基于FDC生態指標的水文情勢評價

趙洪彬，黃曉榮,2，周星宇，馬 凱

(1.四川大學水利水電學院，成都 610065；2.四川大學水力學與山區河流開發保護國家重點實驗室，成都 610065)

0 引 言

河流系統可以為人類的生活生產提供寶貴的服務，例如提供生活、工業和農業用水，魚類養殖，作為交通運輸的航行通道以及水電開發等[1]。除此之外，河流系統也具有非常大的生物價值，包含了約全球40%的魚類和1/4脊椎動物，如海豚、鴨嘴獸、鱷魚、鳥類和蛇，甚至還有更多種類的無脊椎動物、植物和藻類，其中許多尚未被發現[16]。但正因為河流系統的巨大效用和生物價值，使得全世界各地過度開發，加劇了河流生態系統的破壞。

河流流態是河流生態的內在驅動力，它決定著河流的發展趨勢[2]。目前已開發了170多種流量變化指標來描述河流流態的情勢[3]，其中廣泛應用的是由RICHTER等人[4]提出的水文改變指標法(IHA)，該指標體系包含33個指標共分5組，即月均流量、年極端流量、年極端流量出現時間、高和低脈沖的頻率及延時和流量變化的改變率和頻率。為了進一步判斷河流水文情勢的變化情況，RICHTER等人[5]在IHA的基礎上又提出了變動范圍法(RVA)。國內已有許多學者采用IHA-RVA法對各個流域進行水文情勢評估，取得了較好的成果[6-9]。但IHA指標法仍存在許多局限性，TIMPE等人[10]在利用IHA分析大壩對水文情勢的影響時發現IHA指標法沒有考慮氣候變化和土地利用的影響。GAO等人[3]指出IHA指標間存在相關性，導致大量的信息冗余。于是，他利用主成分分析法(PCA)確定了IHA 33個指標里最具代表性的生態水文指標。VOGEL[11]等人提出了基于流量歷時曲線(Flow Duration Curve，FDC)的生態赤字、生態剩余2個廣義指標來評價河道徑流生態機制。由于該方法無量綱，概念清晰且指標少，因此更能直觀地反映出河流系統的水文情勢變化[12]。

因此，本文的主要思路是：①先利用Mann-Kendall檢驗法找出金沙江流域中游攀枝花站自然流態下徑流突變點，討論氣候變化對攀枝花站徑流的影響，并結合攀枝花上游梯級電站首臺機組運行時間，將徑流序列分成3個時間段進行趨勢分析；②采用基于FDC的生態指標法分別從年、季尺度上對攀枝花水文站的水文情勢進行評價；③繪出梯級電站影響下近3 a的FDC曲線，并結合年、季FDC生態指標結果，分析攀枝花上游梯級電站對該站流態的影響情況。

本文希望為進一步推行長江流域大保護計劃，明確長江上游河流生態修復目標和開展生態修復措施提供參考依據。

1 研究區域與數據

金沙江流域是長江上流的干流，位于四川宜賓以上，長約3 500 km，流域面積約為50.2 萬km2，占長江流域總面積的27.8%。本文選取金沙江中游控制站攀枝花站為研究對象，攀枝花站控制面積為25.9 萬km2，1966-2017年，攀枝花站多年平均徑流量達到564 億m3。正是由于攀枝花上游水能資源較為豐富，目前規劃建設電站16座，其中已建成電站6座[13]。

本文選取金沙江流域主要控制性水文站攀枝花站(1966-2017年)日流量數據進行分析，該站位于金沙江流域中游，雅礱江入河口之上，且該徑流數據無缺測，經過系統整編，質量可靠。同時，收集了攀枝花站上游9個雨量站對應時段(1966-2017年)的日雨量數據資料。2010年左右，攀枝花上游許多日調節或周調節的電站陸續投產。因此，取1966-2010年(45 a)的徑流序列為自然流態進行計算。

2 研究方法

生態剩余和生態赤字是基于流量歷時曲線(FDC)提出來的，其中FDC由日流量數據和其超過概率構成，其超過概率表示為[11]：

pi=i÷(n+1)

(1)

式中：n為觀測日流量的總天數；i為秩。

利用日徑流序列資料可以根據實際分析需要構造不同尺度下FDC曲線。本文選取攀枝花站的日徑流資料構建年尺度和季尺度的FDC曲線。以構建年尺度FDC為例，根據其自然狀態下45 a的年FDC，得到75%分位FDC和25%分位FDC作為上、下限?？蓪?5%～75%分位范圍內視為河流生態系統的適應性范圍[15,18]。如圖1所示，如果某一年的年FDC低于25%分位線，則將25%分位線與該年FDC之間的區域定義為生態赤字。這一數值反映了河流生態系統需水量的不足程度。反之，如果某一年的年FDC位于75%分位線之上，則將75%分位線與該年FDC之間的區域定義為生態剩余，即反映了該年河流生態系統需水量的富裕情況[12,15]。

圖1 基于FDC的生態剩余和生態赤字定義Fig.1 Definition of ecological surplus and ecological deficit based on FDC

3 結果與討論

3.1 Mann-Kendall檢驗及趨勢分析結果

利用攀枝花站控制的上游9個雨量站數據資料，運用泰森多邊形法對其流域面雨量進行計算，再采用Mann-Kendall[14]法對攀枝花站自然流態下的年均徑流進行突變點檢驗。結果顯示，攀枝花站年均徑流突變較為明顯，在95%置信區間內年均徑流突變點為1984年。

依據Mann-Kendall檢驗結果，以1984年為界，對自然狀態下徑流突變前后以及電站影響時期下的徑流進行趨勢分析。徑流和降水過程如圖2所示，其中黑色線表示1966-1984年即突變前的結果，紅色線表示1985-2010年即突變后的結果，藍色線表示2011-2017年即電站影響下的結果。由圖2結果表明，徑流和降水有相同的變化規律。自然狀態下，突變前后徑流和降水都有所增加；電站影響時期，徑流和降水都呈現減少的趨勢。如表1所示。

表1 攀枝花站3個時段徑流和降水的變化結果Tab.1 Changes in runoff and precipitation during the three periods at Panzhihua Station

圖2 攀枝花降水、徑流過程趨勢Fig.2 Trend pattern of precipitation and runoff in Panzhihua

3.2 年尺度FDC生態指標分析結果

圖3表示1966-2017年年FDC生態指標與其對應年份的降水距平之間的變化關系[12,15]。其中條形圖對應的是降水距平的結果，綠色表示降水高于均值，紅色表示降水低于均值；折線圖表示FDC生態指標的變化，藍色代表生態赤字，橙色代表生態剩余。圖3表明：在自然流態下，1984年后綠色條形圖明顯增多，表明降水明顯增加，由此導致該地區年流量增加，表現出生態剩余上升。2010年后即電站影響時期，降水減少，生態赤字增加。由此表明該地區在1966-2017年，河道生態需水狀態呈現出從不足到富裕再到不足的變化趨勢。同時，無論是任何時期，圖3中均表現出降水距平與生態指標具有良好的相關關系，即降水較多時，生態剩余明顯增加；降水較少時，生態赤字明顯增加。初步判斷降水對該地區的流量變化具有一定的影響。

圖3 年尺度降水距平與生態指標變化結果Fig.3 Results of annual scale precipitation distance average and ecological indicators

為了更好地研究降水距平與FDC生態指標的相關關系，圖4繪制出2者的散點圖，并進行線性分析，發現其趨勢線基本過原點，且散點大致分布在一三象限，表明降水距平與FDC生態指標具有較好的線性關系。另外，通過統計分析，我們發現降水高于平均值的年份出現生態剩余的概率為90.5%，降水低于平均值的年份出現生態赤字的概率為84.0%。綜合結果表明，該地區流量變化主要是由降水變化引起的[15]。此外，為了進一步說明生態指標在這3個時間段的變化情況，圖5繪制出3段時間的生態指標的箱型圖。圖5表明，前后2段時期生態剩余處于較低水平；中間段生態剩余明顯增多。進一步說明該地區在1966-2017年，河道流態呈現出“低高低”的拋物線規律。

圖4 年FDC生態指標與降水距平線性關系Fig.4 Relationship between FDC ecological indicators and precipitation distance average

圖5 3段時期FDC生態指標箱型圖Fig.5 FDC ecological indicators box diagram for three periods

3.3 季尺度FDC生態指標分析結果

不同季節的FDC生態指標與其降水距平相關程度不同。由圖6可以看出，任何一個時間段內，夏季的降水距平與生態指標相關關系最好，冬季最弱，春季和秋季介于2者之間，這是由于夏季降水量級遠大于冬季，當降水足夠大時，降水會成為改變其流量的主要因素。圖6(b)顯示出夏季的降水規律與年尺度的變化情況相一致，而圖6(a)、(c)和(d)顯示出春季、秋季和冬季的降水與整年的降水變化一致性較弱，綜合表明夏季的降水和生態指標的變化情況最能代表整年的變化[12,15]。

圖6 季尺度降水距平與FDC生態指標變化結果Fig.6 Seasonal precipitation anomalies and FDC ecological indicators change results

圖7(b)顯示出夏季的生態指標震蕩幅度最大，變化最為劇烈，這是由夏季高流量的劇烈變幅造成的。圖7(d)顯示，由于冬季低流量影響，生態指標變幅較小，基本維持在0值附近。從時間變化上來看，自1966-2017年以來，對于任何一個季節，生態赤字均表現出從減少到增加的趨勢，生態剩余則表現出從增加到減少的趨勢，整體呈現出“低高低”的拋物線規律，這與年尺度FDC結果相同。

圖7 季尺度FDC生態指標變化箱型圖Fig.7 Seasonal FDC ecological indicator change box diagram

3.4 梯級電站對攀枝花站流態的影響

2010年左右，攀枝花上游梯級電站陸續投產，目前已建的6座電站均在2015年及以前完成發電蓄水任務。因此，為進一步討論梯級電站對該站流態的影響，分別做出2015、2016、2017年以及自然流態下25%分位、75%分位的FDC曲線，如圖8所示。并結合圖3結果，可以看出，在電站影響時期，年尺度FDC生態指標和降水距平的相關性很好。此外，圖8顯示，這3 a的FDC曲線與自然流態下25%分位、75%分位的FDC曲線過程較為一致，且這3 a降水較少，與實際徑流流態較為符合，表明在年尺度下，梯級電站對流量的調節作用很小。

圖8 2015、2016、2017年FDC曲線Fig.8 2015, 2016, 2017 FDC curve

根據圖6和圖7顯示的結果，在電站影響時期，季尺度FDC生態指標和降水距平仍然具有一定的相關關系，季尺度FDC生態指標呈現出“低高低”的拋物線規律，與年尺度結果一致。此外，由圖8顯示，2016、2017年冬季流量基本低于25%分位線，流量呈現出赤字狀態，這是由于2016、2017年冬季降水低于多年冬季平均降水，由氣候變化主導了該時間段的流量變化。2015年冬季FDC曲線起伏較小，且2015冬季降水與平均值相當，與實際徑流流態較為符合。綜合以上討論，結果表明，在季尺度上，攀枝花上游梯級電站對該站的流量調節作用也很小。

目前攀枝花上游已建成6個電站，電站參數如表2所示。因此，考慮到攀枝花上游已建成電站的調節性能均為周調節或日調節，調節性能較小，并結合以上結果，綜合表明低水頭水壩對河流水文情勢影響有限[17]，攀枝花上游梯級電站對該站的水文情勢影響甚微。

表2 攀枝花站上游已建電站參數Tab.2 Power plant parameters in the upper reaches of Panzhihua Station

4 結 論

(1)運用Mann-Kendall突變點檢驗法得到了攀枝花站自然流態下的徑流突變點為1984年，并結合攀枝花上游電站投產時間將攀枝花站徑流分為3個時間段，采用趨勢分析以及基于FDC的生態剩余、生態赤字的生態指標法對該站水文情勢進行評價。結果顯示，自1966-2017年以來，徑流和降水呈現出“低高低”的變化趨勢。

(2)年尺度FDC生態指標表明降水距平與FDC生態指標之間具有較好的線性相關關系，說明了該地區流量變化主要是由降水變化引起的；季尺度FDC生態指標顯示夏季和年的變化情況有更好的一致性，這是由于夏季高降水、高流量的影響，使得夏季的降水和生態指標的變化情況最能代表整年的變化。

(3)在電站影響時期，年尺度FDC生態指標和降水距平存在較好的相關關系，并且季尺度FDC生態指標變化規律與年尺度結果一致，同時考慮到攀枝花上游已建成電站的調節性能均為周調節或日調節，其調節性能較小，表明攀枝花上游梯級電站對該站的水文情勢影響甚微。

為更好地說明金沙江中游水文情勢的變化情況，接下來的研究應考慮土地利用的變化以及具有更強調節性能的梯級電站的影響，除了考慮天然徑流突變前后的變化外，還應考慮大型水庫建成前后對徑流造成的改變，為水文情勢評價提供更準確的結果，為未來水庫調度以及建設長江流域生態保護系統提供科學的依據。