考虑水文变异的河道内生态需水研究

水资源评价与规划课程中期汇报TREE考虑水文变异的河道内生态需水研究目录研究背景及意义流域概况及基础数据研究方法水文变异结果及分析河道内生态需水计算结论123456PART1研究背景及意义提供一定质量和数量的水给天然生境，以求最小化改变天然生态系统过程，并保护物种多样性和生态整合性Gleick以水文循环为纽带、从维系生态系统自身生存和生态功能角度，相对一定生态环境品质目标下客观需求的水国际水文计划广义：维持全球生物物理过程水分平衡需水，包括水量平衡、水热平衡、水沙平衡、水盐平衡等中国可持续发展水资源战略研究综合报告生态需水概念辨识中国可持续发展水资源战略研究综合报告狭义：生态需水指为维护生态环境不再恶化并逐渐改善所需要消耗的水资源总量

一系列生态需水概念的提出，从主要针对航运功能、到符合鱼类生存需求，最终考虑生态系统的完整性等，体现出生态需水概念、内涵的不断丰富。概念河道内生态需水通常是指河流为了维持某一特定生态系统的基本生态功能，

河道应保持的流量。河道内生态流量一般指维持水生和岸栖生物生存的最小需水量。河道内生态需水评估方法国外：水文指标法、水力学法、整体分析法和栖息地法等；国内：在生态需水量的界定方面目前尚无统一的概念。以河流最小月平均实测径流量的多年平均值作为河流的基本生态环境需水；通过水面面积百分比和水深要素计算栖息地需水量；根据生物种群和环境因子之间的关系，通过筛选主要水文指数计算生态环境需水。1、自20世纪50年代以来，黄河河道的流量呈显著下降趋势。90年代来，黄河断流、水污染等问题相当严重，水利部提出在水资源配置中应考虑生态环境用水。2、众多学者研究主要集中在陆地和河道生态需水。其中，河道生态需水研究大多集中在研究河道基本生态环境需水和输沙需水量。3、以往的研究没有考虑水文变异的影响，而考虑水文变异，将会有助于进一步理解水文变异的成因，进而会更好的间接揭示各种影响因素对河流生态需水的影响。考虑水文变异对黄河干流河道内生态需水进行研究提出背景水文序列是一定时期内气候条件、自然地理条件以及人类活动等综合作用的产物，资料本身就反映了这些因素对其影响的程度或造成资料发生的变化。水文现象的变化无论多么复杂,水文序列总可以分解成两种成分，即确定性成分和随机性成分。水文变异定义：如果水文序列的分布形式或(和)分布参数在整个序列时间范围内发生了显著变化，则称水文序列发生了变异。水文变异诊断的目的：推断序列中存在的各种确定性成分，并从水文序列中分离出随机性成分，从而采用非一致性序列的水文频率计算方法得到过去、现在和未来不同时期变化环境下水文序列的频率分布，为水利工程规划、设计、施工、管理提供水文依据。PART2流域概况及基础数据黄河流域简介黄河干流河道长5464km，流域面积79.5万km²。全流域多年平均降水量466mm，总的趋势是由东南向西北递减，降水最多的是流域东南部湿润、半湿润地区。根据1961年-2006年的降雨观测资料，黄河流域降雨变化过程具有经度性，黄河降雨从西到东逐渐增加。大部分降雨观测资料显示，黄河流域降雨有减少的趋势。黄河中下游，北纬38°以南地区的减少趋势更加显著。7个水文测站主要水利工程基础数据PART3研究方法主要研究理论耐受性定律和限制因子耐受定律是指各种影响生物生存和发展的因子在量上存在着生物忍耐最大极限和最小极限，当生态因子超过其上下限，就会使生物退化甚至死亡。在众多环境因子中，接近或超过该生物耐受上下限而限制生物的发展的因子，称为限制因子。生态适宜性理论生物个数随某个生态因子变化而变化，生物个数达到最大值时的生态因子值称为该物种生态因子的最适值。——与水文有关的生态因子都是流量的函数。流量是河流生态系统重要的限制因子。故以流量作为考察指标。——长期的自然选择使得生物适应于出现频率较高的环境因子。所以频率最大的流量最适合河道内生态系统。水文变异计算步骤水文资料收集（日流量资料）检验三性（代表性、可靠性、一致性）变异点检验（滑动轶和检验法）找出首个变异点变异前后滑动轶和检验无水文变异有水文变异序列分段相邻两序列合并再次检验滑动轶和检验4、计算和作出推断结论1、考察点前后两序列总体的分布函数分别Fpre(x)和Fpost(x)从总体Fpre(x)和Fpost(x)中分别抽取容量为npre

和npost

的2个样本，要求检验原假设Fpre(x)=Fpost(x)。2、编秩将两组数据分别由小到大排列，再将两组数据由小到大统一编秩。如有原始数据相同时，可按相同数据全在同组内不用求平均秩次，不同组间有相同数据需求平均秩次的原则处理。3、求秩和并确定检验统计量当两样本容量不同时，以容量小者容量为n1，容量大者容量为n2，小容量样本的秩和为统计检验量T1，大容量样本的秩和为统计检验量T2。若两样本容量相同，则n1=n2

，任取一组的秩和检验统计量为T1

，另一组为T2

。也称Mann-WhitneyU检验法，是非参数统计方法，它不依赖于总体分布类型，不以推断总体参数为目的，而旨在检验两种或两种以上的观察变量的分布有无显著差异。唐乃亥站水文变异检验依照时间顺序，对水文序列逐点进行秩和检验，即逐点作为分割点，以此把水文序列分成两个样本。设定两个假设，即：H0

：两个样本的分布相同，即无显著差异；H1

：两个样本的分布不同，即具有显著差异；取置信水平α=0.05，采用双侧分位数检验，查得α=0.05时，Z1-α/2=1.96，若|z|≤Z1-α/2

，则接受H0

，两个样本无显著差异；若|z|>Z1-α/2

，则接受H1

，两个样本有显著差异，即发生变异，并以|z|最大处作为水文变异点。唐乃亥站水文变异检验对1956-1989年进行滑动秩和检验，序列分段为1956-1960，1961-1989时，统计检验量最大，检验结果为拒绝H0

，两样本分布有显著差异；对1990-2005年进行滑动秩和检验，该时段内不存在变异点。

现在唐乃亥序列分段为1956-1960，1961-1989，1990-2005。再次对1956-1960年进行滑动秩和检验，该时段内不存在变异点；对1961-1989年进行滑动秩和检验，该时段内不存在变异点；对1990-2005年进行滑动秩和检验，该时段内不存在变异点。各序列均没有变异点。已经找出所有可能的变异点。最后得出唐乃亥的水文变异分段为：1956-1960，1961-1989，1990-2005。然后每相邻两段序列整合成一个序列，进行变异点分析，对1961-2005年进行滑动秩和检验，序列分段为1961-1989，1990-2005时，统计检验量最大，检验结果为拒绝H0

，两样本分布有显著差异；对1956-1989年进行滑动秩和检验，序列分段为1956-1960，1961-1989时，统计检验量最大，检验结果为拒绝H0

，两样本分布有显著差异。每相邻两段序列合并成为一个序列进行检验，其变异点均没有发生变化。PART4水文变异结果及分析计算结果变异成因分析站点成因分析唐乃亥站气候变化和人类活动共同作用下，90年代开始，径流量大幅减小。这与滑动秩和检验的计算结果一致。兰州站受人类活动影响较大。第一次水文变异时间与龙羊峡下闸蓄水时间一致，第二次水文变异时间与李家峡的下闸蓄水时间相近。头道拐站青铜峡调节能力较小，对年径流量的影响不大，故该站的调控没有产生显著的水文变异。同时，头道拐也受到龙羊峡、李家峡、刘家峡的影响。其变异时间与兰州相近。龙门站和头道拐相似花园口站1965-1968年对三门峡水库枢纽实施了第一次改建，潼关以下库区已由淤积转为冲刷。加上刘家峡水库1968年10月投入运用后，改变了进入黄河小北干流水量的年内分配过程，使汛期水量减少。小浪底水利枢纽1997年10月28日实现大河截流。1996年12月26日李家峡下闸蓄水。两者作用下，1997发生了水文变异。孙口站与花园口相似，但受人类活动情况更加复杂利津站与花园口相似，但受人类活动情况更加复杂PART5

河道内生态需水计算生态需水计算依据环境因子与种群关系，频率最大处流量最适合河道内生态系统。同一站点不同月份的河道内流量具有不同的时间变化规律，本文求出各个月份频率最大流量作为相应月份生态流量，即可求出一年内不同月份生态流量曲线。通过拟合，GEV分布符合河道内月平均流量计算方法采用线形矩法对GEV分布进行参数估计观测到n个样本值的变量X，将其从小到大排列。xj为序列中第j个值。则前3阶的L-矩l1，l2，l3及L-偏态系数t3为：计算方法最值分析，得频率最大处流量为所求x就是各月河道内生态流量。用该法计算1-12月河道内生态流量，即可求出年内河道内生态流量曲线。计算结果以上根据变异点发生时间对所研究水文序列进行了分段，在此基础上，选择序列发生变异前的序列计算河道生态需水。计算河道生态需水主要通过对各月平均流量采用线形矩法推求参数，计算GEV分布概率密度最大流量，并将其作为对应月份河道内生态流量。结果分析生态流量基本上小于变异前序列月平均流量，非汛期的减少幅度不大，而汛期的减少幅度较大。变异后月平均流量普遍减少，7月份前平均流量与生态流量相当，基本满足生态流量，7月份后平均流量均小于生态流量。结果分析变异前满足频率一般在50%以上，变异后满足频率大部分都下降。河道内生态环境情况恶化。一般情况下，6-10月是黄河的大汛期。从表6可以看出，汛期下降幅度比非汛期大，而部分站点非汛期满足频率甚至升高。这是因为随着经济社会发展，人类用水量增加，总体上河道内流量减少。同时由于水利工程的调蓄作用，汛期拦截上游来水进行蓄水，导致下游河道内流量减少，而非汛期对下游供水，增加了下游流量。PART6

结论结论考虑水文变异的河道内生态需水计算方法是可行的与Tennant法对比，本法计算的河道内生态流量在Tennant法的好等级以上，其中非汛期在好等级以上，汛期等级更高。与Tennant法相比，该法更能反映出各月份的流量变化规律，更加具有物理意义。变异后，满足河道内生态需水的频率降低黄河生态系统水环境恶化的主要原因是人类活动应确保变异后生态需水满足频率与变异前相当由于气候原因而导致的径流量减少是很难避免的。应允许变异后满足频率略小于变异前，但幅度不能过大。提高节水意识，提高用水效率，合理地水利调度等措施对河流生态管理有积极意义！参考文献1、李剑锋,张强,陈晓宏,等.考虑水文变异的黄河干流河道内生态需