基于改進RVA法的長江上游干流水文情勢變化研究

摘要：

長江上游梯級水庫群的聯合調度會改變下游水文情勢，對河流生態系統產生影響。通過M-K檢驗、滑動t檢驗法、累計距平統計量法對長江上游朱沱站1956～2022年日均流量序列進行趨勢及突變檢驗，選取水文變化指標法的水文參數，利用水文變化幅度（RVA）法和改進水文變化幅度法定量評估朱沱站徑流序列的變化程度。結果表明：朱沱站年徑流量呈不顯著下降趨勢，并在2005年發生突變。原有RVA法評估朱沱站徑流序列變異程度為48.81%，改進RVA法評估改變度為56.54%，均表現為中等程度變化。水庫群對朱沱站水文情勢的主要影響體現為1～5月份及11～12月份流量增加，6～10月份流量減少。突變后年最小流量遠大于天然徑流狀態，年最小流量也提前出現；低流量歷時顯著減少；流量逆轉次數增加。研究成果可為長江上游流域水生態系統保護及水資源合理開發提供參考。

關鍵詞：

改進RVA法； 水文變化指標法； 水文變化幅度法； 水庫群聯合調度； 朱沱站； 長江上游

中圖法分類號：TV11

文獻標志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2025.02.003

文章編號：1006-0081（2025）02-0014-08

0 引 言

長江是一條典型的雨洪河流，極端暴雨事件頻發，徑流量年內分配不均，金沙江干流、岷江、嘉陵江、烏江是長江上游洪水的主要來源。20世紀長江流域發生過多次大洪水事件，洪災損失嚴重［1-2］。針對防洪問題，金沙江干流分布的4座巨型水電站（烏東德、白鶴灘、溪洛渡、向家壩）已成為長江防洪體系中的骨干水利工程［3］。這些大型水利工程發揮巨大效益的同時，改變了河流原本水文情勢，如極值流量、汛期流量等。水文情勢發生改變又會對魚類產卵場功能產生影響，甚至影響長江早期魚類資源［4-5］。

在對河流水文情勢評估研究中，Richter等［6］首先提出了水文變化指標法（Indicators of hydrologic alteration，IHA），從流量、時間、頻率、延時和變化率5個方面評估河流生態水文情勢。Richter等［7］在水文變化指標的基礎上，提出了水文變化幅度法（Ranges of variability approach，RVA），定量化評估河流水文情勢在變異后的改變程度。但水文變化幅度法容易對河流整體水文情勢改變度評估不全面，不能反映各個水文指標在目標管理范圍中的變化特征。

改進RVA法通常包括內梅羅指數法、歐氏距離法、綜合權重法等。薛聯青等［8］通過內梅羅指數法得到塔里木河水文情勢改變度，結果較RVA法程度更高，評價結果更加符合客觀事實。張如強等［9］采用歐拉距離法計算徑流突變年份前后典型年份的變化，發現該方法得到的河流水文情勢整體改變度大于RVA法。張康等［10］利用CRITIC法分析了長江上游水庫群聯合調度對河流水文情勢的影響，得到的結果更加客觀實際，更能有效避免RVA法忽略中低度改變指標的弊端；尹心安等［11］通過在RVA基礎上引入均值和變異系數計算河流整體水文情勢改變度，明晰了水文指標在目標區間的變化特征。

本文以長江上游干流朱沱水文站1956～2022年日均流量數據為基礎，利用IHA法、RVA法、改進RVA法評估長江上游干流受水庫影響下的水文情勢改變度，為進一步開展長江上游流域水生態系統保護及水資源合理開發提供科學依據。

1 研究區域與數據來源

朱沱水文站（圖1）位于東經105°51′、北緯29°01′，水文站控制流域面積為694 700 km2，平均流量為8 520 m3/s，年徑流量為2 690億m3［12］。朱沱站流量可以作為長江上游干流、岷江和赤水河等重要支流出流水文特征的代表，且朱沱水文站于1954年建立，資料序列較長，具有良好的連續性和可靠性，選取1956～2022年日均流量過程資料。

2 研究方法

2.1 突變檢驗

準確地判定突變年份是評估河流水文情勢變化程度的關鍵。本文利用M-K檢驗、滑動t檢驗及累計距平法進行比較分析，在給定的顯著性水平下進行突變檢驗，綜合得到徑流序列的突變點。

2.2 IHA法

IHA包含5組水文改變指標，共33個水文參數。由于朱沱水文站從未出現過斷流現象，故本文的水文參數共選取32個，IHA具體水文參數見表1。

2.3 RVA法

RVA法指在IHA法的基礎上，計算出各水文參數的改變度，然后對河流水文情勢的整體改變度進行評估，具體操作步驟如下。

（1） 利用突變前日均流量資料計算32個水文參數特征值（中值或均值）。

（2） 計算RVA目標管理范圍，即計算突變前每一個指標的平均值±標準差或中值±百分位數。

（3） 利用突變后日均流量資料計算32個水文參數特征值。

（4） 計算每一指標的變化程度Di，計算公式如下：

Di=No，i-NeNe×100%

（1）

Ne=r×NT（2）

式中：Di為各水文指標的改變度；

No，i為第i個指標在受人類影響后特征值仍落在RVA目標管理范圍內的實際年數；

Ne為第i個指標在受人類影響后特征值仍落在RVA目標管理范圍內的預期年數；

r為突變前IHA指標落在RVA范圍內的年數比例，對于25%～75%頻率區間內的目標范圍，r=50%;

NT為突變后水文序列的總年數。該方法可以將水文情勢改變度劃分為3個等級：0≤Di＜33%屬于低改變度；33%≤Di＜67%屬于中改變度；67%≤Di≤100%屬于高改變度［13］。

（5）計算河流水文情勢整體改變度Do，計算公式如下：

Do=∑32i=1D2i32（3）

2.4 改進RVA法

改進RVA法在RVA法基礎上引入均值M和變異系數CV［14］以反映水文指標在目標管理范圍中的集中趨勢和離散程度等數值分布特征，可以提高評估河流水文情勢改變程度的準確性和綜合性。

利用改進RVA法評估河流水文情勢的基本方法是計算各水文指標分別在自然狀態下和受人類活動影響下，在目標管理范圍內的均值及變異系數的百分比，定量化分析指標值的集中趨勢和離散程度。將原水文情勢的改變度記為頻率改變度（D），結合引入的均值、變異系數，計算綜合水文情勢變化程度（OA），具體的操作步驟如下。

（1） 計算頻率改變度（D）。本文RVA范圍采用均值±標準差的方法，若目標范圍超過了突變前指標值的最大、最小范圍，則采用指標值的75，25百分位數作為閾值上下限。進一步利用原有RVA法計算各指標的改變度Di和河流整體水文改變度Do，評估整體頻率改變度D（D=Do）。

（2） 計算均值改變度（DM）及變異系數改變度（DCV）。計算公式如下：

CVm=σm/Mm（4）

σm=1n∑nk=1（Mmk-Mm）2 （5）

DMm=Mo，m-Mc，mMo，m×100%（6）

DM=1G∑Gm=1DMm（7）

DCVm=CVo，m-CVc，mCVo，m×100%（8）

DCV=1G∑Gm=1DCVm（9）

式中：

CVm為等m個指標在目標區間內的變異系數；

σm，Mm分別為第m個指標在目標管理范圍內的標準差和均值；

Mmk為第m個指標落在目標范圍內第k年的數值；

DMm為第m個指標在目標管理范圍內均值的改變度；

Mc，m，Mo，m分別為第m個指標突變前后落在目標管理范圍內的均值；

DCVm為第m個指標在目標管理范圍內變異系數的改變度；

CVc，m，CVo，m分別為第m個指標突變前后落在目標管理范圍內的變異系數；

DM，DCV分別為整體均值、變異系數的改變度。

（3） 計算河流整體水文情勢改變度（OA）。計算公式如下：

OA=1-（1-D）×（1-DM）×（1-DCV） （10）

3 結果分析

3.1 年徑流量特征分析

3.1.1 年徑流量趨勢分析

圖2為朱沱站徑流量年際變化情況，最大、最小年徑流量為3 257億m3、1 934億m3，多年平均年徑流量為2 637億m3。1956～2022年，朱沱站年徑流量呈現下降趨勢，斜率為-1.149 4億m3/a，檢驗統計量為0.355，未通過α=0.05檢驗，年徑流量下降趨勢不顯著。

3.1.2 年徑流量突變檢驗

采用M-K突變檢驗、滑動t檢驗和累計距平法綜合分析朱沱水文站1956～2022年徑流量突變年份，根據突變年份將朱沱站徑流序列劃分為自然狀態和受影響狀態。通過顯著性水平檢驗的3種方法檢驗結果如圖3所示，徑流序列突變年份見表2。

根據以上3種方法得出理論突變年份為2005年，結合長江上游水庫建成情況，紫坪鋪水庫于2004年12月下閘蓄水，對下游徑流產生了一定影響，本文選取2005年為朱沱站1956～2022年突變年份；同時考慮到長江上游大型水庫——向家壩水電站于2012年投產運行，故本文將2012～2022年流量過程進行單獨分析，討論向家壩水電站運行對其下游江段水文情勢的影響，為了解近年來大型水庫運行對河流水文情勢的改變提供參考。

3.2 水文情勢變化分析

根據突變檢驗結果，將1956～2004年徑流序列作為天然徑流狀態，2005～2022年徑流序列作為受影響狀態。利用改進RVA法計算朱沱站水文情勢改變度，由于2012～2022年徑流序列較短，對向家壩運行前后水文情勢改變程度采用原有RVA法計算，計算結果見表3～4。

利用原有RVA法評估2005～2022年和2012～2022年兩個序列的水文情勢整體改變度分別為48.81%和62.46%，改進RVA法評估2005～2022年序列水文情勢改變度為56.54%，均屬于中度改變程度。根據IHA指標落區圖（圖4），兩個序列均發生重度變化的指標為1，2，3月平均流量、年均7，30，90 d最小流量、基流指數、低流量發生次數、低流量發生歷時、逆轉次數，共10個指標，且兩個序列發生重度變化的指標重合率很高。發生中度變化的指標為7月平均流量、12月平均流量、年均1，3，7，30，90 d最大流量、年最小流量出現時間、年最大流量出現時間，共9個指標。其中，RVA法計算結果表明，在2012～2022年序列中，1月平均流量、3月平均流量、年均 90 d 最小流量、低流量歷時和逆轉次數的變化程度已經達到100%，在2005～2022年序列中，1月平均流量、低流量歷時和逆轉次數已達到高程度改變。兩個序列各指標變化程度見表5。

3.2.1 月均流量變化

圖5表明2005～2022年序列中1～5月份及12月份的平均流量高于天然徑流序列；6～10月份明顯低于天然徑流序列，其中，8～9月份流量下降最為突出，分別減少1 950，2 240 m3/s；只有11月份流量較天然徑流序列變化不明顯。在2012～2022年序列中，流量變化與2005～2022年序列對比天然徑流序列變化類似，其中，3月份流量增加最為明顯，達到了54%。

3.2.2 年極端流量與年極端流量出現時間變化

圖6表示2005～2022年、2012～2022年序列極端流量與天然徑流序列正常范圍的關系，其中，天然徑流序列的正常范圍為均值±標準差。從圖6中可以看出，兩個序列的極端年最大流量均落在天然徑流序列的正常范圍中，但又均小于正常范圍均值，這表明朱沱站上游的梯級水庫群在汛期起到了一定的防洪作用。而兩序列的極端年最小流量均未落在天然徑流序列的正常范圍內，都落在箱體最大值上方，表明年最小流量因子已發生較大程度的變化。

根據表3可知，天然徑流序列中最大流量一般發生在8月上旬，與兩個序列年最大流量出現時間相差不大，這可能與近年來長江上游未發生較大洪水，以及上游梯級水庫沒有進行大幅度蓄水有關。歷史上年最小流量發生時間一般在3月上旬，而兩序列中的年最小流量發生時間分別在2月下旬和2月中旬，與歷史年最小流量發生時間差異明顯，發生時間提前。圖7年最小流量出現時間顯示，天然徑流序列中，年最小流量發生時間絕大部分落在RVA范圍內，在突變后，超過半數的年最小流量出現時間落在了范圍外，表明最小流量因子也已發生較大程度變化。

3.2.3 高低流量頻率及歷時變化

根據表3～4可知，兩個序列的高流量發生時間和歷時均值均接近于歷史序列，變化不大。但低流量歷時變化明顯，2005～2022年（改進RVA法）和2012～2022年的低流量歷時指標改變度分別為95.95%，100%，為高度變化。2012～2022年序列低流量發生次數的均值為0，這可能與水庫流量調節有關。

3.2.4 流量變化率與逆轉次數變化

根據圖8流量逆轉次數變化可以看出，突變后的兩個序列的流量逆轉次數都無法落在RVA范圍之內，且都落在了RVA閾值上限，表明突變后的流量逆轉次數發生了顯著增加，可能與上游水庫群調蓄有關。流量變化率與逆轉次數的顯著變化會對河流的生態系統健康產生不利影響。

3.3 水文情勢變化原因

氣候變化和人類活動是影響徑流變化的主要驅動因素，氣候變化通過降水、蒸散發作用等方式來改變水文要素，而人類活動則通過改變下墊面來實現。氣候變化對長江中下游徑流改變的貢獻率高達70%［15］，同樣，長江上游的水文變化對氣候因素更為敏感，人類活動對徑流影響的貢獻率也在增加［16］。在重慶段，人類活動是造成徑流變化的主要原因，氣候因素中降水量對徑流量變化的影響較潛在蒸散發量更為突出［17］。

本研究中發現朱沱水文站徑流量呈下降趨勢，與李帥等［18］研究得出長江上游120 a來氣溫和潛在蒸散發量整體呈增加趨勢，而降水量卻未呈增加趨勢導致徑流量減少的結果一致。同時，水庫也會通過促進庫區的水面蒸發來改變徑流量［19］。由于水庫“削峰補枯”效應，汛期長江干流徑流量減少，非汛期徑流量增加［20］，與本研究水文情勢突變后各月平均徑流量變化一致。另外，IHA指標中的后4組水文指標變化可能與長江上游梯級水庫的調度運行規則有關。

4 結 論

本文基于朱沱水文站1956～2022年序列日流量資料，利用M-K突變檢驗、滑動t檢驗和累計距平統計量法分析得出朱沱站徑流序列突變年份為2005年，在原有RVA法基礎上，引入IHA指標在目標區間的均值（DM）和變異系數（DCV）兩個參數對長江上游的水文情勢進行分析，綜合評價長江上游水文情勢改變度，結果表明朱沱站的水文情勢已發生中等程度變化，具體結論如下。

（1） 朱沱站1956～2022年徑流量呈不顯著下降趨勢，年際變化較大。

（2） 朱沱站多年日徑流序列2005～2022年、2012～2022年水文情勢改變度分別為56.54%，62.46%，后者已接近重度程度變化。發生中等程度變化的指標一般與極端流量相關，發生重度程度變化的指標一般與最小流量相關。

（3） 長江上游梯級水庫群對朱沱站水文情勢的主要影響包括：1～5月份及11～12月份流量增加，6～10月份流量減少，這與水庫群“削峰補枯”有關；突變后年最小流量遠大于天然徑流狀態，年最小流量也提前發生；低流量歷時顯著減少；流量逆轉次數增加。

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（編輯：江 文）

Study on hydrological regime change of Changjiang River upper main stream based on improved RVA method

MI Guoxin1，WANG Li1，2，LU Jia1，CHEN Junwen1，ZHANG Peng1，2，YANG Shengfa1，2

（1.College of River and Ocean Engineering，Chongqing Jiaotong University，Chongqing 400074，China；

2.National Engineering Research Center of Inland Waterway Regulation，Chongqing 400074，China）

Abstract： Joint operation of reservoir groups in the upper reaches of Changjiang River will inevitably change the downstream hydrological situation and affect the river ecosystem.Mann-Kendall test，slide t test and cumulative anomaly statistical method were used to test the trend and sudden change of daily average discharge series from 1956 to 2022 at Zhutuo Station in the upstream of Changjiang River.The hydrological parameters of the hydrological change index method were selected，and the change degree of runoff sequence in Zhutuo Station was quantitatively evaluated by the Range of Variability Approach （RVA） method and the improved RVA method.The results showed that the average annual runoff of Zhutuo Station showed an insignificant downward trend，and there was a sudden change in 2005.The variation degree of the original Hydrological change index method to assess the runoff sequence of Zhutuo Station was 48.81%，and the variation degree of the improved method to assess the runoff sequence was 56.54%，showing a moderately change.The main impact of reservoir groups on the hydrological situation of Zhutuo Station was the discharge increase from January to May and from November to December，and the discharge decreased from June to October.After the sudden change，the average annual flow was far greater than the natural runoff，and the minimum flow also occurred in advance.The time of low flow was significantly reduced，and the number of reversals increased.This results can provide a reference for the protection of water ecosystem and rational development of water resources in the upper reaches of Changjiang River.

Key words：

improved RVA method； hydrological change index method； Range of Variability Approach method； reservoir group joint operation； Zhutuo Station； upper reaches of Changjiang River