黄河流域河流生态干旱指数构建及生态干旱演变规律

毛文静，姜田亮，粟晓玲

（1.西北农林科技大学 水利与建筑工程学院，陕西 杨凌 712100；2.中国农业大学 水利与土木工程学院，北京 100083）

随着社会经济发展，水资源短缺日益严重，干旱已经成为全球关注的热点［1］。 干旱是指一段时间、一定区域范围内陆地降水持续低于正常值的一种极端气候现象［2］。 美国气象学会在总结各种干旱定义的基础上将干旱大致分为气象干旱、农业干旱、水文干旱和社会经济干旱4 类。 近年来由干旱引发的生态问题日益严峻，一些学术组织开始关注生态干旱［3］。 粟晓玲等［4］定义生态干旱为由自然与人类活动引发的生态系统可获得的水量低于其需水阈值，导致生态系统超过脆弱性阈值，影响生态系统服务，并在自然和／或人类系统中触发反馈的现象。 要定量化地研究生态干旱，离不开干旱指数［5］。 近半个世纪以来，学者们提出了许多标准化干旱指数，以保证干旱定量评估的客观性和一致性［6］。 Park 等［7］认为应从生态系统的角度进行生态干旱监测。 对于旱地生态系统，通常采用归一化植被差异指数（NDVI）［8］、植被干旱指数（TVDI）［9］和改良植被指数（EVI）［10］等来表征植被干旱状况。 近年来河流水域生态干旱问题受到关注，如Kim等［11］采用非参数核密度估计，假设极端干旱后河流水质超过目标水质的概率，定量评价生态干旱造成的水质风险。 我国一些学者开展了湿地生态干旱的初步研究，如马寨璞等［12］和张丽丽等［13］根据水位监测分析白洋淀生态干旱的演变趋势；侯军等［14］选取湿地最小生态水位作为干旱指标，建立湿地干旱指数，对呼伦湖湿地进行干旱评价。 但上述研究未考虑变化环境下的河道供需水平衡动态，此外河流生态干旱的成因复杂，只用单因素指标无法很好地反映区域干旱的时空特性。 为解决上述问题，笔者基于黄河及其支流上的6个水文站的逐月径流数据，从河流生态需水和径流两方面构建干旱指数，分析河流生态干旱的演变特征，以期为有效调控流域水资源、提高生态干旱评估能力提供参考。

1 水文站概况与数据来源

1.1 水文站概况

本文选择黄河及其支流上的6 个水文站研究河流生态干旱的演变规律：唐乃亥站位于黄河上游，享堂站位于黄河的二级支流大通河上，花园口站位于黄河中游和下游的分界点附近，林家村站位于渭河干流的中游，张家山站位于渭河支流泾河的出口，头站位于渭河支流北洛河的下游。

1.2 数据来源

本文数据来源于《水文年鉴》，各水文站的月径流序列选取唐乃亥1956—2016 年、享堂1944—2016 年、花园口1958—2015 年、林家村1944—2016 年、张家山1932—2016 年、头1937—2016 年。

2 研究方法

2.1 河流生态流量计算

2.1.1 Tennant 法

Tennant 法是依据河流流量与生态质量的相关性建立起来的经验方法［15］。 该方法对河流生态质量的描述见表1。 本文将多年平均流量的10%作为保持河流生态系统健康的最小流量、多年平均流量的30%作为能够为大多数水生生物提供较好栖息条件的基流量［16］。

表1 Tennant 法对河流生态需水推荐标准

2.1.2 最枯月平均流量法

最枯月平均流量法是通过统计径流序列每年的最小月流量，计算其多年平均值即为河流生态流量［17］。通常选择近10 a 的流量序列作为研究资料。 河道生态流量计算公式为

式中：Q为河道生态流量，m3／s；Qij为第i年第j月的实测平均流量，m3／s；n为统计年数。

2.1.3 Qp 法

Qp 法是一种保证率设定方法，将径流序列各年的最枯月流量按从大到小排序，并计算其保证率。 通常选择90%保证率对应的最枯月流量作为河道生态基流［18］。 该方法适用于河流流量较小、可利用的水文序列较长且被人类较好开发和利用的情况。

2.2 河流生态干旱指数计算方法

参照标准化降水蒸散指数SPEI的构建原理，建立标准化河流生态干旱指数（SREDI）。 采用逐年逐月的径流量和生态需水量之差与平均状态之间的偏离程度来表征河流干旱，计算步骤如下。

（1）计算逐年逐月径流量Wj与生态需水量WRj的差值Dj：

式中：c0＝2.515 517，c1＝0.802 853，c2＝0.010 328，d1＝1.432 788，d2＝0.189 269，d3＝0.001 308。

2.3 干旱演变特征分析方法

2.3.1 趋势分析

Kendall 检验的原理是将历年相同月（季）的水文资料进行比较，确定序列（x1，x2，…，xn）的所有对偶值（xp，xq） 中xp ＜xq的出现个数r，构造统计量：

式中：UFk为顺时间序列算出的统计量参数，服从标准正态分布；E（dk） 为统计量的数学期望；D（dk） 为统计量的方差。

以逆时间序列重复上述计算，得到UFk＝-UBk（k＝n，n- 1，…，1） 。 分别绘出UFk和UBk曲线，选取显著性水平α ＝0.05，则其对应临界值之间的交点即为突变点。

2.3.3 周期分析

Morlet 小波是一种具有时频多层次分辨功能的方法，能有效捕获水文气象序列不同时间尺度的周期性特征，并对序列未来一段时间内的发展趋势进行定性评估［19］。 小波变化公式为

小波系数实部等值线图体现干旱在不同时间尺度上的周期波动情况，小波系数方差图则反映周期的波动能量，其峰值对应干旱序列的主周期。

3 结果与分析

3.1 径流年际变化分析

图1 为各水文站径流量的年际变化趋势，可以看出径流量在研究时段内均呈下降趋势。 花园口站的多年平均径流量最大且年径流量随时间递减的速率最快；唐乃亥站的多年平均径流量次之，逐年径流量呈波动下降趋势，但趋势不明显；享堂站逐年径流量的变幅较小，表现为缓慢减小的趋势；渭河林家村站年径流量递减速率较快，而张家山站和头站在1965 年附近有明显异于其他年份的极大值，线性拟合与年径流量变化过程线的相关程度较低。

图1 各水文站径流量年际变化趋势

研究区各水文站年径流量的Kendall 趋势检验成果见表2。 当Kendall 统计量为正值／负值时，径流量有增大／减小的趋势。 由表2 可知，研究期各水文站的径流量均表现为减小趋势。 除唐乃亥站外，其余5 个水文站的径流量呈显著减小趋势，其中林家村站的减小趋势最为明显，花园口站次之。

表2 各水文站径流量Kendall 检验成果

3.2 基于不同方法的河流生态需水量计算

表3 为利用Tennant 法、最枯月平均流量法和Qp法分别计算的各水文站河流生态需水量，可以看出，不同方法计算出的各站生态需水量差异较大。 为进一步确定适宜的生态需水量，采用实测月平均水量占月生态需水的百分比来衡量生态需水量的满足程度，见表4。

表3 不同方法计算的各水文站生态需水量 亿m3

表4 各水文站不同方法计算的生态需水满足程度 %

从表4 可以看出，Tennant 法计算的各站生态需水满足程度均较高，枯水期可达100%。 对于唐乃亥站、享堂站、花园口站和头站，Tennant 法计算的生态需水满足程度明显高于另外两种方法；对于林家村站和张家山站，Qp 法计算的生态需水满足程度最高。 生态需水量的最终确定还要考虑水文站当地的自然地理条件和用水情况。 唐乃亥站和享堂站位于黄河上游，水土流失严重，生态环境脆弱，对生态需水量的要求较高，所以选择Tennant 法的计算结果较为合理。 花园口站、林家村站、张家山站和头站区域人口较多，工农业较为发达，为保证当地生产生活用水，故选择较小的生态需水量。

3.3 河流生态干旱演变特征分析

3.3.1 河流生态干旱趋势分析

各水文站年尺度和季尺度SREDI指数的Kendall检验结果分别见表5 和表6。 由表5 可知，统计量均小于0，表明研究流域的年尺度河流生态干旱程度有加剧趋势，且除黄河上游的唐乃亥站以外的其他5 个站变干趋势显著。 气候变化和人类活动是流域水文变化最直接和重要的驱动因素。 近60 a 来，黄河流域气温显著升高，降水量总体减小，人类活动影响增强［20］。刘昌明等［21］研究表明，受气候变化和水利水保工程等人类活动影响，黄河流域实测径流量呈减小趋势，且下游比上游衰减更显著。 流域生态干旱程度与径流量变化成负相关关系，随着径流量减小，生态干旱程度表现为加剧趋势，这与本文河流生态干旱趋势的研究结果一致。 周祖昊等［22］的研究表明，气候变化和人类活动（取用水和下垫面）对流域干旱的贡献不同。 唐乃亥站和享堂站的用水量和控制流域水土保持面积增量不大，其河流干旱主要受气候变化的影响；其余4 站主要受人类活动的影响，且下垫面的水土保持是贡献最大的因素。

表5 各水文站年尺度SREDI 指数的Kendall 检验结果

表6 各水文站季尺度SREDI 指数的Kendall 检验结果

由表6 可知：唐乃亥站四季的河流生态干旱加剧，但干旱趋势不显著；享堂站四季干旱程度加剧，但仅有夏季的干旱趋势显著；花园口站夏季干旱减弱，但趋势不显著，春季、秋季和冬季干旱增强，且秋、冬季趋势显著；林家村站四季干旱均显著加剧；张家山站的春季干旱减弱，其余三季呈加剧趋势，但只有秋季趋势显著；头站四季的干旱程度呈加剧趋势，但只有秋季的加剧趋势显著。

3.3.2 河流生态干旱突变分析

采用M-K 法对6 个水文站的SREDI指数序列进行突变性检验，取置信度α＝0.05，临界值为±1.96。 各水文站年尺度统计量曲线如图2 所示，可以看出，年尺度下各水文站均存在置信区间内的突变点，其中：唐乃亥站的突变年份为1994 年和2008 年，享堂站为2007年，花园口站为1985 年，林家村站为1992 年，张家山站为2003 年，头站为2004 年。 以上突变年份在1990 年和2000 年附近，表明研究区在20 世纪90 年代后均表现为干旱趋势。

图2 各水文站SREDI 指数序列的M-K 突变统计量曲线

季尺度的突变年份统计结果见表7，可以看出：唐乃亥站春季、秋季和冬季在1990 年和2010 年附近有两个突变点；享堂站夏季突变时间为2008 年，与年尺度接近；花园口站夏季突变点为1971 年，其余季节与年尺度近似；林家村站四季突变点均在1990 年附近；张家山站夏季和秋季的突变时间在2000 年左右；头站夏季和冬季的突变时间在2002 年左右。

表7 各水文站季尺度河流生态干旱指数突变年份汇总

20 世纪80 年代以来，黄河流域实施了大规模的水土保持生态建设、退耕还林还草以及煤矿开采、水利工程建设。 1981—2000 年，黄河流域气温普遍偏高，降水偏少，黄河主要支流径流量显著减小［23］。 这一时期黄河流域的气候变化和人类活动表明本研究得到的河流生态干旱突变结果是合理的。 结合前人的研究结果，唐乃亥站1994 年的突变可能与1986 年龙羊峡水库的修建有关；享堂站2007 年的突变可能与从大通河向甘肃秦王川输水的“引大入秦”工程有关［24］；花园口站和林家村站分别在1985 年和1992 出现显著突变，可能与1984 年以来实施的一系列水土保持措施，尤其是1985 年《黄河中游水土保持治沟骨干工程建设规划》实施有关；张家山站和头站分别在2003 年和2004 年发生突变，可能与2000 年后渭河流域城镇化进程加快导致的城镇用地剧增有关［25］。

3.3.3 河流生态干旱周期分析

各水文站年尺度SREDI指数序列的小波系数实部等值线（反映干旱不同时间尺度的周期波动情况）见图3，小波系数方差（峰值对应干旱序列的主周期，反映周期的波动能量）见图4。 由图3 可看出，唐乃亥站的干旱序列在5、12、23 a 附近的时间尺度上存在周期变化，享堂站的干旱序列存在12、28 a 尺度的周期变化，花园口站的干旱序列在13、22 a 附近存在周期变化，林家村站的干旱序列存在5、12、20 a 尺度的周期变化，张家山站的干旱序列存在4、14、20～26 a 尺度的周期变化，头站的干旱序列存在5、12～16、26～30 a尺度的周期变化。 各站干旱序列存在多种时间尺度的周期变化特征，且时间尺度越小周期震荡越明显、时间尺度越大周期波动越平稳。 由图4 可知，唐乃亥站存在23、12、7 a 的第一、第二、第三主周期，享堂站存在12、28 a 的第一、第二主周期，花园口站存在13、22 a的第一、第二主周期，林家村站存在32、19 a 的第一、第二主周期，张家山站存在14、4、24 a 的第一、第二、第三主周期，头站存在14、31、5 a 的第一、第二、第三主周期。

图3 各水文站河流生态干旱指数小波系数实部等值线

图4 各水文站河流生态干旱指数小波系数方差

季尺度下各水文站干旱指数的第一主周期统计结果见表8。 各站冬季的河流生态干旱指数周期较小，表明该季节流域生态水量丰枯交替频繁；花园口站四季第一主周期较小，表明该站控制流域生态干旱发生频率较高。

表8 各水文站季尺度河流生态干旱指数第一主周期 a

4 结 论

（1）研究区6 个水文站的年径流量均为下降趋势，除黄河上游的唐乃亥站以外，其余5 个水文站的下降趋势均较显著。

（2）根据径流量对生态需水的满足程度和当地自然社会条件，确定唐乃亥站、享堂站、花园口站和头站采用Tennant 法计算生态需水量，林家村站和张家山站采用Qp 法计算生态需水量。

（3）年尺度下除唐乃亥站河流生态干旱趋势不显著外，其余5 站均呈显著增大趋势，与径流量减小趋势一致。 季尺度下除花园口站夏季和张家山站春季干旱减弱外，其余各站各季干旱趋势均为加剧，且享堂站夏季、花园口站秋冬季、林家村站四季、张家山站和头站秋季干旱加剧趋势显著。

（4）年尺度各水文站生态干旱突变年份在1990年和2000 年附近。 季尺度下，唐乃亥春、秋季和冬季的突变在1990 年和2010 年；享堂夏季突变与年尺度接近；花园口夏季突变点为1971 年，其余季节与年尺度近似；林家村四季突变点均在1990 年附近；张家山春、夏季的突变情况与年尺度差别不大；头夏季和冬季的突变年份与年尺度差别不大。