近60 a琴江流域水文情势变化研究

彭爵宜

(广东省水文局梅州水文分局，广东 梅州 512000)

1 研究背景

河流水文情势是决定河流生态系统的物质能量循环、生境健康状况、物种良好影响的关键因素[1]。近几十年来，随着全球气候变化和日益增强的人类活动干扰，特别是流域水利工程的开发利用，不同程度地影响了流域或区域的自然水循环过程，进而改变了河流的水文情势[2]。研究人类活动影响下的河流水文情势变化，通过量化不同尺度不同水文要素的变化程度，是实现水量、水质、水生态和谐发展的必要基础，也是实现水资源科学高效管理的必备手段。郭文献等[3]研究了三峡水库蓄水导致的长江中下游河流水文情势改变状况，陈栋为等[4]对东江水利工程下游的博罗水文站水文情势进行了相关研究，江善虎等[5]对变化环境下渭河流域生态水文情势演变归因做了系列研究，左其亭等[6]基于水文情势分析研究了闸控河流的生态需水模型，邓春暖[7]研究了不同水文情势(干旱、淹水梯度及周期)和盐碱胁迫对湿地芦苇植的生理生态相应机制。这些研究方法中，IHA-RVA的水文改变指标法通过构建33个评价指标建立了一种有效评价人类活动对河流径流变化过程影响分析的技术手段，该方法已广范应用于不同尺度的河流水文情势变化研究中。本文应用该方法分析了韩江流域上游琴江近60 a的水文变化过程，通过月平均、年极值、年极值出现时间、脉冲次数和历时、改变度和频次等5组具有生态意义的指标量化评价了琴江水文情势的变化程度，可为科学管理琴江流域提供技术依据。

2 研究区域概况

琴江位于梅州市西南，是梅江源头，集雨面积为2 871 km2，河长为136 km，落差约32 m，河床比降为1.10‰(琴江流域平面示意见图1)。尖山水文站位于梅州市五华县梅林镇，是琴江流域的区域代表站，也是琴江中上游的控制站，该站建于1958年6月，集雨面积为1 578 km2，河长为105 km。

图1 琴江流域平面示意

3 数据来源和研究方法

本文选取琴江控制站尖山站逐日平均流量进行分析。通过运用Mann-Kendall检验法(M-K法)、累积距平法、pettitt法对尖山站1959—2019年逐日平均流量进行趋势性综合分析，并应用IHA-RVA水文指标分别从流量、时间、频率、改变率等方面评价琴江近60 a的水文情势变化。

Mann-Kendall检验法(M-K法)、累积距平法、pettitt法[8-10]。IHA水文指标体系有33个指标，包括各月月均流量、年极值流量、极值时间、流量脉冲次数和历时、水文过程改变度和频次等五组具有生态意义的IHA水文指标，在这套指标基础加上RVA阈值法可以量化评价河流水文情势的改变程度[11-12]。

IHA-RVA中所用到的水文指标见表1。

表1 IHA-RVA的水文指标

根据表1分别找出33个IHA指标值年序列水文改变度，具体计算公式如下：

(1)

式中:

Di——第i个IHA指标值序列的水文改变度；

ei——第i个IHA指标值序列的变化后年序列落入变化前年序列值25%和75%中位数范围(即RVA目标范围)的值的个数；

ee——期望变化后年序列能落入RVA目标范围的个数，即为变化后年序列个数的50%[13]。

33个IHA指标值序列的综合水文改变度计算公式如下：

(2)

0≤D≤33%，水文改变度为轻度L(little)；34%≤D≤67%，水文改变度为中度M(medium)；68%≤D≤100%，水文改变度为高度H(high)[14]。

4 成果分析

4.1 趋势性分析

从尖山站1959—2019年年均流量变化过程可以看出，该站年均流量总体呈减少趋势，经Mann-Kendall趋势性检验得到z值为-0.247，该值>-1.64，说明尖山站近60 a年均流量下降趋势不明显(见图2)。

图2 尖山站近60年年均流量变化过程示意

4.2 突变点分析

通过Mann-Kendall检验法(M-K法)、累积距平法、pettitt法检验尖山站1959—2019年年均流量序列的突变点，从图3～图5各检验法得出的突变点分析，运用MK检验法发现1961年、1969年、2001年为突变年，累计距平法发现1972年和2001年为突变年，pettitt法发现2001年为突变年。综合3种检验方法，选取2001年为最优突变年，该年与尖山站上游洞口新村电站投产时间一致，可印证突变点检验有效。

图3 Mann-Kendall检验法示意

图4 累计距平检验法示意

图5 pettitt检验法示意

4.3 突变前后指标分析

根据IHA指标计算方法，将2001年前后径流系列计算出相应的突变前后均值及该指标相应的上下限阈值，结合公式(1)计算出各指标的变异程度(结果见表2)。

表2 尖山站IHA-RVA指标法之流量变异度计算成果

1) 月均流量变化

从表2看出，突变后各月流量减少约5.98%～29.6%，2月减少幅度较其他月份偏多。月均流量指标突变后水文改变度为5.3%～36.8%，4月改变度最大，呈中度变异；其他各月流量IHA指标反映当月水文改变度均为轻度，总体而言，这组指标反映琴江近20年各月均流量变化程度较小。

2) 年极值变化

从表2分析出，突变后，年最大平均流量减少约16.21%～29.48%，年最小平均流量减少约7.28%～19.62%，年最大流量减少幅度明显较年最小流量减少幅度大。这组指标按照IHA-RVA评价法计算出的水文改变度均为轻度，反映本流域极值流量虽有减少，但达不到无明显变化。

3) 年极值时间变化

尖山站自建立至今未出现零流量现象，因此零值天数不参与评价，表2反映基流指数和年最小值出现日期均呈中度变异，说明2001年之后琴江最小流量出现时间和生态基流发生较大变化，而年最大值出现日期呈高度变异，说明2001年之后琴江当年最大洪水时间与2001年之前呈高度变化。这3个指标反映了琴江近20 a来洪水、枯水两种状态的时间发生了显著变化，与前40 a天然河流环境下的规律不一致。

4) 流量脉冲频次变化

年高低脉冲频次和历时反映河流生态活力，从表2分析，2001年突变之后，琴江河流高脉冲频次和历时呈轻度变化，低脉冲频次和历时为中度变化，说明近20 a琴江低枯水发生频率与历时与前40 a天然状态相比有明显变化，说明上游电站干扰下，本流域低枯水现象发生频次有所增长。

5) 水文过程改变情况

从表2分析，流量上升率指标改变度为36.8%，呈中度变化，下降率指标改变度为100%，流量变化的逆转次数改变度为100%，后两者呈高度变异；这3个指标反映琴江流量波动变化的高度性，说明河流流量日际变化显著，反映该河流受上游日调节电站的极大影响。

6) 综合改变度分析

以上5组32个水文变异指标中高度(H)变化指标有3个，中度(M)变化指标有6个指标，低度(L)变化指标有23个，根据公式(2)计算出综合水文改变度为50.3%，属中等变化，说明琴江流域于2001年突变后改变程度较大，该水系有不良变化趋势。

5 结语

本文利用IHA-RVA法研究了近60 a琴江流域的水文情势变化情况，通过M-K法、累积距平法、pettitt法检验出琴江于2001年发生突变，综合突变前后32个水文指标的变异程度最终得出琴江流域突变后的综合水文改变度为中等程度。突变后琴江1—12月的月均流量变化程度、年极值流量变化程度、年高脉冲流量的次数和历时变化均属轻度；但是洪枯水发生时间产生了较大的变异，与原天然河流环境下的规律不一致。此外，流量序列波动变化的高度性也印证了电站调节对流量序列的平稳性造成了较大影响。总体而言，琴江流域在人类活动干扰下已发生较明显的水文情势变化。