水系连通功能变异下荆南三口流域径流特征

代 稳, 张美竹, 王金凤, 陕振沛

(1.六盘水师范学院 旅游与历史文化学院, 贵州 六盘水 553004; 2.六盘水师范学院 乌蒙山发展研究院, 贵州 六盘水 553004)

科学研究流域径流特征变化一直是水资源科学领域的重点和热点。21世纪以来，由于气候变化和人类活动加快使径流特征发生明显改变，已开始关注变化环境下径流演变特征[1]、气候变化下径流特征变化研究[2]、变异条件下生态径流特征变化分析[3]。气候变化与人类活动是径流演变的主要驱动因素，其对径流变化贡献率大小，不同河流或相同河流不同区域不同时段是不同的，长江、湄公河和勒拿河等流域气候变化的贡献率大于人类活动，黄河、恒河和印度河等流域气候变化的贡献率小于人类活动[4]，黑河流域上游以气候变化为主，下游以人类活动为主[5]，黄河源区径流量变化受气候变化与人类活动影响的贡献率在1990—2008年分别为33.12%和66.88%，而在2009—2015年则为73.61%和26.39%[6]。反映气候变化的主要指标有降水量、蒸发量、气温等，反映人类活动主要指标有土地利用变化、水利枢纽工程、取用水等，在上述这些指标中对流域径流演变影响的贡献率很难分离。径流是流域内降水流出出口断面的水流，天然水道影响着径流演变，水道的连通状况对径流特征有一定改变，水系连通功能反映水流自身的动力及其相对稳定的路径。由此可见，水系连通功能与径流之间密切相关。目前，对水系连通功能的研究主要是水系连通功能评价[7]、影响因素方面[8]，水系连通功能对径流影响的研究成果至今为止国内外极少报道。

长江荆南三口水系既是连接长江中游的重要纽带，也是沟通长江水与洞庭湖的水流通道。荆南三口水系连通性自1955—2016年呈下降趋势[9]，三口径流总体上在1955—2016年也呈下降趋势[10]，两者之间是否存在某种特殊的关系?水系连通功能变异下荆南三口流域径流会发生怎样的变化，有什么特征呢?因此，本文构建水系连通功能评价指标体系，根据实测值与给定的评价标准，利用模糊综合评判法计算确定水系连通功能变异年份，开展水系连通功能变异下荆南三口流域径流的变化特征，根据月径流占年径流百分比、年内分配不均匀系数定量评价水系连通功能变异下荆南三口流域径流年内变化特征，遵照Morlet小波分析计算得到径流序列演变过程存在的周期变化尺度范围、主周期探究水系连通功能变异下荆南三口流域径流年际周期变化规律，依照Mann-Kendall趋势检验法和Sen′s slope趋势变化强度研讨水系连通功能变异下荆南三口流域径流趋势变化特征。本研究为荆南三口流域径流演变规律、来水预报、防洪，实施河湖水系连通工程，水资源合理配置、生态环境保护以及经济社会发展提供理论依据。

1 研究区概况

荆江是指长江干流枝城站至城陵矶河段的总称，其南岸的松滋、虎渡和藕池三口(调弦口于1958年堵口)，习惯上称为荆南三口水系，主要分泄长江来水进入洞庭湖(图1)。由于江湖关系的剧烈演变，三口流域的河流已成为典型的季节性河流。该流域属于亚热带季风气候区，多年平均气温16.8℃，多年平均降雨量1 241.2～1 265.6 mm，降雨量在年内、年际间分配不均匀，汛期4—9月降雨量为844.4 mm，占全年降水量的67.4%以上，多年平均蒸发量为1 174.5～1 251.0 mm。本文研究范围为荆南三口流域，包括松滋河东支、西支、虎渡河、藕池河东支、西支，并分别采集新江口、沙道观、虎渡河、弥陀寺、管家铺、康家岗等5个水文站点1956—2017年实测的月径流量作为研究的基础数据，其中1956—2009年月流量数据主要来源于长江水利委员会，2010—2017年主要来源于湖南省水利厅和湖南省水情综合日报表。

图1 荆南三口河系主要水文站点分布

2 水系连通功能评价指标及研究方法

2.1 水系连通功能变异点确定方法

2.1.1 水系连通功能评价指标的构建 河网水系连通功能受众多因素影响，是一个比较复杂的、关联性强的水网巨系统。为了定量描述水系连通功能的变化情况，必修构建一套表征水系连通功能评价指标体系。由水系连通功能理论探讨和前人的研究成果可知，对水系连通功能的评价指标体系应涵盖水系连通的自然功能和社会功能等8项核心指标(表1)。

由表1可知，河道断流率、地表水农业灌溉供水率、河道通航能力3个指标可以反映河湖水系水资源调配功能，生物多样性指标、河流水质达标率、亲水舒适度3个指标可以反映河湖水系水质改善功能，湿地面积变化率、水库调节能力2个指标可以反映河湖水系水旱灾害防御功能，无论是资源调配型、水质改善型，还是水旱灾害防御型河湖水系，上述8项指标均可以对水系连通功能进行定量评价。

表1 水系连通功能评价指标体系

2.1.2 水系连通功能的评价方法 水系连通功能受到水系结构、形态、经济、环境以及社会发展等因素的综合影响，对水系连通功能进行评价必须同时考虑多种因素，仅用一两个简单数值难以进行表示或评价，常常带有模糊性。因此，可以选用模糊综合评价法对水系连通功能进行定量评价。

模糊综合评判是指根据实测值与给定的评价标准，经模糊关系矩阵转换后，对某一具体事件作出定量评价的一种数学方法。模糊综合评判方法其评判步骤[11]如下:

(1) 构建因子集。由前述水系连通功能分析以及评价指标体系可知，水系连通功能的主要表现形式体现在河道断流率、湿地面积变化率、生物多样性指标、河流水质达标率、地表水农业灌溉供水率、河道通航能力、水库调节能力指数、亲水舒适度等8个方面。鉴于此，水系连通功能变异程度的因子集定义为:

U={u1,u2,…，u8}

(2) 建立评价集。根据《灌溉水利用率测定技术导则》SL/Z699—2015，《城市水系规划导则》SL431—2008，《河湖生态保护与修复规划导则》SL709—2015，旱情等级标准SL424—2008以及前人的研究成果，建立水系连通功能评价集:

V=vij={vi1,vi2,vi3,vi4}

式中:vi1,vi2,vi3,vi4分别为不变异、轻度变异、中度变异和重度变异的标准值;i为8个综合评判因子;j为4个评价等级,即评价因子的评价标准分界。

(3) 计算评价指标权重，建立权重集。水系连通功能的评价指标权重是指某一指标在整体评价中的相对重要程度。权重是要从若干评价指标中分出轻重来，一组评价指标体系相对应的权重组成了权重体系。权重可以根据各评价因子对总事件的影响大小赋予相对应的适合权重。模糊综合评判的权重赋权方法可采用超标倍数法，其计算公式[7]如下:

式中:m=8为评价因子的个数;n=4为水系连通功能变异的标准等级;uki表示第k个水文站第i个指标实际观测值；vij与上述一致。通过计算各评价指标权重,可以组建因子权重集A:

A=(w1,w2,…,w8)

(4) 构建隶属函数、求隶属度，建立模糊矩阵。针对水系连通功能变异具有模糊性，将模糊数学中的隶属函数引入到水系连通功能变异评价，采用隶属函数描述水系连通变异对某一等级标准的隶属程度。本文取线性函数作为隶属函数，其数学表达式可以表示为:

式中:ri1,ri2,ri3,ri4分别为第i个指标特征值对Ⅰ级，Ⅱ级，Ⅲ级，Ⅳ级标准的隶属度;uki表示第k个水文站第i个指标实际观测值;vi1,vi2,vi3,vi4分别为指标i的Ⅰ级，Ⅱ级，Ⅲ级，Ⅳ级的标准值。

将不同时间不同水文站的实测值带入到上述所对应的隶属度函数中，可以计算出其单因子的评价矩阵，则模糊矩阵可以表示为:

式中:i=1,2,…,8；j=1,2,3,4。

(5) 求综合评判值。通过上述4个步骤可以计算得到模糊矩阵R和因子权重集A，在结合模糊综合评判计算要求，可以得到模糊综合评价的结果:

最后根据最大隶属度原则，计算出模糊综合评判值即为水系连通功能变异结果。

2.2 径流年内变化规律研究方法

径流年内分配不均匀性主要采用月径流占年径流百分比和年内分配不均匀系数Cv[12]来表征。

2.3 周期变化的研究方法

识别水文时间系列周期变化的研究方法常用Morlet小波分析法，该方法的基本原理[13]如下:

Ψ(t)=exp(iw0t)exp(-t2/2)

式中:Ψ(t)，Ψa,b(t)分别为基小波函数、子小波函数;W(a,b)为小波变换系数;var(a)为小波方差;Ψ(t)为Ψ(t)的复共轭;a,b，t为连续变量,分别为尺度收缩因子(表示小波在尺度上周期长度)、时间平移因子(表示小波在时间上的平移距离)和时间;Δt为取样时间间隔;N为样本容量。

2.4 年际趋势变化的研究方法

年际趋势变化主要采用Mann-Kendall趋势检验法[13-15]，趋势变化强度采用了Sen′s slope法，MK趋势变化方法，在许多文献中均有介绍和说明，在此不作赘述。

3 结果与分析

3.1 水系连通功能变化

运用超标倍数法计算出水系连通功能评价指标的权重，首先确定水系连通功能评价标准值(表2)，然后利用荆南三口水系连通功能评价指标体系中8个指标实际值，计算出河道断流率、湿地面积变化率、生物多样性指标、河流水质达标率、地表水农业灌溉供水率、河道通航能力、水库调节能力指数、亲水舒适度的权重分别为0.17，0.09，0.12，0.13，0.16，0.12，0.11，0.1。自然功能和社会功能的权重为0.51，0.49。从8个指标的权重可以看出，河道断流率最高，意味着河道断流率对水系连通功能影响最大。

表2 水系连通功能评价标准

根据以上公式计算荆江三口地区水系连通功能隶属度，构建出该地区1956年、1989年、2008年、2016年的评判矩阵R如下:

根据模糊综合评判复合运算方法及最大隶属度原则，即取大取小法复合运算，则荆江三口地区4个年份水系连通功能综合评价值为:

B1956=AR1956=[0.44160.34640.10000.1120]

B1989=AR1989=[0.22400.13100.39700.2480]

B2008=AR2008=[0.00000.50400.24600.2500]

B2016=AR2016=[0.00000.47630.35570.1680]

按照上述计算步骤，计算出研究区水系连通自然功能和社会功能评价等级，评级结果见图2。从图2中可以看出，1956—1989年荆南三口自然功能、社会功能和综合功能的变化趋势是一致的，呈现下降趋势，自然功能、社会功能由Ⅱ级降至Ⅲ级，综合功能由Ⅰ级降至Ⅲ级;2008—2016年自然功能、社会功能和综合功能基本保持Ⅱ级。从水系连通功能的指标来看，河道断流率呈显著上升趋势，湿地面积变化率、河道通航能力、亲水舒适度、地表水农业灌溉供水率呈下降趋势，生物多样性指标在0.6附近，呈弱下降趋势，水库调节能力指数呈上升趋势。指标权重和指标变化趋势表明，河道断流率增加，地表水农业灌溉供水率降低必然引起流域径流特征变化。

图2 荆南三口水系连通功能评价结果

由上述分析可知，荆南三口水系连通功能1956年为Ⅰ级，1989年为Ⅲ级，2008年、2016年均为Ⅱ级，4个典型评价年份中1989年水系连通功能变化较大。因此，荆江三口流域水系连通功能变异的年份为1989年、1956—1989年为水系连通功能基础期，1990—2017为变异期。

3.2 径流年内变化分析

通过计算荆南三口流域水系连通功能变异前后月径流占年径流百分比和年内分配不均匀系数Cv来反映水系连通功能变异下径流年内变化特征。由图3可知，荆南三口流域月径流占年径流百分比呈现“单峰型”，水系连通功能变异后峰值高于变异前，跨度小于变异前，这意味着水系连通功能变异后径流更加集中在6月、7月、8月份，冬季径流所占比重更少，甚至有些流域出现断流，如松滋河东支、虎渡河，说明水系连通功能变异后荆南三口流域年内分配更加不均匀。由图4可知，荆南三口五站变异后年内分配不均匀系数均大于变异前，沙道观、弥陀寺尤为突出，进一步说明变异后荆南三口流域年内分配极不均匀，意味着水系连通功能变异后荆南三口流域径流年内分配差距较大，夏季径流更丰富，枯水季节更稀少，表明径流年内变化程度激烈，容易造成旱涝灾害。

图3 荆南三口流域月径流占年径流百分比

图4 荆南三口流域年内分配不均匀系数

3.3 径流年际周期变化分析

根据Morlet小波变换公式，计算出水系连通功能变异前后荆南三口流域不同时间尺度域下小波系数和小波方差，观察小波系数实部等值线图和小波方差变化图，得出荆南三口流域径流年际周期变化规律。

由表3可知，水系连通功能变异下荆南三口流域由3类尺度周期增加为4类尺度周期，在不同的时间尺度上，径流丰枯震荡次数增加，周期中心和主周期时间均有缩短。就松滋河西支而言，水系连通功能变异下其径流变化过程由3～6 a，7～18 a，22～32 a，3类尺度的周期变化变为在3～6 a，7～8 a，9～12 a，13～16 a 4类尺度的周期变化，周期中心由5 a，10 a，28 a变为4 a，7 a，9 a，15 a，振荡次数从较大尺度22～32 a的准2次、中尺度7～18 a准4次、较小时间尺度3～6 a在5 a附近存在丰枯交替变化规律变为较大尺度13～16 a的3次、9～12 a的4次、7～8 a时间尺度上的准5次、较小时间尺度3～6 a上在周期中心4 a附近的准9次振荡，主周期从5 a，10 a，28 a减小为4 a，7 a，15 a。因此，水系连通功能变异下荆南三口流域径流年际发生丰枯交替变化更加容易，年内发生丰枯交替的频率增加，说明荆南三口流域径流出现旱涝的概率上升，意味着水系连通功能作用发挥存在困难必将影响径流量的时空分布不均且容易造成极端化。

表3 水系连通功能变异前后荆南三口流域周期变化 a

3.4 径流年际趋势变化分析

运用Mann-Kendall检验法判断趋势变化，根据Sen′s slope法的公式计算斜率估计值，通过分析得到荆南三口流域径流年际变化趋势检验结果(表4)。

表4 荆南三口流域径流年际变化趋势检验统计

由表3可知，水系连通功能变异下松滋河西支径流由无显著增加趋势变为显著减少趋势(α=0.05)，且减少程度较高;变异前后松滋河东支径流均呈显著减少趋势(α=0.01)，变异下减少程度减弱;变异前后虎渡河径流均呈显著减少趋势(α=0.01)，变异下减少程度稍增加;变异前后藕池河西支径流均呈显著减少趋势，变异下置信水平从99%降至90%，减少程度弱;变异前藕池河东支呈显著减少趋势(α=0.01)，减少程度强，变异下径流由无变化趋势。由此可见，水系连通功能变异下荆南三口流域径流年际趋势变化存在不同程度的影响，松滋河西支径流减少趋势显著，减弱速率较快，松滋河东支径流减少趋势显著，减弱速率减慢，虎渡河径流减少趋势显著，减弱速率与变异前稍增加，藕池河西支径流减少趋势较显著，减弱速率较慢，藕池河东支无显著变化。在全球气候变化和人类活动的双重作用下，荆南三口流域水系连通功能强弱受其影响，河道断流率增加、地表水农业灌溉供水率降低、河道通航能力减弱、水库调节能力指数减小、亲水舒适度降低等，势必导致径流减少。

4 结 论

(1) 1956—2016年荆南三口自然功能、社会功能和综合功能的变化呈先下降后增加趋势，河道断流率、地表水农业灌溉供水率等指标揭示水系连通功能与径流特征之间存在一定关系。

(2) 荆江三口流域水系连通功能变异的年份为1989年、1956—1989年为水系连通功能基础期，1990—2017年为变异期。

(3) 水系连通功能变异后荆南三口流域径流月径流占年径流百分比更加集中在6月、7月、8月份，年内分配不均匀系数增大，径流年内分配极不均匀，夏季径流更丰富，枯水季节更稀少。

(4) 水系连通功能变异下荆南三口流域由3类尺度周期增加为4类尺度周期，在不同的时间尺度上，径流丰枯震荡次数增加，周期中心和主周期时间均有缩短，水系连通功能变异下荆南三口流域径流年际发生丰枯交替变化更加容易，年内发生丰枯交替的频率增加。

(5) 水系连通功能变异下松滋河西支、松滋河东支、虎渡河径流、藕池河西支减少趋势显著，达到95%，99%，99%和90%置信水平，松滋河西支减弱速率较快，松滋河东支、藕池河西支减弱速率减慢，虎渡河径流减弱速率稍增加，藕池河东支无显著变化。水系连通功能变异致使荆南三口流域径流趋势变化发生不同程度的改变。