基于RVA法和PCA法评估三座店水库对下游径流的影响

2020-08-21顾玉娇杨肖丽任立良李文婷

中国农村水利水电 2020年8期

顾玉娇，杨肖丽，任立良,2，李文婷，高甜

(1.河海大学水文水资源学院，南京 210098；2. 河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，南京 210098)

0 引言

人类活动一直影响着河流水文情势，日益增加的水利工程在一定程度上干扰了不同时间尺度(月、季、年、年代际)河道径流的特征，引起了国内外学者的广泛关注[1]。1996年，RICHTER等[2]建立了一套水文改变指标体系(IHA)，对河流水文状态改变进行描述。在此基础上，1997年，RICHTER等又提出了变化范围法(RVA)，使用所有 IHA 水文指标改变度的平均值作为水文整体改变度，来量化水利工程建设对河流影响，为河流生态管理提供依据和指导[3,4]。国内外运用此法也进行了一些研究，来评估人类活动对河流径流过程的影响。GRAF 等[5]基于IHA 法，分析了美国几个大型水利工程建设后导致下游生态地貌发生变化，对河岸地形变化进行了深入研究。陈伟东等[6]提出基于控制变量思想改进IHA法，通过控制降水量因素，找出工程前后两降水量最相似的两个时期进行分析。郭卫等[7]应用RVA法评估了水库运行后的岷江流域河流水文情势变异情况，得出了高度改变的结论。近年来北方地区干旱问题严重，水资源短缺成为制约北方地区经济发展的主要因素[8]。因此，运用RVA法量化水库对河流生态特性的影响，为北方地区水资源管理提供依据至关重要。本文应用RVA法和PCA法，评估对三座店水库对下游河道径流的影响，定量分析人类活动对河流水文特性的影响程度，为该区域水资源规划管理提供依据。

1 研究区概况及数据

初头朗水文站控制流域隶属于老哈河流域，地跨内蒙古自治区和河北两省，介于北纬 42°～42.5°, 东经117°～118.5°之间 (图1)，河流面积约3 009 km2[9]。该流域属中温带半干旱大陆性季风气候，夏季高温多雨，冬季寒冷干燥，降水主要集中在6-8月，约占年降水量的70%，冬季基本无降水[10]。

三座店水库，是大(Ⅱ)型水库，位于内蒙古赤峰市境内西辽河支流阴河的下游，距赤峰市城区35 km, 初头朗水文站(118°37′E,42°27′N)上游[11]。工程于2005年开工建设，2009年开始下闸蓄水，2011年全面完工。工程设计总库容3.05 亿m3，控制流域面积2 842 km2，年径流1.41 亿m3，每年向赤峰城区供水4 745 万m3，可为下游生态农业灌溉补充水源[12]。用于实验的水文观测数据来自内蒙古水文局提供的1971-2016年初头朗站逐日平均流量资料。

图1 初头朗水文站控制流域Fig.1 Basin Controlled by Chutoulang Hydrological Station

2 方法

2.1 RVA法

Richter在1996年提出了IHA指标体系, 该指标体系共有33个指标参数，涵盖流量、出现时间、持续时间、频率以及变化率等5个方面水文特征[13]，根据其统计特征划分为 5组，33个指标(表1)。

1997年，Richter提出了RVA阈值的概念，以各指标平均值±1标准偏差或将指标发生概率为 75%、25% 作为上下限。计算水利工程建造后受影响年份资料的IHA指标值，并估算单一指标的水文改变度及整个河段的整体水文改变度来判断河流受影响的程度[14]。本文采用RVA法，得到的结果见表2，表2中偏移量和水文改变度的计算公式如下公式(1)和公式(2), 水文整体改变度的计算公式如下公式(3)。

表1 水文改变指标及参数Tab.1 Summary of hydrological parameters used in the Indicators of Hydrologic Alteration

(1)

(2)

(3)

式中：P为IHA指标参数；Di为第i个水文指标的改变度；Noi为第i个指标在受到干扰后落在RVA阈值内的实际年数；Nf为干扰后的水文指标落于RVA阈值范围内的预期年数；0≤Di<33%为低度改变；33%≤Di<67%为中度改变；67%≤Di≤100%为高度改变。

2.2 主成分分析(PCA)

主成分分析是通过降维的方法将一系列具有相关性的变量转化为少数几个不相关的变量，保留关键信息的同时简化数据的多样性[15]。本文中33个指标，5组数据，为了减少水文指标间的冗余，采用主成分分析技术来选择主要的生态水文指标。IHA统计数据集在进行分析前，由于指标的单位和大小不同，需要先进行标准化，具体做法是减去平均值，然后除以标准差[16]。为使各变量保留更多的方差，接受特征值大于1且解释的累积方差百分比大于80%的主成分(PCs)。然后，选取PCs中载荷(绝对值)最高的指标用于表示相应的主成分[17]。出现频率最高的指标被认为是生态最相关水文指标(ERHIs)。

3 结果与分析

3.1 RVA法计算结果

初头朗水文站是三座店水库所在流域的出口站点，可以直接地反映三座店水库修建对于下游径流的影响。将2005年作为河流水文条件发生明显变化的起始年，以1971-2004年共计34年初头朗逐日平均流量作为河流生态系统未受干扰前的自然流量，并以自然状态水位序列中的指标参数±1标准偏差分别作为阈值的上、下限。以2005-2016年的日流量作为三座店水库兴建后河流生态系统受人类干扰的流量，共计12年。结果如表2，根据式(3)算得整体改变度为59%，为中度改变。33个指标水文改变度大部分都呈中高度变化，说明三座店水库建造及运行初头朗水文站控制流域产生了负面影响。

表2 初头朗站IHA指标变异评估Tab.2 Evaluation of IHA index variation at Chutoulong station

续表2 初头朗站IHA指标变异评估

3.2 最相关水文指标(ERHIs)选取

在进行水文情势分析中，运用降维的方法选取一个变量子集表示尽可能多的原始完整性变量。如图2所示，前3个主成分特征值均大于1，且方差累积率为96.439%，根据主成分选取原则，选择PC1、PC2、PC3为所需主成分。

为了进一步确定各主成分的解释变量，以因子载荷矩阵中载荷值的绝对值来进行比较分析，表 3 列出了 PC1～PC3 的因子载荷矩阵。PC1 的最高载荷值对应的变量为6月均值指标，PC2的最高载荷值对应的变量为最小30日平均流量指标，PC3最高载荷值对应的变量为零流量天数。最终所选解释的3个指标为:6月均值、最小30日平均流量和零流量天数。3个指标的选取也具有一定的合理性，3个生态最相关水文指标之间最大相关度为0.34，最小的为0.002，几乎不相关。

图2 基于主成分分析的特征值和累积率的变化Fig.2 Variations of eigenvalue and cumulative contribution rate explained based on PCA

3.3 建库对下游径流过程的影响

3.3.1 月均流量变化

初头朗水文站汛期主要集中在6-9 月份，建库前平均月流量为5.45 m3/s，建库后下降到1.26 m3/s，下降了77%。枯水期的流量在12-3月份最小，建库前平均月流量为0.99 m3/s下降到0.31 m3/s，月均流量整体呈下降趋势。水库干扰后月均流量减少的平均偏移量是66.9%，综合改变度为61%，属于中度改变。水库干扰前月平均流量在1-4月保持低流量水平，5月份之后有显著地抬升，在8月份之后急剧下降；水库建造后，各月流量变化平稳且保持在低流量水平，除4月份以外，受水库影响后的各月平均流量都小于影响前自然状态下的平均流量(图3)。这可能是因为4月份是老哈河流域农作物的关键播种期，农业灌溉需要大量用水。建库前3～5月份月平均流量持续降低，6月份开始回升，建库后水库进行调节蓄水，3-4月份月平均流量有所增加，4月份进行大面积农田灌溉，4-5月份流量减少。

表3 前3个主成分的载荷值Tab.3 Loadings for the first three principal components

图3 初头朗水文站水库建成前后月均值流量比较Fig.3 Comparison of monthly mean discharge before and after the completion of the reservoir at Chutoulong hydrological station

运用PCA法选出的生态最相关水文指标6月流量均值呈现逐渐下降的趋势(图4)。受水库影响从3.69 m3/s下降到1.19 m3/s，减少量为68%，水文改变度为41%，为中度改变。表明由于水库修建和人类用水过度(如水库下游大面积的农业灌溉)对径流的年内分配影响较大，月份的丰枯特征改变明显，是造成流域下游径流急剧下降的根本原因。这与国内已有的研究结论比较一致。如雍斌等在研究人类活动对老哈河流域近 50 年径流变化的影响中，得出了在降水无明显变化的情况下老哈河流域初头朗水文站所在子流域流量呈现显著下降趋势的结论[18]。以1980年为突变年起，他把这种结果归因于90%由人类活动引起的。朱磊等在对赤峰市近50年径流下降的原因分析中发现.初头朗水文站径流下降是由于大型水库的兴建导致的，人类活动对径流下降的贡献率在枯水年高，丰水年相对较小[9]。

图4 1971-2016年初头朗水文站6月流量均值Fig.4 Monthly Flows for June of Chutoulang hydrological station in 1971-2016

3.3.2 年极端流量变化

水库建造及运行使年极端流量显著减少，平均偏移率为69.3%，综合改变度61%，为中度改变，说明三座店水库的建立及运行使河流天然低流量过程增加。2005年开始建库出现了少量断流的情况，2009年水库建成后断流天数呈现断崖式的上升，有些年份出现整年断流现象。年平均零流量天数水库影响前为4.059 d，水库影响后上升至133.6 d，偏移量达3191%，水文改变度为62%，属于中度改变(图5)。受水库影响，年均30日最小流量从0.21 m3/s下降到0.02 m3/s，2009-2013年5年时间，低至零，偏移量达88.48%，水文改变度为48%，属于中度改变(图6)。从2009年起至2013年6月份，初头朗水文站控制流域出现了长期的断流现象，除了流域本身位于干旱地区外，更多的是由于水库拦截导致下游来水量减少，社会经济用水的增加导致断流现象频发。赤峰市历年经济数据(图7)所示：随着人口数量、赤峰市GDP总量持续增加，耗水量极大的农业的生产规模不断扩大，耕地面积从1971年的88.97 万hm2增加到2016年的93.38 万hm2，耕地总面积从三座店水库建造开始有显著增加，最高峰2011年达111.47 万hm2，后由于干旱原因，农田面积骤减。粮食产量从1971年的86.8 万t开始实现稳步增长，截止2016年已达503.24 万t，翻了6倍。水利工程支持下的农业灌溉成为导致初头朗水文站控制流域流量下降，断流现象频发的最主要原因。这与王西琴等研究西辽河断流问题的结果一致：流域降水减少、水利工程拦截和社会经济用水增加是导致西辽河断流的3个主要因素[19]。