基于IHA/RVA法西江下游高要段水文情勢研究

高敏華

(廣東省水文局肇慶水文分局，廣東 肇慶 526060)

隨著社會經濟高速發展，人類對河流水資源開發利用程度顯著提高。人類活動與氣候變化的共同影響下，江河水文情勢隨之發生改變[1]，這已成為當今水文研究的熱點問題。國內外有關河流水文情勢受水利工程蓄排水影響的研究較多，郭文獻等[2]指出長江中下游河流水文情勢因三峽水庫蓄水影響發生了較大的改變。張颯等[3]量化分析了受水庫影響，漢江中游水文情勢的變化情況。王學雷等[4]對漢江中下游的水文情勢進行分析，發現隨著階級水庫數量越多，下游水文站的水文情勢變化也隨之增大。

西江為珠江三角洲地區提供豐富的水資源，作為貫穿粵港澳大灣區的主要河流，是粵港澳大灣區經濟發展的戰略腹地[5]。20世紀80年代以來，西江流域在氣候變化及人類活動的頻繁作用下，流域下墊面發生顯著變化，產匯流機制也隨之改變，水文時間序列的一致性受到了破壞[6]。高要水文站作為西江進入廣東境內后首個干流控制站，其水文情勢的變化將對粵港澳大灣區水資源開發利用帶來巨大的影響。本文運用IHA/RVA法[7]對西江下游高要段進行水文情勢變化分析，IHA水文指標體系的指標個數調整至33個，此指標體系包括月平均、年極值、年極值出現時間、脈沖次數和歷時、改變度和頻次等五組具有生態意義的IHA水文指標，同時應用這套指標加上RVA(Range of Variability Approach)閾值法得以量化評價人類活動對西江下游水文特性的影響程度，為西江下游水資源的合理開發提供依據。

1 研究區域概況

西江發源于云南省曲靖市沾益區馬雄山，在廣東省珠海市的磨刀門注入南海。全長2 214 km。集水面積約為353 120 km2[8]。其中南盤江與紅水河為西江上游，黔江與潯江為西江中游，梧州以下為西江下游。梧州水文站是西江干流控制站，集水面積為327 006 km2，占西江集水面積的94.6%，占西江(廣西境內)年徑流總量的85%[9]。高要水文站為西江進入廣東省后首個干流控制站，位于西江梧州水文站下游約167 km處，集水面積為351 535 km2，占西江集水面積的99.6%。研究區域及站點分布見圖1。

圖1 研究區域及站點分布

2 研究方法

2.1 突變點檢驗方法

2.1.1Mann-Kendall突變檢驗法

Mann-Kendall[10]檢驗方法是一種非參數檢驗方法。經Sneyers[11]進一步完善和優化，形成了現在的計算形式，可檢驗序列的變化趨勢和突變出現時間。具體計算步驟如下。

定義待檢驗時間序列為X(x1、x2,…,xn)，以序列中后一個數值大于其之前所有數值的個數計數值為新序列Pk：

(1)

(2)

將Pk進行累加求和得Sk：

(3)

計算Sk的均值及方差：

(4)

求得統計量UFk，見式(5)：

(5)

當k=1時，UFk=0。UFk為標準正態分布，若UFk>0，表示檢驗序列為上升趨勢；若UFk<0，表示檢驗序列為下降趨勢。給定顯著性水平α，查詢正態分布表，若|UFk|>Uα表示UFk穿過顯著性檢驗區域表明趨勢是顯著性的，否則趨勢不顯著。按照待檢驗時間序列為X(x1、x2,…,xn)的逆序時間序列X′(xn、xn-1,…,x1)，重復一次以上進行計算，所得結果進行倒序并求負，得到UBk統計量序列。給定顯著性水平區域，α=0.05，臨界值U0.05=±1.96；最后，將UFk統計量序列曲線、UBk統計量序列曲線以及±1.96直線繪制到一張圖上。若2條曲線相交，且交點在顯著性檢驗區域內的，這個交點所對應的時間被認為是突變的開始時間。

2.1.2Pettitt突變檢驗法

Pettitt突變檢驗法[12]是一種尋找單一變量連續時間序列突變點的突變檢驗方法。具體計算步驟如下。

定義待檢驗的一個連續時間序列中的2個子序列X(x1,x2,…,xt)及X′(xt+1,xt+2,…,xN)；利用Mann-Whitney統計量來檢驗這2個秩序列是否來自于同一個分布，Mann-Whitney統計量Ut,N見式(6)：

(6)

定義統計量Ut,N中的最大值的絕對值所出現的時間為待檢驗序列的突變點出現的時間，即Kt,N=max|Ut,N|；其顯著性檢驗見式(7)：

(7)

2.1.3累積距平法

累積距平法[13]是一種根據待檢測時間序列各數值與該序列平均值的差值的累積數形成的曲線來判斷待檢測時間序列趨勢變化以及變化轉折點的檢驗方法。具體計算步驟如下。

定義待檢測時間序列X(x1,x2,…,xn)，以序列中每一個數值距離序列平均數的差值的累積數新的序列，時間序列X在某一時刻t的累積距平值可表示為：

(8)

(9)

繪制累積距平值曲線，若曲線出現明顯轉折點，則可以將該點作為待檢測時間序列突變點選取的參考。

2.2 IHA/RVA法

IHA/RVA中所用到的水文指標見表1。

表1 IHA/RVA中水文指標

在原始長序列數據中計算出33個IHA指標值的年序列；分別找出33個IHA指標值年序列的突變點，33個IHA指標值年序列的水文改變度見式(10)：

(10)

式中Di——第i個IHA指標值序列的水文改變度；ei——第i個IHA指標值序列的變化后年序列落入變化前年序列值25%和75%中位數范圍(即RVA目標范圍)的值的個數；ee——期望變化后年序列能落入RVA目標范圍的個數，即為變化后年序列個數的50%。

綜合33個IHA指標值序列的水文改變度計算見式(11)：

(11)

式(11)中定義了水文改變度(0～100%)的變化程度：當0≤D≤33%時，表示為L(little)，水文改變度為輕度；當34%≤D≤67%時，表示為M(medium)，水文改變度為中度；當68%≤D≤100%時，表示為H(high)，水文改變度為高度[7]。

當33個流量IHA指標改變度集中在低度改變和高度改變時，若按照傳統的IHA/RVA法在計算整體改變度，則會出現低度改變指標和高度改變指標的生態意義無法很好體現的問題。可運用改進的內梅羅指數評價法[14]與IHA/RVA法相結合，對IHA流量指標的整體改變度以及5組指標的改變度進行改進并對比分析調整，見式(12)—(14)：

(12)

(13)

(14)

3 結果與討論

3.1 年徑流量變化特征

為滿足西江流域水資源的持續開發利用的需要，流域梯級水利工程陸續建成運行，對西江下游水文情勢變化影響直接且顯著。高要水文站位于西江下游，為西江進入廣東境內后首個干流控制站，其斷面上游167 km處為廣西梧州水文站，高要水位站至梧州水文站河段，干流上無大型蓄水工程，無控制性水利樞紐，支流賀江(廣東境內)、羅定江、新興江干流同樣也無控制性水利工程。

為了更好地識別人類活動對高要水文站年徑流量變化的影響，采用雙累積曲線法[15](Double Mass Curve)對梧州水文站與高要水文站年徑流量進行對比分析(圖2)。

圖2 梧州水文站和高要水文站年徑流量雙累積曲線

由圖2可知，梧州水文站和高要水文站1974—2018年年徑流量累積量所繪制的關系線為直線，斜率不變，2個變量具有一致性。在排除了區間降水因素影響后，可以認為1974—2018年高要水文站的年徑流量變化與梧州水文站的年徑流量變化具有一致性。

由圖3可見，高要水文站1974—2018年年徑流量在1982、1992、2003及2013年均發生趨勢變化。高要水文站多年徑流量為2 187×108m3。梧州水文站斷面以上主要水利工程運行時間及其庫容占高要水文站多年平均徑流量比值見圖4。

圖3 高要水文站年徑流量累積距平曲線

圖4 梧州以上主要水利工程

高要水文站1974—2018年徑流量時間序列在1982年前后發生趨勢變化，恰時上游樂灘水電站(惡灘水電站)投入運行。1992年前后發生趨勢變化，恰時上游巖灘水電站投入運行，2003年前后發生趨勢變化，恰時上游龍灘水利樞紐進入截流建設階段。這表明高要水文站徑流變化受到梧州水文站上游水利工程投產運行的影響。

3.2 IHA指標突變點的確定

目前有以水利工程蓄水時間作為突變點選取的原則[16]，以計算年徑流量時間序列的突變點作為突變點選取的原則[17]，有使用多種突變點檢驗方法對突變點綜合分析與判別[18]。因高要水文站年徑流量出現多次趨勢變化，為更好地反映各IHA指標水文序列的改變情況，僅確定某一年份為突變時間不妥，可單獨對每個IHA指標水文序列進行趨勢分析以確定突變點，同時僅使用一種突變點檢驗方法，易出現突變點無法檢出的情況[19]。綜上，本文以對流量、水位IHA指標時間序列綜合Mann-Kendall檢驗法、Pettitt突變檢驗法和累積距平等3種檢驗方法作為突變點選取原則。檢驗結果見表2。

表2 高要水文站IHA流量指標序列突變時間

續表2 高要水文站IHA流量指標序列突變時間

33個流量IHA指標時間序列突變時間分布較分散。高要水文站1974—2018年徑流量時間序列在1982年前后發生趨勢變化，恰時上游樂灘水電站(惡灘水電站)投入運行。高要水文站1974—2018年徑流量時間序列在1992年前后發生趨勢變化，恰時上游巖灘水電站投入運行，流量IHA指標中，年最大30日流量、年最大90日流量、6月平均流量、7月平均流量、流量上升率、流量下降率指標時間序列的突變點出現在1992—1993年。百龍灘水電站與京南電站均于1997年投入運行，高要水文站流量IHA指標中，年低脈沖次數、年低脈沖歷時及逆轉次數時間序列的突變點出現在1997—1999年。高要水文站1974—2018年徑流時間序列在2003年前后發生趨勢變化，恰時上游龍灘水利樞紐進行截流，2003—2013年，高要水文站徑流量呈下降趨勢。

3.3 流量變化特征

根據高要水文站33個流量指標序列進行RVA改變度計算，結果見表3。

表3 高要水文站流量IHA/RVA改變度計算結果

續表3 高要水文站流量IHA/RVA改變度計算結果

3.3.1月平均流量

從表3可見，雖然各月平均流量序列的突變點均不相同，但是突變前后各月平均流量的變化趨勢基本相同，突變前后月平均流量均在豐水期變化較大，符合月平均流量變化規律。1、12月平均流量改變度為高度改變，2、3、5、6月改變度為中度改變，4月、7—11月改變度為輕度改變。

梧州水文站汛期除7月外，4—10月逐月徑流有不同程度的遞減趨勢，而非汛期1—3月以及11、12月徑流呈現增加趨勢，這一現象得益于梧州水文站上游水利工程的調節作用，使梧州水文站月徑流量變化呈現“蓄峰補枯”的態勢[20]。高要水文站1974—2018年月平均流量除6、7月外基本呈現5—10月為遞減趨勢，1—4月以及11、12月為增加趨勢。呈現豐水期流量減少，枯水期流量增大的態勢。2005年1月始，珠江流域開展區域聯合調度工作，上游水利工程在豐水期有序蓄水[21]。這使高要水文站5—6月平均流量指標發生中度改變，除6—7月外，豐水期各月平均流量指標改變后平均值均有所減少。枯水期流量增加，1、12月平均流量指標發生高度改變，上游水利工程在枯水期的調節作用對生態流量保障具有重要意義。

3.3.2流量年極值

從表3可見，年最大1、3、7、30、90日流量改變度為低度改變，而年最小1、3、7、30、90日流量改變度均為100%，改變度為高度改變。突變后流量年極值的均值均大于突變前，年最小1、3、7、30、90日流量突變后均值較突變前增幅在60%～80%，年最大1、3、7、30、90日流量突變后均值較突變前增幅在6%～13%。年最小流量極值突變后均值較突變前增幅較大，流量年最小極值指標突變后序列的值均未落入RVA目標范圍內，2009年以來，梧州水文站上游已運行投產水利工程庫容占高要水文站多年平均徑流比的25.3%，這表明梧州水文站上游水利工程枯水期調節對年最小流量極值產生較大的影響。

3.3.3年極值出現時間

流量零值日天數為零。水位基流指數改變度為高度改變，為100%，其突變后序列無值落入RVA范圍內。年最大日流量出現時間和年最小日流量出現時間的改變度為輕度改變，為0。

3.3.4脈沖次數和歷時

流量年高脈沖次數、年低脈沖次數和年低脈沖歷時改變度為高度改變，流量年高脈沖歷時改變度為輕度改變。流量高脈沖次數突變前后的均值從6次增加到9次，增幅為50%。流量高脈沖歷時突變前后均值從18.2 d減少至12.5 d，減幅為31.3%。流量低脈沖歷時突變前后均值從29.8 d減至10.4 d，減幅為65%。流量低脈沖次數和歷時突變時間出現在1999年，恰時天生橋一級水電站運行投產，天生橋一級水電站庫容占高要水文站多年平均徑流比的5%，流量低脈沖次數和歷時變化在一定程度上受到天生橋一級水電站調蓄的影響。

3.3.5改變度和頻次

與突變前相比，突變后的流量上升率、下降率和逆轉次數的均值均有所增加，增幅分別為24%、38%和16%。流量上升率、下降率和逆轉次數改變度為高度改變。流量逆轉次數改變度為高度改變，表明上游水利工程的調蓄一定程度上影響了水生動植物的生長。

3.3.6流量改變度整體分析

為更好地探究西江下游流量的變化對水文情勢造成的影響，現將高要水文站流量IHA指標突變時間以及改變度的絕對值用圖5表達。

圖5 高要水文站流量IHA指標突變時間和改變度

從數量分布上看，高要水文站33個流量IHA指標改變度其中屬于輕度改變的有15個，中度改變4個，高度改變14個。33個流量IHA指標改變度88%集中在低度改變和高度改變。若按照傳統的IHA/RVA法在計算整體改變度，則會出現低度改變指標和高度改變指標的生態意義無法很好體現的問題。現運用改進的內梅羅指數評價法[14]與IHA/RVA法相結合，對高要水文站IHA流量指標的整體改變度以及5組指標的改變度進行改進并對比分析,見表4。

表4 高要水文站整體流量改變度 %

由表4可見，調整前后，綜合流量改變度均為中度改變，調整后的綜合流量改變度由64%降至37%，但依然為中度改變。受梧州水文站上游水利工程調節的影響，高要水文站的水文情勢發生了一定的改變，特別是1、12月平均流量，流量年最小極值，基流指數，流量上升率、下降率、逆轉次數等IHA指標。人類活動是高要水文站1974—2018年流量變化的主要貢獻因子。

4 結論

通過收集西江下游高要水文站1974—2018年逐日平均流量，應用Mann-Kendall法、Pettitt突變檢驗法及累積距平法分析西江下游高要段的水文情勢特征和水文突變點，運用IHA/RVA法綜合評估了高要水文站突變前后水文指標的改變程度。

a)1974—2018年高要水文站流量綜合改變度為37%，改變度為中度改變。運用累積雙曲線法，在排除降水因素的影響后，梧州水文站與高要水文站年徑流量變化具有一致性。這表明高要水文站徑流變化主要受到流域上游水利工程投產運行的影響。

b)高要站徑流量系列發生突變的年份與流域上游大型水利工程建設運行的時間一致，如徑流量在1982、1992、2003年趨勢發生變化，分別與樂灘電站、巖灘電站、龍灘水利樞紐工程建設運行的年份一致，表明下游的水文規律和水文情勢已受到人類活動的影響。

c)高要站流量總體呈現豐水期減少，枯水期增大的態勢，尤其枯水期1、12月平均流量指標突變后均值較突變前增加73%，改變度為高度改變 ，這體現了西江流域聯合調度“蓄峰補枯”的成效，同時流量年最小極值具有增大的趨勢，表明西江流域上游控制性水利工程的建設和流域開展的聯合調度有助于保障流域下游的用水安全和生態安全。

d)IHA/RVA法被廣泛運用于河流湖泊水文情勢變化分析與評價，本文僅使用IHA/RVA法對西江下游水文情勢的變化進行分析，可考慮綜合對比現今學者對IHA/RVA法的改進方法，進一步結合流域特點對各IHA水文指標進行調整并賦予權重，使評價體系更符合分析評價西江下游水文情勢變化的需要。