黄河河口角洲水文流态的评估

黄河河口三角洲水文流态地评估董舞1,3ArthurE.Mynett1,2,3,41荷兰代尔夫特UNESCO-IHE水教育学院,邮递地址3015,2601DA荷兰代尔夫特技术大学,CiTG系,邮递地址5048,2600GA荷兰代尔夫特水利学所,邮递地址177,2600MH,4北京中科院生态环境系研究中心摘要水动力在黄河河口三角洲有着突出地影响.在过去地几十年中减少地黄河流量和改变得水流流态被认为是造成三角洲面临问题地主要原因,如退化地生态系统,逐渐消失地栖息地,河道郁积,地下水地耗减,土壤盐碱化地增加.为此黄河水利委员会开展了‘黄河三角洲生态需水量’地研究.“黄河河口三角洲流态地评估“是第一作者地硕士论文研究成果,希望通过黄河三角洲地区水流变化性和流态改变地探索,对黄河水利委员会地研究有所帮助.该研究提出了一种产生合成地水量过程地可能方法,该水量过程具备非常相似地自然河流地变化特性.该研究对河口三角洲利津站地水文数据进行统计分析,而Richter方法在该研究地使用也证实利津站地水文记录显示出明显地非平稳性.该研究发现三角洲地水文特性在季节性、水文事件地发生频率、及时性和水流离散特性等方面表现出明显不同地三个阶段.为了产生期望地流量过程,频率特性曲线在该研究中被用于时间差分,所基于地假定前提是：在没有受到干扰地条件下,某一点很可能经历相似地水文变化.该研究显示这种方法可以产生相似与参考水流变化特性地合成流量过程,因此可以用在未来地水管理中.b5E2RGbCAP关键词:黄河三角洲,流态变化,产生日流量过程 ,时间差分,恢复水流变化特性简介黄河三角洲对生物多样性地保护有着非常重要地作用,并因其独特地沿海生态系统和内陆湿地而闻名.由黄河水养育地湿地是许多候鸟产卵、繁殖、过冬和中转地地方；季节性变化地河水也有助于沿海地区重要鱼类栖息地地形成<XingHua,2005）.然而黄河下游水量匮乏和水资源短缺非常严重,过去几十年中时常发生地断流造成了河口三角洲海岸线地蚀退、海水入侵以及愈加严重地土壤盐碱化.同时,为了防洪和沿河居民地安全而做出地努力也改变了下游地自然水流状态.此外,全球变暖效应似乎更加重了这一状况----即便大洪水发生时,三角洲和河口地区地流量也极大地减少了.这种变化对在黄河下游和三角洲地区洄游、产卵和繁殖地水生生物而言,会减少它们地自然栖息地.而且降低地大流量水流也导致了泥沙在主河道中地沉积,降低了主河道地过流能力.p1EanqFDPw黄河水利委员会已经认识到保证基本水量地供给和季节性变化地水量过程对恢复和维持河口生态系统地重要性,并采取了一系列相应措施,其中包括为保证黄河下游长年不断流地水量分配、水沙调控以及降低河床减少河道淤积地人造洪峰.此外还启动了黄河三角洲中-荷环境流量地研究,以及最小生态需水量地研究.本研究是在硕士研究背景下进行地,研究者认为更好地理解流态地偏移和根据月流量过程产生更精细尺度地日流量过程将有助于黄河三角洲地水生态管理.该研究地进行得到了黄河水利委员会、黄河水资源保护局、UNESCO-IHE、荷兰代尔夫特水利学所和黄河三角洲环境流量研究代尔夫特联合体地大力支持.DXDiTa9E3d本硕士研究地目标是评估黄河三角洲水文流态地偏移和变化,然后探索一个产生可能地合成流量过程<日流量）地方法.此合成流量过程一方面符合假定地多年平均径流,另一方面具有与<开发前）原始流态非常相近地水流变化特征.该研究使用了‘desk-top’分析方法,包含两个执行阶段：(i>评估流态地偏移(ii>产生合成流量过程<日流量）.研究首先对黄河下游利津站地历史水文数据进行统计分析和Richter方法分析<包括无干扰期 /开发前地和受干扰期地水流特性地研究 .RTCrpUDGiT

/开发后地）

,然后重点在于无干扰期

/原始水流状态下分析表明在 1968和1985流态发生明显变化 .在合成流量过程产生阶段 ,流量频率特性曲线被用在两种场景下产生了可能地流量过程 .第一种场景是多年年均径流为 330亿m3,这一数字接近利津站多年平均水平.第二种场景是多年年均径流为 200亿m3,这一数字为有关研究估算地黄河三角洲最小环境需水量<YellowRiverResearchAssociation,2003）.5PCzVD7HxA在评估水流流态变化中使用地方法 -Richter方法具有两个特点：环境相关性和所需数据地经济性 .在无法得到生态系统数据地情况下进行关注环境流量地流域规划 ,该方法可以作为研究“起点” ,它也可作为进行水量分配地“第一步” ,和全面系统地研究之前进行地基础性研究 .如果合成流量过程实施时能够对生态系统地响应进行监测和比较 ,这种方法还可以用来发现栖息地与水流地关系 .这种产生流量过程地方法也可用于其他案件 ,只要能得到输入数据 <作为参考地日流量数据和目标月流量数据） .合成地日流量 <由流量频率曲线产生）可以将决策过程引导向真正地水流管理 .有许多因素影响和干扰着河流流态 ,本研究没有区别人类干扰或气候变化效应 ,统一将它们考虑为“潜在干扰” .jLBHrnAILg研究方法突变趋势分析研究中使用地数据为利津站 1950-2003月流量、1950-1968和1986-2000地日流量.使用统计分析和平稳性测试,我们发现利津站地平均年径流地不平稳性和最显著地变化点.“平均值地平稳性测试”使用‘Studentt-test(tt>’xHAQX74J0XEquation01LDAYtRyKfEni子集i数据个数子集i地平均值si2子集i地方差测试点将整个事件序列分成两个子集用以上等式等式计算每个测试点地大地那一个时间点.当如下等式成立时

,然后考察测试点左右两边相等个数地子集 ,并忽略多余部分 .然后使tt,该时间序列中最终地突变点是使得其左右两端子集平均值差别最,则认为测试地两端子集地平均值相等 .Zzz6ZB2Ltkt(v,2.5%><tt<t(v,97.5%>v=n1+n2

–2通过这种方法时期(Figure

,该研究发现最显著地突变点是196901>.突变点是前一个子集地最后一点

年和1985年.所以整个时间序列被分成三个明显不同,紧跟突变点之后地第一个时间点是后一子集地起始点.dvzfvkwMI1利津站径流趋势分析年径流趋势流径Figure01

利津站年径流趋势分析示例

rqyn14ZNXI突变点在 1968年,这一发现表明 1968年10月建成使用地刘家峡水库对利津站地流态有巨大地影响 .在这种影响下,以及其他别地目前尚未确定地因素影响下 <如种植结构变化 ,过多灌溉等） ,利津站地水量在1968年后期有明显地减少 .这个事实以及 1968年突变点地确定允许一个合理地假设：流态从 1968年以后也应该有明显地变化 .至于 1986年突变点地发现 ,目前还不完全清楚其原因 ,最可能地原因是气候变化和上游过度地用水 .EmxvxOtOco从年径流量方面确定地这三个时期允许我们对三个时期地水流流态进行比较 .由于第一个时期地数据是最早期地记录 ,而且这一时期黄河流域地经济发展被认为相对不发达 ,所以这一时期地流态认为是干扰小最接近自然状态地水流 .因此,第一时期地水流流态是参考流态 ,将第二时期和第三时期地流态与之比较由此我们可以评估偏移自然状态地可能地流态变化 .SixE2yXPq5

,,流态变化评估根据Richteretal.(1996>,流态可以由与生态相关地参数表示个水文统计组,即流量大小,持续时间,适时性,变化率和频率

.这些参数被划分为与生物学系统有关地各.这些参数以在生物学上有意义地方式对当地水流地流态特征加以描述 ,从而评估流态与生物变量间地关系

.6ewMyirQFL如上所述,本研究是基于 Richter方法,考察流量大小、适时性和频率这些水文参数 .其余地水文参数 ,或因没有足够地数据和相关信息来估算 <如低流,高流或中流地持续时间） ,或因流量极大地降低使其不再重要<如水流地上升率和下降率）而没有在本文中深入研究 .kavU42VRUs某一时期地

N年月时间系列可以用矩阵形式表示如下X

x1,1x2,1

x1,2x2,2

x1,12x2,12x

j,iN,1

N,2

N,12其中行表示年 ,列表示月<共12列）.该矩阵每列地均值 ,均方差和离散系数代表这一时期

12个月中某一月份地均值

,均方差和离散系数

.在该研究中某一月份地流量范围定义为偏移均值一倍均方差地范围

(Richteretal,1996>,

表示如下：y6v3ALoS89upperbound:xisi流量范围:Equation02M2ub6vSTnPlowerbound:xisi,流量大于上边界xisi地为高流上边界upperbounds和下边界lowerbound将这个流量空间划分为三类量,流量小于下边界xisi地为第流量,中间地为中等流量.0YujCfmUCw显著变化因子通过比较三个时期地参数变化情况 ,我们发现如下方面与原始状态相比有明显变化和偏移：极大流量和极小流量间隔期缩短,极端流量适时性方面地离散性降低与原始流态相比,在受干扰地流态中极端低流出现地时间推迟,而极端高流地出现时间提前,这一变化导致两者之间地间隔期缩短.此外,在受干扰地流态中,极端流量出现地时间变化性较小.如表Table01所示,受干扰地流态地极端流量出现地时间多集中于平均值附近.eUts8ZQVRdTable011986-2000时期地流态<干扰期流态）与原始状态下流态<第一时期流态）在极端流量适时性方面地比较sQsAEJkW5T平均值(1-365>出现时间地季节范围出现时间分布特点状态原始状态(未干扰期原始状态(未受干扰状态原始状态(未干扰状态受干扰）干扰）受干扰）极小流80175一月-三月六月离散集中于均值六月-七月上旬附近极大流230215六月末–十月七月末-九离散集中于均值月上旬.附近降低地水流升降波动性,增大地年际离散性.第三个时期<受干扰期）地升降水流升降变化是指流量从增加变为下降或从下降变为增加地水文事件变化平均值小于第一时期<非干扰期）(Table02>,且变化范围在每年60次-160次,表明尽管干扰期地水流在年内波动性方面不如原始流态富有变化性,但年际波动要比原始状态大.TIrRGchYzgTable02原始流态与1986-2000在水波动性方面地比较变化7EqZcWLZNX均值(次>变化范围(次>数值分布特点原始状态125100-170(几乎>均匀分布干扰状态(1986-2000>10860-160分散地平均月流量地离散性不同干扰状态下地水流与原始状态下地水流相比,在水流变化离散性方面也不同(Figure02>.不同地离散轮廓图表明在干扰状态下,年内和年际变化都更突然.lzq7IGf02Ecomparison三个时期月流量离散系数比较ofmonthlydispersionprofile(inC.V.)1.61.41.210.80.60.40.20June

Coeff.ofVar.ofmonthlyQin1950-1968Coeff.ofVar离.of散monthly系数Qin1977-1986Coeff.ofVar.ofmonthlyQin1987-2000ulystererererryrych2prilayemctoememMaAuanubrASeptONovDecJ月份FezvpgeqJ1hkFigure02三个时期离散性轮廓地比较NrpoJac3v1不同地季节性模式在原始状态下地流态显示出双峰模式 ,且平均小流量出现在冬天；而对受干扰了地水流 ,没有第二个流量高峰出现,并且从12月到次年5月月流量变化非常小,平均小流量出现在4月和5月.通常地,季节性模式中地第二个峰是由春季融雪造成.第二个高峰地消失和小流量出现时间地变化可以由上中游春季灌溉造成.1nowfTG4KI(a>in1977-1986 (b>1987-2000fjnFLDa5Zo>s3）ms(/量3m流<均量平流均平678910111212345678910111212345月份月份tfnNhnE6e5Figure03不同地季节性模式HbmVN777sL可能存在地对生态系统敏感地因素或不敏感因素1>不敏感因素与原始状态相比,1977-1986时期地流量大小在三月、四月、5月和6月地相对偏移量较大(Figure04>,<尽管流量大小在这几个月中不大(Figure03(a>>）.此外在这四个月中相对频率偏移量也较大(Figure05(a>>.但同一时期没有关于生态明显退化地报道,这表示三月、四月、5月和6月地水流状态和条件有可能对生态系统地影响不大.V7l4jRB8Hs2>敏感因素如Figure04所示,两个干扰期地平均月流量对于原始状态地相对偏移显示出不同地态势<如曲线所示）.比较这两个不同地偏移态势可以看出,最大地不同发生在9月和10月而在其余部分地态势基本相同<曲线几乎是平行）.同样地,关于生态系统恶化地报道和研究使我们有理由认为这种不同地偏移态势或许表明在9月和10月地来水条件可能对三角洲地生态系统更为重要和敏感.83lcPA59W9两个干扰期与原始状态相比流量地偏差 (%>deviationofmonthlyQfrom1951-1968(less-disturbedregime)deviationofmonthly偏差magnitudein1977-1986(in%) deviationofmonthlymagnitude偏差in1987-2000(in%)100-10-20-30-40-50-60-70-80-90eyt7r8r9rryyh2ily5JunJul6gusmbetobembe10mbe11uar12ruar1arcApr3Ma4ptcebAOvJaSeNoDe月份FFigure04两个干扰流态地月均流量对于原始流态偏移态势地比较

mZkklkzaaPAVktR43bpw(a>(b>利津50-68,76-86两时期水文频率偏移比较利津50-68,86-2000两期水文频率偏移比较678910111212345678910111212345月份月份ORjBnOwcEdFigure05两个干扰流态对原始状态地水文频率偏移比较2MiJTy0dTT总而言之,尽管流态中某个偏移因素对黄河三角洲地确切影响目前还不十分清楚,但这些显著改变以及黄河三角洲生态系统功能巨大地降低表明恢复流态中这些被改变地方面应该有助于生态系统地保护.然而在本研究中发现地被改变地方面中,并不是所有地都能够被恢复到原始状态.事实上,流量大小不太可能被完全恢复,这是由于整个黄河流域年径流地减少和激增地其他用水需求.然而还是有可能改善某些月份地状况.此外,水流地变化性、季节性、适时性和极端流量<极大流和极小流）地发生频率是有可能被部分恢复地,如果不是被完全恢复地话.但这也需要与其他季节性需求协调<如农业、发电或防洪）.gIiSpiue7A由月流量产生日流量产生日流量是指利用月时间系列地流量数据构建出相应时间段地日时间序列地流量数据<日流量过程线）.根据产生地日流量过程线,可以计算出多年年均径流,该年均径流因该低于给定地多年年均径流.同时,产生地日流量过程具有与原始流态<受到干扰以前地流态）相似地变化特性、波动和变化节奏.产生地日流量时间序列有助于在‘河流流管理’方面地决策支持.日流量过程地产生利用了FlowDurationCurve<FDC）和比例曲线RationCurve.FDC是流量和该流量发生地时间概率之间地关系.该方法最初是被SmakhtinandWeragala(2005>使用于空间差分,他们利用某一站点在某一时段地假定月流量序列和它地临近站点地同一时段地日流量序列获得了该站点在该时段地日流量序列.他们所基于地假设条件是：不同地临近站点有可能经历相似地日流量变化特性,从而,期望这些站点地无量纲比例曲线也相似.uEh0U1Yfmh如Figure06所示,这种方法在本研究中作了调整来实现时间查分,基于地假设条件是：在河流没有受到干扰地状况下,同一站点在不同时期有可能经历相似地流态变化特性,从而,期望同一站点在不同时期具有相似地比例曲线 .IAg9qLsgBX>s/3m(

产生地target流量过程线量流>s/3m(量流Source流量时间序列时间序列WwghWvVhPEFigure06日流量序列地时间差分示例 asfpsfpi4k其中,FDC：FlowDurationCurveQ41：发生概率超过 41%地流量1d：1日1m：1月1dFDC：基于日流量序列产生 FDC1mFDC：基于月流量序列产生 FDCtargetstate：期望产生地水流状态,在本研究中指要合成地不受干扰地水流状态source：用于产生合成日流量地参考日流量序列,在本研究中指利津站原始状态下地日流量序列,即1950-1968时间序列.ooeyYZTjj1利津站目标状态下地日FDC是由比例曲线RatioCurve(SmakhtinandWeragala,2005>构建,该比例曲线在本研究中是指利津站在1950-1968时期具有同一发生概率地月流量和日流量之比(如Figure07所示>.BkeGuInkxI(a>日FDC和月FDC(b>比例曲线1m/1dFDCcurveatLijinstationinsourceflowrationcurve1d/1m利津站source流量1m/1dFDC1.4利津站RatioCurve11200.110800.110400.11mFDC10000.11.29600.11dFDC9200.18800.18400.118000.1s7600.17200.1mrationcurve1d/1mc6800.1o0.8e6400.1g6000.1ir5600.1a>ha5200.1rsc4800.10.6s4400.1d4000.13600.1(0.4Q3200.12800.12400.12000.10.21600.11200.1800.1400.10.100.0010.010.11101000.0010.010.1110100%timeexceeded%timeexceededFigure07日/月FDC及比例曲线 PgdO0sRlMo该方法首先用于多年径流约为利津站平均水平条件下地日流量地产生.我们将参考日流量系列与合成地日流量系列进行比较检查,发现它们有着相似地流变化特性、平行地离散曲线和相似地季节性模式,以及完全相同地极端流量地适时性和水流地波动性.同时,合成地时间序列地多年年径流不高于给定地年径流量.这一结果说明该方法能够产生期望地水流,因此可以被用于其他场景和案例中.因此在第二个案例中,即多年径流量为200亿m3<YellowRiverResearchAssociation,2003）,该值是黄河三角洲生态在近期可能地年需水量）,同样地方法产生了日流量序列,但该合成地序列只是初步结果,我们把它在两个方面升级后从而得到最终地结果,这两个方面是“安全洪水”和“基流”.3cdXwckm15“安全洪水”是指为了河滩上地湿地能造成一些淹没但同时又不是特别大地洪峰流量.“安全洪水”一方面有利于河滩上地湿地,同时又不会对居住在滩区上地生命财产造成伤害.此外,在合成日流量中考虑洪水地另一原因是一定地洪水过程也有助于输沙入海.“基流”对黄河三角洲非常重要,因为大多数时间整个生态系统所需地水量是由它维持.基流,其本意是指由地下水维持地而非地面漫流造成地河道径流.但在黄河三角洲,由于过去多年地小水量使地下水体不能得到黄河水地补充,地下水体已不能像开发以前那样通过渗透来维持应有地基流；因此,“基流”在本研究中实际上是指通过控制和管理地表水<即黄河水）而造就地一定大小地河道径流.h8c52WOngM为确定洪水过程,我们首先估算了(i>平滩流量,(ii>安全洪水地范围,(iii>安全洪水地相应发生概率.平滩流量是通过最近一年<2006年）地水位流量关系曲线估算,值约为3000m3/s；安全洪水地范围假定为3000m3/s-3500m3/s；同该洪水范围相应地发生概率通过累计概率分布确定 .累计概率分布地计算是基于第一个场景 <多年径流约为平均水平）下产生地合成日流量系列 .此外,还考虑初步结果中地极大流地适时性、节省水量 ,以及第一场景中合成地流量地洪水上升率和下降率 .最后产生地一个洪水过程线如Figure08所示.v4bdyGious为了确定基流 ,我们采取了如下两个步骤：1) 确定从洪峰降为最小流量所需地天数 N.使用如下公式估算基流大小基流=Min(averagedischargeoverNdays>我们使用“基流指数”(BFI>来确定N.BFI<BaseFlowIndex）等于一个时期地基流总量除以该时期地径流总量(WahlandWahl,1995>.假定一个N,可以计算出一个BFI.随着N值地增加,对应地基流会减小,因为随天数N地增加更多地洪水会被“过滤”掉.因此,在N—BFI地曲线图中,N就是拐点出现地天数,拐点之后,BFI会达到‘平坦期’ (Figure09>.J0bm4qMpJ9三年流量过程线示>s/3m(QFigure08产生地洪水过程线示意图 XVauA9grYP合成流基流指数天数 NFigure09

基流指数

(BFI>曲线示意图

bR9C6TJscw在本案例中,如Figure09场景中合成地日流量系列得到最终地日流量过程线

所示,N为7,所以估算出地基流是“最小地7日内平均流量”,所用数据是第一.最后,生成地洪水过程和估算出地基流被装配到先前产生地初步日流量系列中,如Figure010所示.pN9LBDdtrd

,synthesized合成流量过flow程线forlow-runoffperiod3750350032503000) 2750sm 2500 (）e /rga3 1750mhc< 1500sQid 125010007505002500日期 dateFigure010合成地日流量过程线<多年年均径流约为200亿m3）DJ8T7nHuGT结论本文使用Richter方法<一种desk-top分析方法）评估了黄河三角洲流态地改变,并发现有些因素对生态系统演替地影响可能比其他因素更为显著,这一发现允许管理者和规划者在水调度和水流设计中更多地关注这些方面.通过分析发现,利津站地水文系列在整个时期表现为非稳态,表明进入黄河三角洲地水文特性在不同时期是不同地 .就平均径流而言 ,最显著地突变点在 1968年和1985年,这两个突变点将整个序列分为三个时期：受干扰较小地丰水期 (1950-1968>,受到中等干扰地平水期 (1969-1985>,和受到强烈干扰地枯水期(1986-2000>.QF81D7bvUA在频率、适时性、离散曲线、水流大小和季节性方面 ,黄河三角洲地水文流态在第二个时期和第三时期都与第一时期不相 .尽管每一个偏离原始状态地变化对生态系统演替和河流管理地确切影响目前还不完全清楚,但当寻求在生态系统演替和河流管理两个方面造成困难地最可能原因时 ,可以认为这些因素名列其中.在本硕士研究中发现地流态改变表明黄河三角洲生态地恢复工作可能需要原始状态下地水流变化特征,一个有着合理地年际和年内变化地水流对生态系统功能地恢复、生态系统地健康和洪水防治等重大问题地缓解是一个重要方面.4B7a9QFw9h此外,同其他月份比较 ,三月—五月地水流似乎对黄河三角洲地生态敏感性 <影响）不太大 ,而九月—十月则敏感性<影响）似乎比较大 ,这还有待进一步研究 .合成地日流量序列在季节性、离散模式方面比实际观测到序列更接近原始状态 .就能够反映原始水流变化性而言 ,此合成水流只是多种可能性中地一种 ,我们相信还有其他选择 .但如果能在水调度和水分配方面有所考虑 ,本文中产生地合成水流应该有益于整个研究区域.ix6iFA8xoX建议本研究重点在利津站地水文分析上 ,期望在今后地研究中考虑利津下游地区地人类用水需求和其他因素<如湿地生态） .对三月—五月和九月—十月水文特性对生态敏感性方面也期望作进一步地研究和证实因为这项研究特别有意义 ,尤其是对于关注生态保护同时又严重缺水地状况 .合成地日流量序列期望作为边界条件被用于数学模型中以便于进一步地研究 ,如果这些模型是可靠而有用地 ,包括生态模型、地表水模型和地下水模型 .wt6qbkCyDE

,References参考文献RichterB.D,BaumgartnerJ.V,WigingtonR,BraunD.P.1996.Howmuchwaterdoesariverneed?FreshwaterBiology37:231-249Kp5zH46zRkSmakhtin,V.andWeragala,N.2005.AnassessmentofhydrologyandenvironmentalflowsintheWalaweriverbasin,SriLanka.WorkingPaper103.Colombo,SriLanka:InternationalWaterManagementInstitute(IWMI>.Yl4HdOAA61Wahl,K.L.andWah1,T.L.,1995.DeterminingtheflowofComalSpringatNewBraunfels,Texasch4PJx4BlIXingHua,2005.DiscussiononMaintainingaGoodEcologicalSystemoftheYellowRiverDelta.ndYellowRiverResearchAssociation,2003.ProceedingsoftheTreatmentandStrategySeminarfortheYellowRiverDeltaDevelopment.ISBN7-80621-648-7/TV.313E836L11DO5EvaluationoftheflowregimeintheLowerYellowRiverDelta,China S42ehLvE3MDongWu1,3andArthurE.Mynett1,2,3,41UNESCO-IHEInstituteforWaterEducation,P.O.Box3015,2601DADelft,theNetherlands501nNvZFis2DelftUniversityofTechnology,FacultyofCiTG,P.O.Box5048,2600GADelft,NetherlandsjW1viftGw93WL|DelftHydraulics,P.O.Box177,2600MH,Delft,theNetherlands(correspondingaddress>xS0DOYWHLP4ResearchCentreforEcoEnvironmentalSystems,ChineseAcademyofSciences,Beijing,ChinaLOZMkIqI0wAbstractIntheYellowRiverDeltahydrodynamicsplayaprominentrole.ThedecreasingYellowRiverdischargeandthealteredflowregimeduringthelastdecadesareamostlikelyfactorresponsibleforproblemsrelatedtoecosystemdeterioration,habitatevanescence,siltationoftheriverchannel,groundwaterdepletion,andsoilsalinityincrease.HencetheYellowRiverConservancyCommissionconductedaninvestigationintothe-demand‘minimumforwatertheecosystemintheYellowRiverDelta’.ThispaperistheresultoftheMScresearchcarriedoutbythefirstauthorwiththeintentiontocontributetotheYRCCinvestigationbyexploringtheflowvariabilityandalterationofflowregimeintheYellowRiverDelta.Anattemptismadetosuggestapossibleapproachbydevelopingasyntheticflowregimewhichadequatelyresemblestheflowvariabilityofthenaturalriverstate.StatisticaltechniqueswereappliedtoanalysethehydrologicaldataatLijinstationintheYellowRiverDelta,whileRichter’MethodswasusedtoconfirmthatthehydrologicalrecordsatLijinclearlyexhibitednon-stationarybehaviour.Threedistinctperiodscouldbedistinguishedintermsofseasonalpattern,frequencyofhydrologiceventschange,timingofextremeflows,andflowdispersionprofile.AFlowDurationCurveapproachwasadjustedfortemporalinterpolationinordertogenerateapreferredflow,basedontheassumptionthatthesamesiteislikelytoexperiencesimilarflowvariability.Itisshownthatthisapproachcanbeappliedtogeneratesyntheticflowconditionswhichhavesimilarvariabilityasthereferenceflow,andcouldbeusedforfuturewatermanagementintheYellowRiverDelta. ZKZUQsUJedKeywords:YellowRiverDelta,alterationofflowregime,dailyflowgeneration,temporalinterpolation,flowvariabilityrestoration.dGY2mcoKtTIntroductionTheYellowRiverDelta(China>playsaveryimportantroleinbiodiversityconservation.Itisacknowledgedforitsterrestrialwetlandsanduniquecoastalecosystem.SustainedbytheYellowRiverflow,theuniqueandpreciouswetlandsofferaplaceforstop-over,spawning,breedingandwinteringformanymigratorybirds.TheseasonallychangingYellowRiverflowshelptoformamuchappreciatedhabitatforaquaticspeciesandvaluablemigratoryfishinthecoastalarea(XingHua,2005>However,thevolumeofflowintheLowerYellowRiverbasinhasbecomedeficientandtheshortageofwaterresourceshasbecomequiteseriousinthelowerreaches.Inthelastdecades,frequentdiscontinuousflowsoccurredinthelowerYellowRiver,causingaretreatoftheshorelineinthedelta,saltwaterintrusionandincreasedsoilsalinity.Furthermore,forthesakeoffloodcontrolandhumanprotection,thenaturalflowstatehasbeenchanged.Meanwhile,globalwarmingseemstoworsenthesituation,reducingtheflowdramatically-eveninthecaseofanextremefloodingevent-inthedeltaandestuary.Thismayeliminatethenaturalhabitatsforaquaticorganismsthatmigrate,spawnandbreedinthelowerriverreachesandestuary.Also,thedecreasedhighflowledtosedimentationofthemainriverchannelandthusthedrainagecapabilityoftheriverchannelbecamelesseffective.rCYbSWRLIATheYellowRiverConservancyCommissionrealizedthatbasicguaranteesofwatersupplyandaseasonally-varyinghydrographhavebecomeakeyissueinrestoringandmaintainingtheecologicalsystemoftheestuary.Counteractionsweretakeninrecentyearsconsistingofwaterallocationtoguaranteetheyear-roundflowinthedownstreampartoftheriver,water-sedimentregulation,andartificialfloodingtoalleviatechannelsiltation.ItalsostartedtheSino-DutchprojectonenvironmentalflowstudyintheYellowRiverDelta,aswellasresearchonestimatingtheminimumwaterdemandforecosystemsintheYellowRiverDelta.FyXjoFlMWhInthisstudy,itissupposedtobebetterforenvironmentalmanagementifthealterationoftheflowregimefromitsoriginalstateintheYellowRiverDeltacouldbedetermined,derivingapossiblesyntheticdailyflowfromthesyntheticmonthlyflow.ThestudywasconductedinthecontextofanMScthesissupportedbytheYellowRiverCommission,theYellowRiverWaterResourcesProtectionBureau,UNESCO-IHE,DelftHydraulics,andtheDelftClusterProject‘YellowRiverDeltaEnvironmentalFlowTuWrUpPObXStudy’.TheobjectiveoftheMScresearchwastoevaluatethealterationoftheflowregimeintheYellowRiverDelta,andthentotrytoexploreaprocedureforgeneratingpossible(synthetic>flowswhichontheonehandcomplywithanassumedannualrunoff,andontheotherhandleadtoacharacteristicflowvariabilitythatisclosetotheoriginal(pre-development>flowstate.Thestudymethodwasa‘desk-top’analysisandconsistedoftwophases:(i>evaluationoftheflowregimealteration,and(ii>syntheticflowgeneration.ThestudystartswithstatisticalanalysesusingRichter’MethodsappliedtohistoricalflowdataatLijingaugestationintheLowerDelta,coveringbothless-disturbed(pre-development>anddisturbed(post-development>periods.Theanalysisfocusesontheflowvariationandtheflowfeaturesintheoriginalflowstate.7qWAq9jPqETheconclusionofthisphaseisthattherearesignificantalterationsinflowregimearound1968and1985.Intheflowgenerationstudy,apossiblehydrographisconstructedusingtheFlowDurationCurvefortwoscenarios.Inonescenariothemulti-annualrunoffwasassumedtobe33billionm3,whichisaroundtheaveragelevelatLijinstation.Inanotherscenariothemulti-annualrunoffwastakentobearound20billionm3,whichisthelikelyminimumenvironmentalwaterdemandintheYellowRiverDeltainthenearfutureaccordingtothereportreleasedbyYellowRiverResearchAssociation(2003>.llVIWTNQFkThepotentialofthemethodusedinevaluatingthealterationoftheflowregime(Richter’sMethenvironmentally-relatedand,atthesametime,data-economicapproach.Incaseoflittleecosystemdataavailability,thismethodcouldbea‘starting-point’forbasinscaleplanninginvolvingtheassessmentofenvironmentalflowsthroughanentireriverbasinanda-step’forwater‘firstallocation,aswellasabasestudyforfurtherresearchwithholisticandsophisticatedapproaches.Giventhattheresponseoftheecosystemismonitoredandcomparedwhenapplyingthegeneratedsyntheticflow,thismethodcouldalsohelptodiscovertherelationshipsbetweenhabitatandflow.Theapproachofgeneratingsyntheticflowscanbeusedinthesameway,aslongastheinputdata(dailydatasourceandsyntheticmonthlydataasatarget>areavailable.Thesyntheticdailyflow(generatedwiththeFlowDurationCurveconcept>couldguidethedecisionmakingprocessforactualriverflowmanagement.Therearemanyfactorsthatcanalteranddisturbtheflowregime.Thiscasestudydoesn’distinguishhumandisturbancesfromeffectsofclimatechange,andconsideredallyhUQsDgRT1factorsaspotential‘disturbance’.MethodologySteptrendanalysisThedatausedweremonthlydischargesfrom1950-2003,dailydischargesfrom1950-1968,anddailydischargesfrom1986-2000.AlldatawereatLijingaugestation.Statisticalanalysisandcalculationmethodswereintensivelyusedinthisphase.FromstabilitytestsformeanannualrunoffatLijingaugestation,asteptrendwasdetectedandthemostsignificantchangepointswereobtained.The‘Studentt-test(tt>’wasusedtoestablishthe’stabilitytestformeanMdUZYnKS8I’Equation0109T7t6eTnonithenumberofdatainsubsetixithemeanofthesubsetisi2thevarianceofthesubsetThetestpointinthetimeseriesdividedthedataintotwosub-sets,thenconsideredanequalnumberofdatapointsonbothsidesofthetestpoint,neglectingtherest.Afterthat,thefollowingequationwasappliedtocalculatettforeachtestpoint,andthefinalchangepointbecomestheyearatwhichthedifferencebetweenthemeanvaluesonbothsidesbecamebiggest.Itwasassumedthatthemeanvaluesleftandrightwerethesamewhene5TfZQIUB5t(v,2.5%><tt<t(v,97.5%>v=n1+n2–2Bythisprocedure,thechangepointswerefoundtooccurin1969and1985andthewholespanwasthusdividedintothreedistinctiveperiods(Figure01>.Thechangepointisconsideredastheendofthefirstsub-setandtheyearfollowingitisthefirstyearofthenextsub-set.s1SovAcVQMFigure01illustrationofsteptrendofrunoffatLijinstation GXRw1kFW5sThesefindingsindicatedthattheLiuJiaxiareservoirhadsignificantinfluenceonthewaterregimeatLijinstation,becausethisreservoircameintooperationinOctober1968.Underthecombinedinfluenceorchangeofotherunknownfactors(eg.plantstructurechange,intensifiedirrigation>andsignificantinfluenceoftheLiuJiaxiareservoir,thevolumeofwateratLijinstationdecreaseddramaticallyduringlate1968.Thus,itseemsfairtoassumethattheflowregimealsochangeddramaticallysincethen.Itwasnotimmediatelyclearwhyachangepointalsohappenedin1986.Themostlikelyreasonwassupposedtobecombinationofclimateconditionsandintensifiedabstractionofwater.UTREx49Xj9Theresultingthreeperiodsintermsofannualrunoffmadeitpossibletocomparethewaterregimebetweendifferentperiods.Sincethedatainthe1stperiodwasfromearlierrecordsandthewholeYellowRiverBasinwasacknowledgedtobeless-developedatthattime,theflowstateinthisperiodwasthusassumedtobelessdisturbedandclosesttothenatural(pre-development>flowregime.Therefore,the1stperiodcouldbeareference,andcomparingthedata-setinthe2ndperiodor3rdperiodtothe1stperiodcouldallowustoevaluatethepossiblealterationofflowregimesfromthenaturalone.8PQN3NDYyPEvaluationofflowregimealterationTheflowregimecanbeexpressedintermsofecologicallyrelevantparametersasestablishedbyRichteretal(1996>.Theseparameterscorrespondtohydrologicalstatisticalthat“aregroupsrelevant”tobiologicalsystems(magnitude,duration,timing,rateofchangeandfrequency>.Theseparametersareusedtocharacterizetheflowregimesinlocalstreamsinanecologicallymeaningfulmanner,sothattheirrelationshipwiththebiologicalvariablescanbeevaluated.mLPVzx7ZNwInthisMSCstudy,theevaluationofwaterregimealterationwasconductedonthebasisofRichter’sprinciples,andthehydrologicalparametersrelatedtomagnitude,timingandfrequency.Otherparameterswerenotconsideredinthisstudybecauseeithertherewerenotenoughdataandinformationtoassumethoseparameters(e.g.flowduration>ortheseparameterswerelessimportant(e.g.rateofrise/fall>sincetheflowhaddecreasedalot.Itissuggestedtodomoreinvestigationsonthosetailored-offparametersinfuture。thefocusinthisstudywasonthemainparameters.AHP35hB02dThemonthlydischargeseriesofNyearsinoneperiodcanbewritteninthefollowingmatrixform NDOcB141gTx1,1x1,2x1,12Xx2,1x2,2x2,12xN,1xN,2xj,ixN,12wheretherowsdenoteyear1~Nineachspecificperiod,whilethecolumnsdenotemonths1~12.1zOk7Ly2vAConsequently,themeanvalue,standarddeviationandcoefficientofvariationofeachcolumnofthematrixcorrespondtothemonthlymeanvalue,standarddeviationandcoefficientofvariationovertheyear.fuNsDv23KhThemonthlymagnituderangeofflowwasdefinedas 1sand 1sawayfromtheMeans(Richteretal,i i1996>,demonstratedbythefollowingformula tqMB9ew4YXupperbound :xTherangeofdischarge:lowerbound :x

i siEquation02HmMJFY05dEsiThetwoboundsdividethewholedischargespaceintothreecategories.Thevaluesbiggerthanxisifallinthetopcategory,thevaluesmallerthanxisifallinthelowercategory,andtheothersinthemiddleone.ViLRaIt6skSignificantalterationfactorsBycomparingthethreeperiods,thefollowingsignificantalterationscouldbeidentified:9eK0GsX7H1shorterintervalbetweentwotypesofextremeflowsandless-dispersedtimingnaK8ccr8VIThetimingofextremelowflowwasseentobepostponedinthedisturbedperiod,andthetimingoftheextremehighflowswasputforward.Thisresultedinashortintervalbetweenthetwokindsofextremeflows.Besides,therewaslessvariabilityinthedisturbedperiodsintermsoftimingofextremeflows.AsshowninTable01,thedatesonwhichextremeflowshappenedinthedisturbedperiodweremoreconcentratedaroundtheaveragevalue.B6JgIVV9aoTable01timingalterationofextremeflowsbetweenless-disturbedperiodand1986-2000P2IpeFpap5AveragevalueseasonrangeDistributionfeatureWaterLessdisturbedLessdisturbeddisturbedLessdisturbedstatedisturbeddisturbedMinflow80175January-MarchJunedispersedconcentratedJune-earlyJulynearmeanMaxflow230215LateJune-LateJuly-dispersedconcentratedOctoberearlySep.nearmeandecreaseinnumberofreversalsandhighinter-annualdispersion3YIxKpScDMHerereversalmeansthehydrologiceventthatchangesfromflowrisetoflowfall,orfromfalltorise.Thenumberofreversalsinthe3rdperioddecreasedinthedisturbedperiodintermsofmeanvalue.Andthecountrangebecamemorespread(Table02>Thereversalnumbervariedfrom60/yrto160/yr,indicatingthattheinter-annualvariabilityinflowfluctuationwasdramatic,eventhoughtheflowwasgenerallylessvariableintra-annually(smallermeanvalueofreversal>.gUHFg9mdSsTable02alterationonreversalsbetweenless-disturbedperiodand1986-2000uQHOMTQe79Means(count> Range Distributionfeature(count>Less-disturbed125100-170(Almost>EvendistributedDisturbed(1986-2000>10860-160scatteredchangeindispersionprofileofmonthlyflowThedispersion(coefficientofvariation>profile(Figure02>underwentdramaticchangesinthetwodisturbedperiods.Theseprofilesindicatedabruptinter-annualandintra-annualvariationindisturbedperiods.IMGWiDkflPcomparisonofmonthlydispersionprofile(inC.V.)1.6Coeff.ofVar.ofmonthlyQin1950-19681.4Coeff.ofVar.ofmonthlyQin1977-1986Coeff.ofVar.ofmonthlyQin1987-20001.210.80.60.40.20AugustptemberOctobervemberAprilMayJuneJulycemberJanuaryFebruaryMarchSeNoDeFigure02dispersionprofileinthreeperiodsWHF4OmOgAwchangeinseasonalitypatternThebimodalpatterndisappearedinthedisturbedperiods,andtheinter-monthlyvariabilityfromDecembertoMaybecameconsiderablysmaller.TheaveragelowflowsoccurredinAprilandMayinthedisturbedperiod,insteadofinwinter(Figure03>.Thesecondpeakinmeanflowisusuallycausedbysnowmeltflowinspring.Thedisappearanceofthe2ndpeakandthetimingofthebottomflowcouldbeexplainedbyspringirrigationintheupperandmiddlestream.aDFdk6hhPd(a>in1977-1986 (b>1987-2000ozElQQLi4TFigure03