考虑水文非一致性变异的河道基本生态流量

　　摘要:考虑水文非一致性变异提出河道内基本生态流量阈值的计算方法与模型，并将其应用于湟水干流上游西宁断面进行例证。采用Mann-Kendal检验和滑动t检验进行水文非一致性变异综合诊断，经还原修正以水文变异前天然流量过程为基准，分别利用广义极值分布流量众值法、历时曲线法、改进年内同频率展布法计算河道内生态流量过程，取其外包线作为河道内基本生态流量阈值。结果表明，西宁站年径流量时间序列突变点是2000年，经还原修正，利用天然径流资料计算得到西宁站枯水期、平水期、丰水期的基本生态流量阈值下限均值分别是11.0、17.6和27.5m3/s，阈值上限均值分别是17.0、35.6和56.0m3/s。与已有结果对比，生态流量阈值计算方法具有一定的合理性，更加贴近具有季节性的湟水干流水文生态系统。

　　关　键　词：基本生态流量;水文非一致性变异;流量阈值

　　河流生态系统具有开放性、流动性、随机性、复合性和连续性，水文、气象、地貌、地质、水质等都是其重要的生态因子，其中水文因子对河流生态系统具有显著影响，流量、水深、流速、水温、泥沙等都是水生态系统的函数[1]。根据历史流量计算河道内生态流量的方法称为水文学法[2-3]，该方面国内研究成果较多。但是水文学法计算生态流量的前提是保证水文资料的一致性，在“自然-社会”二元水循环模式下，考虑气候变化及人类活动综合影响，在水文非一致性变异分析及还原基础上，利用天然流量过程进行河道生态系统需水量计算非常必要[4]。

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　　Bunn等[5-6]提出天然流量的动态过程对维持河流生物多样性和生态系统完整性具有重要意义，包括低流量、高流量、不同量级洪水及流量脉冲等组分，以保证河道不断流，为水生生物产卵、洄游、生长提供适宜的生境条件，而仅仅维持河流中的最低流量难以保证河流生态系统健康[7]。河道内基本流量要维持河流廊道生态系统基本功能，保证营养物质以河流为载体进行交换、扩散、转化、累积与释放。一定量级的洪水及其洪水脉冲也会传递特殊的生命信号，生物根据这种信号进行繁衍、产卵和迁徙，而超大洪水又会破坏河流生态系统。

　　根据生物生长发展所遵循的耐受定律，当生态流量超过其上下限时就会使生物群落退化或关键物种死亡。由此可见，河道内基本生态流量应具有合理的阈值[8]。本文在考虑水文非一致性变异的基础上，参考已有学术成果，认为仅仅维持河流中的生态基流难以保证河流生态系统健康，故提出基本生态流量阈值计算方法与模型，并将其应用于湟水干流上游西宁断面进行例证。基本生态流量阈值下限是为了维持生态系统发挥正常功能所需要的水量(即生态基流)，上限是为了维持河流本土生物多样性和生态系统的完整性。

　　1研究区域与数据来源

　　湟水干流发源于青海省海晏县境内祁连山系大坂山南坡，自西北流向东南，干流全长374km，流域面积32863km2，水资源总量为22.74亿m3。西宁以上为上游，河段长约174km，控制流域面积9022km2，多年平均径流量13.10亿m3，西宁水文站距河口约200km。湟水干流上游水资源在年内、年际分配不均，河流汛期来水集中，约占全年水量的60%，年最大径流与最小径流的极值比为1.7~9.5。

　　区域内主要的中型水库有东大滩水库、盘道水库和大南川水库，其中东大滩水库是目前湟水干流上游最大的调节型水库。海晏至西宁段已建成15座水电站，水电梯级开发使得河流纵向连通性遭到破坏。区域内水资源开发利用率高，人类活动影响较大，水利工程对河流水文、地貌形态、生物栖息地胁迫效应显著，河流廊道生态功能严重退化，珍稀濒危鱼类栖息地严重萎缩，河谷生态系统及沿岸景观遭到不同程度破坏。

　　本文重点研究湟水干流西宁站水文断面河道内基本生态流量阈值，西宁站1954—2018年共65年长系列实测径流资料由青海省水文水资源勘测局提供。研究所需其他数据来源于《青海省水资源公报》《湟水流域综合规划》《湟水九县市水资源评价及优化配置》和《青海省第一次水利普查》等资料。

　　2水文非一致性变异诊断

　　水文学方法必须建立在未来与过去水文时间序列一致的基础上，以历史水文数据为基准计算生态流量，而在气候变化和人类活动影响下，河流水文情势的一致性被严重破坏。水文时间序列变异分析的重点是识别和诊断变异可能发生的时间节点，为还原计算提供依据。

　　本次采用Mann-Kendal(M-K)检验和滑动t检验两种方法[9]综合诊断1954—2018年间西宁站实测年径流量系列变化趋势及突变点。采用M-K检验法所得检验结果，UF<0说明径流量基本呈减少趋势，且1980—1982年减少趋势最显著，与上游东大滩调节水库1981年底建成蓄水有关。通过计算可得系列整体显著性水平为0.764，整体趋势的变化速率为−0.161。

　　M-K检验曲线中UF与UB统计量没有交叉点，即在时间统计意义上年径流序列不存在明显突变点。进一步采用滑动t检验法所得检验结果，1970、1982、1990、2000和2006年均达到局部极值点，但2000年t统计量最大且大于0.01显著性水平检验临界值，故可诊断年径流量时间序列从2000年开始明显变异，与文献[10]得到径流突变发生在2004年比较接近。根据文献[11]，湟水流域降水量减少对径流量减少贡献22.00%，蒸散发减少对径流量减少贡献13.46%，人类活动对径流量减少贡献64.54%。

　　M-K检验表明1970年以后径流下降趋势明显，气候变化大背景下，人类活动、降水减少、气温上升是造成径流量减少的主要原因。2000年之后径流有所增加，其原因是水土保持措施的大力实施，耕地向林地的转化、耕地与草地的相互转化以及耕地向建设用地的转化。其次，2000年前后海晏至西宁段建设15座梯级电站，平均100km有12.7个水电站，河流纵向连通性严重破坏，密集水电站群建设对河流生态系统产生了严重胁迫效应，河流水文、地貌形态、生物栖息地等发生了较大改变。

　　结合《青海省第一次水利普查水利工程基本情况普查表》，考虑湟水干流上游蓄水工程、引水工程兴建及水资源开发利用状况，本次确定年径流量序列变异时间为2000年，并对变异前1954—2000年的实测径流量进行还原计算得到天然径流过程，以保证一致性条件成立。还原成果与青海省水文水资源勘测局2009年完成的《湟水九县市水资源评价及优化配置》典型年成果基本一致。选用湟水干流西宁站还原后1954—2000年天然径流系列进行河道内生态流量计算，以修正气候变化和人类活动对河流水文情势的影响。西宁站1954—2000年天然径流过程。

　　3生态流量阈值计算方法

　　3.1　广义极值分布流量众值法

　　Quec生物群落和生境之间是一种物质和能量的供需关系，河流生物群落随流量丰枯变化呈现脉冲式变化，河流生物与流量在长期的自然选择和进化过程中形成了相互适应能力。根据生物群落与生境因子的关系，历史出现的流量众值比较适合河道内生态系统的良性循环。根据生物群落与生境因子的选择关系，将历史上多年各月流量众值作为基本生态流量上限。

　　为进一步验证GEV分布的适用性，选用西宁站枯水期(1月份)、丰水期(9月份)1954—2000年天然月平均径流系列作为典型计算，利用广义极值分布(GEV)、伽马分布(Gamma)、正态分布(Normal)和Weibull分布4种函数进行概率分布拟合，发现GEV概率分布理论曲线与经验频率曲线拟合最佳，并利用最大对数似然统计量进行拟合优度评价，拟合优度依次是GEV>Gamma>Weibull>Normal，故确定广义极值分布更适合月径流系列概率分布函数。概率分布函数(CumulativeDistributionFunction，CDF)与经验频率曲线的拟合关系。

　　3.2　历时曲线法

　　根据《河湖生态环境需水计算规范(SL/Z712—2014)》，用变异前月平均天然流量历史资料构建各月水文历时曲线，将95%保证率相应的月平均流量作为河道内不同时段生态流量。分别利用GEV分布和PIII型分布计算95%保证率下的生态流量。

　　3.3　改进年内同频率展布法

　　湟水流域河流水文生态系统具有明显的季节性特征[14]。4—6月是土著鱼类产卵繁殖的高峰季节，需要一定水流刺激和一定水深及水面宽，保证鱼类栖息生境要求，同时也是河谷植被需水的高峰期;7—10月水量多而集中，是土著鱼类和河谷植被生长关键期，需要一定量级的洪水过程发生，营造良好的生境。11月—翌年3月河流水量相对较枯，主要考虑维持河流基本生态环境功能的生态流量。因此，为反映河流年内丰枯变化特征和敏感生态对象的需水规律，划分丰水期(7—10月)、平水期(4—6月)和枯水期(11月—翌年3月)3个频率时期，先确定同期均值比，即各频率期内最小月均径流量均值与月均径流量均值之比，然后以同频率时期内多年月平均流量为基准，计算得到河道内生态流量展布过程。

　　4结　语

　　在考虑水文非一致性变异的基础上，对湟水干流西宁站实测流量资料的变异特征进行诊断分析，将还原修正得到的天然流量过程作为河道内生态流量的计算基准，基于广义极值分布流量众值法、水文历时曲线法、改进年内同频率展布法提出河道内生态流量阈值的计算方法。

　　经例证分析，本次结果具有一定的合理性，可满足研究区河道内生态流量适应性管理目标。河流生态系统的健康稳定受多方面因素影响，本文仅考虑水文生态因素，对河道形态、输水冲沙、稀释自净、生物群落、闸坝调度、水资源配置等因素的组合未充分考虑，计算结果具有一定的不确定性。如何协调社会经济系统与河流生态系统的相互作用，通过动态修正闸坝生态调度与生态系统的响应关系，提高河道内生态需水保证率需进一步研究。其次，受气候变化和人类活动影响，河流水文情势的一致性严重破坏，由于资料缺乏，流量数据还原往往比较困难且精度不能保证，如何在水文非一致性条件下进行河道内生态流量计算尚需研究。

　　参　考　文　献：

　　张强,李剑锋,陈晓宏,等.水文变异下的黄河流域生态流量[J].生态学报，2011，31(17)：4826-4834.(ZHANGQiang,LIJianfeng,CHENXiaohong,etal.EvaluationoftheecologicalinstreamflowintheYellowRiverbasinwithhydrologicalalterations[J].ActaEcologicaSinica,2011,31(17):4826-4834.(inChinese))

　　[1]陈昂,吴淼,沈忱,等.河道生态基流计算方法回顾与评估框架研究[J].水利水电技术，2017，48(2)：97-105.(CHENAng,WUMiao,SHENChen,etal.Reviewofmethodforcalculationofriverecologicalbase-flowandstudyonitsassessmentframework[J].WaterResourcesandHydropowerEngineering,2017,48(2):97-105.(inChinese))

　　[2]钟华平,刘恒,耿雷华,等.河道内生态需水估算方法及其评述[J].水科学进展，2006，17(3)：430-434.(ZHONGHuaping,LIUHeng,GENGLeihua,etal.Reviewofassessmentmethodsforinstreamecologicalflowrequirements[J].AdvancesinWaterScience,2006,17(3):430-434.(inChinese))

　　作者：王鹏全1，吴元梅2，杨旭亮1