渭河中下游水文變異點識別及生態保障流量計算

辛琛，尚瀟瑛，劉俊，曲艷

（1.陜西省江河水庫管理局，陜西西安710018；2.陜西省河流工程技術研究中心，陜西西安710018）

渭河中下游水文變異點識別及生態保障流量計算

辛琛1，尚瀟瑛2，劉俊2，曲艷2

（1.陜西省江河水庫管理局，陜西西安710018；2.陜西省河流工程技術研究中心，陜西西安710018）

針對水文變異引發的基于水文統計學的生態保障流量分析方法在實踐應用上存在的問題，提出通過水文變異點分析找出受環境變化影響的轉折年，以該年份之前的水文序列計算生態系統需要的保障流量的思路，可有效避免因水文變異而導致的水文統計學方法失效問題。以渭河中下游為例，通過累積曲線法和Mann-Kendall（M-K）檢驗法對渭河干支流7個關鍵控制斷面進行水文變異點識別，并以此為基礎，應用改進Tennant法計算渭河中下游各控制斷面的生態低限流量與適宜生態流量。該成果可作為渭河開展流域綜合治理和生態保護的參考數據。

水文變異；生態保障流量；Mann-Kendall法；Tennant法；渭河

0 引言

隨著社會經濟發展和國民環保意識的提高，人們逐漸認識到，對支撐渭河流域社會經濟的可持續發展，保護渭河水環境來說，保證一定的河道生態水量是至關重要的[1]。然而由于受氣候變化和人類活動的影響，很多河流的水文序列都發生不同程度的變異，徑流資料的一致性難以保障，這也使得很多基于水文統計學的生態保障流量分析方法在實踐應用上需要改進[2]。因此，很多學者提出通過還原徑流過程來解決生態保障流量推求方法的局限問題。可由于對人類活動的干擾無法準確測量或資料缺失，這種影響很難定量計算，這種思路在實施過程中非常困難。且眾所周知，在人類的擾動下水文過程發生著趨勢性的演變，而非原來的隨機過程序列，通過還原方法計算得到的徑流序列來推求生態徑流，事實上存在偏大且在實踐操作中很難保證的問題，進而使確定的生態保障目標缺乏實踐指導意義。因此，針對水文序列變異這一問題，筆者認為可通過變異點識別方法，確定變異點位置，并以變異前和變異后的水文序列為基礎數據，計算不同變異條件下的河流生態流量。

國際學術界在涉及生態保障流量的計算中，通常進行如下假設：在相當長的一段時期內，流域生態系統適應于當前的水文過程，并能通過當前的水文過程滿足其生態要求[1]。結合水文變異，可得出如下推論：河流生態系統在相當長的時期內，已適應了變異前的水文狀態，當水文變異發生后，差異性的水文變化會顯著影響河流中的水生和河岸物種。由于流量變化是河流生態系統的限制性因素，對于河流健康起著十分重要的作用，因此可粗略地認為河流水文變異點具有與河流生態變異同步的特點，即水文變異的時間點也可看作河流的生態變異點，故計算河流生態保障流量時，只考慮變異點前水文序列，即可反映出生態變異點前的水文需求，這對緩解由于環境變化導致的水文變異對生態系統的破壞是十分有益的。

渭河集災害性洪水頻發、泥沙淤積和懸河、水資源短缺、生態環境惡化等諸多典型問題于一身。由于氣候因素、人為因素、下墊面條件交叉影響，使渭河干支流的水文水力聯系錯綜復雜，是一個高強度人類干擾下的復雜河流，給渭河治理和管理帶來了極大的困擾[3]。識別渭河干支流主要控制站的水文變異點，通過水文變異點分析找出受環境變化影響的轉折年，以該年份之前的水文序列作為未變異前生態系統需要的保障流量的計算數據，可有效避免因水文變異而導致的水文統計學方法失效問題。

1 數據選取

本次研究選取渭河干流林家村（1935~2010年）、魏家堡（1950~2010年）、咸陽（1934~2010年）、臨潼（1961~2010年）、華縣（1959~2010年）以及主要支流涇河張家山（1955~2010年）、北洛河狀頭（1934~2010年）站控制斷面的長系列實測流量序列為研究數據，分別運用累積曲線法和Mann-Kendall（M-K）檢驗法對其進行水文變異點識別。變異點識別前需要先將數據進行標準化（normalization）處理，再利用標準化后的數據進行數據分析。通過對七個水文站的長系列實測徑流資料進行計算分析，可獲得渭河及其主要支流長系列年平均流量的變異點結果，為各主要控制斷面的生態保障流量計算提供基礎。

2 研究方法

2.1 水文變異點識別方法

水文變異點分析的方法較多，常見的有累積曲線法、R/S分析法、軼和檢驗法、t檢驗法、F檢驗法、Mann-Kendall（M-K）檢驗法、有序聚類分析法等[2]。本次研究采用累積曲線法進行變異點識別，并運用M-K檢驗法對結果進行檢驗，綜合它們的檢驗結果，結合渭河中下游的實際情況，確定可能的變異點。

（1）累積曲線法：時間序列累積值相關。

（2）Mann-Kendall法：用于趨勢檢驗的Mann-kendall方法也可用于變異點的檢驗分析中。由于其不需要遵從一定的分布，且不受少數異常值的干擾，結構簡單，計算方便，在水文變異點的識別中較為常用[2]。

假設（X1，…，Xn）為時間序列變量，n為時間序列的長度，當用M-K法來檢驗水文變異時，其統計量S為Xj>Xi（1≤i≤j）的樣本累積數，即：

定義統計量：

計算得出UFτ，給定顯著水平α，查出臨界值Uα，若│UFτ│＞Uα，則系列存在明顯的趨勢；同理以逆序列1Xn，Xn-1，…，X1姨，重復以上過程，令UBτ=-UFτ1τ=n，n-1…，1τ，繪制UFτ和UBτ曲線圖，若UFτ或UBτ值大于0，則序列有上升趨勢，反之則下降；若UFτ和UBτ曲線相交且交點在臨界線之間(α=0.05，±1.96直線)，則交點對應的時刻即為變異開始的時間。

2.2 生態低限流量與生態適宜流量計算

根據河流基本生態需水的定義，維持河流基本生態環境功能不受破壞，就是要求年內各時段的徑流量都能維持在一定水平上，不出現斷流等可能導致河流生態環境功能破壞的現象。生態基流量的確定在國內有大量的研究，也提出了水文學、水力學等很多計算方法[1]，但由于渭河中下游河道屬于寬淺型河道，且下游段泥沙淤積較為嚴重，河道變化極不穩定，每隔幾年，河道斷面形狀會發生改變，濕周法和R2CROSS法計算該類河流生態流量具有明顯的缺陷。而棲息地偏愛法和整體分析法由于缺乏長期、完整的生物監測數據，應用于該類河流系統也存在資料難以獲取的缺點。因此，水文學方法稱為渭河生態保障流量計算的主要方法。本文采用Tennant法計算渭河關中段各河段的生態低限流量與適宜生態流量[4]。

Tennant法也叫Montana法，是美國目前使用的確定河道生態環境用水量的一種方法，具有簡單易行，便于操作的特點。Tennant方法是在分析歷史徑流記錄的基礎上，取天然流量的百分比作為河流生態基礎流量。用公式表示如下：

其中，Wb為河道生態基礎流量（m3）；Qi為一年內第i個月多年平均流量（m3）；Zi為對應第i月份的推薦基流百分比（%）。其中，Zi分為8個等級，推薦的基流量分為汛期和非汛期，推薦值以占徑流量的百分比作為標準。

研究表明，一般選取多年平均流量的10%作為河道生態低限流量，而多年平均流量的30%，能為大多數水生生物提供了較好的棲息條件，作為適宜生態流量。考慮到渭河徑流量及流量過程的年內季節變化與年際豐枯交替變化特性，本文采用改進的Tennant法對渭河流域生態低限流量和生態適宜流量進行計算，即利用流量系列中位數替代Tennant法中流量系列的均值，以此消除算數平均數受個別極端流量值的影響[4]。

圖1林家村（合）站徑流序列累積曲線圖(a)與UF-UB曲線圖

圖2魏家堡站徑流序列累積曲線圖(a)與UF-UB曲線圖

3 研究結果

3.1 水文變異點識別結果

應用累計曲線法和M-K檢驗法分別對7個水文站點的實測徑流資料進行統計分析，得到水文變異點的分析結果如下：

圖3咸陽站徑流序列累積曲線圖(a)與UF-UB曲線圖

圖4臨潼站徑流序列累積曲線圖(a)與UF-UB曲線圖

圖5華縣站徑流序列累積曲線圖(a)與UF-UB曲線圖

圖6張家山站徑流序列累積曲線圖(a)與UF-UB曲線圖

圖1~7(a)顯示了通過累積曲線法獲得的林家村等7個水文站可能的變異區域，又根據圖1~7(b)UF-UB曲線圖可以看出，林家村、魏加堡、咸陽以及張家山站的UF、UB兩條曲線均僅有一個交點。綜合以上兩種方法可知，林家村、魏加堡、咸陽、張家山以及狀頭站等站的水文變異點分別為1992年、1989年、1959年、1996年、2004年。而臨潼的可能變異區域中，一個在1970年附近，一個在1985年附近，又根據圖4UF-UB曲線圖可得1977~1986年為變異時間區域，綜合以上兩種方法確定1985年為臨潼站的水文變異點。根據圖5UF-UB曲線圖可以看出，華縣1977~1986年為變異時間區域，結合可能變異區域，確定1977年為華縣站的水文變異點。

圖7狀頭站徑流序列累積曲線圖(a)與UF-UB曲線圖

表1 各水文站點水文變異點

變異點的驅動主要受氣候變化和人類活動的影響，在兩種因素作用下，河流水文氣象要素發生變異，河道水文水力學條件改變，生物生境遭受沖擊，生態系統將發生變化-適應-再變化的自適應調整過程。渭河流域的水文變異主要受降水變化和流域水利水土保持工程建設等人類活動的共同作用。近年來，許多學者對渭河流域的氣候變化、水沙變化以及土地利用變化等方面做了大量的研究工作，研究表明，導致渭河干流徑流量減少的主要原因是人類活動，其次是降水，且不同的歷史時期，渭河流域人類活動的劇烈程度不同，對徑流減少量的影響亦不同[5-7]。

4.2 生態保障流量計算

根據變異點位置，選取變異點之前的徑流數據為基礎數據，數據滿足Tennant法的基本要求（最少擁有20年以上流量系列）。本文在渭河干流及其主要支流涇河、北洛河的7個水文站長系列年徑流量變異點分析的基礎上，將7個斷面變異點之前的長系列資料作為人類活動影響前河流天然水文系列；采用多年平均流量的10%作為生態低限流量，多年平均流量的30%作為生態適宜流量。計算過程中利用流量系列中位數替代Tennant法中流量系列的均值，以此消除算數平均數受個別極端流量值的影響[4]。最終得到各主要控制斷面中位數表（表2）和生態保障流量計算結果（表3）。

5 結論

本文以渭河中下游河段為研究對象，從主要控制斷面水文變異點識別和生態保障流量計算等兩方面進行分析計算，為生態需水配置措施的研究提供基礎。

表2 渭河及其主要支流各控制斷面資料系列及中位數表單位：m3/s

表3 渭河及其主要支流各河段生態基礎流量過程計算結果單位：m3/s

通過累積曲線法和M-K檢驗法進行變異點識別，結果表明1992年為林家村（合）站的水文變異點；1989年為魏家堡站的水文變異點；1959年為咸陽站的水文變異點；1985年為臨潼站的水文變異點；1977年為華縣站的水文變異點；1996年為張家山（合）站的水文變異點；2004年為狀頭（合）站的水文變異點。基于變異點分析結果，本文采用改進Tennant法計算了渭河中下游7個主要控制斷面的生態基礎流量與適宜生態流量，可作為渭河開展流域綜合治理和生態保護的參考數據。

然而由于近年來農業灌溉設施化、城市及工業化的發展，大量的河道外引水、河道內排污、地下水超采等人類的不合理開發利用行為，使渭河中下游生命健康受到了威脅，主要表現在生產用水擠占河道用水，低限流量不滿足；河流水質超標，水污染嚴重；下游泥沙淤積嚴重，防洪形勢嚴峻；環境地質問題突出等。本文計算得到的僅為天然狀態下渭河中下游各站點的生態保障流量過程，在具體分析某種特殊要求時，還需要根據保障目標適當調整或開展進一步的研究。

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Identification of Hydrological Variation Point and Flow Calculation of Ecological Security in the Middle and Lower Reaches of Weihe River

Xin Chen，Shang Xiaoying，Liu Jun，Qu Yan
（Shaanxi provincial Rivers reservoir management bureau Xi’an 710018,Shaanxi；Shaanxi provincial Rivers Engineering technology research center Xi’an 710018,Shaanxi）

Based on the hydrological variability,this paper puts forward the analysis of problems in the practical application of hydrological statistics.It is proposed that the transitional year affected by the environmental change by the hydrological variation point analysis.The ecological system needs to be calculated by the hydrological sequence before that year,the idea of ensuring the flow of traffic,which can effectively avoid the hydrological variation caused by hydrological statistical method failure.Taking the middle and lower reaches of Weihe River as an example,the hydrological variation points of the seven key control sections of the Weihe River stem and tributary are identified by the cumulative curve method and the Mann-Kendall(M-K)test.Based on the above mentioned,the Tennant method is used to calculate the middle and lower reaches of the Weihe River.The results can be used as Weihe River to carry out comprehensive management of river basin and ecological protection reference data.

Hydrology variation；flow under ecological security；the method of Mann-kenda II；Tennant method and Weihe river

P343

B

1673-9000（2017）03-0003-05

2017-04-03

辛琛（1982-），女，陜西吳堡人，工程師，主要從事水資源規劃與項目管理。