金沙江流域云南片水文極小值演變及生態基流保障分析

王東升，袁樹堂，楊 祺

(云南省水文水資源局，云南 昆明 650106)

氣候變化下極端水文事件是近年來發展起來的與諸多學科密切相關的新興交叉研究方向。洪澇災害、干旱等極端水文事件的發生正成為人類面臨的重大挑戰，但目前相關研究成果相對較少[1]。水文極值很少出現，但一旦出現將產生巨大影響[2]。現有的針對水文極值的研究成果主要集中于引起洪澇災害的水文極大值[1-4]，與干旱、水生態環境相關性較強的水文極小值研究較為少見。金沙江流域是我國西部生態脆弱區[5]，同時也是長江流域重要生態屏障，承擔了長江上游水源涵養、防風固沙和生物多樣性保護等重要功能[6]。現有研究成果表明，作為金沙江流域重要組成部分的云南片區氣溫有顯著升高趨勢，潛在蒸發和蒸發皿蒸發呈增加趨勢，降水及主要干支流徑流量無明顯變化[7-11]；降水以短歷時降水為主，且短歷時降水強度、次數呈增加趨勢[12]。氣候的變化對金沙江流域內自然生態系統、水資源量和自然災害均產生影響，加劇了流域生態系統的脆弱性[13]。金沙江下游水生態處于亞健康狀態[14]，2009—2014年又遭遇1961年以來最嚴重的持續性干旱[15]，形勢更為嚴峻。在此背景下，本研究基于金沙江流域云南片區域內水文代表站1968—2017年年徑流極小值及年月平均流量數據，采用Mann-Kendall非參數統計檢驗法(以下簡稱M-K法)、一元線性回歸法分析區域水文極小值演變規律，采用Tennant法及地區經驗分析河流生態基流，評估極端情況下生態基流保障程度，旨在為掌握區域干旱、水生態環境面臨的形勢，采取合理的水資源調度配置方案和水生態環境保護措施提供參考。

1 研究區域概況

金沙江流域云南片位于云南省北部，省內總集水面積109 524.6 km2，占云南省國土面積的28.52%，東西橫跨昆明等7個州(市)、47個縣(市、區)，多年平均徑流量424.1億m3，占云南省水資源量的19.2%。流域內水系發達，集水面積在1 000 km2以上的河流有32條，1 00～1 000 km2的265條，封閉湖泊3個[16]。研究區屬低緯度高原季風氣候，分布有北熱帶、南亞熱帶、中亞熱帶、北亞熱帶、南溫帶、中溫帶與高原氣候區，垂直變化十分明顯，各地年平均氣溫在5.5～21.9 ℃，年平均降水量在300～1 300 mm，5—10月降水量占年降水量的90%左右[1]。徑流主要來自降水，西北部少數河流有融雪補給，豐水期(6—11月)徑流量占全年的81.9%，枯水期(12—5月)徑流量占全年的18.9%[17]。研究區地貌分屬云南省滇西橫斷山地、滇中紅色高原與滇東喀斯特高原三大地理單元，區域構造運動強烈，地殼活動劇烈。研究區內春旱較為廣泛，水資源分布極不均衡，其中昆明市所在滇池流域人均水資源量不足300 m3，為極度缺水區，因此開展區域水文極小值研究對當地抗旱救災、水生態環境保護具有重要意義。根據區域自然地理和水文特性，結合《云南省水文手冊》，本研究將金沙江流域云南片劃分為東北區、中北區、滇中區、西北區4個區域，其中中北區包括東西2部分，區域劃分及水系見圖1。

圖1 金沙江流域云南片水文代表站及區域劃分

2 研究資料與方法

2.1 研究資料

選取研究區內建站時間較早、資料系列較長、觀測持續、面上分布較為均衡、覆蓋流域內主要水文分區和主要支流的關河豆沙關站、白水江牛街站、牛欄江七星橋站、螳螂川蔡家村站、龍川江上段楚雄站、龍川江下段小黃瓜園站、落漏河黃坪站、萬馬河中和街站、漁泡江地索站、五郎河總管田站、臘普河塔城站、交界河上橋頭站等共12個水文站作為區域代表站進行分析，各站位置所屬分區見圖1，資料包括各水文代表站1968—2017年共50年年最小瞬時流量(年徑流極小值)、月平均流量系列。以上資料均來自云南省水文水資源局整編成果。中北區東片區缺乏滿足系列長度要求的區域代表站，查閱《云南省水文手冊》，發現中北區內東片區與西片區河道基流特征相似，因此使用中北區西片區分析成果來代表中北區水文極小值特性。

2.2 水文極小值演變分析方法

依據收集到的金沙江流域云南片水文代表站水文數據，分析年徑流極小值及其對應的每100 km2產流量變化范圍，應用離散系數分析系列變異程度，以分析研究區內年徑流極小值的地區分布規律。為在同一尺度上比較各代表站年徑流極小值變化趨勢，歸一化處理系列數據，采用一元線性回歸法和M-K法分析年徑流極小值變化趨勢，并使用M-K法檢驗趨勢變化顯著性水平及突變點，結合其他文獻研究成果及產匯流條件，分析影響年徑流極小值演變的主要因素。

2.3 生態基流計算方法

生態基流指能滿足河道生態環境功能的基礎流量[18-19]，是維系和保護河流的最基本生態功能不受破壞所必須在河道內保留的最小流量[20-21]。Tennant法取年平均天然流量的10%作為河流生態基流[22]，但這在季節性河流中應用有局限性[20,23]。云南省河流天然徑流季節性明顯，生態基流的確定應考慮水資源的合理開發利用，結合不同地區及不同生態環境，汛期生態基流按照Tennant法取值基本合理[24-26]，枯季應針對枯季徑流特點考慮生態基流計算方法[27-28]。伍立群等[28]提出云南省豐水區、中水區以及來水量年際年內變化較小河流可按Tennant法確定生態基流，少水區以及來水量年際年內變化較大的河流枯季生態基流取枯季平均流量的20%。本研究依據此結論確定生態基流，研究區域內東北區、西北區屬中水區，滇中區屬少水區，中北區屬少水區向中水區過渡區，生態基流參照少水區確定[27]。

3 水文極小值特征及演變

3.1 特征分析

對金沙江流域云南片主要支流12個水文代表站1968—2017年共50年年徑流極小值系列多年平均值、最大值、最小值對應每100 km2集水面積產流量進行離散系數分析，結果見表1。金沙江流域云南片年徑流極小值系列對應每100 km2集水面積產流量最大值在0.024～1.233 m3/s，最大值流域平均為0.408 m3/s，最小值在0.000～0.456 m3/s，最小值流域平均為0.092 m3/s，平均值流域平均為0.225 m3/s，離散系數在0.220～1.342。從空間分布來看，東北區、西北區為年徑流極小值對應每100 km2集水面積產流量高值區，其次為中北區，云南傳統缺水區金沙江流域中部的滇中區為年徑流極小值對應每100 km2集水面積產流量低值區，12個代表站中最大站點是最小站點的220倍，地區差異巨大，楚雄州、大理州部分河道部分時段出現斷流現象。離散系數分析結果表明，東北區及西北區河道1968—2017年年徑流極小值系列相對較為穩定，離散系數在0.40以下，滇中區的楚雄州龍川江及昆明市螳螂川離散系數大于1.2，1968—2017年徑流極小值年際變化差異大。

3.2 年際變化分析

為在同一尺度上進行比較，對各水文代表站1968—2017年徑流極小值系列進行了歸一化處理，繪制歸一化后過程線，采用一元線性回歸法分析推求線性趨勢，并采用M-K法檢驗趨勢的顯著性，結果見表2，分析成果示例見圖2。由表2、圖2可知，東北區河流年徑流極小值呈現波動減少趨勢，區域內關河豆沙關站和白水江牛街站的年徑流極小值減少趨勢顯著性水平均通過95%置信度檢驗；滇中區及中北區河流年徑流極小值系列趨勢較為分散，區域內牛欄江七星橋站年徑流極小值增大趨勢顯著性水平通過95%置信度檢驗，龍川江下段小黃瓜園站、螳螂川蔡家村站年徑流極小值減少趨勢顯著性水平通過95%置信度檢驗，落漏河黃坪站、萬馬河中和街站年徑流極小值呈現不顯著上升趨勢，龍川江上段楚雄站、漁泡江地索站、五郎河總管田站年徑流極小值呈現不顯著下降趨勢；西北區臘普河塔城站呈不顯著上升趨勢，交界河上橋頭站因近年受上游水電站工程調度影響，呈現不顯著下降趨勢。

表1 金沙江流域云南片水文代表站水文極小值特征

表2 金沙江流域云南片水文代表站年徑流極小值年際變化趨勢分析及突變檢測結果

(a)豆沙關站、蔡家村站、小黃瓜園站

(b)中和街站、總管田站、上橋頭站

3.3 突變分析

使用M-K法對金沙江流域云南片主要支流12個水文代表站1968—2017年徑流極小值系列進行突變檢驗，結果見表3。由表3可知，1968—2017年除龍川江上段楚雄站未出現突變信號外，其他各站均有突變信號出現，其中漁泡江地索站出現3次、交界河上橋頭站出現2次，關河豆沙關站、白水江牛街站、牛欄江七星橋站、螳螂川蔡家村站、龍川江下段小黃瓜園站突變后形成新的趨勢，顯著性水平通過95%置信度檢驗，突變時間主要集中在20世紀七八十年代，且各代表站突變前后均值均發生了較大幅度變化。

表3 金沙江流域云南片水文代表站年徑流極小值突變前后均值變化

3.4 演變成因分析

年徑流極小值系列發生突變及趨勢形成的影響因素有很多，主要影響因素包括：①產匯流條件發生變化，如砍伐樹木、植樹造林、種植結構調整、水利水電工程開發建設等。12個代表站中有8個站點在20世紀70年代、80年代出現突變，與當時大規模砍伐樹木，森林覆蓋率快速降低，流域蓄水能力降低有關。1989年，我國實施長江上游水土流失重點防治工程，情況得到一定控制。上橋頭站在2015年形成突變，與前期上游水電工程蓄水發電改變枯季河道匯流條件有關；蔡家村站雖在2017年未檢出突變信號，然該站2017年度極小值大幅度超出歷史系列最大值，與云南省實施牛欄江—滇池補水工程有關，該工程多年向該站上游滇池流域平均調水5.72億m3[29]，多于滇池多年平均水資源量5.56億m3，其中枯季(11月至次年4月)調水量為2.43億m3，大幅度增加了蔡家村站汛期、枯季來水量。②氣溫變化改變流域蒸發及融雪條件。全球氣候變暖的大趨勢下，除靠近四川省攀枝花區域氣溫呈下降趨勢外[13,30]，金沙江流域云南片其他大部分地區氣溫呈顯著上升趨勢，平均以每10年0.29℃上升，其中中段平均上升幅度達每10年0.46℃，上段平均上升幅度在每10年0.18℃[13]，而四季中冬季升溫幅度最大，潛在蒸發和蒸發皿蒸發呈增加趨勢[7-8,13]，該趨勢對滇中區、中北區及東北區所屬的大部分區域的影響表現為增大了枯季蒸發量，降低枯季來水量，是形成區域內大部分站點年徑流極小值出現減少趨勢的主要原因之一，同時氣溫上升有利于西北區冰雪覆蓋區域融雪期提前，增大枯季徑流量，如塔城站年徑流極小值系列出現上升趨勢。③降水量趨勢變化改變水資源條件。金沙江云南片除東北區昭通市昭陽區年降水量呈顯著減少趨勢并在1986年發生突變，西北區迪慶州德欽縣呈減少趨勢并于1966年發生突變外，其他均呈增加趨勢[9-11]，其中靠近四川省攀枝花區域增加趨勢最為明顯[30]。該趨勢進一步解釋了研究區內東北區河流代表站年徑流極小值呈顯著下降趨勢、中北區靠近四川省攀枝花區域的河道年徑流極小值整體呈現增大趨勢的原因。

4 河道生態基流保障分析

根據12個水文代表站1968—2017年月平均徑流量系列數據分別計算各河道汛期、枯季生態基流，并以此對各水文代表站1968—2017年年徑流量極小值是否滿足河道生態基流需求進行評價，結果見表4。滇中區昆明市牛欄江七星橋站、大理州落漏河黃坪站50年內年徑流極小值均低于生態基流，楚雄州龍川江上段楚雄站、下段小黃瓜園站、楚雄州漁泡江地索站、昆明市螳螂川蔡家村站有40～49年年徑流極小值低于生態基流，中北區麗江市五郎河總管田站有21年年徑流極小值低于生態基流，東北區昭通市關河豆沙關站、中北區楚雄州萬馬河中和街站、西北區迪慶州交界河上橋頭站有3～7年年徑流極小值低于生態基流，東北區昭通市白水江牛街站、西北區迪慶州臘普河塔城站年徑流極小值均大于生態基流。1968—2017年，研究區主要河流平均僅有47%的年份生態基流能得到全部保障，53%的年份年徑流極小值低于生態基流，其中東北區、西北區、中北區局部生態基流保障程度較高，滇中區大部分河道大部分年份年徑流極小值小于生態基流，水生態環境壓力大。

表4 金沙江流域云南片水文代表站生態基流保障分析

5 結 論

a. 研究區東北區、西北區為年極小值對應每100 km2集水面積產流量高值區，滇中區為低值區，中北區為過渡區，地區差異顯著。

b. 研究區東北區年徑流極小值呈現顯著波動減少趨勢，滇中區、中北區及西北區河流變化趨勢不一，除滇中區龍川江上段年徑流極小值系列未出現突變信號外，其他各河道均有突變信號出現，部分河流突變后極小值特征值發生明顯變化,形成突變及趨勢變化的主要原因有降水、產匯流條件、氣候背景發生變化。

c. 1968—2017年，研究區主要支流平均僅有47%的年份生態基流能得到全部保障，其中區域東北區及西北區生態基流保障程度較高，滇中區大部分河道大部分年份年徑流極小值無法滿足生態基流需水，水生態環境壓力較大、抗旱救災壓力大。

d. 預計研究區東北區受天然來水影響、西北區部分河流受水利水電工程調度影響,生態基流保障及干旱壓力將逐步增大，滇中區昆明、曲靖河流生態基流保障程度將逐步得到改善，滇中區其他區域大部分河流生態基流保障及干旱為持續高壓狀態。建議云南省加快滇中引水工程向滇中區補水，加強水利水電工程生態流量調度管理，以提高生態基流保障度。