大宁河巫溪段水文变异归因及其环境流量组分变化分析.pdf
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1、水利水电技术(中英文)第 54 卷 2023 年第 9 期Water Resources and Hydropower Engineering Vol.54 No.9彭娟莹,于子铖,付意成.大宁河巫溪段水文变异归因及其环境流量组分变化分析J.水利水电技术(中英文),2023,54(9):86-98.PENG Juanying,YU Zicheng,FU Yicheng.Attribution of hydrological variability in the Wuxi section of the Daning River and analysis of its environmental
2、flow component changesJ.Water Resources and Hydropower Engineering,2023,54(9):86-98.大宁河巫溪段水文变异归因及其环境流量组分变化分析彭娟莹1,于子铖2,3,付意成3(1.长沙环境保护职业技术学院,湖南 长沙 410004;2.河北工程大学,河北 邯郸 056038;3.中国水利水电科学研究院,北京 100038)收稿日期:2023-01-04;修回日期:2023-04-17;录用日期:2023-04-24;网络出版日期:2023-05-08基金项目:湖南省科技重大专项(2018SK1010);国家重点研发计划(
3、2016YFC0401606,2016YFC0401408)作者简介:彭娟莹(1981),女,高级工程师,硕士,主要研究环境污染物检测与治理。E-mail:1761174976 通信作者:于子铖(1993),男,讲师,博士,主要从事于河湖生态保护与修复的研究。E-mail:761014057 Editorial Department of Water Resources and Hydropower Engineering.This is an open access article under the CC BY-NC-ND license.摘 要:【目的】为科学探究流域水文情势变化驱动因子
4、,识别受损河流生态退化驱动机制,【方法】以长江一级支流大宁河为研究区域,基于巫溪水文站 19722016 年长序列水文、土地利用、水利工程建设等数据,利用过程线、一维动态豪斯道夫分维数、Mann-Kendall 检验、有序聚类、滑动 T 检验、滑动秩和检验等数理统计方法进行变异点分析及确定,结合实地调研、查阅当地县志等资料,通过对降雨径流关系、土地利用类型时空变化、小水电建设特征要素的分析论证。【结果】明确了区域水文一致性在 1983 年、2005 年发生变异,区域水文变异驱动因子为小水电的兴建及运行,2005 年后新建的小水电可占区域小水电数量的 68.23%;基于 IHA 软件定量分析变异
5、前后环境流量组分变化,发现大洪水组分变化最为剧烈,现状(变异后)大洪水出现次数为 0,月低流量组分变化较小,改变度均为超过 25,【结论】从而为后续变化环境下水文-生态响应关系、以河湖生态复苏为导向的水资源调配与管理的相关研究提供理论支撑。关键词:水文变异;驱动因子;流量组分;大宁河;小水电;土地利用DOI:10.13928/ki.wrahe.2023.09.008开放科学(资源服务)标志码(OSID):中图分类号:P333文献标志码:A文章编号:1000-0860(2023)09-0086-13Attribution of hydrological variability in the Wu
6、xi section of the Daning River and analysis of its environmental flow component changesPENG Juanying1,YU Zicheng2,3,FU Yicheng3(1.Changsha Institute of Environmental Protection Technology,Changsha 410004,Hunan,China;2.Hebei Engineering University,Handan 056038,Hebei,China;3.China Institute of Water
7、Resources and Hydropower Research,Beijing 100038,China)Abstract:ObjectiveTo scientifically explore the driving factors of hydrological regime change in the basin and identify the driving mechanism of ecological degradation of damaged rivers.MethodsThis paper takes the Daning River,a first-class trib
8、u-68彭娟莹,等/大宁河巫溪段水文变异归因及其环境流量组分变化分析水利水电技术(中英文)第 54 卷 2023 年第 9 期tary of the Yangtze River,as the study area,based on the long series hydrology,land use,and water conservancy construction data from 1972 to 2016 at Wuxi hydrological station,and uses mathematical and statistical method such as process l
9、ine,sliding t-test,one-dimensional dynamic Hausdorff fractional dimension,Mann-Kendall test,ordered clustering,and sliding rank sum test to analyze and determine the variation points,combined with field research.Through the analysis of rainfall-runoff relation-ships,spatial and temporal changes in l
10、and use types,and the characteristics of small hydropower construction.ResultsIt is clear that the variation of regional hydrological consistency occurred in 1983 and 2005,and the driving factor of regional hydrolog-ical variation was the construction and operation of small hydropower.After 2005,the
11、 newly built small hydropower accounts for 68.23%of the total number of small hydropower in the region.Based on the quantitative analysis of environmental flow compo-nents before and after the variation,it is found that the major flood component has the most drastic change.The occurrence times of ma
12、jor flood in the current situation(after the variation)is 0,and the monthly low-flow component has little change,and the variation degree is more than 25%.ConclusionTherefore,it provides theoretical support for the research on the relationship between hydrology and ecological response under the subs
13、equent changing environment and the allocation and management of water resources guided by the ecological recovery of rivers and lakes.Keywords:hydrologic variability;drivers;flow components;Daning River;small hydropower;land use0 0 引引 言言 我国幅员辽阔,区域水文水资源问题复杂多样。在变化环境下,水文系统的变化一般是由自然(气候、自然地理条件)变化、人类扰动共同
14、作用而导致,近些年随着社会经济的快速发展,人类扰动通常被认为是引起变异的主要驱动因子1。天然的水文循环受到人类扰动,原有的自然规律被破坏,从而致使水文系统发生改变,其中一个最大的表现就是天然水文时间序列的一致性被破坏。水文时间序列在某个时间节点前后,统计规律会发生显著的变异,这一变化时刻称为水文过程变异点2-3。关于变异点诊断的方法很多,如 Mann-Kendall 检验法、有序聚类法、滑动秩和检验法、Brown-Forsythe 检验法、游程检验法、滑动 T 检验法、累积距平法、滑动 F 检验法、Pettitt 法、Lee-Heghinan 法、Bayesian 变点分析法、R/S 分析法与
15、 Hurst 指数等2-7。为避免单一方法的局限性,谢平对水文时间序列展开了初步、详细、综合的变异分析,初步分析是对水文序列的随机性进行分析,详细分析为采取多种方法推求可能存在的变异点,最后通过综合对分析进行确定7;孔波等4采用 Mann-Kendall 变异诊断法和有序聚类法,诊断了北洛河流域枯汛交替期、汛期、汛枯交替期、枯期等分期径流系列变异点并划分了变异等级;陈隆吉等5借用信息熵构建洪水过程均匀度模型,然后采用水文变异诊断系统分析洪水过程均匀度序列的变异规律;徐淑琴等2利用水文变异诊断分析水文时间序列,确定人类不同扰动下的时间节点,并考虑东北地区具有冰封期的特点,推求了混合时间尺度下的天
16、然、次天然及现状生态径流过程;为增加变异检验的可信程度,刘剑宇等8采用有序聚类、Mann-Kendall检验、累积距平等 8 种方法对水文变异点进行分析。总体上,关于水文变异诊断方法的研究呈现多元化与多样化的趋势。水文过程在人类、生态系统之间起着至关重要的连载作用,人类扰动水文过程,进而影响生态系统。反之,生态系统的变异也会影响水文情势的变化,进而使水文规律发生变异,偏离天然水文状态,从而影响人类社会。要实现人水和谐以及平衡三者之间的互馈关系,需了解其作用机理,明确其水文变异原因9-10。引起水文变异的因子一般包括气象条件、水利工程、社会总耗水量、水土保持、土地利用等,不同区域需具体分析9-1
17、1。流量组分是联系水文过程和生态过程的重要概念,描述了水文情势的不同部分与生态系统的相关性12。常俊超等13基于 IHA/RVA方法,探究变化环境下黄河中游环境流量组分与水文情势变化情况;管新建等14利用 IHA/RVA 方法进行了环境流量组分与水文生态特征分析,揭示了在水文变异后流量年平均值有所增加,低流量和高脉冲环境流量成分占比较大;张远等15利用 FLOWS 法,以鱼类为保护目标,构建了流量组分与鱼类生态需求关系模型,计算了包含基流、脉冲流、平滩流和漫滩流4 种组分在内的河流环境流量。本文以大宁河巫溪水文站控制流域为研究区域,以长序列水文数据为基础,依据初步、详细、综合分析的路径,利用过
18、程线法、Mann-Kendall 检验法、有序聚类、滑动秩和检验等数理统计方法,科学确定水文变异点,结合区域降雨、土地利用、水利工程建设等数据,统筹考虑降雨-径流关系、土地利用时空分78彭娟莹,等/大宁河巫溪段水文变异归因及其环境流量组分变化分析水利水电技术(中英文)第 54 卷 2023 年第 9 期 图 1 研究区域Fig.1 Study area map布变化、小水电数量与累积装机容量变化趋势,利用定性与定量相结合的手段探究水文变异的主要驱动因子,基于 IHA 软件定量分析变异前后环境流量组分变化。以期为区域水资源规划及管理、水生态系统恢复、水环境持续改善、水文预测等提供相关依据。1 1
19、 研研究究区区域域概概况况大宁河地处东经 108 4410959,北纬 30143144之间,位于重庆市巫溪、巫山两县境内,全长为 162.0 km,流域面积为 4 181.0 km2。本次研究区域为大宁河巫溪段(见图 1)。巫溪县位于长江上游,属重庆市管辖,在其 东 北 部。据 统 计,从 每 年3 月的中下旬开始,降雨量会逐渐增加,径流也随之呈增大的趋势,4 月是汛前过渡期,在 59 月会进入主汛期,径流量会出现大幅增加。本文依据向当地相关部门收集到的巫溪水文站19722016 年水文径流、降雨数据,诊断分析大宁河巫溪段水文变异状况。巫溪水文站于 1972 年设站运行,位于巫溪县的城厢镇、
20、大宁河干流,是大宁河中上游来水的重要控制站,控制区域面积约为2 440.15 km2,水 系 包 括 东 溪 河、西 溪 河、后 溪河等。2 2 研研究究方方法法2.1 水文变异分析方法2.1.1 初步分析初步分析采用过程线法与一维动态豪斯道夫分维数法。过程线法依据目估,从而定性观察水文序列随时间变化的波动状况,以此初步判断序列的随机性;一维动态豪斯道夫分维数法源自分形理论,分形理论主要研究自然界的不规则现象及其内在规律,水文过程具有非线性与随机性,随机的径流流量过程表现出非线性的分形理论特征16-17。2.1.2 详细分析推求水文变异的方法有很多,考虑单一检测方法存在局限性,本文基于对研究数
21、据的初步分析,结合水文时间序列趋势与突变分析系统18,筛选出Mann-Kendall 检验法、有序聚类法、滑动 T 检验法、滑动秩和检验法进行巫溪水文站上游水文变异点进行详细分析。其中 Mann-Kendall 检验法为非参数检验方法,不需要样本遵从一定的分布,也不受少数异常值的干扰;有序聚类法旨在寻求左右分割点,需进一步对分割样本进行检验;滑动 T 检验法计算简单,考察两组样本均值的差异显著性;滑动秩和检验法不需要推求总体参数,对总体分布也没有特别要求。所选方法判断核心均为跳跃检验,对水文序列要求不高,具有较强的适用性19-21。Mann-Kendall(以下简称 M-K 法)检验法是一种非
22、参数统计检验方法,对于具有 n 个样本量的时间序列 x,构造一组秩序列22,秩序列 Sk表示的是第 i时刻的数值大于 j 时刻的累计数。在时间序列随机独立的假定下,定义统计量 UFk。UFi代表标准正态分布,在按照时间序列 x 的顺序 x1,x2,xn下,推求统计量序列,结合显著性水平 下,查阅正态分布表,如果 UFiU,则表明序列存在显著变化。按x 逆序 xn,xn-1,x1,再次重复上述过程,与此同时令 UBk=-UFk(k=n,n-1,1),UB1=0。如果 UFk或 UBk的值均大于 0,那么可以说明序列呈上升的趋势,反之则说明呈现下降的趋势,超过临界直线(如=0.5,则临界值为 u0
23、.05)时,说明变化趋势明显。超过临界曲线的范围确定为出现突变的时间范围,UFk和 UBk两曲线的交点(在临界值内)为序列突变点;有序聚类法的实质为寻求序列的最优分割点,原则是保证同类型之间的离差平方和较小23-24;88彭娟莹,等/大宁河巫溪段水文变异归因及其环境流量组分变化分析水利水电技术(中英文)第 54 卷 2023 年第 9 期滑动 T 检验法通过查验两组样本均值的差异是否显著来判定突变点,设 x 为具有 n 样本量的时间序列,基于实际分析,人为设置一个基准点,将 x 分为具有样本 n1的 x1、n2的 x2,从而定义统计量 T24;滑动秩和检验法是水文序列变异诊断的主要方法25,首
24、先设定一个分割点 0,建立 0前后两个序列的分布函数 F1(x)、F2(x),然后从两个序列中依次抽取样本,样本容量为 n1、n2,令检验的原假设 F1(x)=F2(x),再次确定 n1、n2样本中的秩,最后,令 n1、n2的秩和为 T,然后对统计量 T 进行检验,当 n1、n2-n1超出查表范围,可以用近似 U 检验。2.2 变异归因分析 大宁河位于三峡库区,但大宁河巫溪段,尤其是巫溪水文站上游流域,水文情势受到三峡电站调节运行的影响可以忽略,不作为该流域水文变异考虑因素26-27。结合 20182021 年对研究区域的实地调研、询问当地相关人员、查询当地县志等相关资料,研究区域气温、社会总
25、耗水量、水土保持近些年均为发生较大改变,因而以下从降雨、水利工程、土地利用 3 方面进行水文变异驱动因子分析。径流量受流域降雨与下垫面的共同影响,通常在无人为影响的阶段,径流量与降雨的变化趋势一致,具有较好的相关性。因此,首先对降雨数据进行突变检验;其次,建立区域降雨径流关系,明晰是否存在人为影响;最后,分析土地利用、水利工程建设变化是否与水文变异点一致,从而确定区域水文变异主要驱动因子。2.3 环境流量组分变化分析 IHA 将环境流组分分为 34 个指标(EFC),其释义与生态学意义如表 1 所列。利用 IHA 软对所有日流量数据按升序排频,取前 50%为低流量事件,最小的 20%被划分为月
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