【doc】黄河干流水文指标的变异

【doc】黄河干流水文指标的变异 黄河干流水文指标的变异 第33卷第11期 2011年1i月 人民黄河 YELL0WRIVER Vo1.33.No.11 NOV..2011 【水文?泥沙】 黄河干流水文指标的变异 张洪波,赵麦换,张泽中 (1.长安大学,陕西西安710054;2.黄河勘测规划设计有限公司,河南郑州450003; 3.华北水利水电学院,河南郑州450011) 摘要:应用水文变异方法对黄河干流唐乃亥,兰州,头道拐,潼关,花园口和利津6个关键断面水文指标的变异程度进 行了分析,结果表明:近年来黄河干流水文指标有很大的变异,主要原因是水库运行和干流引水.6个断面水文指标的 变异程度大体可分为3个层次,兰州和利津断面属第一层次,发生明显改变,头道拐,潼关,花园口为第二层次,改变比较 明显,唐乃亥断面为第三层次,变异程度相对较低;兰州和花园口断面系水库泄流控制站,改变指标主要集中在水库削峰 补枯引发的极值和丰枯流量的变化上,头道拐,潼关,利津受灌区和沿黄城市引水的影响较大,表现为很强的与农业用水 规律相关的指标改变分布 关键词:水文断面;变异;水文指标;黄河干流 中图分类号:P333;TV882.1文献标识码:Adoi:10.3969/j.issn.1000—1379.2011.11.009 VariationandEvolutionofHydrologicIndexesoftheMainYellowRiver ZHANGHong—bo,ZHAOMai.huan,ZHANGZe.zhong (1.Chang~nUniversity,Xi'an710054,China;2.YellowRiverEngineeringConsultingCo.Ltd,Zhengzhou450003,China; 3.NoahChinaUniversityofWaterResourcesandElectricPower,Zhengzhou450011,China) Abstract:TheobjectofstudyisthehydrologicsystemofthemainYellowRiver.Inthepaperthevariationofthesystemwasmainlydiscussedby analyzinghydrologicindexchangesofsixsections.Themethodwastherangeofvariabilityapproach.Applyingthemethod,wecouldquantizethe changesofhydrologicsystemonthesections.Theresultsshowedthatthehydrologicindexvariationsweredividedintothreelevels:thefirstinclud? edLanzhouandLijinsections,onwhichintensechangesoccurred,thesecondcomprisedToudaoguai,TongguanandHuayuankousectionswith hishchangeshappening,thelastwasTangnaihaisection,onwhichlessthanhighchangetookplace.Inthechanging,theintensechangedhydro? logicindexesondifferentsectionswerevariable.Foraninstance,LanzhouandHuayuankousectionsarethecontrolstationsofreservoirdischarge, thusthepowerfullyalterationmostlyoccurredontheindexesinfluencedbyreservoirregulation,suchasthemaximumandminimumflowandaver- ageflowinwetanddryseasons.WhileonToudaogai,TongguanandLijinsections,waterresourcesconsumptionforirrigationandcitytakeamain effectandthechangedindexesonthesesectionstowererelatedtowaterdemandcharacterfromirrigationandcity.Basedontheaboveresearch,a conclusioncouldbedrawnthehydrologicsystemofthemainYellowRiverhappenedmorehighalterationthannaturalhydrologicsysteminpastdee— ades.Thereasonsresultingintothesevariationsweremainlyreservoiroperationandwaterdiversiontooff-stream. Keywords:hydrologicalsection;variation;hydrologicindexes;mainYellowRiver 河流是人类最重要的生命支撑系统,维持着物质与能量循 环,同时提供生产,生活和生态用水等功能.人类在开发和利 用这些河流功能的同时,也在深深地影响着河流,使河流原本 的天然系统发生了很大的变化,出现了一些局部的或区域性的 生态环境问题,使河流健康受到了威胁.因此,要处理好人与 河流的关系,就要减少人类对河流系统的破坏,将对河流的扰 动控制在一定的范围内…. 河流(流域)水文循环的研究方法有很多,根据研究对象和 切入角度的不同,可分为全球气候变化影响研究方法(GCM, RCM等),下垫面变化影响研究方法(包括试验方法,统计分析 方法,水文模型方法等),人工取用水影响研究方法(水量平衡 和水文模拟法等)等.而人类活动对河流系统影响的研究方 法相对尺度更小,切入角度也有所不同.鉴于水文特征,水力 学特征,生物特征是人类影响河流进程中的不同阶段的外 收稿日期:201卜03-08 基金项目:国家自然科学基金资助项目(51009009);中央高校基本科研业务费 专项基金资助项目(CHD2009JC052). 作者简介:张洪波(1979一),男,辽宁沈阳人,讲师,博士后,主要从事水资源系 统工程与流域管理方面的研究工作. Z-mail:hbzhang@chd.edu.an ? 2l? 人民黄河2011年第11期 在表现,可以将其对应地分为水文要素法,水力学要素法及 生物要素法三类.笔者主要通过水文学途径,探讨人类活动 对河流水文系统的影响. 1研究方法 水文变异法(RVA)是Richter等提出的,其以天然的, 与生态相关的流量特征的统计分析为基础,从量,时间,频 率,延时和变化率5个方面对河流水文特征进行描述,通过 对比不同时间的河流水文情势,以反映河流流量受人类活 动的影响程度J.RVA是建立在水文改变指标(IHA)基础 上的,以详细的流量记录来评估受人类活动影响后的河流 流量变化状态,它一般以日流量记录为基础,以未受人类活 动影响的流量自然变化状态为基准,统计32个IHA指标在 水利设施建设后的变化,以分析河流受人类干扰后的改变 程度一. 1.1水文改变指标 水文改变指标是以水文条件的量,时间,频率,延时和变化 率这5种基本特征为基础构建的,水文指标体系包括5组共32 个指标j.表1列出了32个指标的所属类别以及其响应的生 态意义. 表1水文改变指标参数特征及其对河流生态系统的影响 1.2评估方法 水文变异方法(RVA)以IHA指标为基础,通过对比水利 设施建设前后32个IHA指标,分析河流受人类干扰后的改变 程度. 单一水文改变指标的改变度为 Dl:lI×100%(1) 式中:D为第i个IHA的水文改变度,D介于0—33%属于无 . 22? 或低度改变,33%,67%属于中度改变,67%,100%则属于高 度改变;y.为第i个IHA在水利设施建设后仍落于RVA阈值 内的年数;为水利设施建设后IHA预期落于RVA闽值内的 年数,可按ryT来计算,其中r为水利设施建没前IHA落于 RVA阈值内的比例,若设置75%,25%为阈值范围,则r町取 50%,yT为水利设施建设后受影响流量数据的总年数. 评估阈值的设定是决定评估有效性的关键,应以生态方面 受影响的资料为依据,但限于资料缺乏,笔者以各指标75%和 25%保证率对应的值作为各个指标的上下限,这与Connell等 提出的中度干扰假说基本符合. 整体水文改变度以D来表示: 1 32 D.=(?D)"(2)j' 权重选取或设计是水文整体改变度计算的一个关键.考 虑到不同水文指标引发的生态环境问题不同,若采用层次分析 法或专家打分法,依据研究对象所表现的生态问对指标体系 进行权重设计,则可能引起片面放大已有水文指标变异程度, 而忽视其他潜在的生态环境威胁的缺陷.因此,笔者在整体改 变度的计算中作了等权重设计. 2研究结果 为了反映黄河水文情势在空间上(如上,中,下游)的演变 规律,可针对沿河不同断面采用RVA方法对黄河空间水文情 势进行计算和对比分析,以说明黄河水文情势的分布规律和受 人类影响的程度.众所周知,水库调节是人类作用于河流的主 要手段,分析人类活动的影响必须考虑水库的分布情况,因此 根据黄河干流水文站点,控制性水库及供需水条件,选取干流 唐乃亥,兰州,头道拐,潼关,花园口,利津六站进行水文系统变 异的统计分析与评价.把这六站1956--2004年的日径流数据 作为基础数据,应用RVA法对各断面的IHA指标进行统计 分析. 2.1阶段划分 根据分析…,黄河源头及上游在20世纪80年代,受到 气侯变化及草原超载放牧,采金挖药等不合理人类活动的影 响,出现了大规模生态退化现象.遂可将唐乃亥断面1980年 以前近似看做自然状态,1980年以后没定为人类干扰阶段;考 虑到兰州断面受刘家峡水库的影响较大,故设置1974年(建库 时间)以前为天然状态,1975年后为人类干扰阶段;根据对头 道拐断面多年实测径流量的滑动平均分析,发现头道拐年径流 量变化曲线的第一拐点发生在1969年,因此可将1969年以前 作为天然状态,1970年以后为人类干扰阶段;潼关站的划分与 头道拐站的保持一致;花园口断面第一个关键变异点发生在 1970年左右,故划定1969年以前为近似天然状态,1970年 以后为受人类显着影响阶段;利津断面的划分同花园口 断面. 2.2RVA评估结果 根据唐乃亥,兰州,头道拐,潼关,花园口,利津不同断面受 影响前后的阶段划分结果,分别进行阈值设定和改变度计算. RVA评估结果见表2. 人民黄河2011年第11期 表2各站水文改变指标统计 3讨论与分析 3.1结果分析 (1)唐乃亥断面水文指标的整体改变度为0.4O,属中度改 变.32个指标中有不到20%的指标发生了高度改变,且主要 集中在增加率,减少率,高低流量次数和最小日流量发生时 间上. (2)兰州断面水文指标的整体改变度为0.695,属高度改 变.32个指标中发生高度改变的近2/3,低度改变的则不到 1/6.指标变化主要体现在丰,枯季的月径流和最大,最小流量 上,高低流量延时也受到了较大的影响.这主要是受到刘家峡 和龙羊峡水库蓄丰补枯的影响,汛期水流被削平,枯水流量被 填补,峰谷缺失,以致水流情势改变严重. (3)头道拐断面的水文指标整体改变度为0.496,属中度 ,分别为2月平均流量,30d 改变.强烈改变的指标只有3个 最小流量和减少率.虽然高改变的指标不多,但其改变程度仍 不容小视,中度以上指标累计达到了72%.与兰州断面相比, 头道拐断面的水文变化已经看不见明显的水库调蓄的影响. (4)潼关断面水文指标的整体改变度为0.499,属中度改 变,与头道拐断面的改变程度基本相当.在具体指标变化上, 两者之间差异较大.潼关断面发生强烈改变的指标主要集中 在春灌期的月径流,最小流量,最大流量和低流量延时上,这主 要与农业用水的规律有关. (5)花园口断面的水文指标变化十分明显,主要是对汛期 的相关特征产生了较大影响.其中5个最大极值指标均为高 度改变,可见花园口断面汛期防洪对其水文系统的影响是十分 强烈的,特别是在小浪底投入运行之后,最大流量衰减了约 50%.另外,8月径流也呈现出与最大极值相同的特点. (6)利津断面的水文指标直接表征着河口生态的满足程 度,32个指标改变较大,整体改变度为0.624,15个指标发生了 高度改变,包括汛前期月径流,最小极值流量,最大3d流量,最 大30d流量,年最大,最小1d出现的时间以及高低流量发生 次数等方面. 由于唐乃亥断面受人类干扰相对较小,因此若将其引发变 化的原因主要归结为气候变化因素,则从其下游断面的改变情 况不难看出下游断面的水文变异与唐乃亥断面变化缺乏相关 性,可见下游断面变异主要受人类活动影响,气候变化的贡献 不明显,这与文献[12]的结论是相吻合的. 3.2对比分析 对比分析不同断面受人类影响的程度可以看出(表3):兰 州断面受到龙刘(龙羊峡,刘家峡)两水库径流调节的影响较 大,属高度改变,其他各断面均为中度改变;利津断面受上游引 水的影响,较其他断面受到的影响更大一些.虽然头道拐,潼 关,花园口断面的整体改变度比较接近,但其发生变化的水文 指标却存在较大的差异.比如兰州和花园口断面系水库泄流 控制站,受水库调节的影响最为强烈,其改变指标主要集中在 水库削峰补枯引发的最大最小极值和丰枯流量的变化上.而 头道拐,潼关,利津受灌区和沿黄城市引水的影响较大,表现为 很强的与农业用水规律相关的指标改变分布. 表3不同断面的水文改变度 4结论 (1)近年来黄河干流水文指标发生了较大变异,其诱因主 要是水库运行和干流引水. (2)黄河干流主要水文站水文指标的改变程度基本相当, 其中兰州与利津断面变异最为强烈,其次为头道拐,潼关和花 园口,唐乃亥断面变异相对较小. (3)兰州和花园口断面受水库调节的影响,水文指标的改 变主要集中在水库削峰补枯引发的极值和丰枯流量的变化上, 而头道拐,潼关,利津断面受灌区和沿黄城市引水的影响较大, 其改变主要表现在与农业用水规律相关的指标上. 参考文献: [1]席秋义,徐建光,张洪波,等.河流生态水文系统研究[J].人民黄河,2010, 32(8):10—13. 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