水系連通功能變異下荊南三口流域徑流特征

代 穩, 張美竹, 王金鳳, 陜振沛

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

科學研究流域徑流特征變化一直是水資源科學領域的重點和熱點。21世紀以來，由于氣候變化和人類活動加快使徑流特征發生明顯改變，已開始關注變化環境下徑流演變特征[1]、氣候變化下徑流特征變化研究[2]、變異條件下生態徑流特征變化分析[3]。氣候變化與人類活動是徑流演變的主要驅動因素，其對徑流變化貢獻率大小，不同河流或相同河流不同區域不同時段是不同的，長江、湄公河和勒拿河等流域氣候變化的貢獻率大于人類活動，黃河、恒河和印度河等流域氣候變化的貢獻率小于人類活動[4]，黑河流域上游以氣候變化為主，下游以人類活動為主[5]，黃河源區徑流量變化受氣候變化與人類活動影響的貢獻率在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有降水量、蒸發量、氣溫等，反映人類活動主要指標有土地利用變化、水利樞紐工程、取用水等，在上述這些指標中對流域徑流演變影響的貢獻率很難分離。徑流是流域內降水流出出口斷面的水流，天然水道影響著徑流演變，水道的連通狀況對徑流特征有一定改變，水系連通功能反映水流自身的動力及其相對穩定的路徑。由此可見，水系連通功能與徑流之間密切相關。目前，對水系連通功能的研究主要是水系連通功能評價[7]、影響因素方面[8]，水系連通功能對徑流影響的研究成果至今為止國內外極少報道。

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[9]，三口徑流總體上在1955—2016年也呈下降趨勢[10]，兩者之間是否存在某種特殊的關系?水系連通功能變異下荊南三口流域徑流會發生怎樣的變化，有什么特征呢?因此，本文構建水系連通功能評價指標體系，根據實測值與給定的評價標準，利用模糊綜合評判法計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，根據月徑流占年徑流百分比、年內分配不均勻系數定量評價水系連通功能變異下荊南三口流域徑流年內變化特征，遵照Morlet小波分析計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律，依照Mann-Kendall趨勢檢驗法和Sen′s slope趨勢變化強度研討水系連通功能變異下荊南三口流域徑流趨勢變化特征。本研究為荊南三口流域徑流演變規律、來水預報、防洪，實施河湖水系連通工程，水資源合理配置、生態環境保護以及經濟社會發展提供理論依據。

1 研究區概況

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(調弦口于1958年堵口)，習慣上稱為荊南三口水系，主要分泄長江來水進入洞庭湖(圖1)。由于江湖關系的劇烈演變，三口流域的河流已成為典型的季節性河流。該流域屬于亞熱帶季風氣候區，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、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，包括松滋河東支、西支、虎渡河、藕池河東支、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個水文站點1956—2017年實測的月徑流量作為研究的基礎數據，其中1956—2009年月流量數據主要來源于長江水利委員會，2010—2017年主要來源于湖南省水利廳和湖南省水情綜合日報表。

圖1 荊南三口河系主要水文站點分布

2 水系連通功能評價指標及研究方法

2.1 水系連通功能變異點確定方法

2.1.1 水系連通功能評價指標的構建 河網水系連通功能受眾多因素影響，是一個比較復雜的、關聯性強的水網巨系統。為了定量描述水系連通功能的變化情況，必修構建一套表征水系連通功能評價指標體系。由水系連通功能理論探討和前人的研究成果可知，對水系連通功能的評價指標體系應涵蓋水系連通的自然功能和社會功能等8項核心指標(表1)。

由表1可知，河道斷流率、地表水農業灌溉供水率、河道通航能力3個指標可以反映河湖水系水資源調配功能，生物多樣性指標、河流水質達標率、親水舒適度3個指標可以反映河湖水系水質改善功能，濕地面積變化率、水庫調節能力2個指標可以反映河湖水系水旱災害防御功能，無論是資源調配型、水質改善型，還是水旱災害防御型河湖水系，上述8項指標均可以對水系連通功能進行定量評價。

表1 水系連通功能評價指標體系

2.1.2 水系連通功能的評價方法 水系連通功能受到水系結構、形態、經濟、環境以及社會發展等因素的綜合影響，對水系連通功能進行評價必須同時考慮多種因素，僅用一兩個簡單數值難以進行表示或評價，常常帶有模糊性。因此，可以選用模糊綜合評價法對水系連通功能進行定量評價。

模糊綜合評判是指根據實測值與給定的評價標準，經模糊關系矩陣轉換后，對某一具體事件作出定量評價的一種數學方法。模糊綜合評判方法其評判步驟[11]如下:

(1) 構建因子集。由前述水系連通功能分析以及評價指標體系可知，水系連通功能的主要表現形式體現在河道斷流率、濕地面積變化率、生物多樣性指標、河流水質達標率、地表水農業灌溉供水率、河道通航能力、水庫調節能力指數、親水舒適度等8個方面。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) 建立評價集。根據《灌溉水利用率測定技術導則》SL/Z699—2015，《城市水系規劃導則》SL431—2008，《河湖生態保護與修復規劃導則》SL709—2015，旱情等級標準SL424—2008以及前人的研究成果，建立水系連通功能評價集:

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準值;i為8個綜合評判因子;j為4個評價等級,即評價因子的評價標準分界。

(3) 計算評價指標權重，建立權重集。水系連通功能的評價指標權重是指某一指標在整體評價中的相對重要程度。權重是要從若干評價指標中分出輕重來，一組評價指標體系相對應的權重組成了權重體系。權重可以根據各評價因子對總事件的影響大小賦予相對應的適合權重。模糊綜合評判的權重賦權方法可采用超標倍數法，其計算公式[7]如下:

式中:m=8為評價因子的個數;n=4為水系連通功能變異的標準等級;uki表示第k個水文站第i個指標實際觀測值；vij與上述一致。通過計算各評價指標權重,可以組建因子權重集A:

A=(w1,w2,…,w8)

(4) 構建隸屬函數、求隸屬度，建立模糊矩陣。針對水系連通功能變異具有模糊性，將模糊數學中的隸屬函數引入到水系連通功能變異評價，采用隸屬函數描述水系連通變異對某一等級標準的隸屬程度。本文取線性函數作為隸屬函數，其數學表達式可以表示為:

式中:ri1,ri2,ri3,ri4分別為第i個指標特征值對Ⅰ級，Ⅱ級，Ⅲ級，Ⅳ級標準的隸屬度;uki表示第k個水文站第i個指標實際觀測值;vi1,vi2,vi3,vi4分別為指標i的Ⅰ級，Ⅱ級，Ⅲ級，Ⅳ級的標準值。

將不同時間不同水文站的實測值帶入到上述所對應的隸屬度函數中，可以計算出其單因子的評價矩陣，則模糊矩陣可以表示為:

式中:i=1,2,…,8；j=1,2,3,4。

(5) 求綜合評判值。通過上述4個步驟可以計算得到模糊矩陣R和因子權重集A，在結合模糊綜合評判計算要求，可以得到模糊綜合評價的結果:

最后根據最大隸屬度原則，計算出模糊綜合評判值即為水系連通功能變異結果。

2.2 徑流年內變化規律研究方法

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

2.3 周期變化的研究方法

識別水文時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、子小波函數;W(a,b)為小波變換系數;var(a)為小波方差;Ψ(t)為Ψ(t)的復共軛;a,b，t為連續變量,分別為尺度收縮因子(表示小波在尺度上周期長度)、時間平移因子(表示小波在時間上的平移距離)和時間;Δt為取樣時間間隔;N為樣本容量。

2.4 年際趨勢變化的研究方法

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

3 結果與分析

3.1 水系連通功能變化

運用超標倍數法計算出水系連通功能評價指標的權重，首先確定水系連通功能評價標準值(表2)，然后利用荊南三口水系連通功能評價指標體系中8個指標實際值，計算出河道斷流率、濕地面積變化率、生物多樣性指標、河流水質達標率、地表水農業灌溉供水率、河道通航能力、水庫調節能力指數、親水舒適度的權重分別為0.17，0.09，0.12，0.13，0.16，0.12，0.11，0.1。自然功能和社會功能的權重為0.51，0.49。從8個指標的權重可以看出，河道斷流率最高，意味著河道斷流率對水系連通功能影響最大。

表2 水系連通功能評價標準

根據以上公式計算荊江三口地區水系連通功能隸屬度，構建出該地區1956年、1989年、2008年、2016年的評判矩陣R如下:

根據模糊綜合評判復合運算方法及最大隸屬度原則，即取大取小法復合運算，則荊江三口地區4個年份水系連通功能綜合評價值為:

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]

按照上述計算步驟，計算出研究區水系連通自然功能和社會功能評價等級，評級結果見圖2。從圖2中可以看出，1956—1989年荊南三口自然功能、社會功能和綜合功能的變化趨勢是一致的，呈現下降趨勢，自然功能、社會功能由Ⅱ級降至Ⅲ級，綜合功能由Ⅰ級降至Ⅲ級;2008—2016年自然功能、社會功能和綜合功能基本保持Ⅱ級。從水系連通功能的指標來看，河道斷流率呈顯著上升趨勢，濕地面積變化率、河道通航能力、親水舒適度、地表水農業灌溉供水率呈下降趨勢，生物多樣性指標在0.6附近，呈弱下降趨勢，水庫調節能力指數呈上升趨勢。指標權重和指標變化趨勢表明，河道斷流率增加，地表水農業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價結果

由上述分析可知，荊南三口水系連通功能1956年為Ⅰ級，1989年為Ⅲ級，2008年、2016年均為Ⅱ級，4個典型評價年份中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期，1990—2017為變異期。

3.2 徑流年內變化分析

通過計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分配不均勻系數Cv來反映水系連通功能變異下徑流年內變化特征。由圖3可知，荊南三口流域月徑流占年徑流百分比呈現“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，甚至有些流域出現斷流，如松滋河東支、虎渡河，說明水系連通功能變異后荊南三口流域年內分配更加不均勻。由圖4可知，荊南三口五站變異后年內分配不均勻系數均大于變異前，沙道觀、彌陀寺尤為突出，進一步說明變異后荊南三口流域年內分配極不均勻，意味著水系連通功能變異后荊南三口流域徑流年內分配差距較大，夏季徑流更豐富，枯水季節更稀少，表明徑流年內變化程度激烈，容易造成旱澇災害。

圖3 荊南三口流域月徑流占年徑流百分比

圖4 荊南三口流域年內分配不均勻系數

3.3 徑流年際周期變化分析

根據Morlet小波變換公式，計算出水系連通功能變異前后荊南三口流域不同時間尺度域下小波系數和小波方差，觀察小波系數實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，在不同的時間尺度上，徑流豐枯震蕩次數增加，周期中心和主周期時間均有縮短。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為在3～6 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變為4 a，7 a，9 a，15 a，振蕩次數從較大尺度22～32 a的準2次、中尺度7～18 a準4次、較小時間尺度3～6 a在5 a附近存在豐枯交替變化規律變為較大尺度13～16 a的3次、9～12 a的4次、7～8 a時間尺度上的準5次、較小時間尺度3～6 a上在周期中心4 a附近的準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生豐枯交替變化更加容易，年內發生豐枯交替的頻率增加，說明荊南三口流域徑流出現旱澇的概率上升，意味著水系連通功能作用發揮存在困難必將影響徑流量的時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 徑流年際趨勢變化分析

運用Mann-Kendall檢驗法判斷趨勢變化，根據Sen′s slope法的公式計算斜率估計值，通過分析得到荊南三口流域徑流年際變化趨勢檢驗結果(表4)。

表4 荊南三口流域徑流年際變化趨勢檢驗統計

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變為顯著減少趨勢(α=0.05)，且減少程度較高;變異前后松滋河東支徑流均呈顯著減少趨勢(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(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，變異下置信水平從99%降至90%，減少程度弱;變異前藕池河東支呈顯著減少趨勢(α=0.01)，減少程度強，變異下徑流由無變化趨勢。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變化存在不同程度的影響，松滋河西支徑流減少趨勢顯著，減弱速率較快，松滋河東支徑流減少趨勢顯著，減弱速率減慢，虎渡河徑流減少趨勢顯著，減弱速率與變異前稍增加，藕池河西支徑流減少趨勢較顯著，減弱速率較慢，藕池河東支無顯著變化。在全球氣候變化和人類活動的雙重作用下，荊南三口流域水系連通功能強弱受其影響，河道斷流率增加、地表水農業灌溉供水率降低、河道通航能力減弱、水庫調節能力指數減小、親水舒適度降低等，勢必導致徑流減少。

4 結 論

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

(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，年內分配不均勻系數增大，徑流年內分配極不均勻，夏季徑流更豐富，枯水季節更稀少。

(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，在不同的時間尺度上，徑流豐枯震蕩次數增加，周期中心和主周期時間均有縮短，水系連通功能變異下荊南三口流域徑流年際發生豐枯交替變化更加容易，年內發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、松滋河東支、虎渡河徑流、藕池河西支減少趨勢顯著，達到95%，99%，99%和90%置信水平，松滋河西支減弱速率較快，松滋河東支、藕池河西支減弱速率減慢，虎渡河徑流減弱速率稍增加，藕池河東支無顯著變化。水系連通功能變異致使荊南三口流域徑流趨勢變化發生不同程度的改變。