卓志宇，錢(qián) 湛，姜 恒，王鴻翔，郭文獻(xiàn)

(1.湖南省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究總院，長(zhǎng)沙 410007; 2. 華北水利水電大學(xué)，鄭州 450045)

湘江是長(zhǎng)江水系的主要支流之一，同時(shí)也是湖南省最大的河流，被譽(yù)為湖南省的母親河，對(duì)流域內(nèi)人民生活用水和人文發(fā)展都有著至關(guān)重要的作用[1]。近年來(lái)，隨著國(guó)內(nèi)河流水利的頻繁開(kāi)發(fā)，湘江作為長(zhǎng)江重要支流之一，其開(kāi)發(fā)程度亦逐步加深。這種深度開(kāi)發(fā)必將對(duì)湘江水文情勢(shì)帶來(lái)較大改變，直接或間接地改變流域內(nèi)重要物種的生境，影響物種的分布和群落結(jié)構(gòu)，進(jìn)而對(duì)湘江流域生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響[2]。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者非常關(guān)注人類(lèi)活動(dòng)對(duì)河流水文情勢(shì)的影響[3-7]；水文情勢(shì)的研究開(kāi)始只注重分析平均量，到分析極小、極大值，再發(fā)展到研究建立水文指標(biāo)體系來(lái)全面分析水文情勢(shì)的過(guò)程[8]。其中，運(yùn)用基于水文改變指標(biāo)法(IHA)的變化范圍法(RVA)來(lái)研究生態(tài)水文情勢(shì)的改變，能夠有效地評(píng)估筑壩對(duì)河流生態(tài)水文情勢(shì)的影響，目前該法已廣泛應(yīng)用于研究河流水文情勢(shì)評(píng)價(jià)[3]。

本研究根據(jù)湘江水文控制站點(diǎn)湘潭站1959-2016年歷史日均流量數(shù)據(jù)為研究對(duì)象，采用Mann-Kendall法[9,10]分析湘潭站流量趨勢(shì)變化，結(jié)合滑動(dòng)T檢驗(yàn)法[11]和累積距平法[12,13]確定長(zhǎng)時(shí)間軸的水文突變年份，基于水文改變指標(biāo)法(IHA)和變化范圍法(RVA)進(jìn)行湘潭水文站在突變前后時(shí)間序列的水文改變程度評(píng)價(jià)，并基于IHA指標(biāo)計(jì)算的結(jié)果分析湘江水文突變前后湘潭站整體水文情勢(shì)變化情況，對(duì)湘潭站的水文改變程度進(jìn)行定量評(píng)價(jià)，以此為湘江流域水生態(tài)保護(hù)和區(qū)域水資源管理提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究數(shù)據(jù)與方法

本次研究選取湘江控制性水文站湘潭站作為流域代表性水文站，基于1959-2016年湘潭水文站的日均流量觀測(cè)資料，運(yùn)用滑動(dòng)T檢驗(yàn)法、累積距平法和Mann-Kendall法(M-K法)對(duì)日均流量數(shù)據(jù)進(jìn)行趨勢(shì)性和突變性分析；這幾種方法作為比較常見(jiàn)的數(shù)學(xué)方法，本文就不做詳細(xì)介紹。

1.1 水文改變指標(biāo)

RICHTER等[14]于1998年提出的水文改變指標(biāo)(IHA)，該法包含33個(gè)水文參數(shù)，并依據(jù)水文情勢(shì)的5種基本特征劃分水文指標(biāo)，綜合流量、時(shí)間、頻率、延時(shí)和改變率等方面評(píng)價(jià)河流水文狀態(tài)改變。鑒于在研究期間內(nèi)湘潭水文站未出現(xiàn)過(guò)日流量為零的情況，故本研究不考慮零流量天數(shù)這一水文指標(biāo)，調(diào)整后的IHA參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 IHA流量參數(shù)Tab.1 Flow parameters of IHA

1.2 變化范圍法

變動(dòng)范圍法(RVA)以水文改變指標(biāo)法(IHA)為基礎(chǔ)建立構(gòu)建，基于水文變異點(diǎn)前后河道的日均流量數(shù)據(jù)進(jìn)行水文指標(biāo)變化的程度評(píng)估，但評(píng)定水文指標(biāo)受影響的標(biāo)準(zhǔn)要依據(jù)生態(tài)受影響的資料[3]。RICHTER等提出以各指標(biāo)的平均值±δ(標(biāo)準(zhǔn)差)或者以頻率75%和25%作為各個(gè)指標(biāo)的上下限作為RVA的目標(biāo)[3]。若水文變異后受影響的流量記錄仍有大部分落在RVA目標(biāo)內(nèi)，則說(shuō)明水文變異對(duì)河流有輕微影響，仍屬于自然流量的變化范圍內(nèi)；若受影響的流量記錄落在RVA目標(biāo)范圍以外占大部分，則表明水文變異給河流系統(tǒng)的生態(tài)系統(tǒng)帶來(lái)嚴(yán)重的負(fù)面影響[3, 15-17]。

1.3 水文改變度

RICHTER[15-18]等主張運(yùn)用水文改變度來(lái)測(cè)算各指標(biāo)的具體水文變異度，以此定量描述單個(gè)水文指標(biāo)受影響后的變異程度，具體計(jì)算公式如下：

(1)

式中：Di表示第i個(gè)指標(biāo)的水文變異程度；No,i表示變異后的徑流序列IHA值在25%～75%內(nèi)的年數(shù)；Ne表示相應(yīng)的期望年數(shù)(Ne=P×NT，P為50%，NT為變異后徑流序列的總年數(shù))基于每個(gè)指標(biāo)的變異程度Di，變異后序列總的水文變異程度D0計(jì)算公式如下：

(2)

運(yùn)用RVA法，將湘江控制水文站湘潭站年均流量分為1959-1990年和1991-2016年兩個(gè)序列，并分別作為水文突變前后的序列；將32個(gè)IHA(水文指標(biāo)法)分為5組，以均值± δ(標(biāo)準(zhǔn)差)作為上下限，進(jìn)行水文情勢(shì)指標(biāo)計(jì)算，進(jìn)而評(píng)估水文突變點(diǎn)后湘潭站的整體水文情勢(shì)改變程度，具體計(jì)算過(guò)程見(jiàn)參考文獻(xiàn)[14,15, 19]。

2 結(jié)果與討論

2.1 湘江年均流量變化特征

2.1.1 年均流量趨勢(shì)性檢驗(yàn)

圖1為湘潭水文站1959-2016年的年均流量結(jié)果，由圖可知湘江流域豐枯水年交替頻繁，具有較強(qiáng)波動(dòng)性；在研究區(qū)間內(nèi)除1963、1994、2002和2011年(1994和2002年為特大洪水年，1963和2011年為枯水年)年均流量出現(xiàn)較大波動(dòng)外，年均流量總體呈上升趨勢(shì)。

Mann-Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)分析結(jié)果表明，湘潭水文站1959-2016年多年平均流量的統(tǒng)計(jì)量均為1.194，有上升趨勢(shì)；因?yàn)槠浣y(tǒng)計(jì)量小于1.64，所以湘潭站的上升趨勢(shì)未通過(guò)顯著性水平檢驗(yàn)(90%)，上升趨勢(shì)不顯著。

圖1 湘江年均流量及趨勢(shì)線Fig.1 Annual average flow and trend line of Xiangjiang

2.1.2 年均流量突變性檢驗(yàn)

運(yùn)用Mann-Kendall檢驗(yàn)、累計(jì)距平法以及滑動(dòng)T檢驗(yàn)法，對(duì)1959-2016年間湘潭水文控制站的年均流量序列進(jìn)行突變年份檢驗(yàn)，運(yùn)用上述3種檢測(cè)方法綜合評(píng)判湘潭站理論突變年份，結(jié)果如表2所示。

表2 年均流量突變統(tǒng)計(jì)結(jié)果Tab.2 Statistical results of annual runoff variation

2.2 湘江流域水文突變前后水文改變度

本研究為了定量評(píng)估湘江流域流量的水文改變程度，綜合2.1.2部分的突變性檢驗(yàn)分析結(jié)果，將湘潭站的歷年日流量數(shù)據(jù)劃分為兩個(gè)時(shí)段：①1991年以前湘潭站日流量水文過(guò)程是在自然狀態(tài)下基準(zhǔn)流量序列；②1991-2016年湘潭站日流量過(guò)程作為水文突變后的流量改變序列。由自然態(tài)水位序列中的每個(gè)指標(biāo)參數(shù)平均值±標(biāo)準(zhǔn)差或25%～75%區(qū)間范圍作為生態(tài)水文目標(biāo)的上下限閥值，以此得到湘江流域水文突變前后兩個(gè)流量序列的多年月平均流量變化及其水文情勢(shì)目標(biāo)的上下限。在此基礎(chǔ)上運(yùn)用IHA和RVA法計(jì)算突變前后湘潭水文站的水文改變程度，計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表3 湘江突變前后IHA指標(biāo)統(tǒng)計(jì)表Tab 3 IHA index statistics table before and after abrupt change in Xiangjiang

由表3可知，湘潭站月均流量值水文改變度達(dá)到13%，呈低度改變；湘潭站年均最小值流量突變后比突變前均有不同程度的增加，而年均1、3、7 d最大值流量突變后比突變前均有不同程度的增加，只有年均30、90 d最大值呈現(xiàn)下降趨勢(shì)；其中湘潭站最小值流量變異度大部分均屬于中度改變，僅年均90 d最小值處于低度改變，最大值流量改變度也處于低度改變；突變后湘潭站年最小流量出現(xiàn)時(shí)間發(fā)生明顯變化，且年最大值流量出現(xiàn)時(shí)間變化較?。幌嫣墩咀钚×髁砍霈F(xiàn)時(shí)間波動(dòng)幅度較大，其水文改變度高達(dá)100%；湘潭站除高脈沖次數(shù)增加外，其余的都減少了，其中高脈沖出現(xiàn)的次數(shù)變化最為明顯，改變度達(dá)到59%；湘潭站流量上升率增加，改變度為零，而下降率減少，逆轉(zhuǎn)次數(shù)較突變前卻增加。

2.2.1 月均值流量變化

圖2和圖3為湘江水文突變前后湘潭站月均值流量對(duì)比圖和月均值流量差圖。由圖可知，湘江流量發(fā)生突變后，湘潭站在6月-次年3月份月均值流量差有不同程度的增加，特別是在8月份的增加量達(dá)到約720 m3/s的最大值，造成這一現(xiàn)象的原因可能與水利設(shè)施在汛期排空庫(kù)容，使下泄流量增加有關(guān)；在4、5月份月均值流量差卻有不同程度的降低，并在4月份減少量達(dá)到最大值約500 m3/s，造成這一現(xiàn)象的原因可能與上游水庫(kù)蓄水發(fā)電，降低了河道下泄流量有關(guān)；同時(shí)，湘江流域的水庫(kù)“蓄洪補(bǔ)枯”也使得年內(nèi)流量峰值的發(fā)生時(shí)間發(fā)生了推遲。種種現(xiàn)象均表明湘江流域的水文變異與水利工程的運(yùn)行息息相關(guān)。

圖2 突變前后湘潭站月均值流量比較Fig.2 Comparison of monthly mean flow rate before and after sudden change

圖3 突變前后月均值流量差Fig.3 Monthly mean flow difference before and after the sudden change

2.2.2 年極值流量變化

圖4、5分別為湘潭站流量變化最顯著的最大、最小流量變化圖。由圖可知，湘潭站的年均3 d最小流量在水文突變的影響下呈明顯的上升趨勢(shì)，且絕大部分高于RVA閾值上限，這表示水文突變使得湘江年內(nèi)枯水期流量增加；湘潭站年均最大7 d流量的波動(dòng)范圍收緊，表示水文突變后的湘江高流量事件處于一個(gè)穩(wěn)定的范圍內(nèi)，這與水庫(kù)“蓄洪補(bǔ)枯”導(dǎo)致的結(jié)果相吻合。

圖4 年均最小3 d流量變化Fig.4 The minimum 3 day annual flow changes in the annual average

圖5 年均最大7 d流量變化Fig.5 The maximum annual 7 day flow change

2.2.3 年極端流量發(fā)生時(shí)間

圖6為湘潭站最小流量出現(xiàn)時(shí)間變化圖。由圖6可知，湘潭站最小流量出現(xiàn)時(shí)間的均值在突變后發(fā)生了提前，并且最小流量出現(xiàn)時(shí)間的閾值范圍也有所收緊，比水文突變之前更為穩(wěn)定。自然流態(tài)下的河道最低流量出現(xiàn)時(shí)間根據(jù)氣候的變化具有不穩(wěn)定性，水文變異后的最小流量出現(xiàn)時(shí)間閾值范圍的收緊，顯示出水文變異維持了最小流量發(fā)生時(shí)間的穩(wěn)定性。

圖6 最小流量出現(xiàn)時(shí)間Fig.6 Minimum flow time

2.2.4 高低流量的頻率及歷時(shí)

圖7為湘潭站突變前后高脈沖次數(shù)曲線圖。由圖7可知，突變后湘潭站高脈沖次數(shù)整體減少，超出RVA下限的部分增多；突變后的湘江在一定程度上增加了高脈沖的發(fā)生次數(shù)，這將不利于汛期過(guò)度，而低脈沖次數(shù)以及歷時(shí)的變短也將使得流域旱季水量減少。

圖7 湘潭站突變前后高脈沖次數(shù)曲線Fig.7 High pulse frequency curve before and after abrupt change

2.2.5 流量變化改變率及頻率

圖8為突變前后湘潭站逆轉(zhuǎn)次數(shù)變化情況。由圖可知，湘潭站的下降率發(fā)生的水文改變度最為顯著，但均屬于低度改變；湘潭站的流量改變率和頻率變化較為微弱，這表明突變的過(guò)程對(duì)湘潭站下泄流量影響較?。涣髁孔兓淖兟始邦l率的增加或減少將給河流生物群落帶來(lái)一定的影響；由于生態(tài)系統(tǒng)對(duì)外界環(huán)境的變化的承載能力有限，河流生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定將受到流量的變化改變率及頻率的影響。

圖8 湘潭站突變前后逆轉(zhuǎn)次數(shù)變化Fig.8 Change of the reversing times before and after mutation

2.2.6 整體水文改變度分析

為探究湘江流域的水文突變對(duì)流域水系水文情勢(shì)所造成的影響，計(jì)算出湘潭站在突變前后32個(gè)水文指標(biāo)絕對(duì)值的改變度，并繪制3等級(jí)的水文改變度，結(jié)果如圖9所示。由圖9可知，湘潭站32個(gè)水文指標(biāo)大多屬于低度改變，其中僅流量年最小值出現(xiàn)時(shí)間的水文改變度達(dá)到100%；湘潭站的基流指數(shù)，流量年均1、3、7和30 d最小值，以及高、低脈沖次數(shù)和低脈沖歷時(shí)均屬于中度改變，其余都為低度改變；受突變的影響，湘潭站的流量在改變度等級(jí)統(tǒng)計(jì)中發(fā)生低度改變的水文指標(biāo)所占的比例最高，占72%，發(fā)生中度改變所占的比例次之，占到25%，發(fā)生高度改變的占有率最少僅有3%；低度變化主導(dǎo)湘潭站的變化程度，結(jié)果表明湘江流量在整個(gè)突變前后的改變較小，并處于向良好的趨勢(shì)。

圖9 湘江水文改變度Fig.9 Hydrologic change degree of Xiangjiang

由表4可知，湘潭站僅第3組屬于高度改變，其他4組指標(biāo)分別為中度和低度改變，究其原因在于流量年最小值出現(xiàn)時(shí)間的改變程度較大；從整體水文改變度而言，湘潭站的水文改變度處于中度改變。

表4 湘潭站流量序列整體水文改變度Tab.4 Overall hydrological change of discharge sequence

3 討 論

本文得出的研究結(jié)果與杜鵑等[20]和陳淑芳[21]對(duì)湘江流域的研究結(jié)果基本一致，認(rèn)為湘江在1991年以后年均流量有增長(zhǎng)趨勢(shì)，并且在汛期流量還有所增長(zhǎng)。分析其原因與氣候變化和人類(lèi)活動(dòng)有關(guān)。其中氣候變化包括全球氣候變暖引起的溫室效應(yīng)加劇，局部地區(qū)降雨量增加等。而人類(lèi)活動(dòng)則包括了像生產(chǎn)生活用水、水利工程建設(shè)、水土保持措施以及人為河道變遷等。雖然文中多次推測(cè)造成水文變異的因素與水利工程的建設(shè)運(yùn)行有關(guān)，但并沒(méi)有給出具體的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)予以證實(shí)，如要進(jìn)一步研究導(dǎo)致水文變異的關(guān)鍵因素，仍需搜集大量資料進(jìn)行水文模型的建立，希望在將來(lái)的研究中予以重視。此外，本研究?jī)H對(duì)湘江湘潭水文站各項(xiàng)水文指標(biāo)的改變程度進(jìn)行分析，未深入研究造成各指標(biāo)改變后對(duì)湘江河流生態(tài)系統(tǒng)的實(shí)際影響，總體上湘江水文情勢(shì)改變度為中度改變，部分水文指標(biāo)改變較大，由于水文指標(biāo)改變對(duì)河流生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生影響，尤其是梯級(jí)電站工程修建導(dǎo)致了水文情勢(shì)改變，進(jìn)而湘江魚(yú)類(lèi)產(chǎn)卵場(chǎng)生境條件改變，對(duì)魚(yú)類(lèi)產(chǎn)卵繁殖活動(dòng)產(chǎn)生影響，此外洪水脈沖次數(shù)減少也對(duì)河岸帶濕地植被產(chǎn)生影響。在后續(xù)研究中，需深入研究河流水文情勢(shì)變化與水生動(dòng)物和植物生境之間動(dòng)態(tài)關(guān)系，定量水文情勢(shì)改變對(duì)河流水生生物的影響程度，為湘江河流生態(tài)保護(hù)和恢復(fù)提供參考。

4 結(jié) 論

以1959-2016年內(nèi)湘江水文控制站湘潭站歷史日均流量數(shù)據(jù)為研究對(duì)象，綜合Mann-Kendall法、滑動(dòng)T檢驗(yàn)法、累積距平法，以及IHA法和RVA法評(píng)價(jià)湘江水文突變前后湘潭站整體水文情勢(shì)變化情況。結(jié)果表明，湘江流域年均流量呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，趨勢(shì)不明顯；水文情勢(shì)的突變年份出現(xiàn)在1991年；通過(guò)對(duì)湘江流域水文突變前后的水文指標(biāo)分析，湘江整體水文改變度為36%，僅達(dá)到中度改變；其中，年最小流量的出現(xiàn)時(shí)間受影響最大，達(dá)到100%；總體來(lái)看，湘江水文情勢(shì)整體水文改變度較小，湘江河流生態(tài)系統(tǒng)總體處于良好狀況。

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