考慮水文變異的河道內(nèi)生態(tài)需水研究

1、水資源評(píng)價(jià)與規(guī)劃課程中期匯報(bào)水資源評(píng)價(jià)與規(guī)劃課程中期匯報(bào)TREE考慮水文變異的河道內(nèi)生態(tài)需水研究2016.11.04目錄研究背景及意義流域概況及基礎(chǔ)數(shù)據(jù)研究方法水文變異結(jié)果及分析河道內(nèi)生態(tài)需水計(jì)算結(jié)論研究背景及意義提供一定質(zhì)量和數(shù)量的水給天然生境，以求最小化改變天然生態(tài)系統(tǒng)過程，并保護(hù)物種多樣性和生態(tài)整合性Gleick以水文循環(huán)為紐帶、從維系生態(tài)系統(tǒng)自身生存和生態(tài)功能角度，相對(duì)一定生態(tài)環(huán)境品質(zhì)目標(biāo)下客觀需求的水國(guó)際水文計(jì)劃廣義：維持全球生物物理過程水分平衡需水，包括水量平衡、水熱平衡、水沙平衡、水鹽平衡等中國(guó)可持續(xù)發(fā)展水資源戰(zhàn)略研究綜合報(bào)告生態(tài)需水概念辨識(shí)中國(guó)可持續(xù)發(fā)展水資源戰(zhàn)略研究綜合報(bào)告狹

2、義：生態(tài)需水指為維護(hù)生態(tài)環(huán)境不再惡化并逐漸改善所需要消耗的水資源總量 一系列生態(tài)需水概念的提出，從主要針對(duì)航運(yùn)功能、到符合魚類生存需求，最終考慮生態(tài)系統(tǒng)的完整性等，體現(xiàn)出生態(tài)需水概念、內(nèi)涵的不斷豐富。概念 河道內(nèi)生態(tài)需水通常是指河流為了維持某一特定生態(tài)系統(tǒng)的基本生態(tài)功能， 河道應(yīng)保持的流量。河道內(nèi)生態(tài)流量一般指維持水生和岸棲生物生存的最小需水量。河道內(nèi)生態(tài)需水評(píng)估方法u國(guó)外：水文指標(biāo)法、水力學(xué)法、整體分析法和棲息地法等；u國(guó)內(nèi)：在生態(tài)需水量的界定方面目前尚無統(tǒng)一的概念。以河流最小月平均實(shí)測(cè)徑流量的多年平均值作為河流的基本生態(tài)環(huán)境需水；通過水面面積百分比和水深要素計(jì)算棲息地需水量；根據(jù)生物種群和

3、環(huán)境因子之間的關(guān)系，通過篩選主要水文指數(shù)計(jì)算生態(tài)環(huán)境需水。1、自20世紀(jì)50年代以來，黃河河道的流量呈顯著下降趨勢(shì)。90年代來，黃河斷流、水污染等問題相當(dāng)嚴(yán)重，水利部提出在水資源配置中應(yīng)考慮生態(tài)環(huán)境用水。2、眾多學(xué)者研究主要集中在陸地和河道生態(tài)需水。其中，河道生態(tài)需水研究大多集中在研究河道基本生態(tài)環(huán)境需水和輸沙需水量。3、以往的研究沒有考慮水文變異的影響，而考慮水文變異，將會(huì)有助于進(jìn)一步理解水文變異的成因，進(jìn)而會(huì)更好的間接揭示各種影響因素對(duì)河流生態(tài)需水的影響?？紤]水文考慮水文變異對(duì)黃河變異對(duì)黃河干流河道內(nèi)生態(tài)需干流河道內(nèi)生態(tài)需水進(jìn)行研究水進(jìn)行研究提出背景u 水文序列是一定時(shí)期內(nèi)氣候條件、自然地

4、理?xiàng)l件以及人類活動(dòng)等綜合作用的產(chǎn)物，資料本身就反映了這些因素對(duì)其影響的程度或造成資料發(fā)生的變化。水文現(xiàn)象的變化無論多么復(fù)雜,水文序列總可以分解成兩種成分，即確定性成分和隨機(jī)性成分。水文變異u 定義：如果水文序列的分布形式或(和)分布參數(shù)在整個(gè)序列時(shí)間范圍內(nèi)發(fā)生了顯著變化，則稱水文序列發(fā)生了變異。u 水文變異診斷的目的：推斷序列中存在的各種確定性成分，并從水文序列中分離出隨機(jī)性成分，從而采用非一致性序列的水文頻率計(jì)算方法得到過去、現(xiàn)在和未來不同時(shí)期變化環(huán)境下水文序列的頻率分布，為水利工程規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工、管理提供水文依據(jù)。流域概況及基礎(chǔ)數(shù)據(jù)黃河流域簡(jiǎn)介 黃河干流河道長(zhǎng)5464 km，流域面積79

5、.5萬km 。全流域多年平均降水量466mm，總的趨勢(shì)是由東南向西北遞減，降水最多的是流域東南部濕潤(rùn)、半濕潤(rùn)地區(qū)。 根據(jù) 1961年-2006年的降雨觀測(cè)資料，黃河流域降雨變化過程具有經(jīng)度性，黃河降雨從西到東逐漸增加。大部分降雨觀測(cè)資料顯示，黃河流域降雨有減少的趨勢(shì)。黃河中下游，北緯 38以南地區(qū)的減少趨勢(shì)更加顯著。u7個(gè)水文測(cè)站u主要水利工程基礎(chǔ)數(shù)據(jù)u 徑流數(shù)據(jù)由黃河水利委員會(huì)的水文年鑒等資料提供。對(duì)于個(gè)別缺測(cè)的數(shù)據(jù)，本文選用上下游相關(guān)分析法來插補(bǔ) (相關(guān)系數(shù)達(dá)0.85以上)，以確保序列的完整性和連續(xù)性。u 水文變異受到氣候變化和人類活動(dòng)影響，為了分析計(jì)算出來的變異點(diǎn)的合理性，本文考慮了黃河

6、流域主要水利工程的相關(guān)情況，分析水文變異可能的影響因素 。研究方法主要研究理論耐受性定律和限制因子耐受定律是指各種影響生物生存和發(fā)展的因子在量上存在著生物忍耐最大極限和最小極限，當(dāng)生態(tài)因子超過其上下限，就會(huì)使生物退化甚至死亡。在眾多環(huán)境因子中，接近或超過該生物耐受上下限而限制生物的發(fā)展的因子，稱為限制因子。生態(tài)適宜性理論生物個(gè)數(shù)隨某個(gè)生態(tài)因子變化而變化，生物個(gè)數(shù)達(dá)到最大值時(shí)的生態(tài)因子值稱為該物種生態(tài)因子的最適值。與與水文有關(guān)的生態(tài)因子都是流量的函數(shù)水文有關(guān)的生態(tài)因子都是流量的函數(shù)。流量是。流量是河流生態(tài)系統(tǒng)重河流生態(tài)系統(tǒng)重要的限制因子要的限制因子。故以流量。故以流量作為考察指標(biāo)。作為考察指標(biāo)。

7、長(zhǎng)期的自然選擇使得生物適應(yīng)于出現(xiàn)頻率較高的長(zhǎng)期的自然選擇使得生物適應(yīng)于出現(xiàn)頻率較高的環(huán)境因子。環(huán)境因子。所以所以頻率最大的流量最適合河道內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)。頻率最大的流量最適合河道內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)。水文變異計(jì)算步驟水文資料收集（日流量資料）檢驗(yàn)三性（代表性、可靠性、一致性）變異點(diǎn)檢驗(yàn)（滑動(dòng)軼和檢驗(yàn)法）找出首個(gè)變異點(diǎn)變異前后滑動(dòng)軼和檢驗(yàn)無水文變異有水文變異序列分段相鄰兩序列合并再次檢驗(yàn)滑動(dòng)軼和檢驗(yàn)4、計(jì)算和作出推斷結(jié)論1、考察點(diǎn)前后兩序列總體的分布函數(shù)分別Fpre (x) 和Fpost (x)從總體Fpre (x)和Fpost (x)中分別抽取容量為npre 和npost 的2個(gè)樣本，要求檢驗(yàn)原假設(shè)Fpre

8、(x) = Fpost (x)。2、編秩將兩組數(shù)據(jù)分別由小到大排列，再將兩組數(shù)據(jù)由小到大統(tǒng)一編秩。如有原始數(shù)據(jù)相同時(shí)，可按相同數(shù)據(jù)全在同組內(nèi)不用求平均秩次，不同組間有相同數(shù)據(jù)需求平均秩次的原則處理。3、求秩和并確定檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量當(dāng)兩樣本容量不同時(shí)，以容量小者容量為n1 ，容量大者容量為n2 ，小容量樣本的秩和為統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)量T1 ，大容量樣本的秩和為統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)量T2 。若兩樣本容量相同，則n1 = n2 ，任取一組的秩和檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量為T1 ，另一組為T2 。u 也稱Mann-Whitney U檢驗(yàn)法，是非參數(shù)統(tǒng)計(jì)方法，它不依賴于總體分布類型，不以推斷總體參數(shù)為目的，而旨在檢驗(yàn)兩種或兩種以上的觀察變量的分布

9、有無顯著差異。唐乃亥站水文變異檢驗(yàn)u 依照時(shí)間順序，對(duì)水文序列逐點(diǎn)進(jìn)行秩和檢驗(yàn)，即逐點(diǎn)作為分割點(diǎn)，以此把水文序列分成兩個(gè)樣本。設(shè)定兩個(gè)假設(shè)，即： H0 ：兩個(gè)樣本的分布相同，即無顯著差異； H1 ：兩個(gè)樣本的分布不同，即具有顯著差異； 取置信水平 =0.05 ，采用雙側(cè)分位數(shù)檢驗(yàn)，查得 =0.05 時(shí)， Z1-/2 =1.96 ，若| z| Z 1-/2 ，則接受H0 ，兩個(gè)樣本無顯著差異；若 |z|Z1-/2 ，則接受H1 ，兩個(gè)樣本有顯著差異，即發(fā)生變異，并以 |z|最大處作為水文變異點(diǎn)。唐乃亥站水文變異檢驗(yàn)u 對(duì)1956-1989年進(jìn)行滑動(dòng)秩和檢驗(yàn)，序列分段為1956-1960，1961

10、-1989時(shí)，統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)量最大，檢驗(yàn)結(jié)果為拒絕H0 ，兩樣本分布有顯著差異；對(duì) 1990-2005 年進(jìn)行滑動(dòng)秩和檢驗(yàn)，該時(shí)段內(nèi)不存在變異點(diǎn)。 現(xiàn)在唐乃亥序列分段為1956-1960，1961-1989，1990-2005。u 再次對(duì)1956-1960年進(jìn)行滑動(dòng)秩和檢驗(yàn)，該時(shí)段內(nèi)不存在變異點(diǎn)；對(duì)1961-1989年進(jìn)行滑動(dòng)秩和檢驗(yàn)，該時(shí)段內(nèi)不存在變異點(diǎn)；對(duì)1990-2005年進(jìn)行滑動(dòng)秩和檢驗(yàn)，該時(shí)段內(nèi)不存在變異點(diǎn)。各序列均沒有變異點(diǎn)。已經(jīng)找出所有可能的變異點(diǎn)。u 最后得出唐乃亥的水文變異分段為：1956-1960，1961-1989，1990-2005。u 然后每相鄰兩段序列整合成一個(gè)序列，進(jìn)行

11、變異點(diǎn)分析，對(duì)1961-2005年進(jìn)行滑動(dòng)秩和檢驗(yàn)，序列分段為1961-1989，1990-2005時(shí)，統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)量最大，檢驗(yàn)結(jié)果為拒絕H0 ，兩樣本分布有顯著差異；對(duì)1956-1989年進(jìn)行滑動(dòng)秩和檢驗(yàn)，序列分段為1956-1960，1961-1989時(shí)，統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)量最大，檢驗(yàn)結(jié)果為拒絕H0 ，兩樣本分布有顯著差異。每相鄰兩段序列合并成為一個(gè)序列進(jìn)行檢驗(yàn)，其變異點(diǎn)均沒有發(fā)生變化。 水文變異結(jié)果及分析計(jì)算結(jié)果變異成因分析站點(diǎn)成因分析唐乃亥站氣候變化和人類活動(dòng)共同作用下，90年代開始，徑流量大幅減小。這與滑動(dòng)秩和檢驗(yàn)的計(jì)算結(jié)果一致。蘭州站受人類活動(dòng)影響較大。第一次水文變異時(shí)間與龍羊峽下閘蓄水時(shí)間一致

12、，第二次水文變異時(shí)間與李家峽的下閘蓄水時(shí)間相近。 頭道拐站青銅峽調(diào)節(jié)能力較小，對(duì)年徑流量的影響不大，故該站的調(diào)控沒有產(chǎn)生顯著的水文變異。同時(shí)，頭道拐也受到龍羊峽、李家峽、劉家峽的影響。其變異時(shí)間與蘭州相近。龍門站和頭道拐相似花園口站1965-1968年對(duì)三門峽水庫(kù)樞紐實(shí)施了第一次改建，潼關(guān)以下庫(kù)區(qū)已由淤積轉(zhuǎn)為沖刷。加上劉家峽水庫(kù)1968年10月投入運(yùn)用后，改變了進(jìn)入黃河小北干流水量的年內(nèi)分配過程，使汛期水量減少。小浪底水利樞紐1997年10月28日實(shí)現(xiàn)大河截流。1996年12月26日李家峽下閘蓄水。兩者作用下，1997發(fā)生了水文變異。孫口站與花園口相似，但受人類活動(dòng)情況更加復(fù)雜利津站與花園口相

13、似，但受人類活動(dòng)情況更加復(fù)雜 河道內(nèi)生態(tài)需水計(jì)算生態(tài)需水計(jì)算依據(jù)環(huán)境因子與種群關(guān)系，頻率最大處流量最適合河道內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)。同一站點(diǎn)不同月份的河道內(nèi)流量具有不同的時(shí)間變化規(guī)律，本文求出各個(gè)月份頻率最大流量作為相應(yīng)月份生態(tài)流量，即可求出一年內(nèi)不同月份生態(tài)流量曲線。通過擬合，GEV分布符合河道內(nèi)月平均流量計(jì)算方法采用線形矩線形矩法法對(duì)GEV分布進(jìn)行參數(shù)估計(jì)觀測(cè)到n 個(gè)樣本值的變量X ，將其從小到大排列。xj 為序列中第j 個(gè)值。則前3階的L-矩l1 ，l2 ，l3 及L-偏態(tài)系數(shù)t3 為：計(jì)算方法最值分析，得頻率最大處流量最值分析，得頻率最大處流量為為所求x 就是各月河道內(nèi)生態(tài)流量。用該法計(jì)算1-12

14、 月河道內(nèi)生態(tài)流量，即可求出年內(nèi)河道內(nèi)生態(tài)流量曲線。計(jì)算結(jié)果u 以上根據(jù)變異點(diǎn)發(fā)生時(shí)間對(duì)所研究水文序列進(jìn)行了分段，在此基礎(chǔ)上，選擇序列發(fā)生變異前的序列計(jì)算河道生態(tài)需水。計(jì)算河道生態(tài)需水主要通過對(duì)各月平均流量采用線形矩法推求參數(shù)，計(jì)算GEV分布概率密度最大流量，并將其作為對(duì)應(yīng)月份河道內(nèi)生態(tài)流量。結(jié)果分析生態(tài)流量基本上小于變異前序列月平均流量，非汛期的減少幅度不大，而汛期的減少幅度較大。變異后月平均流量普遍減少，7月份前平均流量與生態(tài)流量相當(dāng)，基本滿足生態(tài)流量，7月份后平均流量均小于生態(tài)流量。結(jié)果分析u 變異前滿足頻率一般在50%以上，變異后滿足頻率大部分都下降。河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境情況惡化。u 一般情

15、況下，6-10月是黃河的大汛期 。從表6可以看出，汛期下降幅度比非汛期大，而部分站點(diǎn)非汛期滿足頻率甚至升高。這是因?yàn)殡S著經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展，人類用水量增加，總體上河道內(nèi)流量減少。同時(shí)由于水利工程的調(diào)蓄作用，汛期攔截上游來水進(jìn)行蓄水，導(dǎo)致下游河道內(nèi)流量減少，而非汛期對(duì)下游供水，增加了下游流量。 結(jié)論結(jié)論u 考慮水文變異的河道內(nèi)生態(tài)需水計(jì)算方法是可行的 與Tennant法對(duì)比，本法計(jì)算的河道內(nèi)生態(tài)流量在Tennant法的好等級(jí)以上，其中非汛期在好等級(jí)以上，汛 期等級(jí)更高 。與Tennant 法相比，該法更能反映出各月份的流量變化規(guī)律，更加具有物理意義。u 變異后，滿足河道內(nèi)生態(tài)需水的頻率降低u 黃河生態(tài)系統(tǒng)水環(huán)境惡化的主要原因是人類活動(dòng)u 應(yīng)確保變異后生態(tài)需水滿足頻率與變異前相當(dāng) 由于氣候原因而導(dǎo)致的徑流量減少是很難避免的。應(yīng)允許變異后滿足頻率略小于變異前，但幅度不能過大。參考文獻(xiàn)1、李劍鋒, 張強(qiáng),