羅敷河流域徑流演變特征及最小生態流量保障程度研究

唐文雯，陸寶宏，范月華，徐喬婷

(河海大學水文水資源學院，江蘇 南京 210098)

0 引 言

水文情勢變化是影響河流生態系統結構功能的主要驅動力[1]。目前，國內外對流域水文情勢的研究較單一，多趨向于單方面的水文要素變化研究，沒有具體分析水文情勢對河流生態可能造成的影響。因此，本文以羅敷河為例，對徑流和生態流量進行相關研究。

羅敷河流域山區段落差大，水力資源豐富，但入渭口受渭河洪水頂托倒灌，引起入渭行洪受阻，針對該問題，薛長青[2]采取應急分洪措施蓄滯利用羅敷河洪水。趙盼盼等[3]指出，受厄爾尼諾(ENSO)事件影響，渭河流域每年發生氣象干旱的月數呈增加趨勢，這對支流羅敷河的生態效益是不利的。鑒此，本文借助已有徑流量資料對羅敷河徑流變化以及河道生態流量相關問題做初步探討，以期為該地區河道治理和更好地發揮生態功能提供科學依據。

1 流域概況

羅敷河位于我國秦嶺北麓，發源于秦嶺林家溝，由大夫峪、柳峪和竹峪匯流而成，自南向北匯入渭河，屬渭河右岸一級支流。羅敷河在峪口設有羅敷堡水文站，該站以上控制流域面積122 km2，河長30.5 km。羅敷河流域屬暖溫帶半濕潤大陸性氣候，四季分明、干濕交替，境內多年平均氣溫13.5 ℃；受地形影響，境內降水量地域變化較大；受氣候影響，降雨年內分配不均，多分布在7月～9月，占年降水總量的53%，同時徑流也有明顯的季節和年際變化。羅敷河的補給以雨水為主，主要源于南部山區，占徑流量的70%～90%，這決定了暴雨是羅敷堡站洪水形成的主要原因，7月～8月為洪水多發期，近年來由于氣候異常，5月、10月洪水頻繁發生，洪峰陡漲陡落[4]。

流域附近水利工程與灌溉工程齊全。羅敷河應急分洪區于2012年建成，水域面積181.47 hm2，開閘蓄水后提高了河流堤防防洪標準；華陰縣最早的自留引水灌溉工程羅敷渠開發利用于唐代，后經不斷修復改善，具備灌溉、人飲、水能利用和工業供水等綜合效能。

2 基本資料及分析方法

2.1 基本資料

據羅敷堡水文站資料，羅敷河多年平均流量1.21 m3/s，多年平均徑流量3 942萬m3，徑流深315 mm，徑流系數0.41。徑流年際變化中的極大年是極小年的4倍以上，一般表現為連續枯水年2 a，連續豐水年2～4 a，以10～13 a為一周期。

考慮到計算所需數據須具備長序列性，本次研究資料選取羅敷河上羅敷堡站實測1956年～2015年共60 a的歷年月平均流量數據。水文站資料一般都是由水文測驗得到的原始數據，經資料整編，按科學的方法和統一的格式整理，因此最終成果具有可靠性和一致性。

2.2 分析方法

2.2.1特征指標

目前，常用的徑流年內分配研究方法多以特定時段徑流量占年徑流量的百分比和距平百分率表示，很難準確度量徑流變化的多樣性。本文采用分辨能力和敏感性較高[5]的度量指標集中度Cd，和傳統反映徑流年內分配不均勻性的指標不均勻系數Cu分析徑流的“結構”變化。

(1)集中度。集中度Cd[5]用于表示徑流年內分配的集中程度，其計算公式為

(1)

(2)

(3)

式中，Rx、Ry分別為12個月的分量之和所構成的水平、垂直分量；ri為第i個月徑流量，萬m3；θi為第i月徑流的矢量角度；R為年徑流量，萬m3。

(2)不均勻系數。不均勻系數Cu用于表示徑流年內分配的不均勻性，計算公式為

(4)

(5)

2.2.2計算方法

(1)Mann-Kendall法作為時間序列數據趨勢檢驗中使用較為廣泛的非參數檢驗法[6]，不需考慮樣本分布形態，也不受極端值干擾，能識別出序列突變所在位置，其計算步驟如下：對于徑流序列ri(i=1,2,…,n)構造統計量S、Sn，檢驗統計量Z、UFn、UBn′。即

(6)

(7)

(8)

(9)

UBn′=-UFn

(10)

式中，mi為rj>ri(2≤i≤j)的累積數。趨勢分析時：Z>0，徑流呈增加變化，反之呈減少變化；|Z|≥Z1-0.5α，徑流變化趨勢顯著。本文顯著性水平α取0.05，Z1-0.5α對應1.96。突變分析時：UFn>0，徑流呈增加變化；反之呈減少變化。UFn和UBn′在置信區間內存在交點，該點所對應的橫坐標即為突變時間。

(2)R/S分析法具有能對徑流量時序復雜性演變進行非線性預測的特點[7]。即，對任意的水文序列Xt=(x1,x2,…,xn)，定義R/S特征量為

(11)

3 結果與分析

3.1 徑流年際及年內基本特征

羅敷堡站徑流年際與年內變化過程見圖1。

圖1 羅敷河流域徑流年際、年內分配過程

由圖1a可知：①羅敷堡站徑流年際波動變化較劇烈，最大年徑流量是最小年徑流量的9.5倍。②線性趨勢線顯示，年徑流減少速率為23.645萬m3/a。③5年滑動均值線反映了年徑流經歷多個豐枯循環過程的特性，其中1958年、1964年和1983年徑流尤為豐富。由圖1b可知：①羅敷堡站徑流年內分布呈多峰型，11月至翌年3月，徑流主要由地下水補給；4月份降水量明顯增加，成為徑流主要來源，地下水對徑流的影響減少；汛前(6月)上游水庫為抵御汛期洪水而棄水，徑流減少；7月～9月，受暴雨和洪水的影響，徑流達到峰值。②最大4個月徑流量(7月～10月)占全年總量的60.2%，枯水期的4個月(11月～翌年3月)僅占全年的12.3%。

3.2 徑流及年內特征指標變化趨勢

羅敷堡站徑流Cd、Cu值年際變化過程見圖2。

圖2 羅敷河流域徑流不均勻性指標年際變化過程

由圖2可知：①Cd、Cu極值出現時間和變化規律基本一致，二者相關系數達0.751，表明徑流集中程度越高，年內分配越不均勻。②線性趨勢線顯示，羅敷堡站徑流年內集中程度和不均勻程度基本維持在一條水平線上，說明未來徑流年內分配的不均勻問題依然存在。③盡管本研究Cd和Cu有較好的同步性變化規律，但Cu在刻畫徑流序列分配不均勻程度時，易受年際和年內極端值影響，為更科學準確地把握徑流年內分配特征，建議在研究資料更詳盡的前提下縮小輸入數據的尺度，例如以旬徑流量取代月徑流量[8]。

由表1可知：①Cd、Cu的Z值均大于0且小于1.96，兩指標年際過程呈不顯著增加趨勢，表明徑流年內集中程度、不均勻程度增強，各月徑流差異增大、徑流豐枯交替劇烈，這不利于河流健康發展。②Cd、Cu的Hurst指數均大于0.5，說明徑流的不均勻性將呈正持續變化趨勢(見表1)。

表1 徑流不均勻性指標變化趨勢

3.3 徑流及年內特征指標突變特征

由圖3可知，①羅敷堡站年徑流UF曲線在1971年突破了0.05顯著性水平線，之后基本保持在0值以下，并在1980年達到最小值(-3.08)，1992年以后UF曲線在0.05顯著性水平線上下擺動，且UF值小于0，這表明徑流減少趨勢明顯。就整個年徑流序列來說，Z值為-1.894 2，接近0.05顯著水平臨界值，徑流呈下降趨勢。②在0.05置信區間內，年徑流UF與UB曲線多次交匯于統計時段初期，說明受人類活動干擾和自然因素的影響，羅敷堡站天然徑流發生了改變。

圖3 年徑流Mann-Kendall統計量曲線

3.4 徑流及年內特征指標持續性特征

基于R/S分析法對徑流序列進行預測結果見圖4。其中，年徑流和逐月徑流Hurst指數分別為0.630 4、0.617 1，均大于0.5，說明徑流序列具有較強的狀態持續性；Mann-Kendall法分析結果顯示，Cd、Cu均呈現正持續變化，即增加趨勢。因此，未來羅敷河徑流將呈不顯著減少趨勢；年徑流的Hurst指數由持續性轉折為反持續性的突變點位于1965年，說明1965年以后年徑流未來與過去具有完全相反的變化[9]；逐月徑流序列結果具有很好的線性關系，表明Hurst效果顯著，徑流與歷史情況存在正相關變化特征，即未來將呈現增加趨勢。

圖4 徑流Hurst指數分析

3.5 河流最小生態流量定量計算

河道生態流量作為客觀存在且隨生態系統的發展而變化的時間變量[10]，能直觀反映河流水情。為計算方便，通常劃分為最小、最大、適宜生態流量進行研究。本文考慮羅敷河流域特性，結合徑流突變年份，依據逐月最小值法，將天然月徑流系列中的最小值作為月最小生態流量。這是能滿足水生生物需求的最低生存條件，低于該閾值，生態系統就會遭到嚴重的不可恢復的破壞。

由圖3可知，年徑流在1962年發生突變，表明徑流開始受人類活動、降雨和下墊面因素等影響，將突變點以前的數據作為天然徑流資料，采用逐月最小值法計算流域最小生態流量(見圖5)。

圖5 基于逐月最小值法的羅敷河最小生態流量

為驗證逐月最小值法計算結果的合理性，借助Tennant法進行評價。Tennant法通常在研究優先度不高的河段中作為其他方法的一種檢驗，適用性高。對比分析羅敷河最小生態流量計算值和Tennant法評價結果如表2所示。

表2 河流最小生態流量Tennant法評價

在魚類產卵期和一般用水期，最小生態流量占多年平均流量值分別為43.40%、22.64%，參考Tennant法評價標準均處在良好至很好的狀態范圍內，可以滿足魚類洄游、生存的一般要求，同時為水生生物產卵、育肥提供優良的生長環境。結合Tennant法評價結果看，基于逐月最小值法計算的最小生態流量是合理的，符合天然河道對徑流的年內變化需求。

3.6 河流最小生態流量保障情況

圖6a中線性趨勢線表明，羅敷河最小生態流量保證率總體上呈略微遞減趨勢。具體來講，1956年～1967年，羅敷河最小生態流量平均保證率超過了85%；1967年～2003年最小生態流量保障程度減小較為明顯，平均保證率僅60.6%，甚至連續19年保證率低于75%，這可能是由于1966年羅敷渠修復改善后灌溉面積擴大所致；2003年以后最小生態流量保證率有所回升，平均保證率達83%，說明人們開始重視河道生態流量的重要性，修建必要的水利工程并達到了一定效果。

由圖6b可知，羅敷河最小生態流量保證率均在30%以上，表明大多數月份河流最小生態流量都能得到保證；但考慮到最小生態流量是較為不利的一種流量狀態。為改善生境，應對河道生態流量予以重視。

圖6 羅敷河最小生態流量保證率

由Mann-Kendall法和R/S分析可知，羅敷河流域未來徑流量將處于偏枯期，水資源量逐漸減少。考慮到人類活動頻繁以及氣候變化的不確定性，有必要采取措施合理開發利用水資源以有效維系河道生物多樣性健康。中間擾動假說認為[11]，在既不太大也不太小的擾動下生態系統更健康；因此，人類活動應注意避免對天然徑流的改變。汛期支流洪水的不可控性是該時段最小生態流量得不到100%保障的重要原因；加之90年代以來天然徑流量明顯減少，加大了徑流分配的不均勻程度，致使流域生態用水量短缺。為此，建議加強蓄滯洪區建設，截留羅敷河汛期雨洪資源，利用分洪區退水補充河流生態用水，從而改善生態環境。

4 結 語

(1)基于Mann-Kendall檢驗和R/S分析法對羅敷河年徑流及其特征指標分析表明，未來流域徑流存在不顯著減少趨勢，呈較強的狀態持續性，且徑流分配不均現象長期存在；徑流于1962年發生突變，表明該流域徑流受氣候變化和人類活動影響較明顯。

(2)經Tennant法檢驗，基于逐月最小值法計算的最小生態流量年內分配過程較合理，符合評價標準要求。將計算結果與實測徑流比較得出，大多數月份河道最小生態流量保障程度較高，但從年際上看，保證率是下降的。

(3)通過對羅敷河徑流和生態流量的研究，預測流域生態系統將趨于不健康的發展方向。為有效改善生態環境，建議合理調度蓄水工程，對汛期洪水加以控制，同時減少河道外用水，提高最小生態流量保證率。