 巖溶地區(qū)人類活動(dòng)的水文效應(yīng)研究現(xiàn)狀及展望[J]. 地理科學(xué)進(jìn)展， 33（8）： 1125-1135.

ZHANG J Y， WANG L C， SU W C， et al， 2014. Status and prospect of the hydrological effects of human activities in the Karstarea[J]. Progress in Geography， 33（8）： 1125-1135.

張文浩， 瞿思敏， 徐瑤， 等， 2021. 潑河水庫(kù)對(duì)潢河徑流過程及水文情勢(shì)的影響[J]. 水資源保護(hù)， 37（3）： 61-65.

ZHANG W H， QU S M， XU Y， et al， 2021. Influence of Pohe Reservoir on runoff process and hydrological regime of Huanghe River[J]. Water Resources Protection， 37（3）： 61-65.

曾金鳳， 劉祖文， 劉友存， 等， 2021. 基于IHA-RVA法的東江源區(qū)生態(tài)水文情勢(shì)變化分析[J]. 水土保持通報(bào)， 41（6）： 157-164.

ZENG J F， LIU Z W， LIU Y C， et al， 2021. Eco-hydrological regime of source area of Dongjiang River based on IHA-RVA[J]. Bulletin of Soil and Water Conservation， 41（6）： 157-164.

CHEN H， 2012. Assessment of hydrological alterations from 1961 to 2000 in the Yarlung Zangbo River， Tibet[J]. Ecohydrology amp; Hydrobiology， 12（2）： 93-103.

GUO W X， ZHOU H T， JIAO X Y， et al， 2022. Analysis of alterations of the hydrological situation and causes ofriver runoff in the Min River， China[J]. Water， 14：1093.

MCCARTNEY M， 2009. Living with dams： managing the environmental impacts[J]. Water Policy， 11（Supplement 1）： 121-139.

PFEIFFER M， IONITA M， 2017. Assessment of hydrologic alterations in Elbe and Rhine rivers， Germany[J]. Water， 9（9）： 684.

POFF N L， ZIMMERMAN J K H， 2010. Ecological responses to altered flow regimes： a literature review to inform the science and management of environmental flows[J]. Freshwater Biology， 55（1）： 194-205.

RICHTER B， BAUMGARTNER J， WIGINGTON R， et al， 1997. How much water does a river need？[J]. Freshwater Biology， 37（1）： 231-249.

WHITE E L， 1977. Sustained flow in small Appalachian watersheds underlain by carbonate rocks[J]. Journal of Hydrology， 32（1/2）： 71-86.

YANG J， HUANG X， 2021. The 30 m annual land cover dataset and its dynamics in China from 1990 to 2019[J]. Earth System Science Data， 13（8）： 3907-3925.

YANG B H， DOU M， XIA R， et al， 2020. Effects of hydrological alteration on fish population structure and habitat in river system： a case study in the mid-downstream of the Hanjiang River in China[J]. Global Ecology and Conservation， 23： e01090.

YUAN Y J， ZHANG C， ZENG G M， et al， 2016. Quantitative assessment of the contribution of climate variability and human activity to streamflow alteration in Dongting Lake， China[J]. Hydrological Processes， 30（12）： 1929-1939.

（責(zé)任編輯" "鄭金秀）

Hydrological Regime Changes in the Qianzhong Karst Basin Analyzed by IHA-RVA

YANG Mei1， HE Zhonghua1，2

（1. School of Geographic and Environmental Science， Guizhou Normal University，Guiyang" "550001， P.R. China;

2. State Engineering Technology Institute for Karst Desertification Control， Guizhou Normal University，Guiyang" "550001， P.R. China）

Abstract：Sancha River is the primary mainstream in the Wujiang River basin in the Qianzhong Karst Region of Guizhou Province （river length， 325.6 km; basin area 7 624 km2）. In this study， the upper and middle reaches of Sancha River were investigated， and discharge data was obtained from the Longchangqiao Hydrological Station. We quantitatively assessed hydrological regime changes at the station by IHA-RVA （Indicators of Hydrologic Alteration-Range of Variability Approach）， based on the average daily runoff over a period 42 years （1979-2020）. The influences of rainfall and human activities on the discharge at Longchangqiao Hydrological Station were then analyzed using the double cumulative curve method. The average annual discharge decreased significantly over the 42 years and， among 32 ecohydrological indicators， the changes in 5 indicators were high， the changes in 3 indicators were moderate， and the changes in 24 indicators were slight. The overall change in the hydrological regime at Longchangqiao Hydrological Station was moderate （40.51%）. With the development of cascaded hydraulic power stations in the basin， the discharge amplitude at Longchangqiao Hydrological Station gradually increased. The increase in human activities decreased the average annual discharge at Longchangqiao Hydrological Station， but increased precipitation reduced the influence of human activities to some extent. Since 1985， the areas of arable and construction lands increased in the study area， and the areas of forest land， grassland， shrubs， water and other land use types decreased. Changes in land use had little effect on surface runoff， but increased demand for agricultural water was an important factor in the decreased discharge at Longchangqiao Hydrological Station. Construction and ecological operation of hydropower projects above Longchangqiao has influenced downstream hydrological regimes， decreasing ecosystem stability in the watersheds on both sides of the river and threatening biodiversity. The results of this study provide a scientific basis for the efficient and sustainable utilization of water resources， conserving biodiversity and supporting development in the Qianzhong Karst basin as cascaded hydropower stations are developed.

Key words： hydrological conditions; hydrological alteration degree; land use transfer; Wujiang River

基金項(xiàng)目：貴州省自然科學(xué)基金（黔科合基礎(chǔ)-ZK[2023]重點(diǎn)028）；貴州省水利廳自然科學(xué)基金（KT202237）；國(guó)家自然科學(xué)基金（u1612441，41471032）。

作者簡(jiǎn)介：楊梅，1989年生，女，博士研究生，主要從事喀斯特水文水資源與遙感研究。E-mail：ymei911@163.com

通信作者：賀中華，1976年生，男，博士，教授，主要從事喀斯特水文水資源與遙感研究。E-mail：hezhonghua7621@126.com