改进RVA法在河流水文情势评价中的应用

黎云云，畅建霞，雷江群

(西安理工大学 西北旱区生态水利工程国家重点实验室培育基地，陕西 西安 710048)

改进RVA法在河流水文情势评价中的应用

黎云云，畅建霞，雷江群

(西安理工大学 西北旱区生态水利工程国家重点实验室培育基地，陕西 西安 710048)

【目的】 研究改进变化范围法(Range of Variability Approach,RVA) 中各水文指标对生态环境的响应程度，以有效避免RVA在评价河流整体水文情势时容易忽略低度、中度改变指标的不足，为河流生态系统的管理决策提供参考。【方法】 基于改进的RVA算法充分考虑了5类33个水文指标与生态系统之间的响应程度，并将层次分析法(主观赋权法)与熵权法(客观赋权法)相结合赋予各指标生态权重，集结并累加各指标综合生态权重与单个水文指标改变度，综合评价河流水文情势的整体改变度。以渭河关中段为例，依据林家村、咸阳、华县水文站1960-2010年的日径流资料，借助Mann-Kendall非参数检验方法诊断径流序列突变点，采用RVA法计算单个水文指标的改变度，利用改进的RVA法对渭河关中段水文情势的整体改变度进行评价。【结果】 利用未改进的RVA方法计算得到渭河关中段林家村、咸阳、华县控制断面的整体改变度分别为75%，69%，67%，均属于高度改变；而用改进RVA算法计算得到的林家村、咸阳控制断面的整体改变度分别为51%，40%，属于中度改变，华县控制断面的整体改变度为29%，属于低度改变。对比两种不同评价结果并进行合理性分析可知，基于改进RVA方法的评价结果更加贴近河道所提供的整体信息和指标改变度的分布特征，符合客观实际。【结论】 通过赋予各水文指标生态权重，综合考虑各水文指标与生态系统之间的响应程度，能有效融合33个水文指标在评价河流整体改变度时的内涵，研究成果更加客观且符合实际。

河流；径流序列突变；改进RVA法；水文情势评价；渭河关中段

河流作为人类经济社会发展的重要支撑和保障，其生态功能和健康现状的评价成为水文界的热点和难点问题。尤其是近年来，在全球气候变化和人类活动的双重影响下，河流的天然流态、泥沙冲刷及生物多样性均受到了不同程度的影响，致使河流生态系统严重退化。水文情势是河道水流状态健康与否的主要标志，它决定着河流物质和能量的交换过程，影响着水生物之间的相互关系及栖息地状况，维持着河流生态系统的完整性[1]。因此，定量评价河流水文情势，对变化环境下河流健康的良性维持及生态功能的恢复都具有重要的现实意义。

自20世纪70年代开始，一些国家便陆续开展了河流生态系统的健康评价，提出了许多河流健康评价的指标体系，如南非的河口健康指数(Estuarine Health Index,EHI)、澳大利亚的溪流状态指数(Index of Stream Condition,ISC)、英国的河流保护评价系统(System for Evaluating Rivers for Conversation,SERCON)、美国环保署的生境适宜性指数(Habitat Suitability Index,HSI)和河流地貌指数(Index of Stream Geomorphology)等[2]。这些评价指标从不同角度评价了河流生态系统的完整性，但对数据的搜集比较难、要求比较高,且涉及河流地貌、生物栖息地及其物种等大量信息。为此，美国学者Richter 等[3]于1996年提出了水文变异指标 (Index of Hydrologic Alteration,IHA)，包括各月流量、年极端流量、极端流量发生时间、高低流量的频率及延时、流量变化改变率及频率共5类33个水文指标。随后，Richter等[4]在IHA的基础上提出了变化范围法(Range of Variability Approach,RVA)，主要通过对比不同时段河流水文情势的改变程度，定量分析受环境影响后河道水文特征的变化情况。RVA方法自提出以来，得到了学术界的大力认可和广泛应用，张洪波等[5]应用RVA研究了宝鸡峡引水对渭河水文规律及生态系统的影响，结果表明宝鸡峡引水工程对渭河水文规律及生态系统的影响较大,严重阻碍了河流生态功能的实现。于茜等[6]采用RVA分析刘家峡、龙羊峡两库联合调度对黄河上游兰州站生态水文特征变异的影响，表明刘、龙两库联合运行对黄河水生生物的生存环境影响较大。Yang等[7]采用RVA方法研究了小浪底和三门峡水库对黄河中下游水文情势的影响程度，结果表明小浪底水库对黄河下游水文情势的影响大于三门峡水库。Shiau等[8]应用RVA方法分析导流堰的水文影响，通过在水文指标的变化和人类需求之间建立平衡，以保持天然水流的多变性并促进生物群的生长。

上述研究在将RVA用于分析河流受影响后生态水文特征的改变情况，以及识别改变度较大指标等方面取得了很大成就，但在评价河流的整体改变度时，存在过于依赖高度变化的水文指标的不足，如当指标值中有一个属于高度改变，那么整体的改变度必将被定义为高度改变，从而忽略了大多数中度、低度改变指标的影响，导致评价结果与实际存在差异。鉴于此，本研究将RVA法进行改进，以渭河关中段为评价对象，依据林家村、咸阳、华县断面1960-2010年的日径流资料，对渭河关中段受人类活动和气候变化影响后的整体水文情势改变度进行客观、全面的综合评价，并与未改进RVA法的评价结果进行比较，以期为河流水文情势改变度的准备评价提供支持，并为深入了解渭河关中段水文情势的改变现状以及流域生态目标的进一步确定和水资源的统一管理提供科学依据。

1 评价方法

1.1 Mann-Kendall 非参数检验法

目前，用于水文序列突变点诊断的方法很多，如有序聚类分析法、Pettitt 非参数检验法、贝叶斯变点分析法、Mann-Kendall 非参数检验法、R/S 分析法等[9-13]。Mann-Kendall非参数突变检验方法理论基础扎实且应用实例较多[14-16]，样本无需遵从一定的分布，不受少数异常值的干扰，具有受人为干扰小、检验范围宽、定量化程度高等诸多优点，因此本研究选用Mann-Kendall非参数检验方法[17]对径流序列突变点进行诊断。

1.2 单个指标改变度

水文变异指标(IHA)是由Richter等[3]于1996年提出的，共有各月流量、年极端流量、极端流量发生时间、高低流量的频率及延时、流量变化改变率及频率5类33个指标，涵盖的指标因子能够较全面地反映河流的水文情势。为了定量描述单个水文指标受影响后的改变程度，Richter等[4]在IHA的基础上提出了变化范围法(RVA)，其通常将受影响前各指标发生频率的75%及25%作为能够满足河流生态需求的变动范围，即RVA阈值。各指标的具体水文改变度由下面公式量化得到：

(1)

式中：Di为各个指标的改变度；Ni为第i个指标受影响后仍落于RVA阈值范围内的实际观测年数；Ne为指标受影响后预期落于RVA阈值范围内的年数，Ne=rNT，其中r为受影响前指标落于RVA阈值范围内的比例，NT为指标受影响后的总年数。

当0%≤|Di|<33%为无改变或低度改变；33%≤|Di|<67%为中度改变；67%≤|Di|<100%为高度改变。

1.3 整体改变度

1.3.1 RVA法 Shiau等[8]提出了整体水文改变度D0,即利用各指标的水文改变度以三等级法的方式来计算河流水文情势综合改变度,具体分为以下3种情况:

(1)如果各指标的改变值均小于33%,则整体改变度为33个Di值的平均值，即：

(2)

式中：D0为整体改变度。

(2) 如果33个指标的改变度均小于67%，且至少有1个指标的改变度大于或等于33%，则水文整体改变度的计算公式为：

(3)

式中：Nm为Di属于中度改变的个数。

(3) 如果33个指标的改变值中至少有1个指标的改变度大于或等于67%，则水文整体改变度的计算公式为：

(4)

式中：Nh为Di属于高度改变的个数。

该方法考虑了33个指标变化值之间的差异，但过于重视变化度较大的水文指标而忽略了大多数水文指标与生态系统之间的响应程度，因为改变度最大的指标不一定对生态系统的响应程度也最大。显然，这种以三等级法的方式来量化河流的整体改变度有失偏颇。

1.3.2 改进的RVA法 为了更加客观地融合33个水文指标来表述河流的整体改变情况，笔者将赋予各指标生态权重，综合考虑各指标与生态系统之间的响应程度。在此基础上，计算各控制断面水文情势的综合改变度。具体方法如下：

1)确定各指标权重。指标权重的确定方法有主观赋权法和客观赋权法，但2种赋权方法各具其优势和局限性。为了能更客观全面地反映指标相对于河流水文情势的重要性,本研究将主观层次分析法与客观熵权法结合起来以确定各指标的综合权重。

层次分析法通过两两比较及计算判断矩阵最大特征值和特征向量，以确定指标相对于最高层的排序权向量，具体方法及思路见文献[18]。熵权法[19-20]是用信息熵来反映系统中信息的无序化程度，若信息熵越高，则所含信息的无序化程度越高，该信息所提供的价值就越小，即其在系统中所占的权重就越小，反之亦然。具体步骤如下：

①设有m个样本(采样点)，每个样本(采样点)有n项指标，构建原始数据矩阵X=(Xij)m×n；然后对X进行归一化处理得到矩阵fij：

(5)

式中：fij为归一化得到的矩阵，xij为原始数据矩阵，i为采样点，j为每个采样点的具体指标。

②确定第j项指标的熵值Hj。计算公式为：

(6)

(7)

2)确定各指标的综合权重θi。计算公式为：

(8)

(9)

式中：θi为各指标的综合权重，Di为各指标的改变度。

1.4 改进评价步骤

1)采用Mann-Kendall对日径流系列进行突变点诊断，突变点之前的年份代表天然径流序列，突变点之后的年份代表受影响后的径流序列。

2)在IHA的基础上，采用变异范围法(RVA)计算单个水文指标受影响后的改变度。

3)分别采用主观层次分析法和客观熵权法赋予各指标权重，然后将主观权数与客观权数进行综合集结，最终确定各指标响应于生态环境的综合权重。

4)采用式(9)计算各控制断面改进后的整体水文改变度，综合评价河流在人类活动和气候影响下水文情势的变化情况。

2 实例研究

2.1 渭河关中段概况

渭河关中段位于陕西省的中部，地处渭河中下游以渭河平原(亦称关中平原)为主体，大致以秦岭主脊与陕南地区为界，以子午岭、黄龙山与陕北地区相邻(图1)。由西向东横贯宝鸡、咸阳、西安、渭南等市(区)后，于潼关的港口注入黄河， 面积约为5.5万km2，约占全省总面积的26.9%。关中多年平均水资源总量为82.03亿m3，仅占全省地表水资源总量的17.7%。林家村、咸阳水文站分别是渭河关中段中游和下游的分界点，华县站是渭河流出陕西省境的控制点。近50年来，由于气候和人类活动的双重影响，渭河关中段的水文情势发生了重大改变，致使流域生态环境不断恶化，诸如流量不断减少、水质达标低、洪涝灾害频繁以及河流含沙量大等。

图1 渭河关中段及其主要水文站点的分布
Fig.1 Location of Weihe Guanzhong basin and the distribution of main hydrological stations

2.2 日径流突变点诊断

采用Mann-Kendall非参数检验法对渭河关中段上、中、下游水文控制站点林家村、咸阳、华县水文站1960-2010年的日径流系列进行了突变点诊断，结果如表1所示。3个站点中，突变年份除华县站为1970和1990年外，其余2个站点均为1970和1985年。这些年份发生突变的原因可能与气候变化引起的降雨量有一定关系，但主要还是由水库运行、灌区引水等人类密集活动导致的，如1970 年羊毛湾水库建成，1972 年宝鸡峡灌区开始引水，1982 年冯家山水库投入运行，1989 年石头河水库竣工等。

表1 基于Mann-Kendall非参数检验法的渭河关中段日径流突变点诊断结果Table 1 Abrupt points of runoff in the Weihe Guanzhong section by Mann-Kendalll non-parametric test method

初步判断突变点为1970，1985和1990年。结合以往的研究成果[21-22]来看，渭河关中段径流发生突变的年份并不一致，但主要都集中在20 世纪80 年代中期到90 年代初。综合考虑，选取1985 年作为径流突变年份与过去研究结果基本保持一致，较为客观合理。

2.3 单个水文指标的改变度及其权重

根据突变点诊断结果可知，1985年为水文情势变化的起始年份，即将1960-1985 年作为径流影响前的水文系列， 1986-2010 年为影响后的水文系列。由式(1)可以计算得到3个水文站点各水文指标的改变度。分别采用主观层次分析法和客观熵权法赋予各指标权重，然后由式(8)得到了各指标的生态综合权重，计算结果见表2。

表2 渭河关中段3个水文站点各评价指标的水文改变度及其权重Table 2 Hydrological changing degree and weight of each evaluation index at three stations in the Weihe Guanzhong section

续表2 Continued table 2

注：“L”代表低度改变，“M”代表中度改变，“H”代表高度改变。下同。

Note:“L” represents low change,“M” represents medium change and “H” represents high change.The same below.

由表2可知：3个控制站点的月流量均发生了不同程度的改变，其中林家村站1、2月水文流量变化程度剧烈，华县和咸阳站月流量改变程度不大。极端流量指标改变程度较小，年最大1日流量发生时间除咸阳站为中度改变外，其余2站均为低度改变，但其综合权重为0.098，对生态环境影响很大，即便微小的变化也可能导致严重的生态危害。林家村、咸阳站年发生高流量的次数为高、中度改变，华县站为低度改变；但每年流量逆转次数以华县站的改变最为显著，改变度为71.6%，呈高度变化，这主要是受渭河关中段中下游水利发电的影响所致，如频繁的引水、放水导致河流流量发生频繁波动，造成流量上升率、下降率增大，水文转折点次数增多。但总体来说，林家村、咸阳、华县站流量频率及逆转次数的改变度较为相似，都呈现高流量次数总体减少、低流量次数和逆转次数总体增大的趋势。

2.4 水文情势整体改变度分析

表3 用不同评价方法得到的渭河关中段水文情势整体改变度的比较Table 3 Comparison of overall changing degrees by different methods in the Weihe Guanzhong section %

由表3可以看出，用RVA方法计算得到3个水文站的整体改变度均≥67%，均属于高度改变，这是由于RVA法虽然考虑到了33个指标变化值的差异，但是过于重视变化度较大的水文指标，如华县断面水文指标改变度中有且仅有1个参数(逆转次数)属于高度改变，经RVA法(式(4))计算得其整体改变度为67%，也属于高度改变。由此可见，该参数是决定华县断面整体受影响程度呈高度改变的惟一因子，该结果忽略了其他大多数中、低度改变的指标以及这些指标因子与生态系统之间的响应程度，这必然会给河流的管理带来盲目性和误导性。采用改进RVA方法计算后，林家村站水文情势的整体改变度为51%，咸阳站为40%，两者均属于中度改变，而华县站的整体改变度为29%，属于低度改变。

2.5 评价结果的合理性分析

使用改进的RVA法进行评价，可以综合考虑各个水文指标对河流水文情势的影响程度，得到林家村、咸阳断面的改变度为中度改度，华县断面为低度改度。该评价结果的合理性可以从以下角度进行分析：

1)从各个站点水文指标改变度的分布特征及与生态系统之间响应程度的分析结果(图2)可知，林家村站33个IHA指标中，低度改变的指标有 7个，中度改变和高度改变的指标均为13个；中度改变指标所占权重为0.39，均大于低度和高度改变指标所占权重，即林家村站33个指标中，虽然高度、中度改变的指标个数相同且最多，但是中度改变指标对生态系统的响应程度高于高度改变指标，因此林家村断面的整体水文情势改变度为中度改变是合理的。咸阳站33个IHA指标中，低度、中度和高度改变的指标个数分别为14，13和6，其中中度改变指标所占权重为0.48，均大于低度和高度改变指标所占权重，即咸阳站33个指标中，虽然低度改变的指标个数最多，但是中度改变指标对生态系统的响应程度最高，因此咸阳断面的整体水文情势改变度为中度改变是合理的。同理，华县站33个IHA指标中，低度、中度和高度改变指标个数分别为20，12和 1，其中低度改变指标所占权重为0.58，均大于中度和高度改变指标所占权重，即华县站33个指标中，低度改变的指标个数最多且对生态系统的响应程度最高，因此华县断面的整体水文情势改变度为低度改变是合理的。

图2 3个水文站水文指标改变度的分布特征及与生态系统之间的响应程度.指标个数；.权重

2)从河道水资源整体开发利用状况分析，渭河关中地区建有八大灌区，农业灌溉取水较多，特别是宝鸡峡引水工程对咸阳断面以上的河流造成了不可忽视的影响[23]，而华县断面多以城市生活、工业用水为主，取用水量小于农业用水，对河道水文情势的影响相对较小，即人类活动对林家村、咸阳断面整体水文情势改变度的影响大于华县断面。因此，沿着河流的流向，水文改变度逐渐降低的趋势是合理的。此外，武玮等[24]采用t检验对渭河关中段整体水文情势进行了评价，结果表明咸阳断面以上的差异为显著水平，咸阳断面以下为较显著水平。这与本研究分析的水文变化趋势类似。

综上分析，基于改进RVA方法的渭河水文情势改变度评价结果更加贴近河道所提供的整体信息，且符合客观实际。

3 结 语

变化范围法(Range of Variability Approach， RVA)作为一种多指标评价法，在评价单个水文指标改变度方面取得了较大成就，并得到了国内外学术界的一致认可，但在评价河流整体水文情势改变度时，RVA法只重视个别改变度大的指标,忽略了评价指标对环境的影响程度，即其所占的生态权重，容易给河流的规划和管理带来盲目性和误导性。本研究提出的改进RVA算法，将层次分析法和熵权法相结合，赋予了各指标响应生态环境的综合权重，有效地避免了中度、低度改变指标被忽视的现象,能更加客观、全面地评价河流在人类活动和气候变化双重影响下的水文改变情况，可为流域生态目标的进一步确定和水资源的统一管理提供更加可靠、合理的科学依据。

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Application of improved RVA method in assessment of river hydrological regime

LI Yun-yun，CHANG Jian-xia，LEI Jiang-qun

(KeyLabofNorthwestWaterResourcesandEnvironmentEcologyofMOE,Xi’anUniversityofTechnology,Xi’an,Shaanxi710048，China)

【Objective】 This paper proposed a more accurate reference on the basis of RVA to diagnose the influence degree by analyzing the response relationship between hydrological index and river ecosystem.This would help to avoid the problem caused by ignoring low and middle changing indicators in range of variability approach (RVA) when evaluating the overall changing degree of river hydrological alteration.【Method】 The improved RVA took the response between hydrologic index and ecological system into consideration,endowed each index with ecologic weight by binging analytic hierarchy process (subjective weighting method) and entropy method (objective weighting method),and integrated and cumulated the hydrological weight with each index to access the overall changing degree of river hydrological alteration.Then taking the Weihe Guangzhong section as example,the daily flow data from 1960 to 2010 at Linjiacun,Xianyang,and Huaxian hydrological stations were analyzed.The Mann-Kendall non-parametric test method was also used to diagnose the abrupt changing points,based on which the runoff series was divided into two periods representing the pre-impact and post-impact periods,respectively.The changing degree of each index was analyzed by RVA and the overall changing degree of hydrologic regime was evaluated by the improved RVA.【Result】 The overall changing degrees calculated by original method at Linjiacun,Xianyang,and Huaxian were 75%,69%,and 67%,belonging to high change.While the changing degrees calculated by improved RVA at Linjiacun,Xianyang,and Huaxian were 51% (medium change),40% (medium change),and 29% (low change).The improved evaluation results were closer to the overall information provided by the river and the distribution characteristics of index changing degree through rationality analysis.【Conclusion】 The 33 hydrological indexes can accurately and objectively evaluate the river hydrological regime by giving each index weight to consider the response degree between index and ecological system.

river;runoff series mutation;improve RVA method;hydrological regime evaluation;Weihe Guanzhong section

时间:2015-09-09 15:41

10.13207/j.cnki.jnwafu.2015.10.029

2014-03-20

国家自然科学基金项目(51179149)；教育部新世纪优秀人才支持计划项目(NCET-10-0933)；教育厅重点实验室科学研究项目(13JS069)；陕西省科技创新团队项目(2012KCT-10)

黎云云(1990-)，女，四川达州人，在读博士，主要从事水资源系统工程研究。E-mail:liyunyun19900627@163.com

畅建霞(1974-)，女，山西祁县人，教授，博士生导师，主要从事水资源系统工程研究。E-mail:chxiang@xaut.edu.cn

P333.9

A

1671-9387(2015)10-0211-08

网络出版地址:http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1390.S.20150909.1541.058.html