变化环境下汉江流域生态径流演变特征

2024-01-11郝文龙朱长军

水科学与工程技术 2023年6期

苗璐，郝文龙,2，朱长军,2

（1.河北工程大学能源与环境工程学院，河北邯郸 056038；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）

河流系统为人类提供宝贵服务，例如工业、农业用水和水电开发等，在生态平衡和水循环中发挥着重要作用。但近年随着气候变化和人类活动的不断加剧，导致水文过程发生变异［1］，河流生态环境出现退化，打破了生态系统平衡。因而，水文变异作为水生态环境的影响因素而引起人们的广泛关注［2］。

目前，Olden 等［3］已总结了170 多种水文指标来评估生态水文变化，其中最广泛使用的是RICHTER等［4］提出的IHA 法共分5 组，包括33 个指标（月平均流量、极端流量及出现的时间、频率和变化速率等水文指标）。RICHTER 等［5］为了对河流的水文变化做进一步分析，在IHA 的基础上又提出了变动范围法RVA（Range of Variability Approach），许多学者采用此方法对水文情势进行评估。尽管IHA-RVA与其他水文指标相比较，已经得到了较大的简化，但是GAO 等［6］指出这些指标之间仍存在着很大的冗余和相关性，且局限性没有得到较好解决，这会导致对水文情势的评估更加复杂。为解决以上问题，Vogle 等［7］提出了基于流量历时曲线（Howduration curve, 简称FDC）的生态指标，即生态赤字和生态剩余两个指标，用来分析河流生态径流机制，此方法指标较少且概念清晰，用来分析河道径流的生态机制更加直观。科学地探讨生态径流的变化特征对生态环境的建设具有重要意义，为理解汉江流域的生态径流机制及合理取水供水提供理论依据。

1 研究区概况

汉江流域起源于陕西省汉中市宁强县，在武汉市汇入长江，是长江的最大支流，也是引汉济渭和南水北调工程的水源地。汉江流域面积约15.9 万km2,干流全长1577 km，多年平均降水量约887 mm，位于东亚副热带季风区，受欧亚大陆冷高压和西太平洋副热带高压影响，气候具有季节性。

本文选取1959 —2014 年汉江流域支流与干流上的4 个水文站点（干流：白河站、黄家港站；支流：黄龙滩、皇庄站）的日流量数据（如表1），采用基于FDC 的生态指标分析突变前后生态径流的变化趋势和变异情况。另外选取分布在汉江流域的23 个降水站点1959—2014 年日降水数据来反映降水对生态径流影响。

表1 日流量站点的详细数据

图1 研究区概况

2 研究方法

2.1 变异点分析

Mann Whitney Pettitt 突变点检验是由Pettitt 提出的一种非参数检验方法，该方法可确定已有数据的突变点年份。该方法的具体步骤为：假设一组水文时间数据在t 时间发生突变，将分割点分为（x1,x2,……xi）（xi+1,xi+2,……xn）两部分，

若突变点统计量Umax对应的时间t 满足：1≤t≤n，则以上的假设不成立，t 为突变时间。若t=n，以上假设成立，结果说明没有发生突变。定义突变点显著水平p：

若p＜0.05，则表明这组数据有明显的突变点。

2.2 生态剩余和生态赤字

生态剩余和生态赤字是由Vogel 等人提出以流量历时曲线（FDC）为基础，用来评价生态径流的两个指标，其中流量历时曲线是由所研究时段的日径流数据和此时间段某个流量的超过概率构成，可以表现出径流的大小与频率。超过概率为：

式中 i 为日径流数据的秩次；n 为某时间段日流量数据的样本大小。

Gao 等［8］对生态剩余与生态赤字的定义做了改进，首先根据日流量数据求得所需要的年FDC 和季节FDC，并将变异前的年或季节平均流量进行排序，找到75%和25%分位数的流量分别对应的年份，所求得的两个年份定义为75%FDC 和25%FDC，75%FDC 和25%FDC 围成的面积作为流域生态系统的保护范围，对于某一年或季节FDC，将超过75%FDC 部分的面积定义为生态剩余，表示该流域年或季节生态需水量的富裕程度。同理，将低于25%FDC 部分的面积定义为生态赤字，表示该流域生态系统需水量的不足。

3 结果与分析

3.1 生态径流指标变化特征

根据Pettitt 突变点检验法分别求出4 个水文站的突变年份，白河站的突变时间在1984 年，黄庄站和黄家港站的变异点都在1990 年，黄龙滩站主要集中在1989 年。图2 为4 个水文站年和季节水文变异前后流量历时曲线（FDC）散点图。从图中可以看出，夏季FDC 变异前高低流量出现的次数、量级及分布范围与突变后较为一致，变化不明显，但是其他尺度上变异前后有较大的区别，特别是春季和秋季变异前后的高低流量差别最明显，春秋季节变异后高流量出现的次数与量级显著下降，而低流量呈现出显著增加趋势，因此，引起了生态赤字的增加和生态剩余的减少。位于支流的黄龙滩水文站除春季外，变异前后FDC 曲线的分布范围较为一致。位于干流的白河、黄家港水文站的FDC 曲线高低流量出现的范围大于支流的黄龙滩站，主要原因可能是支流上黄龙滩水文站的流域面积与径流量较小。FDC 曲线只能初步对各水文站变异前后生态径流指标的变化情况进行分析，因此还要考虑各水文站点以上流域的降水对生态径流指标的影响。

图2 变异点前后的季节、年尺度FDC 曲线

3.2 降水对生态指标的影响

降水距平百分率可用来表征所研究时段的降水量较多年同期平均降水量的变化情况。图3 为4 个水文站点上游流域的降水距平与生态指标的关系。

图3 生态径流与面平均降水距平百分率时间变化分析

从图3 可看出，年尺度上除黄龙滩水文站外降水距平和生态径流指标的变化特征显著相关，即降水增多时生态剩余增加，降水减少时生态赤字随着减少。21 世纪后黄龙滩站降水增多，生态剩余却减少，生态赤字增加，是由于这片区域人口密集，受人类活动干扰较多的林用占地面积转化为建设用地，对生态径流与降水的关系产生干扰，且该区域受到丹江口水库调控的影响，这个结果与祁秉宇［9］除黄家港—白河区间流域外，其他站点年降水和径流显著相关相符。其他水文站突变后，蓝色柱形图明显增多，表明降水减少，由此导致径流量的减少，表现出生态赤字增加。

相比年尺度上降水距平与生态指标的变化特征，季节尺度上春、夏、秋3 个季节降水与生态指标相关性较一致，尤其是夏季最为明显，除黄家港站外，其他水文站降水增多，生态剩余也有增加趋势，而黄家港站在20 世纪90 年代之后降水增加，但生态剩余几乎为0，是由于黄家港位于丹江口水库下游，受水库的调节作用。生态剩余对于春季生态径流，西部区域受降水的影响要大于东部区域，可能是由于东部分布有大量的农业用地，地势较平坦，农业灌溉也会对生态径流起到一定的影响作用。从各水文站的变化特征来看，冬季生态指标与降水距平百分率的相关性差，可能原因是冬季降水较少，土壤的水分不足，降水不是直接转化为径流，而是优先补给土壤水分，因而降水量的增加与减少对生态径流指标的影响不大。

为了进一步说明生态径流指标的变化情况，绘制出4 个水文站年与季节10 年生态径流指标的箱型图。如图4，年尺度上，水源区的4 个站点的生态赤字整体上呈增加趋势，生态剩余减少，20 世纪80年代生态剩余较大，是明显的丰水期，而20 世纪90年代径流量减少，之后除黄龙滩站呈减少趋势外，其他站又一致呈增加趋势。根据支流与干流生态指标的变化趋势可推断出水源区的生态径流呈减少趋势。季节尺度上，灌溉用水高峰时期的春季，位于干流白河站的生态赤字呈显著增加趋势，黄家港和皇庄站变化不明显，有利于水源区农业生产的可持续发展。夏季径流是水源区年径流的主要来源，生态径流总体上呈减少趋势，除黄龙滩站外，其他水文站20 世纪80 年代生态剩余都处于较高水平，经历了高值阶段，且生态赤字呈抛物线趋势，1959—1979 年呈下降趋势，1979 年之后呈上升趋势。秋季水源区生态径流的变化也呈相似的减少趋势，除皇庄站外，20世纪90 年代生态赤字明显高于生态剩余，径流量偏低。冬季的黄家港水文站从20 世纪70 年代之后生态赤字接近为0，生态剩余也减少，可能是由于1971年丹江口水库建成，冬季的径流被调节，使径流的变化幅度减少；安康水库建库较晚，所以位于水库下游的白河站与建库前相比冬季生态剩余成增加趋势，径流大幅度提高。

图4 年和季节尺度生态径流10a 年际变化分析

3.3 生态径流指标与IHA32 水文指标比较

图5 是生态径流指标与IHA32 指标的相关分析图，从图中可看出，大部分生态径流指标与IHA 指标之间具有较好的正负相关性，只有少部分相关性较弱。如冬季生态赤字WED（Winter Ecological Deficit）与最小1、3、7、30、90 d 径流（Min1、3、7、30、90）之间具有较强的正相关，年生态剩余（ANES）、季节生态剩余（SNES）与最大1、3、7、30、90 d 径流（Max1、3、7、30、90）之间具有较显著的相关性, 季节生态赤字SNED （Seasonal Ecological Deficit）与大部分的IHA指标之间具有负相关性，各月份的月均径流与大部分的生态径流指标之间也存在着正相关性。径流涨落次数（RL）、最大径流发生时间（Dmax）、最小径流发生时间（Dmin）等少部分的IHA 指标与生态径流指标的相关性较弱，这是由于生态径流指标是由流量历时曲线（FDC）得到的，它不能用来反应最大、最小流量到来的时间等信息，不能准确地反映一些较极端的事件，只能反映较大尺度的水文信息，根据以上对生态径流指标与IHA32 个水文指标的相关性分析，IHA32 水文指标可被生态径流指标较好地反映出来，生态指标可为水文情势变化提供评价标准。而且生态径流指标与IHA 水文指标的计算方法互不相通，IHA 指标之间的信息冗余和相关性，生态赤字与生态剩余指标也能有效地解决，因此生态径流指标可作为衡量水文情势改变的指标，用来反映汉江流域生态径流的变化特征。