徑流序列突變檢驗與環境流量組成
——以淮河干流王家壩為例

管新建, 張一鳴, 孟 鈺, 劉 欣

(鄭州大學 水利科學與工程學院, 鄭州 450001; 2.中科華水工程管理有限公司, 鄭州 450000)

自20世紀50年代以來，淮河流域內就興建了大量的水利工程，水資源供給體系不斷完善，但對水資源進行分配時，卻往往忽視生態用水，致使河流生態環境不斷惡化，生活用水和生態用水之間的矛盾日益尖銳。因此，科學計算分析維持河流生態系統正常運轉所需的河道流量，對水資源進行合理配置，實現人水和諧的可持續發展，具有現實的意義和緊迫感。各國學者對環境流量進行了大量的研究，提出了一些相對成熟的方法[1]。Tennant給定了水生生物的生態流量區間[2]，首次將水文學方法應用于生態流量問題。Richter首先提出了反映流域徑流量與生態環境的聯系[3]，即水文變化指標法(IHA)。隨后Richter對IHA進行改進，提出了變化范圍法(RVA)[4]。此外，模糊評價法[5]、生態棲息地矩陣法[6]的提出對河流流量管理具有一定的促進作用。

本文將IHA法應用于淮河干流王家壩斷面突變前后兩個水文序列[7]，對比分析突變前后環境流量成分及其生態影響，充分考慮環境流量所呈現出的年內不同尺度的變化特征以及不同水文年的年際變化特征，并結合RVA法進行河流水文改變度以及水文生態特征分析，充分發揮河流環境流量在生態文明建設的重要作用，為淮河干流水資源配置及河流健康提供參考。

1 研究方法

人類活動會在一定程度上改變徑流原始狀態，在對長序列流量資料進行研究時，首先要找出顯著性變化點。文中選擇Mann-Kendall法進行突變檢驗[8]，指出突變發生時間[9]；并以Pettitt法進行驗證，明確突變點，將徑流序列劃分為突變前和突變后兩個序列。在此基礎上，利用IHA水文分析技術對突變前后典型年過程進行環境流量組分分析，對比突變前后環境流量指標計算結果；基于IHA指標，利用RVA法確定各個指標的水文改變度，評價河流水文變化情況。

1.1 突變檢驗方法

1.1.1 Mann-Kendall法 Mann-Kendall法(以下簡稱M-K法)是一種非參數檢驗方法，可以描述序列的變化趨勢、明確突變時間，首先以對時間Xi(i=1,2，…,n)構造序列:

(1)

若Xi>Xj,則Si取1；反之，Si值取0 (j=1,2，…，i)

定義統計量：

(2)

按時間序列X順序計算統計量序列，得UFk；按時間序列X逆序重復上述過程，得統計序列UBk。如果UF和UB兩條曲線出現交點[10]，交點對應時刻便是突變開始的時間。

1.1.2 Pettitt法 Pettitt方法與M-K法類似，同為非參數檢驗方法。Pettitt法是直接利用秩序列來檢測突變點的，若t時刻滿足式3條件，則t點處為突變點。

Kt=max|Ck| (k=2,3，…,n)

(3)

式中：Ck是第i時刻數值大于或小于j時刻數值個數的累計數，(j=1,2…,i)。

1.2 水文變化指標法

1.2.1 IHA指標參數 環境流量組成(Environment Flow Components,EFC)是一套水文學流量參數，代表流量狀況的全系列，以維持河流生態完整的可持續性。發生頻率、發生時間、持續時間等對環境流量結果仍有參考價值，具體指標見表1。

表1 IHA指標參數

1.2.2 環境流量組成的界定 EFC根據不同的目標閾值可以分為低流量、極端低流、高脈沖流量、小洪水和大洪水5種流量形式，對于河流生態具有重要意義，環境流量組成的運算流程見圖1。

1.3 水文變化范圍法

RVA法是在IHA方法的基礎上對河流變化情況進行評估的方法，它基于為每個IHA參數確定自然流量四分位數范圍的目標，水文改變度的定義如下：

(4)

式中：Dm是第m個指標的改變度；No，j為IHA值落在目標內的年數；Ne=pNT是IHA落入目標的預期年數；NT是觀察年數的總數，在目標范圍內，p取50%。

圖1 環境流量組成的運算流程

2 實例分析

2.1 研究區概況

淮河流域地處中國東部，多年平均徑流量為621億m3。王家壩站控制流域面積3.06萬km2，河段上起洪河口，下至南照集，長68 km，斷面多年平均流量2 482 m3/s，徑流年內年際分布不均勻，汛期集中在6—9月。王家壩控制斷面位于淮河干流上中游分界點，降雨充沛，徑流量高于淮河干流平均水平，生物多樣性較為豐富，但隨著氣候變化和人類活動的影響，王家壩河段徑流狀態在一定程度上發生了改變，生態系統的穩定性也面臨著各種各樣的挑戰。文中選擇淮河干流王家壩斷面1956—2010年的實測徑流系列作為研究基礎，包括足夠的豐、平、枯流量資料，具有較好的可靠性、一致性和代表性(圖2)。

2.2 突變檢驗

王家壩站1956—2010年尺度徑流變化情況見圖2，王家壩斷面徑流年際變化不均勻，豐枯年份差異明顯，其中1956年徑流最大，為7 093 m3/s，1966年徑流最小，為634 m3/s。

利用M-K法對王家壩站1956—2010年的日流量序列進行檢驗，結果見圖4。王家壩站長系列流量資料未出現明顯變化趨勢，且UF與UB線在多處相交。因此采用Pettitt法進一步確定徑流序列的突變點[11]，在M-K法計算出Uk的基礎上，找出序列Ck的最值，其對應年份即為突變年份。結果表明：王家壩斷面年徑流量在1984年前后出現明顯差異，與M-K法的計算結果一致。因此，最終確定王家壩站徑流系列突變點為1984年。

圖2 研究區簡圖

氣候變化和人類活動是改變徑流狀態的兩個主要因素，淮河干流王家壩站徑流序列在1984年發生突變。根據調查，20世紀80年代正值改革開放初期，淮河流域內工農業得到空前發展，基礎設施也不斷完善，淮河流域也加大了水土保持工作力度，使得研究區內的下墊面情況發生變化，在一定程度上改變了徑流狀態。

圖3 王家壩站年徑流量分布

圖4 王家壩站M-K檢驗

2.3 環境流量計算與分析

2.3.1 環境流量指標 根據2.2計算結果將王家壩時間序列劃分為兩個子序列。通過頻率曲線篩選出兩個階段的典型年，即豐水年(p=25%)、平水年(p=50%)、枯水年(p=75%)，突變前典型年分別為1968年、1976年、1958年，突變后典型年為1991年、1997年、1992年，典型年環境流量劃分情況如圖5所示。通過IHA水文分析技術對突變前后環境流量指標進行分析，結果見表2。

由表2和圖5可知：整體來看突變后流量值更大，其中6月流量值漲幅最為顯著，達到106.7%；大、小洪水的平均歷時均有增加[12]，且突變后各流量事件量值較為集中。突變后流量事件以高脈沖流量、低流量為主，豐水年(1991年)的低流量和高脈沖流量事件集中在1—5月和9—12月，占據全年流量過程的75%；平水年(1997年)的流量過程均為低流量和高脈沖流量事件，其中高脈沖流量集中在6—7月，流量過程峰高量大，遠遠高于相鄰時期的低流量事件量值，且持續時間較長；枯水年(1992年)除1月出現極端流量事件外，其余均為低流量和高脈沖流量事件。

徑流狀態的改變勢必會引起環境流量組分及水文指標的改變，包括魚類在內的水生生物對流量的改變表現得極為敏感，特別是處于繁殖期的水生生物。在徑流突變較大的河段，生態系統功能越健全，生物的適應性也越強，當某一水文指標改變時，河流生態系統的正常運行和生物的生存與發展將受到影響。通過對水資源的合理分配，保證正常的河道外“三生”用水需求的同時，盡可能協調河道內生態需水和人類用水之間的矛盾，才能維持流域生態系統健康運轉。

對比突變前后各環境流量組分[13]，突變后流量有增加的趨勢，尤其是在汛期，年內分布相對均勻，維持生態系統正常運行就有更充足的水量，但通過生態調度平衡汛期與非汛期的流量差異，合理分配有限的水資源仍然重要。其中各環境流量指標中值反映河道流量的一般狀態，離散系數反映與均值的偏離程度，突變前后34個指標離散系數較突變前顯著下降，各流量事件中值與均值偏離程度較小。這種流量事件集中化的趨勢在徑流年內年際變化上，則表現為年內年際分配相對均勻，將在一定程度上減少水文災害的產生，從而有利于水生生物的健康發展。

極端低流事件是對生態系統造成破壞的主要原因，雖然突變后王家壩站流量模式以低流量和高脈沖流量為主，但極端流量事件仍占有一定比重。采用汛期水庫蓄水、加大流域內植被保護力度、減少地下水開采量等措施能在一定程度上增加枯水季節流量值，避免極端流量事件的發生，從而減少對生態系統的破壞。高流量事件是生態系統正常運行及生物繁殖的主要信號和媒介，突變后高脈沖流量和大、小洪水的出現時間更早，其中高脈沖流量出現時間提前到4月，更適合魚類的產卵繁殖；且高流量事件持續時間更長，能在一定程度上改變魚類在內的多種水生生物的棲息地環境，促進魚類產卵，為魚類和其他生物的生存和健康發展提供有利條件。

2.3.2 水文生態特征分析 根據王家壩站水文變化情況計算結果，33個水文變化指標均未有高度改變；發生中度改變的有2月、3月、6月、7月、10月平均流量、最大7日流量、最小流量出現時間、高流量洪峰、等8個指標，其余25個指標均為低度改變。

對于月均水量，除4月、7月、10月月均水量外，其余各月流量均有不同程度增加，其中，3月流量增加幅度最大，表明各月流量呈現增加趨勢；各月水文改變度均為低或中度改變，6月水文改變度最大。對于年均極值，最大7日流量為中度改變，其余指標均為低度改變(圖6)。

年極值出現時間稍有推遲，但仍在RVA閾值范圍內，對于生物生存及生態系統正常運行的影響可以忽略不計。對于頻率與歷時，高流量平均持續時間為中度改變，突變后該指標大多落入RVA閾值范圍內。變化率這組參數總體上變化不太明顯，流量平均增加率為中度改變，與流量平均減少率一樣，突變前后均減少35%；自1990年之后，該指標就很少落入RVA閾值范圍內[14](圖7)。

表2 王家壩站環境流量指標

王家壩站位于淮河干流中上游，上游大型水利工程少，更接近于未開發利用時的生境系統，更有利于生態系統的良性循環。而且王家壩以上干支流經過的地方大多為山區，經濟發展水平不高，人類活動對王家壩以上河流影響較小，河流水文情勢變化不明顯。

20世紀八十年代，人們一味重視社會經濟的發展，而不注重河流管理與保護，忽視了對生態系統的保護，使得部分水文變化指標在徑流序列在突變后未落入RVA閾值范圍內，這將在一定程度上影響水生物種對于水水分的獲取，進而影響其生長。但是從水文變化指標整體改變情況來看，各指標基本落入RVA閾值范圍內，這也就意味著其水文生態特征整體未發生明顯變化，這與人們對于生態系統的保護是密不可分的。隨著經濟結構的不斷完善，生態系統破壞對經濟發展以及人類生存環境的影響日益顯著，人們越來越意識到河流保護的重要性，生態流量和生態調度也受到了重視。

圖5 突變前后典型年環境流量成分

圖6 6月平均流量(A)及最大7日流量(B)過程線

圖7 高流量持續時間(A)及流量平均增加率(B)變化

3 結 論

(1) 通過對王家壩站徑流資料分析表明，徑流的年際分布不均勻，豐枯年份差異顯著；采用M-K法和Pettitt法進行突變檢驗，結果表明王家壩站徑流序列在1984年發生突變。

(2) 突變后流量有增加趨勢，高流量平均歷時和持續時間有所增加，且流量模式趨于單一化，以高脈沖流量和低流量為主，流量模式更為集中。33個水文變化指標均未出現高度改變，各月流量呈現增加的趨勢，以3月流量表現最為顯著。

(3) 突變后王家壩環境流量組分發生了不同程度的變化，總體來看，這些水文現象的變化有利于水生生物的生存，但是通過生態調度調節汛期和非汛期之間的流量差異，減少極端事件的發生顯得尤為重要。 就水文生態特征而言，王家壩水文情勢更接近于未開發時的狀態，但隨著社會經濟發展，突變后水文生態特征經歷了從生態破壞到逐漸恢復的轉變。