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(duì)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(duì)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(guó)西部生態(tài)脆弱區(qū)[5]，同時(shí)也是長(zhǎng)江流域重要生態(tài)屏障，承擔(dān)了長(zhǎng)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(shì)，潛在蒸發(fā)和蒸發(fā)皿蒸發(fā)呈增加趨勢(shì)，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(shì)[12]。氣候的變化對(duì)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(shì)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(jiǎn)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(píng)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(shì)，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(guó)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(duì)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(cè)》，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(zhǎng)、觀測(cè)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(zhǎng)度要求的區(qū)域代表站，查閱《云南省水文手冊(cè)》，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(duì)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(shì)，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(shì)，并使用M-K法檢驗(yàn)趨勢(shì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(shì)，并采用M-K法檢驗(yàn)趨勢(shì)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(shì)，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(shì)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(shì)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(shì)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(shì)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(shì)，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(shì)；西北區(qū)臘普河塔城站呈不顯著上升趨勢(shì)，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(shì)。

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(shì)分析及突變檢測(cè)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(duì)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(hào)外，其他各站均有突變信號(hào)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(shì)，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(shì)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)模砍伐樹木，森林覆蓋率快速降低，流域蓄水能力降低有關(guān)。1989年，我國(guó)實(shí)施長(zhǎng)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(hào)，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(shì)下，除靠近四川省攀枝花區(qū)域氣溫呈下降趨勢(shì)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(shì)，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(shì)[7-8,13]，該趨勢(shì)對(duì)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(shì)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(shì)。③降水量趨勢(shì)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(shì)并在1986年發(fā)生突變，西北區(qū)迪慶州德欽縣呈減少趨勢(shì)并于1966年發(fā)生突變外，其他均呈增加趨勢(shì)[9-11]，其中靠近四川省攀枝花區(qū)域增加趨勢(shì)最為明顯[30]。該趨勢(shì)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(shì)、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(shì)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(duì)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(píng)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(duì)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(shì)，滇中區(qū)、中北區(qū)及西北區(qū)河流變化趨勢(shì)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(hào)外，其他各河道均有突變信號(hào)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(shì)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。