毛文靜，姜田亮，粟曉玲

（1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 水利與建筑工程學(xué)院，陜西 楊凌 712100；2.中國農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利與土木工程學(xué)院，北京 100083）

隨著社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展，水資源短缺日益嚴(yán)重，干旱已經(jīng)成為全球關(guān)注的熱點［1］。 干旱是指一段時間、一定區(qū)域范圍內(nèi)陸地降水持續(xù)低于正常值的一種極端氣候現(xiàn)象［2］。 美國氣象學(xué)會在總結(jié)各種干旱定義的基礎(chǔ)上將干旱大致分為氣象干旱、農(nóng)業(yè)干旱、水文干旱和社會經(jīng)濟(jì)干旱4 類。 近年來由干旱引發(fā)的生態(tài)問題日益嚴(yán)峻，一些學(xué)術(shù)組織開始關(guān)注生態(tài)干旱［3］。 粟曉玲等［4］定義生態(tài)干旱為由自然與人類活動引發(fā)的生態(tài)系統(tǒng)可獲得的水量低于其需水閾值，導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)超過脆弱性閾值，影響生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)，并在自然和／或人類系統(tǒng)中觸發(fā)反饋的現(xiàn)象。 要定量化地研究生態(tài)干旱，離不開干旱指數(shù)［5］。 近半個世紀(jì)以來，學(xué)者們提出了許多標(biāo)準(zhǔn)化干旱指數(shù)，以保證干旱定量評估的客觀性和一致性［6］。 Park 等［7］認(rèn)為應(yīng)從生態(tài)系統(tǒng)的角度進(jìn)行生態(tài)干旱監(jiān)測。 對于旱地生態(tài)系統(tǒng)，通常采用歸一化植被差異指數(shù)（NDVI）［8］、植被干旱指數(shù)（TVDI）［9］和改良植被指數(shù)（EVI）［10］等來表征植被干旱狀況。 近年來河流水域生態(tài)干旱問題受到關(guān)注，如Kim等［11］采用非參數(shù)核密度估計，假設(shè)極端干旱后河流水質(zhì)超過目標(biāo)水質(zhì)的概率，定量評價生態(tài)干旱造成的水質(zhì)風(fēng)險。 我國一些學(xué)者開展了濕地生態(tài)干旱的初步研究，如馬寨璞等［12］和張麗麗等［13］根據(jù)水位監(jiān)測分析白洋淀生態(tài)干旱的演變趨勢；侯軍等［14］選取濕地最小生態(tài)水位作為干旱指標(biāo)，建立濕地干旱指數(shù)，對呼倫湖濕地進(jìn)行干旱評價。 但上述研究未考慮變化環(huán)境下的河道供需水平衡動態(tài)，此外河流生態(tài)干旱的成因復(fù)雜，只用單因素指標(biāo)無法很好地反映區(qū)域干旱的時空特性。 為解決上述問題，筆者基于黃河及其支流上的6個水文站的逐月徑流數(shù)據(jù)，從河流生態(tài)需水和徑流兩方面構(gòu)建干旱指數(shù)，分析河流生態(tài)干旱的演變特征，以期為有效調(diào)控流域水資源、提高生態(tài)干旱評估能力提供參考。

1 水文站概況與數(shù)據(jù)來源

1.1 水文站概況

本文選擇黃河及其支流上的6 個水文站研究河流生態(tài)干旱的演變規(guī)律：唐乃亥站位于黃河上游，享堂站位于黃河的二級支流大通河上，花園口站位于黃河中游和下游的分界點附近，林家村站位于渭河干流的中游，張家山站位于渭河支流涇河的出口，頭站位于渭河支流北洛河的下游。

1.2 數(shù)據(jù)來源

本文數(shù)據(jù)來源于《水文年鑒》，各水文站的月徑流序列選取唐乃亥1956—2016 年、享堂1944—2016 年、花園口1958—2015 年、林家村1944—2016 年、張家山1932—2016 年、頭1937—2016 年。

2 研究方法

2.1 河流生態(tài)流量計算

2.1.1 Tennant 法

Tennant 法是依據(jù)河流流量與生態(tài)質(zhì)量的相關(guān)性建立起來的經(jīng)驗方法［15］。 該方法對河流生態(tài)質(zhì)量的描述見表1。 本文將多年平均流量的10%作為保持河流生態(tài)系統(tǒng)健康的最小流量、多年平均流量的30%作為能夠為大多數(shù)水生生物提供較好棲息條件的基流量［16］。

表1 Tennant 法對河流生態(tài)需水推薦標(biāo)準(zhǔn)

2.1.2 最枯月平均流量法

最枯月平均流量法是通過統(tǒng)計徑流序列每年的最小月流量，計算其多年平均值即為河流生態(tài)流量［17］。通常選擇近10 a 的流量序列作為研究資料。 河道生態(tài)流量計算公式為

式中：Q為河道生態(tài)流量，m3／s；Qij為第i年第j月的實測平均流量，m3／s；n為統(tǒng)計年數(shù)。

2.1.3 Qp 法

Qp 法是一種保證率設(shè)定方法，將徑流序列各年的最枯月流量按從大到小排序，并計算其保證率。 通常選擇90%保證率對應(yīng)的最枯月流量作為河道生態(tài)基流［18］。 該方法適用于河流流量較小、可利用的水文序列較長且被人類較好開發(fā)和利用的情況。

2.2 河流生態(tài)干旱指數(shù)計算方法

參照標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)SPEI的構(gòu)建原理，建立標(biāo)準(zhǔn)化河流生態(tài)干旱指數(shù)（SREDI）。 采用逐年逐月的徑流量和生態(tài)需水量之差與平均狀態(tài)之間的偏離程度來表征河流干旱，計算步驟如下。

（1）計算逐年逐月徑流量Wj與生態(tài)需水量WRj的差值Dj：

式中：c0＝2.515 517，c1＝0.802 853，c2＝0.010 328，d1＝1.432 788，d2＝0.189 269，d3＝0.001 308。

2.3 干旱演變特征分析方法

2.3.1 趨勢分析

Kendall 檢驗的原理是將歷年相同月（季）的水文資料進(jìn)行比較，確定序列（x1，x2，…，xn）的所有對偶值（xp，xq） 中xp ＜xq的出現(xiàn)個數(shù)r，構(gòu)造統(tǒng)計量：

式中：UFk為順時間序列算出的統(tǒng)計量參數(shù)，服從標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布；E（dk） 為統(tǒng)計量的數(shù)學(xué)期望；D（dk） 為統(tǒng)計量的方差。

以逆時間序列重復(fù)上述計算，得到UFk＝-UBk（k＝n，n- 1，…，1） 。 分別繪出UFk和UBk曲線，選取顯著性水平α ＝0.05，則其對應(yīng)臨界值之間的交點即為突變點。

2.3.3 周期分析

Morlet 小波是一種具有時頻多層次分辨功能的方法，能有效捕獲水文氣象序列不同時間尺度的周期性特征，并對序列未來一段時間內(nèi)的發(fā)展趨勢進(jìn)行定性評估［19］。 小波變化公式為

小波系數(shù)實部等值線圖體現(xiàn)干旱在不同時間尺度上的周期波動情況，小波系數(shù)方差圖則反映周期的波動能量，其峰值對應(yīng)干旱序列的主周期。

3 結(jié)果與分析

3.1 徑流年際變化分析

圖1 為各水文站徑流量的年際變化趨勢，可以看出徑流量在研究時段內(nèi)均呈下降趨勢。 花園口站的多年平均徑流量最大且年徑流量隨時間遞減的速率最快；唐乃亥站的多年平均徑流量次之，逐年徑流量呈波動下降趨勢，但趨勢不明顯；享堂站逐年徑流量的變幅較小，表現(xiàn)為緩慢減小的趨勢；渭河林家村站年徑流量遞減速率較快，而張家山站和頭站在1965 年附近有明顯異于其他年份的極大值，線性擬合與年徑流量變化過程線的相關(guān)程度較低。

圖1 各水文站徑流量年際變化趨勢

研究區(qū)各水文站年徑流量的Kendall 趨勢檢驗成果見表2。 當(dāng)Kendall 統(tǒng)計量為正值／負(fù)值時，徑流量有增大／減小的趨勢。 由表2 可知，研究期各水文站的徑流量均表現(xiàn)為減小趨勢。 除唐乃亥站外，其余5 個水文站的徑流量呈顯著減小趨勢，其中林家村站的減小趨勢最為明顯，花園口站次之。

表2 各水文站徑流量Kendall 檢驗成果

3.2 基于不同方法的河流生態(tài)需水量計算

表3 為利用Tennant 法、最枯月平均流量法和Qp法分別計算的各水文站河流生態(tài)需水量，可以看出，不同方法計算出的各站生態(tài)需水量差異較大。 為進(jìn)一步確定適宜的生態(tài)需水量，采用實測月平均水量占月生態(tài)需水的百分比來衡量生態(tài)需水量的滿足程度，見表4。

表3 不同方法計算的各水文站生態(tài)需水量 億m3

表4 各水文站不同方法計算的生態(tài)需水滿足程度 %

從表4 可以看出，Tennant 法計算的各站生態(tài)需水滿足程度均較高，枯水期可達(dá)100%。 對于唐乃亥站、享堂站、花園口站和頭站，Tennant 法計算的生態(tài)需水滿足程度明顯高于另外兩種方法；對于林家村站和張家山站，Qp 法計算的生態(tài)需水滿足程度最高。 生態(tài)需水量的最終確定還要考慮水文站當(dāng)?shù)氐淖匀坏乩項l件和用水情況。 唐乃亥站和享堂站位于黃河上游，水土流失嚴(yán)重，生態(tài)環(huán)境脆弱，對生態(tài)需水量的要求較高，所以選擇Tennant 法的計算結(jié)果較為合理。 花園口站、林家村站、張家山站和頭站區(qū)域人口較多，工農(nóng)業(yè)較為發(fā)達(dá)，為保證當(dāng)?shù)厣a(chǎn)生活用水，故選擇較小的生態(tài)需水量。

3.3 河流生態(tài)干旱演變特征分析

3.3.1 河流生態(tài)干旱趨勢分析

各水文站年尺度和季尺度SREDI指數(shù)的Kendall檢驗結(jié)果分別見表5 和表6。 由表5 可知，統(tǒng)計量均小于0，表明研究流域的年尺度河流生態(tài)干旱程度有加劇趨勢，且除黃河上游的唐乃亥站以外的其他5 個站變干趨勢顯著。 氣候變化和人類活動是流域水文變化最直接和重要的驅(qū)動因素。 近60 a 來，黃河流域氣溫顯著升高，降水量總體減小，人類活動影響增強(qiáng)［20］。劉昌明等［21］研究表明，受氣候變化和水利水保工程等人類活動影響，黃河流域?qū)崪y徑流量呈減小趨勢，且下游比上游衰減更顯著。 流域生態(tài)干旱程度與徑流量變化成負(fù)相關(guān)關(guān)系，隨著徑流量減小，生態(tài)干旱程度表現(xiàn)為加劇趨勢，這與本文河流生態(tài)干旱趨勢的研究結(jié)果一致。 周祖昊等［22］的研究表明，氣候變化和人類活動（取用水和下墊面）對流域干旱的貢獻(xiàn)不同。 唐乃亥站和享堂站的用水量和控制流域水土保持面積增量不大，其河流干旱主要受氣候變化的影響；其余4 站主要受人類活動的影響，且下墊面的水土保持是貢獻(xiàn)最大的因素。

表5 各水文站年尺度SREDI 指數(shù)的Kendall 檢驗結(jié)果

表6 各水文站季尺度SREDI 指數(shù)的Kendall 檢驗結(jié)果

由表6 可知：唐乃亥站四季的河流生態(tài)干旱加劇，但干旱趨勢不顯著；享堂站四季干旱程度加劇，但僅有夏季的干旱趨勢顯著；花園口站夏季干旱減弱，但趨勢不顯著，春季、秋季和冬季干旱增強(qiáng)，且秋、冬季趨勢顯著；林家村站四季干旱均顯著加劇；張家山站的春季干旱減弱，其余三季呈加劇趨勢，但只有秋季趨勢顯著；頭站四季的干旱程度呈加劇趨勢，但只有秋季的加劇趨勢顯著。

3.3.2 河流生態(tài)干旱突變分析

采用M-K 法對6 個水文站的SREDI指數(shù)序列進(jìn)行突變性檢驗，取置信度α＝0.05，臨界值為±1.96。 各水文站年尺度統(tǒng)計量曲線如圖2 所示，可以看出，年尺度下各水文站均存在置信區(qū)間內(nèi)的突變點，其中：唐乃亥站的突變年份為1994 年和2008 年，享堂站為2007年，花園口站為1985 年，林家村站為1992 年，張家山站為2003 年，頭站為2004 年。 以上突變年份在1990 年和2000 年附近，表明研究區(qū)在20 世紀(jì)90 年代后均表現(xiàn)為干旱趨勢。

圖2 各水文站SREDI 指數(shù)序列的M-K 突變統(tǒng)計量曲線

季尺度的突變年份統(tǒng)計結(jié)果見表7，可以看出：唐乃亥站春季、秋季和冬季在1990 年和2010 年附近有兩個突變點；享堂站夏季突變時間為2008 年，與年尺度接近；花園口站夏季突變點為1971 年，其余季節(jié)與年尺度近似；林家村站四季突變點均在1990 年附近；張家山站夏季和秋季的突變時間在2000 年左右；頭站夏季和冬季的突變時間在2002 年左右。

表7 各水文站季尺度河流生態(tài)干旱指數(shù)突變年份匯總

20 世紀(jì)80 年代以來，黃河流域?qū)嵤┝舜笠?guī)模的水土保持生態(tài)建設(shè)、退耕還林還草以及煤礦開采、水利工程建設(shè)。 1981—2000 年，黃河流域氣溫普遍偏高，降水偏少，黃河主要支流徑流量顯著減?。?3］。 這一時期黃河流域的氣候變化和人類活動表明本研究得到的河流生態(tài)干旱突變結(jié)果是合理的。 結(jié)合前人的研究結(jié)果，唐乃亥站1994 年的突變可能與1986 年龍羊峽水庫的修建有關(guān)；享堂站2007 年的突變可能與從大通河向甘肅秦王川輸水的“引大入秦”工程有關(guān)［24］；花園口站和林家村站分別在1985 年和1992 出現(xiàn)顯著突變，可能與1984 年以來實施的一系列水土保持措施，尤其是1985 年《黃河中游水土保持治溝骨干工程建設(shè)規(guī)劃》實施有關(guān)；張家山站和頭站分別在2003 年和2004 年發(fā)生突變，可能與2000 年后渭河流域城鎮(zhèn)化進(jìn)程加快導(dǎo)致的城鎮(zhèn)用地劇增有關(guān)［25］。

3.3.3 河流生態(tài)干旱周期分析

各水文站年尺度SREDI指數(shù)序列的小波系數(shù)實部等值線（反映干旱不同時間尺度的周期波動情況）見圖3，小波系數(shù)方差（峰值對應(yīng)干旱序列的主周期，反映周期的波動能量）見圖4。 由圖3 可看出，唐乃亥站的干旱序列在5、12、23 a 附近的時間尺度上存在周期變化，享堂站的干旱序列存在12、28 a 尺度的周期變化，花園口站的干旱序列在13、22 a 附近存在周期變化，林家村站的干旱序列存在5、12、20 a 尺度的周期變化，張家山站的干旱序列存在4、14、20～26 a 尺度的周期變化，頭站的干旱序列存在5、12～16、26～30 a尺度的周期變化。 各站干旱序列存在多種時間尺度的周期變化特征，且時間尺度越小周期震蕩越明顯、時間尺度越大周期波動越平穩(wěn)。 由圖4 可知，唐乃亥站存在23、12、7 a 的第一、第二、第三主周期，享堂站存在12、28 a 的第一、第二主周期，花園口站存在13、22 a的第一、第二主周期，林家村站存在32、19 a 的第一、第二主周期，張家山站存在14、4、24 a 的第一、第二、第三主周期，頭站存在14、31、5 a 的第一、第二、第三主周期。

圖3 各水文站河流生態(tài)干旱指數(shù)小波系數(shù)實部等值線

圖4 各水文站河流生態(tài)干旱指數(shù)小波系數(shù)方差

季尺度下各水文站干旱指數(shù)的第一主周期統(tǒng)計結(jié)果見表8。 各站冬季的河流生態(tài)干旱指數(shù)周期較小，表明該季節(jié)流域生態(tài)水量豐枯交替頻繁；花園口站四季第一主周期較小，表明該站控制流域生態(tài)干旱發(fā)生頻率較高。

表8 各水文站季尺度河流生態(tài)干旱指數(shù)第一主周期 a

4 結(jié) 論

（1）研究區(qū)6 個水文站的年徑流量均為下降趨勢，除黃河上游的唐乃亥站以外，其余5 個水文站的下降趨勢均較顯著。

（2）根據(jù)徑流量對生態(tài)需水的滿足程度和當(dāng)?shù)刈匀簧鐣l件，確定唐乃亥站、享堂站、花園口站和頭站采用Tennant 法計算生態(tài)需水量，林家村站和張家山站采用Qp 法計算生態(tài)需水量。

（3）年尺度下除唐乃亥站河流生態(tài)干旱趨勢不顯著外，其余5 站均呈顯著增大趨勢，與徑流量減小趨勢一致。 季尺度下除花園口站夏季和張家山站春季干旱減弱外，其余各站各季干旱趨勢均為加劇，且享堂站夏季、花園口站秋冬季、林家村站四季、張家山站和頭站秋季干旱加劇趨勢顯著。

（4）年尺度各水文站生態(tài)干旱突變年份在1990年和2000 年附近。 季尺度下，唐乃亥春、秋季和冬季的突變在1990 年和2010 年；享堂夏季突變與年尺度接近；花園口夏季突變點為1971 年，其余季節(jié)與年尺度近似；林家村四季突變點均在1990 年附近；張家山春、夏季的突變情況與年尺度差別不大；頭夏季和冬季的突變年份與年尺度差別不大。