基于IHA-RVA法四水流域水文情势变化评估

王鸿翔，查胡飞，卓志宇，钱 湛，郭文献

（1.华北水利水电大学，河南 郑州 450011；2.湖南省水利水电勘测设计研究总院，湖南 长沙 410007）

1 研究背景

河流的水文情势是河流生态的内在驱动力，它决定着河流发展趋势。在水文情势评估方面，国内外学者进行了大量研究。其中RICHTER等提出的基于水文改变指标法（IHA）的变动范围分析（Range of Variability Approach，RVA）法已经被广泛应用于水文情势影响以及湖泊生态恢复研究［1］。陈启慧等［2］采用RVA法对长江下游河流水文影响进行了初步分析，郭文献等［3］对汉江下游河流水文效应进行了综合评估，杨志峰等［4］综合运用RVA法和直方图匹配（HMA）法分析了黄河下游河流水文情势影响，张强等［5］研究了珠江流域水文改变特征。该方法是通过建立指标体系来研究复杂的水文过程，是评价水文突变点对河流径流过程影响的一种有效分析手段，该方法还可根据分析结果建立河流的生态流量管理模式，可满足河流管理部门的需要［6-8］。

湘、资、沅、澧四条水系（简称四水）是湖南省水资源的重要组成部分，在湖南省境内流域面积总计12.82万km2。同时四水作为洞庭湖水系最大的注入者，多年平均入湖水量1669亿m3，占总入湖水量的60%左右［9］。由此，湘、资、沅、澧四水的重要性不言而喻，为了四水水系的健康可持续发展，对四水流域的水文情势研究显得十分重要。本文结合国内外在水文情势的影响评估方面的成果，结合水文变异指标、水文统计方法和变化范围法定量评估湘、资、沅、澧四水的4个代表性的水文站（桃江、桃源、石门、湘潭）水文情势的改变程度，为洞庭湖湖区水文情势影响评价以及湖泊水生生态安全提供技术支撑。

2 数据和方法

2.1 研究数据选取湘江的湘潭站、资水的桃江站、沅水的桃源站和澧水的石门站作为整个四水水系的代表性水文站。选取的4个水文站各具代表性，基本能够反映出四水水系的水文特征。采用这4个站点1959—2016年的日均流量观测资料。

2.2 研究方法

2.2.1 突变检验法

（1）Mann-Kendall突变检验法。设时间序列为x1，x2，…，xn，Sk表示第i个样本xi＞xj(j≤i)1≤ 的累计数，定义统计量：

在时间序列随机独立的假定下，Sk的均值和方差分别为：

将Sk标准化：

其中UF1=0。给定显著水平α，若则表明序列存在明显的趋势变化，所有UFk可组成一条曲线，将此方法引用到反序列，则反序列的统计量UBk由下式给出：

其中UB1=0。对于给定显著性水平如α=0.05，临界值±1.96。将UFk、UBk统计量序列曲线和±1.96两条直线绘制在同一张纸上，当时间序列的UFk和UBk两条曲线出现交点且交点位于临界线之间，那么交点所对应的时间则认为是突变开始时间［10］。

（2）累积距平法。对于某一时间序列X（x1，x2，…，xn），其在某一时间t的累计距平值可表示为：

该方法的核心是根据距平值来判断各离散数据相对于序列均值的离散程度，若累计距平值Xt增大，表明离散数据大于其平均值，若Xt减小，则表明小于其平均值，从累积距平曲线明显的起伏波动可判断序列长期显著的趋势变化。如果在时间序列累计距平曲线中，由Xt增大和减小的两部分组成，则可确定时间序列趋势变化的拐点［11-12］。

（3）滑动T检验。本文用Mann-Kendall突变检验法时，某些特征值出现了多个交点以及交点在置信度线范围之外的情况，因此文中对出现这些情况的特征值用滑动T检验进行进一步的辅助计算。滑动T检验主要是通过考察两组样本的平均值差异是否明显来检验突变。主要是通过比较水位序列中的两个子序列之间的均值是否存在显著差异来检验，若是两段子序列之间的均值差异超过了显著水平，则认为发生了突变。对于样本量为n的时间序列，人为的设置一个基准点，将基准点前后的子序列x1和x2的样本分别为n1和n2，两端子序列的平均值分别为和，方差分别为和。定义统计量为：

2.2.2 水文改变指标法 Richter等［1］于1998年提出水文改变指标法（IHA）。将水文情势分为5组33个参数，分别从流量、时间、频率、延时和改变率等方面分析河流水文情势变化［14］。由于在研究期间各水文站并没有出现零流量日，本文对IHA参数进行调整，调整后的IHA参数见表1。

2.2.3 变化范围法 Richer等［15］于1997年提出变化范围法，该法以IHA的水文指标为基础，通过分析水利工程建设前后的日流量数据分析水文指标的改变程度。一般情况下，各指标的平均值加减标准差或以频率为75%和25%作为IHA指标的上下限，成为RVA目标。

2.2.4 水文改变度 为定量描述IHA32个指标中单个水文指标受影响后的变异程度，Richter等［15］建议通过水文改变度来评估，各指标的具体水文变异度可由下面的公式量化得到：

式中：Di为第i个指标的水文变异程度；N0,i为变异后的径流序列IHA值在25%～75%分类范围内的年数；Ne为相应的期望年数（Ne=P×NT，P为50%，NT为变异后径流序列的总年数）。基于每个指标的变异程度Di，变异后序列总的水文变异程度D0计算如下：

为了能够客观的反映水文改变度的严重性，Richter等认为可以将水文改变度划分为3个不同等级的严重性，一般定义|值介于0～33%之间属于低度改变或不发生改变；33%～67%之间属于中度改变；67%～100%之间属于高度改变，以此对河流水文情势进行量化判断［15-17］。

表1 调整后的IHA流量参数

3 结果与讨论

3.1 四水水系年均流量变化特征

3.1.1 年均流量趋势性检验 趋势性是反映样本序列随时间增加的倾向，即增加、减少或不变。为揭示四水水系年平均流量趋势变化，点绘1959—2016年年平均流量年际变化过程曲线（见图1）。由图1可知，研究期间，四水水系年平均流量除个别特枯年或特大洪水年的波动幅度较大外，基本上都有不同程度的增长趋势，仅石门站出现微弱下降趋势。

运用M-K检验方法检验4个站点年平均流量变化的趋势性（表2）可知，湘潭站、桃江站和桃源站年平均流量总体呈微弱上升态势，上升趋势均不明显，都没有通过显著性检验，石门站呈现微弱下

降趋势，也未通过显著性检验，下降趋势不明显。

图1 四水流域年均流量变化及趋势

表2 四水水系年均流量变化趋势M-K检验

3.1.2 年均流量突变性检验 运用Mann-Kendall检验、累计距平法和滑动T检验法，对湘潭、桃江、桃源和石门4个水文控制站研究期间的年均流量序列进行突变年份检验，通过以上3种检测方法综合判别4站点理论上的突变年份如表3所示。

表3 四水年均流量突变统计结果

3.2 四水流域水文指标变化通过以上对四水流域各支流水文情势突变点的研究，将突变点以前的流量过程作为自然态基准流量序列，将突变后时间序列的水文过程同突变前进行比较分析。运用IHA和RVA法计算四水流域各站点的水文改变程度。四水突变前后各流量指标参数改变程度计算结果如表4所示。

3.2.1 月流量变化 四水流域4个水文站最明显的水文变异大多集中出现在3月、4月、5月、7月和10月（见图2）。四水流域各水系虽然水文突变点不尽相同，但突变前后月流量变化相似，都在丰水期（5—10月）的变化更大。

3.2.2 年极端流量大小 由表4可以看出，四水的年均最小值流量改变度的绝对值相对于年均最大值流量要高些，这说明水文情势的变化对年均最小值流量的影响更深些。桃江站的年均1d最小值流量和基流指数改变度最大均呈中度改变，其余都为低度改变，年均1d、3d最大值流量水文改变度最小，呈低度改变；湘潭站的年均3d、7d最小值流量和基流指数改变度较大，其中基流指数的改变度达到高度改变，年均1d、3d最大值流量水文改变度最小且均为低度改变；桃源站的年均30d最小值流量改变度最大达到了中度改变，基流指数的水文改变度最小呈现低度改变；石门站的年均1d最小值流量改变度最大，达到了高度改变，年均90d最小值流量改变度最小仅为-1.65，属于低度改变。

图2 突变前后月中值流量变化

3.2.3 年极端流量发生时间 由表4可以看出，桃源和湘潭站的年最小值出现时间比突变前的出现时间有所提前，且水文改变程度较高；石门站的年最小值出现时间比突变前的出现时间提前，水文改变度为低度改变；桃江站的年最小值出现时间比突变前的出现时间有所推迟，水文改变度也是低度改变；4个站点的年最大值出现时间均出现了不同程度的推迟，且水文改变度均为低度改变，其中石门站年最大值出现时间的水文改变度最低。

3.2.4 高低脉冲的频率及历时 由表4可以看出，桃江、湘潭和桃源站的低脉冲次数都发生了中度改变，但石门站的低脉冲次数发生了高度改变；湘潭、桃源和石门站的低脉冲历时都发生了中度改变，桃江站低脉冲历时发生了低度改变；桃江、桃源和石门站的高脉冲次数是发生了低度改变，但湘潭站的高脉冲次数发生了中度改变；桃江、湘潭和桃源站的高脉冲历时都发生了低度改变，石门站发生了中度改变。综上所述，各站点的低脉冲次数和历时的改变度均大于高脉冲次数和历时的改变度。

3.2.5 流量变化改变率及频率 从表4可以看出，上升率除湘潭站无变化外，桃江、桃源和石门站的上升率均为中高度改变，石门站的水文改变度最为显著；4个站点的下降率均为低度改变；逆转次数中桃源站和石门站的水文改变度都较高，达到了高度改变，而桃江和湘潭站的水文改变度较低都是低度改变。整体来看石门站的变化较为显著。

3.3 河流水文改变度

3.3.1 水文突变前后水文指标变化度比较 为了评价四水各水系水文突变前后水文情势的变化程度，计算桃江、湘潭、桃源和石门4个水文站32个水文指标绝对值的改变度的基础上，绘制了3个等级的水文改变度（图3）。

在32个水文指标中，石门和湘潭站的水文改变程度相对于桃源和桃江站的水文改变度要高。石门站发生高度改变的指标有4个，发生中度改变的有9个，其中高度改变是4个水文站中最高的；桃江站没有高度改变的水文指标，中度改变的水文指标也只有5个，是4个站点中水文改变度最低的。这说明四水水系的4个流域在水文突变的情况下，影响最深的是石门站（见图4）。

如图4所示，受水文突变的影响，石门水文站的水文情势在改变度等级统计中发生高度改变的所占比列最高，占13%，桃源、湘潭和桃江站的高度改变所占的比列次之，分别为6%、3%和0%；桃江站低度改变的水文指标所占比列最高，为84%，桃源、湘潭和石门站的低度改变依次降低，分别为75%、72%和59%；4个站点改变度最低的都是高度改变。

3.3.2 整体水文改变度分析 桃源、桃江、湘潭和石门水文站各组水文改变度综合改变度见表5。分别计算出桃源、桃江、湘潭和石门4个水文站各组指标的整体水文改变度以及各水文站的整体水文改变度，计算结果如表5所示，据表5分析可知，桃源站第1、2组均为低度改变，第4、5组为中度改变，仅第3组为高度改变；桃江站的水文改变度均为低度改变；湘潭站的第1、5组为低度改变，第2、4组为中度改变，第3组为高度改变；石门站的第1、3组为低度改变，第2、4组为中度改变，第5组为高度改变。改变程度的不同，反映了各河流的水文突变对当地河流水文情势的影响程度。综合分析可知桃源、桃江、湘潭、石门的整体水文改变度分别为35%、22%、36%和42%，只有桃江站的水文改变度为低度改变，其余3站都处于中等改变度。桃源和湘潭站的第3组指标水文改变度变化最明显，均为高度改变；石门站的第5组改变度最为显著，为72%。因此，水文突变对桃江站的水文情势影响最小。

表4 四水流域水文突变前后IHA指标统计

图3 四水水文改变度

图4 四水水系不同等级变化度所占比例

表5 各水文站流量序列整体水文改变度

4 结论

本文采用Mann-Kendall法、累积距平法检验以及滑动T检验法分析湘、资、沅、澧四水1959—2016年的水文特征与水文突变点，并应用水文指标变动范围法（IHA-RVA）和水文改变度法综合评估了四水各站点突变前后水文指标改变程度，具体结论有：（1）湘江（湘潭）、资水（桃江）、沅水（桃源）年均流量呈现上升趋势，趋势不显著，而澧水（石门）年均流量呈下降趋势，趋势不显著；（2）湘江（湘潭）、资水（桃江）、沅水（桃源）和澧水（石门）突变年份分别为1991年、1987年、1989年和1973年，洞庭湖四水年均流量突变年份有所差异，表明湘江、资水、沅水和澧水的水电工程受影响程度不同，大型水电工程建设主要集中在1980年代；（3）四水中湘江（湘潭）、资江（桃江）、沅江（桃源）和澧水（石门）生态水文综合改变度分别为36%、22%、35%和42%，其中湘江、沅江和澧水属于中度改变，资江属于低度改变。