考虑水文变异的河道生态径流研究

2018-01-19莫崇勋阮俞理莫桂燕林怡彤孙桂凯杨云川

水力发电 2017年10期

莫崇勋，阮俞理，莫桂燕，林怡彤，孙桂凯，杨云川

(1.广西大学土木建筑工程学院，广西南宁530004;2.工程防灾与结构安全教育部重点实验室，广西南宁530004；3.广西防灾减灾与工程安全重点实验室，广西南宁530004)

1 研究背景及区域概况

河流生态需水特别是河道内生态径流的研究已成为水科学领域以及生态学领域研究的热点问题。李捷等[1]对河道内最小生态径流和适宜生态径流等做出了界定，并提出一种新的逐月频率计算方法；李梅等[2]提出了一种既考虑河道自身参数又考虑维持一定生态所需要流量的水力学方法；万东辉等[3]基于水文循环理论，分析了雅砻江流域生态需水量；王红瑞等[4]引入水文系统模糊性理论，建立了基于梯形模糊数的不确定河道生态需水模型。然而，在气候变化和人类活动的影响下，降雨径流等水文时间序列往往已经发生了显著的变异，序列一致性遭到破坏。因此，在考虑水文变异的基础上对河道内生态径流进行研究，有利于更为科学、合理地计算河道生态需水，维持河流生态系统的健康发展。2015年，刘剑宇[5]等研究了水文变异条件下，鄱阳湖流域的生态流量，并发现变异前后生态需水满足率发生显著变化。广西多数流域水文过程易受气候变化和人类活动以及台风等特殊天气的影响，水文序列往往已经发生变异；但是相关研究尚未在广西相关流域开展。为此，本文采用Mann-Kendall等方法对广西澄碧河流域坝首和平塘两个主要水文站的径流序列进行突变检验，并根据突变检验结果将径流序列分成变异前时期以及变异后时期。分别研究两个水文站变异前后最小生态径流过程和适宜生态径流过程，并通过对比分析变异前后适宜生态径流满足率的变化，进而分析水文变异对河道内生态径流的影响，以期为该流域水资源利用及生态环境保护提供科学依据。

澄碧河流域位于广西壮族自治区百色市，流域气候属于亚热带季风气候，受全球变暖影响较为严重，流域内多年平均降雨量1 560 mm，降雨年内分配不均，每年5月～9月的降水量约占全年雨量的87%左右。坝首和平塘水文站是流域内两个主要的水文站，数据完整且可靠，其中坝首水文站记录有1963年～2014年52年的逐日流量数据，平塘站则记录有1963年～2011年49年逐日流量资料。

2 研究方法

2.1 突变检验方法

本文采用Mann-Kendall法进行突变点的初步检验，并采用Hurst系数法、累积距平法、有序聚类法、滑动T检验法、以及滑动秩和检验法进行突变点的综合检测及突变程度强弱的分析。本文仅简要介绍Mann-Kendall法的原理和步骤[6]，其他方法的原理和步骤参考文献[7]。

首先，设原始时间序列为y1，y2…yn，mi表示第i个样本yi大于yj(1≤j≤i)的累积数，定义统计量

(1)

在原序列随机独立等假设下，dk的均值和方差分别为

(2)

将上面公式的dk标准化，得

(3)

其中，UFk组成一条UF曲线，通过信度检验可得出其是否有明显的变化趋势。把前述步骤引用到反序列中，计算得到另一条曲线UB，则两条曲线在置信区间内十字相交的交点确定为突变点。给定显著性α=0.05，则统计量UF和UB的临界值为±1.96。

2.2 生态径流计算方法

2.2.1 逐月最小生态径流计算法

最小生态径流可定义为：为了满足河流生态环境系统稳定和健康所需的最小流量过程，最小生态径流可以看作一个阈值，其所对应的水量通常被视为河流的最小生态需水量，是研究河流生态的重要指标。具体方法如下[8]：

将逐日流量数据进行计算统计，得到12个月的月平均流量系列，记为Qnm。其中，n表示年份，m表示月份。然后，取每个月系列的最小值qm=min(Qnm)作为该月的最小生态径流量，即可得到全年最小生态径流过程。

2.2.2 逐月频率计算法

适宜生态径流是对河流生态环境最为适合的径流过程，是研究河流生态的另一个重要指标。将获得的历史流量数据进行统计分析，得到1月至12月份的月平均流量系列Qnm，并把每年划分为丰、平、枯3个时期，分别记为F、P、K。对每个时期拟定不同的保证率(PF=50%，PP=70%，PK=90%)，按如下步骤计算[9]：

若序列Qm∈F′，即月平均流量序列为丰水期序列，将Qm用P-III曲线进行适线，取P=50%的流量值，并记为qm；同理，如果Qm∈P，即月平均流量序列为平水期序列，将Qm用P-III曲线进行适线，取P=70%的流量值；如果Qm∈K即月平均流量序列为枯水期序列，将Qj用P-III曲线进行适线，取P=90%的流量值。最后得到qm序列即为适宜生态流量过程。根据研究流域径流序列特征，本次研究年内分期为：5月～9月丰水期，10月～12月平水期，1月～4月枯水期。

3 结果与分析

3.1 突变检测结果与分析

运用Mann-Kendall法对澄碧河流域坝首及平塘两个水文站径流序列进行突变的初步检验(见图1和图2)。由图1可初步判断：坝首站流量可能在1992年前后发生突变，1992年前后流量呈现减少趋势；采用Hurst系数法对突变程度进行分析，Hurst系数值为0.72，说明变异程度属中度变异。由图2可以初步判断：平塘站流量可能在1989年前后发生突变，1989年前后也呈现出流量减少的趋势；Hurst系数值为0.69，属中度偏弱变异。考虑到仅用单一检验方法有其适应流域的局限性、检验结果的片面性及误差性，本次研究采用累积距平法、有序聚类法、滑动秩和、滑动T等多种突变检验法对突变检验结果进行验证分析及综合检测，将可能变异点中权重最大的年份作为最终突变年份。突变年综合检测结果见表1。由此可知，坝首和平塘流量序列突变年分别为1992年和1989年。

图1 坝首水文站径流突变初步检验结果

图2 平塘水文站径流突变初步检验结果

站名可能突变年所占权重所用方法最终突变年坝首198902滑动秩和199206M⁃K、有序聚类、滑动T199302累积距平1992平塘198906M⁃K、滑动秩和、滑动T199004累积距平、有序聚类1989

3.2 最小生态径流结果与分析

以突变年为分界点，采用逐月最小生态径流计算法分别对坝首和平塘两站水文变异前后最小生态径流进行分析(见图3和图4)。图3和图4皆表明水文变异后的河流最小生态径流过程小于水文变异前的最小生态流量过程，即水文变异使得生态径流的最小阈值变小。坝首水文站最小生态径流过程线峰值从变异前39.8 m3/s下降到变异后的23.3 m3/s，但峰值出现时间大致相同，仅相差一个月，最小年生态径流量差值达1.12亿m3。平塘水文站最小生态径流过程线峰值从变异前37.4 m3/s下降到变异后的24.1 m3/s，峰值出现时间也仅相差一个月，最小年生态径流量差值达1.22亿m3。究其原因是：水文序列变异加强了降雨径流过程的极值化现象，研究结果反映流域径流极小化现象被加强。

图3 坝首站变异前后最小生态径流结果

图4 平塘站变异前后最小生态径流结果

3.3 适宜生态径流结果与分析

同样以突变年为分界点，采用逐月频率计算法分别对坝首和平塘两站的变异前后适宜生态径流进行分析(见表2、3)。

表2 两站变异前后适宜生态径流计算结果

表3 坝首及平塘水文站变异前后适宜生态径流满足率成果 %

综合可知，两站的丰水期时段变异前适宜生态流量均普遍小于影响期；平水期变化不明显；枯水期时段变异前适宜生态流量普遍大于变异后。其中，坝首水文站丰水期适宜生态径流平均增加12.82 m3/s，径流过程线峰值从变异前101.5 m3/s上升到变异后的128.4 m3/s，峰值都出现在7月份；而枯水期生态径流则平均减少了2.4 m3/s。平塘水文站丰水期适宜生态径流平均增加11.56 m3/s，径流过程线峰值从变异前101.5 m3/s上升到变异后的128.4 m3/s，峰值都出现在7月份；而枯水期生态径流则平均减少了1.5 m3/s。这更进一步说明：水文变异使得径流极值化现象增强；表现为丰水时期更丰，枯水时期更枯。这与广西澄碧河流域20世纪90年代以来汛期洪涝灾害频发和枯水期旱灾频发现象相符；也是全球气候变化导致极端事件强度和频率逐年增加的证明。

3.4 满足率变化结果与分析

各月适宜生态径流满足的天数与序列相应月份总天数的比值即为该月适宜生态径流的满足率。对比分析坝首和平塘水文站变异前后适宜生态径流满足率(见表3)，来进一步探讨水文变异对生态需水的影响。

由表3可知，由于水文变异的影响，坝首和平塘水文站适宜生态径流满足率呈现出枯水时变异前适宜生态径流满足率总体高于变异后；而丰水期间则是相反的现象。其中，受水文变异影响后坝首站枯水期适宜生态径流满足率平均下降10.8%，丰水期则平均上升3.7%；平塘站枯水期适宜生态径流满足率则平均下降7.5%，丰水期平均上升5.8%，平水期满足率基本无变化。由此说明，水文变异对生态径流的影响主要发生在枯水期和丰水期，对平水期影响较弱。