基于FDC生态指标的水文情势评价

赵洪彬，黄晓荣,2，周星宇，马 凯

(1.四川大学水利水电学院，成都 610065；2.四川大学水力学与山区河流开发保护国家重点实验室，成都 610065)

0 引 言

河流系统可以为人类的生活生产提供宝贵的服务，例如提供生活、工业和农业用水，鱼类养殖，作为交通运输的航行通道以及水电开发等[1]。除此之外，河流系统也具有非常大的生物价值，包含了约全球40%的鱼类和1/4脊椎动物，如海豚、鸭嘴兽、鳄鱼、鸟类和蛇，甚至还有更多种类的无脊椎动物、植物和藻类，其中许多尚未被发现[16]。但正因为河流系统的巨大效用和生物价值，使得全世界各地过度开发，加剧了河流生态系统的破坏。

河流流态是河流生态的内在驱动力，它决定着河流的发展趋势[2]。目前已开发了170多种流量变化指标来描述河流流态的情势[3]，其中广泛应用的是由RICHTER等人[4]提出的水文改变指标法(IHA)，该指标体系包含33个指标共分5组，即月均流量、年极端流量、年极端流量出现时间、高和低脉冲的频率及延时和流量变化的改变率和频率。为了进一步判断河流水文情势的变化情况，RICHTER等人[5]在IHA的基础上又提出了变动范围法(RVA)。国内已有许多学者采用IHA-RVA法对各个流域进行水文情势评估，取得了较好的成果[6-9]。但IHA指标法仍存在许多局限性，TIMPE等人[10]在利用IHA分析大坝对水文情势的影响时发现IHA指标法没有考虑气候变化和土地利用的影响。GAO等人[3]指出IHA指标间存在相关性，导致大量的信息冗余。于是，他利用主成分分析法(PCA)确定了IHA 33个指标里最具代表性的生态水文指标。VOGEL[11]等人提出了基于流量历时曲线(Flow Duration Curve，FDC)的生态赤字、生态剩余2个广义指标来评价河道径流生态机制。由于该方法无量纲，概念清晰且指标少，因此更能直观地反映出河流系统的水文情势变化[12]。

因此，本文的主要思路是：①先利用Mann-Kendall检验法找出金沙江流域中游攀枝花站自然流态下径流突变点，讨论气候变化对攀枝花站径流的影响，并结合攀枝花上游梯级电站首台机组运行时间，将径流序列分成3个时间段进行趋势分析；②采用基于FDC的生态指标法分别从年、季尺度上对攀枝花水文站的水文情势进行评价；③绘出梯级电站影响下近3 a的FDC曲线，并结合年、季FDC生态指标结果，分析攀枝花上游梯级电站对该站流态的影响情况。

本文希望为进一步推行长江流域大保护计划，明确长江上游河流生态修复目标和开展生态修复措施提供参考依据。

1 研究区域与数据

金沙江流域是长江上流的干流，位于四川宜宾以上，长约3 500 km，流域面积约为50.2 万km2，占长江流域总面积的27.8%。本文选取金沙江中游控制站攀枝花站为研究对象，攀枝花站控制面积为25.9 万km2，1966-2017年，攀枝花站多年平均径流量达到564 亿m3。正是由于攀枝花上游水能资源较为丰富，目前规划建设电站16座，其中已建成电站6座[13]。

本文选取金沙江流域主要控制性水文站攀枝花站(1966-2017年)日流量数据进行分析，该站位于金沙江流域中游，雅砻江入河口之上，且该径流数据无缺测，经过系统整编，质量可靠。同时，收集了攀枝花站上游9个雨量站对应时段(1966-2017年)的日雨量数据资料。2010年左右，攀枝花上游许多日调节或周调节的电站陆续投产。因此，取1966-2010年(45 a)的径流序列为自然流态进行计算。

2 研究方法

生态剩余和生态赤字是基于流量历时曲线(FDC)提出来的，其中FDC由日流量数据和其超过概率构成，其超过概率表示为[11]：

pi=i÷(n+1)

(1)

式中：n为观测日流量的总天数；i为秩。

利用日径流序列资料可以根据实际分析需要构造不同尺度下FDC曲线。本文选取攀枝花站的日径流资料构建年尺度和季尺度的FDC曲线。以构建年尺度FDC为例，根据其自然状态下45 a的年FDC，得到75%分位FDC和25%分位FDC作为上、下限。可将25%～75%分位范围内视为河流生态系统的适应性范围[15,18]。如图1所示，如果某一年的年FDC低于25%分位线，则将25%分位线与该年FDC之间的区域定义为生态赤字。这一数值反映了河流生态系统需水量的不足程度。反之，如果某一年的年FDC位于75%分位线之上，则将75%分位线与该年FDC之间的区域定义为生态剩余，即反映了该年河流生态系统需水量的富裕情况[12,15]。

图1 基于FDC的生态剩余和生态赤字定义Fig.1 Definition of ecological surplus and ecological deficit based on FDC

3 结果与讨论

3.1 Mann-Kendall检验及趋势分析结果

利用攀枝花站控制的上游9个雨量站数据资料，运用泰森多边形法对其流域面雨量进行计算，再采用Mann-Kendall[14]法对攀枝花站自然流态下的年均径流进行突变点检验。结果显示，攀枝花站年均径流突变较为明显，在95%置信区间内年均径流突变点为1984年。

依据Mann-Kendall检验结果，以1984年为界，对自然状态下径流突变前后以及电站影响时期下的径流进行趋势分析。径流和降水过程如图2所示，其中黑色线表示1966-1984年即突变前的结果，红色线表示1985-2010年即突变后的结果，蓝色线表示2011-2017年即电站影响下的结果。由图2结果表明，径流和降水有相同的变化规律。自然状态下，突变前后径流和降水都有所增加；电站影响时期，径流和降水都呈现减少的趋势。如表1所示。

表1 攀枝花站3个时段径流和降水的变化结果Tab.1 Changes in runoff and precipitation during the three periods at Panzhihua Station

图2 攀枝花降水、径流过程趋势Fig.2 Trend pattern of precipitation and runoff in Panzhihua

3.2 年尺度FDC生态指标分析结果

图3表示1966-2017年年FDC生态指标与其对应年份的降水距平之间的变化关系[12,15]。其中条形图对应的是降水距平的结果，绿色表示降水高于均值，红色表示降水低于均值；折线图表示FDC生态指标的变化，蓝色代表生态赤字，橙色代表生态剩余。图3表明：在自然流态下，1984年后绿色条形图明显增多，表明降水明显增加，由此导致该地区年流量增加，表现出生态剩余上升。2010年后即电站影响时期，降水减少，生态赤字增加。由此表明该地区在1966-2017年，河道生态需水状态呈现出从不足到富裕再到不足的变化趋势。同时，无论是任何时期，图3中均表现出降水距平与生态指标具有良好的相关关系，即降水较多时，生态剩余明显增加；降水较少时，生态赤字明显增加。初步判断降水对该地区的流量变化具有一定的影响。

图3 年尺度降水距平与生态指标变化结果Fig.3 Results of annual scale precipitation distance average and ecological indicators

为了更好地研究降水距平与FDC生态指标的相关关系，图4绘制出2者的散点图，并进行线性分析，发现其趋势线基本过原点，且散点大致分布在一三象限，表明降水距平与FDC生态指标具有较好的线性关系。另外，通过统计分析，我们发现降水高于平均值的年份出现生态剩余的概率为90.5%，降水低于平均值的年份出现生态赤字的概率为84.0%。综合结果表明，该地区流量变化主要是由降水变化引起的[15]。此外，为了进一步说明生态指标在这3个时间段的变化情况，图5绘制出3段时间的生态指标的箱型图。图5表明，前后2段时期生态剩余处于较低水平；中间段生态剩余明显增多。进一步说明该地区在1966-2017年，河道流态呈现出“低高低”的抛物线规律。

图4 年FDC生态指标与降水距平线性关系Fig.4 Relationship between FDC ecological indicators and precipitation distance average

图5 3段时期FDC生态指标箱型图Fig.5 FDC ecological indicators box diagram for three periods

3.3 季尺度FDC生态指标分析结果

不同季节的FDC生态指标与其降水距平相关程度不同。由图6可以看出，任何一个时间段内，夏季的降水距平与生态指标相关关系最好，冬季最弱，春季和秋季介于2者之间，这是由于夏季降水量级远大于冬季，当降水足够大时，降水会成为改变其流量的主要因素。图6(b)显示出夏季的降水规律与年尺度的变化情况相一致，而图6(a)、(c)和(d)显示出春季、秋季和冬季的降水与整年的降水变化一致性较弱，综合表明夏季的降水和生态指标的变化情况最能代表整年的变化[12,15]。

图6 季尺度降水距平与FDC生态指标变化结果Fig.6 Seasonal precipitation anomalies and FDC ecological indicators change results

图7(b)显示出夏季的生态指标震荡幅度最大，变化最为剧烈，这是由夏季高流量的剧烈变幅造成的。图7(d)显示，由于冬季低流量影响，生态指标变幅较小，基本维持在0值附近。从时间变化上来看，自1966-2017年以来，对于任何一个季节，生态赤字均表现出从减少到增加的趋势，生态剩余则表现出从增加到减少的趋势，整体呈现出“低高低”的抛物线规律，这与年尺度FDC结果相同。

图7 季尺度FDC生态指标变化箱型图Fig.7 Seasonal FDC ecological indicator change box diagram

3.4 梯级电站对攀枝花站流态的影响

2010年左右，攀枝花上游梯级电站陆续投产，目前已建的6座电站均在2015年及以前完成发电蓄水任务。因此，为进一步讨论梯级电站对该站流态的影响，分别做出2015、2016、2017年以及自然流态下25%分位、75%分位的FDC曲线，如图8所示。并结合图3结果，可以看出，在电站影响时期，年尺度FDC生态指标和降水距平的相关性很好。此外，图8显示，这3 a的FDC曲线与自然流态下25%分位、75%分位的FDC曲线过程较为一致，且这3 a降水较少，与实际径流流态较为符合，表明在年尺度下，梯级电站对流量的调节作用很小。

图8 2015、2016、2017年FDC曲线Fig.8 2015, 2016, 2017 FDC curve

根据图6和图7显示的结果，在电站影响时期，季尺度FDC生态指标和降水距平仍然具有一定的相关关系，季尺度FDC生态指标呈现出“低高低”的抛物线规律，与年尺度结果一致。此外，由图8显示，2016、2017年冬季流量基本低于25%分位线，流量呈现出赤字状态，这是由于2016、2017年冬季降水低于多年冬季平均降水，由气候变化主导了该时间段的流量变化。2015年冬季FDC曲线起伏较小，且2015冬季降水与平均值相当，与实际径流流态较为符合。综合以上讨论，结果表明，在季尺度上，攀枝花上游梯级电站对该站的流量调节作用也很小。

目前攀枝花上游已建成6个电站，电站参数如表2所示。因此，考虑到攀枝花上游已建成电站的调节性能均为周调节或日调节，调节性能较小，并结合以上结果，综合表明低水头水坝对河流水文情势影响有限[17]，攀枝花上游梯级电站对该站的水文情势影响甚微。

表2 攀枝花站上游已建电站参数Tab.2 Power plant parameters in the upper reaches of Panzhihua Station

4 结 论

(1)运用Mann-Kendall突变点检验法得到了攀枝花站自然流态下的径流突变点为1984年，并结合攀枝花上游电站投产时间将攀枝花站径流分为3个时间段，采用趋势分析以及基于FDC的生态剩余、生态赤字的生态指标法对该站水文情势进行评价。结果显示，自1966-2017年以来，径流和降水呈现出“低高低”的变化趋势。

(2)年尺度FDC生态指标表明降水距平与FDC生态指标之间具有较好的线性相关关系，说明了该地区流量变化主要是由降水变化引起的；季尺度FDC生态指标显示夏季和年的变化情况有更好的一致性，这是由于夏季高降水、高流量的影响，使得夏季的降水和生态指标的变化情况最能代表整年的变化。

(3)在电站影响时期，年尺度FDC生态指标和降水距平存在较好的相关关系，并且季尺度FDC生态指标变化规律与年尺度结果一致，同时考虑到攀枝花上游已建成电站的调节性能均为周调节或日调节，其调节性能较小，表明攀枝花上游梯级电站对该站的水文情势影响甚微。

为更好地说明金沙江中游水文情势的变化情况，接下来的研究应考虑土地利用的变化以及具有更强调节性能的梯级电站的影响，除了考虑天然径流突变前后的变化外，还应考虑大型水库建成前后对径流造成的改变，为水文情势评价提供更准确的结果，为未来水库调度以及建设长江流域生态保护系统提供科学的依据。