罗敷河流域径流演变特征及最小生态流量保障程度研究

唐文雯，陆宝宏，范月华，徐乔婷

(河海大学水文水资源学院，江苏 南京 210098)

0 引 言

水文情势变化是影响河流生态系统结构功能的主要驱动力[1]。目前，国内外对流域水文情势的研究较单一，多趋向于单方面的水文要素变化研究，没有具体分析水文情势对河流生态可能造成的影响。因此，本文以罗敷河为例，对径流和生态流量进行相关研究。

罗敷河流域山区段落差大，水力资源丰富，但入渭口受渭河洪水顶托倒灌，引起入渭行洪受阻，针对该问题，薛长青[2]采取应急分洪措施蓄滞利用罗敷河洪水。赵盼盼等[3]指出，受厄尔尼诺(ENSO)事件影响，渭河流域每年发生气象干旱的月数呈增加趋势，这对支流罗敷河的生态效益是不利的。鉴此，本文借助已有径流量资料对罗敷河径流变化以及河道生态流量相关问题做初步探讨，以期为该地区河道治理和更好地发挥生态功能提供科学依据。

1 流域概况

罗敷河位于我国秦岭北麓，发源于秦岭林家沟，由大夫峪、柳峪和竹峪汇流而成，自南向北汇入渭河，属渭河右岸一级支流。罗敷河在峪口设有罗敷堡水文站，该站以上控制流域面积122 km2，河长30.5 km。罗敷河流域属暖温带半湿润大陆性气候，四季分明、干湿交替，境内多年平均气温13.5 ℃；受地形影响，境内降水量地域变化较大；受气候影响，降雨年内分配不均，多分布在7月～9月，占年降水总量的53%，同时径流也有明显的季节和年际变化。罗敷河的补给以雨水为主，主要源于南部山区，占径流量的70%～90%，这决定了暴雨是罗敷堡站洪水形成的主要原因，7月～8月为洪水多发期，近年来由于气候异常，5月、10月洪水频繁发生，洪峰陡涨陡落[4]。

流域附近水利工程与灌溉工程齐全。罗敷河应急分洪区于2012年建成，水域面积181.47 hm2，开闸蓄水后提高了河流堤防防洪标准；华阴县最早的自留引水灌溉工程罗敷渠开发利用于唐代，后经不断修复改善，具备灌溉、人饮、水能利用和工业供水等综合效能。

2 基本资料及分析方法

2.1 基本资料

据罗敷堡水文站资料，罗敷河多年平均流量1.21 m3/s，多年平均径流量3 942万m3，径流深315 mm，径流系数0.41。径流年际变化中的极大年是极小年的4倍以上，一般表现为连续枯水年2 a，连续丰水年2～4 a，以10～13 a为一周期。

考虑到计算所需数据须具备长序列性，本次研究资料选取罗敷河上罗敷堡站实测1956年～2015年共60 a的历年月平均流量数据。水文站资料一般都是由水文测验得到的原始数据，经资料整编，按科学的方法和统一的格式整理，因此最终成果具有可靠性和一致性。

2.2 分析方法

2.2.1特征指标

目前，常用的径流年内分配研究方法多以特定时段径流量占年径流量的百分比和距平百分率表示，很难准确度量径流变化的多样性。本文采用分辨能力和敏感性较高[5]的度量指标集中度Cd，和传统反映径流年内分配不均匀性的指标不均匀系数Cu分析径流的“结构”变化。

(1)集中度。集中度Cd[5]用于表示径流年内分配的集中程度，其计算公式为

(1)

(2)

(3)

式中，Rx、Ry分别为12个月的分量之和所构成的水平、垂直分量；ri为第i个月径流量，万m3；θi为第i月径流的矢量角度；R为年径流量，万m3。

(2)不均匀系数。不均匀系数Cu用于表示径流年内分配的不均匀性，计算公式为

(4)

(5)

2.2.2计算方法

(1)Mann-Kendall法作为时间序列数据趋势检验中使用较为广泛的非参数检验法[6]，不需考虑样本分布形态，也不受极端值干扰，能识别出序列突变所在位置，其计算步骤如下：对于径流序列ri(i=1,2,…,n)构造统计量S、Sn，检验统计量Z、UFn、UBn′。即

(6)

(7)

(8)

(9)

UBn′=-UFn

(10)

式中，mi为rj>ri(2≤i≤j)的累积数。趋势分析时：Z>0，径流呈增加变化，反之呈减少变化；|Z|≥Z1-0.5α，径流变化趋势显著。本文显著性水平α取0.05，Z1-0.5α对应1.96。突变分析时：UFn>0，径流呈增加变化；反之呈减少变化。UFn和UBn′在置信区间内存在交点，该点所对应的横坐标即为突变时间。

(2)R/S分析法具有能对径流量时序复杂性演变进行非线性预测的特点[7]。即，对任意的水文序列Xt=(x1,x2,…,xn)，定义R/S特征量为

(11)

3 结果与分析

3.1 径流年际及年内基本特征

罗敷堡站径流年际与年内变化过程见图1。

图1 罗敷河流域径流年际、年内分配过程

由图1a可知：①罗敷堡站径流年际波动变化较剧烈，最大年径流量是最小年径流量的9.5倍。②线性趋势线显示，年径流减少速率为23.645万m3/a。③5年滑动均值线反映了年径流经历多个丰枯循环过程的特性，其中1958年、1964年和1983年径流尤为丰富。由图1b可知：①罗敷堡站径流年内分布呈多峰型，11月至翌年3月，径流主要由地下水补给；4月份降水量明显增加，成为径流主要来源，地下水对径流的影响减少；汛前(6月)上游水库为抵御汛期洪水而弃水，径流减少；7月～9月，受暴雨和洪水的影响，径流达到峰值。②最大4个月径流量(7月～10月)占全年总量的60.2%，枯水期的4个月(11月～翌年3月)仅占全年的12.3%。

3.2 径流及年内特征指标变化趋势

罗敷堡站径流Cd、Cu值年际变化过程见图2。

图2 罗敷河流域径流不均匀性指标年际变化过程

由图2可知：①Cd、Cu极值出现时间和变化规律基本一致，二者相关系数达0.751，表明径流集中程度越高，年内分配越不均匀。②线性趋势线显示，罗敷堡站径流年内集中程度和不均匀程度基本维持在一条水平线上，说明未来径流年内分配的不均匀问题依然存在。③尽管本研究Cd和Cu有较好的同步性变化规律，但Cu在刻画径流序列分配不均匀程度时，易受年际和年内极端值影响，为更科学准确地把握径流年内分配特征，建议在研究资料更详尽的前提下缩小输入数据的尺度，例如以旬径流量取代月径流量[8]。

由表1可知：①Cd、Cu的Z值均大于0且小于1.96，两指标年际过程呈不显著增加趋势，表明径流年内集中程度、不均匀程度增强，各月径流差异增大、径流丰枯交替剧烈，这不利于河流健康发展。②Cd、Cu的Hurst指数均大于0.5，说明径流的不均匀性将呈正持续变化趋势(见表1)。

表1 径流不均匀性指标变化趋势

3.3 径流及年内特征指标突变特征

由图3可知，①罗敷堡站年径流UF曲线在1971年突破了0.05显著性水平线，之后基本保持在0值以下，并在1980年达到最小值(-3.08)，1992年以后UF曲线在0.05显著性水平线上下摆动，且UF值小于0，这表明径流减少趋势明显。就整个年径流序列来说，Z值为-1.894 2，接近0.05显著水平临界值，径流呈下降趋势。②在0.05置信区间内，年径流UF与UB曲线多次交汇于统计时段初期，说明受人类活动干扰和自然因素的影响，罗敷堡站天然径流发生了改变。

图3 年径流Mann-Kendall统计量曲线

3.4 径流及年内特征指标持续性特征

基于R/S分析法对径流序列进行预测结果见图4。其中，年径流和逐月径流Hurst指数分别为0.630 4、0.617 1，均大于0.5，说明径流序列具有较强的状态持续性；Mann-Kendall法分析结果显示，Cd、Cu均呈现正持续变化，即增加趋势。因此，未来罗敷河径流将呈不显著减少趋势；年径流的Hurst指数由持续性转折为反持续性的突变点位于1965年，说明1965年以后年径流未来与过去具有完全相反的变化[9]；逐月径流序列结果具有很好的线性关系，表明Hurst效果显著，径流与历史情况存在正相关变化特征，即未来将呈现增加趋势。

图4 径流Hurst指数分析

3.5 河流最小生态流量定量计算

河道生态流量作为客观存在且随生态系统的发展而变化的时间变量[10]，能直观反映河流水情。为计算方便，通常划分为最小、最大、适宜生态流量进行研究。本文考虑罗敷河流域特性，结合径流突变年份，依据逐月最小值法，将天然月径流系列中的最小值作为月最小生态流量。这是能满足水生生物需求的最低生存条件，低于该阈值，生态系统就会遭到严重的不可恢复的破坏。

由图3可知，年径流在1962年发生突变，表明径流开始受人类活动、降雨和下垫面因素等影响，将突变点以前的数据作为天然径流资料，采用逐月最小值法计算流域最小生态流量(见图5)。

图5 基于逐月最小值法的罗敷河最小生态流量

为验证逐月最小值法计算结果的合理性，借助Tennant法进行评价。Tennant法通常在研究优先度不高的河段中作为其他方法的一种检验，适用性高。对比分析罗敷河最小生态流量计算值和Tennant法评价结果如表2所示。

表2 河流最小生态流量Tennant法评价

在鱼类产卵期和一般用水期，最小生态流量占多年平均流量值分别为43.40%、22.64%，参考Tennant法评价标准均处在良好至很好的状态范围内，可以满足鱼类洄游、生存的一般要求，同时为水生生物产卵、育肥提供优良的生长环境。结合Tennant法评价结果看，基于逐月最小值法计算的最小生态流量是合理的，符合天然河道对径流的年内变化需求。

3.6 河流最小生态流量保障情况

图6a中线性趋势线表明，罗敷河最小生态流量保证率总体上呈略微递减趋势。具体来讲，1956年～1967年，罗敷河最小生态流量平均保证率超过了85%；1967年～2003年最小生态流量保障程度减小较为明显，平均保证率仅60.6%，甚至连续19年保证率低于75%，这可能是由于1966年罗敷渠修复改善后灌溉面积扩大所致；2003年以后最小生态流量保证率有所回升，平均保证率达83%，说明人们开始重视河道生态流量的重要性，修建必要的水利工程并达到了一定效果。

由图6b可知，罗敷河最小生态流量保证率均在30%以上，表明大多数月份河流最小生态流量都能得到保证；但考虑到最小生态流量是较为不利的一种流量状态。为改善生境，应对河道生态流量予以重视。

图6 罗敷河最小生态流量保证率

由Mann-Kendall法和R/S分析可知，罗敷河流域未来径流量将处于偏枯期，水资源量逐渐减少。考虑到人类活动频繁以及气候变化的不确定性，有必要采取措施合理开发利用水资源以有效维系河道生物多样性健康。中间扰动假说认为[11]，在既不太大也不太小的扰动下生态系统更健康；因此，人类活动应注意避免对天然径流的改变。汛期支流洪水的不可控性是该时段最小生态流量得不到100%保障的重要原因；加之90年代以来天然径流量明显减少，加大了径流分配的不均匀程度，致使流域生态用水量短缺。为此，建议加强蓄滞洪区建设，截留罗敷河汛期雨洪资源，利用分洪区退水补充河流生态用水，从而改善生态环境。

4 结 语

(1)基于Mann-Kendall检验和R/S分析法对罗敷河年径流及其特征指标分析表明，未来流域径流存在不显著减少趋势，呈较强的状态持续性，且径流分配不均现象长期存在；径流于1962年发生突变，表明该流域径流受气候变化和人类活动影响较明显。

(2)经Tennant法检验，基于逐月最小值法计算的最小生态流量年内分配过程较合理，符合评价标准要求。将计算结果与实测径流比较得出，大多数月份河道最小生态流量保障程度较高，但从年际上看，保证率是下降的。

(3)通过对罗敷河径流和生态流量的研究，预测流域生态系统将趋于不健康的发展方向。为有效改善生态环境，建议合理调度蓄水工程，对汛期洪水加以控制，同时减少河道外用水，提高最小生态流量保证率。