金沙江流域云南片水文极小值演变及生态基流保障分析

王东升，袁树堂，杨 祺

(云南省水文水资源局，云南 昆明 650106)

气候变化下极端水文事件是近年来发展起来的与诸多学科密切相关的新兴交叉研究方向。洪涝灾害、干旱等极端水文事件的发生正成为人类面临的重大挑战，但目前相关研究成果相对较少[1]。水文极值很少出现，但一旦出现将产生巨大影响[2]。现有的针对水文极值的研究成果主要集中于引起洪涝灾害的水文极大值[1-4]，与干旱、水生态环境相关性较强的水文极小值研究较为少见。金沙江流域是我国西部生态脆弱区[5]，同时也是长江流域重要生态屏障，承担了长江上游水源涵养、防风固沙和生物多样性保护等重要功能[6]。现有研究成果表明，作为金沙江流域重要组成部分的云南片区气温有显著升高趋势，潜在蒸发和蒸发皿蒸发呈增加趋势，降水及主要干支流径流量无明显变化[7-11]；降水以短历时降水为主，且短历时降水强度、次数呈增加趋势[12]。气候的变化对金沙江流域内自然生态系统、水资源量和自然灾害均产生影响，加剧了流域生态系统的脆弱性[13]。金沙江下游水生态处于亚健康状态[14]，2009—2014年又遭遇1961年以来最严重的持续性干旱[15]，形势更为严峻。在此背景下，本研究基于金沙江流域云南片区域内水文代表站1968—2017年年径流极小值及年月平均流量数据，采用Mann-Kendall非参数统计检验法(以下简称M-K法)、一元线性回归法分析区域水文极小值演变规律，采用Tennant法及地区经验分析河流生态基流，评估极端情况下生态基流保障程度，旨在为掌握区域干旱、水生态环境面临的形势，采取合理的水资源调度配置方案和水生态环境保护措施提供参考。

1 研究区域概况

金沙江流域云南片位于云南省北部，省内总集水面积109 524.6 km2，占云南省国土面积的28.52%，东西横跨昆明等7个州(市)、47个县(市、区)，多年平均径流量424.1亿m3，占云南省水资源量的19.2%。流域内水系发达，集水面积在1 000 km2以上的河流有32条，1 00～1 000 km2的265条，封闭湖泊3个[16]。研究区属低纬度高原季风气候，分布有北热带、南亚热带、中亚热带、北亚热带、南温带、中温带与高原气候区，垂直变化十分明显，各地年平均气温在5.5～21.9 ℃，年平均降水量在300～1 300 mm，5—10月降水量占年降水量的90%左右[1]。径流主要来自降水，西北部少数河流有融雪补给，丰水期(6—11月)径流量占全年的81.9%，枯水期(12—5月)径流量占全年的18.9%[17]。研究区地貌分属云南省滇西横断山地、滇中红色高原与滇东喀斯特高原三大地理单元，区域构造运动强烈，地壳活动剧烈。研究区内春旱较为广泛，水资源分布极不均衡，其中昆明市所在滇池流域人均水资源量不足300 m3，为极度缺水区，因此开展区域水文极小值研究对当地抗旱救灾、水生态环境保护具有重要意义。根据区域自然地理和水文特性，结合《云南省水文手册》，本研究将金沙江流域云南片划分为东北区、中北区、滇中区、西北区4个区域，其中中北区包括东西2部分，区域划分及水系见图1。

图1 金沙江流域云南片水文代表站及区域划分

2 研究资料与方法

2.1 研究资料

选取研究区内建站时间较早、资料系列较长、观测持续、面上分布较为均衡、覆盖流域内主要水文分区和主要支流的关河豆沙关站、白水江牛街站、牛栏江七星桥站、螳螂川蔡家村站、龙川江上段楚雄站、龙川江下段小黄瓜园站、落漏河黄坪站、万马河中和街站、渔泡江地索站、五郎河总管田站、腊普河塔城站、交界河上桥头站等共12个水文站作为区域代表站进行分析，各站位置所属分区见图1，资料包括各水文代表站1968—2017年共50年年最小瞬时流量(年径流极小值)、月平均流量系列。以上资料均来自云南省水文水资源局整编成果。中北区东片区缺乏满足系列长度要求的区域代表站，查阅《云南省水文手册》，发现中北区内东片区与西片区河道基流特征相似，因此使用中北区西片区分析成果来代表中北区水文极小值特性。

2.2 水文极小值演变分析方法

依据收集到的金沙江流域云南片水文代表站水文数据，分析年径流极小值及其对应的每100 km2产流量变化范围，应用离散系数分析系列变异程度，以分析研究区内年径流极小值的地区分布规律。为在同一尺度上比较各代表站年径流极小值变化趋势，归一化处理系列数据，采用一元线性回归法和M-K法分析年径流极小值变化趋势，并使用M-K法检验趋势变化显著性水平及突变点，结合其他文献研究成果及产汇流条件，分析影响年径流极小值演变的主要因素。

2.3 生态基流计算方法

生态基流指能满足河道生态环境功能的基础流量[18-19]，是维系和保护河流的最基本生态功能不受破坏所必须在河道内保留的最小流量[20-21]。Tennant法取年平均天然流量的10%作为河流生态基流[22]，但这在季节性河流中应用有局限性[20,23]。云南省河流天然径流季节性明显，生态基流的确定应考虑水资源的合理开发利用，结合不同地区及不同生态环境，汛期生态基流按照Tennant法取值基本合理[24-26]，枯季应针对枯季径流特点考虑生态基流计算方法[27-28]。伍立群等[28]提出云南省丰水区、中水区以及来水量年际年内变化较小河流可按Tennant法确定生态基流，少水区以及来水量年际年内变化较大的河流枯季生态基流取枯季平均流量的20%。本研究依据此结论确定生态基流，研究区域内东北区、西北区属中水区，滇中区属少水区，中北区属少水区向中水区过渡区，生态基流参照少水区确定[27]。

3 水文极小值特征及演变

3.1 特征分析

对金沙江流域云南片主要支流12个水文代表站1968—2017年共50年年径流极小值系列多年平均值、最大值、最小值对应每100 km2集水面积产流量进行离散系数分析，结果见表1。金沙江流域云南片年径流极小值系列对应每100 km2集水面积产流量最大值在0.024～1.233 m3/s，最大值流域平均为0.408 m3/s，最小值在0.000～0.456 m3/s，最小值流域平均为0.092 m3/s，平均值流域平均为0.225 m3/s，离散系数在0.220～1.342。从空间分布来看，东北区、西北区为年径流极小值对应每100 km2集水面积产流量高值区，其次为中北区，云南传统缺水区金沙江流域中部的滇中区为年径流极小值对应每100 km2集水面积产流量低值区，12个代表站中最大站点是最小站点的220倍，地区差异巨大，楚雄州、大理州部分河道部分时段出现断流现象。离散系数分析结果表明，东北区及西北区河道1968—2017年年径流极小值系列相对较为稳定，离散系数在0.40以下，滇中区的楚雄州龙川江及昆明市螳螂川离散系数大于1.2，1968—2017年径流极小值年际变化差异大。

3.2 年际变化分析

为在同一尺度上进行比较，对各水文代表站1968—2017年径流极小值系列进行了归一化处理，绘制归一化后过程线，采用一元线性回归法分析推求线性趋势，并采用M-K法检验趋势的显著性，结果见表2，分析成果示例见图2。由表2、图2可知，东北区河流年径流极小值呈现波动减少趋势，区域内关河豆沙关站和白水江牛街站的年径流极小值减少趋势显著性水平均通过95%置信度检验；滇中区及中北区河流年径流极小值系列趋势较为分散，区域内牛栏江七星桥站年径流极小值增大趋势显著性水平通过95%置信度检验，龙川江下段小黄瓜园站、螳螂川蔡家村站年径流极小值减少趋势显著性水平通过95%置信度检验，落漏河黄坪站、万马河中和街站年径流极小值呈现不显著上升趋势，龙川江上段楚雄站、渔泡江地索站、五郎河总管田站年径流极小值呈现不显著下降趋势；西北区腊普河塔城站呈不显著上升趋势，交界河上桥头站因近年受上游水电站工程调度影响，呈现不显著下降趋势。

表1 金沙江流域云南片水文代表站水文极小值特征

表2 金沙江流域云南片水文代表站年径流极小值年际变化趋势分析及突变检测结果

(a)豆沙关站、蔡家村站、小黄瓜园站

(b)中和街站、总管田站、上桥头站

3.3 突变分析

使用M-K法对金沙江流域云南片主要支流12个水文代表站1968—2017年径流极小值系列进行突变检验，结果见表3。由表3可知，1968—2017年除龙川江上段楚雄站未出现突变信号外，其他各站均有突变信号出现，其中渔泡江地索站出现3次、交界河上桥头站出现2次，关河豆沙关站、白水江牛街站、牛栏江七星桥站、螳螂川蔡家村站、龙川江下段小黄瓜园站突变后形成新的趋势，显著性水平通过95%置信度检验，突变时间主要集中在20世纪七八十年代，且各代表站突变前后均值均发生了较大幅度变化。

表3 金沙江流域云南片水文代表站年径流极小值突变前后均值变化

3.4 演变成因分析

年径流极小值系列发生突变及趋势形成的影响因素有很多，主要影响因素包括：①产汇流条件发生变化，如砍伐树木、植树造林、种植结构调整、水利水电工程开发建设等。12个代表站中有8个站点在20世纪70年代、80年代出现突变，与当时大规模砍伐树木，森林覆盖率快速降低，流域蓄水能力降低有关。1989年，我国实施长江上游水土流失重点防治工程，情况得到一定控制。上桥头站在2015年形成突变，与前期上游水电工程蓄水发电改变枯季河道汇流条件有关；蔡家村站虽在2017年未检出突变信号，然该站2017年度极小值大幅度超出历史系列最大值，与云南省实施牛栏江—滇池补水工程有关，该工程多年向该站上游滇池流域平均调水5.72亿m3[29]，多于滇池多年平均水资源量5.56亿m3，其中枯季(11月至次年4月)调水量为2.43亿m3，大幅度增加了蔡家村站汛期、枯季来水量。②气温变化改变流域蒸发及融雪条件。全球气候变暖的大趋势下，除靠近四川省攀枝花区域气温呈下降趋势外[13,30]，金沙江流域云南片其他大部分地区气温呈显著上升趋势，平均以每10年0.29℃上升，其中中段平均上升幅度达每10年0.46℃，上段平均上升幅度在每10年0.18℃[13]，而四季中冬季升温幅度最大，潜在蒸发和蒸发皿蒸发呈增加趋势[7-8,13]，该趋势对滇中区、中北区及东北区所属的大部分区域的影响表现为增大了枯季蒸发量，降低枯季来水量，是形成区域内大部分站点年径流极小值出现减少趋势的主要原因之一，同时气温上升有利于西北区冰雪覆盖区域融雪期提前，增大枯季径流量，如塔城站年径流极小值系列出现上升趋势。③降水量趋势变化改变水资源条件。金沙江云南片除东北区昭通市昭阳区年降水量呈显著减少趋势并在1986年发生突变，西北区迪庆州德钦县呈减少趋势并于1966年发生突变外，其他均呈增加趋势[9-11]，其中靠近四川省攀枝花区域增加趋势最为明显[30]。该趋势进一步解释了研究区内东北区河流代表站年径流极小值呈显著下降趋势、中北区靠近四川省攀枝花区域的河道年径流极小值整体呈现增大趋势的原因。

4 河道生态基流保障分析

根据12个水文代表站1968—2017年月平均径流量系列数据分别计算各河道汛期、枯季生态基流，并以此对各水文代表站1968—2017年年径流量极小值是否满足河道生态基流需求进行评价，结果见表4。滇中区昆明市牛栏江七星桥站、大理州落漏河黄坪站50年内年径流极小值均低于生态基流，楚雄州龙川江上段楚雄站、下段小黄瓜园站、楚雄州渔泡江地索站、昆明市螳螂川蔡家村站有40～49年年径流极小值低于生态基流，中北区丽江市五郎河总管田站有21年年径流极小值低于生态基流，东北区昭通市关河豆沙关站、中北区楚雄州万马河中和街站、西北区迪庆州交界河上桥头站有3～7年年径流极小值低于生态基流，东北区昭通市白水江牛街站、西北区迪庆州腊普河塔城站年径流极小值均大于生态基流。1968—2017年，研究区主要河流平均仅有47%的年份生态基流能得到全部保障，53%的年份年径流极小值低于生态基流，其中东北区、西北区、中北区局部生态基流保障程度较高，滇中区大部分河道大部分年份年径流极小值小于生态基流，水生态环境压力大。

表4 金沙江流域云南片水文代表站生态基流保障分析

5 结 论

a. 研究区东北区、西北区为年极小值对应每100 km2集水面积产流量高值区，滇中区为低值区，中北区为过渡区，地区差异显著。

b. 研究区东北区年径流极小值呈现显著波动减少趋势，滇中区、中北区及西北区河流变化趋势不一，除滇中区龙川江上段年径流极小值系列未出现突变信号外，其他各河道均有突变信号出现，部分河流突变后极小值特征值发生明显变化,形成突变及趋势变化的主要原因有降水、产汇流条件、气候背景发生变化。

c. 1968—2017年，研究区主要支流平均仅有47%的年份生态基流能得到全部保障，其中区域东北区及西北区生态基流保障程度较高，滇中区大部分河道大部分年份年径流极小值无法满足生态基流需水，水生态环境压力较大、抗旱救灾压力大。

d. 预计研究区东北区受天然来水影响、西北区部分河流受水利水电工程调度影响,生态基流保障及干旱压力将逐步增大，滇中区昆明、曲靖河流生态基流保障程度将逐步得到改善，滇中区其他区域大部分河流生态基流保障及干旱为持续高压状态。建议云南省加快滇中引水工程向滇中区补水，加强水利水电工程生态流量调度管理，以提高生态基流保障度。