Evaluation of Hydrological Situation of Minjiang River in the Past 60 Years，China

Wen-xian GUO, Hao-tong ZHOU, Li ZHANG, Xu-yang JIAO, Hong-xiang WANG

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节水灌溉
China Rural Water and Hydropower ›› 2022 ›› (4) : 1-7.

Evaluation of Hydrological Situation of Minjiang River in the Past 60 Years，China

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Abstract

Changes in hydrological conditions are the main factor in the function of river ecosystems. In view of the changes in the hydrological situation of the Minjiang River Basin caused by the construction and operation of water conservancy projects， the representative hydrological station， Gaochang Station at the intersection of the Minjiang Tributary Dadu River and the mainstream downstream of the Minjiang River is selected for 62 years （1956-2017） daily flow data by using the Mann-Kendall Method， Cumulative Anomaly Method， mean difference T test method， and sliding T test method to analyze flow characteristics， and consider the hydrological project construction to split the hydrological indicators before and after a sudden change， and select the ecological hydrological indicator change range method （IHA-RVA） and hydrological change degree method to comprehensively evaluate the changes in the hydrological regime of the Minjiang River， and qualitatively analyze its impact on fish in the lower reaches of the Minjiang River. The results show that from 1956 to 2017， the average annual flow of the Gaochang Hydrological Station in the Minjiang River Basin showed a downward trend； the mutation year occurred in 1993. Through the analysis of the ecological and hydrological indicators before and after the sudden change in hydrological situations， the overall hydrological change in the Minjiang River Basin is 45%. As for moderate change， the change degree of the hydrological index， the rate of decline reached 100%； the qualitative analysis of the changes in fish composition before and after the mutation shows that the types and quantities of fish resources have declined to a certain extent， which proves the series operation mode of reservoirs in the Minjiang River Basin and have a greater impact on fish diversity. This study can provide a reference for the ecological restoration and sustainable development of the Minjiang River Basin.

Key words

Minjiang / Gaochang Hydrological Station / hydrological situation / IHA-RVA

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Wen-xian GUO , Hao-tong ZHOU , Li ZHANG , Xu-yang JIAO , Hong-xiang WANG. Evaluation of Hydrological Situation of Minjiang River in the Past 60 Years，China. China Rural Water and Hydropower. 2022, 0(4): 1-7

0 引 言

河流生态水文情势是河流生态系统的自然动力学特征，决定并影响着河流生态系统的能量过程、生物相互作用和物理栖息地的情况等，水文情势的变化对生物群落的组成和多样性造成严重影响，改变了物种的分布和丰度［1］。岷江为长江上游重要支流之一，其水资源的开发及其利用十分受人们重视。近几十年来，岷江流域水库的建设强度显著增加，逐渐形成包含串并混联的梯级水库群。水库的建设对流岷江流域造成严重的整体压力，水文情势发生了较大的改变，势必会对流域内生态系统产生一定的干扰。
随着岷江流域大规模水库的频繁开发与人类活动的加剧对岷江水文情势带来了较大的改变，其流量有减少的趋势，并对下游鱼类的洄游产卵产生了一定的影响［2］。国内外学者对于水文情势改变的定量分析进行了诸多探讨。最为学者们广泛应用的是分析河流整体水文情势变化的变动范围法（RVA），该方法由Richter提出，利用河流流量变化与外界生态改变程度，得到流域整体的改变度［3-5］。郭文献等［6］对三峡水库运行后长江下游水文情势变化以及长江鱼类产卵和物种丰度的变化展开了研究；吕超楠等［7］对岷江流域水库建设改变输沙量、径流量进行了综合评估，得出流域内水文情势变化与水库建设有关的结论；王宇等［8］基于RVA法从河流水文情势指标和生态多样性指标两方面分析尼尔基水利枢纽运行对下游河流水文情势的影响；张康［9］等采用CHITIC法改进的RVA法对长江支流的整体水文变异度进行了综合的探究，根据水文指标权重反映控制断面整体改变度。由于岷江流域内水库建设情况与水生生物资料较少，缺乏人类活动对水文情势影响的整体分析和水文情势变化对流域内生物的影响定性分析，因此对于此类问题还需进一步探讨。
本研究以岷江流域下游高场水文站为研究对象，高场水文站是岷江下游出口河段控制站。选取高场站1956-2017年历史日均流量数据，采用Mann-Kendall法［10］、均值差异T检验法［11］分析岷江水文特征与变化趋势，结合累积距平法对高场水文站的流量时间序列进行阶段划分［12］。随后用水文变化指标体系（IHA）和变动范围法（RVA）对高场水文站突变前后时间序列的水文改变程度定量分析，并探讨岷江流域水文情势变化的原因。本次研究，在前人的基础上对岷江流域的水文情势变化进行了更为详细的探讨，分析岷江流域梯级电站开发对流量的改变度，并根据分析结果对流域内生态系统稳定及一些水生生物的影响进行评价，为水电开发及河道整治提供参考。

1 研究区域概况及数据来源

岷江是长江上游左岸一级支流，发源于四川松潘岷山南麓，拥有丰富淡水渔业资源。岷江作为成都平原水资源的重要来源，流域内拥有都江堰水利工程，为“天府之国”的形成提供了基础支撑，涵养区23 037 km2［13］。岷江流域上有条较大的支流为大渡河，流域由岷江干流上游、青衣江与大渡河汇流而成。岷江下游是鱼类重要的栖息场所，也是沟通岷江中上游、大渡河的重要通道［14］。本次研究对象高场水文站处于大渡河与岷江的交汇处，位于岷江下游，因此高场水文站的流量数据具有代表性。随着科技发展和人类生活水平的提高，近年来对岷江流域的开发力度急剧增加，岷江流域的水体环境已经发生了较大的变化，对生态环境也产生了不可逆转的后果，尤其是岷江流域上梯级电站的逐步修建对岷江下游径流和鱼类资源带来一系列影响［15］。大渡河上建有龚嘴水库于1972年开始蓄水，铜街子水库于1993年开始运行，在高场站的控制面积内对水文序列造成了显著改变，位于岷江上游的紫坪铺水库在2006年投入运行，与岷江流域原有水库并联运行。岷江流域水系见图1。
Fig.1 Schematic diagram of the Minjiang River Basin

图1 岷江流域示意图

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本文使用的逐日流量数据来源于长江流域水文年鉴，水电站建设数据为当地政府于2013年5月开展的野外调查收集得来。

2 研究方法

本研究主要采用 Mann-Kendall 检验法、累积距平法、滑动 T 检验法结合均值差异T检验法，以高场水文站为研究对象分析岷江流域的趋势性和突变性检验，方法计算过程见参考文献［16，17］。
Richter等1996年提出33个水文改变指标（Indicators of Hydrology Alteration，IHA），IHA指标可以定量分析岷江流域水库建设对河流水文情势的影响程度，可结合水文变化指标法的基础变动范围法（RVA）来进行分析［18］。将高场水文站的日流量资料进行统计，并将处于自然状态下的长期水文资料作为定义水文变量变化范围的基础。根据水文情势的基本特征将32个水文指标划分为五组（本研究不考虑零流量天数水文指标），分析水文情势突变前后的改变程度，确定人类活动因素对自然河流的改变。其公式如下：
Di=N0,i-NeNe×100%
式中： Di表示第 i个指标的水文改变度； N0,i表示突变后的IHA值落在RVA范围内的年数； Ne表示突变后IHA值预期落在RVA范围内的年数（ Ne=P×NT， P为50%， NT为突变后流量系列总年数）。
Richter等建议频率75%作为各个指标上限，25%作为各个指标下限，作为RVA的范围。若突变后计算出的水文指标在上、下限之内，则河流自身的承载能力可以适应水文情势带来的变化；若水文指标计算结果不在上、下限范围内，则表明水文情势的改变会对流域内生态系统造成不可逆的影响，甚至造成生态群落的改变。为了对IHA指标改变度进行定量分析为水文改变度设定一个判断标准， Di值在0~33%属于低度改变；33%~67%属于中度改变；67%~100%属于高度改变。为了研究河流突变后整体的改变度体现出各指标的权重，本研究采用对较大的 Di值赋予较大的权重，其公式如下：
D0=132∑i=132Di2
式中： D0表示整体水文变化程度，判断标准与 Di相同。

3 结果与讨论

3.1 岷江年均流量变化特征

图2为岷江高场水文站1956-2017年均流量变化。由图中可知，所选水文序列年中，极大值为3 185 m3/s（1990年），次极大值为3 183 m3/s（1985年），极小值为2 014 m3/s（2006年），次极小值为2 168 m3/s（1972年），岷江年均流量呈下降趋势。根据趋势检验分析的结果，得出高场站1965-2017年的检验统计量为-2.76，统计量为负值，表示呈下降的趋势，且统计量的绝对值大于2.58，通过99%的显著水平检验。
Fig.2 Annual average flow and trend line of Minjiang

图2 岷江年均流量及趋势线

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3.2 年均流量突变性检验

岷江水量丰富，可开发水电资源较多，近些年岷江流域水库建设明显增加，水库的数量和水库的容量显著提升。目前，岷江流域上已修建完成的水库共计875座，其中大型水库高达20余座，累计总库容达153 亿m3。其中，大型水库占已建成水库总库容的83%以上，为人们生活，灌溉，航运等带来了极大的便利。
高场水文站所处位置特殊，位于大渡河和岷江干流的交汇处，流量变化可以综合反映岷江流域水库串联模式下水库调蓄的影响程度。结合大渡河和岷江干流上大中型水库的建设，龚嘴水库和铜街子水库分别于1972年和1992年开始运行。在近十年岷江流域水库建设突飞猛进，总库容快速增大，分别于2005年和2009修建大（1）型水库紫坪铺和瀑布沟水库。另外采用高场水文站1956-2017年流量系列资料，进行趋势性和突变性检验，得出可能突变的年份，如表1所示。
Tab.1 Statistical results of annual runoff variation

表1 年均流量突变统计结果

水文站 突变年份 变异点
M-K突变检验 累计距平法 滑动T检验 均值差异T检验
高场 1994、1995、2000 1968、1973、1993 1968、1973、1993 1993、2006 1993

3.3 岷江流域突变前后水文情势分析

综合以上分析，选取铜街子水库投入运行1993年前后，岷江下游高场站年均流量发生突变。将高场水文站逐日流量数据划分为突变前（1956-1993年）和突变后（1994-2017年）两个阶段，并与水文指标法、变动范围法（RVA）相结合来分析水文情势整体变化与各水文指标改变程度，计算过程见表2。
Tab.2 IHA index statistics table before and after abrupt change in Minjiang

表2 岷江突变前后IHA指标统计表

IHA指标 中值 阈值 水文改变度/%
突变前1956-1973 突变后1974-2017 下限 上限

第一组

指标/

（m3.s-1）

 1月 758.5 836.5 729.2 778.5 -43（M）
2月 709.0 788.5 675.9 740.4 -43（M）
3月 819.0 965.5 729.2 901.4 -10（L）
4月 1 053 1 268 981.4 1 259 -21（L）
5月 1 990 1 840 1 919 2 183 -77（H）
6月 3 470 3 390 3 210 4 116 -21（L）
7月 5 615 4 710 5 116 5 900 -55（M）
8月 5 230 4 310 4 539 5 721 -43（M）
9月 4 875 3 905 3 769 5 149 -36（M）
10月 3 095 2 725 2 829 3 454 -21（L）
11月 1 755 1 540 1 654 1 861 -55（M）
12月 1 130 1 145 1 069 1 170 -44（M）

第二组

指标/

（m3.s-1）

 年均1 d最小流量 578.5 598.5 546.4 607.5 -21（L）
年均3 d最小流量 601.8 645.5 580.6 643.4 -55（M）
年均7 d最小流量 625.4 705.1 604.5 658.4 -67（H）
年均30 d最小流量 677.2 760.7 653.9 716.7 -43（M）
年均90 d最小流量 780.9 864.3 716.8 819.1 -43（M）
年均1 d最大流量 16 050 12 950 14 920 18 200 -47（M）
年均3 d最大流量 12 620 9 967 11 660 13 710 -32（L）
年均7 d最大流量 9 877 7 886 9 184 11 140 -32（L）
年均30 d最大流量 7 436 5 927 6 640 8 031 -32（L）
年均90 d最大流量 5 857 4 802 5 422 6 216 -43（M）
基流指数 0.227 2 0.290 5 0.212 2 0.245 6 -43（M）

第三组

指标

 年最小值出现时间/d 37.5 38.5 31.0 50.0 9（L）
年最大值出现时间/d 212.5 214.5 208.7 224.3 -21（L）

第四组

指标

 低脉冲次数/次 4 8 3 6 -43（M）
低脉冲历时/d 5 2 3 11 -21（L）
高脉冲次数/次 8 10 7 9 -38（M）
高脉冲历时/d 4 3 3.935 7.565 -9（L）

第五组

指标

 上升率/（m3·s-1·d-1） 141 130 125 160 -21（L）
下降率/（m3·s-1·d-1） -108.5 -150.0 -120.0 -90.0 -100（H）
逆转次数/次 151.0 184.0 114.0 159.1 -89（H）
注：H表示高度改变；M表示中度改变；L表示低度改变。

3.3.1 月中值流量大小

结合月中值流量与月中值流量差可知（见图3、4），岷江下游流量突变前，高场站1-4月份流量逐月递增，在4月份时流量增加到顶峰，5-11月份流量有不同程度的减少。其中原因与岷江水库串联运行模式有关，水库的运行对岷江下游的蓄水可以起到一定的调节作用，在汛期水库蓄水可以减少下泄流量，在枯水期放水以免下游干旱。岷江流域水库建设一直在进行，水库的数量和容量不断增加。1993年以前水库建设比较平缓，多建设中小型水库，在1993年之后大中型水库不断增大，平均库容增大量超过之前所有时期总和，形成水库串联运行模式。为人们带来了巨大效益的同时也改变了岷江的水文情势。
Fig.3 Comparison of monthly median flow

图3 月中值流量比较

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Fig.4 Difference of monthly median flow

图4 月中值流量差

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3.3.2 年极值流量变化

图5和图6为改变最为显著的年极值流量变化图，从图中可以看出年均7 d最小流量在铜街子水库建设后呈上升趋势，改变度为高度改变且部分高于RVA阈值上限；年均1 d最大流量则呈下降趋势，水文的改变程度在流域的可承载范围内。
Fig.5 The minimum 7 day annual flow changes in the annual average

图5 年均最小7 d流量变化

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Fig.6 The maximum annual 1 day flow change

图6 年均最大1 d 流量变化

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3.3.3 年极端流量发生时间

由表2可知，在水库建设后年极端流量发生时间改变度呈微小变化，表明年极端流量的发生对流域内生境的影响较小。图7为年最大流量出现时间曲线图，图中最大流量出现时间阈值范围有所增加，但大部分还处于上、下限之间，具有一定的稳定性。突变后对岷江流域造成了一定的影响，岷江水利设施的建设使得高流量时间基本稳定。
Fig.7 Maximum flow time

图7 最大流量出现时间

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3.3.4 高低流量的频率及历时

高场水文站高、低脉冲出现次数在水文突变后都有不同程度的增加，而历时都有不同程度的减少。图8为高场站突变前后低脉冲次数曲线图，低脉冲次数从4次升高到了8次，历时从5 d减少到了2 d，低脉冲次数的改变度达到43%为中度改变，由图中也可知突变后高场站低脉冲次数整体增加，突变后超出RVA阈值上限的部分明显增多，这将对汛期过渡产生不利影响。高脉冲的次数从8次上升到10次，历时从4 d下降到3 d，其中高脉冲次数也为中度改变。表明水库的建设对岷江的水文环境带来了改变，显著的改变了岷江下游的水文情势。
Fig.8 Low pulse frequency curve before and after abrupt change

图8 高场站突变前后低脉冲次数

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3.3.5 流量变化改变率及频率

水文条件变化的速率及频率改变度大部分呈现高度改变，下降率和逆转次数较突变前后变化显著，下降率改变度达到100%。图9为高场站突变前后逆转次数变化曲线图，呈明显上升趋势，表明突变过程中水库建设对岷江下游流域产生较大的影响，两岸的植物受到干旱的威胁，影响泥沙运输对河床构造产生一定的改变。生态系统对外界的变化有一定的界限，一但超过这个界限便会威胁到河流生态系统的稳定，带来一些不利的因素。
Fig.9 Change of the reversing times before and after mutation

图9 高场站突变前后逆转次数变化

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3.3.6 整体水文改变度分析

基于IHA-RVA法对岷江水文情势突变前后结果分析，对表2中高场水文站突变前后32个水文指标绝对值的改变度进行排序，并将在图中将3个等级的水文改变度进行划分。由图10可知，属于中度改变的水文指标占32个水文指标中的47%，高度改变和低度改变分别占总比例的13%和40%，中度改变最高。在32个水文指标中下降率的改变度达到了100%，其次高度改变中逆转次数达到了89%；1、2、7、8、9、11、12月份流量、年均3、20、90 d最小流量、年均1、90 d最大流量、基流指数以及高、低脉冲次数为中度改变，其余水文指标为低度改变。
Fig.10 Hydrologic change of discharge sequence

图10 岷江水文改变度

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通过岷江下游流域5组32个水文指标的整体水文改变度来分析岷江下游的水文情势变化。各组整体改变度计算结果见表3，水文条件变化的速率及频率为高度改变；月平均水量变化和年极端水文条件为中度改变；其他皆为低度改变。由表3可知，整体的改变度属于中等改变。高场水文站的变化程度主要由中度改变占主导，表明梯级水库的建设，显著的改变了岷江下游河流的水文情势。对水生生物的物种丰度，河岸植物的土壤环境，河流温度等都产生了改变。
Tab.3 Overall hydrological change of discharge sequence

表3 高场站流量序列整体水文改变度

水文站 各组水文改变度 整体水文改变度D 0
第一组 第二组 第三组 第四组 第五组
高场 43（M） 43（M） 16（L） 31（M） 78（H） 45（M）
注：H表示高度改变；M表示中度改变；L表示低度改变。

3.4 水文情势变化对重要鱼类影响

长江流域是我国各水系之首，无论是干流还是支流都拥有丰富的鱼类资源［19］。岷江是长江流域最为重要的支流，鱼类种类和数量也十分丰富。岷江的鱼类资源数据收集较早，早于1957年张春霖和刘成汉便对岷江的鱼类资源做了初步的调查，调查结果共有鱼类68属92种。2014至2015年吕浩等对岷江干流下游进行调查，研究区域共调查到鱼类71种，16种长江上游特有鱼类，1种外来物种［20］。BAO J等［21］2019年于岷江最大支流大渡河进行实测，鱼类取样显示，有40个物种聚集在大坝下游。此时，大渡河已修建15座水利工程，认为是破坏河流天然状态的主要因素，对洄游鱼类造成严重影响。自然界虽对外界环境的改变有一定的调节能力，但是在岷江不断建设中，各种水利工程都会对鱼类的洄游、产卵等造成一定的阻隔，甚至改变群落结构和功能群［22］。
人类长期的活动影响会对生态环境造成一些无法挽回的
影响，需加强保护措施。数据表明岷江流域在建设中因为水文情势发生改变，鱼类资源的种类和数量都有一定的下降。人们充分利用了岷江流域丰富的水资源修建水库，汛期蓄水、枯水期放水造福两岸。至2017年底岷江已经修建大中小型水库共计875座，累积总库容约为153 亿m3，目前流域内正在建水库有22座，总库容约为38.8 亿m3。在高场控制面积内，龚嘴和铜街子水库于1972年、1993年投入运行；紫坪铺水库和瀑布沟水库分别于2006年和2009年投入运行。梯级电站对流域内生态环境带来了较大的影响，改变了生物群落和鱼类的生存环境，给鱼类繁衍带来了不利的影响［23］。
种种现象表明岷江水库建设导致水文变异是岷江流域鱼类资源变化的根本原因。岷江流域的生态及水体环境已经发生了剧烈的变化，近些年人类活动的加剧以及岷江下游梯级水电站的建设，导致鱼类种类的下降和数量的减少，并伴随着外来物种的入侵，不利于生态环境的建设和保护。在今后的研究中需在大坝建设前后对鱼类群落进行长期监测，以了解生态对水文变化的反应，从而对受监管河流进行有效的资源管理［24］。

4 结 论

本研究主要基于生态水文指标变化范围法（IHA-RVA）及水文改变度法对岷江流域水文情势变化进行分析评价，结果如下。
（1）根据岷江逐日流量数据分析得出：岷江年均流量呈下降趋势，通过99%置信度检验，下降趋势显著；通过Mann-Kendall法、累积距平法、均值差异T检验法和滑动T检验法结合水库建设得到突变年份为1993年。表明岷江流域自20世纪90年代以来以大、中型水库修建对其流量变化产生影响显著。
（2）通过对铜街子水库建设后水文改变的分析，岷江下游非汛期1-4月份流量增加，汛期5-10月份流量减少；年极小流量和年极大流量阈值范围有所增加但大部分还处于上、下限之间，维持了最大流量出现时间的基本稳定性；高、低脉冲出现次数在水文突变后都有不同程度的增加，而历时都有不同程度的减少，其中突变前低脉冲次数变化最为明显增大50%；高场水文站流量上升率减少，但下降率和逆转次数突变后有所上升，其中下降率改变度达到了100%最为显著。根据对岷江流域突变年前后的改变程度分析，得出高场水文站大多水文指标都为中度改变，五组数据中流量变化改变率及频率为高度改变，高场水文站的整体改变度为45%，属于中度改变。
（3）1983-1998为长江流域水库集中建设阶段，水利工程的建设为人们带来了资源与便利的同时也对流域内的水文情势造成了变化，进而对岷江流域产卵活动产生一定影响，使得流域内水文情势明显的改变，从而造成河流生态功能受损、水生生物栖息地遭到改变。导致岷江鱼类种类和数量有明显的减少，造成了外来物种的入侵。 □

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