基于RVA法喀斯特流域水库水文特征变化分析——以红枫湖为例

由于贵州喀斯特地貌发育显著,导致水资源分布不均,各类用水无法得到充分保障。根据统计数据,贵州目前拥有大约2000座水库,其中大部分水库已从发电和防洪功能转变为主要以供水为目的,其次兼顾发电和防洪。研究以贵州红枫湖水库为研究区域,采用被广泛应用于水库水文特征变化评估的变异性范围法(Range of Variability Approach,RVA),对其进行分析。根据主要水文信息,从流速变化幅度、持续时间、频次、历时性和变化率等多个角度,分析了33个关键生态价值参数的水文情势变化规律。水文情势的变化规律是影响河流流域生态系统结构和功能变化的重要驱动因素。综合分析国际水文演变指数(IHA)的基础上,定量分析了喀斯特流域水库水文情势特征的变化规律,为流域规划决策提供了数据和理论基础。

基于不同改进RVA法的水利工程对清江流域生态水文情势综合影响分析

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IHA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IHA指标的变化规律的基础上,通过选用基于内梅罗指数法的RVA法、基于欧氏距离法的RVA法和考虑综合权重的RVA法三种不同的RVA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RVA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。

基于IHA-RVA法的若尔盖湿地水文情势研究

若尔盖湿地为黄河上游主要产流区,为研究若尔盖湿地水文情势的变化,选取黄河干流吉迈站、玛曲站和主要支流白河唐克站、黑河大水站的历史逐年、日流量资料,应用Mann⁃Kendall法、距平累积法以及Pettitt检验法分析4站突变特征。采用水文指标变动范围法(IHA⁃RVA)和水文改变度法综合评估各站对比时段和评价时段水文指标改变程度。研究结果表明:4站年径流量无显著突变趋势;与对比时段相比,评价时段4站整体水文改变度接近中度改变,其中唐克站达到中度改变;32个水文改变指标中,极端大流量事件均以减少为主,高、低流量脉冲频率均以下降为主,改变度最大的是流量改变率及逆转次数,玛曲、吉迈、大水站流量增大率和减小率均下降,逆转次数减少改变度除唐克站外均达到中度甚至高度改变,这将给河流生物群落带来一定的影响,也在一定程度上反映了湿地退化现象。

基于PCA法和RVA法的万泉河流域水文情势分析

基于万泉河流域加积站(1956-2020年)、乘坡站(1960-2020年)、加报站(1957-2020年)日均流量资料,采用Mann-Kendall检验法、滑动t检验分析3个测站年均流量趋势、突变情况,并采用主成分分析(PCA法)、变动范围RVA法分析3个测站水文情势变化。结果表明:3个测站年均流量均呈下降趋势但不显著,结合突变分析结果,分别选取1975、2006、1995年之前作为天然状态。PCA法进行3个测站32个水文改变指标IHA指标相关性、特征值、负荷值计算,分别优选出7、7、8个代表性指标,计算加积站、乘坡站、加报站水文情势整体改变度分别为42.2%、46.9%、37.0%,与RVA分析结果基本一致,表明河流水文情势发生中度改变。PCA法优选指标减少了信息重叠,极大解释了原信息,在河流水文情势分析具有较强的适用性。气候变化、人类活动、天然状态时段选择对分析结果存在一定影响。

基于RVA法的水库生态调度研究

我国水库传统的调度运行方式大多为防洪、兴利服务,较少考虑河流生态需求。水库的运行,改变了河道天然水文过程,对河流生态系统产生了较大胁迫,这将不利于河流水资源的可持续利用,因此,有必要对水库现行调度进行优化调整。选取嫩江干流尼尔基水库为研究对象,应用RVA法对水库下游河道生态需水以及水库现行调度方案运行对河流生态水文过程的影响进行了分析,建立了的生态调度模型,并提出了该工程调度的优化建议。

基于RVA法的河流生态基流过程研究

针对我国目前生态需水量研究难以反映河流水文情势自然涨落变化的问题,从河流水文情势的整体角度出发,采用IHA法分析了金沙江上游岗托至巴塘河段的天然水文情势特征,得到了该河段各指标的RVA阈值范围。在总结前人研究的基础上,对计算河流生态基流量的RVA法进行了改进,提出非汛期、汛前期和汛后期采用RVA目标差值的75%推荐河流生态基流量,主汛期采用RVA目标差值的50%推荐河流生态基流量。采用改进的RVA法计算了金沙江上游巴塘断面的生态基流过程,得到巴塘断面各月的生态基流量分别为39.5 m^3/s、42.5 m^3/s、33.0 m^3/s、74.2 m^3/s、124.4m^3/s、259.3 m^3/s、394.0 m^3/s、581.0 m^3/s、493.5 m^3/s、259.7 m^3/s、131.1 m^3/s、71.0 m^3/s,占相应多年月均流量的比例范围为14.0%~32.9%,并与Tennant法的结果进行了对比分析。结果表明,该方法能够更好地反映金沙江上游天然河流水文情势的动态变化特征,可为金沙江上游水电开发生态保护提供技术参考。

基于情景分析和RVA法的梯级开发对水文情势的影响

以我国R河为例,运用情景分析和变化范围法RVA,计算了现状开发状态、高级开发状态情景下梯级开发对河流水文情势的改变度,探讨了R河不同梯级开发等级对水文情势的影响。结果表明:随着梯级开发等级的提高,梯级开发对R河水文情势的综合改变度有上升趋势,但不同指标的变化趋势不尽相同;高低流量频率及延时、流量变化改变率及频率指标的综合改变度为高度改变,其他组指标综合改变度为中度改变;综合评估梯级开发对R河天然水文情势的影响为中度改变。

结合RVA法建立天然径流量还原计算的BP神经网络模型

鉴于烟台市水资源短缺,为了更加合理地开发利用水资源,在建立RVA模型评估烟台大沽夹河流域水利工程对水文情势影响的基础上,结合BP神经网络方法对大沽夹河流域径流量进行没有水利工程影响的天然径流量的还原计算。结果表明:(1)水库等水利工程建设后,使天然径流发生了显著的改变,其中月流量改变度在0.3～0.7之间较多,极限日最大最小平均流量改变度在0.3～0.6之间,属中度改变。(2)对RVA法所得结果进行分析,建立大沽夹河流域天然径流量还原计算的BP神经网络模型,通过模型的建立对天然径流量进行还原计算,结合烟台水资源评价提供的实测值进行误差对比,发现构建的BP神经网络模型可行与方便,可以为水利水电工程建设与该地区水资源合理开发利用提供科学依据。

基于RVA法的河流生态需水量研究

以河流生态水文变化的指标体系(Indicator of Hydrologic Alteration,IHA)为基础,立足整体河流水文情势的流量谱系,采用变异性范围法(Range of Variability Approach,RVA),进行基于长系列历史流量资料的河流生态需水量估算,并以山西省5条较大河流的生态敏感断面为对象进行研究。结果表明,利用本方法估算的结果是合理的,可为河流生态需水量的估算和水资源的可持续开发利用提供科学依据。

基于RVA法的沙颍河周口段水文情势评价

沙颍河周口闸的建成运行,使得下游河流水文情势发生较大改变,对其水生态系统结构功能产生了显著影响。为定量评价周口段的水文情势变化,选取周口水文站1951-2016年的日径流资料,采用RVA法评估水闸建成前后33个水文指标的改变度及其生态影响。结果表明:(1)1975年后,人类活动尤其是周口闸的运行对沙颍河干流水文情势影响加剧,月均流量均呈明显下降趋势,河道内多次出现断流情况;(2)周口站的整体水文改变度为42.23%,属于中度改变,其中11月月均流量、最小1d流量出现时间和流量下降率受到的影响最为强烈,为高度改变;(3)沙颍河流域水资源供需矛盾突出,水闸的运行调度对水生态系统的稳定性产生不利影响,迫切需要对沙颍河进行生态修复,对河流流量适时调整,实现区域经济和水生态系统协调发展。

改进RVA法在河流水文情势评价中的应用

【目的】研究改进变化范围法(Range of Variability Approach,RVA)中各水文指标对生态环境的响应程度,以有效避免RVA在评价河流整体水文情势时容易忽略低度、中度改变指标的不足,为河流生态系统的管理决策提供参考。【方法】基于改进的RVA算法充分考虑了5类33个水文指标与生态系统之间的响应程度,并将层次分析法(主观赋权法)与熵权法(客观赋权法)相结合赋予各指标生态权重,集结并累加各指标综合生态权重与单个水文指标改变度,综合评价河流水文情势的整体改变度。以渭河关中段为例,依据林家村、咸阳、华县水文站1960-2010年的日径流资料,借助Mann-Kendall非参数检验方法诊断径流序列突变点,采用RVA法计算单个水文指标的改变度,利用改进的RVA法对渭河关中段水文情势的整体改变度进行评价。【结果】利用未改进的RVA方法计算得到渭河关中段林家村、咸阳、华县控制断面的整体改变度分别为75%,69%,67%,均属于高度改变;而用改进RVA算法计算得到的林家村、咸阳控制断面的整体改变度分别为51%,40%,属于中度改变,华县控制断面的整体改变度为29%,属于低度改变。对比两种不同评价结果并进行合理性分析可知,基于改进RVA方法的评价结果更加贴近河道所提供的整体信息和指标改变度的分布特征,符合客观实际。【结论】通过赋予各水文指标生态权重,综合考虑各水文指标与生态系统之间的响应程度,能有效融合33个水文指标在评价河流整体改变度时的内涵,研究成果更加客观且符合实际。

基于RVA法的尼尔基水库下游水文变异分析

采用Mann-Kendall检验法对嫩江流域同盟(二)站年均流量进行突变性检验,采用RVA方法从河流水文情势指标和生态多样性指标两方面分析尼尔基水利枢纽运行对下游河流水文情势的影响。研究表明:尼尔基水库运行后,下游河流极值流量、低流量脉冲的频率及历时、径流涨、落水率次数和流量涨落逆转次数都发生了明显改变,尼尔基下游河流整体水文改变度为51%,为中度改变;受尼尔基水利工程建设的影响,下游河道内的生物多样性指数均值由水库运行前的24减小到水库运行后的18,生物多样性和生物量减少,生态系统呈现退化趋势。

基于改进RVA法的黑河上游水文情势变化分析

客观地评价水文情势变化是进行河流生态修复和流域水资源综合管理的基础。改进RVA法将径流典型年份的变化纳入整体改变度的计算过程中,相对更全面地评价径流水文情势的变化。近几十年来黑河流域气候条件的发生显著变化,黑河上游河流水文情势的变化情况仍需进一步研究。以黑河上游为研究区域,应用M-K检验识别径流的突变年份,采用改进RVA法计算分析黑河上游河流水文情势变化。结果表明,黑河上游径流的突变年份为2002年,2002年前后分别以平水年和丰水年为主;采用RVA法计算的整体改变度为54.68%,而改进的RAV方法计算的整体改变度为74.62%,说明RVA法低估了黑河上游水文情势整体改变度;黑河上游径流水文情势变化主要包括:相比于1960—2002年,2003—2015年后各月平均流量均呈不同程度增加,但最小1日、3日、7日和最大7日流量减小,其余极端流量指标呈不同程度增加,高、低流量发生次数及历时变化微弱,流量平均增加率、减小率以及逆转次数均增加;采用改进的RVA法计算的黑河上游水文情势的整体改变度为74.62%,属于高度改变。气候变化是导致黑河上游水文情势高度改变的主要原因。

基于IHA/RVA法的黄河中游环境流量组分与水文情势变化研究

为探究变化环境下黄河中游环境流量组分与水文情势变化情况,采用Kendall秩次相关检验法、Mann-Kendall突变检验法及累计距平法分析了花园口站1960~2016年径流变化特征,在此基础上,运用IHA/RVA法定量评估了环境流量组分及水文情势变化。结果表明,1960~2016年间花园口站径流呈极显著减少趋势,减少速率为5.26×10^(8)m^(3)/a,并在1986年发生突变;环境流量组分较突变前变化明显,高流量事件(高流量脉冲、小洪水、大洪水)在流量量级、历时及频次3个方面均有所减少;低流量事件(极端低流量、低流量)突变后流量量级基本不变,但保持"持续时间短、发生频次高"的特点;径流变异后,花园口站各IHA指标均有不同程度的改变,水文情势综合改变度为59.99%,为中度改变;环境流量组分与水文情势变化受气候变化与人类活动共同影响,其中大型水利枢纽建设是主导因素。

基于RVA法的金沙江下游水文情势研究

水库水电站的投运在给人类提供防洪、发电、供水等综合效益的同时,也改变了径流的天然分配过程,改变了河流原有的水文情势规律,对工程下游河流的生态环境造成了一些破坏。选取金沙江流域屏山水文站为研究对象,首先将金沙江流域梯级水库蓄变量还原到屏山水文站,构建屏山水文站天然径流系列,采用RVA法分析现有梯级水库运行对金沙江下游河流水文情势的影响程度,得出屏山站整体水文指标改变度为高度;然后模拟规划大型水库投运情景,预测屏山站水文情势变异情况,得出乌东德、白鹤滩等大型水库修建以后,屏山站汛期来水相比现状将减少20%~40%、枯期来水相比现状将大幅度增加。研究成果可为金沙江上游梯级水库运行方式优化调整提供参考。

基于RVA法的河道生态需水阈值预测方法研究

河道生态需水是协调生态保护和社会经济发展的核心。为提高夏季生态需水预测的精度,文章设计基于RVA的河道生态需水阈值预测方法建立生态需水模型,得到某河段在某年某月的月径流量,计算绝对径流之和与95%保证率下的径流之和的比值,并以此得到生态需水的供水指数,以及RVA方法下的河道生态需水阈值区间,判断生态需水阈值的上界与下界。由此可见,该生态需水阈值预测方法可以保证全年的预测精度,优于其他预测方法。

基于IHA/RVA法的近年来鄱阳湖生态水位变异研究

湖泊水位是影响其生态功能正常发挥的重要因素,开展湖泊水位变异特征研究是正确认识湖泊水资源系统变化的前提。基于鄱阳湖区5个水文站1960~2014年的日水位监测数据,研究分析了近年来鄱阳湖水位年际变化的异常特征,并借鉴IHA/RVA法,定量揭示了2000~2014年鄱阳湖生态水位变异程度及其空间差异。结果表明:鄱阳湖水位近年来下降明显,湖口、星子和都昌站年平均水位自2009年以来呈现高度一致的变化特征,水位差几乎消失;2000~2014年鄱阳湖生态水位发生中度改变,整体改变度为38.86%;各水文站改变程度由高到低依次为都昌站、星子站、湖口站、康山站和棠荫站;主要水位指标体系中6和11月平均水位、最小3日和30日平均水位、年最高水位出现时间、年高水位频率和年水位减少率等指标变异程度均达到50%以上。近年来鄱阳湖水位异常及其空间差异与人为采砂导致的湖盆地形变化密切相关,这种水位变异已对湖泊湿地生态系统产生了众多不利影响。

基于变异性范围法(RVA)的河流生态流量估算

河流生态系统的生物组成、结构和功能依赖于河流水流的天然动态变化特征,即河流水文情势。变异性范围法(Range of Variability Approach,RAV)被广泛应用于评估河流生态系统是否得到维护。将RVA法的思路扩展到生态流量的计算,提出了一种简便、立足整体河流水文情势的生态流量估算方法。该方法使用均值与RVA阈值差计算了生态流量值,为维持河流健康生态系统提供支持。将该方法应用于南水北调西线一期工程中泥曲河的生态流量估算,得到引水坝址仁达处年可调径流量为6.44亿m3,与其他生态需水估算方法的结论基本一致。另提出了可支配系数反映河流流量可调用状况。南水北调西线一期工程计划从泥曲调水8亿m3·a-1,从RVA法的理念来看,该方案对仁达至朱巴河段的生态系统将构成威胁,需谨慎实施。

用变化范围法(RVA)确定河流环境流量

介绍了确定河流环境流量的一种新方法——变化范围法(RVA)的形成、研究现状及应用进展。在分析水文变化指标(IHA)的基础上,总结未受干扰的时间序列中的流量范围作为初始的环境流量范围,并通过监测生态影响来修正该流量范围,并论述了水文变化指标与变化范围法的关系。

考虑IHA位置信息的水文情势变化评估方法

正确理解河流水文情势变化是维持河流生态健康、进行生态修复等工作的前提。现有的评估方法均未考虑水文情势指标(IHA)的位置分布变化,导致结果不能准确反映真实的变化情况。对此,本文在变动范围法(RVA)的基础上,引入连通度指数对各IHA指标位置信息进行了量化,并结合Tanimoto相似度对位置分布变化进行了评估,首次提出了考虑IHA位置变化的RVA法,即改进的RVA法,并对泾河水文情势进行了评估。结果表明:基于原始RVA法得到的整体改变度为0.36,改进方法计算的位置分布改变度为0.3、整体改变度为0.56,改进方法的结果对各水文要素的变化更敏感,能够反映IHA指标位置分布的不同所带来的变化;近50年来,泾河水文情势发生了中度改变,后续应加强对该流域的生态保护,防止情况继续恶化。