衢江衢州段径流IHA指标体系趋势性变化分析

郑 骞，姜 磊，孙路风，吴红雨

(1.衢州市水土保持监督管理站，浙江 衢州 324000；2.衢州市铜山源水库管理局， 浙江 衢州 324000；3.浙江九州治水科技股份有限公司，浙江 衢州 324000)

衢江衢州段径流IHA指标体系趋势性变化分析

郑 骞1，姜 磊1，孙路风2，吴红雨3

(1.衢州市水土保持监督管理站，浙江 衢州 324000；2.衢州市铜山源水库管理局， 浙江 衢州 324000；3.浙江九州治水科技股份有限公司，浙江 衢州 324000)

基于1956—2006年衢江衢州站逐日流量资料，通过非参数统计检验Mann-Kendall法分析了衢江衢州段径流的33个IHA指标趋势性变化.结果表明：近年来在人类活动影响下衢江年极端最小流量、基流指数、涨落变换次数等序列呈显著上升趋势，低脉冲历时、涨水率序列呈显著下降趋势，说明流域上游水库群已起到蓄丰补枯的径流调节作用，降低了汛期的洪峰流量，枯水量级有所提高，枯水期持续历时缩短，有利于保护水生态系统，保障其枯期生态需水.

衢州；径流；IHA指标体系；趋势性变化

近年来，人类活动(主要包括水库群拦蓄、引调水、抽取地下水、水土保持、城市化)对河流水文情势变化的影响一直都属于生态水文学科的热门研究方向，相关学者也做了大量的研究[1].特别是随着社会经济快速发展、人类活动对河流的影响不断加剧，针对我国不同地区具有不同水文特征和生态学特征的河流进行研究分析，意义重大[2].

钱塘江是浙江省第一大河.科学开发、利用和保护钱塘江水资源对浙江省经济社会健康发展至关重要.本文以衢江的衢州段为研究对象，采用非参数统计检验Mann-Kendall(M-K)法对33个IHA指标进行长序列趋势性变化分析.研究成果可为衢江水资源开发利用与生态环境保护提供科学依据和技术支持.

1 研究区概况及数据

钱塘江南源从马金溪至常山港再至衢江，下游入兰江、富春江、钱塘江，最终汇入杭州湾.衢州市地处浙江省西南部，位于钱塘江流域的上游地区，多年平均水资源总量为101.32亿m3，人均水资源占有量4 150 m3，为全国水平的1.8倍，全省水平的2.1倍.

选取衢江干流衢州水文站作为研究衢江径流长序列趋势性变化的控制节点.衢州站位于城区西安门大桥下游[118.87°E，28.98°N]，断面以上集水面积约为5 424 km2.衢州站1956—2006年共51 a的流量资料作为径流趋势性变化研究的基础资料.钱塘江流域水系及衢州站位置示意图(见图1).

图1 钱塘江水系及站点分布示意图

2 研究方法

2.1 非参数统计检验Mann-Kendall法

非参数统计检验Mann-Kendall法是检测时间序列趋势变化的常用方法，其优点是不需要样本遵从一定的分布，也不受少数异常值的干扰，以适用范围广、人为性少、定量化程度高而著称[3-4].

对某一时间序列{x(t)}{t=1,2,…,n}，M-K法趋势检验的统计量公式是：

(1)

式中，sign()为符号函数：

(2)

当n≥8时，统计量S近似服从正态分布，其均

值及方差分别为：

E(S)=0

(3)

Var(S)=

(4)

式中，i为时间序列中等值子序列(序列值连续相等的子序列)的长度，ti为长度为i的等值子序列的数量.

构造检验统计量Z：

(5)

Z服从标准正态分布.在双边检验中，若|Z|≥Z1-α/2，则表示在显著性水平α下拒绝原假设，说明时间序列存在显著的趋势变化.Z为正值表示增加趋势，负值表示减少趋势.Z的绝对值在≥1.64、1.96和2.58时，分别表示通过了0.10、0.05和0.01显著性水平的检验，即检验结果分别具有90%、95%和99%的置信度.

2.2 IHA(Indicators of Hydrologic Alteration)指标体系

河流水流情势涉及大量的信息和数据，过程描述相当复杂，通过建立指标体系来研究复杂的生态水文过程，是一种有效的分析手段.目前，国内外应用较为广泛的是IHA指标体系[5-6].IHA法依据河流的日水文资料(系列长度>20 a)，评估河流生态水文变化的程度及其对生态系统的影响，该指标体系共涵盖5类33个指标，包括月流量状况、极端水文现象的大小与历时、极端水文现象的出现时间、高低脉冲流量的频率与历时以及流量变化的出现频率与变化率，来描绘河流的流量变化特征.其中，极端水文事件的出现时间和历时与特定的生命过程需求是否得到满足有关，而其发生频率又与生物的繁殖或死亡有关，进而影响生物种群的动态变化；水文变量的变化率与生物承受变化的能力有关.33项具体生态水文指标及其生态意义(见表1).项目采用参数方法统计各IHA指标，即统计均值.

表1 生态水文指标及其生态意义

3 IHA指标变化趋势

3.1 月均流量

衢州站各月平均流量序列的M-K检验结果(见表2).结果表明，5月的流量序列呈显著下降趋势，通过了95%置信度检验.1月、7月、8月、9月、11月和12月的流量序列上升趋势显著，通过了90%以上的置信度检验，其它月份的长序列均未呈现明显的上升或下降趋势.

3.2 年水文极值大小和历时

衢州站年极端流量序列的M-K检验结果(见表3).年极端最小流量序列都呈显著上升趋势，除最小90日流量序列的上升趋势是通过了95%置信度检验，其余年极端最小流量序列的上升趋势都通过了99%置信度检验.年极端最大流量序列基本稳定，未检测到显著变化趋势.水库群蓄丰补枯的径流调节作用显著改善了生态水文条件，枯水量级有所提高，有利于保护水生态系统，保障其枯期生态需水.M-K检验的Z=4.40，表明基流指数序列的上升趋势显著，通过了99%置信度检验.

表2 月平均流量序列M-K检验结果

表3 年极端流量序列M-K检验结果

3.3 年极值水文状况发生时间

衢州站年极端流量发生时间的趋势变化特征(见图2).最小1日流量发生时间的M-K检验Z=1.41，最大1日流量发生时间的M-K检验Z=0.94，未检测到显著变化趋势，说明极端流量的发生时间基本稳定，未有明显的增加或减少趋势.

3.4 高、低流量脉冲的频率及历时

衢州站低、高脉冲次数及历时序列的趋势变化特征(见图3).

图2 年极端流量发生时间趋势变化

图3 脉冲特征趋势变化

各序列趋势变化M-K检验的结果(见表4).除低脉冲历时序列呈显著下降趋势外，其余序列基本稳定，未检测出显著变化趋势.低脉冲历时序列呈显著下降可以反应枯水期的时间大幅缩短，这与上游建造水库或者堰坝等工程，增加了枯水期的生态流量下泄有关，也证明水利工程在调节径流年内分配，改善枯水期河道水生态环境方面发挥了积极的作用.

表4 脉冲特征M-K检验结果

3.5 水流条件变化率及频率

衢州站涨水率、落水率、涨落变换次数序列的趋势变化特征(见图4).

图4 涨水率、落水率、涨落变换次数趋势变化

各序列趋势变化M-K检验的结果(见表5).

表5 脉冲特征M-K检验结果

涨水率序列呈显著下降趋势，M-K检验Z=-2.51，通过了95%置信度检验.落水率序列基本稳定，M-K检验Z=0.65，未检测到显著变化趋势.涨落变换次数序列呈显著上升趋势，M-K检验Z=7.42，通过了99%置信度检验.涨水率降低可能是由于水库的防洪作用，山洪暴发时水库适当拦蓄洪水，削减洪峰，并降低了流量上涨率.涨落变换次数显著增多也可能是由于水库的调节作用.水库根据防洪、发电等需要适时调整库区水位，发挥蓄水、泄水功能，从而影响涨水、退水过程，改变涨落水变换次数.

4 结 论

采用非参数统计检验Mann-Kendall法分析了衢江衢州段51 a长序列径流的33个IHA指标的趋势性变化.结果表明：(1)衢江站月流量序列除5月有下降趋势，其他月份无显著变化趋势或有上升趋势，说明了衢江月均流量基本保持稳定.(2)最小1日、3日、7日、30日、90日平均流量序列、基流序列均呈显著上升趋势，说明了衢江枯水期的流量显著提高.(3)低脉冲历时序列呈显著下降趋势，说明了 衢江枯水期的历时显著减少.(4)涨水率序列呈显 著下降趋势，涨落变换次数呈显著增多趋势，说明了洪水期间，水库群将天然的大流量洪峰过程分割成为了若干个小的洪峰，削减了洪峰，降低了流量的上涨率，改变了涨落水变换的次数.

随着近50 a来人类活动影响，衢江的水文情势发生了较大变化，流域上游水库群蓄丰补枯的径流调节作用显著改善了生态水文条件，降低了汛期的洪峰流量，枯水量级有所提高，枯水期持续历时缩短，有利于保护水生态系统，保障其枯期生态需水.

[1] 李国芳,夏自强.人类活动和气候变化对径流量的影响研究[C]//全国水问题研究学术研讨会，2005.

[2] 郑 骞,纪碧华,饶桐贵,等.衢江衢州段生态径流计算[J].水电能源科学,2007,35(3):27-29.

[3] HUANG F, XIA Z Q, ZHANG N, et al. Flow-Complexity Analysis of the Upper Reaches of the Yangtze River, China[J]. Journal of Hydrologic Engineering, 2011,16(11):914-919.

[4] HUANG F, XIA Z Q, LI F, et al. Hydrological Changes of the Irtysh River and the Possible Causes[J]. Water Resources Management, 2012, 26(11):3195-3208.

[5] RICHTER B D, BAUMGARTNER J V, POWELL J, et al. A method for assessing hydrologic alteration within ecosystems[J]. Conservation Biology,1996,10(4):1163-1174.

[6] RICHTER B D, BAUMGARTNER J V, WIGINGTON R, et al. How much water does a river need?[J]. Freshwater Biology, 1997,37(1):231-249.

TrendVariationofIHAIndicatorSysteminQuzhouSectionofQujiang

ZHENG Qian1, JIANG Lei1, SUN Lu-feng2, WU Hong-yu3

(1.Soil and Water Conservation Supervision Station of Quzhou, Quzhou 324000, China; 2.Quzhou Tongshanyuan Reservoir Administration Bureau, Quzhou 324000, China; 3.ZheJiang Jiuzhou Water Control Technology Co., Ltd., Quzhou 324000, China)

Based on the 51-year daily runoff data of Quzhou Station from 1956 to 2016 of Qujiang River, the trend variation of 33 IHA indicators by Mann-Kendall test on Quzhou Section is analyzed. Results show that under the influence of human activity, the series of extreme minimum flow, base flow index, and changing frequency fluctuation of Qujiang River shows a significant upward trend, and those of low pulse duration, rose water rate significantly declines, which indicates the ecological hydrological conditions are significantly improved by the runoff regulation effect of upstream reservoir groups. Water conservancy projects also reduce flood peak flow in flood season, increase the amount of dry water and shorten the duration of dry season, which is conducive to protecting the water ecosystem and the ecological water demand in dry season.

Quzhou; runoff; IHA indicator system; trend variation

2017-07-09

衢州市115人才工程培养人员科技项目

郑 骞(1986-)，男，浙江衢州人，硕士，工程师，研究方向为生态水文与环境水文.

10.3969/j.issn.2095-7092.2017.05.002

TV697

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1008-536X(2017)05-0005-05