摘要:考慮水文非一致性變異提出河道內(nèi)基本生態(tài)流量閾值的計(jì)算方法與模型，并將其應(yīng)用于湟水干流上游西寧斷面進(jìn)行例證。采用Mann-Kendal檢驗(yàn)和滑動(dòng)t檢驗(yàn)進(jìn)行水文非一致性變異綜合診斷，經(jīng)還原修正以水文變異前天然流量過程為基準(zhǔn)，分別利用廣義極值分布流量眾值法、歷時(shí)曲線法、改進(jìn)年內(nèi)同頻率展布法計(jì)算河道內(nèi)生態(tài)流量過程，取其外包線作為河道內(nèi)基本生態(tài)流量閾值。結(jié)果表明，西寧站年徑流量時(shí)間序列突變點(diǎn)是2000年，經(jīng)還原修正，利用天然徑流資料計(jì)算得到西寧站枯水期、平水期、豐水期的基本生態(tài)流量閾值下限均值分別是11.0、17.6和27.5m3/s，閾值上限均值分別是17.0、35.6和56.0m3/s。與已有結(jié)果對(duì)比，生態(tài)流量閾值計(jì)算方法具有一定的合理性，更加貼近具有季節(jié)性的湟水干流水文生態(tài)系統(tǒng)。

　　關(guān)　鍵　詞：基本生態(tài)流量;水文非一致性變異;流量閾值

　　河流生態(tài)系統(tǒng)具有開放性、流動(dòng)性、隨機(jī)性、復(fù)合性和連續(xù)性，水文、氣象、地貌、地質(zhì)、水質(zhì)等都是其重要的生態(tài)因子，其中水文因子對(duì)河流生態(tài)系統(tǒng)具有顯著影響，流量、水深、流速、水溫、泥沙等都是水生態(tài)系統(tǒng)的函數(shù)[1]。根據(jù)歷史流量計(jì)算河道內(nèi)生態(tài)流量的方法稱為水文學(xué)法[2-3]，該方面國(guó)內(nèi)研究成果較多。但是水文學(xué)法計(jì)算生態(tài)流量的前提是保證水文資料的一致性，在“自然-社會(huì)”二元水循環(huán)模式下，考慮氣候變化及人類活動(dòng)綜合影響，在水文非一致性變異分析及還原基礎(chǔ)上，利用天然流量過程進(jìn)行河道生態(tài)系統(tǒng)需水量計(jì)算非常必要[4]。

　　生態(tài)系統(tǒng)論文范例：基于禽畜養(yǎng)殖水體污染現(xiàn)狀構(gòu)建沼氣蓄熱溫室生態(tài)系統(tǒng)研究

　　Bunn等[5-6]提出天然流量的動(dòng)態(tài)過程對(duì)維持河流生物多樣性和生態(tài)系統(tǒng)完整性具有重要意義，包括低流量、高流量、不同量級(jí)洪水及流量脈沖等組分，以保證河道不斷流，為水生生物產(chǎn)卵、洄游、生長(zhǎng)提供適宜的生境條件，而僅僅維持河流中的最低流量難以保證河流生態(tài)系統(tǒng)健康[7]。河道內(nèi)基本流量要維持河流廊道生態(tài)系統(tǒng)基本功能，保證營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)以河流為載體進(jìn)行交換、擴(kuò)散、轉(zhuǎn)化、累積與釋放。一定量級(jí)的洪水及其洪水脈沖也會(huì)傳遞特殊的生命信號(hào)，生物根據(jù)這種信號(hào)進(jìn)行繁衍、產(chǎn)卵和遷徙，而超大洪水又會(huì)破壞河流生態(tài)系統(tǒng)。

　　根據(jù)生物生長(zhǎng)發(fā)展所遵循的耐受定律，當(dāng)生態(tài)流量超過其上下限時(shí)就會(huì)使生物群落退化或關(guān)鍵物種死亡。由此可見，河道內(nèi)基本生態(tài)流量應(yīng)具有合理的閾值[8]。本文在考慮水文非一致性變異的基礎(chǔ)上，參考已有學(xué)術(shù)成果，認(rèn)為僅僅維持河流中的生態(tài)基流難以保證河流生態(tài)系統(tǒng)健康，故提出基本生態(tài)流量閾值計(jì)算方法與模型，并將其應(yīng)用于湟水干流上游西寧斷面進(jìn)行例證。基本生態(tài)流量閾值下限是為了維持生態(tài)系統(tǒng)發(fā)揮正常功能所需要的水量(即生態(tài)基流)，上限是為了維持河流本土生物多樣性和生態(tài)系統(tǒng)的完整性。

　　1研究區(qū)域與數(shù)據(jù)來源

　　湟水干流發(fā)源于青海省海晏縣境內(nèi)祁連山系大坂山南坡，自西北流向東南，干流全長(zhǎng)374km，流域面積32863km2，水資源總量為22.74億m3。西寧以上為上游，河段長(zhǎng)約174km，控制流域面積9022km2，多年平均徑流量13.10億m3，西寧水文站距河口約200km。湟水干流上游水資源在年內(nèi)、年際分配不均，河流汛期來水集中，約占全年水量的60%，年最大徑流與最小徑流的極值比為1.7~9.5。

　　區(qū)域內(nèi)主要的中型水庫有東大灘水庫、盤道水庫和大南川水庫，其中東大灘水庫是目前湟水干流上游最大的調(diào)節(jié)型水庫。海晏至西寧段已建成15座水電站，水電梯級(jí)開發(fā)使得河流縱向連通性遭到破壞。區(qū)域內(nèi)水資源開發(fā)利用率高，人類活動(dòng)影響較大，水利工程對(duì)河流水文、地貌形態(tài)、生物棲息地脅迫效應(yīng)顯著，河流廊道生態(tài)功能嚴(yán)重退化，珍稀瀕危魚類棲息地嚴(yán)重萎縮，河谷生態(tài)系統(tǒng)及沿岸景觀遭到不同程度破壞。

　　本文重點(diǎn)研究湟水干流西寧站水文斷面河道內(nèi)基本生態(tài)流量閾值，西寧站1954—2018年共65年長(zhǎng)系列實(shí)測(cè)徑流資料由青海省水文水資源勘測(cè)局提供。研究所需其他數(shù)據(jù)來源于《青海省水資源公報(bào)》《湟水流域綜合規(guī)劃》《湟水九縣市水資源評(píng)價(jià)及優(yōu)化配置》和《青海省第一次水利普查》等資料。

　　2水文非一致性變異診斷

　　水文學(xué)方法必須建立在未來與過去水文時(shí)間序列一致的基礎(chǔ)上，以歷史水文數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)計(jì)算生態(tài)流量，而在氣候變化和人類活動(dòng)影響下，河流水文情勢(shì)的一致性被嚴(yán)重破壞。水文時(shí)間序列變異分析的重點(diǎn)是識(shí)別和診斷變異可能發(fā)生的時(shí)間節(jié)點(diǎn)，為還原計(jì)算提供依據(jù)。

　　本次采用Mann-Kendal(M-K)檢驗(yàn)和滑動(dòng)t檢驗(yàn)兩種方法[9]綜合診斷1954—2018年間西寧站實(shí)測(cè)年徑流量系列變化趨勢(shì)及突變點(diǎn)。采用M-K檢驗(yàn)法所得檢驗(yàn)結(jié)果，UF<0說明徑流量基本呈減少趨勢(shì)，且1980—1982年減少趨勢(shì)最顯著，與上游東大灘調(diào)節(jié)水庫1981年底建成蓄水有關(guān)。通過計(jì)算可得系列整體顯著性水平為0.764，整體趨勢(shì)的變化速率為−0.161。

　　M-K檢驗(yàn)曲線中UF與UB統(tǒng)計(jì)量沒有交叉點(diǎn)，即在時(shí)間統(tǒng)計(jì)意義上年徑流序列不存在明顯突變點(diǎn)。進(jìn)一步采用滑動(dòng)t檢驗(yàn)法所得檢驗(yàn)結(jié)果，1970、1982、1990、2000和2006年均達(dá)到局部極值點(diǎn)，但2000年t統(tǒng)計(jì)量最大且大于0.01顯著性水平檢驗(yàn)臨界值，故可診斷年徑流量時(shí)間序列從2000年開始明顯變異，與文獻(xiàn)[10]得到徑流突變發(fā)生在2004年比較接近。根據(jù)文獻(xiàn)[11]，湟水流域降水量減少對(duì)徑流量減少貢獻(xiàn)22.00%，蒸散發(fā)減少對(duì)徑流量減少貢獻(xiàn)13.46%，人類活動(dòng)對(duì)徑流量減少貢獻(xiàn)64.54%。

　　M-K檢驗(yàn)表明1970年以后徑流下降趨勢(shì)明顯，氣候變化大背景下，人類活動(dòng)、降水減少、氣溫上升是造成徑流量減少的主要原因。2000年之后徑流有所增加，其原因是水土保持措施的大力實(shí)施，耕地向林地的轉(zhuǎn)化、耕地與草地的相互轉(zhuǎn)化以及耕地向建設(shè)用地的轉(zhuǎn)化。其次，2000年前后海晏至西寧段建設(shè)15座梯級(jí)電站，平均100km有12.7個(gè)水電站，河流縱向連通性嚴(yán)重破壞，密集水電站群建設(shè)對(duì)河流生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生了嚴(yán)重脅迫效應(yīng)，河流水文、地貌形態(tài)、生物棲息地等發(fā)生了較大改變。

　　結(jié)合《青海省第一次水利普查水利工程基本情況普查表》，考慮湟水干流上游蓄水工程、引水工程興建及水資源開發(fā)利用狀況，本次確定年徑流量序列變異時(shí)間為2000年，并對(duì)變異前1954—2000年的實(shí)測(cè)徑流量進(jìn)行還原計(jì)算得到天然徑流過程，以保證一致性條件成立。還原成果與青海省水文水資源勘測(cè)局2009年完成的《湟水九縣市水資源評(píng)價(jià)及優(yōu)化配置》典型年成果基本一致。選用湟水干流西寧站還原后1954—2000年天然徑流系列進(jìn)行河道內(nèi)生態(tài)流量計(jì)算，以修正氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)河流水文情勢(shì)的影響。西寧站1954—2000年天然徑流過程。

　　3生態(tài)流量閾值計(jì)算方法

　　3.1　廣義極值分布流量眾值法

　　Quec生物群落和生境之間是一種物質(zhì)和能量的供需關(guān)系，河流生物群落隨流量豐枯變化呈現(xiàn)脈沖式變化，河流生物與流量在長(zhǎng)期的自然選擇和進(jìn)化過程中形成了相互適應(yīng)能力。根據(jù)生物群落與生境因子的關(guān)系，歷史出現(xiàn)的流量眾值比較適合河道內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)的良性循環(huán)。根據(jù)生物群落與生境因子的選擇關(guān)系，將歷史上多年各月流量眾值作為基本生態(tài)流量上限。

　　為進(jìn)一步驗(yàn)證GEV分布的適用性，選用西寧站枯水期(1月份)、豐水期(9月份)1954—2000年天然月平均徑流系列作為典型計(jì)算，利用廣義極值分布(GEV)、伽馬分布(Gamma)、正態(tài)分布(Normal)和Weibull分布4種函數(shù)進(jìn)行概率分布擬合，發(fā)現(xiàn)GEV概率分布理論曲線與經(jīng)驗(yàn)頻率曲線擬合最佳，并利用最大對(duì)數(shù)似然統(tǒng)計(jì)量進(jìn)行擬合優(yōu)度評(píng)價(jià)，擬合優(yōu)度依次是GEV>Gamma>Weibull>Normal，故確定廣義極值分布更適合月徑流系列概率分布函數(shù)。概率分布函數(shù)(CumulativeDistributionFunction，CDF)與經(jīng)驗(yàn)頻率曲線的擬合關(guān)系。

　　3.2　歷時(shí)曲線法

　　根據(jù)《河湖生態(tài)環(huán)境需水計(jì)算規(guī)范(SL/Z712—2014)》，用變異前月平均天然流量歷史資料構(gòu)建各月水文歷時(shí)曲線，將95%保證率相應(yīng)的月平均流量作為河道內(nèi)不同時(shí)段生態(tài)流量。分別利用GEV分布和PIII型分布計(jì)算95%保證率下的生態(tài)流量。

　　3.3　改進(jìn)年內(nèi)同頻率展布法

　　湟水流域河流水文生態(tài)系統(tǒng)具有明顯的季節(jié)性特征[14]。4—6月是土著魚類產(chǎn)卵繁殖的高峰季節(jié)，需要一定水流刺激和一定水深及水面寬，保證魚類棲息生境要求，同時(shí)也是河谷植被需水的高峰期;7—10月水量多而集中，是土著魚類和河谷植被生長(zhǎng)關(guān)鍵期，需要一定量級(jí)的洪水過程發(fā)生，營(yíng)造良好的生境。11月—翌年3月河流水量相對(duì)較枯，主要考慮維持河流基本生態(tài)環(huán)境功能的生態(tài)流量。因此，為反映河流年內(nèi)豐枯變化特征和敏感生態(tài)對(duì)象的需水規(guī)律，劃分豐水期(7—10月)、平水期(4—6月)和枯水期(11月—翌年3月)3個(gè)頻率時(shí)期，先確定同期均值比，即各頻率期內(nèi)最小月均徑流量均值與月均徑流量均值之比，然后以同頻率時(shí)期內(nèi)多年月平均流量為基準(zhǔn)，計(jì)算得到河道內(nèi)生態(tài)流量展布過程。

　　4結(jié)　語

　　在考慮水文非一致性變異的基礎(chǔ)上，對(duì)湟水干流西寧站實(shí)測(cè)流量資料的變異特征進(jìn)行診斷分析，將還原修正得到的天然流量過程作為河道內(nèi)生態(tài)流量的計(jì)算基準(zhǔn)，基于廣義極值分布流量眾值法、水文歷時(shí)曲線法、改進(jìn)年內(nèi)同頻率展布法提出河道內(nèi)生態(tài)流量閾值的計(jì)算方法。

　　經(jīng)例證分析，本次結(jié)果具有一定的合理性，可滿足研究區(qū)河道內(nèi)生態(tài)流量適應(yīng)性管理目標(biāo)。河流生態(tài)系統(tǒng)的健康穩(wěn)定受多方面因素影響，本文僅考慮水文生態(tài)因素，對(duì)河道形態(tài)、輸水沖沙、稀釋自凈、生物群落、閘壩調(diào)度、水資源配置等因素的組合未充分考慮，計(jì)算結(jié)果具有一定的不確定性。如何協(xié)調(diào)社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)與河流生態(tài)系統(tǒng)的相互作用，通過動(dòng)態(tài)修正閘壩生態(tài)調(diào)度與生態(tài)系統(tǒng)的響應(yīng)關(guān)系，提高河道內(nèi)生態(tài)需水保證率需進(jìn)一步研究。其次，受氣候變化和人類活動(dòng)影響，河流水文情勢(shì)的一致性嚴(yán)重破壞，由于資料缺乏，流量數(shù)據(jù)還原往往比較困難且精度不能保證，如何在水文非一致性條件下進(jìn)行河道內(nèi)生態(tài)流量計(jì)算尚需研究。

　　參　考　文　獻(xiàn)：

　　張強(qiáng),李劍鋒,陳曉宏,等.水文變異下的黃河流域生態(tài)流量[J].生態(tài)學(xué)報(bào)，2011，31(17)：4826-4834.(ZHANGQiang,LIJianfeng,CHENXiaohong,etal.EvaluationoftheecologicalinstreamflowintheYellowRiverbasinwithhydrologicalalterations[J].ActaEcologicaSinica,2011,31(17):4826-4834.(inChinese))

　　[1]陳昂,吳淼,沈忱,等.河道生態(tài)基流計(jì)算方法回顧與評(píng)估框架研究[J].水利水電技術(shù)，2017，48(2)：97-105.(CHENAng,WUMiao,SHENChen,etal.Reviewofmethodforcalculationofriverecologicalbase-flowandstudyonitsassessmentframework[J].WaterResourcesandHydropowerEngineering,2017,48(2):97-105.(inChinese))

　　[2]鐘華平,劉恒,耿雷華,等.河道內(nèi)生態(tài)需水估算方法及其評(píng)述[J].水科學(xué)進(jìn)展，2006，17(3)：430-434.(ZHONGHuaping,LIUHeng,GENGLeihua,etal.Reviewofassessmentmethodsforinstreamecologicalflowrequirements[J].AdvancesinWaterScience,2006,17(3):430-434.(inChinese))

　　作者：王鵬全1，吳元梅2，楊旭亮1