摘要:考慮水文非一致性變異提出河道內基本生態流量閾值的計算方法與模型，并將其應用于湟水干流上游西寧斷面進行例證。采用Mann-Kendal檢驗和滑動t檢驗進行水文非一致性變異綜合診斷，經還原修正以水文變異前天然流量過程為基準，分別利用廣義極值分布流量眾值法、歷時曲線法、改進年內同頻率展布法計算河道內生態流量過程，取其外包線作為河道內基本生態流量閾值。結果表明，西寧站年徑流量時間序列突變點是2000年，經還原修正，利用天然徑流資料計算得到西寧站枯水期、平水期、豐水期的基本生態流量閾值下限均值分別是11.0、17.6和27.5m3/s，閾值上限均值分別是17.0、35.6和56.0m3/s。與已有結果對比，生態流量閾值計算方法具有一定的合理性，更加貼近具有季節性的湟水干流水文生態系統。

　　關　鍵　詞：基本生態流量;水文非一致性變異;流量閾值

　　河流生態系統具有開放性、流動性、隨機性、復合性和連續性，水文、氣象、地貌、地質、水質等都是其重要的生態因子，其中水文因子對河流生態系統具有顯著影響，流量、水深、流速、水溫、泥沙等都是水生態系統的函數[1]。根據歷史流量計算河道內生態流量的方法稱為水文學法[2-3]，該方面國內研究成果較多。但是水文學法計算生態流量的前提是保證水文資料的一致性，在“自然-社會”二元水循環模式下，考慮氣候變化及人類活動綜合影響，在水文非一致性變異分析及還原基礎上，利用天然流量過程進行河道生態系統需水量計算非常必要[4]。

　　生態系統論文范例：基于禽畜養殖水體污染現狀構建沼氣蓄熱溫室生態系統研究

　　Bunn等[5-6]提出天然流量的動態過程對維持河流生物多樣性和生態系統完整性具有重要意義，包括低流量、高流量、不同量級洪水及流量脈沖等組分，以保證河道不斷流，為水生生物產卵、洄游、生長提供適宜的生境條件，而僅僅維持河流中的最低流量難以保證河流生態系統健康[7]。河道內基本流量要維持河流廊道生態系統基本功能，保證營養物質以河流為載體進行交換、擴散、轉化、累積與釋放。一定量級的洪水及其洪水脈沖也會傳遞特殊的生命信號，生物根據這種信號進行繁衍、產卵和遷徙，而超大洪水又會破壞河流生態系統。

　　根據生物生長發展所遵循的耐受定律，當生態流量超過其上下限時就會使生物群落退化或關鍵物種死亡。由此可見，河道內基本生態流量應具有合理的閾值[8]。本文在考慮水文非一致性變異的基礎上，參考已有學術成果，認為僅僅維持河流中的生態基流難以保證河流生態系統健康，故提出基本生態流量閾值計算方法與模型，并將其應用于湟水干流上游西寧斷面進行例證。基本生態流量閾值下限是為了維持生態系統發揮正常功能所需要的水量(即生態基流)，上限是為了維持河流本土生物多樣性和生態系統的完整性。

　　1研究區域與數據來源

　　湟水干流發源于青海省海晏縣境內祁連山系大坂山南坡，自西北流向東南，干流全長374km，流域面積32863km2，水資源總量為22.74億m3。西寧以上為上游，河段長約174km，控制流域面積9022km2，多年平均徑流量13.10億m3，西寧水文站距河口約200km。湟水干流上游水資源在年內、年際分配不均，河流汛期來水集中，約占全年水量的60%，年最大徑流與最小徑流的極值比為1.7~9.5。

　　區域內主要的中型水庫有東大灘水庫、盤道水庫和大南川水庫，其中東大灘水庫是目前湟水干流上游最大的調節型水庫。海晏至西寧段已建成15座水電站，水電梯級開發使得河流縱向連通性遭到破壞。區域內水資源開發利用率高，人類活動影響較大，水利工程對河流水文、地貌形態、生物棲息地脅迫效應顯著，河流廊道生態功能嚴重退化，珍稀瀕危魚類棲息地嚴重萎縮，河谷生態系統及沿岸景觀遭到不同程度破壞。

　　本文重點研究湟水干流西寧站水文斷面河道內基本生態流量閾值，西寧站1954—2018年共65年長系列實測徑流資料由青海省水文水資源勘測局提供。研究所需其他數據來源于《青海省水資源公報》《湟水流域綜合規劃》《湟水九縣市水資源評價及優化配置》和《青海省第一次水利普查》等資料。

　　2水文非一致性變異診斷

　　水文學方法必須建立在未來與過去水文時間序列一致的基礎上，以歷史水文數據為基準計算生態流量，而在氣候變化和人類活動影響下，河流水文情勢的一致性被嚴重破壞。水文時間序列變異分析的重點是識別和診斷變異可能發生的時間節點，為還原計算提供依據。

　　本次采用Mann-Kendal(M-K)檢驗和滑動t檢驗兩種方法[9]綜合診斷1954—2018年間西寧站實測年徑流量系列變化趨勢及突變點。采用M-K檢驗法所得檢驗結果，UF<0說明徑流量基本呈減少趨勢，且1980—1982年減少趨勢最顯著，與上游東大灘調節水庫1981年底建成蓄水有關。通過計算可得系列整體顯著性水平為0.764，整體趨勢的變化速率為−0.161。

　　M-K檢驗曲線中UF與UB統計量沒有交叉點，即在時間統計意義上年徑流序列不存在明顯突變點。進一步采用滑動t檢驗法所得檢驗結果，1970、1982、1990、2000和2006年均達到局部極值點，但2000年t統計量最大且大于0.01顯著性水平檢驗臨界值，故可診斷年徑流量時間序列從2000年開始明顯變異，與文獻[10]得到徑流突變發生在2004年比較接近。根據文獻[11]，湟水流域降水量減少對徑流量減少貢獻22.00%，蒸散發減少對徑流量減少貢獻13.46%，人類活動對徑流量減少貢獻64.54%。

　　M-K檢驗表明1970年以后徑流下降趨勢明顯，氣候變化大背景下，人類活動、降水減少、氣溫上升是造成徑流量減少的主要原因。2000年之后徑流有所增加，其原因是水土保持措施的大力實施，耕地向林地的轉化、耕地與草地的相互轉化以及耕地向建設用地的轉化。其次，2000年前后海晏至西寧段建設15座梯級電站，平均100km有12.7個水電站，河流縱向連通性嚴重破壞，密集水電站群建設對河流生態系統產生了嚴重脅迫效應，河流水文、地貌形態、生物棲息地等發生了較大改變。

　　結合《青海省第一次水利普查水利工程基本情況普查表》，考慮湟水干流上游蓄水工程、引水工程興建及水資源開發利用狀況，本次確定年徑流量序列變異時間為2000年，并對變異前1954—2000年的實測徑流量進行還原計算得到天然徑流過程，以保證一致性條件成立。還原成果與青海省水文水資源勘測局2009年完成的《湟水九縣市水資源評價及優化配置》典型年成果基本一致。選用湟水干流西寧站還原后1954—2000年天然徑流系列進行河道內生態流量計算，以修正氣候變化和人類活動對河流水文情勢的影響。西寧站1954—2000年天然徑流過程。

　　3生態流量閾值計算方法

　　3.1　廣義極值分布流量眾值法

　　Quec生物群落和生境之間是一種物質和能量的供需關系，河流生物群落隨流量豐枯變化呈現脈沖式變化，河流生物與流量在長期的自然選擇和進化過程中形成了相互適應能力。根據生物群落與生境因子的關系，歷史出現的流量眾值比較適合河道內生態系統的良性循環。根據生物群落與生境因子的選擇關系，將歷史上多年各月流量眾值作為基本生態流量上限。

　　為進一步驗證GEV分布的適用性，選用西寧站枯水期(1月份)、豐水期(9月份)1954—2000年天然月平均徑流系列作為典型計算，利用廣義極值分布(GEV)、伽馬分布(Gamma)、正態分布(Normal)和Weibull分布4種函數進行概率分布擬合，發現GEV概率分布理論曲線與經驗頻率曲線擬合最佳，并利用最大對數似然統計量進行擬合優度評價，擬合優度依次是GEV>Gamma>Weibull>Normal，故確定廣義極值分布更適合月徑流系列概率分布函數。概率分布函數(CumulativeDistributionFunction，CDF)與經驗頻率曲線的擬合關系。

　　3.2　歷時曲線法

　　根據《河湖生態環境需水計算規范(SL/Z712—2014)》，用變異前月平均天然流量歷史資料構建各月水文歷時曲線，將95%保證率相應的月平均流量作為河道內不同時段生態流量。分別利用GEV分布和PIII型分布計算95%保證率下的生態流量。

　　3.3　改進年內同頻率展布法

　　湟水流域河流水文生態系統具有明顯的季節性特征[14]。4—6月是土著魚類產卵繁殖的高峰季節，需要一定水流刺激和一定水深及水面寬，保證魚類棲息生境要求，同時也是河谷植被需水的高峰期;7—10月水量多而集中，是土著魚類和河谷植被生長關鍵期，需要一定量級的洪水過程發生，營造良好的生境。11月—翌年3月河流水量相對較枯，主要考慮維持河流基本生態環境功能的生態流量。因此，為反映河流年內豐枯變化特征和敏感生態對象的需水規律，劃分豐水期(7—10月)、平水期(4—6月)和枯水期(11月—翌年3月)3個頻率時期，先確定同期均值比，即各頻率期內最小月均徑流量均值與月均徑流量均值之比，然后以同頻率時期內多年月平均流量為基準，計算得到河道內生態流量展布過程。

　　4結　語

　　在考慮水文非一致性變異的基礎上，對湟水干流西寧站實測流量資料的變異特征進行診斷分析，將還原修正得到的天然流量過程作為河道內生態流量的計算基準，基于廣義極值分布流量眾值法、水文歷時曲線法、改進年內同頻率展布法提出河道內生態流量閾值的計算方法。

　　經例證分析，本次結果具有一定的合理性，可滿足研究區河道內生態流量適應性管理目標。河流生態系統的健康穩定受多方面因素影響，本文僅考慮水文生態因素，對河道形態、輸水沖沙、稀釋自凈、生物群落、閘壩調度、水資源配置等因素的組合未充分考慮，計算結果具有一定的不確定性。如何協調社會經濟系統與河流生態系統的相互作用，通過動態修正閘壩生態調度與生態系統的響應關系，提高河道內生態需水保證率需進一步研究。其次，受氣候變化和人類活動影響，河流水文情勢的一致性嚴重破壞，由于資料缺乏，流量數據還原往往比較困難且精度不能保證，如何在水文非一致性條件下進行河道內生態流量計算尚需研究。

　　參　考　文　獻：

　　張強,李劍鋒,陳曉宏,等.水文變異下的黃河流域生態流量[J].生態學報，2011，31(17)：4826-4834.(ZHANGQiang,LIJianfeng,CHENXiaohong,etal.EvaluationoftheecologicalinstreamflowintheYellowRiverbasinwithhydrologicalalterations[J].ActaEcologicaSinica,2011,31(17):4826-4834.(inChinese))

　　[1]陳昂,吳淼,沈忱,等.河道生態基流計算方法回顧與評估框架研究[J].水利水電技術，2017，48(2)：97-105.(CHENAng,WUMiao,SHENChen,etal.Reviewofmethodforcalculationofriverecologicalbase-flowandstudyonitsassessmentframework[J].WaterResourcesandHydropowerEngineering,2017,48(2):97-105.(inChinese))

　　[2]鐘華平,劉恒,耿雷華,等.河道內生態需水估算方法及其評述[J].水科學進展，2006，17(3)：430-434.(ZHONGHuaping,LIUHeng,GENGLeihua,etal.Reviewofassessmentmethodsforinstreamecologicalflowrequirements[J].AdvancesinWaterScience,2006,17(3):430-434.(inChinese))

　　作者：王鵬全1，吳元梅2，楊旭亮1