考慮徑流年際變異的洮河河道生態(tài)徑流研究

陸建宇，張育德

(中水北方勘測設(shè)計研究有限責(zé)任公司，天津300222)

長期以來，人們重點關(guān)注于如何盡可能地滿足人類經(jīng)濟社會的用水需求，而忽視了河流維護自身生態(tài)平衡所需要的水量，導(dǎo)致河流斷流、水質(zhì)污染及生態(tài)環(huán)境退化現(xiàn)象頻繁出現(xiàn)[1-2]。現(xiàn)階段，黨的十九大提出加快生態(tài)文明體制改革，建設(shè)美麗中國，對于作為地處西北生態(tài)脆弱區(qū)的洮河來說，在此背景下開展流域河道生態(tài)徑流研究具有重要的現(xiàn)實意義。

洮河位于甘肅省東南部，是黃河上游主要支流之一。近年來，許多學(xué)者專家針對該流域開展了大量研究：景春剛等[3]從水資源高效利用角度，研究了洮河生態(tài)流量；李德俊[4]制定了引洮供水一期工程受水區(qū)水資源配置方案；劉曉黎等[5]、羅穎等[6]研究了洮河徑流的趨勢性及周期性特征；陳明霞[7]指出了洮河流域梯級水電站開發(fā)存在的問題及其原因；雷江逵等[8]嘗試了以安全為基礎(chǔ)的洮河梯級電站電量最大化運行設(shè)想；凡炳文[9]、劉天華等[10]分別開展了流域水文特征及徑流變異研究。上述研究涉及內(nèi)容雖然廣泛，但主要是圍繞流域水資源開發(fā)及區(qū)域水文特性方面的研究，觸及河流生態(tài)徑流的相關(guān)研究很少，特別是考慮水利工程建設(shè)引發(fā)水文變異的河流生態(tài)徑流。鑒于此，本文以常用的水文學(xué)方法，結(jié)合數(shù)理統(tǒng)計法，開展考慮徑流年際變異的河道生態(tài)徑流研究，以期為流域水資源開發(fā)與利用提供一定的參考與借鑒。

1 研究區(qū)概況

洮河源頭為青海省河南縣西傾山北麓[8]，自西向東依次流經(jīng)碌曲縣、臨潭縣、卓尼縣，至岷縣，再向西北折，經(jīng)臨洮盆地，在永靖縣劉家峽水庫上側(cè)入黃河。洮河河流全長673 km，流域面積25 527 km2，干流平均比降為2.8‰[6]。流域上游地處甘南草原，可見典型的高原景觀，地勢較平坦，海拔在3 500 m以上；中游地處甘南草原、隴南山地和隴西黃土高原交界地帶，具有山大溝深、多峽谷的地形特點，海拔為2 000～3 500 m，有優(yōu)厚的水力資源開發(fā)條件[11]。洮河主要支流有周可河、科才河、博拉河和三岔河等，流域水系分布情況見圖1。

圖1 洮河流域水系分布

洮河流域地處中緯度的內(nèi)陸高原，屬典型大陸性氣候，伴有冬春長、夏秋短、溫差大、霜期長的氣候特點[11]。從上游、中游至下游，降水先增后減，氣候則由高寒濕冷轉(zhuǎn)為溫帶半濕潤、溫帶半干旱，植被覆蓋率亦漸降低，水土流失漸加重。其中，上、中和下游地區(qū)年均降水量分別為612、635、565 mm，主要集中在年內(nèi)的7—9月，年均氣溫分別為1.3℃、5.7℃和7.0℃。

2 資料來源及分析方法

2.1 資料來源

本次收集到洮河中游岷縣站(1957—2016年)、下游李家村站的(1950—2016年)逐月徑流資料，兩站徑流資料均來自《中華人民共和國水文年鑒》，在正式刊印前已經(jīng)多級嚴(yán)格整編、校核、審查和審定。因此，上述資料可直接用于開展本次的生態(tài)徑流研究。洮河流域兩水文站基本情況見表1。

表1 洮河流域水文站基本情況

2.2 分析方法

2.2.1Mann-Kendall突變檢驗法

Mann-Kendall突變檢驗法[12-14]用于檢驗樣本量為n的時間序列x的突變點時，需構(gòu)造秩統(tǒng)計量sk，sk的均值、方差分別為E(sk)和Var(sk)。當(dāng)時間序列隨機獨立時，其計算表達式如下：

(1)

(2)

E(sk)=k(k-1)/4

(3)

Var(sk)=k(k-1)(2k+5)/72

(4)

式中ri——xi>xj時的樣本累積數(shù)。

同時，將秩統(tǒng)計量sk標(biāo)準(zhǔn)化，其表達式如下：

(5)

式中，UFk服從標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布，UF1=0。

最后，將時間序列x逆序，重復(fù)上述計算過程，并使得UBk=-UFk、k′=n+1-k、UB1=0。將UFk、UBk繪制在一起，即得Mann-Kendall突變檢驗法檢驗結(jié)果。

Mann-Kendall突變檢驗法中[12-14]，在顯著性水平α=0.05下，UFα/2、UBα/2的臨界值為±1.96；|UFk|>1.96時，表明時間序列x存在顯著的上升或下降趨勢；如果UFk、UBk有交點，并在兩臨界值之間，則交點對應(yīng)時間即為時間序列x的突變發(fā)生時間。

2.2.2滑動t檢驗法

滑動t檢驗法是一種以檢驗2組樣本間均值差異性強弱來判斷樣本序列是否發(fā)生突變的檢驗方法[13]，如果2組樣本間均值差異達到一定的顯著性水平，則認(rèn)為樣本序列產(chǎn)生了本質(zhì)的變化，即樣本序列發(fā)生了突變。

滑動t檢驗法用于檢驗樣本量為n的時間序列x的突變點時，將x劃分為樣本容量分別為n1、n2的子樣本x1、x2，并構(gòu)造兩者的統(tǒng)計量t，其計算表達見式(6)、(7)：

(6)

(7)

滑動t檢驗法檢驗時，在顯著性水平α=0.01下，|t|>tα/2=3.17時，表明子樣本x1、x2均值存在顯著差異[13]；因依次滑動改變n1(1≤n1≤n-1)位置，相應(yīng)地每次均產(chǎn)生(x1,x2,…,xn1)和(xn1+1,xn2+1,…,xn1+n2),n1每次位置都是不同的，可得到對應(yīng)不同位置的諸多統(tǒng)計值；在|t|>tα/2的所有點n1中，保證|t|取最大值的n1對應(yīng)的時間，即為時間序列x的突變發(fā)生時間。

2.2.3逐月次最小值計算法

最小生態(tài)徑流是指為使河流維持自身生態(tài)系統(tǒng)健康及水生生物可正常生長所必須保留的最小水量[14-17]。目前，可借助逐月次最小值法、90%保證率最枯月平均流量法[17]和Tennant法[14-17]等計算最小生態(tài)徑流。

為避免極端年份的極端徑流對計算結(jié)果的影響，本次采用逐月次最小值法計算最小生態(tài)徑流，其計算表達式如下：

ri=minri,j

(8)

式中ri——剔除第i月最小徑流量的第i月最小生態(tài)徑流，萬m3；ri,j——第j年第i月徑流量，萬m3；i=1～12，j=1～n;n——徑流系列總長度。

2.2.4逐月頻率計算法

適宜生態(tài)徑流是指為使河流維持自身生態(tài)系統(tǒng)健康及水生生物能夠處于最合適的流量條件內(nèi)所對應(yīng)的水量[15]。目前，可借助逐月頻率計算法(一般多取50%頻率設(shè)計值)[14-15]和Tennant法等計算適宜生態(tài)徑流。

逐月頻率計算法用于計算適宜生態(tài)徑流時，依據(jù)年內(nèi)各月徑流系列ri,j和豐枯時段劃分方法[17]，確定年內(nèi)各月所處的豐、平、枯狀態(tài)。同時，依據(jù)各月對應(yīng)的豐枯狀態(tài)，將各月徑流分別賦予不同保證率，再采用P- III 曲線適線，在P- III 曲線上讀得各月對應(yīng)保證率下的水量，即得各月適宜生態(tài)徑流。

3 結(jié)果計算與分析

3.1 水文變異點檢測與分析

洮河流域岷縣站年徑流滑動t檢驗法、Mann-Kendall突變檢驗法檢驗結(jié)果，見圖2。

a) Mann-Kendall突變檢驗法

b) 滑動t檢驗法(n1=n2=5)圖2 洮河流域岷縣站年徑流突變檢驗

由圖2可知：①Mann-Kendall突變檢驗法顯示，岷縣站年徑流的UF曲線超出下臨界線，說明岷縣站1957—2016年年徑流量存在明顯下降過程，年徑流序列趨勢檢驗的統(tǒng)計量Z值為-4.10，其絕對值遠小于1.96，說明年徑流量呈顯著減少趨勢；UF曲線與UB曲線僅有一個交點，且出現(xiàn)在1989年，該交點在臨界區(qū)間內(nèi)。②滑動t檢驗法顯示，統(tǒng)計量t在1989年取得最大值5.68，遠大于臨界值tα/2=3.17，說明1989年前后兩時段的年徑流序列均值存在顯著差異。綜上所述，初步判定岷縣站年徑流突變點出現(xiàn)在1989年；查閱與本流域相關(guān)文獻，本次突變點判定結(jié)果與唐穎豐[11]研究成果是一致的。因此，1989年是岷縣站年徑流變化的一個轉(zhuǎn)折點。

洮河流域李家村站年徑流滑動t檢驗法、Mann-Kendall突變檢驗法檢驗結(jié)果，見圖3。由圖3可知：①Mann-Kendall突變檢驗法顯示，李家村站年徑流的UF曲線超出下臨界線，說明李家村站1950—2016年年徑流量存在明顯下降過程，年徑流序列趨勢檢驗的統(tǒng)計量Z值為-3.99，其絕對值遠小于1.96，說明年徑流量呈顯著減少趨勢；UF曲線與UB曲線僅有一個交點，且出現(xiàn)在1991年，該交點在臨界區(qū)間內(nèi)。②滑動t檢驗法顯示，統(tǒng)計量t在1991年取得最大值5.71，遠大于臨界值tα/2=3.17，說明1991年前后兩時段的年徑流序列均值存在顯著差異。綜上所述，初步判定李家村站年徑流突變點出現(xiàn)在1991年；查閱與本流域相關(guān)文獻，本次突變點判定結(jié)果與唐穎豐[11]研究成果是一致的。因此，1991年是李家村站年徑流變化的一個轉(zhuǎn)折點。

a)Mann-Kendall突變檢驗法

b)滑動t檢驗法(n1=n2=6)圖3 洮河流域李家村站年徑流突變檢驗

3.2 生態(tài)徑流計算與分析

一般地，計算生態(tài)徑流常以天然徑流數(shù)據(jù)或人類活動影響較小的實測徑流數(shù)據(jù)為輸入，本次基于洮河流域岷縣站、李家村站年徑流突變點發(fā)生以前的實測徑流數(shù)據(jù)，計算兩站最小、適宜生態(tài)徑流。

3.2.1最小生態(tài)徑流

根據(jù)逐月次最小值法得到的洮河流域岷縣、李家村站最小生態(tài)徑流及水文變異前的逐月最小徑流過程，見圖4和表2。

a)岷縣站

b)李家村站

表2 洮河流域河道最小生態(tài)徑流過程 單位：萬m3

3.2.2適宜生態(tài)徑流

根據(jù)逐月頻率計算法，以50%保證率下的各月徑流得到的洮河流域岷縣、李家村站適宜生態(tài)徑流及水文變異前的逐月平均徑流過程，見圖5和表3。

a)岷縣站

b)李家村站

表3 洮河流域河道適宜生態(tài)徑流過程 單位：萬m3

3.2.3與Tennant法比較

3.2.3.1Tennant法評價時段修正

Tennant法是一種常見的生態(tài)徑流計算方法，也多用于評價生態(tài)徑流計算成果的合理性，該方法根據(jù)河流水生生物生長階段的不同，將年內(nèi)劃分為魚類產(chǎn)卵育幼期(4—9月)和一般用水期(10月至次年3月)[16]。根據(jù)郭小芳等[18]研究成果，洮河流域主要分布著黃河高原鰍、擬鯰高原鰍、厚唇裸重唇魚、嘉陵裸裂尻魚和鯰魚等珍貴和特有魚類，上述魚類產(chǎn)卵期一般在4—8月。為此，將Tennant法評價時段做適當(dāng)調(diào)整，見表4。

表4 修正后的Tennant法評價結(jié)果及標(biāo)準(zhǔn)

3.2.3.2修正Tennant法評價與比較

根據(jù)本次修正的Tennant法，以“月均值比”為分析及評價標(biāo)準(zhǔn)，分析與評價采用上述方法計算的洮河河道最小、適宜生態(tài)徑流合理性，見表5。從表5可看出：①在一般用水期(9月至次年3月)，岷縣站、李家村站最小生態(tài)徑流能使得河流生境和水生生物處在“極好”及“最佳”流量范圍內(nèi)；因徑流年際變異后，時段徑流明顯減少，兩站適宜生態(tài)徑流稍超出多年平均徑流量的100%，基本使得整個時段河流生境和水生生物處在“最佳”流量條件下。②在魚類產(chǎn)卵育幼期(4—8月)，岷縣站、李家村站適宜生態(tài)徑流能維持河流生境和水生生物處在“最佳”流量范圍內(nèi)；因徑流年際變異后，時段徑流明顯減少，兩站適宜生態(tài)徑流雖稍超出多年平均徑流量的100%，但對于僅存于人煙稀少的高原區(qū)的擬鯰高原鰍等極度瀕危魚種來說，稍高的流量條件對于這些稀有魚類的繁殖和生長是更有利的，該流量條件對于改善流域脆弱的生態(tài)環(huán)境底質(zhì)也能起到一定的積極作用。綜上所述，本次計算的洮河流域最小、適宜生態(tài)徑流是基本合理的。

表5 修正Tennant法的洮河流域河道生態(tài)徑流評價結(jié)果

3.3 生態(tài)徑流滿足情況

以洮河流域岷縣站、李家村站年徑流變異點為界，分別統(tǒng)計變異前后兩站逐月最小徑流量及逐月平均徑流量，見圖6。從圖6可看出如下結(jié)論。①對于逐月最小徑流，以逐月次最小徑流量作為最小生態(tài)徑流能避免各別月份極端流量對計算結(jié)果的影響，對河流生境及水生生物是有利的；年徑流變異后，逐月最小徑流大幅減少，這樣的流量條件對于河流生境及水生生物相對不利。②對于逐月平均徑流，基于逐月頻率計算法，以50%保證率下的徑流量作為適宜生態(tài)徑流略低于變異前的逐月平均徑流量，兩者雖在枯水期(11月至次年4月)差別不大，但在豐水期(5—10月)，特別是在魚類產(chǎn)卵育幼期(4—8月)，該生態(tài)徑流過程不僅能保證河流發(fā)揮正常生態(tài)功能的用水需求，還在一定程度上統(tǒng)籌了緊張的經(jīng)濟社會用水和必需的河流生態(tài)用水。總體來看，人類活動和氣候變化確實對兩站來水產(chǎn)生了顯著影響，并可能影響到了洮河流域河道正常的生態(tài)用水。

a)最小值(岷縣站)

c)平均值(岷縣站)

d)平均值(李家村站)圖6 洮河流域河道變異前后逐月最小、 逐月平均徑流量變化

以洮河流域岷縣站、李家村站年徑流變異點為界，分析變異前后兩站最小、適宜生態(tài)徑流滿足情況，見表6。從表6可看出如下結(jié)論。①對于最小生態(tài)徑流，變異前的岷縣站最小生態(tài)徑流滿足率在93.9%以上，變異后的最小生態(tài)徑流滿足率大幅降低，尤其在枯水期(11月至次年4月)，最低值僅51.9%；變異前的李家村站最小生態(tài)徑流滿足率在95.2%以上，變異后的最小生態(tài)徑流滿足率大幅減小，尤其在枯水期(11月至次年4月)，最低值僅60.0%。②對于適宜生態(tài)徑流，變異前的岷縣站適宜生態(tài)徑流滿足率在45.0%上下變化，變異后的適宜生態(tài)滿足率大幅降低，基本在15.0%上下波動，最小值在6月，僅為3.7%，最大值在7月，也僅達22.2%；變異前的李家村站適宜生態(tài)徑流滿足率在50.0%上下波動，變異后的適宜生態(tài)徑流滿足率有所降低，在25.0%上下變化，最小值在5月，僅為4.0%，最大值在12月，僅達36.0%。③與此同時，受人類活動和氣候變化的綜合影響，變異后的兩站徑流年內(nèi)均值過程出現(xiàn)坦化，徑流極值現(xiàn)象出現(xiàn)頻次也有一定程度的增加。總體來看，年徑流變異后，河流最小、適宜生態(tài)徑流滿足情況均變差，尤其是在魚類產(chǎn)卵育幼期(4—8月)，岷縣站至李家村站斷面區(qū)間雖有支流來水匯入，李家村站河道生態(tài)徑流滿足情況相對稍好一些，但是未來流域河流生態(tài)用水需要引起有關(guān)部門的高度重視。

表6 洮河流域河道生態(tài)徑流滿足情況 單位：%

3.4 流域發(fā)展帶來的可能影響

洮河流域?qū)儆谏贁?shù)民族區(qū)域，經(jīng)濟欠發(fā)展，主要是農(nóng)林牧生產(chǎn)，并無較大規(guī)模工業(yè)[11]。其中，上游牧區(qū)以自然放牧為主；中游農(nóng)林牧區(qū)的農(nóng)業(yè)對灌溉用水的依賴性較小，牧業(yè)則以農(nóng)區(qū)家庭養(yǎng)殖為主，因不合理采伐，林業(yè)破壞較大；下游農(nóng)業(yè)區(qū)土地條件較好，灌溉條件十分便利。

洮河流域水力資源理論蘊藏量為2 200 MW[11]，干、支流占比分別為65.3%和34.7%，可開發(fā)約為940 MW。目前，流域規(guī)劃梯級水電站26座，可開發(fā)的為22座，總裝機容量達618.7 MW，其中上游規(guī)劃梯級水電站17座，全流域已建設(shè)水電站4座，多座水電站在建。

受洮河流域未來進一步開發(fā)影響，人類活動強度和影響范圍還將不斷加大，河流生態(tài)徑流滿足程度可能會進一步降低。現(xiàn)階段，流域徑流呈顯著減少變化，變異后的兩站徑流年內(nèi)均值過程有坦化，徑流極值現(xiàn)象出現(xiàn)頻次逐漸增多。不僅如此，流域年徑流變異后，河流最小、適宜生態(tài)徑流滿足情況均變差，尤其是在魚類產(chǎn)卵育幼期(4—8月)。因此，未來需加大水生態(tài)治理力度，統(tǒng)籌經(jīng)濟社會用水和河流生態(tài)用水，以實現(xiàn)洮河流域經(jīng)濟社會和河流的可持續(xù)發(fā)展。

4 結(jié)論

根據(jù)洮河中游岷縣站、下游李家村站逐月實測徑流資料，采用多種方法檢驗兩站突變點，計算了兩站最小、適宜生態(tài)徑流，分析了年徑流變異前后的生態(tài)徑流滿足情況以及流域發(fā)展帶來的可能影響。

a) 洮河流域年徑流存在顯著的水文變異，岷縣站、李家村站逐月實測徑流突變時間分別出現(xiàn)在1989、1991年；最小、適宜生態(tài)徑流均可保證河流生境處于“好”以上的流量范圍內(nèi)；水文變異后，徑流年內(nèi)均值過程均有所坦化，徑流極值現(xiàn)象出現(xiàn)頻次也稍有增加，河流最小、適宜生態(tài)徑流滿足情況均變差，尤其是在魚類產(chǎn)卵育幼期(4—8月)。

b) 洮河流域水力資源十分豐富，有多座水電站正在緊張建設(shè)中。目前，岷縣站、李家村站實測來水呈顯著減少變化，未來人類活動強度和影響范圍都將進一步加大。因此，應(yīng)立足流域角度，統(tǒng)籌考慮河流生態(tài)用水與經(jīng)濟社會用水，加快水生態(tài)綜合治理力度，實現(xiàn)流域經(jīng)濟發(fā)展、生態(tài)改善的良性循環(huán)。