基于不同改进RVA法的水利...域生态水文情势综合影响分析_丁欣.pdf

第4 1卷第5期2023年5月水 电 能 源 科 学W a t e r R e s o u r c e s a n d P o w e rV o l.4 1 N o.5M a y 2 0 2 3D O I:1 0.2 0 0 4 0/j.c n k i.1 0 0 0-7 7 0 9.2 0 2 3.2 0 2 2 1 0 2 3基于不同改进R V A法的水利工程对清江流域生态水文情势综合影响分析丁 欣1 a,1 b,陈燕飞1 a,1 b,郭 卫2,喻 婷3,4(1.长江大学 a.油气地球化学与环境湖北省重点实验室;b.资源与环境学院,湖北 武汉 4 3 0 1 0 0;2.长江水利委员会水文局,湖北 武汉 4 3 0 0 0 0;3.湖北省水利水电科学研究院,湖北 武汉 4 3 0 0 7 0;4.湖北省水利水电科技推广中心,湖北 武汉 4 3 0 0 7 0)摘要:科学评估水文情势是开展河流生态环境健康评价的重要组成部分。采用I HA指标定量评估了清江流域水利工程建设期和运行期高坝洲站的水文指标改变度,在分析5组不同I HA指标的变化规律的基础上,通过选用基于内梅罗指数法的R VA法、基于欧氏距离法的R VA法和考虑综合权重的R VA法三种不同的R VA法分析了清江流域整体水文情势改变情况。结果表明,工程建设期和综合利用期三种方法对清江流域水文情势分析结果分别为中度改变和高度改变,且清江流域水文情势改变度有增大趋势,考虑综合权重的R VA法评价结果与其他两种方法评价结果相近且具有合理性,能较好地体现清江流域水利工程建设后河流水文情势变化情况。关键词:生态水文情势;基于内梅罗指数法的R VA法;基于欧氏距离法的R VA法;改进的R VA法;清江流域中图分类号:TV 1 2 1+.4 文献标志码:A 文章编号:1 0 0 0-7 7 0 9(2 0 2 3)0 5-0 0 2 2-0 4收稿日期:2 0 2 2-0 5-1 5,修回日期:2 0 2 2-0 8-0 4基金项目:湿地生态与农业利用教育部工程研究中心资助项目(K F 2 0 1 9 1 7)作者简介:丁欣(1 9 9 6-),男,硕士研究生,研究方向为生态水文学,E-m a i l:2 9 5 7 6 7 3 0 6 6q q.c o m通讯作者:陈燕飞(1 9 8 2-),男,博士、副教授,研究方向为生态水文学与河流生态环境修复,E-m a i l:f l y n e y 1 6 3.c o m1 概况清江流域为湖北省境内长江中游第二大支流,水能水资源充沛,干流全长4 2 3 k m,总落差1 4 3 0 m,流域总面积1 6 7 1 4 k m2,流域雨量充沛,年平均降雨量1 4 1 5 mm。清江干流自下而上有高坝洲水电站、隔河岩水利枢纽、水布垭水电站和大龙潭水利枢纽共四个水利工程。其中隔河岩水利枢纽最早开工,于1 9 8 7年开始建设,1 9 9 6年建成;最晚建设的是大龙潭水利枢纽,2 0 0 3年开始建设,2 0 0 8年通过竣工验收。人类在河流上大量修建水利水电工程,使得河流水文情势较易发生改变,从而使得河流生态环境的健康受到一定的影响。因此科学评估水文情势对开展河流生态环境健康评价和维护河流生态环境具有重要意义。变异范围法(R VA)1通过河流的流量大小、发生时间、频率、持续时间及变化率等5个方面3 3个水文指标来评估河流水文情势的变化。目前,关于R VA2法的相关研究也较多,如史卫东3考虑I HA指标周期性影响,结合小波分析法对R VA法进行改进;朱迪等4基于分组赋权和改进的内梅罗指数法对R VA法进行改进;顾玉娇等5采用主成分分析法对I HA法中最相关的指标进行分析;张如强等6主要考虑典型年对水文情势的影响,但鲜有研究考虑I HA指标权重对整体水文情势的影响。为此,本文提出了一种改进的R VA法,即在赋予I HA指标主客观权重的基础上,将主客观权重相结合成综合权重,根据综合权重及I HA指标水文改变度求得整体水文情势改变度,并将该方法应用于清江流域中,最后通过基于内梅罗指数法的R VA法、基于欧氏距离法的R VA法两种方法对综合权重法结果进行验证,以期为河流水文情势评估提供一种科学合理的评估方法。2 数据来源及研究方法2.1 数据来源高坝洲站位于高坝洲水电站坝下,为清江流第4 1卷第5期丁 欣等:基于不同改进R VA法的水利工程对清江流域生态水文情势综合影响分析域的控制站,反映了清江流域水文情势,故选取基础资料为高坝洲水文站1 9 5 12 0 1 9年逐日平均流量(高坝洲水文站原名为长阳水文站)。2.2 研究方法2.2.1 传统R VA法传统R V A法通过计算3 3个I H A指标偏离度评估河流水文情势变化,各分组I H A指标见表1。表1 I H A指标分组及相关指标T a b.1 I H A i n d i c a t o r g r o u p i n g a n d r e l a t e d i n d i c a t o r s水文指标分组I HA指标各月流量11 2月流量均值年极端流量 年最大和最小1、3、7、3 0、9 0 d流量均值及断流天数和基流指数极端流量发生时间年最大和最小1 d流量发生时间高低流量频率及延时年发生高、低流量次数及平均延时流量变化率及改变率流量增加和减少率及流量逆转次数 单个I HA指标的改变度:Di=(Ni-Ne)/Ne1 0 0%(1)其中Ne=r Nt(2)式中,Di为第i个I HA的水文改变度;Ni、Ne分别为水利设施兴建后第i个指标落入R VA阈值内的实际年数、预期年数;r为水利设施兴建前各指标落入R VA阈值范围内的比例;Nt为水利设施兴建后有记录的总年数。河流的整体水文情势改变度D0:D0=13 33 3i=1Di(3)式中,D0为整体水文改变度,一般定义Di、D0值介于03 3%间为无或低度改变;3 3%6 7%间为中度改变;6 7%1 0 0%为高度改变。2.2.2 改进的R VA法(1)基于内梅罗指数法的改进的R VA法。传统R VA法忽略高、低I HA指标之间差异性的影响,使得整体水文情势改变度偏低,薛联青等7提出以内梅罗指数法对R VA法进行改进,计算方法为:D=(D 2jm a x+D2W)/2(4)其中D jm a x=(Djm a x+DW)/2(5)DW=13 33 3i=1Di(6)式中,D 为改进R VA法整体水文改变度;Djm a x为单个I HA指 标 改 变 度 最 大 值;DW为3 3个I HA指标改变度平均值。(2)考虑典型年影响并基于欧氏距离的改进的R VA法。传统R VA法未考虑典型年影响,张舒羽等8采用欧氏距离法对R VA法进行改进,对丰、平、枯水年分别赋值2、1、0,径流突变前后典型年份的分布情况为(A1、A2、An)和(B1、B2、Bn),计算方法为:D=1-(1-D0)(1-S)(7)其中S=ED/Tm i n(a,b)(8)ED=ai(Ai-Bi)2a=bm i n bi(Ak+1-Bi)2abm i n ai(Ai-Bk+1)2ab (9)式中,D 为改进R VA法整体水文改变度;k=0,1,2,n-k;ED为欧氏距离S为标准化后的欧氏距离。(3)考虑综合权重的R VA法。本文提出一种改进的综合权重R VA法,通过层次分析法9和空间向量法求出各I HA指标主客观权重,再将主客观权重相结合求得综合权重,根据综合权重求得河流整体水文情势变化。基于层次分析法9在考虑各指标与环境之间相互联系的基础上,通过构建I HA指标两两比较矩阵,求得各I HA指标的主 观 权 重1i。基 于 空 间 向 量 法,每 一 个I HA指标改变度均可视为是河流整体水文情势改变度的一个分量,因而,3 3个I HA指标即构成了一个3 3个不同方向的空间向量,将3 3个I HA指标共同反映的水文情势视为是一个向量,因此可根据空间向量法求得每个I HA指标的客观权重2i。参考最小相对信息熵法1 0,将主客观权重相结合,得到各I HA指标综合权重,具体计算公式为:i=(1i2i)0.53 3i=1(1i2i)0.5(1 0)式中,i为综合权重;1i为主观权重;2i为客观权重。最后将各I HA指标与各自权重相乘求得整体水文情势改变度,整体水文改变度D 为:D=3 3i=1Dii(1 1)改进的R VA法仍采用原来R VA法等级划分方法。3 应用3.1 IHA 指标分析根据清江流域干流水利工程建设始末时间点将清江流域1 9 5 12 0 1 9年径流数据分为三个时32期,第一个时期为天然时期(1 9 5 11 9 8 6年),第二个时期为水利工程建设期(1 9 8 72 0 0 8),第三个时期为水利工程综合利用期(2 0 0 92 0 1 9),本文以清江流域天然时期为基础,对建设期和综合利用期清江流域的水文情势进行分析。第一组水文指标,高坝洲站三个时期径流年内分配见图1。由图1可知,工程建设期月均流量中度及以上改变的月份为1、2、1 2月,改变度分别为8 4.4%、6 1%、8 1.8%,综合利用期月均流量7、8、9、1 1月为低度改变,中高改变度指标数量较水利工程建设期有所增加;两个时期高坝洲站枯水期径流量均有不同程度的增大,汛期径流量均有不同程度减少,但年内径流分配趋于均匀化,这是由于水利工程发挥了“蓄丰补枯”的作用。对比发现综合利用期流量均匀化程度更高,这是由于综合利用期清江流域多个水利工程调蓄作用较工程建设期调蓄作用更强。01002003004005006007008009001000123456789101112月份工程建设期综合利用期天然时期流量/(m.s)3-1图1 清江流域径流年内分配F i g.1 A n n u a l r u n o f f d i s t r i b u t i o n i n Q i n g j i a n g R i v e r B a s i n第二组水文指标,高坝洲站工程建设期中度及以上改变度有8个指标,无高度改变指标;综合利用期中度及以上改变指标有1 0个指标,其中高度改变指标有5个,分别为1 d最小流量、1 d最大流量、7 d最小流量、9 0 d最大流量和基流指数,其变化趋势见图2。由图2可知,各指标均值均呈下降趋势,且综合利用期各指标均值均小于工程建设期。其中综合利用期年最小1 d流量和基流指数均未落入R VA阈值范围内,其改变度均为1 0 0%;工程建设期和综合利用期多数极端流量指标达到中度改变及以上。除受到水利工程的调蓄作用的影响外,还可能与清江流域降雨量的减少有关1 1。第三组水文指标,两个时期高坝洲站年最小流量出现时间均值较天然时期分别延后9 9、6 7 d,均为低度改变,两个时期最大流量出现时间均值较天然时期提前5、2 1 d,均为中度改变。第四组水文指标,高坝洲站高、低脉冲出现次数并未有太大的改变,但两个时期低脉冲平均持续时间较天然时期分别减少9、1 3 d,改变度分别010203040506070801950 1960 1970 1980 1990 2000 2010 2020年份下限上限1 d最小流量均值逐年最小流量1 d02 0004 0006 0008 00010 00012 00014 00016 0001950 1960 1970 1980 1990 2000 2010 2020年份0204060801001201401950 1960 1970 1980 1990 2000 2010 2020年份02004006008001000120014001600180020001950 1960 1970 1980 1990 2000 2010 202000.050.100.150.200.250.300.351950 1960 1970 1980 1990 2000 2010 2020基流指数均值逐年基流指数1 d(m.)最小流量均值/3-1s1 d(m.)最大流量均值/3-1s下限上