基于IHA-RVA法的湘江流域水文情势评价

卓志宇，钱 湛，姜 恒，王鸿翔，郭文献

(1.湖南省水利水电勘测设计研究总院，长沙 410007; 2. 华北水利水电大学，郑州 450045)

湘江是长江水系的主要支流之一，同时也是湖南省最大的河流，被誉为湖南省的母亲河，对流域内人民生活用水和人文发展都有着至关重要的作用[1]。近年来，随着国内河流水利的频繁开发，湘江作为长江重要支流之一，其开发程度亦逐步加深。这种深度开发必将对湘江水文情势带来较大改变，直接或间接地改变流域内重要物种的生境，影响物种的分布和群落结构，进而对湘江流域生态系统产生深远影响[2]。

目前，国内外学者非常关注人类活动对河流水文情势的影响[3-7]；水文情势的研究开始只注重分析平均量，到分析极小、极大值，再发展到研究建立水文指标体系来全面分析水文情势的过程[8]。其中，运用基于水文改变指标法(IHA)的变化范围法(RVA)来研究生态水文情势的改变，能够有效地评估筑坝对河流生态水文情势的影响，目前该法已广泛应用于研究河流水文情势评价[3]。

本研究根据湘江水文控制站点湘潭站1959-2016年历史日均流量数据为研究对象，采用Mann-Kendall法[9,10]分析湘潭站流量趋势变化，结合滑动T检验法[11]和累积距平法[12,13]确定长时间轴的水文突变年份，基于水文改变指标法(IHA)和变化范围法(RVA)进行湘潭水文站在突变前后时间序列的水文改变程度评价，并基于IHA指标计算的结果分析湘江水文突变前后湘潭站整体水文情势变化情况，对湘潭站的水文改变程度进行定量评价，以此为湘江流域水生态保护和区域水资源管理提供科学依据。

1 研究数据与方法

本次研究选取湘江控制性水文站湘潭站作为流域代表性水文站，基于1959-2016年湘潭水文站的日均流量观测资料，运用滑动T检验法、累积距平法和Mann-Kendall法(M-K法)对日均流量数据进行趋势性和突变性分析；这几种方法作为比较常见的数学方法，本文就不做详细介绍。

1.1 水文改变指标

RICHTER等[14]于1998年提出的水文改变指标(IHA)，该法包含33个水文参数，并依据水文情势的5种基本特征划分水文指标，综合流量、时间、频率、延时和改变率等方面评价河流水文状态改变。鉴于在研究期间内湘潭水文站未出现过日流量为零的情况，故本研究不考虑零流量天数这一水文指标，调整后的IHA参数见表1。

表1 IHA流量参数Tab.1 Flow parameters of IHA

1.2 变化范围法

变动范围法(RVA)以水文改变指标法(IHA)为基础建立构建，基于水文变异点前后河道的日均流量数据进行水文指标变化的程度评估，但评定水文指标受影响的标准要依据生态受影响的资料[3]。RICHTER等提出以各指标的平均值±δ(标准差)或者以频率75%和25%作为各个指标的上下限作为RVA的目标[3]。若水文变异后受影响的流量记录仍有大部分落在RVA目标内，则说明水文变异对河流有轻微影响，仍属于自然流量的变化范围内；若受影响的流量记录落在RVA目标范围以外占大部分，则表明水文变异给河流系统的生态系统带来严重的负面影响[3, 15-17]。

1.3 水文改变度

RICHTER[15-18]等主张运用水文改变度来测算各指标的具体水文变异度，以此定量描述单个水文指标受影响后的变异程度，具体计算公式如下：

(1)

式中：Di表示第i个指标的水文变异程度；No,i表示变异后的径流序列IHA值在25%～75%内的年数；Ne表示相应的期望年数(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计算公式如下：

(2)

运用RVA法，将湘江控制水文站湘潭站年均流量分为1959-1990年和1991-2016年两个序列，并分别作为水文突变前后的序列；将32个IHA(水文指标法)分为5组，以均值± δ(标准差)作为上下限，进行水文情势指标计算，进而评估水文突变点后湘潭站的整体水文情势改变程度，具体计算过程见参考文献[14,15, 19]。

2 结果与讨论

2.1 湘江年均流量变化特征

2.1.1 年均流量趋势性检验

图1为湘潭水文站1959-2016年的年均流量结果，由图可知湘江流域丰枯水年交替频繁，具有较强波动性；在研究区间内除1963、1994、2002和2011年(1994和2002年为特大洪水年，1963和2011年为枯水年)年均流量出现较大波动外，年均流量总体呈上升趋势。

Mann-Kendall趋势检验分析结果表明，湘潭水文站1959-2016年多年平均流量的统计量均为1.194，有上升趋势；因为其统计量小于1.64，所以湘潭站的上升趋势未通过显著性水平检验(90%)，上升趋势不显著。

图1 湘江年均流量及趋势线Fig.1 Annual average flow and trend line of Xiangjiang

2.1.2 年均流量突变性检验

运用Mann-Kendall检验、累计距平法以及滑动T检验法，对1959-2016年间湘潭水文控制站的年均流量序列进行突变年份检验，运用上述3种检测方法综合评判湘潭站理论突变年份，结果如表2所示。

表2 年均流量突变统计结果Tab.2 Statistical results of annual runoff variation

2.2 湘江流域水文突变前后水文改变度

本研究为了定量评估湘江流域流量的水文改变程度，综合2.1.2部分的突变性检验分析结果，将湘潭站的历年日流量数据划分为两个时段：①1991年以前湘潭站日流量水文过程是在自然状态下基准流量序列；②1991-2016年湘潭站日流量过程作为水文突变后的流量改变序列。由自然态水位序列中的每个指标参数平均值±标准差或25%～75%区间范围作为生态水文目标的上下限阀值，以此得到湘江流域水文突变前后两个流量序列的多年月平均流量变化及其水文情势目标的上下限。在此基础上运用IHA和RVA法计算突变前后湘潭水文站的水文改变程度，计算结果如表3所示。

表3 湘江突变前后IHA指标统计表Tab 3 IHA index statistics table before and after abrupt change in Xiangjiang

由表3可知，湘潭站月均流量值水文改变度达到13%，呈低度改变；湘潭站年均最小值流量突变后比突变前均有不同程度的增加，而年均1、3、7 d最大值流量突变后比突变前均有不同程度的增加，只有年均30、90 d最大值呈现下降趋势；其中湘潭站最小值流量变异度大部分均属于中度改变，仅年均90 d最小值处于低度改变，最大值流量改变度也处于低度改变；突变后湘潭站年最小流量出现时间发生明显变化，且年最大值流量出现时间变化较小；湘潭站最小流量出现时间波动幅度较大，其水文改变度高达100%；湘潭站除高脉冲次数增加外，其余的都减少了，其中高脉冲出现的次数变化最为明显，改变度达到59%；湘潭站流量上升率增加，改变度为零，而下降率减少，逆转次数较突变前却增加。

2.2.1 月均值流量变化

图2和图3为湘江水文突变前后湘潭站月均值流量对比图和月均值流量差图。由图可知，湘江流量发生突变后，湘潭站在6月-次年3月份月均值流量差有不同程度的增加，特别是在8月份的增加量达到约720 m3/s的最大值，造成这一现象的原因可能与水利设施在汛期排空库容，使下泄流量增加有关；在4、5月份月均值流量差却有不同程度的降低，并在4月份减少量达到最大值约500 m3/s，造成这一现象的原因可能与上游水库蓄水发电，降低了河道下泄流量有关；同时，湘江流域的水库“蓄洪补枯”也使得年内流量峰值的发生时间发生了推迟。种种现象均表明湘江流域的水文变异与水利工程的运行息息相关。

图2 突变前后湘潭站月均值流量比较Fig.2 Comparison of monthly mean flow rate before and after sudden change

图3 突变前后月均值流量差Fig.3 Monthly mean flow difference before and after the sudden change

2.2.2 年极值流量变化

图4、5分别为湘潭站流量变化最显著的最大、最小流量变化图。由图可知，湘潭站的年均3 d最小流量在水文突变的影响下呈明显的上升趋势，且绝大部分高于RVA阈值上限，这表示水文突变使得湘江年内枯水期流量增加；湘潭站年均最大7 d流量的波动范围收紧，表示水文突变后的湘江高流量事件处于一个稳定的范围内，这与水库“蓄洪补枯”导致的结果相吻合。

图4 年均最小3 d流量变化Fig.4 The minimum 3 day annual flow changes in the annual average

图5 年均最大7 d流量变化Fig.5 The maximum annual 7 day flow change

2.2.3 年极端流量发生时间

图6为湘潭站最小流量出现时间变化图。由图6可知，湘潭站最小流量出现时间的均值在突变后发生了提前，并且最小流量出现时间的阈值范围也有所收紧，比水文突变之前更为稳定。自然流态下的河道最低流量出现时间根据气候的变化具有不稳定性，水文变异后的最小流量出现时间阈值范围的收紧，显示出水文变异维持了最小流量发生时间的稳定性。

图6 最小流量出现时间Fig.6 Minimum flow time

2.2.4 高低流量的频率及历时

图7为湘潭站突变前后高脉冲次数曲线图。由图7可知，突变后湘潭站高脉冲次数整体减少，超出RVA下限的部分增多；突变后的湘江在一定程度上增加了高脉冲的发生次数，这将不利于汛期过度，而低脉冲次数以及历时的变短也将使得流域旱季水量减少。

图7 湘潭站突变前后高脉冲次数曲线Fig.7 High pulse frequency curve before and after abrupt change

2.2.5 流量变化改变率及频率

图8为突变前后湘潭站逆转次数变化情况。由图可知，湘潭站的下降率发生的水文改变度最为显著，但均属于低度改变；湘潭站的流量改变率和频率变化较为微弱，这表明突变的过程对湘潭站下泄流量影响较小；流量变化改变率及频率的增加或减少将给河流生物群落带来一定的影响；由于生态系统对外界环境的变化的承载能力有限，河流生态系统稳定将受到流量的变化改变率及频率的影响。

图8 湘潭站突变前后逆转次数变化Fig.8 Change of the reversing times before and after mutation

2.2.6 整体水文改变度分析

为探究湘江流域的水文突变对流域水系水文情势所造成的影响，计算出湘潭站在突变前后32个水文指标绝对值的改变度，并绘制3等级的水文改变度，结果如图9所示。由图9可知，湘潭站32个水文指标大多属于低度改变，其中仅流量年最小值出现时间的水文改变度达到100%；湘潭站的基流指数，流量年均1、3、7和30 d最小值，以及高、低脉冲次数和低脉冲历时均属于中度改变，其余都为低度改变；受突变的影响，湘潭站的流量在改变度等级统计中发生低度改变的水文指标所占的比例最高，占72%，发生中度改变所占的比例次之，占到25%，发生高度改变的占有率最少仅有3%；低度变化主导湘潭站的变化程度，结果表明湘江流量在整个突变前后的改变较小，并处于向良好的趋势。

图9 湘江水文改变度Fig.9 Hydrologic change degree of Xiangjiang

由表4可知，湘潭站仅第3组属于高度改变，其他4组指标分别为中度和低度改变，究其原因在于流量年最小值出现时间的改变程度较大；从整体水文改变度而言，湘潭站的水文改变度处于中度改变。

表4 湘潭站流量序列整体水文改变度Tab.4 Overall hydrological change of discharge sequence

3 讨 论

本文得出的研究结果与杜鹃等[20]和陈淑芳[21]对湘江流域的研究结果基本一致，认为湘江在1991年以后年均流量有增长趋势，并且在汛期流量还有所增长。分析其原因与气候变化和人类活动有关。其中气候变化包括全球气候变暖引起的温室效应加剧，局部地区降雨量增加等。而人类活动则包括了像生产生活用水、水利工程建设、水土保持措施以及人为河道变迁等。虽然文中多次推测造成水文变异的因素与水利工程的建设运行有关，但并没有给出具体的实验数据予以证实，如要进一步研究导致水文变异的关键因素，仍需搜集大量资料进行水文模型的建立，希望在将来的研究中予以重视。此外，本研究仅对湘江湘潭水文站各项水文指标的改变程度进行分析，未深入研究造成各指标改变后对湘江河流生态系统的实际影响，总体上湘江水文情势改变度为中度改变，部分水文指标改变较大，由于水文指标改变对河流生态系统产生影响，尤其是梯级电站工程修建导致了水文情势改变，进而湘江鱼类产卵场生境条件改变，对鱼类产卵繁殖活动产生影响，此外洪水脉冲次数减少也对河岸带湿地植被产生影响。在后续研究中，需深入研究河流水文情势变化与水生动物和植物生境之间动态关系，定量水文情势改变对河流水生生物的影响程度，为湘江河流生态保护和恢复提供参考。

4 结 论

以1959-2016年内湘江水文控制站湘潭站历史日均流量数据为研究对象，综合Mann-Kendall法、滑动T检验法、累积距平法，以及IHA法和RVA法评价湘江水文突变前后湘潭站整体水文情势变化情况。结果表明，湘江流域年均流量呈增长趋势，趋势不明显；水文情势的突变年份出现在1991年；通过对湘江流域水文突变前后的水文指标分析，湘江整体水文改变度为36%，仅达到中度改变；其中，年最小流量的出现时间受影响最大，达到100%；总体来看，湘江水文情势整体水文改变度较小，湘江河流生态系统总体处于良好状况。

□