水文變異條件下鄱陽湖流域的生態流量

劉劍宇, 張 強,3,*, 顧西輝

1 中山大學水資源與環境系, 廣州 510275

2 中山大學華南地區水循環與水安全廣東省普通高校重點實驗室, 廣州 510275

3 宿州學院地球科學與工程學院, 宿州 234000

水文變異條件下鄱陽湖流域的生態流量

劉劍宇1,2, 張 強1,2,3,*, 顧西輝1,2

1 中山大學水資源與環境系, 廣州 510275

2 中山大學華南地區水循環與水安全廣東省普通高校重點實驗室, 廣州 510275

3 宿州學院地球科學與工程學院, 宿州 234000

受氣候變化和人類活動綜合影響，鄱陽湖流域水文狀況發生變異。河流生態系統適應了變異前的水文狀況，變異后勢必會影響當地生態系統。基于此，采用8種變異檢測方法對水文變異進行綜合診斷，闡明水文變異原因。在此基礎上，采用15種概率分布函數分別擬合5站各月變異前日流量序列，最終確定5站點各月最優分布函數及所對應的概率密度最大處的流量，即得河道內生態流量。研究表明：(1)撫河于1962年發生弱變異，贛江、修河于1968年發生中變異，信江、饒河于1991年發生弱變異；(2)變異后，贛江、信江、饒河、修河生態需水滿足率平均上升11%，撫河生態需水滿足率下降32%；(3)水文變異增加提高生態需水滿足率，水利工程建設降低年均生態需水滿足率、提高干季生態需水滿足率。高森林覆蓋率提高干季生態需水滿足率，對年均生態需水滿足率影響不明顯。研究結果為鄱陽湖流域水資源管理及區域水資源規劃與配置提供重要科學依據。

鄱陽湖流域; 生態流量; 水文變異

在全球氣候變化和人類活動共同作用下，河流水文過程發生顯著變異[1]，改變了流域生態系統已適應了的變異前的水文狀態[2]。為科學、合理計算河流生態需水，保障河流生態系統良性發展，有必要在水文變異的基礎上對河流生態需水進行研究。崔瑛等[3]回顧了國內外生態需水的研究進展，認為生態需水尚無統一認可的概念。李捷等[4]提出逐月頻率計算法，通過與Tennant法對比得出該方法的優缺點及適用范圍。張華等[5]運用水文平衡原理構建湖泊生態需水模型，估算了東居延海不同湖面面積下的生態需水量。李劍鋒等[6]提出考慮水文變異的河道內生態需水計算方法，對黃河干流各站的月平均流量序列進行生態需水計算。但相關研究尚未在鄱陽湖流域開展。鄱陽湖濕地是我國最大的淡水湖生態濕地，對維系區域和國家生態安全具有重要作用。受人類活動與氣候變化影響，該流域氣象水文過程發生顯著變異，變異后勢必會對當地以及鄱陽湖湖區生態系統造成不同程度的影響。國務院于2009年正式批復《鄱陽湖生態經濟區規劃》，這標志著鄱陽湖生態經濟區正式上升為國家戰略。因此，研究鄱陽湖流域生態需水更具有實踐意義。

本文對鄱陽湖流域水文變異情況下，探討：1)采用M-K檢驗法、累積距平法、有序聚類法等八種變異診斷方法對變異點進行系統檢測，增加變異檢驗的可信度；2)選用Log-Logistic分布、Weibull分布、Pearson-III型分布等15種概率分布函數分別對各站點各月份變異前的日流量序列進行擬合分析；3)在擬合優度檢驗方面，采用3種擬合優度檢驗方法對概率分布函數進行擬合優度分析，更好的反映站點水文特征。并通過對變異前后生態需水滿足率的變化，分析討論水文變異對河道內生態需水的影響。該項研究對科學分析計算河道內生態需水具有重要理論意義，對鄱陽湖流域水資源管理具有重要參考價值。

1 研究區概況與數據來源

圖1 鄱陽湖流域、主要水文站點、水庫、灌區位置示意圖 Fig.1 Location of Poyang Lake,hydrological stations, water reservoirs and irrigation areas in the Poyang Lake Basin

鄱陽湖是我國第一大淡水湖，流域面積16.22萬km2，占長江流域面積的9%。鄱陽湖入湖水量主要受贛江、撫河、信江、饒河、修河五大支流(以下簡稱“五河”)影響，構成山江湖一體的核心-邊緣結構體系[7](圖1)。鄱陽湖地處亞熱帶季風氣候區，降水量季節分配不均，流域大部分地區4—6月降水總量占全年降水總量的45%—50%。鄱陽湖流域共建有大中型水庫 208 座，總庫容 204.2 億 m3，10個大中型引水灌溉渠系，其中大于6 670 hm2以上的灌區有7個(圖1)。

本文數據為鄱陽湖流域水系“五河”主要控制站的日流量(表1)，數據來源于江西省水文局。部分缺失數據通過與相鄰的水文站水文序列建立回歸關系進行插補(R2>0.8)。

2 研究方法

受氣候變化和人類活動的雙重影響，水文序列往往發生變異，使水文序列分布發生改變。河流生態系統適應了變異前的水文狀態，變異后勢必影響當地生態系統。基于此，本文首先對研究區域河流水文序列進行變異檢驗分析，再結合生物系統基礎理論對鄱陽湖流域生態需水進行研究。

表1 鄱陽湖流域水文站流量數據

2.1 水文變異檢驗方法

變異點檢驗方法眾多，李劍鋒等[6]使用滑動秩和檢驗法對黃河干流水文變異進行了分析，馬嵐等[8]利用重新標度極差分析法對石羊河下游徑流變異進行了檢測。考慮到單一檢測方法有其適用流域的局限性，本文采用Hurst系數法對變異程度進行初步分析，并選用M-K檢驗法、累積距平法、有序聚類法、Lee-heg法、滑動T檢驗法、滑動F檢驗法、滑動游程檢驗法和滑動秩和檢驗法八種方法對水文變異進行綜合診斷。

2.2 生態需水計算方法

若水文變異診斷存在變異點，則認為水文序列的總體分布不一致，不符合水文資料的一致性要求。可以認為流域生態環境適應了變異前的水文狀態，因此計算河道內生態流量時，只考慮變異前的水文序列。若水文序列不存在變異點，則采用整個水文序列計算生態需水。

流量作為河流生態系統最重要的環境因子之一，可以作為河流生態環境的重要考察指標。生態適宜性理論[9]認為，生物在適宜的環境中，生物數量最多，生長最好；隨著生態因子偏離適宜值，生物生長繁殖速度減慢；當超過生物耐受區間，生物數量即會減少，直至消亡。長期的自然選擇促使生物適應出現頻率較高的環境因子。因此，本文取概率密度最大處流量作為適宜生物生長繁殖的生態流量。Green等[10]研究指出，任一種概率分布函數只可能對某種分布或者某個子樣本容量的檢驗效果較好，并不存在一種占絕對優勢的概率分布函數。采用Log-Logistic分布、Weibull分布、Pearson-III型分布等[11]15種分布函數對5個站點變異前各月流量序列進行擬合，并采用Kolmogorov-Smirnov(K-S)、Anderson Darling(A-D)和Chi-Squared(C-S)[12]3種檢驗方法進行擬合優度檢驗分析。

3 變異點檢驗及成因分析

3.1 變異點檢測

采用Hurst系數法對變異程度作初步檢驗，虎山、李家渡、梅港、外洲、萬家埠三站Hurst系數分別為0.63、0.51、0.62、0.71、0.76，根據謝平等[13]基于Hurst系數對變異程度的劃分，虎山、李家渡、梅港三站為弱變異，外洲、萬家埠兩站為中變異。采用M-K檢驗法、累積距平法、有序聚類法等方法[14]對具體變異點進行綜合檢測，將可能變異點中權重最高的年份作為最終變異點(表2)。

表2 變異點綜合診斷結果

虎山、梅港和李家渡三站的年徑流量均發生了弱變異，變異點分別是1991、1991、1962年；萬家埠和外洲兩站年徑流量發生了中變異，變異年份同為1968年。各站點水文序列變異點被多種方法同時檢測出，增加了變異點存在的可信度。

3.2 水文變異成因分析

整個鄱陽湖流域近50年來氣候變化明顯。鄱陽湖流域降雨量呈增加趨勢，蒸發量呈下降趨勢，降雨量在20世紀60年代中后期以及90年代初發生突變增加，蒸發量明顯減小[15]。運用一元線性法對徑流序列進行趨勢分析，發現信江、饒河、贛江、修河四河徑流序列都有不同程度的增加趨勢，這與鄱陽湖流域降水量突變增加、蒸發量突變減少基本相符，水利工程等會引起徑流量減小，因此，氣候變化是上述四河徑流突變增加的主要原因。相反，撫河徑流序列的線性系數為-1.318，趨勢減少，如果徑流突變由氣候變化主導，那徑流變異應該是突變增加，因此，撫河水文變異主要受人類活動的影響。

各站點變異具體成因分析

(1)信江、饒河 鄱陽湖流域年降水量在1990年突變增加，夏季降水量和暴雨頻率在1992年突變增加[16]，與梅港、虎山兩站水文序列1991年變異時間點基本一致。饒河從水庫數量、規模和級別上都落后于其他流域，水利工程對降雨徑流的調蓄較少，徑流量受水利工程影響較小。因此，氣候變化是引起信江、饒河兩河水文變異(增加)的主要原因。

(2)贛江、修河 東亞夏季風在20世紀60年代中后期發生了一次突變，由正常偏強夏季風轉為弱夏季風[17]。夏季風減弱，南方降水增多，平均氣溫降低，蒸發量減少，導致年降水量在60年代中后期發生突變。年降水量的增加和蒸發量的減少是引起兩河徑流變異增加。這與本文檢測出的贛江、修河徑流變異時間大致相同。

(3)撫河 李家渡上游有贛撫平原灌區(1958—1960)、洪門水庫(1958—1961)。贛撫平原水利工程1958年動工，1960年秋開始收益，東西灌渠設計引水流量分別為60m3/s、107 m3/s，占撫河多年平均流量的42%；洪門水庫為江西四大水庫之一，始建于1958年，1961年開始蓄水，流域面積2736km2，最大庫容12億m3。本文檢驗出的變異時間與洪門水庫和贛撫平原灌渠建成時間相近，表明人類活動是導致撫河水文變異的主要原因。

4 結果分析

4.1 生態需水計算結果

根據變異點發生年份將水文序列分段，選用變異前序列計算河道內生態需水。將概率密度最大處流量作為河道內生態流量，求概率密度最大處流量。以贛江外洲站4月份為例，選用上述3種檢驗方法對15種分布函數進行擬合優度分析，綜合檢驗結果表明Johnson SB分布為外洲站4月份水文序列最優概率分布函數(表3)。同時，以該月為例比較了幾個概率分布函數的理論概率分布曲線與經驗概率分布(圖2)，認為Johnson SB法與經驗概率分布吻合更好。

表3 外洲站4月逐日流量的15種概率分布函數擬合優度檢驗表

圖2 外洲站4月逐日流量的理論與經驗概率分布曲線及相應的概率差異圖Fig.2 Probability distribution functions and Probability Difference for the respectively daily flow at the April of Waizhou station

采用相同方法對其它各站點站逐月日流量序列進行擬合優度檢驗分析，得到相應水文序列最優分布函數與生態流量(表4)。

選用15種分布函數對5個站點變異前水文序列進行系統分析，并采用3種檢驗方法對擬合優度綜合檢驗。檢驗分析發現，不同子流域、不同月份最優分布函數存在差異。因此，按不同流域、不同月份水文序列分別進行概率分析是必要的。

在擬合優度綜合檢驗過程中發現，某種分布函數在一種擬合優度檢驗方法下是最優的，但另外一種方法檢驗效果卻非常差。例如對外洲站5月份水文序列分布函數的擬合檢驗， K-S檢驗廣義Pareto分布為最優，A-D檢驗為最劣，C-S檢驗拒絕。故選用A-D檢驗、C-S檢驗最優的，K-S檢驗第二的Johnson SB分布作為外洲站5月份最優分布函數。因此，采用多種方法對概率分布函數擬合優度進行綜合檢驗更為合理。

4.2 與其它方法對比

將本文所采用的方法與最小月平均流量法、逐月最小流量法等常用方法比較。由于篇幅限制，只列出各方法所求得的年均生態流量(表5)。最小月平均流量法與最枯月頻率法所給出的生態流量各月相同，不能反映生態需水的月份差異；除外洲站外，各站生態流量的Tennant法[18]等級基本處于差水平。逐月最小流量法與本文方法都能反映生態需水的月份差異，但最小月平均流量法考慮的是最小月平均流量這一極端條件，因此，該方法下各月生態流量均小于本文生態流量。逐月頻率計算法下生態流量與本文生態流量相當，逐月頻率計算法在一定的保證率下對生態需水進行計算，其保證率的設定至今沒有統一定論，計算結果主觀性較強。本文方法計算頻率最大處流量，計算結果在Tennant法等級中屬于好或中水平，可以滿足水生生物的正常需求，其計算結果具有確定性與合理性。

表4 5站點各月份水文序列最優分布函數及其對應的生態流量

表5 與其它生態需水計算方法比較

5 討論

如果實測流量大于生態流量，則認為該流量滿足生態需水的要求。各月生態需水得以滿足的日數與序列相應月份總日數之比為生態需水滿足率[19]。通過對各流域生態需水滿足率的對比分析來探討氣候變化與人類活動對生態需水的影響。

5.1 變異前后年生態需水滿足率變化

除撫河李家渡外，其它四站水文變異后生態需水滿足率均上升，平均上升幅度為11%，河流生態系統的正常需水得到更好保障(表6)。河流徑流量增加使得變異后生態需水滿足率提高。鄱陽湖流域1961—2003年饒河、信江、贛江中下游、信江中下游地區降水量呈增加趨勢，暴雨、特大暴雨頻次增加明顯對年降水量增加貢獻最大，同時流域內蒸發量的減少一定程度上也增加了河川徑流[20]。變異后蒸發量的減少，降水量的增加是徑流量增加、生態需水滿足率提高的主要原因。

撫河變異前，各月生態需水滿足率絕大部分在70%以上，說明撫河變異前70%以上的時間河流流量滿足生態需水的要求，能保障河流生態系統的正常需水。撫河流域水文變異后，各月生態需水滿足率均下降，近半數月份生態需水滿足率不到50%，平均生態需水滿足率下降32%。撫河徑流量的大量減少導致變異后生態需水滿足率降低。沿線灌區從撫河干支流上大量引水用于工農業生產，造成河道內徑流量大幅度減少，使撫河生態需水滿足率變化方向與其它四河相反。李家渡生態需水滿足率下降與沿途灌渠大量引水有直接關系。

表6 水文變異前后生態需水滿足率

5.2 變異前后干濕季生態需水滿足率變化差異

鄱陽湖流域4—6月是全年雨量最大的3個月份，所以把徑流量最大的4、5、6月定義為濕季，把徑流量最小的11、12月及次年1月定義為干季，對比分析變異后干濕季生態需水滿足率的差異。饒河虎山、贛江外洲、修河萬家埠3站干季生態需水滿足率高于濕季，撫河李家渡、信江梅港兩站生態需水滿足率干季小于濕季。流域森林植被對徑流變化有重要影響，森林可以起到蓄水、保水、保土作用，調節年際間枯水的流量，并且顯著提高干季徑流量。江西從20世紀80年代開始實行山江湖工程、退耕還林工程、中德造林工程、長(珠)防林工程以及各種人造林工程，大量植樹造林使江西省的森林覆蓋率迅速提高到60.1%，居全國第二位。饒河流域森林覆蓋率達67.8%，修河流域為64.4%，贛江流域63.6%，信江流域為54.3%，撫河流域為53.0%。

饒河虎山站干季生態需水滿足率與年生態需水滿足率均為“五河”最高。饒河流域第一產業只占12.1%，農業用地在“五河”中最少，土地利用類型以林地為主，饒河流域森林覆蓋率在“五河”中最高，占流域面積的67.8%，森林覆蓋率明顯增加干季徑流量，增大干季生態需水滿足率。饒河上游婺源、德興一帶是江西省的三大暴雨中心之一，該流域水資源量相當地豐富。

贛江外洲站年生態需水滿足率僅高于撫河，干季生態需水滿足率高出濕季39.1%，為“五河”干濕季生態需水滿足率差別最大的河流。水庫對徑流量變化具有重要的調節作用，使下游河道枯水流量相對穩定，徑流量年內分配較天然均勻，在一定程度上緩解干旱。贛江流域內有水庫107座，庫容達75.13億m3，流域面積、水庫數量和容量均居五河之首，尤其是1990年修建的贛江流域最大水庫萬安水庫，其總庫容達22.16億m3，對枯水的調節發揮及其重要的作用。

修河流域森林覆蓋率居鄱陽湖流域第二位，但干季生態需水滿足率僅高出濕季2.4%，這主要是由于萬家埠上游的潦河流域只有7座中型水庫，水庫以灌溉型為主，流域內水庫數量、規模和級別均落后于其它流域，水庫調蓄功能小于其它流域。

而撫河李家渡站、信江梅港站干季生態需水滿足率均低于濕季，分別低8.5%、3.5%。撫河流域耕地資源豐富，相應的林業用地較少。撫河與信江兩流域森林覆蓋率遠小于其它流域，森林調節能力有限是造成干季生態需水滿足率小于濕季的主要原因。撫河干、濕兩季生態需水滿足率的差距大于信江，一方面是撫河流域森林覆蓋率小于信江流域，另一方面撫河流域水庫18座遠小于信江流域的35座，撫河流域森林與水庫的調節能力均小于信江。

6 結論

(1)受氣候變化和人類活動雙重影響，河流水文狀況發生不同程度變異。虎山、梅港水文序列均發生弱變異，變異年份為1991年，變異主要原因為90年代初降水量的突變增加。外洲、萬家埠兩站水文序列發生中變異，變異年份為1968年，變異主要是受20世紀60年代中期夏季風變化影響。撫河流域徑流于1962年發生弱變異，變異原因是受水利工程建設影響。

(2)鄱陽湖流域水文變異提高了生態需水滿足率。另外，氣候變化與人類活動對生態需水影響的程度均不同，水利工程降低年均生態需水滿足率，而提高干季生態需水滿足率；高森林覆蓋率提高干季生態需水滿足率，而對年均生態需水滿足率影響不明顯；修河、饒河、信江、贛江徑流變異增加使年生態需水滿足率上升，撫河徑流變異減小使年生態需水滿足率大幅度減小。高森林覆蓋率與水利工程的大量建設使饒河虎山、贛江外洲、修河萬家埠3站干季生態需水滿足率高于濕季；低森林覆蓋率使信江流域、撫河流域干季生態需水滿足率小于濕季。

(3)水文序列變異點檢測符合水文資料一致性要求，選用最優分布函數所對應流量作為河流的生態流量，符合水生生物生長需求。與Tennant法、最小月流量法、逐月頻率計算法等方法比較，本文計算結果更具確定性與合理性。本文研究對鄱陽湖流域各支流水資源管理與規劃提供重要科學依據。

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Evaluation of ecological flow with considerations of hydrological alterations in the Poyang Lake basin

LIU Jianyu1,2, ZHANG Qiang1,2,3,*, GU Xihui1,2

1DepartmentofWaterResourcesandEnvironment,SunYat-senUniversity,Guangzhou510275,China2KeyLaboratoryofWaterCycleandWaterSecurityinSouthernChinaofGuangdongHighEducationInstitute,SunYat-SenUniversity,Guangzhou510275,China3SchoolofEarthSciencesandEngineering,SuzhouUniversity,Suzhou234000,China

Fluvial hydrological processes within the Poyang Lake basin are significantly altered under the influence of human activities and climate changes. Poyang Lake is the largest freshwater lake and plays an important role in conservation of biological diversity and also in flood mitigation in the Yangtze River basin. In this case, ecological instream streamflow is also altered and the ecological environment is potentially affected under the influences of altered hydrological processes. With consideration of hydrological alterations, re-evaluation of ecological instream streamflow will be of great scientific and practical merit in terms of water resource management and conservation of ecological environment. We use the Hurst coefficient method to preliminary analyze the degree of alterations in five major tributaries of the Poyang lake basin. Then we use eight mutation testing methods to comprehensively investigate change points. We use 15 kinds of probability distribution functions to fit respectively daily flow for each month before occurrence of the hydrological alterations. Finally, the monthly optimal distribution functions and corresponding streamflow with the largest probability are determined and computed, and accepted as the ecological instream streamflow. Results indicate that: (1) main causes behind the hydrological alterations of the Gan, Xin, Rao and Xiu Rivers are the climate changes such as the precipitation changes observed in this study. However, the Hu River is mainly affected by human activities; (2) due to large amounts of water diversion irrigation system, hydrological processes in the Hu River were significantly altered after 1962. The hydrological alterations of the Gan and Xiu Rivers occurred in 1968. The East Asian Summer Monsoon led to anincrease of precipitation during the mid-1960s; The Xin, Rao Rivers were dominated by significant hydrological alterations in 1991. Increase of precipitation in the early 1990s is the main cause behind this hydrological alterations that occurred in the 1960s;(3) The increase of forest coverage and the construction of water conservancy are expected to improve the satisfaction rate of the ecological water requirement in the dry season. The satisfactory rate of ecological water requirement in the dry season is higher than that in the wet season in the Rao, Gan, and Xiu Rivers. However, the Fu and Xin Rivers do not follow this trend. The forestation and increased vegetation coverage can greatly alter the spatiotemporal distribution of water or runoff and can significantly increase the runoff during the dry seasons. Woodland has an important influence on the changes of runoff. Due to the large forest coverage, the ecological instream flow is greatly satisfied during dry seasons in the Rao River when compared to the other four rivers. A difference is found in the Gan River in terms of water requirements of ecological instream flow between wet and dry seasons. The number of reservoirs in the Gan River basin is high when compared to the other four tributaries of the Poyang Lake basin that were considered in this study. Forest coverage in the Xiu River basin accounts for 64.4% of the total area, which is ranked the second largest in the Poyang Lake. However, the difference between wet and dry seasons is small. The quantity and scale of the reservoir in the Xiu River basin falls far behind others. Therefore, the regulation activities of the reservoirs in Xiu River basin is not evident than other river basins. On the contrary, the satisfactory rate of ecological water requirements for the dry season is below that for the wet season in the Fu and Gan River. The rate of forest coverage in those two basins is far less than in other basins. The ability to regulate the forest is limited. These results will provide an important scientific basis for the planning and management of water resources within the Poyang Lake basin under a changing environment.

Poyang Lake basin; ecological streamflow; hydrological alterations

鄱陽湖濕地與流域研究教育部重點實驗室(江西師范大學)主任開放基金資助項目(ZK2013006); 安徽省高校引進“領軍人才”專項項目

2014- 04- 08;

日期:2014- 09- 30

10.5846/stxb201404080664

*通訊作者Corresponding author.E-mail: zhangq68@mail.sysu.edu.cn

劉劍宇, 張強, 顧西輝.水文變異條件下鄱陽湖流域的生態流量.生態學報,2015,35(16):5477- 5485.

Liu J Y, Zhang Q, Gu X H.Evaluation of ecological flow with considerations of hydrological alterations in the Poyang Lake basin.Acta Ecologica Sinica,2015,35(16):5477- 5485.