基于生態(tài)徑流指標(biāo)的黃河上游貴德站水文情勢(shì)變化研究

郭 彥，郭曉明，任 靜，王 平，賴瑞勛

(1.黃河水利委員會(huì)黃河水利科學(xué)研究院，河南 鄭州 450003；2.水利部黃河下游河道與河口治理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 鄭州 450003；3.黃河水利委員會(huì)黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展研究中心，河南 鄭州 450003；4.河南大學(xué) 黃河文明與可持續(xù)發(fā)展研究中心，河南 鄭州 450046；5.河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第二地質(zhì)環(huán)境調(diào)查院，河南 鄭州 450053)

0 引 言

水文情勢(shì)是河流的重要參數(shù)，是維持生物多樣性和生態(tài)系統(tǒng)完整性的基礎(chǔ)要素[1]。隨著沿河社會(huì)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，人類對(duì)河流的開發(fā)利用程度不斷增加，水利工程措施在帶來社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，勢(shì)必引起河流的水文情勢(shì)變化，改變河流的水文水力條件，進(jìn)而對(duì)河流及其周圍生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響[2]。

為此，國內(nèi)外學(xué)者試圖建立各種水利工程措施的生態(tài)水文效應(yīng)指標(biāo)，通過評(píng)價(jià)指標(biāo)變化，定量分析水利工程措施對(duì)河流生態(tài)系統(tǒng)的影響。其中最具代表性的是Richter等[3]提出的5組共33個(gè)指標(biāo)的水文變化指標(biāo)(Indicators of Hydrologic Alteration，IHA)評(píng)價(jià)體系，并在IHA的基礎(chǔ)上提出了天然水文情勢(shì)的變異范圍分析法(Range of Variability Approach，RVA)[4]。國內(nèi)外眾多學(xué)者采用IHA-RVA法，分析了水利工程措施對(duì)河流生態(tài)水文情勢(shì)的影響[5-10]。但I(xiàn)HA指標(biāo)過多使得指標(biāo)間存在相關(guān)性，導(dǎo)致指標(biāo)信息的冗余，可能造成整體評(píng)價(jià)偏差的問題。為此，Gao等[11]提出利用主成分分析法提取IHA33個(gè)指標(biāo)中最具代表性的生態(tài)指標(biāo)。

Vogel等[12]則另辟蹊徑提出了基于流量歷時(shí)曲線(Flow Duration Curve，F(xiàn)DC)的生態(tài)赤字(Ecological Deficit，ED)和生態(tài)盈余(Ecological Surplus，ES)2個(gè)生態(tài)徑流指標(biāo)來評(píng)價(jià)河流生態(tài)系統(tǒng)的水文情勢(shì)變化，該方法概念清晰且指標(biāo)數(shù)量少，在流域水文情勢(shì)分析評(píng)估中得到了廣泛應(yīng)用。Wang等[13]通過還原2010年～2015年未建三峽水庫時(shí)的日徑流量序列，分析其月和季的生態(tài)徑流指標(biāo)，建立了一種評(píng)價(jià)水庫運(yùn)用累積影響的有效方法。Zhang等[6]通過分析黃河干流7個(gè)水文站的生態(tài)徑流指標(biāo)，指出生態(tài)赤字和生態(tài)盈余與IHA32指標(biāo)具有較強(qiáng)的相關(guān)性，能夠反映大部分IHA指標(biāo)的信息，能應(yīng)用于黃河流域反映其年和季節(jié)徑流變化。趙洪彬等[14]基于FDC的生態(tài)徑流指標(biāo)從季、年尺度對(duì)長江流域攀枝花水文站的水文情勢(shì)進(jìn)行了評(píng)價(jià)。

近年，Guo等[15-16]通過分析黃河小浪底站在建庫前后的水文情勢(shì)變化指出，基于FDC的生態(tài)徑流指標(biāo)計(jì)算方法在構(gòu)建流量歷時(shí)曲線時(shí)，未考慮日流量與其發(fā)生日期之間的時(shí)間關(guān)聯(lián)，使得日流量缺失了時(shí)間信息，流量歷時(shí)曲線的時(shí)間尺度越長，其丟失的時(shí)間信息越多，導(dǎo)致月生態(tài)赤字、季生態(tài)赤字和年生態(tài)赤字的計(jì)算結(jié)果出現(xiàn)月生態(tài)赤字為零、季生態(tài)赤字和年生態(tài)赤字不為零或相反，以及月生態(tài)赤字大于季生態(tài)赤字，季生態(tài)赤字大于年生態(tài)赤字的不合理現(xiàn)象，同時(shí)生態(tài)盈余也存在類似的不合理現(xiàn)象。為此，Guo等[17-19]、張松等[20]提出基于流量過程線(Discharge Hydrograph，DH)的生態(tài)徑流計(jì)算方法，構(gòu)建月生態(tài)赤字及盈余的生態(tài)徑流指標(biāo)體系，提出月時(shí)間尺度上的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法。然而，生態(tài)赤字具有月、季、年3種時(shí)間尺度，不同時(shí)間尺度的生態(tài)赤字可反映不同時(shí)間細(xì)節(jié)下的徑流減少程度，上述方法通過月累加得到的更大時(shí)間尺度(季節(jié)、年)的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，一定程度上放大了大時(shí)間尺度的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，進(jìn)而無法真實(shí)反映不同時(shí)間尺度的河流生態(tài)系統(tǒng)健康狀況。

針對(duì)上述問題，本文在文獻(xiàn)[20]的基礎(chǔ)上，基于流量過程線構(gòu)建月、季、年3種時(shí)間尺度的生態(tài)徑流指標(biāo)計(jì)算公式，用以解決現(xiàn)有方法中無法真實(shí)評(píng)估季節(jié)、年時(shí)間尺度上的河流生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，為河流管理部門全面評(píng)估生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)、系統(tǒng)構(gòu)建生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警機(jī)制、科學(xué)實(shí)施風(fēng)險(xiǎn)管理提供有效支撐。最后，以黃河上游貴德站為例，采用該方法評(píng)估其在龍羊峽水庫蓄水前后的水文情勢(shì)變化。

1 數(shù)據(jù)來源與研究方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

黃河上游是黃河流域主要的產(chǎn)水區(qū)和水電開發(fā)區(qū)，截至2014年，黃河干流上游龍羊峽水庫以下已建成水庫20余座[21](見圖1)。這些水庫的聯(lián)合運(yùn)用改變了黃河上游徑流過程，引起了上游水文情勢(shì)的變化，增加了水文過程的復(fù)雜程度。本文選取黃河上游主要控制性水文站貴德站為例，對(duì)其1955年～2018年的日徑流量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，數(shù)據(jù)來源于黃河水利委員會(huì)整編刊印的《黃河流域水文年鑒》。

圖1 黃河上游水文站、水利樞紐分布示意

由圖1可知，貴德站以上有3座水庫，從上到下依次為1986年10月下閘蓄水的龍羊峽水庫[7]、2011年年底竣工的拉西瓦水庫及2003年2月下閘蓄水的尼那水庫。貴德站分別距龍羊峽水庫約54 km，距拉西瓦水庫約21.6 km，距尼那水庫約13 km。其中，龍羊峽水庫是黃河干流上一座具有多年調(diào)節(jié)能力的大型水庫，控制黃河天然徑流量的40%以上，調(diào)節(jié)庫容193.6億m3，對(duì)黃河徑流具有很強(qiáng)的調(diào)節(jié)能力[22]。為此，本文以龍羊峽水庫下閘蓄水的1986年為界，將貴德站水文序列分為1955年～1986年32 a的建庫前部分和1987年～2018年32 a的建庫后部分。

1.2 研究方法

本文提出的基于生態(tài)流量過程線的河流水文情勢(shì)變化評(píng)估方法，包括不同時(shí)間尺度的生態(tài)徑流計(jì)算、生態(tài)徑流變化度計(jì)算及基于生態(tài)赤字的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估等3個(gè)核心內(nèi)容。

1.2.1 生態(tài)徑流指標(biāo)計(jì)算

對(duì)于月、季、年3種時(shí)間尺度的生態(tài)徑流指標(biāo)計(jì)算，本文采用文獻(xiàn)[20]的計(jì)算思路。首先，根據(jù)水文站上游水庫的下閘蓄水時(shí)間，將時(shí)間序列分為建庫前、建庫后兩部分，計(jì)算建庫前相同日期的第75%和第25%分位數(shù)流量，由兩者分別組成第75%和第25%分位數(shù)流量過程線，位于兩條流量過程線之間的區(qū)域被認(rèn)為是河流生態(tài)系統(tǒng)可適應(yīng)的變化范圍。其次，根據(jù)第75%分位數(shù)和第25%分位數(shù)流量過程線，分別計(jì)算月、季、年3種時(shí)間尺度的徑流量，得到不同時(shí)間尺度的適應(yīng)范圍最大徑流與最小徑流。第三，對(duì)比任意一年的流量過程線，流量大于第75%分位數(shù)流量過程線(圖2中陰影區(qū)域的面積)，即認(rèn)為是多余徑流量；流量小于第25%分位數(shù)流量過程線(圖3中陰影區(qū)域的面積)，即認(rèn)為是不足徑流量。最后，基于日流量過程，計(jì)算不同時(shí)間尺度的生態(tài)盈余和生態(tài)赤字，月生態(tài)盈余和月生態(tài)赤字采用文獻(xiàn)[20]的計(jì)算方法，計(jì)算公式如式(1)和式(2)為

圖2 多余徑流量和不足徑流量(貴德站1983年流量過程線，豐水年)

圖3 多余徑流量和不足徑流量(貴德站2003年流量過程線，枯水年)

(1)

(2)

式中，m為月份，m=1，2，…，12；T1為每月天數(shù)，如1月即m=1，T1=31；D為86 400，s；Qi為日流量，m3/s；Qi，75%為第75%分位數(shù)流量，m3/s；Qi，25%為第25%分位數(shù)流量，m3/s；MaxRARm與MinRARm分別為m月的適應(yīng)范圍最大徑流與最小徑流，m3；ESm為m月的生態(tài)盈余，非負(fù)；EDm為m月的生態(tài)赤字，非正。

對(duì)于季生態(tài)盈余和季生態(tài)赤字的計(jì)算方法，文獻(xiàn)[18-20]先是劃分春季(3月～5月)、夏季(6月～8月)、秋季(9月～11月)和冬季(12月～次年2月)的時(shí)段，隨后將各季對(duì)應(yīng)月份的生態(tài)徑流指標(biāo)求和作為不同季節(jié)的指標(biāo)值；年生態(tài)盈余和年生態(tài)赤字的計(jì)算方法也類似，按照日歷年或水文年進(jìn)行求和。這種通過累加求和計(jì)算的季、年尺度的生態(tài)赤字，會(huì)出現(xiàn)季、年尺度的生態(tài)赤字比月生態(tài)赤字更小，從而得到季、年尺度的生態(tài)徑流形式更差的反向結(jié)果，進(jìn)一步放大了大時(shí)間尺度的生態(tài)赤字，出現(xiàn)與實(shí)際情況不符的現(xiàn)象。

針對(duì)上述問題，本文的季生態(tài)盈余和季生態(tài)赤字分別按照式(3)和式(4)計(jì)算，年生態(tài)盈余和年生態(tài)赤字分別按照式(5)和式(6)計(jì)算。式(3)～式(6)的分子項(xiàng)采用相應(yīng)時(shí)段的逐日累加，分母項(xiàng)采用相應(yīng)時(shí)間尺度的適應(yīng)范圍徑流量，兩者之比計(jì)算的結(jié)果避免了文獻(xiàn)[18-20]中放大季、年兩種時(shí)間尺度生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的不足。

(3)

(4)

(5)

(6)

式中，s為季節(jié)，s=1，2，3，4，分別表示春季、夏季、秋季、冬季；y為年；T2為每個(gè)季節(jié)的天數(shù)，例如當(dāng)s=1時(shí)，則T2=92；T3為一年的天數(shù)；MaxRARs與MinRARs分別為s季節(jié)的適應(yīng)范圍最大徑流與最小徑流，m3；MaxRARy與MinRARy分別為適應(yīng)范圍最大年徑流與最小年徑流，m3；ESs與ESy分別為s季節(jié)的生態(tài)盈余與年的生態(tài)盈余，非負(fù)；EDs與EDy分別為s季節(jié)的生態(tài)赤字與年的生態(tài)赤字，非正。

1.2.2 生態(tài)徑流指標(biāo)變化度計(jì)算

已有的研究多數(shù)是對(duì)生態(tài)徑流變化做定性分析[5-6，14-15]，定量分析較少。為此，本文采用統(tǒng)計(jì)分析中變化幅度的計(jì)算思路，通過對(duì)比建庫前后不同時(shí)間尺度的生態(tài)徑流均值，定量分析生態(tài)徑流的變化度，具體計(jì)算公式為

1.2.3 基于生態(tài)赤字的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

從徑流減少對(duì)生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生風(fēng)險(xiǎn)的角度出發(fā)，基于生態(tài)赤字對(duì)每個(gè)月、季節(jié)或年進(jìn)行生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，為河流管理部門評(píng)估生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)提供決策依據(jù)。首先將生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)分為無風(fēng)險(xiǎn)、低風(fēng)險(xiǎn)、中風(fēng)險(xiǎn)和高風(fēng)險(xiǎn)4個(gè)等級(jí)，其次按照文獻(xiàn)[20]的思路劃分這4個(gè)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的生態(tài)赤字閾值(見表1)，最后根據(jù)計(jì)算得出的歷年不同時(shí)間尺度的生態(tài)赤字，對(duì)照表1對(duì)歷年不同的時(shí)間尺度進(jìn)行生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同時(shí)間尺度的累積生態(tài)徑流分析

采用不同時(shí)間尺度生態(tài)盈余的歷年累積值和生態(tài)赤字的歷年累積值，分析生態(tài)徑流在不同時(shí)間尺度的年際變化規(guī)律。對(duì)于月尺度的累積生態(tài)盈余曲線，各月都呈上升趨勢(shì)(見圖4)。對(duì)于累積曲線突然升高的地方，表明該處對(duì)應(yīng)年份的月生態(tài)盈余明顯高于前一年，如3月的生態(tài)盈余累積曲線在1987年陡增，說明該年3月生態(tài)盈余高于前一年1986年3月生態(tài)盈余；對(duì)于累積曲線保持水平的地方，表明該處對(duì)應(yīng)年份的月生態(tài)盈余為0，如9月的生態(tài)盈余累積曲線從1990年到1991年保持水平，則說明1991年9月生態(tài)盈余為0，隨后年份的累積曲線一直保持水平，即從1990年開始的各年9月生態(tài)盈余一直為0；對(duì)于累積曲線中不同年份的月生態(tài)盈余大小，可通過本年與前一年組成線段的斜率大小進(jìn)行判斷，如比較1986年和1990年的12月生態(tài)盈余大小，通過圖4可知，1986年與1985年組成線段的斜率明顯小于1990年與1989年組成線段的斜率，說明1990年12月的生態(tài)盈余大于1986年12月的生態(tài)盈余。由此看出，累積月生態(tài)盈余曲線可直觀展現(xiàn)月生態(tài)盈余的年際變化特征與變化趨勢(shì)。由圖4可知，1月～3月和12月的累積曲線在1955年～1985年間緩慢上升，在1986年龍羊峽水庫蓄水運(yùn)用后，累積曲線大幅度的上升，表明這些月份的生態(tài)盈余在建庫后明顯大于建庫前；6月～11月的累積曲線在建庫后基本水平，表明這些月份的月生態(tài)盈余在建庫后沒有明顯變大，處于接近0的狀態(tài)。

圖4 累積月生態(tài)盈余

對(duì)于月尺度的累積生態(tài)赤字曲線，各月基本均呈下降趨勢(shì)(見圖5)。對(duì)于累積曲線突然下降的地方，表明該處對(duì)應(yīng)年份的月生態(tài)赤字明顯高于前一年，如6月的生態(tài)赤字累積曲線在1988年陡降，說明該年6月生態(tài)赤字高于前一年1987年6月生態(tài)赤字；對(duì)于累積曲線保持水平的地方，表明該處對(duì)應(yīng)年份的月生態(tài)赤字為0，如12月的生態(tài)赤字累積曲線從1986年到1987年保持水平，則說明1987年12月生態(tài)赤字為0，隨后年份的累積曲線在1995年之前一直保持水平，即從1987年至1994年的各年12月生態(tài)赤字一直為0；對(duì)于累積曲線中不同年份的月生態(tài)赤字大小，可通過本年與前一年組成線段的斜率絕對(duì)值大小進(jìn)行判斷，如2000年和2018年的10月生態(tài)赤字大小，通過圖5可知，2000年與1999年組成線段的斜率絕對(duì)值明顯大于2018年與2017年組成線段的斜率絕對(duì)值，說明2000年10月的生態(tài)赤字大于2018年10月的生態(tài)赤字。與累積月生態(tài)盈余曲線類似，累積月生態(tài)赤字曲線同樣直觀的展現(xiàn)了月生態(tài)赤字的年際變化特征與變化趨勢(shì)。由圖5可知，6月～10月的累積曲線在龍羊峽水庫建成運(yùn)用后的1986年開始大幅下降，表明這些月份的生態(tài)赤字在龍羊峽水庫建庫前后變化明顯；11月～次年2月的累積曲線在龍羊峽水庫建前呈下降趨勢(shì)，運(yùn)用的第1年(1987年)突然下降后，后續(xù)呈水平或小幅下降，表明龍羊峽水庫運(yùn)用后這些月份的生態(tài)赤字變化不明顯。

圖5 累積月生態(tài)赤字

對(duì)于季尺度的累積生態(tài)盈余曲線，各季均呈上升趨勢(shì)(見圖6)，其中夏季、秋季的累積曲線在1986年后上升幅度較小或基本水平，表明這兩季的生態(tài)盈余在建庫前后變化不大；春季的累積曲線在1989年后上升幅度增大，表明春季的生態(tài)盈余在建庫后明顯大于建庫前；冬季的累積曲線在1986年后快速上升，表明冬季的生態(tài)盈余在建庫后明顯大于建庫前。

圖6 累積季生態(tài)盈余與生態(tài)赤字

對(duì)于季尺度的累積生態(tài)赤字曲線，其趨勢(shì)與累積生態(tài)盈余曲線相反(見圖6)。由圖6可看出，夏季、秋季的累積曲線在1986年后呈顯著下降趨勢(shì)，表明這兩季的生態(tài)赤字在建庫后一直增大；春季的累積曲線呈緩慢下降趨勢(shì)，在2005年后變化較小，生態(tài)赤字接近0；冬季的累積曲線在1986年較大幅度的下降后，曲線基本呈水平狀態(tài)，表明自1986年后冬季的生態(tài)赤字為0。

對(duì)于年尺度的累積生態(tài)盈余曲線，呈上升趨勢(shì)(見圖7)，其中1980年～1985年期間累積曲線上升幅度較大，1986年～2004年期間上升幅度減緩，2005年～2018年期間上升幅度再次增大；對(duì)于年尺度的累積生態(tài)赤字曲線，則呈下降趨勢(shì)，其中1955年～1985年期間累積曲線下降幅度較小，1986年～2004年期間下降幅度增大，2005年～2018年期間下降幅度減緩。

圖7 累積年生態(tài)盈余與生態(tài)赤字

2.2 生態(tài)徑流指標(biāo)變化度分析

上述圖4～7僅僅是從定性方面分析了月、季、年3種時(shí)間尺度生態(tài)盈余和生態(tài)赤字的歷年累積值變化特點(diǎn)，尚缺乏建庫前后各時(shí)間尺度變化程度的定量分析。根據(jù)式(7)～(8)計(jì)算可得到各時(shí)間尺度生態(tài)盈余和生態(tài)赤字的變化度，計(jì)算結(jié)果如表2所示。生態(tài)盈余變化度值大于0表示各時(shí)間尺度的生態(tài)盈余在建庫后的均值高于建庫前，變化度值越大則越高于建庫前；生態(tài)盈余變化度值小于0表示各時(shí)間尺度的生態(tài)盈余在建庫后的均值低于建庫前，變化度值越小則越低于建庫前。生態(tài)赤字變化度值小于0表示各時(shí)間尺度的生態(tài)赤字在建庫后的均值絕對(duì)值低于建庫前，變化度值越小則越低于建庫前；生態(tài)赤字變化度值大于0表示各時(shí)間尺度的生態(tài)赤字在建庫后的均值絕對(duì)值高于建庫前，變化度值越大則越高于建庫前。生態(tài)盈余變化度值大于0表示建庫后的生態(tài)水文狀況有所改善，生態(tài)赤字反之亦然。

由表2可知，在月尺度方面，1月～4月和11月～12月的生態(tài)盈余在建庫后(1987年～2018年)高于建庫前(1955年～1986年)，其中建庫后1月的生態(tài)徑流形勢(shì)對(duì)河流生態(tài)系統(tǒng)最有利，生態(tài)盈余相比建庫前增大了4 077.4%，生態(tài)赤字減小了13.5%，6月～10月的生態(tài)盈余在建庫后低于建庫前，其中建庫后7月的生態(tài)徑流形勢(shì)對(duì)河流生態(tài)系統(tǒng)最不利，生態(tài)盈余相比建庫前減小了100.0%，生態(tài)赤字增加了517.6%；1月～5月和11月～12月的生態(tài)赤字在建庫后低于建庫前，其中建庫后12月的生態(tài)徑流形勢(shì)對(duì)河流生態(tài)系統(tǒng)的不利影響最小，生態(tài)赤字相比建庫前減小了94.9%，生態(tài)盈余增加了2 022.6%，6月～10月的生態(tài)赤字在建庫后高于建庫前，其中建庫后9月的生態(tài)徑流形勢(shì)對(duì)河流生態(tài)系統(tǒng)的不利影響最大，生態(tài)赤字相比建庫前增大了537.3%，生態(tài)盈余減小了93.9%。

在季尺度方面，春季和冬季的生態(tài)盈余在建庫后高于建庫前，兩者對(duì)應(yīng)的生態(tài)赤字則是建庫后低于建庫前，其中建庫后冬季的生態(tài)徑流形勢(shì)對(duì)河流生態(tài)系統(tǒng)最有利，生態(tài)盈余相比建庫前增大了2 295.2%，生態(tài)赤字減小了96.7%；夏季和秋季的生態(tài)盈余在建庫后低于建庫前，兩者對(duì)應(yīng)的生態(tài)赤字則是建庫后高于建庫前，其中建庫后夏季的生態(tài)徑流形勢(shì)對(duì)河流生態(tài)系統(tǒng)最不利，生態(tài)盈余相比建庫前減小了94.1%，生態(tài)赤字增加了412.8%。

在年尺度方面，年的生態(tài)盈余在建庫后比建庫前增加了84.8%，年的生態(tài)赤字在建庫后比建庫前增加了290.0%，表明年尺度的生態(tài)赤字受影響程度比生態(tài)盈余的大。

2.3 不同時(shí)間尺度的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

對(duì)于月尺度的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，經(jīng)反復(fù)試評(píng)估，當(dāng)f取第4個(gè)百分位數(shù)時(shí)，1957年2月(最枯2月)為中風(fēng)險(xiǎn)，其他最枯月均為高風(fēng)險(xiǎn)，當(dāng)f取第5個(gè)百分位數(shù)時(shí)，12個(gè)最枯月均為高風(fēng)險(xiǎn)。故f取第4個(gè)百分位數(shù)，相應(yīng)e則取第14個(gè)百分位數(shù)。同理，對(duì)于季尺度的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估其對(duì)應(yīng)的q與p分別為第8個(gè)百分位數(shù)和第18個(gè)百分位數(shù)，而年尺度的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估其對(duì)應(yīng)的k與j分別為第11個(gè)百分位數(shù)和第21個(gè)百分位數(shù)。根據(jù)上述3種時(shí)間尺度生態(tài)赤字閾值，評(píng)估相應(yīng)尺度的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，繪制了1955年～2018年不同時(shí)間尺度的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)圖(見圖8)。

圖8 不同時(shí)間尺度的生態(tài)赤字風(fēng)險(xiǎn)

圖8較直觀地展示了過去64年間月、季、年尺度的河流風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。由圖8a可知，在月尺度方面，以7月為例，1987年前的7月無風(fēng)險(xiǎn)年份所占比例超過三分之一，1986年后無風(fēng)險(xiǎn)年份未出現(xiàn)，中高風(fēng)險(xiǎn)年份增多，表明貴德站在7月的生態(tài)徑流存在風(fēng)險(xiǎn)。上述結(jié)果與3.1節(jié)結(jié)論一致。

由圖8b可知，在季尺度方面，以秋季為例，1987年前秋季無風(fēng)險(xiǎn)年份所占比例超過1/3，1986年后無風(fēng)險(xiǎn)年份未出現(xiàn)，中高風(fēng)險(xiǎn)年份增多，這種轉(zhuǎn)變表明貴德站在秋季的生態(tài)徑流存在風(fēng)險(xiǎn)。夏季與秋季類似，其生態(tài)徑流也存在風(fēng)險(xiǎn)。而春季與冬季則是在1986年后無風(fēng)險(xiǎn)年份出現(xiàn)增多，其生態(tài)徑流趨于有利方向。

由圖8c可知，年尺度從1986年～2011年呈中高風(fēng)險(xiǎn)，1996年～2006年、2009年及2011年出現(xiàn)高風(fēng)險(xiǎn)，側(cè)面反映出這些年份為枯水年。根據(jù)黃河上游降水資料統(tǒng)計(jì)顯示，枯水年主要集中在1990年代和2000年代，約占整個(gè)枯水年的50%[23]。1997年黃河流域的嚴(yán)重干旱導(dǎo)致其出現(xiàn)為期226 d的零徑流，造成嚴(yán)重的社會(huì)經(jīng)濟(jì)損失[24]。魏伊寧等[25]、Wang等[26]通過研究均指出黃河上游在1990年代出現(xiàn)了最為嚴(yán)峻的水文干旱。上述分析表明，本次采用的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法計(jì)算的年生態(tài)徑流風(fēng)險(xiǎn)結(jié)果與實(shí)際相符。

對(duì)3種時(shí)間尺度的各種風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)按建庫前后的時(shí)間段統(tǒng)計(jì)其所占比例，如表3所示。以占比最高的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)作為各時(shí)間尺度的主風(fēng)險(xiǎn)，分析對(duì)比可知建庫前后主風(fēng)險(xiǎn)的變化趨勢(shì)。以月尺度中的9月為例，9月主風(fēng)險(xiǎn)由建庫前占比50.0%的無風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，轉(zhuǎn)變?yōu)榻◣旌笳急?3.8%的高風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，9月主風(fēng)險(xiǎn)提高三個(gè)等級(jí)，表現(xiàn)為上升趨勢(shì)。同理可知，1月、2月、3月、12月主風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)不變，4月、5月主風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)呈下降趨勢(shì)，6月～11月主風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)呈上升趨勢(shì)。對(duì)于季尺度，春季、冬季的主風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)不變，夏季、秋季的主風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)呈上升趨勢(shì)。對(duì)于年尺度，年的主風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)呈上升趨勢(shì)。由此可見，龍羊峽水庫建成后6月～11月的水文情勢(shì)發(fā)生了較大變化，河流管理部門應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注該時(shí)間段的生態(tài)徑流指標(biāo)。

3 結(jié) 論

(1)針對(duì)月、季、年3種時(shí)間尺度的生態(tài)徑流指標(biāo)反映不同時(shí)間細(xì)節(jié)下的徑流變化程度，提出了基于流量過程線的3種時(shí)間尺度生態(tài)徑流指標(biāo)計(jì)算方法，克服了通過月累加計(jì)算放大季、年尺度生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的不足。

(2)月尺度方面，建庫后1月和9月的變化最為明顯，1月的生態(tài)盈余相比建庫前增大了4 077.4%，生態(tài)赤字減小了13.5%，無風(fēng)險(xiǎn)年份比例增加，高風(fēng)險(xiǎn)年份僅有1 年(1987年)，生態(tài)徑流形勢(shì)趨于有利方向；9月的生態(tài)赤字相比建庫前增大了537.3%，生態(tài)盈余減小了93.9%，無風(fēng)險(xiǎn)年份比例降低，中、高風(fēng)險(xiǎn)年份比例增加，生態(tài)徑流形勢(shì)趨于不利方向。

(3)季尺度方面，建庫后夏季和冬季的變化較明顯，冬季的生態(tài)盈余相比建庫前增大了2 295.2%，生態(tài)赤字減小了96.7%，無風(fēng)險(xiǎn)年份比例增加，未出現(xiàn)中、高風(fēng)險(xiǎn)年份，生態(tài)徑流形勢(shì)趨于有利方向；夏季的生態(tài)赤字相比建庫前增大了412.8%，生態(tài)盈余減小了94.1%，無風(fēng)險(xiǎn)年份未出現(xiàn)，中、高風(fēng)險(xiǎn)年份比例增加，生態(tài)徑流形勢(shì)趨于不利方向。

(4)年尺度方面，建庫后年的生態(tài)盈余比建庫前增加了84.8%，生態(tài)赤字比建庫前增加了290.0%，中、高風(fēng)險(xiǎn)年份比例增加，生態(tài)徑流形勢(shì)趨于不利方向。

(5)建議河流管理部門應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注9月和夏季的水文情勢(shì)變化，可考慮有針對(duì)性的對(duì) 9月和夏季進(jìn)行生態(tài)調(diào)度，使得流量過程更接近可適應(yīng)的變化范圍，減小生態(tài)赤字，使其處于低風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)，將水庫運(yùn)用對(duì)生態(tài)系統(tǒng)在9月和夏季的不利影響降到最低。