水土保持生态建设对黄河中游水文情势影响研究

穆兴民 贾昊 高鹏 赵广举 孙文义

摘 要：以黄河中游河口镇至潼关区间（河潼区间）的头道拐、府谷、吴堡、龙门和潼关水文站日均流量为研究对象，采用水文指标改变度（IHA）方法计算1958—2020年32个水文指标值，以1958—1979年作为参照，评价各个水文站1980年以来和2000年以来水土保持生态建设对黄河水文情势的影响。结果表明：黄河河潼区间整体水文改变度呈低等级高度改变;在五大类水文指标中，年极端流量类（第II类）和高低流量的频率及历时类（第V类）水文指标呈高度改变;在32个指标中，1980年以来和2000年以来流量的逆转次数发生高度改变，11月平均流量呈低度改变。水利水土保持措施和退耕还林（草）工程对黄河中游水文情势产生较大影响，使得河流径流波动性减弱。

关键词：径流;水文情势;水文改变度;水土保持;黄河中游

中图分类号：P333.5;TV882.1

文献标识码：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2021.10.009

引用格式：穆兴民，贾昊，高鹏，等.水土保持生态建设对黄河中游水文情势影响研究[J].人民黄河，2021，43（10）：44-50.

Abstract： Hydrological regime is an important indicator reflecting river ecosystem change， which affects river health and social-economic development along the river. This study applied the IHA（Indicators of Hydrological Alternation method） to the Toudaoguai， Fugu， Wubao， Longmen and Tongguan hydrological stations from Hekouzhen to Tongguan in the Yellow River basin. The daily streamflow from 1958 to 2020 were used to estimate 32 hydrological indicators. The whole time series were divided into two periods of 1958-1979 and 1980-2020. The results show that the degrees of hydrological alternation during 1980-2020 at all the stations remain low level when comparing with the indicators in the period of 1958-1979. Among the five groups of hydrological indicators， annual extreme flow（Group II） and the frequency and duration of high and low pulses（Group V） show high degree of alternation. Among the 32 indicators， the reversal times of runoff show high degree of alternation， and average flows in November show low degree in the middle reaches of the Yellow River since 1980. Hydraulic projects and soil and water conservation measures have great impact on the hydrological regime changes in the middle reaches， and weakened the fluctuation of river runoff.

Key words： runoff; hydrological regime; degree of alternation; soil and water conservation; Middle Yellow River

黄土高原的自然环境决定了黄河径流及泥沙变化是一个需要长期研究的课题，黄河水沙的增加、减少甚或不变都会引起社会各界的广泛关注[1]。随着社会经济的发展和水土保持及生态建设工程的规模化实施，黄河水文情势发生较世界其他大河更为显著的变化。黄河及其入黄支流径流量显著减小[1-2]，中游地区的诸多支流几乎沦为季节性河流;黄河在20世纪70年代后出现频繁断流[3]，河口三角洲萎缩[4]。进入21世纪，黄河水沙的突兀性减少使黄河水沙情势研究再次成为焦点和热点[1]。

河流的水文情势是河流生态系统变化的内生动力，其变化影响着河流健康及沿河地区社会经济的发展。河流水文情势变化包括水文要素在时间和空间上的变化。针对河流单一站点径流特征，目前国内外学者多对年径流量的阶段性、突变性、周期性、趋势性及其影響因素开展研究，为水资源合理利用提供理论支撑[5-7]。Poff等[8]认为水文情势包括流量的量级、历时、出现时间、频率和变化率等5个方面。因此，评价河流生态系统的健康状况、水资源管理及洪水特征需构建完善的河川径流指标体系，以充分体现河流水文系统的基本结构和功能。Richter等[9]提出了包含33个指标的水文改变度（Indicators of Hydrologic Alteration，IHA）方法，将长系列的日水文数据汇总成一系列相对易于处理的与生物生态相关的水文参数，通过某一时间节点前后33个径流指标的变化来表征水文情势的变化。

自Richter等[9]提出IHA方法以来，该方法在世界各地河流水文情势分析中得到了广泛应用。为了定量化标度径流情势变化等级，Richter 等[10]提出变异范围（Range of Variability Approach，RVA）分析法进行单变量及水文综合改变的评定，并定义了 RVA 阈值。Shiau等[11]提出直方图匹配法（HMA）用于标度径流情势改变度。陈伟东等[12]认为在水利工程建设前后资料年数相差较大的情况下，直接用 IHA 法评价工程对径流的影响存在一定的不合理性，并提出了改进方法。目前，IHA方法多用于水利工程特别是水库建设后河流水文情势改变的研究。Jiang等[13]采用IHA法分析指出，三峡大坝对长江中下游径流变化率和年极端流量改变较大，且从大坝开始向下游延伸的影响愈来愈小。陈启慧等[14]采用IHA法对长江径流研究发现，总体上葛洲坝水利枢纽对河流天然径流的改变不大，但具有一定的削峰坦化作用。周毅等[15]研究指出，黄河源区水文情势呈中度改变，并呈向小流量变化的趋势。不同于大型水利工程，水土保持生态建设工程对河流水文情势的影响是一个累积的渐变过程，当流域水土保持生态建设工程达到一定规模后方能显现。黄土高原占黄河中游大部分地区，是黄河流域水土流失最严重、入黄泥沙最多的区域，也是黄河流域水土保持生态建设投入最大、成效最显著的区域。随着水土保持与生态恢复的推进，黄河中游地区流域下垫面产流及汇流条件发生显著变化，河流水文情势发生改变[16]。黄河水文情势变化有两个重要时段，一个是20世纪80年代，另一个是20世纪末实施退耕还林（草）工程后[1]。根据黄河径流量及输沙量变化成因分析以及表达习惯[17]，本文选择1980年和2000年为时间节点，以1958—1979年为参照，对黄河中游河口镇至潼关区间（河潼区间）的头道拐、府谷、吴堡、龙门和潼关站的水文情势进行多维度的综合分析和评价，以期为黄河水资源的合理利用及水生态治理提供科学支撑。

1 材料与方法

1.1 资料来源

研究所用日流量资料来源于黄河水利委员会《黄河流域水文年鉴》，部分实测资料有缺失，分别为头道拐站1970年、1987年、1989—2001年，府谷站1958—1972年、1990—2001年、2005年5月1日—2006年4月22日，吴堡站1970年、1990—2001年，龙门站1970年、1988年、1991—2001年、2005年4月26日—2006年4月22日，潼关站1958年、1959年1—6月、1961年1—6月、2005年4月26日—2006年4月22日。

1.2 研究方法

1.2.1 水文改变度方法

Richter等[9]于1996年提出的水文改变度（IHA）方法可以全面刻画河流水文情势。IHA方法把33个水文指标划分为5类，可从各个维度全面评价河流水文情势的改变状况。鉴于河潼区间干流未出现零流量日，故本文不包括零流量天数指标，调整后的水文要素指标见表1。

1.2.2 确定变化等级方法

为了定量描述每个水文指标受影响后的改变程度，Richter等[9]在IHA法的基础上提出了定量表征水文改变度的等级评价方法：

式中：Di为第i（i=1～33）个指标的水文改变程度（正值表示增大，负值表示减小），|Di|值介于0～33%之间属于低度改变或未发生改变，|Di|值介于34%～66%之间属于中度改变，|Di|值介于67%～100%之间属于高度改变;N0，i为第i个IHA在变异后仍落于RVA阈值内的年数;Ne为IHA变异后预期落于RVA阈值内的年数。

IHA方法通过诸多指标反映河流的水文情势，但无法把握水文情势改变的整体状态。Shiau[11，18]等在水文改變度的基础上提出整体水文改变度D0，即采用加权平均法来计算河流水文情势的整体改变度，分为以下3种情况进行计算。

情况①：若选取的每个水文要素指标的改变度均小于33%，则将其归类为整体水文改变度为低度，计算公式为

式中：n为评估所使用的水文要素指标的个数。

情况②：若选取的每个水文要素指标的改变度均小于67%，且至少存在一个水文要素指标的改变度大于或等于33%，则将其归类为整体水文改变度为中度，计算公式为

式中：Nm为属于中度改变的水文指标个数。

情况③：若选取的水文要素指标中至少存在1个水文要素指标的改变度大于或等于67%，则将其归类为整体水文改变度为高度，计算公式为

式中：Nk为属于高度改变的水文指标个数。

2 结果与分析

2.1 河潼区间黄河水文情势整体改变度

与1958—1979年相比，1980年以来和2000年以来，河潼区间各水文站水文情势整体呈低等级高度改变状态，2000年以来改变度有所增大（见表2及表3）。由于水文改变度达到或略超阈值（如龙门及潼关），因此说低等级。对于不同类别水文要素，与1958—1979年相比，1980年以来各水文站第Ⅰ类、第Ⅲ类及第Ⅳ类水文要素改变度多呈中度改变，第Ⅱ类和第Ⅴ类呈高度改变;而2000年以来，第Ⅲ类水文要素改变度显著增大。这表明20世纪80年代以来及2000年以来，水利工程和水土保持生态工程引起河潼区间水文情势变化，尤其对年极端流量及流量变化率影响较大。

2.2 河潼区间各类水文指标的改变度

2.2.1 第Ⅰ类指标（月均流量）改变度

与1958—1979年相比，1980年以来河潼区间月均流量整体呈中度改变，2000年以来月均流量整体呈中度改变，除个别站及个别月份外，月均流量呈现减小趋势（见表4及表5）。1980年以来河潼区间月均流量（尤其是5月）中度改变在全年占比较高，汛期月均流量呈中度改变，部分站个别月份发生高度改变。2000年以来河潼区间月均流量（尤其是11月）中度改变在全年占比较高，5—8月月均流量水文改变度为中度改变。2000年以来潼关水文站月均流量发生高度改变，为全年的58.3%。1980年以来和2000年以来除府谷水文站外，其他4个水文站6月月均流量呈增大趋势，其中潼关水文站达到高度改变。

2.2.2 第Ⅱ类指标（年极端流量）改变度

与1958—1979年相比，1980年以来河潼区间极端流量整体呈中等级低度改变，2000年以来极端流量整体呈中等级高度改变，极端流量整体呈减小趋势（见表6及表7）。1980年以来，河潼区间最小30 d流量、最大3 d流量和最大7 d流量发生低度改变，最小1 d流量、最大90 d流量和基流指数发生中度改变;潼关水文站的极端流量主要呈低度改变，占整体极端流量指标数的54.5%。2000年以来，河潼区间最小1 d流量、最小30 d流量以及最大1、30、90 d流量和基流指数发生中等级高度改变，其中最小1 d流量减小了18%、最大30 d流量减小了43%;潼关水文站的极端流量主要呈中度改变，占整体极端流量指标数的63.6%。1980年以来，河潼区间最小30 d流量上游呈减小趋势、下游呈增大趋势，吴堡站发生高度改变;2000年以来河潼区间最小30 d流量除府谷站外，其他4个水文站呈增大趋势，其中吴堡站达到高度改变。

2.2.3 第Ⅲ类指标（年极端流量发生时间）改变度

与1958—1979年相比，1980年以来河潼区间极端流量发生时间整体呈中等级低度改变，2000年以来极端流量发生时间整体呈中等级高度改变（见表8）。1980年以来河潼区间最小1 d流量出现时间呈低度改变，除府谷和龙门站呈提前趋势外，其他3个水文站呈推迟趋势;最大1 d流量出现时间除潼关站呈推迟趋势外，其他4个水文站呈提前趋势，其中府谷站从第161天提前至第149天，潼关站从第169天推迟至第182天。2000年以来河潼区间最小1 d流量出现时间除府谷站呈提前趋势外，其他4个水文站呈推迟趋势，且潼关水文站呈高度改变;最大1 d流量出现时间呈提前趋势，其中府谷站从第224天提前至第89天，头道拐站、龙门站和潼关站呈中度改变，府谷站和吴堡站呈高度改变。

2.2.4 第Ⅳ类指标（高、低流量的频率及历时）改变度

与1958—1979年相比，1980年以来河潼区间高、低流量频率及历时整体呈中等级低度改变，2000年以来高、低流量的频率及历时整体呈中等级高度改变（见表9）。1980年以来，河潼区间低流量历时呈低度改变，高流量发生频率呈中度改变，除府谷站高流量发生次数达到高度改变外，其他各站的均为低度改变或中度改变，吴堡站与潼关站的水文指标改变趋势相同。2000年以来，河潼区间低流量发生频率呈显著减小趋势，且达到高度改变;高流量的平均历时达到中等级高度改变;除龙门个别指标呈增大趋势外，其他各站的水文指标呈减小趋势，其中潼关站高、低流量频率及历时的水文改变度为河潼區间最高。

2.2.5 第Ⅴ类指标（流量变化改变率及频率）改变度

与1958—1979年相比，1980年以来河潼区间流量变化改变率及频率改变度整体呈中等级高度改变，2000年以来流量变化改变率及频率改变度整体呈高度改变（见表10）。1980年以来，河潼区间流量变化的逆转次数呈高度改变，府谷站和吴堡站流量变化改变率及频率整体呈高度改变。2000年以来，除头道拐和龙门站流量平均减小率呈中度改变以及潼关站的流量平均增大率呈低度改变外，其他均为高度改变。1980年以来和2000年以来河潼区间流量变化的逆转次数均呈高度改变，表明黄河中游径流逐渐趋于稳定，河流径流量的波动性减小，说明水利水土保持措施和退耕还林（草）对河川径流的水文情势有较大稳定作用。

2.3 河潼区间32个水文指标的改变度

在32个水文指标中，与1958—1979年相比，1980年以来和2000年以来流量变化的逆转次数均发生高度改变，11月月均流量呈低度改变。1980年以来河潼区间5个水文站的水文情势变化以中等级低度改变为主，2000年以来则以中等级高度改变为主，表明水利水土保持措施和退耕还林（草）对河潼区间的水文情势产生较大影响（见图1、图2）。

3 结 论

IHA法是目前评价河流水文情势变化的最好方法。本文分析了黄河中游河口镇至潼关区间5个干流水文站1958—2020年逐日流量资料，以1958—1979年为参照，采用IHA法评价1980年以来和2000年以来黄土高原水土保持生态建设对黄河中游水文情势变化的影响，所得结论如下。

（1）与1958—1979年相比，1980年以来河潼区间水文情势整体呈低等级高度改变，极端流量和流量变化改变率及频率呈高度改变，其他水文指标呈中度或低度改变。

（2）与1958—1979年相比，2000年以来河潼区间整体水文改变度高于1980年以来的，并且达到中等级高度改变，其中2000年以来的第Ⅲ类水文指标（年极端流量发生时间）达到高度改变，高于1980年以来的中度改变。

（3）河潼区间的水土保持工程措施和植被恢复对水文情势的影响主要体现在极端流量减小和流量变化的逆转次数减少，使得径流波动性减小，逐渐趋于稳定。

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