基于IHA-RAV法的长江源区生态水文情势变化_李光录.pdf

第 40 卷 第 1 期2023 年 1 月长江科学院院报Journal of Changjiang iver Scientific esearch InstituteVol 40No 1Jan 2023收稿日期:2022 07 11;修回日期:2022 08 20基金项目:青海省科技计划资助项目(2020 SF 151)作者简介:李光录(1970 )，男，青海湟中人，高级工程师，主要从事江源水文分析计算研究。E-mail:1035810227 qq com通信作者:樊立娟(1987 )，女，甘肃张掖人，工程师，硕士研究生，主要从事生态流量分析研究。E-mail:Fanlj87 hotmail comdoi:10 11988/ckyyb 202208242023，40(1):37 42，50基于 IHA AV 法的长江源区生态水文情势变化李光录1，樊立娟2(1 青海省水文水资源测报中心，西宁810000;2 青海省海东市水务局，青海 海东810600)摘要:为评估长江源区河流水文情势变化及其生态效应，选用长江源区直门达水文站 19572021 年逐日流量资料，使用贝叶斯变点检验方法分析直门达水文站年平均流量突变发生时间，采用水文改变指标变化范围法(IHA-VA)综合评价直门达水文站在突变点前后改变程度，使用趋势坡度、Kendall 趋势检验以及去趋势波动分析法评价月均流量、年极值流量时间序列变化情况。结果表明:长江源区直门达水文站年平均流量在 2004 年发生变异。2004 年前后直门达水文站水文综合改变度为 37 2%，属于中度改变。月均流量综合为中度改变，各月流量均有不同程度的增加，增大了河道内水生生物栖息所需水量。流量极值综合改变度为低度改变，表明极端流量事件处于一个稳定的范围，在一定程度上维持了长江源区生态系统的稳定性;最小流量的增加更好地保障了流域生态流量。极端值出现时间为低改变度，对水生生物栖息地以及鱼类洄游影响较小。高、低流量脉冲频次均为低度改变，反映出长江源区干旱和洪涝发生次数减少，使得长江源区河道、河滩的受水情况趋于稳定;高、低脉冲历时变化又给源区河道及沿岸生态环境带来不确定的影响。流量上升率、下降率及逆转率均为低改变度，反映出长江源区流量改变程度较低，维持在生态系统相对稳定的状态。总体而言，长江源区河道生态环境有转好的趋势，增加的生态流量有利于维持长江源区生物多样性和生态系统的健康可持续发展。关键词:长江源区;生态流量;IHA 指标;水文情势;水文改变度;去趋势波动分析中图分类号:P333文献标志码:A文章编号:1001 5485(2023)01 0037 06Study on Ecohydrological egime Change in Headwaters of theYangtze iver by Using Indicators of Hydrologic Alterationand ange of Variability ApproachLI Guang-lu1，FAN Li-juan2(1.Qinghai Hydrology and Water esources Survey and Forecasting Department of Qinghai Province，Xining810000，China;2.Haidong Water esources Bureau，Haidong810600，China)Abstract:The aim of this study is to assess the changes in eco-hydrological regime and its ecological effect in theheadwaters of the Yangtze iver According to the daily flow data of Zhimenda Hydrological Station from 1957 to2021，we obtained the time of abrupt change in annual average flow of Zhimenda hydrological station via Bayes-ian change-point test，evaluated the abrupt change degree by using IHA-VA(Indicators of Hydrologic Altera-tion and ange of Variability Approach)，and then assessed the time-series changes of monthly average flow andannual extreme flow by using trend slope，Kendall trend test and detrended fluctuation analysisWe found that1)the average annual flow of Zhimenda hydrological station changed abruptly in 2004.2)The comprehensivehydrologic change degree reached 37.2%，implying a moderate change 3)The average monthly flow was mod-erately changed，and the average monthly flow increased in different degrees，which added to the available waterfor aquatic life in the river 4)The extreme values of flow were slightly changed，indicating that extreme flow e-vents remained in a stable range，which maintained the stability of the ecosystem in the headwatersThe in-长江科学院院报2023 年crease of minimum flow better guaranteed the ecological flow of the watershed 5)The occurrence time of ex-treme values was slightly changed，posing little impact on aquatic habitats and fish migration 6)The pulse fre-quency of high and low flows both changed to low degrees，which reflected that the frequency of drought andflood decreased in the headwaters of the Yangtze iver，sustaining the water reception of the river and river-banks The high and low flow pulse duration also brought about uncertain influence to the ecological environmentof river and riverbanks in the source region 7)The rising rate，declining rate and reversal rate of flow allchanged to low degrees，which indicated that the change degree of flow in the headwaters of the Yangtze iverwas low and maintained in a relatively stable state of the ecosystemIn general，the ecological environment inthe headwaters of the Yangtze iver showed a trend of improvement，and the increased ecological flow was con-ducive to maintaining the biodiversity and the healthy and sustainable development of the ecosystem in the sourceregionKey words:headwaters of the Yangtze iver;ecological flow;IHA indicators;hydrological regime;hydrologicchange degree;detrended fluctuation analysis1研究背景河流作为生态系统和国土空间的重要组成部分，是经济社会发展的重要依托和保障，具有重要的资源、生态和经济功能。河流生态流量作为维系河道生态功能、生态环境的重要因素，是衡量河流生态系统健康可持续发展的关键指标，是当前河道生态水文学研究热点之一。1996 年 icater等1提出水文改变指标 IHA(Indicators of Hydro-logic Alteration)，在河流生态水文情势变化规律研究和环境生态流量评估工作中得到了广泛应用2 5。长江源区地处青藏高原，其生态系统对气候条件的变化非常敏感6 7。合理评估江源河流水文情势变化及其生态效应，对研究长江源区气候变化响应机理和青藏高原生态文明建设具有重要研究意义。综合评价月均流量、年极值流量、流量高低脉冲和流量变化率、逆转次数等因素变化情势是评价河流生态系统的健康可持续发展程度的基础。近年来，对长江源区水文情势研究多集中在水资源量及径流年内分配变化情形分析8 9，鲜有源区环境生态流量变化情势的研究。本文分析长江源区直门达水文站年平均流量突变发生时间，采用 IHA 水文评价指标体系，提取流量均值、极值、高低脉冲频次在内的5 组32 项指标，使用变化范围法(ange of Var-iability Approach，VA)分析突变点前后源区生态水文情势改变情况。研究成果以期为长江源区水资源承载力、生态系统的健康可持续发展和生态脆弱性修复等提供有力的科学支撑。2数据与方法21研究区概况及采用数据长江源区位于青藏高原腹地，生态环境具有原始、敏感、脆弱等特点。长江源区包括通天河与巴塘河汇合口以上集水区域(见图 1)。本文选用长江干流控制站直门达水文站 19572021 年实测逐日流量资料，依照不同水文评价指标对河流生态系统的作用，分析长江源区生态水文情势变化。直门达水文站是长江干流水文站，测站附近海拔约 3 540 m，距离河源 1 140 km，控制面积 13 77 万 km2。图 1长江源区示意图Fig1Map of the source region of Yangtze iver22水文改变指标ichter 建立的 IHA 指标体系包括流量均值、极值、极值时间、频次和历时以及逆转率 5 个方面 33项特征值指标10 11。由于直门达水文站自 1957 年以来未发生断流情况，不考虑断流时间指标，共使用32 项指标分析长江源区河流生态效应变化规律，参数详见表 1。83第 1 期李光录 等基于 IHA AV 法的长江源区生态水文情势变化表 1水文改变指标法(IHA)指标及其生态效应Table 1Indicators of hydrological change and theirecological effects项目水文指标指标数量生态效应月均流量各月流量均值12水生生物栖息地的可利用性;陆地动物对水资源和食物的需求及筑巢地的可达性;影响水温、溶解氧、光合作用等年极值流量年内平均最大、最小1、3、7、30、90 d流量和基流指数11提供植物繁殖场所，重塑河道形态和栖息地，营养素在 河 流 与 泛 洪 平 原 的交换年极值流量出现时间年内最小、最大流量出现时间2对生存压力的预见性或躲避性，在繁殖期或避免被捕食而进入特殊栖息地的可达性，鱼类洄游产卵等高、低脉冲频次及历时高、低脉冲年内发生 次 数 及 平 均历时4水生生物对泛洪平原栖息地的需求，水禽对食物、生长和繁殖场所的需求，高流量对河床碎石输移沉积物质等的影响变化次数及逆转率流量变化率及逆转次数3干旱对植物的胁迫，缺水对河岸周边低移动性生物的胁迫注:基流指数定义为平均最小 7 日流量与年平均流量的比值;生态效应整理自 IHA 用户手册。23变化范围和水文改变度变化范围法(VA)12 选取变点前期水文序列变化上下限作为基础，评估变点前后水文情势变化情况，取各指标变点前期 25%和 75%分位数区间作为满足河流生态需求的范围，其单一指标和整体改变度计算公式为Di=N0i N()e/Ne 100%，D0=1NNi=1D2i。(1)其中:Ne=rNT。式中:Di和D0分别为第 i 个 IHA 指标和整体的水文改变度;N0i和Ne为变点后各指标满足河流生态需求条件的实际年数和预测年数;r 为变点前各指标满足河流生态需求条件的年数占总年数比;NT为变点后总年数;N 为指标个数。本文选取 ichter 水文改变度划分标准12 来评价直门达水文站在变点前后水文改变程度，判断标准见表 2。表 2水文改变程度Table 2Degrees of hydrologic changeDi(D0)/%改变程度 0，33)低度改变 33，67)中度改变 67，100高度改变24时间序列分析方法采用贝叶斯变点检验法，分析直门达站年平均流量突变发生时间，具体算法见文献 13 14。使用趋势坡度、Kendall 趋势检验15 以及去趋势波动分析法(Detrended Fluctuation Analysis，DFA)16 17 评价月均流量、年极值流量趋势变化和长程相关情况。具体计算步骤见参考文献 18 文献 19。3结果分析31流量均值变化情况使用贝叶斯突变检验法检验长江源直门达水文站流量均值变异情况，结果表明直门达站年均流量系列在 2004 年发生突变，在 2004 年以后呈现明显增加态势，见图 2。这与李其江20 采用有序聚类法、滑动 t 检验法、M-K 检验法等方法得出的结论一致。图 2年均流量贝叶斯检验概率分布Fig2Probability distribution of Bayesiantest for annual average flow32长江源区水文突变点前后水文改变度以 2004 年为界，定量分析长江源直门达水文站水文 改 变 度，以 19572003 年 为 基 准 期，分 析20042021 年各指标统计参数，直门达站各指标改变度计算指标见表 3。32 个 IHA 指标中，有 2 个高度改变指标、12 个中度改变指标、18 个低度改变指标。综合改变度为 37 2%，为中度改变。33月均流量变化由表 3 和图 3 可知，2004 年以来直门达水文站全年月均流量均有不同程度的增加，表明长江源区河道内水生生物栖息可利用水量增大，有利于提升水生生物适宜栖息地的数量和生物多样性等生态效应;其中 4 月份和 11 月份平均流量改变度分别为 90%和 70%，为高度改变，表明长江源区春、冬季径流增大，发生凌汛可能性增强。其他月份改变程度为中度改变和低度改变，改变次数分别为 4 次和 6 次。计算月均流量综合水文改变度为 46 8%，为中度改变。这表明长江源区汛期时间增长，汛期流量增加，有利于水生生物繁殖和下游河岸生态补水。93长江科学院院报2023 年表 320042021 年直门达水文站 IHA 指标改变度计算Table 3Statistics of IHA at Zhimenda Station from2004 to 2021水文指标均值阈值水文改变度 Di变点前 变点后25%下限75%上限数值/%程度1 月流量/(m3s1)6538125577310低2 月流量/(m3s1)65280456672420低3 月流量/(m3s1)7048926478540中4 月流量/(m3s1)13061989111514990高5 月流量/(m3s1)2582317220429910低6 月流量/(m3s1)547970183695696510低7 月流量/(m3s1)9944 1 19666501 17020低8 月流量/(m3s1)8736 1 23866281 05060中9 月流量/(m3s1)8018 1 1490 575599030低10 月流量/(m3s1)3955600230447860中11 月流量/(m3s1)161625691385185570高12 月流量/(m3s1)773106267286750中最小1 d 流量/(m3s1)51162743557740中最小3 d 流量/(m3s1)533651471760640中最小7 d 流量/(m3s1)5546804884618640中最小30 d 流量/(m3s1)609756541664940中最小90 d 流量/(m3s1)67584658975510低最大1 d 流量/(m3s1)1 9814 2 42501 4402 39020低最大3 d 流量/(m3s1)1 8903 2 32871 3702 27320低最大7 d 流量/(m3s1)1 7296 2 15221 2591 98940中最大30 d 流量/(m3s1)1 2997 1 68729061 61130低最大90 d 流量/(m3s1)9693 1 2752 74081 12640中基流指数01010122 9 0170 20低年最小值出现时间(儒略日)/d1223804024250低年最大值出现时间(儒略日)/d21572145193236100低低脉冲次数35282591低低脉冲历时/d26056334438600中高脉冲次数33312500低高脉冲历时/d3883661154400中上升率/(m3(sd)1)7289515900低下降率/(m3/(sd)1)92107117182低逆转次数11001159103115182低图 3变点前后月均流量变化对比Fig3Comparison of monthly average flow beforeand after the change point使用趋势坡度、Kendall 趋势检验法和 DFA 法对直门达水文站 19572021 年各月及年流量均值进行趋势和长程相关检验，结果见表 4。由 Slope 值及 Kendall 检验结果可知，直门达站各月流量及年流量均值均呈现上升趋势，除 7 月份和 8 月份外其他月值均通过 Kendall 显著性水平 0 05 的检验，表明直门达站 7 月份和 8 月份流量均值呈现不显著上升趋势，其他各月流量均值及年均值呈现显著性上升的趋势。由 DFA 计算 Hurst 指数分析长程相关性，除 6 月份流量均值 Hurst 指数 0 5 外，其他指标 Hurst 指数均 0 5，表明直门达站 6 月份流量未来变化趋势与现状变化趋势成反相关，未来呈现下降趋势，这可能与气候变化有关，需待进一步的研究。其他各月及年流量均值未来呈现持续增长趋势。未来流量的增加，更好地保障了区域生态流量，进而驱动生态环境向好发展。表 4直门达水文站 19572021 年月均流量时间序列检验Table 4Time-series tests for monthly average flow ofZhimenda Station from 1957 to 2021IHA 流量均值时间序列Kendall 检验(Z 统计)趋势坡度 Slope/(m3s1(10 a)1)DFA 法Hurst 指数1 月平均流量2533230702 月平均流量2723420633 月平均流量4114190714 月平均流量44213890955 月平均流量28816850616 月平均流量28247410447 月平均流量14229130728 月平均流量17665500569 月平均流量226665506910 月平均流量256359607511 月平均流量446198008212 月平均流量319561092年平均流量2932596072注:在显著性水平 005 下，Kendall 检验临界值为 196。34流量极值变化由表 3 和图 4 可知，2004 年以来直门达水文04第 1 期李光录 等基于 IHA AV 法的长江源区生态水文情势变化站各时段平均流量最小值和最大值的均值较2004 年之前均有不同程度的增加。高流量增大有助于维持水生生物适宜的水温、溶解氧和水化学成分，同时低流量增加可为源区水生生物提高更多的所需水量，有利于维持河道内生物多样性和生态系统的健康持续发展。各时段平均最小流量中除90 d 平均最小流量为低改变度外，其他均为中改变度。1、3、30 d 平均最大流量为低改变度，7、90 d 平均最大流量为中改变度。基流指数水文改变度为 0%，为低改变度。表明长江源区河道水量和地下水的互馈关系处于稳定状态。流量极值综合改变度为32 2%，为低改变度，表明长江源区极端流量事件处于一个稳定的范围，在一定程度上维持了长江源区生态系统的稳定性。最小流量增加可以为水生生物提供适宜的栖息地，同时更好地保障流域生态流量。图 4突变点前后最小、最大流量变化对比Fig4Comparison of minimum and maximum flowsbefore and after the change point表 5 为直门达水文站 19572021 年极值流量趋势检验长程相关统计。各时段平均流量最小值和最大值趋势坡度均为正，1、3、7 d 流量未通过Kendall 显著性水平 0 05 的检验，表明直门达水文站平均最小 1、3、7 d 流量呈现不显著上升趋势，平均最小 30、90 d 流量和各时段最大值通过 Kendall显著性水平 0 05 的检验，呈现显著增长趋势。各时段 平 均 流 量 最 小 值 和 最 大 值 Hurst 指 数均 0 5，结合趋势坡度分析，各年极值指数未来呈现持续增长趋势。基流指数呈现不显著下降趋势，Hurst 指数 0 5，表明基流指数未来将呈现增长趋势。表 5直门达水文站 19572021 年流量极端值时间序列检验Table 5Time-series tests for extreme flowsof Zhimenda Station from 1957 to 2021IHA 流量极值时间序列Kendall 检验(Z 统计)趋势坡度 Slope/(m3s1(10 a)1)DFA 法Hurst 指数平均最小 1 d 流量171205079平均最小 3 d 流量135194081平均最小 7 d 流量150215082平均最小 30 d 流量245282082平均最小 90 d 流量314370071平均最大 1 d 流量2369351069平均最大 3 d 流量2389179067平均最大 7 d 流量2168153071平均最大 30 d 流量2006545073平均最大 90 d 流量2085530069基流指数18200104035年极端值出现时间由表 3 可知，年最小流量出现时间变化较大，出现时间均值提前，水文改变度为 25%，属低改变度。但长江源区最小流量呈现增加态势，对水生生物影响较小。年最大值出现时间变化较小，水文变化度为 10%，属低度改变。极端值出现时间综合改变度为 19 0%，属低度改变，表明对水生生物栖息地以及鱼类洄游影响较小。36年高低流量脉冲频次及历时由表 3 和图 5 可知，高、低流量脉冲频次均值减少，均为低度改变。在一定程度上反映出长江源区干旱和洪涝发生次数减少，使得长江源区河道、河滩的受水情况趋于稳定，有利于该区域生态系统平衡、健康发展;低脉冲历时均值增加，高脉冲历时均值减少，均为中度改变，反映出源区河道内枯水和洪水过程持续性增强，给源区河道及沿岸生态环境带来不确定的影响。高低流量频次及历时综合改变度为36 3%，属中度改变。37变化次数及逆转率由表 3 可知，流量上升率、下降率及逆转率均值绝对值增大，均属低度改变。在一定程度上反映出河道流量波动幅度和频率增强，对河流生物和河岸带生物、景观产生一定影响。水生动物在高流量脉冲刺激下开始产卵，水生植物在高流量脉冲时期获得充足的水源，低流量脉冲则为下一个周期的高流量脉冲做准备。变化次数及逆转率综合改变度为 14 9%，为低度改变。这表明长江源区流量改变程度较低，维持在生态系统相对稳定的状态。14长江科学院院报2023 年图 5变点前后高低脉冲频次及历时Fig5High and low flow frequencies and durationsbefore and after the change point4结论(1)长江源区直门达水文站年均流量在 2004年发生变异，2004 年以后呈现明显增加态势。(2)以 2004 年为界，统计 IHA 指数，定量分析水文改变度，结果表明直门达水文站 IHA 指数综合改变度为 37 2%，属于中度改变。(3)全年月均流量均有不同程度的增加，反映出长江源区河道内水生生物栖息可用水量增大，有利于提升水生生物适宜栖息地的数量和生物多样性;其中4 月份和 11 月份平均流量改变度分别为 90%和70%，为高度改变，表明长江源区春、冬季径流增大，发生凌汛可能性增强。计算月均流量综合水文改变度为468%，为中度改变。表明长江源区汛期时间增长，汛期流量增加，有利于水生生物繁殖和下游河岸生态补水。同时趋势和长程相关检验结果表明除 7月份和8 月份流量均值呈现不显著上升趋势，其他各月流量均值及年均值呈现显著性上升的趋势。(4)流量极值综合改变度为低改变度，表明长江源区极端流量事件处于一个稳定的范围，在一定程度上维持了长江源区生态系统的稳定性。最小流量增加可以为水生生物提供适宜的栖息地，同时更好地保障了流域生态流量。(5)极端值出现时间综合改变度为 19 0%，属低度改变，表明对水生生物栖息地以及鱼类洄游影响较小。(6)高、低流量脉冲频次均值减少，均为低度改变。在一定程度上反映出长江源区干旱和洪涝发生次数减少，使得长江源区河道、河滩的受水情况趋于稳定;高、低脉冲历时变化给源区河道及沿岸生态环境带来不确定的影响。(7)流量上升率、下降率及逆转率均属低改变度。在一定程度上反映出长江源区流量改变程度较低，维持在生态系统相对稳定的状态。长江源区受人类活动的干扰较少，气候变化是影响生态系统稳定性的主要因素，分析 IHA 指标变化情况，表明长江源区环境流量组分与水文情势发生一定变化，IHA 指数综合改变度为 37 2%，属于中度改变。长江源区河道生态环境有转好的趋势，增加的生态流量有利于维持长江源区生物多样性和生态系统的健康可持续发展。未来气候变化可能会进一步影响长江源区生态系统的健康状况，但 IHA 指标体系对生态系统的影响评估只是通过水文指标进行间接的反映，而忽视了生态系统的整体性。今后需加强长江源区生态系统整体变化情况研究，开展归因分析，深入分析各指标生态响应机理，优化评价指标体系，以提高河流生态系统保护和水资源管理效能。参考文献:1 ICHTE B D，BAUMGATNE J V，POWELL J，et alA Method for Assessing Hydrologic Alteration within Eco-systems J Conservation Biology，1996，10(4):1163 1174 2 郭文献，胡鉴闻，王鸿翔 乌江流域径流变化特征及归因识别 J 水电能源科学，2022，40(5):14 50(下转第 50 页)24长江科学院院报2023 年40(1):63 68 14 刘树桦，王建学，李清涛，等 多能互补复合电站的优化配置及其在系统电源规划中的应用 J 电网技术，2021，45(8):3006 3015 15 齐晓光，姚福星，朱天曈，等 考虑大规模风电接入的电力系统混合储能容量优化配置J 电力自动化设备，2021，41(10):11 19 16 闻昕，孙圆亮，谭乔凤，等 考虑预测不确定性的风 光 水多能互补系统调度风险和效益分析 J 工程科学与技术，2020，52(3):32 41 17 刘娟楠，王守国，王敏 水光互补系统对龙羊峡水电站综合运用影响分析 J 电网与清洁能源，2015，31(9):83 87 18 张蓓，朱燕梅，马光文，等 考虑新能源的梯级水电中长期调度策略研究J 水电能源科学，2020，38(11):67 71 19 张歆蒴，黄炜斌，王峰，等 大型风光水混合能源互补发电系统的优化调度研究 J 中国农村水利水电，2019，446(12):181 185 20 明波，李研，刘攀，等 嵌套短期弃电风险的水光互补中长期优化调度研究 J 水利学报，2021，52(6):712 722 21 明波，黄强，王义民，等 水 光电联合运行短期调度可行性分析 J 太阳能学报，2015，36(5):2731 2737 22 HUANG K，LIU P，MING B，et al Economic Operation ofa Wind-Solar-Hydro Complementary System 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