渭河中下游水文变异点识别及生态保障流量计算

辛琛，尚潇瑛，刘俊，曲艳

（1.陕西省江河水库管理局，陕西西安710018；2.陕西省河流工程技术研究中心，陕西西安710018）

渭河中下游水文变异点识别及生态保障流量计算

辛琛1，尚潇瑛2，刘俊2，曲艳2

（1.陕西省江河水库管理局，陕西西安710018；2.陕西省河流工程技术研究中心，陕西西安710018）

针对水文变异引发的基于水文统计学的生态保障流量分析方法在实践应用上存在的问题，提出通过水文变异点分析找出受环境变化影响的转折年，以该年份之前的水文序列计算生态系统需要的保障流量的思路，可有效避免因水文变异而导致的水文统计学方法失效问题。以渭河中下游为例，通过累积曲线法和Mann-Kendall（M-K）检验法对渭河干支流7个关键控制断面进行水文变异点识别，并以此为基础，应用改进Tennant法计算渭河中下游各控制断面的生态低限流量与适宜生态流量。该成果可作为渭河开展流域综合治理和生态保护的参考数据。

水文变异；生态保障流量；Mann-Kendall法；Tennant法；渭河

0 引言

随着社会经济发展和国民环保意识的提高，人们逐渐认识到，对支撑渭河流域社会经济的可持续发展，保护渭河水环境来说，保证一定的河道生态水量是至关重要的[1]。然而由于受气候变化和人类活动的影响，很多河流的水文序列都发生不同程度的变异，径流资料的一致性难以保障，这也使得很多基于水文统计学的生态保障流量分析方法在实践应用上需要改进[2]。因此，很多学者提出通过还原径流过程来解决生态保障流量推求方法的局限问题。可由于对人类活动的干扰无法准确测量或资料缺失，这种影响很难定量计算，这种思路在实施过程中非常困难。且众所周知，在人类的扰动下水文过程发生着趋势性的演变，而非原来的随机过程序列，通过还原方法计算得到的径流序列来推求生态径流，事实上存在偏大且在实践操作中很难保证的问题，进而使确定的生态保障目标缺乏实践指导意义。因此，针对水文序列变异这一问题，笔者认为可通过变异点识别方法，确定变异点位置，并以变异前和变异后的水文序列为基础数据，计算不同变异条件下的河流生态流量。

国际学术界在涉及生态保障流量的计算中，通常进行如下假设：在相当长的一段时期内，流域生态系统适应于当前的水文过程，并能通过当前的水文过程满足其生态要求[1]。结合水文变异，可得出如下推论：河流生态系统在相当长的时期内，已适应了变异前的水文状态，当水文变异发生后，差异性的水文变化会显著影响河流中的水生和河岸物种。由于流量变化是河流生态系统的限制性因素，对于河流健康起着十分重要的作用，因此可粗略地认为河流水文变异点具有与河流生态变异同步的特点，即水文变异的时间点也可看作河流的生态变异点，故计算河流生态保障流量时，只考虑变异点前水文序列，即可反映出生态变异点前的水文需求，这对缓解由于环境变化导致的水文变异对生态系统的破坏是十分有益的。

渭河集灾害性洪水频发、泥沙淤积和悬河、水资源短缺、生态环境恶化等诸多典型问题于一身。由于气候因素、人为因素、下垫面条件交叉影响，使渭河干支流的水文水力联系错综复杂，是一个高强度人类干扰下的复杂河流，给渭河治理和管理带来了极大的困扰[3]。识别渭河干支流主要控制站的水文变异点，通过水文变异点分析找出受环境变化影响的转折年，以该年份之前的水文序列作为未变异前生态系统需要的保障流量的计算数据，可有效避免因水文变异而导致的水文统计学方法失效问题。

1 数据选取

本次研究选取渭河干流林家村（1935~2010年）、魏家堡（1950~2010年）、咸阳（1934~2010年）、临潼（1961~2010年）、华县（1959~2010年）以及主要支流泾河张家山（1955~2010年）、北洛河状头（1934~2010年）站控制断面的长系列实测流量序列为研究数据，分别运用累积曲线法和Mann-Kendall（M-K）检验法对其进行水文变异点识别。变异点识别前需要先将数据进行标准化（normalization）处理，再利用标准化后的数据进行数据分析。通过对七个水文站的长系列实测径流资料进行计算分析，可获得渭河及其主要支流长系列年平均流量的变异点结果，为各主要控制断面的生态保障流量计算提供基础。

2 研究方法

2.1 水文变异点识别方法

水文变异点分析的方法较多，常见的有累积曲线法、R/S分析法、轶和检验法、t检验法、F检验法、Mann-Kendall（M-K）检验法、有序聚类分析法等[2]。本次研究采用累积曲线法进行变异点识别，并运用M-K检验法对结果进行检验，综合它们的检验结果，结合渭河中下游的实际情况，确定可能的变异点。

（1）累积曲线法：时间序列累积值相关。

（2）Mann-Kendall法：用于趋势检验的Mann-kendall方法也可用于变异点的检验分析中。由于其不需要遵从一定的分布，且不受少数异常值的干扰，结构简单，计算方便，在水文变异点的识别中较为常用[2]。

假设（X1，…，Xn）为时间序列变量，n为时间序列的长度，当用M-K法来检验水文变异时，其统计量S为Xj>Xi（1≤i≤j）的样本累积数，即：

定义统计量：

计算得出UFτ，给定显著水平α，查出临界值Uα，若│UFτ│＞Uα，则系列存在明显的趋势；同理以逆序列1Xn，Xn-1，…，X1姨，重复以上过程，令UBτ=-UFτ1τ=n，n-1…，1τ，绘制UFτ和UBτ曲线图，若UFτ或UBτ值大于0，则序列有上升趋势，反之则下降；若UFτ和UBτ曲线相交且交点在临界线之间(α=0.05，±1.96直线)，则交点对应的时刻即为变异开始的时间。

2.2 生态低限流量与生态适宜流量计算

根据河流基本生态需水的定义，维持河流基本生态环境功能不受破坏，就是要求年内各时段的径流量都能维持在一定水平上，不出现断流等可能导致河流生态环境功能破坏的现象。生态基流量的确定在国内有大量的研究，也提出了水文学、水力学等很多计算方法[1]，但由于渭河中下游河道属于宽浅型河道，且下游段泥沙淤积较为严重，河道变化极不稳定，每隔几年，河道断面形状会发生改变，湿周法和R2CROSS法计算该类河流生态流量具有明显的缺陷。而栖息地偏爱法和整体分析法由于缺乏长期、完整的生物监测数据，应用于该类河流系统也存在资料难以获取的缺点。因此，水文学方法称为渭河生态保障流量计算的主要方法。本文采用Tennant法计算渭河关中段各河段的生态低限流量与适宜生态流量[4]。

Tennant法也叫Montana法，是美国目前使用的确定河道生态环境用水量的一种方法，具有简单易行，便于操作的特点。Tennant方法是在分析历史径流记录的基础上，取天然流量的百分比作为河流生态基础流量。用公式表示如下：

其中，Wb为河道生态基础流量（m3）；Qi为一年内第i个月多年平均流量（m3）；Zi为对应第i月份的推荐基流百分比（%）。其中，Zi分为8个等级，推荐的基流量分为汛期和非汛期，推荐值以占径流量的百分比作为标准。

研究表明，一般选取多年平均流量的10%作为河道生态低限流量，而多年平均流量的30%，能为大多数水生生物提供了较好的栖息条件，作为适宜生态流量。考虑到渭河径流量及流量过程的年内季节变化与年际丰枯交替变化特性，本文采用改进的Tennant法对渭河流域生态低限流量和生态适宜流量进行计算，即利用流量系列中位数替代Tennant法中流量系列的均值，以此消除算数平均数受个别极端流量值的影响[4]。

图1林家村（合）站径流序列累积曲线图(a)与UF-UB曲线图

图2魏家堡站径流序列累积曲线图(a)与UF-UB曲线图

3 研究结果

3.1 水文变异点识别结果

应用累计曲线法和M-K检验法分别对7个水文站点的实测径流资料进行统计分析，得到水文变异点的分析结果如下：

图3咸阳站径流序列累积曲线图(a)与UF-UB曲线图

图4临潼站径流序列累积曲线图(a)与UF-UB曲线图

图5华县站径流序列累积曲线图(a)与UF-UB曲线图

图6张家山站径流序列累积曲线图(a)与UF-UB曲线图

图1~7(a)显示了通过累积曲线法获得的林家村等7个水文站可能的变异区域，又根据图1~7(b)UF-UB曲线图可以看出，林家村、魏加堡、咸阳以及张家山站的UF、UB两条曲线均仅有一个交点。综合以上两种方法可知，林家村、魏加堡、咸阳、张家山以及状头站等站的水文变异点分别为1992年、1989年、1959年、1996年、2004年。而临潼的可能变异区域中，一个在1970年附近，一个在1985年附近，又根据图4UF-UB曲线图可得1977~1986年为变异时间区域，综合以上两种方法确定1985年为临潼站的水文变异点。根据图5UF-UB曲线图可以看出，华县1977~1986年为变异时间区域，结合可能变异区域，确定1977年为华县站的水文变异点。

图7状头站径流序列累积曲线图(a)与UF-UB曲线图

表1 各水文站点水文变异点

变异点的驱动主要受气候变化和人类活动的影响，在两种因素作用下，河流水文气象要素发生变异，河道水文水力学条件改变，生物生境遭受冲击，生态系统将发生变化-适应-再变化的自适应调整过程。渭河流域的水文变异主要受降水变化和流域水利水土保持工程建设等人类活动的共同作用。近年来，许多学者对渭河流域的气候变化、水沙变化以及土地利用变化等方面做了大量的研究工作，研究表明，导致渭河干流径流量减少的主要原因是人类活动，其次是降水，且不同的历史时期，渭河流域人类活动的剧烈程度不同，对径流减少量的影响亦不同[5-7]。

4.2 生态保障流量计算

根据变异点位置，选取变异点之前的径流数据为基础数据，数据满足Tennant法的基本要求（最少拥有20年以上流量系列）。本文在渭河干流及其主要支流泾河、北洛河的7个水文站长系列年径流量变异点分析的基础上，将7个断面变异点之前的长系列资料作为人类活动影响前河流天然水文系列；采用多年平均流量的10%作为生态低限流量，多年平均流量的30%作为生态适宜流量。计算过程中利用流量系列中位数替代Tennant法中流量系列的均值，以此消除算数平均数受个别极端流量值的影响[4]。最终得到各主要控制断面中位数表（表2）和生态保障流量计算结果（表3）。

5 结论

本文以渭河中下游河段为研究对象，从主要控制断面水文变异点识别和生态保障流量计算等两方面进行分析计算，为生态需水配置措施的研究提供基础。

表2 渭河及其主要支流各控制断面资料系列及中位数表单位：m3/s

表3 渭河及其主要支流各河段生态基础流量过程计算结果单位：m3/s

通过累积曲线法和M-K检验法进行变异点识别，结果表明1992年为林家村（合）站的水文变异点；1989年为魏家堡站的水文变异点；1959年为咸阳站的水文变异点；1985年为临潼站的水文变异点；1977年为华县站的水文变异点；1996年为张家山（合）站的水文变异点；2004年为状头（合）站的水文变异点。基于变异点分析结果，本文采用改进Tennant法计算了渭河中下游7个主要控制断面的生态基础流量与适宜生态流量，可作为渭河开展流域综合治理和生态保护的参考数据。

然而由于近年来农业灌溉设施化、城市及工业化的发展，大量的河道外引水、河道内排污、地下水超采等人类的不合理开发利用行为，使渭河中下游生命健康受到了威胁，主要表现在生产用水挤占河道用水，低限流量不满足；河流水质超标，水污染严重；下游泥沙淤积严重，防洪形势严峻；环境地质问题突出等。本文计算得到的仅为天然状态下渭河中下游各站点的生态保障流量过程，在具体分析某种特殊要求时，还需要根据保障目标适当调整或开展进一步的研究。

[1]王西琴.河流生态需水理论、方法与应用[M].北京:中国水利水电出版社,2007.

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[3]高凡.高强度人类活动区河流健康评价与调控研究—以渭河关中段河流系统为例[D].西安理工大学.2012.

[4]郑志宏,黄强,魏明华.基于中位数众数理论的Tennant法改进与应用[J].四川大学学报(工程科学版),2010,42(6):41-45.

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[6]占车生,王会肖等.渭河流域气候变异和人类活动水文响应定量化研究[C].发挥资源科技优势保障西部创新发展—中国自然资源学会2011年学术年会论文集.

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Identification of Hydrological Variation Point and Flow Calculation of Ecological Security in the Middle and Lower Reaches of Weihe River

Xin Chen，Shang Xiaoying，Liu Jun，Qu Yan
（Shaanxi provincial Rivers reservoir management bureau Xi’an 710018,Shaanxi；Shaanxi provincial Rivers Engineering technology research center Xi’an 710018,Shaanxi）

Based on the hydrological variability,this paper puts forward the analysis of problems in the practical application of hydrological statistics.It is proposed that the transitional year affected by the environmental change by the hydrological variation point analysis.The ecological system needs to be calculated by the hydrological sequence before that year,the idea of ensuring the flow of traffic,which can effectively avoid the hydrological variation caused by hydrological statistical method failure.Taking the middle and lower reaches of Weihe River as an example,the hydrological variation points of the seven key control sections of the Weihe River stem and tributary are identified by the cumulative curve method and the Mann-Kendall(M-K)test.Based on the above mentioned,the Tennant method is used to calculate the middle and lower reaches of the Weihe River.The results can be used as Weihe River to carry out comprehensive management of river basin and ecological protection reference data.

Hydrology variation；flow under ecological security；the method of Mann-kenda II；Tennant method and Weihe river

P343

B

1673-9000（2017）03-0003-05

2017-04-03

辛琛（1982-），女，陕西吴堡人，工程师，主要从事水资源规划与项目管理。