陈伟东，包为民,2(.河海大学水文水资源学院，南京 20098；2. 河海大学水安全与水科学协同创新中心，南京 20098)

0 引 言

水流是水生环境的主要决定因素，水流的改变会在不同程度上改变生物栖息地条件，从而影响生态系统结构[1]。人类的水资源开发利用活动，如修建大坝、跨流域调水等工程会改变河流的天然径流过程，对河流生态系统健康产生重要影响[2,3]。Brian D Richter等[4]于1996年提出了IHA法(Indicator of Hydrologic Alteration，水文变更指标法)用于评价水利工程对河川径流过程的影响，并可根据评价结果建立河流的生态流量管理模式[5]。陈启慧等[6]将该方法用于评价葛洲坝对长江径流过程的影响，效果良好；陈伟东等[7]采用IHA法分析了锦江水库对下游径流过程的影响。文献[7]在锦江流域的研究过程中，以1994年为分界点，将1958-2009年的52 a水文序列划分为干扰前时期为1958-1993年期间的36 a、干扰后的时期为1994-2009 期间的16 a。工程前后资料年份相差较大情况下，直接用IHA法评价水利工程对径流的影响存在一定的不合理性。故此，本文在IHA法的基础上，引入控制变量思想对IHA法加以改进，将工程前36 a资料进行筛选，以期所得评价结果更为科学有效。

1 研究区域概况及分析方法

1.1 研究流域概况

锦江属珠江流域北江水系，是北江上游主源浈江的一级支流，发源于江西省崇义县竹洞，流经仁化县的长江、双合水、恩口、仁化县城等地区，最后于芒坝江口汇入浈江[8]。锦江水库(图1)建于锦江中游段，坝址位于广东省韶关市仁化县境内，于1990年6月1日开始施工，在1993年8月一号机组并网发电，同年12月30日二号机组并网发电。锦江水库总库容1.89 亿m3，兴利库容0.68 亿m3，调洪库容0.45 亿m3，属于季调节型水库。作为仁化县最大的水利工程，锦江水库是以防洪、发电为主，兼顾旅游、供水、养殖等多种效益的大(二)型水库[9]。本文选用锦江流域中长江、扶溪、城口、五渡村、厚坑、仁化、石塘等7个雨量(水文)站1958-2009年的降水资料，以滑动平均法筛选出适合改进IHA法使用的年份。

图1 锦江流域水系及站网分布Fig.1 River system and station distribution of Jinjiang Basin

1.2 滑动平均法

对序列x1，x2，…，xn的几个前期值和后期值取平均，求出新的序列yt，使原序列光滑化，这就是滑动平均法[10]。数学式表示为：

(1)

式中：yt为新序列；k为滑动平均尺度；xt+i为参与此次生成新序列的旧序列值。

当k=2时为5点滑动平均。若x有趋势性，选择合适的k，yt即可将此趋势清晰地展示出来。滑动平均法因其简单、直观而在水文学中得到了广泛的应用[11]。

1.3 IHA法

依据所测的每日河流水文资料，IHA法可算得表征生态环境含义的32个特征参数值，再计算它们工程前后的多年平均值以及年际间的变异系数，则可评价工程对河流水文情势的干扰。如表1所示，32个IHA参数可分为5组，可反映数量大小、发生时间、持续时间、频率以及变化率等水文特征。

表1 IHA法的水文参数及其特征Tab.1 Summary of hydrological parameters used in the Indicators of Hydrologic Alteration, and their characteristics

1.4 改进的IHA法

Brian D Richter等提出的IHA法，对于工程前后两个时段内径流的资料不进行处理，直接将全部的数据进行对比评价。若工程前后资料年份相差较大，所得评价结果可能不够严谨。所以，针对工程前后资料年份相差较大或者资料不足等情况，有必要先对资料作一个预处理。在此处，可引入物理中控制变量的思想，如图2(a)所示，因素1和因素2导致了结果，为研究因素2对结果的影响，那么需要控制因素1。径流的关键因素是降水，且年降水量受水库的影响不像径流那样大，所以可控制降水这一变量来研究水库对下游径流的影响。以锦江流域为例，通过流域1958-2009的降水资料来筛选出工程前后年降水量相似度最高的两个时间段，并以此作为改进IHA法所需要的研究年份，其具体操作步骤如下：

(1)用滑动平均法处理1958-2009年的年降水资料，并作图。

(2)以流域内1994-2009年降水量周期、多年平均降水量、年降水量趋势线作为评选指标，在1958-1993年中找出年降水量与之最为相近的年份。

(3)采用IHA法计算新选取的两个时段的数据，并加以分析。

图2 控制变量示意图Fig.2 Diagram of controlled variable

2 结果与讨论

2.1 IHA法直接计算结果

选取锦江水库坝下的仁化站1958-2009年的日平均流量资料(以1994年为分界)，直接采用IHA法计算锦江水库修建前后仁化站流量的特征值， 结果如表2所示。直接IHA法所做的锦江水库对下游径流影响的分析讨论可参考文献[7]，本文主要研究改进的IHA法与IHA法的差异，故表2中的结果在此处不再作单独讨论。

表2 仁化站IHA法直接计算结果Tab.2 The result of IHA at RenHua station

2.2 由降水确定改进IHA法的研究时间段

锦江水库对下游径流产生影响的年份是1994-2009年，共16 a的径流资料，未受影响的年份是1958-1993年，共36 a的径流资料。为IHA法的评价结果更为科学合理，需要在1958-1993年中挑选出自然情况下与1994-2009年径流情况最为相似的年份。锦江流域长江、扶溪、城口、五渡村、厚坑、仁化、石塘等7个雨量站的算术平均值作为整个流域的降水, 将其按年份顺序绘制成图并采用滑动平均法添加5 a滑动平均的趋势线，如图3所示。由5 a滑动平均趋势线可看出锦江流域的年降水量存在着周期性。锦江流域1994-2009年间的多年平均降水量为1 708 mm，以16 a为一个时期，计算1958-1993年逐个时期的多年平均降水量，结果见图4。由图4可知，与1994-2009年多年平均降水量1 708 mm最为接近的3个时期分别是1968-1983年(1 686 mm)、1970-1985年(1 671 mm)、1972-1987年(1 667 mm)。将此3个时期与1994-2009年各自的年降水量线性趋势线及其公式绘制在图5。图5表明工程前3个时期中1972-1987年的年降水量趋势与工程后的降水趋势最相似。同时参考图3中的5 a滑动平均年降水量趋势线，可知1972-1987年的年降水量情况与水库运营影响后的1993～2009年的年降水量最为相近。

图3 锦江流域年降水趋势变化图Fig.3 Annual precipitation Tendency of Jinjiang basin

图4 多年平均降水量Fig.4 Annual mean precipitation

图5 4个时期各自降水趋势线Fig.5 Trend line of precipitation in four period

2.3 改进IHA法计算结果

由流域年降水量确定了工程前后仁化站径流资料的使用年份,采用IHA法进行计算,结果见表3。将表2与表3中第一组参数的平均值偏离量绘制成图6，其中:

偏离量(%)=[(P建库后-P建库前)/P建库前]×100%

式中：P为IHA法参数值。

图6 两种IHA法平均值偏差比较图Fig.6 Comparison chart of two kinds of IHA method of average deviation

由图6可知，改进IHA法的分析结果与原IHA法有一定差异，尤其是在主汛期的几个月更加突出，3、4、5月份的偏差结果反映出锦江水库的调蓄水效用明显。改进IHA法中所用的工程前后降水数据较为接近，且考虑到水库实际调蓄水情况，本文认为改进IHA法所得月平均径流偏离结果更具合理性。变异系数CV可以反映出参数的年际变化程度，图7则显示了两种IHA法变异系数偏差的对比情况。由图7，改进IHA法计算结果表明建库后仁化站1月月径流量年际变化减小，而8、9和12月的年际变化大幅增加。

图7 两种方法变异系数偏差比较图Fig.7 Comparison chart of two kinds of IHA method about CV

表3中第二组最大1 d平均流量要比表2中的大，在年径流总量相似的情况下，前者的数据更能反映出水利工程带来的影响。改进IHA法最大1 d平均流量建库前的变异系数是0.42，IHA法建库前的变异系数是0.47，而建库后均为0.65，表明峰量大小的年际变化增大，也侧面体现了建库后水库的削峰作用。结合第三组中的年最大1 d平均径流发生时间，由于水库的拦蓄作用，最大1 d平均径流的发生时间延后了近30 d。这在很大程度上改变了下游的径流过程。对于某些需要借助高流量进行繁衍的生物，比如洄游的鱼类来说，这种改变是致命的,故此区域的生物则可能需要较长时间来适应这种环境变化。

因为选用的工程前径流年份不同，所以改进IHA法在计算第四组参数高流量及低流量的频率和持续时间的高低脉冲阈值要重新计算，结果见表4。改进IHA法高流量脉冲发生次数的平均值偏离量比IHA法的平均值偏离量绝对值大9.2%,而两者的高流量脉冲平均历时平均值偏差结果差值达41.75%。改进IHA法低流量脉冲发生次数的平均值偏离量比IHA法高11.4%，两者的平均历时平均值偏离量相差不大。改进IHA法高流量脉冲发生次数的变异系数比IHA法的结果高20.7%，而其他3个参数的变异系数平均偏差的绝对值比IHA法都要大，表明改进IHA法得到的结果显示出锦江水库对下游径流年际变化的影响要更剧烈。两种方法均显示了建库后年高流量脉冲发生次数年际变化加大了，年低流量脉冲发生次数年际变化减小了，且高低脉冲平均历时的年际变化都减小了。第五组上涨率年平均值参数，两种IHA计算方法结果相近，表明建库后水流上涨速度得到有效控制。IHA法中下降率年平均值建库前后偏离量是3.68%，改进IHA法偏离量是-4.48%，考虑水库的调蓄水作用使得径流过程偏于平稳，本文认为后者更为符合实际情况。通过以上讨论分析，在工程前后有一方数据不足时，尤其是当工程后的年份远少于工程前的情况，改进IHA法筛选出更加合理的年份来评价是有必要的。

表3 仁化站改进IHA法计算结果Tab.3 The result of improved IHA at RenHua station

表4 高低脉冲阈值 m3/sTab.4 Threshold value of high and low pulses in group four

3 结 语

本文采用IHA法计算了锦江水库坝下仁化站1958-2009年的日平均径流资料的特征值，在此基础上引入控制变量思想提出了改进的IHA法：采用滑动平均法处理锦江流域1958-2009年的年降水资料，再以1994-2009年降水量周期、多年平均降水量、年降水量趋势线作为评选指标，找出降水量与之最为相近的1972-1987年，最后将仁化站1972-1987年与1994-2009年的径流采用IHA法进行计算分析。考虑到水库的调蓄作用，改进IHA法的评价结果比原IHA法更贴合实际，更为合理、准确地反映了锦江水库对下游水文情势的影响。改进IHA法的评价结果更适用于科学有效地指导恢复河流生态系统。

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