基于IHA-RAV法的长江源区生态水文情势变化

李光录，樊立娟

(1.青海省水文水资源测报中心，西宁 810000；2.青海省海东市水务局，青海 海东 810600)

1 研究背景

河流作为生态系统和国土空间的重要组成部分，是经济社会发展的重要依托和保障，具有重要的资源、生态和经济功能。河流生态流量作为维系河道生态功能、生态环境的重要因素，是衡量河流生态系统健康可持续发展的关键指标，是当前河道生态水文学研究热点之一。1996年Ricater等[1]提出水文改变指标IHA(Indicators of Hydrologic Alteration)，在河流生态水文情势变化规律研究和环境生态流量评估工作中得到了广泛应用[2-5]。长江源区地处青藏高原，其生态系统对气候条件的变化非常敏感[6-7]。合理评估江源河流水文情势变化及其生态效应，对研究长江源区气候变化响应机理和青藏高原生态文明建设具有重要研究意义。

综合评价月均流量、年极值流量、流量高低脉冲和流量变化率、逆转次数等因素变化情势是评价河流生态系统的健康可持续发展程度的基础。近年来，对长江源区水文情势研究多集中在水资源量及径流年内分配变化情形分析[8-9]，鲜有源区环境生态流量变化情势的研究。本文分析长江源区直门达水文站年平均流量突变发生时间，采用IHA水文评价指标体系，提取流量均值、极值、高低脉冲频次在内的5组32项指标，使用变化范围法(Range of Variability Approach，RVA)分析突变点前后源区生态水文情势改变情况。研究成果以期为长江源区水资源承载力、生态系统的健康可持续发展和生态脆弱性修复等提供有力的科学支撑。

2 数据与方法

2.1 研究区概况及采用数据

长江源区位于青藏高原腹地，生态环境具有原始、敏感、脆弱等特点。长江源区包括通天河与巴塘河汇合口以上集水区域(见图1)。本文选用长江干流控制站直门达水文站1957—2021年实测逐日流量资料，依照不同水文评价指标对河流生态系统的作用，分析长江源区生态水文情势变化。直门达水文站是长江干流水文站，测站附近海拔约3 540 m，距离河源1 140 km，控制面积13.77万km2。

图1 长江源区示意图Fig.1 Map of the source region of Yangtze River

2.2 水文改变指标

Richter建立的IHA指标体系包括流量均值、极值、极值时间、频次和历时以及逆转率5个方面33项特征值指标[10-11]。由于直门达水文站自1957年以来未发生断流情况，不考虑断流时间指标，共使用32项指标分析长江源区河流生态效应变化规律，参数详见表1。

表1 水文改变指标法(IHA)指标及其生态效应Table 1 Indicators of hydrological change and their ecological effects

2.3 变化范围和水文改变度

变化范围法(RVA)[12]选取变点前期水文序列变化上下限作为基础，评估变点前后水文情势变化情况，取各指标变点前期25%和75%分位数区间作为满足河流生态需求的范围，其单一指标和整体改变度计算公式为

Di=|(N0i-Ne)/Ne|×100%，

(1)

其中：Ne=rNT。

式中：Di和D0分别为第i个IHA指标和整体的水文改变度；N0i和Ne为变点后各指标满足河流生态需求条件的实际年数和预测年数；r为变点前各指标满足河流生态需求条件的年数占总年数比；NT为变点后总年数；N为指标个数。本文选取Richter水文改变度划分标准[12]来评价直门达水文站在变点前后水文改变程度，判断标准见表2。

表2 水文改变程度Table 2 Degrees of hydrologic change

2.4 时间序列分析方法

采用贝叶斯变点检验法，分析直门达站年平均流量突变发生时间，具体算法见文献[13-14]。使用趋势坡度、Kendall趋势检验[15]以及去趋势波动分析法(Detrended Fluctuation Analysis，DFA)[16-17]评价月均流量、年极值流量趋势变化和长程相关情况。具体计算步骤见参考文献[18]—文献[19]。

3 结果分析

3.1 流量均值变化情况

使用贝叶斯突变检验法检验长江源直门达水文站流量均值变异情况，结果表明直门达站年均流量系列在2004年发生突变，在2004年以后呈现明显增加态势，见图2。这与李其江[20]采用有序聚类法、滑动t检验法、M-K检验法等方法得出的结论一致。

图2 年均流量贝叶斯检验概率分布Fig.2 Probability distribution of Bayesian test for annual average flow

3.2 长江源区水文突变点前后水文改变度

以2004年为界，定量分析长江源直门达水文站水文改变度，以1957—2003年为基准期，分析2004—2021年各指标统计参数，直门达站各指标改变度计算指标见表3。32个IHA指标中，有2个高度改变指标、12个中度改变指标、18个低度改变指标。综合改变度为37.2%，为中度改变。

3.3 月均流量变化

由表3和图3可知，2004年以来直门达水文站全年月均流量均有不同程度的增加，表明长江源区河道内水生生物栖息可利用水量增大，有利于提升水生生物适宜栖息地的数量和生物多样性等生态效应；其中4月份和11月份平均流量改变度分别为90%和70%，为高度改变，表明长江源区春、冬季径流增大，发生凌汛可能性增强。其他月份改变程度为中度改变和低度改变，改变次数分别为4次和6次。计算月均流量综合水文改变度为46.8%，为中度改变。这表明长江源区汛期时间增长，汛期流量增加，有利于水生生物繁殖和下游河岸生态补水。

表3 2004—2021年直门达水文站IHA指标改变度计算Table 3 Statistics of IHA at Zhimenda Station from 2004 to 2021

图3 变点前后月均流量变化对比Fig.3 Comparison of monthly average flow before and after the change point

使用趋势坡度、Kendall趋势检验法和DFA法对直门达水文站1957—2021年各月及年流量均值进行趋势和长程相关检验，结果见表4。由Slope值及Kendall检验结果可知，直门达站各月流量及年流量均值均呈现上升趋势，除7月份和8月份外其他月值均通过Kendall显著性水平0.05的检验，表明直门达站7月份和8月份流量均值呈现不显著上升趋势，其他各月流量均值及年均值呈现显著性上升的趋势。由DFA计算Hurst指数分析长程相关性，除6月份流量均值Hurst指数<0.5外，其他指标Hurst指数均>0.5，表明直门达站6月份流量未来变化趋势与现状变化趋势成反相关，未来呈现下降趋势，这可能与气候变化有关，需待进一步的研究。其他各月及年流量均值未来呈现持续增长趋势。未来流量的增加，更好地保障了区域生态流量，进而驱动生态环境向好发展。

表4 直门达水文站1957—2021年月均流量时间序列检验Table 4 Time-series tests for monthly average flow of Zhimenda Station from 1957 to 2021

3.4 流量极值变化

由表3和图4可知，2004年以来直门达水文站各时段平均流量最小值和最大值的均值较2004年之前均有不同程度的增加。高流量增大有助于维持水生生物适宜的水温、溶解氧和水化学成分，同时低流量增加可为源区水生生物提高更多的所需水量，有利于维持河道内生物多样性和生态系统的健康持续发展。各时段平均最小流量中除90 d 平均最小流量为低改变度外，其他均为中改变度。1、3、30 d平均最大流量为低改变度，7、90 d平均最大流量为中改变度。基流指数水文改变度为0%，为低改变度。表明长江源区河道水量和地下水的互馈关系处于稳定状态。流量极值综合改变度为32.2%，为低改变度，表明长江源区极端流量事件处于一个稳定的范围，在一定程度上维持了长江源区生态系统的稳定性。最小流量增加可以为水生生物提供适宜的栖息地，同时更好地保障流域生态流量。

图4 突变点前后最小、最大流量变化对比Fig.4 Comparison of minimum and maximum flows before and after the change point

表5为直门达水文站1957—2021年极值流量趋势检验长程相关统计。各时段平均流量最小值和最大值趋势坡度均为正，1、3、7 d流量未通过Kendall显著性水平0.05的检验，表明直门达水文站平均最小1、3、7 d流量呈现不显著上升趋势，平均最小30、90 d流量和各时段最大值通过Kendall显著性水平0.05的检验，呈现显著增长趋势。各时段平均流量最小值和最大值Hurst指数均>0.5，结合趋势坡度分析，各年极值指数未来呈现持续增长趋势。基流指数呈现不显著下降趋势，Hurst指数<0.5，表明基流指数未来将呈现增长趋势。

表5 直门达水文站1957—2021年流量极端值时间序列检验Table 5 Time-series tests for extreme flows of Zhimenda Station from 1957 to 2021

3.5 年极端值出现时间

由表3可知，年最小流量出现时间变化较大，出现时间均值提前，水文改变度为25%，属低改变度。但长江源区最小流量呈现增加态势，对水生生物影响较小。年最大值出现时间变化较小，水文变化度为10%，属低度改变。极端值出现时间综合改变度为19.0%，属低度改变，表明对水生生物栖息地以及鱼类洄游影响较小。

3.6 年高低流量脉冲频次及历时

由表3和图5可知，高、低流量脉冲频次均值减少，均为低度改变。在一定程度上反映出长江源区干旱和洪涝发生次数减少，使得长江源区河道、河滩的受水情况趋于稳定，有利于该区域生态系统平衡、健康发展；低脉冲历时均值增加，高脉冲历时均值减少，均为中度改变，反映出源区河道内枯水和洪水过程持续性增强，给源区河道及沿岸生态环境带来不确定的影响。高低流量频次及历时综合改变度为36.3%，属中度改变。

图5 变点前后高低脉冲频次及历时Fig.5 High and low flow frequencies and durations before and after the change point

3.7 变化次数及逆转率

由表3可知，流量上升率、下降率及逆转率均值绝对值增大，均属低度改变。在一定程度上反映出河道流量波动幅度和频率增强，对河流生物和河岸带生物、景观产生一定影响。水生动物在高流量脉冲刺激下开始产卵，水生植物在高流量脉冲时期获得充足的水源，低流量脉冲则为下一个周期的高流量脉冲做准备。变化次数及逆转率综合改变度为14.9%，为低度改变。这表明长江源区流量改变程度较低，维持在生态系统相对稳定的状态。

4 结 论

(1)长江源区直门达水文站年均流量在2004年发生变异，2004年以后呈现明显增加态势。

(2)以2004年为界，统计IHA指数，定量分析水文改变度，结果表明直门达水文站IHA指数综合改变度为37.2%，属于中度改变。

(3)全年月均流量均有不同程度的增加，反映出长江源区河道内水生生物栖息可用水量增大，有利于提升水生生物适宜栖息地的数量和生物多样性；其中4月份和11月份平均流量改变度分别为90%和70%，为高度改变，表明长江源区春、冬季径流增大，发生凌汛可能性增强。计算月均流量综合水文改变度为46.8%，为中度改变。表明长江源区汛期时间增长，汛期流量增加，有利于水生生物繁殖和下游河岸生态补水。同时趋势和长程相关检验结果表明除7月份和8月份流量均值呈现不显著上升趋势，其他各月流量均值及年均值呈现显著性上升的趋势。

(4)流量极值综合改变度为低改变度，表明长江源区极端流量事件处于一个稳定的范围，在一定程度上维持了长江源区生态系统的稳定性。最小流量增加可以为水生生物提供适宜的栖息地，同时更好地保障了流域生态流量。

(5)极端值出现时间综合改变度为19.0%，属低度改变，表明对水生生物栖息地以及鱼类洄游影响较小。

(6)高、低流量脉冲频次均值减少，均为低度改变。在一定程度上反映出长江源区干旱和洪涝发生次数减少，使得长江源区河道、河滩的受水情况趋于稳定；高、低脉冲历时变化给源区河道及沿岸生态环境带来不确定的影响。

(7)流量上升率、下降率及逆转率均属低改变度。在一定程度上反映出长江源区流量改变程度较低，维持在生态系统相对稳定的状态。

长江源区受人类活动的干扰较少，气候变化是影响生态系统稳定性的主要因素，分析IHA指标变化情况，表明长江源区环境流量组分与水文情势发生一定变化，IHA指数综合改变度为37.2%，属于中度改变。长江源区河道生态环境有转好的趋势，增加的生态流量有利于维持长江源区生物多样性和生态系统的健康可持续发展。未来气候变化可能会进一步影响长江源区生态系统的健康状况，但IHA 指标体系对生态系统的影响评估只是通过水文指标进行间接的反映，而忽视了生态系统的整体性。今后需加强长江源区生态系统整体变化情况研究，开展归因分析，深入分析各指标生态响应机理，优化评价指标体系，以提高河流生态系统保护和水资源管理效能。