基于HMA方法的宜昌站生态径流演变规律分析

胡 杨，林凯荣，刘 攀

(1.中山大学水资源与环境系，广州 510275; 2.华南地区水循环与水安全广东省普通高校重点实验室，广州 510275;3 武汉大学水利水电学院， 武汉 430072)

1 研究区概况

长江发源于青海省唐古拉山脉各拉丹冬峰西南侧,河源名为沱沱河,从河源到四川宜宾称为金沙江,岷江汇入之后始称川江。湖北宜昌以上河段为长江上游，横跨中国陆地地势的一、二级阶梯。该段河道全长4 529 km，占长江主河道全长的70%，上游沿岸有数个重要城市，包括宜宾、泸州、重庆、宜昌等，主要的一级支流包括岷江、嘉陵江、乌江等。

宜昌水文站始于1877年设立的宜昌海关，此后开始有水位记载。1946年3月正式设立宜昌水文站，为长江上游出口控制站[1]。宜昌站位于西陵峡口的宜昌市，宜昌因水而兴旺发达，但是也饱受水害的摧残，属亚热带季风性湿润气候，四季分明，水热同季，寒旱同季的气候特征，多年平均降水量1 215.6 mm。地处长江上中游的咽喉之地，宜昌站控制流域面积100万km2，占全流域面积的55%，为下游防洪以及葛洲坝、三峡工程等大型工程提供了详尽的水文资料，也为宜昌市的城市建设和经济建设起到了举足轻重的作用。上游数公里处的葛洲坝水电站，是长江干流上第一座大型水电站，葛洲坝水利枢纽于1970年开始动工，宜昌水文站的径流量资料可以体现出葛洲坝水电站的建设对长江天然径流量的影响程度。因此本文采用Mann-Kendall法和基于IHA指标体系的HMA法，分析宜昌站径流量年际变化的规律和趋势，为水资源管理部门和工程建设部门的规划提供依据，便于水库调度的决策，保护上中游流域生态环境。

2 研究方法

2.1 Mann-Kendall检验

Mann-Kendall检验法[2,3]是世界气象组织推荐并已广泛使用的非参数检验方法，不需要遵从一定的分布，也不受少数异常值的干扰，适用于水文、气象等非正态分布的数据，计算比较简便[4]。

2.2 水文变化指标法(IHA法)

Richter等人(1996年, 1998年)提出的受自然保护协会(TNC)支持的IHA统计包[5,6]计算水文变异。IHA方法在研究人类活动如大坝和地下水取水等对水文情势的影响方面非常有用。IHA法[5]是依据河流的日测水文流量资料，计算32个影响生态环境意义的关键水文特征值，并计算集中量数(如中位数、平均值)和离散量数(如标准偏差、变异系数)，以对受人类活动影响的河流进行干扰前和干扰后的对比分析[7]。32个水文关键值可以分为5组，分别是月径流量大小、年极端流量大小、极端流量出现时间、高低流量的频率和延时以及径流变化的改变率和频率[8]。流量平均增加率、减少率指相邻两天的流量平均增加率、减少率，逆转次数是指河流日流量由增加变为减少或者由减少变为增加的次数[9]。

2.3 直方图匹配法(HMA法)

HMA法是Shiau and Wu[10]提出的一种以直方图差异度作为衡量标准评价水文情势改变度的方法。HMA的核心思想是：若两个径流序列的32个IHA指标的频率直方图相互类似，则这两个径流序列的水文情势也类似，这种相似性可以用变异前后频率直方图的“统计距离”来衡量。因此，水文情势的改变可以用基于距离的差异度来度量。HMA的过程如下：

(1)

式中：Dm是第m个指标的直方图差异度；dm是第m个指标的二次方间距；max(dm)是每个dm的最大值。

(2)

式中：h=(h1，h2，…，hnc)T，k=(k1，k2，…，knc)T，分别为变异前后直方图H、K的频率向量， |h-k|是统计距离向量，nc是径流序列的分类数；A=[aij]为相似矩阵，aij是H的第i类和K的第j类之间的相似性：

(3)

其中，dij=|Vi-Vj|是第i，j类之间的距离，Vi、Vj分别为i、j类的均值；dmax=max(dij)=|V1-Vnc|；α为(1，∞)，本文采用α=1的线性相似函数。

(4)

式中：r为实测数据中最大值与最小值之差；n为实测数据长度；riq为四分位数间距。

(5)

式中：nc,m为第m个IHA指标的分类值。

因Dm的个别值可以表现出不同程度的差异性，所以用一个综合指数来评价“水文情势的整体变化程度”，即：

(6)

式中：D′o最小值被视为等同于保护最好的天然径流量，用以替代生态系统需水量。

3 结论与分析

3.1 Kendall趋势分析

由于人类活动和气候变化的因素,使得宜昌站的年径流数据产生变化,其中上游的大型水利设施对径流的影响非常显著。图1可以体现宜昌站年径流量的变化趋势和变异特点，从图中可知宜昌站的年平均流量呈降低的趋势，宜昌站的变异点在1970年左右和1996年左右，径流量的变异应该和长江上游1971年开工建设的龚嘴水库、黑龙滩水库，特别是葛洲坝水利枢纽等工程有关。而这也与秦年秀、曾娟等人的研究结果相近，并符合实际状况。与此同时，由于经济的增长，对灌溉用水和工业用水的需求相应地大规模增加，此外湖泊的开垦、气候变化等都会对年径流量产生不同程度的影响。因此将1878-1970年作为长江上游径流量未受扰动时间段，将1971-2010年作为由于上游水利设施而产生扰动的时间段。

图1 宜昌站径流变化和突变分析图

3.2 IHA指标变化分析

运用IHA软件将各站逐日实测径流资料分为月平均流量、年极端流量、极端流量发生时间、高低流量的频率和延时以及径流变化的改变率和频率5组共32个指标。通过每一个指标在变异前后的年平均值分析变异趋势，结果显示，除了4月的月平均流量略微增加外，其他月的月平均流量都有不同程度的减少；年最大和最小极值流量都有小幅度下降的趋势；每年发生低流量的次数和延时增加，每年发生高流量的次数和延时减少；每年的流量逆转次数增加。从上述这些指标的改变趋势可以看出，包括葛洲坝在内地一系列在长江上游修建的水利设施确实对天然径流量产生了作用，这主要是因为上游水库的蓄水和蒸发使得径流量减少，而关闸蓄水和开闸放水的使得逆转次数增多。

3.3 用HMA法作径流量变异分析

3.3.1月平均流量

我们定义HMA方法中，改变度高于67%为高度改变，改变度在33%和67%之间为中度改变，改变度小于33%为低度改变。中度改变的月平均流量指标有8月、10月和11月，见图2。HMA法这3个月的差异度分别为40.39%、33.77%和37.15%。

在8月份，天然径流序列小于13 308 m3/s的频率值为0，在13 308～17 025 m3/s的频率为0.02，在17 025～20 743 m3/s的频率为0.12，在20 743～28 178 m3/s的频率为0.33，变异后，径流小于9 590 m3/s的频率为0.07，在9 590～13 308 m3/s的频率为0.07，在17 025～20 743 m3/s的频率为0.2，在20 743～28 178 m3/s的频率上升为0.71。

在10月份，天然径流序列流量11 882～14 064 m3/s的频率值为0.03，14 064～16 245 m3/s的频率为0.15，小于16 245 m3/s的频率为0.23。变异后月平均径流序列在11 882～14 064 m3/s的频率值升高至0.26，在14 064～16 245 m3/s的频率升高为0.45，小于16 245 m3/s的频率升高为0.75，没有高于27 155 m3/s的流量。

在11月份，变异前流量小于8 912 m3/s的频率为0.38，变异后却涨至0.88。

上述结果表明，高要站8月、10月、11月的低流量频率变异后高于天然径流量的频率。

3.3.2流量极值和延时变化

年极端流量中相对改变最大的是年1日最小流量，从变异前2 770 m3/s到变异后2 470 m3/s，减少了300 m3/s。年极端流量和出现时间的HMA法结果只有年1天最小流量和最小极端径流时间改变度在33%和67%之间，为中度改变，其他均属于低度改变。差异度最小的是基流指数，为17.55%，最大的是年1日最小流量发生时间，为39.44%。跟月平均流量一样，各项指标的低流量频率变异后高于天然径流量的频率，见图3。

图2 月平均流量序列变异前后频率分布图

3.3.3流量变化的频率

HMA法计算得到的变异前后宜昌站流量平均上升率、下降率和逆转次数改变度分别为51.68%、34.17%、63.80%，都属于中度改变、低度。变异后流量逆转次数改变较大，从逆转次数频率分布图中(图4)可以明显看出变异后逆转次数较大区间的频率明显增加，逆转次数均大于66，大于101的频率为0.80，而变异前大于101的频率为0。变异之后上升率改变也较大，从图4中可知变异前上升率小于260%的频率值为0，在260%到338%之间的频率为0.07，在338%到417%之间的频率为0.08，在417%到495%之间的频率为0.22，变异后，上升率小于260%的频率为0.23，在260%到338%之间的频率为0.39，在338%到417%之间的频率为0.19，在417%到495%之间的频率上升为0.32。上升率较小区间的频率明显增加。

图3 流量极值和延时变化变异前后频率分布图

图4 流量变化的频率变异前后频率分布图

4 结 语

(1)通过宜昌站水文情势趋势分析，年平均净流量在1970年左右发生变异，这与上游的葛洲坝工程和黑龙滩水库等水利设施的建成时间较为符合。

(2)宜昌站32个水文变化指标大部分指标变化趋势较明显，其中月平均流量指标普遍减少；年极端流量普遍减小，年低流量发生次数也增加，低流量平均延时同样增加；流量平均上升率和流量逆转次数显著增加。

(3)宜昌站径流趋势的减少对生态环境问题，例如水质的变化、水生生物的生存等都有重大影响，同时也会影响到航运、下游人民用水、输沙、地下水位等一系列问题，如何保证所有方面的问题都考虑周全，需要水资源管理部门的保护和调控。

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[1] 蔺秋生, 范北林, 黄 莉. 宜昌水文站年径流量演变多时间尺度分析[J].长江科学院院报, 2009,26(4):1-3.

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