考虑径流年际变异的洮河河道生态径流研究

陆建宇，张育德

(中水北方勘测设计研究有限责任公司，天津300222)

长期以来，人们重点关注于如何尽可能地满足人类经济社会的用水需求，而忽视了河流维护自身生态平衡所需要的水量，导致河流断流、水质污染及生态环境退化现象频繁出现[1-2]。现阶段，党的十九大提出加快生态文明体制改革，建设美丽中国，对于作为地处西北生态脆弱区的洮河来说，在此背景下开展流域河道生态径流研究具有重要的现实意义。

洮河位于甘肃省东南部，是黄河上游主要支流之一。近年来，许多学者专家针对该流域开展了大量研究：景春刚等[3]从水资源高效利用角度，研究了洮河生态流量；李德俊[4]制定了引洮供水一期工程受水区水资源配置方案；刘晓黎等[5]、罗颖等[6]研究了洮河径流的趋势性及周期性特征；陈明霞[7]指出了洮河流域梯级水电站开发存在的问题及其原因；雷江逵等[8]尝试了以安全为基础的洮河梯级电站电量最大化运行设想；凡炳文[9]、刘天华等[10]分别开展了流域水文特征及径流变异研究。上述研究涉及内容虽然广泛，但主要是围绕流域水资源开发及区域水文特性方面的研究，触及河流生态径流的相关研究很少，特别是考虑水利工程建设引发水文变异的河流生态径流。鉴于此，本文以常用的水文学方法，结合数理统计法，开展考虑径流年际变异的河道生态径流研究，以期为流域水资源开发与利用提供一定的参考与借鉴。

1 研究区概况

洮河源头为青海省河南县西倾山北麓[8]，自西向东依次流经碌曲县、临潭县、卓尼县，至岷县，再向西北折，经临洮盆地，在永靖县刘家峡水库上侧入黄河。洮河河流全长673 km，流域面积25 527 km2，干流平均比降为2.8‰[6]。流域上游地处甘南草原，可见典型的高原景观，地势较平坦，海拔在3 500 m以上；中游地处甘南草原、陇南山地和陇西黄土高原交界地带，具有山大沟深、多峡谷的地形特点，海拔为2 000～3 500 m，有优厚的水力资源开发条件[11]。洮河主要支流有周可河、科才河、博拉河和三岔河等，流域水系分布情况见图1。

图1 洮河流域水系分布

洮河流域地处中纬度的内陆高原，属典型大陆性气候，伴有冬春长、夏秋短、温差大、霜期长的气候特点[11]。从上游、中游至下游，降水先增后减，气候则由高寒湿冷转为温带半湿润、温带半干旱，植被覆盖率亦渐降低，水土流失渐加重。其中，上、中和下游地区年均降水量分别为612、635、565 mm，主要集中在年内的7—9月，年均气温分别为1.3℃、5.7℃和7.0℃。

2 资料来源及分析方法

2.1 资料来源

本次收集到洮河中游岷县站(1957—2016年)、下游李家村站的(1950—2016年)逐月径流资料，两站径流资料均来自《中华人民共和国水文年鉴》，在正式刊印前已经多级严格整编、校核、审查和审定。因此，上述资料可直接用于开展本次的生态径流研究。洮河流域两水文站基本情况见表1。

表1 洮河流域水文站基本情况

2.2 分析方法

2.2.1Mann-Kendall突变检验法

Mann-Kendall突变检验法[12-14]用于检验样本量为n的时间序列x的突变点时，需构造秩统计量sk，sk的均值、方差分别为E(sk)和Var(sk)。当时间序列随机独立时，其计算表达式如下：

(1)

(2)

E(sk)=k(k-1)/4

(3)

Var(sk)=k(k-1)(2k+5)/72

(4)

式中ri——xi>xj时的样本累积数。

同时，将秩统计量sk标准化，其表达式如下：

(5)

式中，UFk服从标准正态分布，UF1=0。

最后，将时间序列x逆序，重复上述计算过程，并使得UBk=-UFk、k′=n+1-k、UB1=0。将UFk、UBk绘制在一起，即得Mann-Kendall突变检验法检验结果。

Mann-Kendall突变检验法中[12-14]，在显著性水平α=0.05下，UFα/2、UBα/2的临界值为±1.96；|UFk|>1.96时，表明时间序列x存在显著的上升或下降趋势；如果UFk、UBk有交点，并在两临界值之间，则交点对应时间即为时间序列x的突变发生时间。

2.2.2滑动t检验法

滑动t检验法是一种以检验2组样本间均值差异性强弱来判断样本序列是否发生突变的检验方法[13]，如果2组样本间均值差异达到一定的显著性水平，则认为样本序列产生了本质的变化，即样本序列发生了突变。

滑动t检验法用于检验样本量为n的时间序列x的突变点时，将x划分为样本容量分别为n1、n2的子样本x1、x2，并构造两者的统计量t，其计算表达见式(6)、(7)：

(6)

(7)

滑动t检验法检验时，在显著性水平α=0.01下，|t|>tα/2=3.17时，表明子样本x1、x2均值存在显著差异[13]；因依次滑动改变n1(1≤n1≤n-1)位置，相应地每次均产生(x1,x2,…,xn1)和(xn1+1,xn2+1,…,xn1+n2),n1每次位置都是不同的，可得到对应不同位置的诸多统计值；在|t|>tα/2的所有点n1中，保证|t|取最大值的n1对应的时间，即为时间序列x的突变发生时间。

2.2.3逐月次最小值计算法

最小生态径流是指为使河流维持自身生态系统健康及水生生物可正常生长所必须保留的最小水量[14-17]。目前，可借助逐月次最小值法、90%保证率最枯月平均流量法[17]和Tennant法[14-17]等计算最小生态径流。

为避免极端年份的极端径流对计算结果的影响，本次采用逐月次最小值法计算最小生态径流，其计算表达式如下：

ri=minri,j

(8)

式中ri——剔除第i月最小径流量的第i月最小生态径流，万m3；ri,j——第j年第i月径流量，万m3；i=1～12，j=1～n;n——径流系列总长度。

2.2.4逐月频率计算法

适宜生态径流是指为使河流维持自身生态系统健康及水生生物能够处于最合适的流量条件内所对应的水量[15]。目前，可借助逐月频率计算法(一般多取50%频率设计值)[14-15]和Tennant法等计算适宜生态径流。

逐月频率计算法用于计算适宜生态径流时，依据年内各月径流系列ri,j和丰枯时段划分方法[17]，确定年内各月所处的丰、平、枯状态。同时，依据各月对应的丰枯状态，将各月径流分别赋予不同保证率，再采用P- III 曲线适线，在P- III 曲线上读得各月对应保证率下的水量，即得各月适宜生态径流。

3 结果计算与分析

3.1 水文变异点检测与分析

洮河流域岷县站年径流滑动t检验法、Mann-Kendall突变检验法检验结果，见图2。

a) Mann-Kendall突变检验法

b) 滑动t检验法(n1=n2=5)图2 洮河流域岷县站年径流突变检验

由图2可知：①Mann-Kendall突变检验法显示，岷县站年径流的UF曲线超出下临界线，说明岷县站1957—2016年年径流量存在明显下降过程，年径流序列趋势检验的统计量Z值为-4.10，其绝对值远小于1.96，说明年径流量呈显著减少趋势；UF曲线与UB曲线仅有一个交点，且出现在1989年，该交点在临界区间内。②滑动t检验法显示，统计量t在1989年取得最大值5.68，远大于临界值tα/2=3.17，说明1989年前后两时段的年径流序列均值存在显著差异。综上所述，初步判定岷县站年径流突变点出现在1989年；查阅与本流域相关文献，本次突变点判定结果与唐颖丰[11]研究成果是一致的。因此，1989年是岷县站年径流变化的一个转折点。

洮河流域李家村站年径流滑动t检验法、Mann-Kendall突变检验法检验结果，见图3。由图3可知：①Mann-Kendall突变检验法显示，李家村站年径流的UF曲线超出下临界线，说明李家村站1950—2016年年径流量存在明显下降过程，年径流序列趋势检验的统计量Z值为-3.99，其绝对值远小于1.96，说明年径流量呈显著减少趋势；UF曲线与UB曲线仅有一个交点，且出现在1991年，该交点在临界区间内。②滑动t检验法显示，统计量t在1991年取得最大值5.71，远大于临界值tα/2=3.17，说明1991年前后两时段的年径流序列均值存在显著差异。综上所述，初步判定李家村站年径流突变点出现在1991年；查阅与本流域相关文献，本次突变点判定结果与唐颖丰[11]研究成果是一致的。因此，1991年是李家村站年径流变化的一个转折点。

a)Mann-Kendall突变检验法

b)滑动t检验法(n1=n2=6)图3 洮河流域李家村站年径流突变检验

3.2 生态径流计算与分析

一般地，计算生态径流常以天然径流数据或人类活动影响较小的实测径流数据为输入，本次基于洮河流域岷县站、李家村站年径流突变点发生以前的实测径流数据，计算两站最小、适宜生态径流。

3.2.1最小生态径流

根据逐月次最小值法得到的洮河流域岷县、李家村站最小生态径流及水文变异前的逐月最小径流过程，见图4和表2。

a)岷县站

b)李家村站

表2 洮河流域河道最小生态径流过程 单位：万m3

3.2.2适宜生态径流

根据逐月频率计算法，以50%保证率下的各月径流得到的洮河流域岷县、李家村站适宜生态径流及水文变异前的逐月平均径流过程，见图5和表3。

a)岷县站

b)李家村站

表3 洮河流域河道适宜生态径流过程 单位：万m3

3.2.3与Tennant法比较

3.2.3.1Tennant法评价时段修正

Tennant法是一种常见的生态径流计算方法，也多用于评价生态径流计算成果的合理性，该方法根据河流水生生物生长阶段的不同，将年内划分为鱼类产卵育幼期(4—9月)和一般用水期(10月至次年3月)[16]。根据郭小芳等[18]研究成果，洮河流域主要分布着黄河高原鳅、拟鲶高原鳅、厚唇裸重唇鱼、嘉陵裸裂尻鱼和鲶鱼等珍贵和特有鱼类，上述鱼类产卵期一般在4—8月。为此，将Tennant法评价时段做适当调整，见表4。

表4 修正后的Tennant法评价结果及标准

3.2.3.2修正Tennant法评价与比较

根据本次修正的Tennant法，以“月均值比”为分析及评价标准，分析与评价采用上述方法计算的洮河河道最小、适宜生态径流合理性，见表5。从表5可看出：①在一般用水期(9月至次年3月)，岷县站、李家村站最小生态径流能使得河流生境和水生生物处在“极好”及“最佳”流量范围内；因径流年际变异后，时段径流明显减少，两站适宜生态径流稍超出多年平均径流量的100%，基本使得整个时段河流生境和水生生物处在“最佳”流量条件下。②在鱼类产卵育幼期(4—8月)，岷县站、李家村站适宜生态径流能维持河流生境和水生生物处在“最佳”流量范围内；因径流年际变异后，时段径流明显减少，两站适宜生态径流虽稍超出多年平均径流量的100%，但对于仅存于人烟稀少的高原区的拟鲶高原鳅等极度濒危鱼种来说，稍高的流量条件对于这些稀有鱼类的繁殖和生长是更有利的，该流量条件对于改善流域脆弱的生态环境底质也能起到一定的积极作用。综上所述，本次计算的洮河流域最小、适宜生态径流是基本合理的。

表5 修正Tennant法的洮河流域河道生态径流评价结果

3.3 生态径流满足情况

以洮河流域岷县站、李家村站年径流变异点为界，分别统计变异前后两站逐月最小径流量及逐月平均径流量，见图6。从图6可看出如下结论。①对于逐月最小径流，以逐月次最小径流量作为最小生态径流能避免各别月份极端流量对计算结果的影响，对河流生境及水生生物是有利的；年径流变异后，逐月最小径流大幅减少，这样的流量条件对于河流生境及水生生物相对不利。②对于逐月平均径流，基于逐月频率计算法，以50%保证率下的径流量作为适宜生态径流略低于变异前的逐月平均径流量，两者虽在枯水期(11月至次年4月)差别不大，但在丰水期(5—10月)，特别是在鱼类产卵育幼期(4—8月)，该生态径流过程不仅能保证河流发挥正常生态功能的用水需求，还在一定程度上统筹了紧张的经济社会用水和必需的河流生态用水。总体来看，人类活动和气候变化确实对两站来水产生了显著影响，并可能影响到了洮河流域河道正常的生态用水。

a)最小值(岷县站)

c)平均值(岷县站)

d)平均值(李家村站)图6 洮河流域河道变异前后逐月最小、 逐月平均径流量变化

以洮河流域岷县站、李家村站年径流变异点为界，分析变异前后两站最小、适宜生态径流满足情况，见表6。从表6可看出如下结论。①对于最小生态径流，变异前的岷县站最小生态径流满足率在93.9%以上，变异后的最小生态径流满足率大幅降低，尤其在枯水期(11月至次年4月)，最低值仅51.9%；变异前的李家村站最小生态径流满足率在95.2%以上，变异后的最小生态径流满足率大幅减小，尤其在枯水期(11月至次年4月)，最低值仅60.0%。②对于适宜生态径流，变异前的岷县站适宜生态径流满足率在45.0%上下变化，变异后的适宜生态满足率大幅降低，基本在15.0%上下波动，最小值在6月，仅为3.7%，最大值在7月，也仅达22.2%；变异前的李家村站适宜生态径流满足率在50.0%上下波动，变异后的适宜生态径流满足率有所降低，在25.0%上下变化，最小值在5月，仅为4.0%，最大值在12月，仅达36.0%。③与此同时，受人类活动和气候变化的综合影响，变异后的两站径流年内均值过程出现坦化，径流极值现象出现频次也有一定程度的增加。总体来看，年径流变异后，河流最小、适宜生态径流满足情况均变差，尤其是在鱼类产卵育幼期(4—8月)，岷县站至李家村站断面区间虽有支流来水汇入，李家村站河道生态径流满足情况相对稍好一些，但是未来流域河流生态用水需要引起有关部门的高度重视。

表6 洮河流域河道生态径流满足情况 单位：%

3.4 流域发展带来的可能影响

洮河流域属于少数民族区域，经济欠发展，主要是农林牧生产，并无较大规模工业[11]。其中，上游牧区以自然放牧为主；中游农林牧区的农业对灌溉用水的依赖性较小，牧业则以农区家庭养殖为主，因不合理采伐，林业破坏较大；下游农业区土地条件较好，灌溉条件十分便利。

洮河流域水力资源理论蕴藏量为2 200 MW[11]，干、支流占比分别为65.3%和34.7%，可开发约为940 MW。目前，流域规划梯级水电站26座，可开发的为22座，总装机容量达618.7 MW，其中上游规划梯级水电站17座，全流域已建设水电站4座，多座水电站在建。

受洮河流域未来进一步开发影响，人类活动强度和影响范围还将不断加大，河流生态径流满足程度可能会进一步降低。现阶段，流域径流呈显著减少变化，变异后的两站径流年内均值过程有坦化，径流极值现象出现频次逐渐增多。不仅如此，流域年径流变异后，河流最小、适宜生态径流满足情况均变差，尤其是在鱼类产卵育幼期(4—8月)。因此，未来需加大水生态治理力度，统筹经济社会用水和河流生态用水，以实现洮河流域经济社会和河流的可持续发展。

4 结论

根据洮河中游岷县站、下游李家村站逐月实测径流资料，采用多种方法检验两站突变点，计算了两站最小、适宜生态径流，分析了年径流变异前后的生态径流满足情况以及流域发展带来的可能影响。

a) 洮河流域年径流存在显著的水文变异，岷县站、李家村站逐月实测径流突变时间分别出现在1989、1991年；最小、适宜生态径流均可保证河流生境处于“好”以上的流量范围内；水文变异后，径流年内均值过程均有所坦化，径流极值现象出现频次也稍有增加，河流最小、适宜生态径流满足情况均变差，尤其是在鱼类产卵育幼期(4—8月)。

b) 洮河流域水力资源十分丰富，有多座水电站正在紧张建设中。目前，岷县站、李家村站实测来水呈显著减少变化，未来人类活动强度和影响范围都将进一步加大。因此，应立足流域角度，统筹考虑河流生态用水与经济社会用水，加快水生态综合治理力度，实现流域经济发展、生态改善的良性循环。