改進IHA法的應用研究

陳偉東，包為民,2(.河海大學水文水資源學院，南京 20098；2. 河海大學水安全與水科學協同創新中心，南京 20098)

0 引 言

水流是水生環境的主要決定因素，水流的改變會在不同程度上改變生物棲息地條件，從而影響生態系統結構[1]。人類的水資源開發利用活動，如修建大壩、跨流域調水等工程會改變河流的天然徑流過程，對河流生態系統健康產生重要影響[2,3]。Brian D Richter等[4]于1996年提出了IHA法(Indicator of Hydrologic Alteration，水文變更指標法)用于評價水利工程對河川徑流過程的影響，并可根據評價結果建立河流的生態流量管理模式[5]。陳啟慧等[6]將該方法用于評價葛洲壩對長江徑流過程的影響，效果良好；陳偉東等[7]采用IHA法分析了錦江水庫對下游徑流過程的影響。文獻[7]在錦江流域的研究過程中，以1994年為分界點，將1958-2009年的52 a水文序列劃分為干擾前時期為1958-1993年期間的36 a、干擾后的時期為1994-2009 期間的16 a。工程前后資料年份相差較大情況下，直接用IHA法評價水利工程對徑流的影響存在一定的不合理性。故此，本文在IHA法的基礎上，引入控制變量思想對IHA法加以改進，將工程前36 a資料進行篩選，以期所得評價結果更為科學有效。

1 研究區域概況及分析方法

1.1 研究流域概況

錦江屬珠江流域北江水系，是北江上游主源湞江的一級支流，發源于江西省崇義縣竹洞，流經仁化縣的長江、雙合水、恩口、仁化縣城等地區，最后于芒壩江口匯入湞江[8]。錦江水庫(圖1)建于錦江中游段，壩址位于廣東省韶關市仁化縣境內，于1990年6月1日開始施工，在1993年8月一號機組并網發電，同年12月30日二號機組并網發電。錦江水庫總庫容1.89 億m3，興利庫容0.68 億m3，調洪庫容0.45 億m3，屬于季調節型水庫。作為仁化縣最大的水利工程，錦江水庫是以防洪、發電為主，兼顧旅游、供水、養殖等多種效益的大(二)型水庫[9]。本文選用錦江流域中長江、扶溪、城口、五渡村、厚坑、仁化、石塘等7個雨量(水文)站1958-2009年的降水資料，以滑動平均法篩選出適合改進IHA法使用的年份。

圖1 錦江流域水系及站網分布Fig.1 River system and station distribution of Jinjiang Basin

1.2 滑動平均法

對序列x1，x2，…，xn的幾個前期值和后期值取平均，求出新的序列yt，使原序列光滑化，這就是滑動平均法[10]。數學式表示為：

(1)

式中：yt為新序列；k為滑動平均尺度；xt+i為參與此次生成新序列的舊序列值。

當k=2時為5點滑動平均。若x有趨勢性，選擇合適的k，yt即可將此趨勢清晰地展示出來。滑動平均法因其簡單、直觀而在水文學中得到了廣泛的應用[11]。

1.3 IHA法

依據所測的每日河流水文資料，IHA法可算得表征生態環境含義的32個特征參數值，再計算它們工程前后的多年平均值以及年際間的變異系數，則可評價工程對河流水文情勢的干擾。如表1所示，32個IHA參數可分為5組，可反映數量大小、發生時間、持續時間、頻率以及變化率等水文特征。

表1 IHA法的水文參數及其特征Tab.1 Summary of hydrological parameters used in the Indicators of Hydrologic Alteration, and their characteristics

1.4 改進的IHA法

Brian D Richter等提出的IHA法，對于工程前后兩個時段內徑流的資料不進行處理，直接將全部的數據進行對比評價。若工程前后資料年份相差較大，所得評價結果可能不夠嚴謹。所以，針對工程前后資料年份相差較大或者資料不足等情況，有必要先對資料作一個預處理。在此處，可引入物理中控制變量的思想，如圖2(a)所示，因素1和因素2導致了結果，為研究因素2對結果的影響，那么需要控制因素1。徑流的關鍵因素是降水，且年降水量受水庫的影響不像徑流那樣大，所以可控制降水這一變量來研究水庫對下游徑流的影響。以錦江流域為例，通過流域1958-2009的降水資料來篩選出工程前后年降水量相似度最高的兩個時間段，并以此作為改進IHA法所需要的研究年份，其具體操作步驟如下：

(1)用滑動平均法處理1958-2009年的年降水資料，并作圖。

(2)以流域內1994-2009年降水量周期、多年平均降水量、年降水量趨勢線作為評選指標，在1958-1993年中找出年降水量與之最為相近的年份。

(3)采用IHA法計算新選取的兩個時段的數據，并加以分析。

圖2 控制變量示意圖Fig.2 Diagram of controlled variable

2 結果與討論

2.1 IHA法直接計算結果

選取錦江水庫壩下的仁化站1958-2009年的日平均流量資料(以1994年為分界)，直接采用IHA法計算錦江水庫修建前后仁化站流量的特征值， 結果如表2所示。直接IHA法所做的錦江水庫對下游徑流影響的分析討論可參考文獻[7]，本文主要研究改進的IHA法與IHA法的差異，故表2中的結果在此處不再作單獨討論。

表2 仁化站IHA法直接計算結果Tab.2 The result of IHA at RenHua station

2.2 由降水確定改進IHA法的研究時間段

錦江水庫對下游徑流產生影響的年份是1994-2009年，共16 a的徑流資料，未受影響的年份是1958-1993年，共36 a的徑流資料。為IHA法的評價結果更為科學合理，需要在1958-1993年中挑選出自然情況下與1994-2009年徑流情況最為相似的年份。錦江流域長江、扶溪、城口、五渡村、厚坑、仁化、石塘等7個雨量站的算術平均值作為整個流域的降水, 將其按年份順序繪制成圖并采用滑動平均法添加5 a滑動平均的趨勢線，如圖3所示。由5 a滑動平均趨勢線可看出錦江流域的年降水量存在著周期性。錦江流域1994-2009年間的多年平均降水量為1 708 mm，以16 a為一個時期，計算1958-1993年逐個時期的多年平均降水量，結果見圖4。由圖4可知，與1994-2009年多年平均降水量1 708 mm最為接近的3個時期分別是1968-1983年(1 686 mm)、1970-1985年(1 671 mm)、1972-1987年(1 667 mm)。將此3個時期與1994-2009年各自的年降水量線性趨勢線及其公式繪制在圖5。圖5表明工程前3個時期中1972-1987年的年降水量趨勢與工程后的降水趨勢最相似。同時參考圖3中的5 a滑動平均年降水量趨勢線，可知1972-1987年的年降水量情況與水庫運營影響后的1993～2009年的年降水量最為相近。

圖3 錦江流域年降水趨勢變化圖Fig.3 Annual precipitation Tendency of Jinjiang basin

圖4 多年平均降水量Fig.4 Annual mean precipitation

圖5 4個時期各自降水趨勢線Fig.5 Trend line of precipitation in four period

2.3 改進IHA法計算結果

由流域年降水量確定了工程前后仁化站徑流資料的使用年份,采用IHA法進行計算,結果見表3。將表2與表3中第一組參數的平均值偏離量繪制成圖6，其中:

偏離量(%)=[(P建庫后-P建庫前)/P建庫前]×100%

式中：P為IHA法參數值。

圖6 兩種IHA法平均值偏差比較圖Fig.6 Comparison chart of two kinds of IHA method of average deviation

由圖6可知，改進IHA法的分析結果與原IHA法有一定差異，尤其是在主汛期的幾個月更加突出，3、4、5月份的偏差結果反映出錦江水庫的調蓄水效用明顯。改進IHA法中所用的工程前后降水數據較為接近，且考慮到水庫實際調蓄水情況，本文認為改進IHA法所得月平均徑流偏離結果更具合理性。變異系數CV可以反映出參數的年際變化程度，圖7則顯示了兩種IHA法變異系數偏差的對比情況。由圖7，改進IHA法計算結果表明建庫后仁化站1月月徑流量年際變化減小，而8、9和12月的年際變化大幅增加。

圖7 兩種方法變異系數偏差比較圖Fig.7 Comparison chart of two kinds of IHA method about CV

表3中第二組最大1 d平均流量要比表2中的大，在年徑流總量相似的情況下，前者的數據更能反映出水利工程帶來的影響。改進IHA法最大1 d平均流量建庫前的變異系數是0.42，IHA法建庫前的變異系數是0.47，而建庫后均為0.65，表明峰量大小的年際變化增大，也側面體現了建庫后水庫的削峰作用。結合第三組中的年最大1 d平均徑流發生時間，由于水庫的攔蓄作用，最大1 d平均徑流的發生時間延后了近30 d。這在很大程度上改變了下游的徑流過程。對于某些需要借助高流量進行繁衍的生物，比如洄游的魚類來說，這種改變是致命的,故此區域的生物則可能需要較長時間來適應這種環境變化。

因為選用的工程前徑流年份不同，所以改進IHA法在計算第四組參數高流量及低流量的頻率和持續時間的高低脈沖閾值要重新計算，結果見表4。改進IHA法高流量脈沖發生次數的平均值偏離量比IHA法的平均值偏離量絕對值大9.2%,而兩者的高流量脈沖平均歷時平均值偏差結果差值達41.75%。改進IHA法低流量脈沖發生次數的平均值偏離量比IHA法高11.4%，兩者的平均歷時平均值偏離量相差不大。改進IHA法高流量脈沖發生次數的變異系數比IHA法的結果高20.7%，而其他3個參數的變異系數平均偏差的絕對值比IHA法都要大，表明改進IHA法得到的結果顯示出錦江水庫對下游徑流年際變化的影響要更劇烈。兩種方法均顯示了建庫后年高流量脈沖發生次數年際變化加大了，年低流量脈沖發生次數年際變化減小了，且高低脈沖平均歷時的年際變化都減小了。第五組上漲率年平均值參數，兩種IHA計算方法結果相近，表明建庫后水流上漲速度得到有效控制。IHA法中下降率年平均值建庫前后偏離量是3.68%，改進IHA法偏離量是-4.48%，考慮水庫的調蓄水作用使得徑流過程偏于平穩，本文認為后者更為符合實際情況。通過以上討論分析，在工程前后有一方數據不足時，尤其是當工程后的年份遠少于工程前的情況，改進IHA法篩選出更加合理的年份來評價是有必要的。

表3 仁化站改進IHA法計算結果Tab.3 The result of improved IHA at RenHua station

表4 高低脈沖閾值 m3/sTab.4 Threshold value of high and low pulses in group four

3 結 語

本文采用IHA法計算了錦江水庫壩下仁化站1958-2009年的日平均徑流資料的特征值，在此基礎上引入控制變量思想提出了改進的IHA法：采用滑動平均法處理錦江流域1958-2009年的年降水資料，再以1994-2009年降水量周期、多年平均降水量、年降水量趨勢線作為評選指標，找出降水量與之最為相近的1972-1987年，最后將仁化站1972-1987年與1994-2009年的徑流采用IHA法進行計算分析。考慮到水庫的調蓄作用，改進IHA法的評價結果比原IHA法更貼合實際，更為合理、準確地反映了錦江水庫對下游水文情勢的影響。改進IHA法的評價結果更適用于科學有效地指導恢復河流生態系統。

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