基于生态径流指标的黄河上游贵德站水文情势变化研究

郭 彦，郭晓明，任 静，王 平，赖瑞勋

(1.黄河水利委员会黄河水利科学研究院，河南 郑州 450003；2.水利部黄河下游河道与河口治理重点实验室，河南 郑州 450003；3.黄河水利委员会黄河流域生态保护和高质量发展研究中心，河南 郑州 450003；4.河南大学 黄河文明与可持续发展研究中心，河南 郑州 450046；5.河南省地质矿产勘查开发局第二地质环境调查院，河南 郑州 450053)

0 引 言

水文情势是河流的重要参数，是维持生物多样性和生态系统完整性的基础要素[1]。随着沿河社会经济的飞速发展，人类对河流的开发利用程度不断增加，水利工程措施在带来社会和经济效益的同时，势必引起河流的水文情势变化，改变河流的水文水力条件，进而对河流及其周围生态系统产生深远影响[2]。

为此，国内外学者试图建立各种水利工程措施的生态水文效应指标，通过评价指标变化，定量分析水利工程措施对河流生态系统的影响。其中最具代表性的是Richter等[3]提出的5组共33个指标的水文变化指标(Indicators of Hydrologic Alteration，IHA)评价体系，并在IHA的基础上提出了天然水文情势的变异范围分析法(Range of Variability Approach，RVA)[4]。国内外众多学者采用IHA-RVA法，分析了水利工程措施对河流生态水文情势的影响[5-10]。但IHA指标过多使得指标间存在相关性，导致指标信息的冗余，可能造成整体评价偏差的问题。为此，Gao等[11]提出利用主成分分析法提取IHA33个指标中最具代表性的生态指标。

Vogel等[12]则另辟蹊径提出了基于流量历时曲线(Flow Duration Curve，FDC)的生态赤字(Ecological Deficit，ED)和生态盈余(Ecological Surplus，ES)2个生态径流指标来评价河流生态系统的水文情势变化，该方法概念清晰且指标数量少，在流域水文情势分析评估中得到了广泛应用。Wang等[13]通过还原2010年～2015年未建三峡水库时的日径流量序列，分析其月和季的生态径流指标，建立了一种评价水库运用累积影响的有效方法。Zhang等[6]通过分析黄河干流7个水文站的生态径流指标，指出生态赤字和生态盈余与IHA32指标具有较强的相关性，能够反映大部分IHA指标的信息，能应用于黄河流域反映其年和季节径流变化。赵洪彬等[14]基于FDC的生态径流指标从季、年尺度对长江流域攀枝花水文站的水文情势进行了评价。

近年，Guo等[15-16]通过分析黄河小浪底站在建库前后的水文情势变化指出，基于FDC的生态径流指标计算方法在构建流量历时曲线时，未考虑日流量与其发生日期之间的时间关联，使得日流量缺失了时间信息，流量历时曲线的时间尺度越长，其丢失的时间信息越多，导致月生态赤字、季生态赤字和年生态赤字的计算结果出现月生态赤字为零、季生态赤字和年生态赤字不为零或相反，以及月生态赤字大于季生态赤字，季生态赤字大于年生态赤字的不合理现象，同时生态盈余也存在类似的不合理现象。为此，Guo等[17-19]、张松等[20]提出基于流量过程线(Discharge Hydrograph，DH)的生态径流计算方法，构建月生态赤字及盈余的生态径流指标体系，提出月时间尺度上的生态风险评估方法。然而，生态赤字具有月、季、年3种时间尺度，不同时间尺度的生态赤字可反映不同时间细节下的径流减少程度，上述方法通过月累加得到的更大时间尺度(季节、年)的生态风险，一定程度上放大了大时间尺度的生态风险，进而无法真实反映不同时间尺度的河流生态系统健康状况。

针对上述问题，本文在文献[20]的基础上，基于流量过程线构建月、季、年3种时间尺度的生态径流指标计算公式，用以解决现有方法中无法真实评估季节、年时间尺度上的河流生态风险，为河流管理部门全面评估生态风险、系统构建生态风险预警机制、科学实施风险管理提供有效支撑。最后，以黄河上游贵德站为例，采用该方法评估其在龙羊峡水库蓄水前后的水文情势变化。

1 数据来源与研究方法

1.1 数据来源

黄河上游是黄河流域主要的产水区和水电开发区，截至2014年，黄河干流上游龙羊峡水库以下已建成水库20余座[21](见图1)。这些水库的联合运用改变了黄河上游径流过程，引起了上游水文情势的变化，增加了水文过程的复杂程度。本文选取黄河上游主要控制性水文站贵德站为例，对其1955年～2018年的日径流量数据进行分析，数据来源于黄河水利委员会整编刊印的《黄河流域水文年鉴》。

图1 黄河上游水文站、水利枢纽分布示意

由图1可知，贵德站以上有3座水库，从上到下依次为1986年10月下闸蓄水的龙羊峡水库[7]、2011年年底竣工的拉西瓦水库及2003年2月下闸蓄水的尼那水库。贵德站分别距龙羊峡水库约54 km，距拉西瓦水库约21.6 km，距尼那水库约13 km。其中，龙羊峡水库是黄河干流上一座具有多年调节能力的大型水库，控制黄河天然径流量的40%以上，调节库容193.6亿m3，对黄河径流具有很强的调节能力[22]。为此，本文以龙羊峡水库下闸蓄水的1986年为界，将贵德站水文序列分为1955年～1986年32 a的建库前部分和1987年～2018年32 a的建库后部分。

1.2 研究方法

本文提出的基于生态流量过程线的河流水文情势变化评估方法，包括不同时间尺度的生态径流计算、生态径流变化度计算及基于生态赤字的风险评估等3个核心内容。

1.2.1 生态径流指标计算

对于月、季、年3种时间尺度的生态径流指标计算，本文采用文献[20]的计算思路。首先，根据水文站上游水库的下闸蓄水时间，将时间序列分为建库前、建库后两部分，计算建库前相同日期的第75%和第25%分位数流量，由两者分别组成第75%和第25%分位数流量过程线，位于两条流量过程线之间的区域被认为是河流生态系统可适应的变化范围。其次，根据第75%分位数和第25%分位数流量过程线，分别计算月、季、年3种时间尺度的径流量，得到不同时间尺度的适应范围最大径流与最小径流。第三，对比任意一年的流量过程线，流量大于第75%分位数流量过程线(图2中阴影区域的面积)，即认为是多余径流量；流量小于第25%分位数流量过程线(图3中阴影区域的面积)，即认为是不足径流量。最后，基于日流量过程，计算不同时间尺度的生态盈余和生态赤字，月生态盈余和月生态赤字采用文献[20]的计算方法，计算公式如式(1)和式(2)为

图2 多余径流量和不足径流量(贵德站1983年流量过程线，丰水年)

图3 多余径流量和不足径流量(贵德站2003年流量过程线，枯水年)

(1)

(2)

式中，m为月份，m=1，2，…，12；T1为每月天数，如1月即m=1，T1=31；D为86 400，s；Qi为日流量，m3/s；Qi，75%为第75%分位数流量，m3/s；Qi，25%为第25%分位数流量，m3/s；MaxRARm与MinRARm分别为m月的适应范围最大径流与最小径流，m3；ESm为m月的生态盈余，非负；EDm为m月的生态赤字，非正。

对于季生态盈余和季生态赤字的计算方法，文献[18-20]先是划分春季(3月～5月)、夏季(6月～8月)、秋季(9月～11月)和冬季(12月～次年2月)的时段，随后将各季对应月份的生态径流指标求和作为不同季节的指标值；年生态盈余和年生态赤字的计算方法也类似，按照日历年或水文年进行求和。这种通过累加求和计算的季、年尺度的生态赤字，会出现季、年尺度的生态赤字比月生态赤字更小，从而得到季、年尺度的生态径流形式更差的反向结果，进一步放大了大时间尺度的生态赤字，出现与实际情况不符的现象。

针对上述问题，本文的季生态盈余和季生态赤字分别按照式(3)和式(4)计算，年生态盈余和年生态赤字分别按照式(5)和式(6)计算。式(3)～式(6)的分子项采用相应时段的逐日累加，分母项采用相应时间尺度的适应范围径流量，两者之比计算的结果避免了文献[18-20]中放大季、年两种时间尺度生态风险的不足。

(3)

(4)

(5)

(6)

式中，s为季节，s=1，2，3，4，分别表示春季、夏季、秋季、冬季；y为年；T2为每个季节的天数，例如当s=1时，则T2=92；T3为一年的天数；MaxRARs与MinRARs分别为s季节的适应范围最大径流与最小径流，m3；MaxRARy与MinRARy分别为适应范围最大年径流与最小年径流，m3；ESs与ESy分别为s季节的生态盈余与年的生态盈余，非负；EDs与EDy分别为s季节的生态赤字与年的生态赤字，非正。

1.2.2 生态径流指标变化度计算

已有的研究多数是对生态径流变化做定性分析[5-6，14-15]，定量分析较少。为此，本文采用统计分析中变化幅度的计算思路，通过对比建库前后不同时间尺度的生态径流均值，定量分析生态径流的变化度，具体计算公式为

1.2.3 基于生态赤字的生态风险评估

从径流减少对生态系统产生风险的角度出发，基于生态赤字对每个月、季节或年进行生态风险评估，为河流管理部门评估生态风险提供决策依据。首先将生态风险分为无风险、低风险、中风险和高风险4个等级，其次按照文献[20]的思路划分这4个风险等级的生态赤字阈值(见表1)，最后根据计算得出的历年不同时间尺度的生态赤字，对照表1对历年不同的时间尺度进行生态风险评估。

2 结果与分析

2.1 不同时间尺度的累积生态径流分析

采用不同时间尺度生态盈余的历年累积值和生态赤字的历年累积值，分析生态径流在不同时间尺度的年际变化规律。对于月尺度的累积生态盈余曲线，各月都呈上升趋势(见图4)。对于累积曲线突然升高的地方，表明该处对应年份的月生态盈余明显高于前一年，如3月的生态盈余累积曲线在1987年陡增，说明该年3月生态盈余高于前一年1986年3月生态盈余；对于累积曲线保持水平的地方，表明该处对应年份的月生态盈余为0，如9月的生态盈余累积曲线从1990年到1991年保持水平，则说明1991年9月生态盈余为0，随后年份的累积曲线一直保持水平，即从1990年开始的各年9月生态盈余一直为0；对于累积曲线中不同年份的月生态盈余大小，可通过本年与前一年组成线段的斜率大小进行判断，如比较1986年和1990年的12月生态盈余大小，通过图4可知，1986年与1985年组成线段的斜率明显小于1990年与1989年组成线段的斜率，说明1990年12月的生态盈余大于1986年12月的生态盈余。由此看出，累积月生态盈余曲线可直观展现月生态盈余的年际变化特征与变化趋势。由图4可知，1月～3月和12月的累积曲线在1955年～1985年间缓慢上升，在1986年龙羊峡水库蓄水运用后，累积曲线大幅度的上升，表明这些月份的生态盈余在建库后明显大于建库前；6月～11月的累积曲线在建库后基本水平，表明这些月份的月生态盈余在建库后没有明显变大，处于接近0的状态。

图4 累积月生态盈余

对于月尺度的累积生态赤字曲线，各月基本均呈下降趋势(见图5)。对于累积曲线突然下降的地方，表明该处对应年份的月生态赤字明显高于前一年，如6月的生态赤字累积曲线在1988年陡降，说明该年6月生态赤字高于前一年1987年6月生态赤字；对于累积曲线保持水平的地方，表明该处对应年份的月生态赤字为0，如12月的生态赤字累积曲线从1986年到1987年保持水平，则说明1987年12月生态赤字为0，随后年份的累积曲线在1995年之前一直保持水平，即从1987年至1994年的各年12月生态赤字一直为0；对于累积曲线中不同年份的月生态赤字大小，可通过本年与前一年组成线段的斜率绝对值大小进行判断，如2000年和2018年的10月生态赤字大小，通过图5可知，2000年与1999年组成线段的斜率绝对值明显大于2018年与2017年组成线段的斜率绝对值，说明2000年10月的生态赤字大于2018年10月的生态赤字。与累积月生态盈余曲线类似，累积月生态赤字曲线同样直观的展现了月生态赤字的年际变化特征与变化趋势。由图5可知，6月～10月的累积曲线在龙羊峡水库建成运用后的1986年开始大幅下降，表明这些月份的生态赤字在龙羊峡水库建库前后变化明显；11月～次年2月的累积曲线在龙羊峡水库建前呈下降趋势，运用的第1年(1987年)突然下降后，后续呈水平或小幅下降，表明龙羊峡水库运用后这些月份的生态赤字变化不明显。

图5 累积月生态赤字

对于季尺度的累积生态盈余曲线，各季均呈上升趋势(见图6)，其中夏季、秋季的累积曲线在1986年后上升幅度较小或基本水平，表明这两季的生态盈余在建库前后变化不大；春季的累积曲线在1989年后上升幅度增大，表明春季的生态盈余在建库后明显大于建库前；冬季的累积曲线在1986年后快速上升，表明冬季的生态盈余在建库后明显大于建库前。

图6 累积季生态盈余与生态赤字

对于季尺度的累积生态赤字曲线，其趋势与累积生态盈余曲线相反(见图6)。由图6可看出，夏季、秋季的累积曲线在1986年后呈显著下降趋势，表明这两季的生态赤字在建库后一直增大；春季的累积曲线呈缓慢下降趋势，在2005年后变化较小，生态赤字接近0；冬季的累积曲线在1986年较大幅度的下降后，曲线基本呈水平状态，表明自1986年后冬季的生态赤字为0。

对于年尺度的累积生态盈余曲线，呈上升趋势(见图7)，其中1980年～1985年期间累积曲线上升幅度较大，1986年～2004年期间上升幅度减缓，2005年～2018年期间上升幅度再次增大；对于年尺度的累积生态赤字曲线，则呈下降趋势，其中1955年～1985年期间累积曲线下降幅度较小，1986年～2004年期间下降幅度增大，2005年～2018年期间下降幅度减缓。

图7 累积年生态盈余与生态赤字

2.2 生态径流指标变化度分析

上述图4～7仅仅是从定性方面分析了月、季、年3种时间尺度生态盈余和生态赤字的历年累积值变化特点，尚缺乏建库前后各时间尺度变化程度的定量分析。根据式(7)～(8)计算可得到各时间尺度生态盈余和生态赤字的变化度，计算结果如表2所示。生态盈余变化度值大于0表示各时间尺度的生态盈余在建库后的均值高于建库前，变化度值越大则越高于建库前；生态盈余变化度值小于0表示各时间尺度的生态盈余在建库后的均值低于建库前，变化度值越小则越低于建库前。生态赤字变化度值小于0表示各时间尺度的生态赤字在建库后的均值绝对值低于建库前，变化度值越小则越低于建库前；生态赤字变化度值大于0表示各时间尺度的生态赤字在建库后的均值绝对值高于建库前，变化度值越大则越高于建库前。生态盈余变化度值大于0表示建库后的生态水文状况有所改善，生态赤字反之亦然。

由表2可知，在月尺度方面，1月～4月和11月～12月的生态盈余在建库后(1987年～2018年)高于建库前(1955年～1986年)，其中建库后1月的生态径流形势对河流生态系统最有利，生态盈余相比建库前增大了4 077.4%，生态赤字减小了13.5%，6月～10月的生态盈余在建库后低于建库前，其中建库后7月的生态径流形势对河流生态系统最不利，生态盈余相比建库前减小了100.0%，生态赤字增加了517.6%；1月～5月和11月～12月的生态赤字在建库后低于建库前，其中建库后12月的生态径流形势对河流生态系统的不利影响最小，生态赤字相比建库前减小了94.9%，生态盈余增加了2 022.6%，6月～10月的生态赤字在建库后高于建库前，其中建库后9月的生态径流形势对河流生态系统的不利影响最大，生态赤字相比建库前增大了537.3%，生态盈余减小了93.9%。

在季尺度方面，春季和冬季的生态盈余在建库后高于建库前，两者对应的生态赤字则是建库后低于建库前，其中建库后冬季的生态径流形势对河流生态系统最有利，生态盈余相比建库前增大了2 295.2%，生态赤字减小了96.7%；夏季和秋季的生态盈余在建库后低于建库前，两者对应的生态赤字则是建库后高于建库前，其中建库后夏季的生态径流形势对河流生态系统最不利，生态盈余相比建库前减小了94.1%，生态赤字增加了412.8%。

在年尺度方面，年的生态盈余在建库后比建库前增加了84.8%，年的生态赤字在建库后比建库前增加了290.0%，表明年尺度的生态赤字受影响程度比生态盈余的大。

2.3 不同时间尺度的生态风险评估

对于月尺度的生态风险评估，经反复试评估，当f取第4个百分位数时，1957年2月(最枯2月)为中风险，其他最枯月均为高风险，当f取第5个百分位数时，12个最枯月均为高风险。故f取第4个百分位数，相应e则取第14个百分位数。同理，对于季尺度的生态风险评估其对应的q与p分别为第8个百分位数和第18个百分位数，而年尺度的生态风险评估其对应的k与j分别为第11个百分位数和第21个百分位数。根据上述3种时间尺度生态赤字阈值，评估相应尺度的生态风险，绘制了1955年～2018年不同时间尺度的生态风险图(见图8)。

图8 不同时间尺度的生态赤字风险

图8较直观地展示了过去64年间月、季、年尺度的河流风险等级。由图8a可知，在月尺度方面，以7月为例，1987年前的7月无风险年份所占比例超过三分之一，1986年后无风险年份未出现，中高风险年份增多，表明贵德站在7月的生态径流存在风险。上述结果与3.1节结论一致。

由图8b可知，在季尺度方面，以秋季为例，1987年前秋季无风险年份所占比例超过1/3，1986年后无风险年份未出现，中高风险年份增多，这种转变表明贵德站在秋季的生态径流存在风险。夏季与秋季类似，其生态径流也存在风险。而春季与冬季则是在1986年后无风险年份出现增多，其生态径流趋于有利方向。

由图8c可知，年尺度从1986年～2011年呈中高风险，1996年～2006年、2009年及2011年出现高风险，侧面反映出这些年份为枯水年。根据黄河上游降水资料统计显示，枯水年主要集中在1990年代和2000年代，约占整个枯水年的50%[23]。1997年黄河流域的严重干旱导致其出现为期226 d的零径流，造成严重的社会经济损失[24]。魏伊宁等[25]、Wang等[26]通过研究均指出黄河上游在1990年代出现了最为严峻的水文干旱。上述分析表明，本次采用的风险评估方法计算的年生态径流风险结果与实际相符。

对3种时间尺度的各种风险等级按建库前后的时间段统计其所占比例，如表3所示。以占比最高的风险等级作为各时间尺度的主风险，分析对比可知建库前后主风险的变化趋势。以月尺度中的9月为例，9月主风险由建库前占比50.0%的无风险等级，转变为建库后占比43.8%的高风险等级，9月主风险提高三个等级，表现为上升趋势。同理可知，1月、2月、3月、12月主风险等级不变，4月、5月主风险等级呈下降趋势，6月～11月主风险等级呈上升趋势。对于季尺度，春季、冬季的主风险等级不变，夏季、秋季的主风险等级呈上升趋势。对于年尺度，年的主风险等级呈上升趋势。由此可见，龙羊峡水库建成后6月～11月的水文情势发生了较大变化，河流管理部门应重点关注该时间段的生态径流指标。

3 结 论

(1)针对月、季、年3种时间尺度的生态径流指标反映不同时间细节下的径流变化程度，提出了基于流量过程线的3种时间尺度生态径流指标计算方法，克服了通过月累加计算放大季、年尺度生态风险的不足。

(2)月尺度方面，建库后1月和9月的变化最为明显，1月的生态盈余相比建库前增大了4 077.4%，生态赤字减小了13.5%，无风险年份比例增加，高风险年份仅有1 年(1987年)，生态径流形势趋于有利方向；9月的生态赤字相比建库前增大了537.3%，生态盈余减小了93.9%，无风险年份比例降低，中、高风险年份比例增加，生态径流形势趋于不利方向。

(3)季尺度方面，建库后夏季和冬季的变化较明显，冬季的生态盈余相比建库前增大了2 295.2%，生态赤字减小了96.7%，无风险年份比例增加，未出现中、高风险年份，生态径流形势趋于有利方向；夏季的生态赤字相比建库前增大了412.8%，生态盈余减小了94.1%，无风险年份未出现，中、高风险年份比例增加，生态径流形势趋于不利方向。

(4)年尺度方面，建库后年的生态盈余比建库前增加了84.8%，生态赤字比建库前增加了290.0%，中、高风险年份比例增加，生态径流形势趋于不利方向。

(5)建议河流管理部门应重点关注9月和夏季的水文情势变化，可考虑有针对性的对 9月和夏季进行生态调度，使得流量过程更接近可适应的变化范围，减小生态赤字，使其处于低风险状态，将水库运用对生态系统在9月和夏季的不利影响降到最低。