考虑IHA位置信息的水文情势变化评估方法

叶云鹏，王龙飞

(1.沧州市人防指挥信息保障中心，河北 沧州 061001；2.黑龙江省水利科学研究院，黑龙江 哈尔滨 150080)

1 改进的RVA评价方法

改进的RVA方法包含以下3个部分：(1)利用原始的RVA方法计算频次变化D。(2)利用一级连通度指数与Tanimoto相似度计算出各年份IHA指标位置分布的改变度TS。(3)计算河流的整体改变度OA。

1.1 原始RVA法

利用突变前后各指标落在25%～75%统计范围内的年数进行频次变化计算，第i个IHA指标的频次改变度Di的计算如式(1)[1]：

(1)

式中：Ni为变化后第i个指标落于统计范围内的年数；Ne是落于统计范围内的期望年数。

河流水文情势的整体频率改变度D的计算如式(2)：

(2)

式中：n为选择进行评估的IHA指标的数目，在本研究中选取32个指标，因泾河流域在1961—2010年未发生断流事件，故不考虑断流天数的影响。

1.2 指标位置分布相似度和改变度计算

本文引入一级连通度指数来对各指标的位置信息进行量化，利用Tanimoto相似度来评判变化的程度。

(1)一级连通度指数。一级连通度指数可以反映信息的连续情况，在道路交通及基因比对等方面已经有广泛应用[2]。首先对IHA指标进行标准化处理，按照河流生态承载力将各指标划分为3个范围L1 =(p0，p25)，L2=(p25，p75)，L3=(p75，p100)。其次，统计各指标落在L2范围的情况，第t个年份的一级连通度指数计算如式(3)：

(3)

式中：Idt为各指标在第t个年份的一级连通度指数；k为总年数，a；σj为同一范围内相邻两个位置之间的标准化位置积。

(2)Tanimoto相似度。Tanimoto相似度常被用于对比两个基因序列的相似性，可以用来对比数列中元素位置的相似性。对于参与比较的2m年数据(变化前及变化后各有m年)，变化前与变化后两个序列T1、T2的Tanimoto相似度TS1，2计算如式(4)[3]：

(4)

TS的值在0～1之间分布，数值越大表示两个序列越相似。

河流水文情势的整体IHA分布情况改变TA计算如式(5)：

(5)

式中：m为变化前或变化后参与比较的年数；TSi为变化前第i年与变化后第i年IHA指标分布的变化度。

1.3 河流水文情势整体改变度及等级评估

河流水文情势整体改变度计算应当同时考虑IHA指标的频次变化与IHA指标分布情况的变化。定义整体改变度计算如式(6)：

OA=1-(1-D)(1-TA)

(6)

利用单个指标或整体改变度的数值能够确定水文情势改变的等级：改变度在0～0.33定义为无改变或低度改变；在0.33～0.67定义为中度改变；在0.67～1.00定义为重度改变。

2 研究区及资料情况

泾河属于黄河流域渭河水系的一级河流，发源于宁夏回族自治区泾源县，流经宁、甘、陕3省31县市，全长455.1 km，总落差2180 m，流域控制面积45 421 km2。气候为典型的温带大陆性气候，多年平均降水量为350～650 mm。降水主要集中在夏秋季的7—9月份，占全年降水总量的72%～86%，且期间多发强度较大的暴雨，最大1 d和3 d的降水可占年降水量的9.2%和30.5%；春季和冬季降水稀少。泾河流域的生态系统较为脆弱，水土流失、水资源短缺、植被涵养能力差等问题严重威胁流域生态系统的稳定性。因此，正确评估泾河的水文情势变化对区域生态健康具有举足轻重的意义[4]。泾河流域概况如图1所示。

图1 泾河流域概况

本文选取了1961—2010年泾河流域张家山水文站的逐日实测平均流量进行分析，资料均来源于泾渭河流域水文年鉴。

3 结果及讨论

3.1 径流突变点检验

突变分析方法选取累积距平法[5]，计算结果如图2(a)所示。泾河径流在1986年前后发生了显著跳跃，显著性检验值为|T|>T(0.05/2)。因此，选取1961年～1985年数据作突变前序列，1986—2010年作为突变后序列，突变前后径流情况如图2(b)。

图2 泾河流域1961—2010年径流突变分析

3.2 原始RVA结果分析

原始RVA结果如表1所示，从表中可以看出该流域的月径流量均有明显地减少，其中9—11月的减少程度最大。在第二组的IHA指标中，最小流量有较大程度的改变，最高改变量可达-78.1%，而最大流量相对改变幅度小一点，这说明该流域的生态流量的维持正遭受严峻考验。在突变后年最小值的时间提前了12 d，年最大值出现时间推迟了2 d。相应的，年低流量发生次数增多了60%，但平均延时没有显著变化，高流量次数减少了25%，延时减少16.7%，说明该流域流量整体出现减少的情况。第五组指标流量涨落水率改变幅度不高，但逆转次数增加了26%。整体而言，IHA指标大多呈减少趋势，且多数指标减少幅度大，说明该流域水文生态状况改变明显。通过传统RVA评估，有3个指标达到重度改变，16个指标为中度改变，13个指标为低度改变。

表1 IHA指标统计及原始RVA结果

3.3 位置分布改变情况及整体变化度评估

为了直观描述连通度，将突变前、后的指标分布通过热力图画出，结果见图3。不同的分区(L1，L2，L3)被分别标上了不同的颜色，黑色代表指标在L2区域。由此可见，连通度即为落在L2区域指标的联通程度，因此可作为指标分布情况的一种表征。从图3可看出，突变前后指标连通度变化非常明显，尤其是在突变后的后半时期，分布在L2区域的指标多集中在后面几个指标。因此，即使是突变前、后落在L2区域的指标数目相同，但是其指标分布也有可能是不同的，例如1972年与2004年落在L2区域的指标数均是9个(三角所指列)，在这种情况下原始RVA计算结果为无变化，但从图中可看出，1972年前6个月的流量指标有5个处于L2区域，但2004年前6个月的流量指标仅有1个处于L2区域，这种差异明显对生态造成的影响不同。

图3 突变前后指标分布热力图

对各年份IHA指标的位置变化及泾河水文情势整体改变度进行计算，结果如表2所示。仅从各范围的统计来看，多数指标落入的范围发生了改变，整体呈现向L1区域迁移的趋势，这与径流突变后水量降低有关。尤其是1995年以后，原属于L2区域的指标整体向L1区域迁移，说明1995年前后可能是一个潜在的突变点，河流的水文情势也发生了改变。采用传统RVA法计算的水文情势改变度为0.36，改变等级属于中度改变；利用Tanimoto相似度计算的IHA指标分布情况的改变度为0.30，属于低度改变；这说明相较于径流各种特征发生变化的差异而言，各指标内部的量级变化是主导水文情势改变的因素。经过整体水文情势的评估，泾河流域水文情势的整体改变度为0.56，改变等级仍属于中度改变，尽管等级未发生改变，但可以看出原始RVA方法对河流水文情势的改变存在低估。

表2 突变前、后指标变化情况统计及水文情势改变度

3.4 评价结果合理性分析

为进一步验证本方法的合理性，采用突变后径流资料前后年份交换的方法假设了12种情景。在第一个情景中，第1和第25年数据发生交换，即1986年的径流过程和2010年的径流过程进行对调。第2个情景是交换第1年与第25年以及第2年与第24年，依此类推。对各种情景下原始RVA与考虑IHA指标分布的改进RVA法的表现进行分析，结果见图4。

图4 不同假设情境下原始RVA与改进RVA结果对比

由图4可见，原始RVA未考虑IHA指标的位置变化，所以取值未发生变化。而考虑IHA指标分布变化的改进RVA法在每种不同情景下均有或多或少的变化，能够有效地对不同变化情况的水文情势变化度进行区分。

4 结 论

(1)泾河流域1961—2010年的径流在1986年左右发生突变，且在1996年左右存在潜在的突变点。

(2)原始RVA法未考虑突变前后IHA位置的变化，对河流水文情势改变度有所低估，本文提出的方法有效地解决了该问题。

(3)泾河近50年水文情势发生了中等程度的改变，频次改变度为0.36，IHA指标分布情况改变度为0.30，整体改变度为0.56，亟须生态保护。

对不同的河流，造成其水文情势改变的因素不同，未来可利用本方法对其他河流进行评估。