考虑水文变异的水库生态流量研究

考虑水文变异的水库生态流量研究

徐淑琴，王亚超，乐静，高凯茹，齐竟辰，徐恩典

(东北农业大学水利与土木工程学院，哈尔滨

150030）

摘要：为探讨水文变异对生态流量影响，确定最佳水库生态流量推求方法，针对尼尔基水库生态问题，采

用Mann-kendall突变检测法、滑动T检验法和有序聚类法，结合序号总和理论和Spearman相关系数计算对水文时间序列作综合识别，确定水库发生水文变异年份为1963年和1999年。利用NGPRP法和逐月频率年内展布计算法分别计算天然状态、次天然状态、现状和不考虑水文变异条件下最小生态流量和适宜生态流量。参考Tennant法评价结果表明水库生态系统退化主要受人类扰动影响，观察次天然状态和不考虑变异状态下生态径流过程，最小生态流量占多年平均流量百分数相差9.21%和1.70%，适宜生态流量相差3.04%和1.47%。研究应更多考虑次天然生态径流过程，其最小生态流量仅可作为生态流量下限。

关键词：水库；生态流量；水文变异点；综合识别；逐月频率年内展布计算法；Tennant法中图分类号：TV697.2；P333

文献标志码：A

文章编号：1005-9369（2020）01-0083-07

徐淑琴,王亚超,乐静,等.考虑水文变异的水库生态流量研究[J].东北农业大学学报,2020,51(1):83-.DOI：10.19720/j.cnki.issn.1005-9369.2020.01.0010.

XuShuqin,WangYachao,YueJing,etal.Studyonecologicalflowcalculationunderconditionofhydrologicalvariability[J].JournalofNortheastAgriculturalUniversity,2020,51(1):83-.(inChinesewithEnglishabstract)DOI：10.19720/j.cnki.issn.1005-9369.2020.01.0010.

Studyonecologicalflowcalculationunderconditionofhydrological

variability/XUShuqin,WANGYachao,YUEJing,GAOKairu,QIJingchen,XUEndian(School

ofWaterConservancyandCivilEngineering,NortheastAgriculturalUniversity,Harbin150030,China）

Abstract:Inordertoexploretheinfluenceofhydrologicalvariationonecologicalflow,searchfor

thebestmethodofecologicalflowofreservoir.AimingattheecologicalproblemsofNilkireservoir,Mann-kendallmutationanalysismethod,MovingTmethod,Sequentialclusteringmethod,SerialnumbersynthesistheoryandSpearmancorrelationcoefficientcalculationmethodwereusedtodocomprehensiverecognitionofthehydrologictimeseries,itwasdeterminedthatthehydrologicalsequenceofNilkireservoirwaschangedin1963and1999.UsedtheNGPRP(NorthernGreatPlainsResourceProgram)methodanddynamiccalculationmethodofmonthlyfrequency,calculatedsuitableecologicalflow,minimumecologicalflowunderthenaturalstate,sub-naturalstate,currentconditions,andwithoutconsideringthemutationstate.EvaluationresultswithreferencetotheTennantmethodindicatedthatthedegradationoftheNilkireservoirecosystemwasmainlyaffectedbyhumandisturbance,Observetheecologicalflowprocessinthesub-naturalstateandwithoutconsideringthemutationstate,

收稿日期：2019-11-18

基金项目：国家重点研发计划项目（2017YFC0404503）

作者简介：徐淑琴（19-），女，教授，博士生导师，研究方向为水资源优化利用与管理及水库调度。E-mail:1210569246@qq.com

·84·东北农业大学学报第51卷

thedifferencebetweentheminimumecologicalflowrateandtheaverageflowrateformanyyearswas9.21%and1.70%,thepercentageofsuitableecologicalflowintheaverageflowformanyyearsdifferedby3.04%and1.47%,itshowedthatthestudyshouldconsidermorethenaturalecologicalrunoffprocess,anditsminimumecologicalflowcouldonlybeusedasthelowerlimitofecologicalflow.

Keywords:reservoir;ecologicalflow;hydrologicalvariationpoint;comprehensiverecognition;

dynamiccalculationmethodofmonthlyfrequency;tennantmethod

水库作为河流主要水利工程，水库调度方式在水资源利用中发挥重要作用，承担防洪、发电、供水、调峰等需求；现有水库常规调度方式一般以水利和防洪调度为主，对生态目标考虑不足，工程运行改变河流天然径流，破坏河流连续性，改变河流原有水文环境，易引起下游河道缺水断流、泥沙淤积、水质恶化生态功能退化等生态问题。1982量作为适宜生态流量并建立优化调度模型年，Sale等将鱼类最佳栖息地面积对应生态流[1]；2008年，Castelletti等为实现对河流生态保护，将最小生态流量约束条件方程加入水库优化调度模型[2]2009下流量取值，计算生态流量需求最低值约束并应

年，梅亚东等结合Tennant方法和不同保证率；用于雅砻江下游梯级水库生态优化调度，比较分析不同最小生态流量取值对水库发电效益影响[3]2010；量和人造洪水调度，推求四大家鱼产卵所需洪水年，康玲等为实现丹江口水库河流生态需水脉冲过程，计算汉江最小和适宜生态流量，建立丹江口水库生态调度模型[4]；2015年，Nyatsanza等以静态和动态不同生态流量过程作为控制条件，研究动态生态流量过程，即汛期选择较高流量过程，非汛期选择较低流量过程，分析赞比西河流域水电站发电量影响[5]；刘剑宇等采用变异检测方法综合诊断水文变异，确定鄱阳湖流域水文变异条件下生态流量，研究表明生态需水满足率在变异前后发生明显变化[6]；2016年，徐淑琴等为降低水库调度对河流生态系统影响，在推求生态流量过程中考虑水文变异影响，建立非充分生态约束条件下水库生态调度模型[7]。

大多数研究中，生态流量推求仅根据经验直接选取一定时期内人类扰动较小径流资料而忽略生态变异因素，影响结果准确性和合理性。因此，本文利用水文变异检验方法，划分水文时间序列，模拟人类不同扰动下的生态径流，求解不同径流条件下生态径流量。

1生态变异点综合识别

水文时间序列为某种水文特征值随时间变化

一系列观测值。在某一时段内，受气候条件、自然地理条件和人类活动等因素影响，水文时间序列统计规律在某个时间节点前后发生显著变异，这一变化时刻称为水文过程变异点。

河川径流序列变化具有非线性、变化大特征，多属于非平稳序列；水文要素周期性变化复杂，以不同周期变化，或同一时段内不时变化，包含多种时间尺度变化周期，呈现多时间尺度特点；因此不存在真正意义水文序列变化周期，而是多种周期变化共同存在[8]。月径流序列，周期显而易见；而年径流序列，周期从时间径流量图中难以辨别，甚至难判断周期性存在。传统水文要素周期变化特征分析方法未能揭示水文要素多时间尺度特点[9]。

如果水文序列存在变异点，假设本地生态系统适应变异前水文状态，变异后水文变化影响当地生态平衡[10]。推断水文序列变异过程反映生态系统变化，即生态变异。变异点识别需要重点区分变异点驱动源[11]。由于气候条件、自然地理条件及人类活动被视为生态变异主要因素，前两者属于自然进化条件，不将其引发变异作为变异点[12]，人类扰动应作为生态变异主要驱动源。

为更好模拟不同人类扰动下生态水文特征，本文根据现有资料，选取尼尔基水库1951~2010年共60年径流资料，利用多种变异点检测法和序号总和理论结合方法，推求不同时期生态流量。1.1

Mann-KendallMann-kendall检验法是由世界气象组织突变检测法

meteorological（广泛非参数检验方法，不仅可检验序列变化趋势，

organization，WMO）推荐的一种应用World且可检测突变点[13]。该方法无需样本遵从一定分布，不受少数异常值干扰，计算简便[14]。

第1期徐淑琴等：考虑水文变异的水库生态流量研究

·85·如下[15]

Mann-kendall突变检测法检验序列突变点原理构造一秩序列：

UFk为标准正态分布，即按时间序列顺序计算UFk>U∂，则表明序列存在明显趋势变化。再按时

var(Sk)=(k(k-1)(2k+5))72；

得到统计变量序列，给定显著性水平∂，若

ì1xi>xj

式中，ri=í(j=1,2,⋯n)。

0x≤xijî

定义统计变量：

[Sk-E(SK)]UFk=(k=1,2,⋯n)

var(Sk)Sk=∑ri(k=2,3,⋯n)

ki=1

（1）

间序列逆序重复上述过程，令UBk=UFk。取显著性水平∂=0.05，则临界值U0.05=±1.96。将UBk和

UFk两个统计量序列曲线和±1.96，若UBk>0，

（2）

UFk>0，则表明序列呈上升趋势，若UBk<0，UFk<0则呈下降趋势。当其超过临界直线时，则

式中：UF1=0；

表明上升或下降趋势明显。如果UBk和UFk两条直线出现交点，且交点在临界线之间，交点对应时刻为突变开始时刻。检验结果见图1。

UFUFUBUB?<0.05α<0.05E(Sk)=(k(k+1))4；

221100统计量Statistics统计量-1-1-2-2-3-3-4-4-5-519501950196019601970197019801980年199019902000200020102010年份Year

图1Mann-kendall突变检测法检验结果

Fig.1Mann-kendallmutationanalysismethoddetectionresult

1958、1959、1995、1997、1999年，推测以上年份发生突变，为可能变异点。1.2

滑动T检验法

滑动T检验法检验序列突变点原理如下：体分布函数分别为F1(x)和F2(x)，从总体F1(x)和

定义统计量：

21由图1可知，在临界线之间交点年份发生在最可能变异点，检验结果见图2。

2000年为统计量T局部最大值年份，故初步认为1963年为变异点，推测2000年为可能变异点。1.3

有序聚类法

由图2可知，1963年为统计量T最大值年份，

设变异点为τ，变异点τ前后两个水文序列总

F2(x)中分别抽取容量为n1和n2两个样本。

T=

--x1-x2时，τ为最优二分割，即推断为所求最可能变异点。

-Sn(τ)=∑(xi-xτ)2+

τi=1

i=τ+1

有序聚类法检验序列突变点原理[16]如下：

设变异点为τ，当S=min|Sn(τ)|(2≤τ≤n-1)

------2

(x-x∑in-τ)

n

（4）

(n1-1)S+(n2-1)S1112(+)n1n2n1+n2-2-式中，xi为样本均值，Si为样本方差。滑动

22（3）

-式中，S为同类之间离差平方和，xτ为τ前序列------均值，xn-τ为τ后序列均值，Sn(τ)为τ前后序列离差

平方和。有序聚类法选择使离差平方和S为最小值时点作为所求变异点。检验结果见图3。

T检验法选择使统计量T达到极大值时点作为所求

·86·432101950

1960

东北农业大学学报第51卷

统计值T（τ）Statistics19701980

年份Year

199020002010

图2

×1051.151.101.051.000.950.901950

1960

1970

滑动T法检验结果

Fig.2MovingTmethoddetectionresult

主差平方和S（τ）Sumofsquaresofdispersion1980

年份Year

199020002010

图3有序聚类法检验结果

Fig.3

Sequentialclusteringdetectionresult

由图3可知，1963年为该水文序列离差平方和最小年份，1999年为该水文序列离差平方和局部最小年份，故认为1963年为变异点，推测1999年为可能变异点。1.4

序号总和理论

序号总和理论把推求变异点在各种检验方法下排序结果相加[17]，所得到序号总和排序结果为推求变异点相对合理顺序；计算各种检验方法排序结果与相对合理顺序Spearman相关系数；相关系数最大，即为合理性最高方法。该方法是在同一指标体系下，评价结果相似并难以区分优劣时选择最优方法。

经序号总和排序和Spearman相关系数计算，综合Mann-kendall突变检测法、滑动T检验法和有序聚类法检验方法，确定1963年和1999年为变异点。

根据石建军等[11]研究成果，结合上述确定变异点划分1951~2010年水文序列；1951~1962年为天然状态，1963~1998年为弱人类干扰状态，1999~2010年为强人类干扰；推求3种状态各自对应天然生态流量、次天然生态流量和现状生态流量。

2

2.1

生态流量计算

NGPRP（NorthernGreatPlainsResourceProgram）NGPRP法

法[18]充分考虑丰、平、枯天然水文情势差别，将水年组和丰水年组。取平水年组各月流量90%保证率

文系列根据不同水平年差别分为枯水年组、平水流量值作为最小生态流量。对年型划分，为避免单一方法在计算中局限，采用加减标准差和25%~75%两种方法结果之平均值作为计算结果。2.2

逐月频率年内展布计算法

逐月频率年内展布计算法是在逐月频率计算法研究基础上，结合年内展布法原理，通过对两种方法整合和扩展，可更好反映同一时期内河流总体过程及其变化特征[19]。该方法是通过对长时间序列天然月均径流作频率计算，按照夏季50％、春秋季75％、冬季80％保证率选取各时期相应径流量，确定同一季节同保证率均值比，并以同保证率内多年月均径流变化为基准计算水库适宜生态径流变化过程。计算原理如下:

第1期徐淑琴等：考虑水文变异的水库生态流量研究

·87·-式中，Qi为所求各月适宜生态流量，qi为多年各月月均径流量平均值，ϕp为同一季节设计保

-Qi=qiϕp（p=50%，75%，80%）

（5）较差、差或最小和极差等1个高限标准、1个最佳范围标准和6个低限标准。在上述6个低限标准中，依据水生生物对环境季节性要求不同，分为4~9月份鱼类产卵育肥期和10月~次年3月份一般用水期。在生态流量评价时，根据计算结果确定该河道内生态状况所属标准。

为清晰展示不同状态条件下生态径流过程，计算天然状态、次天然状态、现状和不考虑水文变异条件下最小生态流量和适宜生态流量，将4种状态条件下最小生态流量记为TRZX、CTRZX、XZZX、WBZX，将适宜生态流量记为TRSY、CTRSY、XZSY、WBSY，获得最小生态流量与适宜生态流量过程线，见图4。利用Tennant评价计算结果，结果见表1。a-最小生态流量a-Minimalecologicalflows证率所对应月径流量平均值和同一季节多年月均径流量平均值之比。2.3

Tennant法是应用最广泛水文指标法，以河流Tennant法

生态试验为基础，常用于估算和评价生态流量；优

点为建立流量与水生生态系统之间关系后，计算方便、操作简单、适用性强、数据少，无需野外测量，可在生态资料缺乏地区使用[20]。Tennant法以河道内流量占多年平均流量百分数为推荐基流，将保护水生态和水环境河流流量推荐值分为以下流量状态：最大、最佳、极好、好、良好、一般或700.00生态流量（m3·s-1）Ecologicalflows600.00500.00400.00300.00200.00100.000.004567TRZTRZXXZZTXZZXXWCTRCTRZXWBCWBZX月Month101112123 1000.00生态流量（m3·s-1）Ecologicalflows800.00600.00400.00200.000.001000.00 生态流量（m3·s-1）Ecologicalflows800.00 600.00 400.00 200.00 0.00 456784567b-适宜生态流量b-SuitableecologicalflowsTRZTRZXTRCTRCTRZXCTRXZZTXZZXXZSTWBCWBZXWBXCWX W101112123 月Month c-生态流量c-EcologicalflowsTRTRTRZXTRT CTCTRZXCTCTRTCXZXZZXTXZXZSXCTRTRSYCTWBTRXCTCCTRSYXCTTXZXXZSYXZTCCXXTRCTXZTRCTXZ 月Month9101112123 图4Fig.4生态径流过程Ecologicalrunoffprocess ·88·东北农业大学学报第51卷

表1

Table1

Tennant法评价结果

Tennant法评价结果EvaluationresultofTennantmethod4~9月好一般极差

EvaluationresultofTennantmethod

径流条件Runoffcondition天然状态Naturalstate

10月~次年3月53.8825.8023.0935.01

最小生态流量Minimalecologicalflows占多年平均流量百分数（%）Percentageofmulti-year4~9月54.9930.498.8228.79

10月~次年3月77.09.9127.06.87

适宜生态流量Suitableecologicalflows4~9月96.1770.7751.5369.30

10月~次年3月极好良好良好

最小生态流量Minimalecologicalflows10月~次年3月最佳极好良好

适宜生态流量Suitableecologicalflows4~9月最佳最佳好

不考虑变异

Withoutconsideringthe

mutationstate现状状态Currentcondition

次天然状态Sub-naturalstate

好差良好最佳

3结果与分析

由图4a可知，天然状态下最小生态流量呈先

态需水量较大，生态流量稳定；5~8月最小生态流量和适宜生态流量数值相差较大，9月~次年4月数值相差较小；生态径流过程下限稳定，基本维持宜生态流量小于天然状态下最小生态流量，接近次天然状态下最小生态流量。

由表1可知，在一般用水期（10月~次年3月），以天然状态生态流量占多年平均流量百分数为比较对象，次天然状态、现状和不考虑变异条件下最小生态流量分别减少28.08%、30.79%、18.87%，适宜生态流量分别减少27.15%、50.00%、30.19%。在鱼类产卵育肥期（4~9月），相比天然状态生态流量占多年平均流量百分数而言，次天然在100m3·s-1以下。9~11月时段内，现状条件下适

增后减趋势，7~8月增速较快，9~10月减速较快，其余月份生态需水量差别较小，需水高峰期位于8月。次天然状态下最小生态流量变化趋势和天然状态相近，小于天然状态下最小生态流量，但各月份间生态流量增加和减少相对平缓。在8月到达高峰期。现状条件下最小生态流量在4~11月总体差异较小，最小生态流量高峰期推迟，集中在8~9月，且在9月达到峰值。不考虑水文变异影响最小生态径流过程围绕次天然状态上下浮动变化，总体趋势与次天然生态流量接近，数值相差较小。

由图4b可知，适宜生态流量在天然状态、次天然状态、现状和不考虑水文变异影响条件下总体趋势相同。天然状态下径流过程优于其他3种情况，适宜生态流量4~8月呈增加趋势，需水高峰期位于7~8月，且在8月达到峰值，4~5月适宜生态流量较6~9月差异较大。次天然状态下适宜生态流量在8月到达高峰期，总体趋势为4~8月呈增长趋势，9月~次年3月呈递减趋势，且小于天然状态下适宜生态流量。现状条件下适宜生态流量相邻时段变化较剧烈，适宜生态流量在8月达峰值，与天然状态下适宜生态流量相差较多。不考虑水文变异影响适宜生态径流过程，总体趋势与次天天然生态流量约束接近。

由图4c可知，在相同状态条件下最小生态流量和适宜生态流量总体趋势大体相同；除6~9月生

状态、现状和不考虑变异条件下最小生态流量分别减少24.50%、46.17%、26.20%，适宜生态流量分别减少25.40%、44.%、26.87%。观察次天然状态和不考虑变异状态下生态径流过程，在一般用水期和鱼类产卵育肥期，两者最小生态流量占多年平均流量百分数相差9.21%和1.70%，适宜生态流量占多年平均流量百分数相差3.04%和1.47%，评价结果与次天然状态一致。

4结论

a.本文采用Mann-kendall突变检测法、滑动T

检验法和有序聚类法，通过检验尼尔基水库水文时间序列，确定尼尔基水库径流序列发生变异，推求出变异点；对变异点作序号总和排序和Spearman相关系数计算，确定1963年和1999年为变异点。

第1期徐淑琴等：考虑水文变异的水库生态流量研究

··programb.利用NGPRP（Northerngreatplainsresource

然状态、次天然状态、现状和不考虑水文变异条）法和逐月频率年内展布计算法分别计算天件下最小生态流量和适宜生态流量；参考Tennant法评价指标发现，不管是在一般用水期（10月~次年PRP3月），还是在鱼类产卵育肥期（4~9月），NG⁃Tennant法和逐月频率年内展布计算法计算生态径流量况和水库对径流年内动态需求，说明计算结果合法评价结果，符合尼尔基水库当时生态状理可靠。

主要受人类扰动影响，天然状态下生态径流过程

c.Tennant法评价结果说明河流生态系统退化

符合正常生态用水需求，说明人类扰动对天然状态下生态流量影响较小。次天然状态下生态径流过程主要反映水库一般生态需水水平，说明人类扰动对次天然状态下生态流量产生影响。现状条件下生态径流过程主要反映水库极端缺水情况，说明人类扰动对现状条件下生态流量影响较大。不考虑水文变异条件下生态径流过程，主要反映水库总体生态需水水平，评价结果与次天然状态接近，应更多考虑次天然生态径流过程，其最小生态径流过程仅可作为生态流量最低限额。

[

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