近60年來岷江水文情勢評價

郭文獻，周昊彤，張 麗，焦旭洋，王鴻翔

（華北水利水電大學，鄭州450045）

0 引言

河流生態水文情勢是河流生態系統的自然動力學特征，決定并影響著河流生態系統的能量過程、生物相互作用和物理棲息地的情況等，水文情勢的變化對生物群落的組成和多樣性造成嚴重影響，改變了物種的分布和豐度［1］。岷江為長江上游重要支流之一，其水資源的開發及其利用十分受人們重視。近幾十年來，岷江流域水庫的建設強度顯著增加，逐漸形成包含串并混聯的梯級水庫群。水庫的建設對流岷江流域造成嚴重的整體壓力，水文情勢發生了較大的改變，勢必會對流域內生態系統產生一定的干擾。

隨著岷江流域大規模水庫的頻繁開發與人類活動的加劇對岷江水文情勢帶來了較大的改變，其流量有減少的趨勢，并對下游魚類的洄游產卵產生了一定的影響［2］。國內外學者對于水文情勢改變的定量分析進行了諸多探討。最為學者們廣泛應用的是分析河流整體水文情勢變化的變動范圍法（RVA），該方法由Richter 提出，利用河流流量變化與外界生態改變程度，得到流域整體的改變度［3-5］。郭文獻等［6］對三峽水庫運行后長江下游水文情勢變化以及長江魚類產卵和物種豐度的變化展開了研究；呂超楠等［7］對岷江流域水庫建設改變輸沙量、徑流量進行了綜合評估，得出流域內水文情勢變化與水庫建設有關的結論；王宇等［8］基于RVA 法從河流水文情勢指標和生態多樣性指標兩方面分析尼爾基水利樞紐運行對下游河流水文情勢的影響；張康［9］等采用CHITIC 法改進的RVA 法對長江支流的整體水文變異度進行了綜合的探究，根據水文指標權重反映控制斷面整體改變度。由于岷江流域內水庫建設情況與水生生物資料較少，缺乏人類活動對水文情勢影響的整體分析和水文情勢變化對流域內生物的影響定性分析，因此對于此類問題還需進一步探討。

本研究以岷江流域下游高場水文站為研究對象，高場水文站是岷江下游出口河段控制站。選取高場站1956-2017年歷史日均流量數據，采用Mann-Kendall 法［10］、均值差異T 檢驗法［11］分析岷江水文特征與變化趨勢，結合累積距平法對高場水文站的流量時間序列進行階段劃分［12］。隨后用水文變化指標體系（IHA）和變動范圍法（RVA）對高場水文站突變前后時間序列的水文改變程度定量分析，并探討岷江流域水文情勢變化的原因。本次研究，在前人的基礎上對岷江流域的水文情勢變化進行了更為詳細的探討，分析岷江流域梯級電站開發對流量的改變度，并根據分析結果對流域內生態系統穩定及一些水生生物的影響進行評價，為水電開發及河道整治提供參考。

1 研究區域概況及數據來源

岷江是長江上游左岸一級支流，發源于四川松潘岷山南麓，擁有豐富淡水漁業資源。岷江作為成都平原水資源的重要來源，流域內擁有都江堰水利工程，為“天府之國”的形成提供了基礎支撐，涵養區23 037 km2［13］。岷江流域上有條較大的支流為大渡河，流域由岷江干流上游、青衣江與大渡河匯流而成。岷江下游是魚類重要的棲息場所，也是溝通岷江中上游、大渡河的重要通道［14］。本次研究對象高場水文站處于大渡河與岷江的交匯處，位于岷江下游，因此高場水文站的流量數據具有代表性。隨著科技發展和人類生活水平的提高，近年來對岷江流域的開發力度急劇增加，岷江流域的水體環境已經發生了較大的變化，對生態環境也產生了不可逆轉的后果，尤其是岷江流域上梯級電站的逐步修建對岷江下游徑流和魚類資源帶來一系列影響［15］。大渡河上建有龔嘴水庫于1972年開始蓄水，銅街子水庫于1993年開始運行，在高場站的控制面積內對水文序列造成了顯著改變，位于岷江上游的紫坪鋪水庫在2006年投入運行，與岷江流域原有水庫并聯運行。岷江流域水系見圖1。

圖1 岷江流域示意圖Fig.1 Schematic diagram of the Minjiang River Basin

本文使用的逐日流量數據來源于長江流域水文年鑒，水電站建設數據為當地政府于2013年5月開展的野外調查收集得來。

2 研究方法

本研究主要采用Mann-Kendall 檢驗法、累積距平法、滑動T 檢驗法結合均值差異T 檢驗法，以高場水文站為研究對象分析岷江流域的趨勢性和突變性檢驗，方法計算過程見參考文獻［16，17］。

Richter 等1996年提出33 個水文改變指標（Indicators of Hydrology Alteration，IHA），IHA 指標可以定量分析岷江流域水庫建設對河流水文情勢的影響程度，可結合水文變化指標法的基礎變動范圍法（RVA）來進行分析［18］。將高場水文站的日流量資料進行統計，并將處于自然狀態下的長期水文資料作為定義水文變量變化范圍的基礎。根據水文情勢的基本特征將32個水文指標劃分為五組（本研究不考慮零流量天數水文指標），分析水文情勢突變前后的改變程度，確定人類活動因素對自然河流的改變。其公式如下：

式中：Di表示第i個指標的水文改變度；N0，i表示突變后的IHA值落在RVA 范圍內的年數；Ne表示突變后IHA 值預期落在RVA 范圍內的年數（Ne=P×NT，P為50%，NT為突變后流量系列總年數）。

Richter 等建議頻率75%作為各個指標上限，25%作為各個指標下限，作為RVA 的范圍。若突變后計算出的水文指標在上、下限之內，則河流自身的承載能力可以適應水文情勢帶來的變化；若水文指標計算結果不在上、下限范圍內，則表明水文情勢的改變會對流域內生態系統造成不可逆的影響，甚至造成生態群落的改變。為了對IHA 指標改變度進行定量分析為水文改變度設定一個判斷標準，Di值在0～33%屬于低度改變；33%～67%屬于中度改變；67%～100%屬于高度改變。為了研究河流突變后整體的改變度體現出各指標的權重，本研究采用對較大的Di值賦予較大的權重，其公式如下：

式中：D0表示整體水文變化程度，判斷標準與Di相同。

3 結果與討論

3.1 岷江年均流量變化特征

圖2 為岷江高場水文站1956-2017年均流量變化。由圖中可知，所選水文序列年中，極大值為3 185 m3/s（1990年），次極大值為3 183 m3/s（1985年），極小值為2 014 m3/s（2006年），次極小值為2 168 m3/s（1972年），岷江年均流量呈下降趨勢。根據趨勢檢驗分析的結果，得出高場站1965-2017年的檢驗統計量為-2.76，統計量為負值，表示呈下降的趨勢，且統計量的絕對值大于2.58，通過99%的顯著水平檢驗。

圖2 岷江年均流量及趨勢線Fig.2 Annual average flow and trend line of Minjiang

3.2 年均流量突變性檢驗

岷江水量豐富，可開發水電資源較多，近些年岷江流域水庫建設明顯增加，水庫的數量和水庫的容量顯著提升。目前，岷江流域上已修建完成的水庫共計875 座，其中大型水庫高達20 余座，累計總庫容達153 億m3。其中，大型水庫占已建成水庫總庫容的83%以上，為人們生活，灌溉，航運等帶來了極大的便利。

高場水文站所處位置特殊，位于大渡河和岷江干流的交匯處，流量變化可以綜合反映岷江流域水庫串聯模式下水庫調蓄的影響程度。結合大渡河和岷江干流上大中型水庫的建設，龔嘴水庫和銅街子水庫分別于1972年和1992年開始運行。在近十年岷江流域水庫建設突飛猛進，總庫容快速增大，分別于2005年和2009 修建大（1）型水庫紫坪鋪和瀑布溝水庫。另外采用高場水文站1956-2017年流量系列資料，進行趨勢性和突變性檢驗，得出可能突變的年份，如表1所示。

表1 年均流量突變統計結果Tab.1 Statistical results of annual runoff variation

3.3 岷江流域突變前后水文情勢分析

綜合以上分析，選取銅街子水庫投入運行1993年前后，岷江下游高場站年均流量發生突變。將高場水文站逐日流量數據劃分為突變前（1956-1993年）和突變后（1994-2017年）兩個階段，并與水文指標法、變動范圍法（RVA）相結合來分析水文情勢整體變化與各水文指標改變程度，計算過程見表2。

表2 岷江突變前后IHA指標統計表Tab.2 IHA index statistics table before and after abrupt change in Minjiang

3.3.1 月中值流量大小

結合月中值流量與月中值流量差可知（見圖3、4），岷江下游流量突變前，高場站1-4月份流量逐月遞增，在4月份時流量增加到頂峰，5-11月份流量有不同程度的減少。其中原因與岷江水庫串聯運行模式有關，水庫的運行對岷江下游的蓄水可以起到一定的調節作用，在汛期水庫蓄水可以減少下泄流量，在枯水期放水以免下游干旱。岷江流域水庫建設一直在進行，水庫的數量和容量不斷增加。1993年以前水庫建設比較平緩，多建設中小型水庫，在1993年之后大中型水庫不斷增大，平均庫容增大量超過之前所有時期總和，形成水庫串聯運行模式。為人們帶來了巨大效益的同時也改變了岷江的水文情勢。

圖3 月中值流量比較Fig.3 Comparison of monthly median flow

3.3.2 年極值流量變化

圖5 和圖6 為改變最為顯著的年極值流量變化圖，從圖中可以看出年均7 d 最小流量在銅街子水庫建設后呈上升趨勢，改變度為高度改變且部分高于RVA 閾值上限；年均1 d 最大流量則呈下降趨勢，水文的改變程度在流域的可承載范圍內。

圖5 年均最小7 d流量變化Fig.5 The minimum 7 day annual flow changes in the annual average

圖6 年均最大1 d 流量變化Fig.6 The maximum annual 1 day flow change

圖4 月中值流量差Fig.4 Difference of monthly median flow

3.3.3 年極端流量發生時間

由表2 可知，在水庫建設后年極端流量發生時間改變度呈微小變化，表明年極端流量的發生對流域內生境的影響較小。圖7 為年最大流量出現時間曲線圖，圖中最大流量出現時間閾值范圍有所增加，但大部分還處于上、下限之間，具有一定的穩定性。突變后對岷江流域造成了一定的影響，岷江水利設施的建設使得高流量時間基本穩定。

圖7 最大流量出現時間Fig.7 Maximum flow time

3.3.4 高低流量的頻率及歷時

高場水文站高、低脈沖出現次數在水文突變后都有不同程度的增加，而歷時都有不同程度的減少。圖8 為高場站突變前后低脈沖次數曲線圖，低脈沖次數從4 次升高到了8 次，歷時從5 d減少到了2 d，低脈沖次數的改變度達到43%為中度改變，由圖中也可知突變后高場站低脈沖次數整體增加，突變后超出RVA 閾值上限的部分明顯增多，這將對汛期過渡產生不利影響。高脈沖的次數從8 次上升到10 次，歷時從4 d 下降到3 d，其中高脈沖次數也為中度改變。表明水庫的建設對岷江的水文環境帶來了改變，顯著的改變了岷江下游的水文情勢。

圖8 高場站突變前后低脈沖次數Fig.8 Low pulse frequency curve before and after abrupt change

3.3.5 流量變化改變率及頻率

水文條件變化的速率及頻率改變度大部分呈現高度改變，下降率和逆轉次數較突變前后變化顯著，下降率改變度達到100%。圖9為高場站突變前后逆轉次數變化曲線圖，呈明顯上升趨勢，表明突變過程中水庫建設對岷江下游流域產生較大的影響，兩岸的植物受到干旱的威脅，影響泥沙運輸對河床構造產生一定的改變。生態系統對外界的變化有一定的界限，一但超過這個界限便會威脅到河流生態系統的穩定，帶來一些不利的因素。

圖9 高場站突變前后逆轉次數變化Fig.9 Change of the reversing times before and after mutation

3.3.6 整體水文改變度分析

基于IHA-RVA 法對岷江水文情勢突變前后結果分析，對表2 中高場水文站突變前后32 個水文指標絕對值的改變度進行排序，并將在圖中將3 個等級的水文改變度進行劃分。由圖10 可知，屬于中度改變的水文指標占32 個水文指標中的47%，高度改變和低度改變分別占總比例的13%和40%，中度改變最高。在32 個水文指標中下降率的改變度達到了100%，其次高度改變中逆轉次數達到了89%；1、2、7、8、9、11、12月份流量、年均3、20、90 d 最小流量、年均1、90 d 最大流量、基流指數以及高、低脈沖次數為中度改變，其余水文指標為低度改變。

圖10 岷江水文改變度Fig.10 Hydrologic change of discharge sequence

通過岷江下游流域5 組32 個水文指標的整體水文改變度來分析岷江下游的水文情勢變化。各組整體改變度計算結果見表3，水文條件變化的速率及頻率為高度改變；月平均水量變化和年極端水文條件為中度改變；其他皆為低度改變。由表3可知，整體的改變度屬于中等改變。高場水文站的變化程度主要由中度改變占主導，表明梯級水庫的建設，顯著的改變了岷江下游河流的水文情勢。對水生生物的物種豐度，河岸植物的土壤環境，河流溫度等都產生了改變。

表3 高場站流量序列整體水文改變度Tab.3 Overall hydrological change of discharge sequence

3.4 水文情勢變化對重要魚類影響

長江流域是我國各水系之首，無論是干流還是支流都擁有豐富的魚類資源［19］。岷江是長江流域最為重要的支流，魚類種類和數量也十分豐富。岷江的魚類資源數據收集較早，早于1957年張春霖和劉成漢便對岷江的魚類資源做了初步的調查，調查結果共有魚類68 屬92 種。2014 至2015年呂浩等對岷江干流下游進行調查，研究區域共調查到魚類71 種，16 種長江上游特有魚類，1 種外來物種［20］。BAO J 等［21］2019年于岷江最大支流大渡河進行實測，魚類取樣顯示，有40 個物種聚集在大壩下游。此時，大渡河已修建15 座水利工程，認為是破壞河流天然狀態的主要因素，對洄游魚類造成嚴重影響。自然界雖對外界環境的改變有一定的調節能力，但是在岷江不斷建設中，各種水利工程都會對魚類的洄游、產卵等造成一定的阻隔，甚至改變群落結構和功能群［22］。

人類長期的活動影響會對生態環境造成一些無法挽回的影響，需加強保護措施。數據表明岷江流域在建設中因為水文情勢發生改變，魚類資源的種類和數量都有一定的下降。人們充分利用了岷江流域豐富的水資源修建水庫，汛期蓄水、枯水期放水造福兩岸。至2017年底岷江已經修建大中小型水庫共計875座，累積總庫容約為153 億m3，目前流域內正在建水庫有22 座，總庫容約為38.8 億m3。在高場控制面積內，龔嘴和銅街子水庫于1972年、1993年投入運行；紫坪鋪水庫和瀑布溝水庫分別于2006年和2009年投入運行。梯級電站對流域內生態環境帶來了較大的影響，改變了生物群落和魚類的生存環境，給魚類繁衍帶來了不利的影響［23］。

種種現象表明岷江水庫建設導致水文變異是岷江流域魚類資源變化的根本原因。岷江流域的生態及水體環境已經發生了劇烈的變化，近些年人類活動的加劇以及岷江下游梯級水電站的建設，導致魚類種類的下降和數量的減少，并伴隨著外來物種的入侵，不利于生態環境的建設和保護。在今后的研究中需在大壩建設前后對魚類群落進行長期監測，以了解生態對水文變化的反應，從而對受監管河流進行有效的資源管理［24］。

4 結論

本研究主要基于生態水文指標變化范圍法（IHA-RVA）及水文改變度法對岷江流域水文情勢變化進行分析評價，結果如下。

（1）根據岷江逐日流量數據分析得出：岷江年均流量呈下降趨勢，通過99%置信度檢驗，下降趨勢顯著；通過Mann-Kendall 法、累積距平法、均值差異T 檢驗法和滑動T 檢驗法結合水庫建設得到突變年份為1993年。表明岷江流域自20世紀90年代以來以大、中型水庫修建對其流量變化產生影響顯著。

（2）通過對銅街子水庫建設后水文改變的分析，岷江下游非汛期1-4月份流量增加，汛期5-10月份流量減少；年極小流量和年極大流量閾值范圍有所增加但大部分還處于上、下限之間，維持了最大流量出現時間的基本穩定性；高、低脈沖出現次數在水文突變后都有不同程度的增加，而歷時都有不同程度的減少，其中突變前低脈沖次數變化最為明顯增大50%；高場水文站流量上升率減少，但下降率和逆轉次數突變后有所上升，其中下降率改變度達到了100%最為顯著。根據對岷江流域突變年前后的改變程度分析，得出高場水文站大多水文指標都為中度改變，五組數據中流量變化改變率及頻率為高度改變，高場水文站的整體改變度為45%，屬于中度改變。

（3）1983-1998為長江流域水庫集中建設階段，水利工程的建設為人們帶來了資源與便利的同時也對流域內的水文情勢造成了變化，進而對岷江流域產卵活動產生一定影響，使得流域內水文情勢明顯的改變，從而造成河流生態功能受損、水生生物棲息地遭到改變。導致岷江魚類種類和數量有明顯的減少，造成了外來物種的入侵。□