金沙江流域云南片水文極小值演變及生態(tài)基流保障分析

王東升，袁樹堂，楊 祺

(云南省水文水資源局，云南 昆明 650106)

氣候變化下極端水文事件是近年來發(fā)展起來的與諸多學(xué)科密切相關(guān)的新興交叉研究方向。洪澇災(zāi)害、干旱等極端水文事件的發(fā)生正成為人類面臨的重大挑戰(zhàn)，但目前相關(guān)研究成果相對較少[1]。水文極值很少出現(xiàn)，但一旦出現(xiàn)將產(chǎn)生巨大影響[2]?，F(xiàn)有的針對水文極值的研究成果主要集中于引起洪澇災(zāi)害的水文極大值[1-4]，與干旱、水生態(tài)環(huán)境相關(guān)性較強(qiáng)的水文極小值研究較為少見。金沙江流域是我國西部生態(tài)脆弱區(qū)[5]，同時(shí)也是長江流域重要生態(tài)屏障，承擔(dān)了長江上游水源涵養(yǎng)、防風(fēng)固沙和生物多樣性保護(hù)等重要功能[6]。現(xiàn)有研究成果表明，作為金沙江流域重要組成部分的云南片區(qū)氣溫有顯著升高趨勢，潛在蒸發(fā)和蒸發(fā)皿蒸發(fā)呈增加趨勢，降水及主要干支流徑流量無明顯變化[7-11]；降水以短歷時(shí)降水為主，且短歷時(shí)降水強(qiáng)度、次數(shù)呈增加趨勢[12]。氣候的變化對金沙江流域內(nèi)自然生態(tài)系統(tǒng)、水資源量和自然災(zāi)害均產(chǎn)生影響，加劇了流域生態(tài)系統(tǒng)的脆弱性[13]。金沙江下游水生態(tài)處于亞健康狀態(tài)[14]，2009—2014年又遭遇1961年以來最嚴(yán)重的持續(xù)性干旱[15]，形勢更為嚴(yán)峻。在此背景下，本研究基于金沙江流域云南片區(qū)域內(nèi)水文代表站1968—2017年年徑流極小值及年月平均流量數(shù)據(jù)，采用Mann-Kendall非參數(shù)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)法(以下簡稱M-K法)、一元線性回歸法分析區(qū)域水文極小值演變規(guī)律，采用Tennant法及地區(qū)經(jīng)驗(yàn)分析河流生態(tài)基流，評估極端情況下生態(tài)基流保障程度，旨在為掌握區(qū)域干旱、水生態(tài)環(huán)境面臨的形勢，采取合理的水資源調(diào)度配置方案和水生態(tài)環(huán)境保護(hù)措施提供參考。

1 研究區(qū)域概況

金沙江流域云南片位于云南省北部，省內(nèi)總集水面積109 524.6 km2，占云南省國土面積的28.52%，東西橫跨昆明等7個(gè)州(市)、47個(gè)縣(市、區(qū))，多年平均徑流量424.1億m3，占云南省水資源量的19.2%。流域內(nèi)水系發(fā)達(dá)，集水面積在1 000 km2以上的河流有32條，1 00～1 000 km2的265條，封閉湖泊3個(gè)[16]。研究區(qū)屬低緯度高原季風(fēng)氣候，分布有北熱帶、南亞熱帶、中亞熱帶、北亞熱帶、南溫帶、中溫帶與高原氣候區(qū)，垂直變化十分明顯，各地年平均氣溫在5.5～21.9 ℃，年平均降水量在300～1 300 mm，5—10月降水量占年降水量的90%左右[1]。徑流主要來自降水，西北部少數(shù)河流有融雪補(bǔ)給，豐水期(6—11月)徑流量占全年的81.9%，枯水期(12—5月)徑流量占全年的18.9%[17]。研究區(qū)地貌分屬云南省滇西橫斷山地、滇中紅色高原與滇東喀斯特高原三大地理單元，區(qū)域構(gòu)造運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈，地殼活動(dòng)劇烈。研究區(qū)內(nèi)春旱較為廣泛，水資源分布極不均衡，其中昆明市所在滇池流域人均水資源量不足300 m3，為極度缺水區(qū)，因此開展區(qū)域水文極小值研究對當(dāng)?shù)乜购稻葹?zāi)、水生態(tài)環(huán)境保護(hù)具有重要意義。根據(jù)區(qū)域自然地理和水文特性，結(jié)合《云南省水文手冊》，本研究將金沙江流域云南片劃分為東北區(qū)、中北區(qū)、滇中區(qū)、西北區(qū)4個(gè)區(qū)域，其中中北區(qū)包括東西2部分，區(qū)域劃分及水系見圖1。

圖1 金沙江流域云南片水文代表站及區(qū)域劃分

2 研究資料與方法

2.1 研究資料

選取研究區(qū)內(nèi)建站時(shí)間較早、資料系列較長、觀測持續(xù)、面上分布較為均衡、覆蓋流域內(nèi)主要水文分區(qū)和主要支流的關(guān)河豆沙關(guān)站、白水江牛街站、牛欄江七星橋站、螳螂川蔡家村站、龍川江上段楚雄站、龍川江下段小黃瓜園站、落漏河黃坪站、萬馬河中和街站、漁泡江地索站、五郎河總管田站、臘普河塔城站、交界河上橋頭站等共12個(gè)水文站作為區(qū)域代表站進(jìn)行分析，各站位置所屬分區(qū)見圖1，資料包括各水文代表站1968—2017年共50年年最小瞬時(shí)流量(年徑流極小值)、月平均流量系列。以上資料均來自云南省水文水資源局整編成果。中北區(qū)東片區(qū)缺乏滿足系列長度要求的區(qū)域代表站，查閱《云南省水文手冊》，發(fā)現(xiàn)中北區(qū)內(nèi)東片區(qū)與西片區(qū)河道基流特征相似，因此使用中北區(qū)西片區(qū)分析成果來代表中北區(qū)水文極小值特性。

2.2 水文極小值演變分析方法

依據(jù)收集到的金沙江流域云南片水文代表站水文數(shù)據(jù)，分析年徑流極小值及其對應(yīng)的每100 km2產(chǎn)流量變化范圍，應(yīng)用離散系數(shù)分析系列變異程度，以分析研究區(qū)內(nèi)年徑流極小值的地區(qū)分布規(guī)律。為在同一尺度上比較各代表站年徑流極小值變化趨勢，歸一化處理系列數(shù)據(jù)，采用一元線性回歸法和M-K法分析年徑流極小值變化趨勢，并使用M-K法檢驗(yàn)趨勢變化顯著性水平及突變點(diǎn)，結(jié)合其他文獻(xiàn)研究成果及產(chǎn)匯流條件，分析影響年徑流極小值演變的主要因素。

2.3 生態(tài)基流計(jì)算方法

生態(tài)基流指能滿足河道生態(tài)環(huán)境功能的基礎(chǔ)流量[18-19]，是維系和保護(hù)河流的最基本生態(tài)功能不受破壞所必須在河道內(nèi)保留的最小流量[20-21]。Tennant法取年平均天然流量的10%作為河流生態(tài)基流[22]，但這在季節(jié)性河流中應(yīng)用有局限性[20,23]。云南省河流天然徑流季節(jié)性明顯，生態(tài)基流的確定應(yīng)考慮水資源的合理開發(fā)利用，結(jié)合不同地區(qū)及不同生態(tài)環(huán)境，汛期生態(tài)基流按照Tennant法取值基本合理[24-26]，枯季應(yīng)針對枯季徑流特點(diǎn)考慮生態(tài)基流計(jì)算方法[27-28]。伍立群等[28]提出云南省豐水區(qū)、中水區(qū)以及來水量年際年內(nèi)變化較小河流可按Tennant法確定生態(tài)基流，少水區(qū)以及來水量年際年內(nèi)變化較大的河流枯季生態(tài)基流取枯季平均流量的20%。本研究依據(jù)此結(jié)論確定生態(tài)基流，研究區(qū)域內(nèi)東北區(qū)、西北區(qū)屬中水區(qū)，滇中區(qū)屬少水區(qū)，中北區(qū)屬少水區(qū)向中水區(qū)過渡區(qū)，生態(tài)基流參照少水區(qū)確定[27]。

3 水文極小值特征及演變

3.1 特征分析

對金沙江流域云南片主要支流12個(gè)水文代表站1968—2017年共50年年徑流極小值系列多年平均值、最大值、最小值對應(yīng)每100 km2集水面積產(chǎn)流量進(jìn)行離散系數(shù)分析，結(jié)果見表1。金沙江流域云南片年徑流極小值系列對應(yīng)每100 km2集水面積產(chǎn)流量最大值在0.024～1.233 m3/s，最大值流域平均為0.408 m3/s，最小值在0.000～0.456 m3/s，最小值流域平均為0.092 m3/s，平均值流域平均為0.225 m3/s，離散系數(shù)在0.220～1.342。從空間分布來看，東北區(qū)、西北區(qū)為年徑流極小值對應(yīng)每100 km2集水面積產(chǎn)流量高值區(qū)，其次為中北區(qū)，云南傳統(tǒng)缺水區(qū)金沙江流域中部的滇中區(qū)為年徑流極小值對應(yīng)每100 km2集水面積產(chǎn)流量低值區(qū)，12個(gè)代表站中最大站點(diǎn)是最小站點(diǎn)的220倍，地區(qū)差異巨大，楚雄州、大理州部分河道部分時(shí)段出現(xiàn)斷流現(xiàn)象。離散系數(shù)分析結(jié)果表明，東北區(qū)及西北區(qū)河道1968—2017年年徑流極小值系列相對較為穩(wěn)定，離散系數(shù)在0.40以下，滇中區(qū)的楚雄州龍川江及昆明市螳螂川離散系數(shù)大于1.2，1968—2017年徑流極小值年際變化差異大。

3.2 年際變化分析

為在同一尺度上進(jìn)行比較，對各水文代表站1968—2017年徑流極小值系列進(jìn)行了歸一化處理，繪制歸一化后過程線，采用一元線性回歸法分析推求線性趨勢，并采用M-K法檢驗(yàn)趨勢的顯著性，結(jié)果見表2，分析成果示例見圖2。由表2、圖2可知，東北區(qū)河流年徑流極小值呈現(xiàn)波動(dòng)減少趨勢，區(qū)域內(nèi)關(guān)河豆沙關(guān)站和白水江牛街站的年徑流極小值減少趨勢顯著性水平均通過95%置信度檢驗(yàn)；滇中區(qū)及中北區(qū)河流年徑流極小值系列趨勢較為分散，區(qū)域內(nèi)牛欄江七星橋站年徑流極小值增大趨勢顯著性水平通過95%置信度檢驗(yàn)，龍川江下段小黃瓜園站、螳螂川蔡家村站年徑流極小值減少趨勢顯著性水平通過95%置信度檢驗(yàn)，落漏河黃坪站、萬馬河中和街站年徑流極小值呈現(xiàn)不顯著上升趨勢，龍川江上段楚雄站、漁泡江地索站、五郎河總管田站年徑流極小值呈現(xiàn)不顯著下降趨勢；西北區(qū)臘普河塔城站呈不顯著上升趨勢，交界河上橋頭站因近年受上游水電站工程調(diào)度影響，呈現(xiàn)不顯著下降趨勢。

表1 金沙江流域云南片水文代表站水文極小值特征

表2 金沙江流域云南片水文代表站年徑流極小值年際變化趨勢分析及突變檢測結(jié)果

(a)豆沙關(guān)站、蔡家村站、小黃瓜園站

(b)中和街站、總管田站、上橋頭站

3.3 突變分析

使用M-K法對金沙江流域云南片主要支流12個(gè)水文代表站1968—2017年徑流極小值系列進(jìn)行突變檢驗(yàn)，結(jié)果見表3。由表3可知，1968—2017年除龍川江上段楚雄站未出現(xiàn)突變信號外，其他各站均有突變信號出現(xiàn)，其中漁泡江地索站出現(xiàn)3次、交界河上橋頭站出現(xiàn)2次，關(guān)河豆沙關(guān)站、白水江牛街站、牛欄江七星橋站、螳螂川蔡家村站、龍川江下段小黃瓜園站突變后形成新的趨勢，顯著性水平通過95%置信度檢驗(yàn)，突變時(shí)間主要集中在20世紀(jì)七八十年代，且各代表站突變前后均值均發(fā)生了較大幅度變化。

表3 金沙江流域云南片水文代表站年徑流極小值突變前后均值變化

3.4 演變成因分析

年徑流極小值系列發(fā)生突變及趨勢形成的影響因素有很多，主要影響因素包括：①產(chǎn)匯流條件發(fā)生變化，如砍伐樹木、植樹造林、種植結(jié)構(gòu)調(diào)整、水利水電工程開發(fā)建設(shè)等。12個(gè)代表站中有8個(gè)站點(diǎn)在20世紀(jì)70年代、80年代出現(xiàn)突變，與當(dāng)時(shí)大規(guī)?？撤淠?，森林覆蓋率快速降低，流域蓄水能力降低有關(guān)。1989年，我國實(shí)施長江上游水土流失重點(diǎn)防治工程，情況得到一定控制。上橋頭站在2015年形成突變，與前期上游水電工程蓄水發(fā)電改變枯季河道匯流條件有關(guān)；蔡家村站雖在2017年未檢出突變信號，然該站2017年度極小值大幅度超出歷史系列最大值，與云南省實(shí)施牛欄江—滇池補(bǔ)水工程有關(guān)，該工程多年向該站上游滇池流域平均調(diào)水5.72億m3[29]，多于滇池多年平均水資源量5.56億m3，其中枯季(11月至次年4月)調(diào)水量為2.43億m3，大幅度增加了蔡家村站汛期、枯季來水量。②氣溫變化改變流域蒸發(fā)及融雪條件。全球氣候變暖的大趨勢下，除靠近四川省攀枝花區(qū)域氣溫呈下降趨勢外[13,30]，金沙江流域云南片其他大部分地區(qū)氣溫呈顯著上升趨勢，平均以每10年0.29℃上升，其中中段平均上升幅度達(dá)每10年0.46℃，上段平均上升幅度在每10年0.18℃[13]，而四季中冬季升溫幅度最大，潛在蒸發(fā)和蒸發(fā)皿蒸發(fā)呈增加趨勢[7-8,13]，該趨勢對滇中區(qū)、中北區(qū)及東北區(qū)所屬的大部分區(qū)域的影響表現(xiàn)為增大了枯季蒸發(fā)量，降低枯季來水量，是形成區(qū)域內(nèi)大部分站點(diǎn)年徑流極小值出現(xiàn)減少趨勢的主要原因之一，同時(shí)氣溫上升有利于西北區(qū)冰雪覆蓋區(qū)域融雪期提前，增大枯季徑流量，如塔城站年徑流極小值系列出現(xiàn)上升趨勢。③降水量趨勢變化改變水資源條件。金沙江云南片除東北區(qū)昭通市昭陽區(qū)年降水量呈顯著減少趨勢并在1986年發(fā)生突變，西北區(qū)迪慶州德欽縣呈減少趨勢并于1966年發(fā)生突變外，其他均呈增加趨勢[9-11]，其中靠近四川省攀枝花區(qū)域增加趨勢最為明顯[30]。該趨勢進(jìn)一步解釋了研究區(qū)內(nèi)東北區(qū)河流代表站年徑流極小值呈顯著下降趨勢、中北區(qū)靠近四川省攀枝花區(qū)域的河道年徑流極小值整體呈現(xiàn)增大趨勢的原因。

4 河道生態(tài)基流保障分析

根據(jù)12個(gè)水文代表站1968—2017年月平均徑流量系列數(shù)據(jù)分別計(jì)算各河道汛期、枯季生態(tài)基流，并以此對各水文代表站1968—2017年年徑流量極小值是否滿足河道生態(tài)基流需求進(jìn)行評價(jià)，結(jié)果見表4。滇中區(qū)昆明市牛欄江七星橋站、大理州落漏河黃坪站50年內(nèi)年徑流極小值均低于生態(tài)基流，楚雄州龍川江上段楚雄站、下段小黃瓜園站、楚雄州漁泡江地索站、昆明市螳螂川蔡家村站有40～49年年徑流極小值低于生態(tài)基流，中北區(qū)麗江市五郎河總管田站有21年年徑流極小值低于生態(tài)基流，東北區(qū)昭通市關(guān)河豆沙關(guān)站、中北區(qū)楚雄州萬馬河中和街站、西北區(qū)迪慶州交界河上橋頭站有3～7年年徑流極小值低于生態(tài)基流，東北區(qū)昭通市白水江牛街站、西北區(qū)迪慶州臘普河塔城站年徑流極小值均大于生態(tài)基流。1968—2017年，研究區(qū)主要河流平均僅有47%的年份生態(tài)基流能得到全部保障，53%的年份年徑流極小值低于生態(tài)基流，其中東北區(qū)、西北區(qū)、中北區(qū)局部生態(tài)基流保障程度較高，滇中區(qū)大部分河道大部分年份年徑流極小值小于生態(tài)基流，水生態(tài)環(huán)境壓力大。

表4 金沙江流域云南片水文代表站生態(tài)基流保障分析

5 結(jié) 論

a. 研究區(qū)東北區(qū)、西北區(qū)為年極小值對應(yīng)每100 km2集水面積產(chǎn)流量高值區(qū)，滇中區(qū)為低值區(qū)，中北區(qū)為過渡區(qū)，地區(qū)差異顯著。

b. 研究區(qū)東北區(qū)年徑流極小值呈現(xiàn)顯著波動(dòng)減少趨勢，滇中區(qū)、中北區(qū)及西北區(qū)河流變化趨勢不一，除滇中區(qū)龍川江上段年徑流極小值系列未出現(xiàn)突變信號外，其他各河道均有突變信號出現(xiàn)，部分河流突變后極小值特征值發(fā)生明顯變化,形成突變及趨勢變化的主要原因有降水、產(chǎn)匯流條件、氣候背景發(fā)生變化。

c. 1968—2017年，研究區(qū)主要支流平均僅有47%的年份生態(tài)基流能得到全部保障，其中區(qū)域東北區(qū)及西北區(qū)生態(tài)基流保障程度較高，滇中區(qū)大部分河道大部分年份年徑流極小值無法滿足生態(tài)基流需水，水生態(tài)環(huán)境壓力較大、抗旱救災(zāi)壓力大。

d. 預(yù)計(jì)研究區(qū)東北區(qū)受天然來水影響、西北區(qū)部分河流受水利水電工程調(diào)度影響,生態(tài)基流保障及干旱壓力將逐步增大，滇中區(qū)昆明、曲靖河流生態(tài)基流保障程度將逐步得到改善，滇中區(qū)其他區(qū)域大部分河流生態(tài)基流保障及干旱為持續(xù)高壓狀態(tài)。建議云南省加快滇中引水工程向滇中區(qū)補(bǔ)水，加強(qiáng)水利水電工程生態(tài)流量調(diào)度管理，以提高生態(tài)基流保障度。