基于HMA方法的宜昌站生態(tài)徑流演變規(guī)律分析

胡 楊，林凱榮，劉 攀

(1.中山大學(xué)水資源與環(huán)境系，廣州 510275; 2.華南地區(qū)水循環(huán)與水安全廣東省普通高校重點實驗室，廣州 510275;3 武漢大學(xué)水利水電學(xué)院， 武漢 430072)

1 研究區(qū)概況

長江發(fā)源于青海省唐古拉山脈各拉丹冬峰西南側(cè),河源名為沱沱河,從河源到四川宜賓稱為金沙江,岷江匯入之后始稱川江。湖北宜昌以上河段為長江上游，橫跨中國陸地地勢的一、二級階梯。該段河道全長4 529 km，占長江主河道全長的70%，上游沿岸有數(shù)個重要城市，包括宜賓、瀘州、重慶、宜昌等，主要的一級支流包括岷江、嘉陵江、烏江等。

宜昌水文站始于1877年設(shè)立的宜昌海關(guān)，此后開始有水位記載。1946年3月正式設(shè)立宜昌水文站，為長江上游出口控制站[1]。宜昌站位于西陵峽口的宜昌市，宜昌因水而興旺發(fā)達，但是也飽受水害的摧殘，屬亞熱帶季風(fēng)性濕潤氣候，四季分明，水熱同季，寒旱同季的氣候特征，多年平均降水量1 215.6 mm。地處長江上中游的咽喉之地，宜昌站控制流域面積100萬km2，占全流域面積的55%，為下游防洪以及葛洲壩、三峽工程等大型工程提供了詳盡的水文資料，也為宜昌市的城市建設(shè)和經(jīng)濟建設(shè)起到了舉足輕重的作用。上游數(shù)公里處的葛洲壩水電站，是長江干流上第一座大型水電站，葛洲壩水利樞紐于1970年開始動工，宜昌水文站的徑流量資料可以體現(xiàn)出葛洲壩水電站的建設(shè)對長江天然徑流量的影響程度。因此本文采用Mann-Kendall法和基于IHA指標(biāo)體系的HMA法，分析宜昌站徑流量年際變化的規(guī)律和趨勢，為水資源管理部門和工程建設(shè)部門的規(guī)劃提供依據(jù)，便于水庫調(diào)度的決策，保護上中游流域生態(tài)環(huán)境。

2 研究方法

2.1 Mann-Kendall檢驗

Mann-Kendall檢驗法[2,3]是世界氣象組織推薦并已廣泛使用的非參數(shù)檢驗方法，不需要遵從一定的分布，也不受少數(shù)異常值的干擾，適用于水文、氣象等非正態(tài)分布的數(shù)據(jù)，計算比較簡便[4]。

2.2 水文變化指標(biāo)法(IHA法)

Richter等人(1996年, 1998年)提出的受自然保護協(xié)會(TNC)支持的IHA統(tǒng)計包[5,6]計算水文變異。IHA方法在研究人類活動如大壩和地下水取水等對水文情勢的影響方面非常有用。IHA法[5]是依據(jù)河流的日測水文流量資料，計算32個影響生態(tài)環(huán)境意義的關(guān)鍵水文特征值，并計算集中量數(shù)(如中位數(shù)、平均值)和離散量數(shù)(如標(biāo)準(zhǔn)偏差、變異系數(shù))，以對受人類活動影響的河流進行干擾前和干擾后的對比分析[7]。32個水文關(guān)鍵值可以分為5組，分別是月徑流量大小、年極端流量大小、極端流量出現(xiàn)時間、高低流量的頻率和延時以及徑流變化的改變率和頻率[8]。流量平均增加率、減少率指相鄰兩天的流量平均增加率、減少率，逆轉(zhuǎn)次數(shù)是指河流日流量由增加變?yōu)闇p少或者由減少變?yōu)樵黾拥拇螖?shù)[9]。

2.3 直方圖匹配法(HMA法)

HMA法是Shiau and Wu[10]提出的一種以直方圖差異度作為衡量標(biāo)準(zhǔn)評價水文情勢改變度的方法。HMA的核心思想是：若兩個徑流序列的32個IHA指標(biāo)的頻率直方圖相互類似，則這兩個徑流序列的水文情勢也類似，這種相似性可以用變異前后頻率直方圖的“統(tǒng)計距離”來衡量。因此，水文情勢的改變可以用基于距離的差異度來度量。HMA的過程如下：

(1)

式中：Dm是第m個指標(biāo)的直方圖差異度；dm是第m個指標(biāo)的二次方間距；max(dm)是每個dm的最大值。

(2)

式中：h=(h1，h2，…，hnc)T，k=(k1，k2，…，knc)T，分別為變異前后直方圖H、K的頻率向量， |h-k|是統(tǒng)計距離向量，nc是徑流序列的分類數(shù)；A=[aij]為相似矩陣，aij是H的第i類和K的第j類之間的相似性：

(3)

其中，dij=|Vi-Vj|是第i，j類之間的距離，Vi、Vj分別為i、j類的均值；dmax=max(dij)=|V1-Vnc|；α為(1，∞)，本文采用α=1的線性相似函數(shù)。

(4)

式中：r為實測數(shù)據(jù)中最大值與最小值之差；n為實測數(shù)據(jù)長度；riq為四分位數(shù)間距。

(5)

式中：nc,m為第m個IHA指標(biāo)的分類值。

因Dm的個別值可以表現(xiàn)出不同程度的差異性，所以用一個綜合指數(shù)來評價“水文情勢的整體變化程度”，即：

(6)

式中：D′o最小值被視為等同于保護最好的天然徑流量，用以替代生態(tài)系統(tǒng)需水量。

3 結(jié)論與分析

3.1 Kendall趨勢分析

由于人類活動和氣候變化的因素,使得宜昌站的年徑流數(shù)據(jù)產(chǎn)生變化,其中上游的大型水利設(shè)施對徑流的影響非常顯著。圖1可以體現(xiàn)宜昌站年徑流量的變化趨勢和變異特點，從圖中可知宜昌站的年平均流量呈降低的趨勢，宜昌站的變異點在1970年左右和1996年左右，徑流量的變異應(yīng)該和長江上游1971年開工建設(shè)的龔嘴水庫、黑龍灘水庫，特別是葛洲壩水利樞紐等工程有關(guān)。而這也與秦年秀、曾娟等人的研究結(jié)果相近，并符合實際狀況。與此同時，由于經(jīng)濟的增長，對灌溉用水和工業(yè)用水的需求相應(yīng)地大規(guī)模增加，此外湖泊的開墾、氣候變化等都會對年徑流量產(chǎn)生不同程度的影響。因此將1878-1970年作為長江上游徑流量未受擾動時間段，將1971-2010年作為由于上游水利設(shè)施而產(chǎn)生擾動的時間段。

圖1 宜昌站徑流變化和突變分析圖

3.2 IHA指標(biāo)變化分析

運用IHA軟件將各站逐日實測徑流資料分為月平均流量、年極端流量、極端流量發(fā)生時間、高低流量的頻率和延時以及徑流變化的改變率和頻率5組共32個指標(biāo)。通過每一個指標(biāo)在變異前后的年平均值分析變異趨勢，結(jié)果顯示，除了4月的月平均流量略微增加外，其他月的月平均流量都有不同程度的減少；年最大和最小極值流量都有小幅度下降的趨勢；每年發(fā)生低流量的次數(shù)和延時增加，每年發(fā)生高流量的次數(shù)和延時減少；每年的流量逆轉(zhuǎn)次數(shù)增加。從上述這些指標(biāo)的改變趨勢可以看出，包括葛洲壩在內(nèi)地一系列在長江上游修建的水利設(shè)施確實對天然徑流量產(chǎn)生了作用，這主要是因為上游水庫的蓄水和蒸發(fā)使得徑流量減少，而關(guān)閘蓄水和開閘放水的使得逆轉(zhuǎn)次數(shù)增多。

3.3 用HMA法作徑流量變異分析

3.3.1月平均流量

我們定義HMA方法中，改變度高于67%為高度改變，改變度在33%和67%之間為中度改變，改變度小于33%為低度改變。中度改變的月平均流量指標(biāo)有8月、10月和11月，見圖2。HMA法這3個月的差異度分別為40.39%、33.77%和37.15%。

在8月份，天然徑流序列小于13 308 m3/s的頻率值為0，在13 308～17 025 m3/s的頻率為0.02，在17 025～20 743 m3/s的頻率為0.12，在20 743～28 178 m3/s的頻率為0.33，變異后，徑流小于9 590 m3/s的頻率為0.07，在9 590～13 308 m3/s的頻率為0.07，在17 025～20 743 m3/s的頻率為0.2，在20 743～28 178 m3/s的頻率上升為0.71。

在10月份，天然徑流序列流量11 882～14 064 m3/s的頻率值為0.03，14 064～16 245 m3/s的頻率為0.15，小于16 245 m3/s的頻率為0.23。變異后月平均徑流序列在11 882～14 064 m3/s的頻率值升高至0.26，在14 064～16 245 m3/s的頻率升高為0.45，小于16 245 m3/s的頻率升高為0.75，沒有高于27 155 m3/s的流量。

在11月份，變異前流量小于8 912 m3/s的頻率為0.38，變異后卻漲至0.88。

上述結(jié)果表明，高要站8月、10月、11月的低流量頻率變異后高于天然徑流量的頻率。

3.3.2流量極值和延時變化

年極端流量中相對改變最大的是年1日最小流量，從變異前2 770 m3/s到變異后2 470 m3/s，減少了300 m3/s。年極端流量和出現(xiàn)時間的HMA法結(jié)果只有年1天最小流量和最小極端徑流時間改變度在33%和67%之間，為中度改變，其他均屬于低度改變。差異度最小的是基流指數(shù)，為17.55%，最大的是年1日最小流量發(fā)生時間，為39.44%。跟月平均流量一樣，各項指標(biāo)的低流量頻率變異后高于天然徑流量的頻率，見圖3。

圖2 月平均流量序列變異前后頻率分布圖

3.3.3流量變化的頻率

HMA法計算得到的變異前后宜昌站流量平均上升率、下降率和逆轉(zhuǎn)次數(shù)改變度分別為51.68%、34.17%、63.80%，都屬于中度改變、低度。變異后流量逆轉(zhuǎn)次數(shù)改變較大，從逆轉(zhuǎn)次數(shù)頻率分布圖中(圖4)可以明顯看出變異后逆轉(zhuǎn)次數(shù)較大區(qū)間的頻率明顯增加，逆轉(zhuǎn)次數(shù)均大于66，大于101的頻率為0.80，而變異前大于101的頻率為0。變異之后上升率改變也較大，從圖4中可知變異前上升率小于260%的頻率值為0，在260%到338%之間的頻率為0.07，在338%到417%之間的頻率為0.08，在417%到495%之間的頻率為0.22，變異后，上升率小于260%的頻率為0.23，在260%到338%之間的頻率為0.39，在338%到417%之間的頻率為0.19，在417%到495%之間的頻率上升為0.32。上升率較小區(qū)間的頻率明顯增加。

圖3 流量極值和延時變化變異前后頻率分布圖

圖4 流量變化的頻率變異前后頻率分布圖

4 結(jié) 語

(1)通過宜昌站水文情勢趨勢分析，年平均凈流量在1970年左右發(fā)生變異，這與上游的葛洲壩工程和黑龍灘水庫等水利設(shè)施的建成時間較為符合。

(2)宜昌站32個水文變化指標(biāo)大部分指標(biāo)變化趨勢較明顯，其中月平均流量指標(biāo)普遍減少；年極端流量普遍減小，年低流量發(fā)生次數(shù)也增加，低流量平均延時同樣增加；流量平均上升率和流量逆轉(zhuǎn)次數(shù)顯著增加。

(3)宜昌站徑流趨勢的減少對生態(tài)環(huán)境問題，例如水質(zhì)的變化、水生生物的生存等都有重大影響，同時也會影響到航運、下游人民用水、輸沙、地下水位等一系列問題，如何保證所有方面的問題都考慮周全，需要水資源管理部門的保護和調(diào)控。

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