水系連通功能變異下荊南三口流域徑流特征

代 穩(wěn), 張美竹, 王金鳳, 陜振沛

(1.六盤水師范學(xué)院 旅游與歷史文化學(xué)院, 貴州 六盤水 553004; 2.六盤水師范學(xué)院 烏蒙山發(fā)展研究院, 貴州 六盤水 553004)

科學(xué)研究流域徑流特征變化一直是水資源科學(xué)領(lǐng)域的重點(diǎn)和熱點(diǎn)。21世紀(jì)以來，由于氣候變化和人類活動(dòng)加快使徑流特征發(fā)生明顯改變，已開始關(guān)注變化環(huán)境下徑流演變特征[1]、氣候變化下徑流特征變化研究[2]、變異條件下生態(tài)徑流特征變化分析[3]。氣候變化與人類活動(dòng)是徑流演變的主要驅(qū)動(dòng)因素，其對(duì)徑流變化貢獻(xiàn)率大小，不同河流或相同河流不同區(qū)域不同時(shí)段是不同的，長江、湄公河和勒拿河等流域氣候變化的貢獻(xiàn)率大于人類活動(dòng)，黃河、恒河和印度河等流域氣候變化的貢獻(xiàn)率小于人類活動(dòng)[4]，黑河流域上游以氣候變化為主，下游以人類活動(dòng)為主[5]，黃河源區(qū)徑流量變化受氣候變化與人類活動(dòng)影響的貢獻(xiàn)率在1990—2008年分別為33.12%和66.88%，而在2009—2015年則為73.61%和26.39%[6]。反映氣候變化的主要指標(biāo)有降水量、蒸發(fā)量、氣溫等，反映人類活動(dòng)主要指標(biāo)有土地利用變化、水利樞紐工程、取用水等，在上述這些指標(biāo)中對(duì)流域徑流演變影響的貢獻(xiàn)率很難分離。徑流是流域內(nèi)降水流出出口斷面的水流，天然水道影響著徑流演變，水道的連通狀況對(duì)徑流特征有一定改變，水系連通功能反映水流自身的動(dòng)力及其相對(duì)穩(wěn)定的路徑。由此可見，水系連通功能與徑流之間密切相關(guān)。目前，對(duì)水系連通功能的研究主要是水系連通功能評(píng)價(jià)[7]、影響因素方面[8]，水系連通功能對(duì)徑流影響的研究成果至今為止國內(nèi)外極少報(bào)道。

長江荊南三口水系既是連接長江中游的重要紐帶，也是溝通長江水與洞庭湖的水流通道。荊南三口水系連通性自1955—2016年呈下降趨勢(shì)[9]，三口徑流總體上在1955—2016年也呈下降趨勢(shì)[10]，兩者之間是否存在某種特殊的關(guān)系?水系連通功能變異下荊南三口流域徑流會(huì)發(fā)生怎樣的變化，有什么特征呢?因此，本文構(gòu)建水系連通功能評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，根據(jù)實(shí)測(cè)值與給定的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，利用模糊綜合評(píng)判法計(jì)算確定水系連通功能變異年份，開展水系連通功能變異下荊南三口流域徑流的變化特征，根據(jù)月徑流占年徑流百分比、年內(nèi)分配不均勻系數(shù)定量評(píng)價(jià)水系連通功能變異下荊南三口流域徑流年內(nèi)變化特征，遵照Morlet小波分析計(jì)算得到徑流序列演變過程存在的周期變化尺度范圍、主周期探究水系連通功能變異下荊南三口流域徑流年際周期變化規(guī)律，依照Mann-Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)法和Sen′s slope趨勢(shì)變化強(qiáng)度研討水系連通功能變異下荊南三口流域徑流趨勢(shì)變化特征。本研究為荊南三口流域徑流演變規(guī)律、來水預(yù)報(bào)、防洪，實(shí)施河湖水系連通工程，水資源合理配置、生態(tài)環(huán)境保護(hù)以及經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

荊江是指長江干流枝城站至城陵磯河段的總稱，其南岸的松滋、虎渡和藕池三口(調(diào)弦口于1958年堵口)，習(xí)慣上稱為荊南三口水系，主要分泄長江來水進(jìn)入洞庭湖(圖1)。由于江湖關(guān)系的劇烈演變，三口流域的河流已成為典型的季節(jié)性河流。該流域?qū)儆趤啛釒Ъ撅L(fēng)氣候區(qū)，多年平均氣溫16.8℃，多年平均降雨量1 241.2～1 265.6 mm，降雨量在年內(nèi)、年際間分配不均勻，汛期4—9月降雨量為844.4 mm，占全年降水量的67.4%以上，多年平均蒸發(fā)量為1 174.5～1 251.0 mm。本文研究范圍為荊南三口流域，包括松滋河?xùn)|支、西支、虎渡河、藕池河?xùn)|支、西支，并分別采集新江口、沙道觀、虎渡河、彌陀寺、管家鋪、康家崗等5個(gè)水文站點(diǎn)1956—2017年實(shí)測(cè)的月徑流量作為研究的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，其中1956—2009年月流量數(shù)據(jù)主要來源于長江水利委員會(huì)，2010—2017年主要來源于湖南省水利廳和湖南省水情綜合日?qǐng)?bào)表。

圖1 荊南三口河系主要水文站點(diǎn)分布

2 水系連通功能評(píng)價(jià)指標(biāo)及研究方法

2.1 水系連通功能變異點(diǎn)確定方法

2.1.1 水系連通功能評(píng)價(jià)指標(biāo)的構(gòu)建 河網(wǎng)水系連通功能受眾多因素影響，是一個(gè)比較復(fù)雜的、關(guān)聯(lián)性強(qiáng)的水網(wǎng)巨系統(tǒng)。為了定量描述水系連通功能的變化情況，必修構(gòu)建一套表征水系連通功能評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。由水系連通功能理論探討和前人的研究成果可知，對(duì)水系連通功能的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系應(yīng)涵蓋水系連通的自然功能和社會(huì)功能等8項(xiàng)核心指標(biāo)(表1)。

由表1可知，河道斷流率、地表水農(nóng)業(yè)灌溉供水率、河道通航能力3個(gè)指標(biāo)可以反映河湖水系水資源調(diào)配功能，生物多樣性指標(biāo)、河流水質(zhì)達(dá)標(biāo)率、親水舒適度3個(gè)指標(biāo)可以反映河湖水系水質(zhì)改善功能，濕地面積變化率、水庫調(diào)節(jié)能力2個(gè)指標(biāo)可以反映河湖水系水旱災(zāi)害防御功能，無論是資源調(diào)配型、水質(zhì)改善型，還是水旱災(zāi)害防御型河湖水系，上述8項(xiàng)指標(biāo)均可以對(duì)水系連通功能進(jìn)行定量評(píng)價(jià)。

表1 水系連通功能評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

2.1.2 水系連通功能的評(píng)價(jià)方法 水系連通功能受到水系結(jié)構(gòu)、形態(tài)、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境以及社會(huì)發(fā)展等因素的綜合影響，對(duì)水系連通功能進(jìn)行評(píng)價(jià)必須同時(shí)考慮多種因素，僅用一兩個(gè)簡單數(shù)值難以進(jìn)行表示或評(píng)價(jià)，常常帶有模糊性。因此，可以選用模糊綜合評(píng)價(jià)法對(duì)水系連通功能進(jìn)行定量評(píng)價(jià)。

模糊綜合評(píng)判是指根據(jù)實(shí)測(cè)值與給定的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)模糊關(guān)系矩陣轉(zhuǎn)換后，對(duì)某一具體事件作出定量評(píng)價(jià)的一種數(shù)學(xué)方法。模糊綜合評(píng)判方法其評(píng)判步驟[11]如下:

(1) 構(gòu)建因子集。由前述水系連通功能分析以及評(píng)價(jià)指標(biāo)體系可知，水系連通功能的主要表現(xiàn)形式體現(xiàn)在河道斷流率、濕地面積變化率、生物多樣性指標(biāo)、河流水質(zhì)達(dá)標(biāo)率、地表水農(nóng)業(yè)灌溉供水率、河道通航能力、水庫調(diào)節(jié)能力指數(shù)、親水舒適度等8個(gè)方面。鑒于此，水系連通功能變異程度的因子集定義為:

U={u1,u2,…，u8}

(2) 建立評(píng)價(jià)集。根據(jù)《灌溉水利用率測(cè)定技術(shù)導(dǎo)則》SL/Z699—2015，《城市水系規(guī)劃導(dǎo)則》SL431—2008，《河湖生態(tài)保護(hù)與修復(fù)規(guī)劃導(dǎo)則》SL709—2015，旱情等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)SL424—2008以及前人的研究成果，建立水系連通功能評(píng)價(jià)集:

V=vij={vi1,vi2,vi3,vi4}

式中:vi1,vi2,vi3,vi4分別為不變異、輕度變異、中度變異和重度變異的標(biāo)準(zhǔn)值;i為8個(gè)綜合評(píng)判因子;j為4個(gè)評(píng)價(jià)等級(jí),即評(píng)價(jià)因子的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)分界。

(3) 計(jì)算評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重，建立權(quán)重集。水系連通功能的評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重是指某一指標(biāo)在整體評(píng)價(jià)中的相對(duì)重要程度。權(quán)重是要從若干評(píng)價(jià)指標(biāo)中分出輕重來，一組評(píng)價(jià)指標(biāo)體系相對(duì)應(yīng)的權(quán)重組成了權(quán)重體系。權(quán)重可以根據(jù)各評(píng)價(jià)因子對(duì)總事件的影響大小賦予相對(duì)應(yīng)的適合權(quán)重。模糊綜合評(píng)判的權(quán)重賦權(quán)方法可采用超標(biāo)倍數(shù)法，其計(jì)算公式[7]如下:

式中:m=8為評(píng)價(jià)因子的個(gè)數(shù);n=4為水系連通功能變異的標(biāo)準(zhǔn)等級(jí);uki表示第k個(gè)水文站第i個(gè)指標(biāo)實(shí)際觀測(cè)值；vij與上述一致。通過計(jì)算各評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重,可以組建因子權(quán)重集A:

A=(w1,w2,…,w8)

(4) 構(gòu)建隸屬函數(shù)、求隸屬度，建立模糊矩陣。針對(duì)水系連通功能變異具有模糊性，將模糊數(shù)學(xué)中的隸屬函數(shù)引入到水系連通功能變異評(píng)價(jià)，采用隸屬函數(shù)描述水系連通變異對(duì)某一等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的隸屬程度。本文取線性函數(shù)作為隸屬函數(shù)，其數(shù)學(xué)表達(dá)式可以表示為:

式中:ri1,ri2,ri3,ri4分別為第i個(gè)指標(biāo)特征值對(duì)Ⅰ級(jí)，Ⅱ級(jí)，Ⅲ級(jí)，Ⅳ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的隸屬度;uki表示第k個(gè)水文站第i個(gè)指標(biāo)實(shí)際觀測(cè)值;vi1,vi2,vi3,vi4分別為指標(biāo)i的Ⅰ級(jí)，Ⅱ級(jí)，Ⅲ級(jí)，Ⅳ級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)值。

將不同時(shí)間不同水文站的實(shí)測(cè)值帶入到上述所對(duì)應(yīng)的隸屬度函數(shù)中，可以計(jì)算出其單因子的評(píng)價(jià)矩陣，則模糊矩陣可以表示為:

式中:i=1,2,…,8；j=1,2,3,4。

(5) 求綜合評(píng)判值。通過上述4個(gè)步驟可以計(jì)算得到模糊矩陣R和因子權(quán)重集A，在結(jié)合模糊綜合評(píng)判計(jì)算要求，可以得到模糊綜合評(píng)價(jià)的結(jié)果:

最后根據(jù)最大隸屬度原則，計(jì)算出模糊綜合評(píng)判值即為水系連通功能變異結(jié)果。

2.2 徑流年內(nèi)變化規(guī)律研究方法

徑流年內(nèi)分配不均勻性主要采用月徑流占年徑流百分比和年內(nèi)分配不均勻系數(shù)Cv[12]來表征。

2.3 周期變化的研究方法

識(shí)別水文時(shí)間系列周期變化的研究方法常用Morlet小波分析法，該方法的基本原理[13]如下:

Ψ(t)=exp(iw0t)exp(-t2/2)

式中:Ψ(t)，Ψa,b(t)分別為基小波函數(shù)、子小波函數(shù);W(a,b)為小波變換系數(shù);var(a)為小波方差;Ψ(t)為Ψ(t)的復(fù)共軛;a,b，t為連續(xù)變量,分別為尺度收縮因子(表示小波在尺度上周期長度)、時(shí)間平移因子(表示小波在時(shí)間上的平移距離)和時(shí)間;Δt為取樣時(shí)間間隔;N為樣本容量。

2.4 年際趨勢(shì)變化的研究方法

年際趨勢(shì)變化主要采用Mann-Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)法[13-15]，趨勢(shì)變化強(qiáng)度采用了Sen′s slope法，MK趨勢(shì)變化方法，在許多文獻(xiàn)中均有介紹和說明，在此不作贅述。

3 結(jié)果與分析

3.1 水系連通功能變化

運(yùn)用超標(biāo)倍數(shù)法計(jì)算出水系連通功能評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重，首先確定水系連通功能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)值(表2)，然后利用荊南三口水系連通功能評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中8個(gè)指標(biāo)實(shí)際值，計(jì)算出河道斷流率、濕地面積變化率、生物多樣性指標(biāo)、河流水質(zhì)達(dá)標(biāo)率、地表水農(nóng)業(yè)灌溉供水率、河道通航能力、水庫調(diào)節(jié)能力指數(shù)、親水舒適度的權(quán)重分別為0.17，0.09，0.12，0.13，0.16，0.12，0.11，0.1。自然功能和社會(huì)功能的權(quán)重為0.51，0.49。從8個(gè)指標(biāo)的權(quán)重可以看出，河道斷流率最高，意味著河道斷流率對(duì)水系連通功能影響最大。

表2 水系連通功能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)以上公式計(jì)算荊江三口地區(qū)水系連通功能隸屬度，構(gòu)建出該地區(qū)1956年、1989年、2008年、2016年的評(píng)判矩陣R如下:

根據(jù)模糊綜合評(píng)判復(fù)合運(yùn)算方法及最大隸屬度原則，即取大取小法復(fù)合運(yùn)算，則荊江三口地區(qū)4個(gè)年份水系連通功能綜合評(píng)價(jià)值為:

B1956=AR1956=[0.44160.34640.10000.1120]

B1989=AR1989=[0.22400.13100.39700.2480]

B2008=AR2008=[0.00000.50400.24600.2500]

B2016=AR2016=[0.00000.47630.35570.1680]

按照上述計(jì)算步驟，計(jì)算出研究區(qū)水系連通自然功能和社會(huì)功能評(píng)價(jià)等級(jí)，評(píng)級(jí)結(jié)果見圖2。從圖2中可以看出，1956—1989年荊南三口自然功能、社會(huì)功能和綜合功能的變化趨勢(shì)是一致的，呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，自然功能、社會(huì)功能由Ⅱ級(jí)降至Ⅲ級(jí)，綜合功能由Ⅰ級(jí)降至Ⅲ級(jí);2008—2016年自然功能、社會(huì)功能和綜合功能基本保持Ⅱ級(jí)。從水系連通功能的指標(biāo)來看，河道斷流率呈顯著上升趨勢(shì)，濕地面積變化率、河道通航能力、親水舒適度、地表水農(nóng)業(yè)灌溉供水率呈下降趨勢(shì)，生物多樣性指標(biāo)在0.6附近，呈弱下降趨勢(shì)，水庫調(diào)節(jié)能力指數(shù)呈上升趨勢(shì)。指標(biāo)權(quán)重和指標(biāo)變化趨勢(shì)表明，河道斷流率增加，地表水農(nóng)業(yè)灌溉供水率降低必然引起流域徑流特征變化。

圖2 荊南三口水系連通功能評(píng)價(jià)結(jié)果

由上述分析可知，荊南三口水系連通功能1956年為Ⅰ級(jí)，1989年為Ⅲ級(jí)，2008年、2016年均為Ⅱ級(jí)，4個(gè)典型評(píng)價(jià)年份中1989年水系連通功能變化較大。因此，荊江三口流域水系連通功能變異的年份為1989年、1956—1989年為水系連通功能基礎(chǔ)期，1990—2017為變異期。

3.2 徑流年內(nèi)變化分析

通過計(jì)算荊南三口流域水系連通功能變異前后月徑流占年徑流百分比和年內(nèi)分配不均勻系數(shù)Cv來反映水系連通功能變異下徑流年內(nèi)變化特征。由圖3可知，荊南三口流域月徑流占年徑流百分比呈現(xiàn)“單峰型”，水系連通功能變異后峰值高于變異前，跨度小于變異前，這意味著水系連通功能變異后徑流更加集中在6月、7月、8月份，冬季徑流所占比重更少，甚至有些流域出現(xiàn)斷流，如松滋河?xùn)|支、虎渡河，說明水系連通功能變異后荊南三口流域年內(nèi)分配更加不均勻。由圖4可知，荊南三口五站變異后年內(nèi)分配不均勻系數(shù)均大于變異前，沙道觀、彌陀寺尤為突出，進(jìn)一步說明變異后荊南三口流域年內(nèi)分配極不均勻，意味著水系連通功能變異后荊南三口流域徑流年內(nèi)分配差距較大，夏季徑流更豐富，枯水季節(jié)更稀少，表明徑流年內(nèi)變化程度激烈，容易造成旱澇災(zāi)害。

圖3 荊南三口流域月徑流占年徑流百分比

圖4 荊南三口流域年內(nèi)分配不均勻系數(shù)

3.3 徑流年際周期變化分析

根據(jù)Morlet小波變換公式，計(jì)算出水系連通功能變異前后荊南三口流域不同時(shí)間尺度域下小波系數(shù)和小波方差，觀察小波系數(shù)實(shí)部等值線圖和小波方差變化圖，得出荊南三口流域徑流年際周期變化規(guī)律。

由表3可知，水系連通功能變異下荊南三口流域由3類尺度周期增加為4類尺度周期，在不同的時(shí)間尺度上，徑流豐枯震蕩次數(shù)增加，周期中心和主周期時(shí)間均有縮短。就松滋河西支而言，水系連通功能變異下其徑流變化過程由3～6 a，7～18 a，22～32 a，3類尺度的周期變化變?yōu)樵?～6 a，7～8 a，9～12 a，13～16 a 4類尺度的周期變化，周期中心由5 a，10 a，28 a變?yōu)? a，7 a，9 a，15 a，振蕩次數(shù)從較大尺度22～32 a的準(zhǔn)2次、中尺度7～18 a準(zhǔn)4次、較小時(shí)間尺度3～6 a在5 a附近存在豐枯交替變化規(guī)律變?yōu)檩^大尺度13～16 a的3次、9～12 a的4次、7～8 a時(shí)間尺度上的準(zhǔn)5次、較小時(shí)間尺度3～6 a上在周期中心4 a附近的準(zhǔn)9次振蕩，主周期從5 a，10 a，28 a減小為4 a，7 a，15 a。因此，水系連通功能變異下荊南三口流域徑流年際發(fā)生豐枯交替變化更加容易，年內(nèi)發(fā)生豐枯交替的頻率增加，說明荊南三口流域徑流出現(xiàn)旱澇的概率上升，意味著水系連通功能作用發(fā)揮存在困難必將影響徑流量的時(shí)空分布不均且容易造成極端化。

表3 水系連通功能變異前后荊南三口流域周期變化 a

3.4 徑流年際趨勢(shì)變化分析

運(yùn)用Mann-Kendall檢驗(yàn)法判斷趨勢(shì)變化，根據(jù)Sen′s slope法的公式計(jì)算斜率估計(jì)值，通過分析得到荊南三口流域徑流年際變化趨勢(shì)檢驗(yàn)結(jié)果(表4)。

表4 荊南三口流域徑流年際變化趨勢(shì)檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)

由表3可知，水系連通功能變異下松滋河西支徑流由無顯著增加趨勢(shì)變?yōu)轱@著減少趨勢(shì)(α=0.05)，且減少程度較高;變異前后松滋河?xùn)|支徑流均呈顯著減少趨勢(shì)(α=0.01)，變異下減少程度減弱;變異前后虎渡河徑流均呈顯著減少趨勢(shì)(α=0.01)，變異下減少程度稍增加;變異前后藕池河西支徑流均呈顯著減少趨勢(shì)，變異下置信水平從99%降至90%，減少程度弱;變異前藕池河?xùn)|支呈顯著減少趨勢(shì)(α=0.01)，減少程度強(qiáng)，變異下徑流由無變化趨勢(shì)。由此可見，水系連通功能變異下荊南三口流域徑流年際趨勢(shì)變化存在不同程度的影響，松滋河西支徑流減少趨勢(shì)顯著，減弱速率較快，松滋河?xùn)|支徑流減少趨勢(shì)顯著，減弱速率減慢，虎渡河徑流減少趨勢(shì)顯著，減弱速率與變異前稍增加，藕池河西支徑流減少趨勢(shì)較顯著，減弱速率較慢，藕池河?xùn)|支無顯著變化。在全球氣候變化和人類活動(dòng)的雙重作用下，荊南三口流域水系連通功能強(qiáng)弱受其影響，河道斷流率增加、地表水農(nóng)業(yè)灌溉供水率降低、河道通航能力減弱、水庫調(diào)節(jié)能力指數(shù)減小、親水舒適度降低等，勢(shì)必導(dǎo)致徑流減少。

4 結(jié) 論

(1) 1956—2016年荊南三口自然功能、社會(huì)功能和綜合功能的變化呈先下降后增加趨勢(shì)，河道斷流率、地表水農(nóng)業(yè)灌溉供水率等指標(biāo)揭示水系連通功能與徑流特征之間存在一定關(guān)系。

(2) 荊江三口流域水系連通功能變異的年份為1989年、1956—1989年為水系連通功能基礎(chǔ)期，1990—2017年為變異期。

(3) 水系連通功能變異后荊南三口流域徑流月徑流占年徑流百分比更加集中在6月、7月、8月份，年內(nèi)分配不均勻系數(shù)增大，徑流年內(nèi)分配極不均勻，夏季徑流更豐富，枯水季節(jié)更稀少。

(4) 水系連通功能變異下荊南三口流域由3類尺度周期增加為4類尺度周期，在不同的時(shí)間尺度上，徑流豐枯震蕩次數(shù)增加，周期中心和主周期時(shí)間均有縮短，水系連通功能變異下荊南三口流域徑流年際發(fā)生豐枯交替變化更加容易，年內(nèi)發(fā)生豐枯交替的頻率增加。

(5) 水系連通功能變異下松滋河西支、松滋河?xùn)|支、虎渡河徑流、藕池河西支減少趨勢(shì)顯著，達(dá)到95%，99%，99%和90%置信水平，松滋河西支減弱速率較快，松滋河?xùn)|支、藕池河西支減弱速率減慢，虎渡河徑流減弱速率稍增加，藕池河?xùn)|支無顯著變化。水系連通功能變異致使荊南三口流域徑流趨勢(shì)變化發(fā)生不同程度的改變。