改進RVA法在河流水文情勢評價中的應用

黎云云，暢建霞，雷江群

(西安理工大學 西北旱區生態水利工程國家重點實驗室培育基地，陜西 西安 710048)

改進RVA法在河流水文情勢評價中的應用

黎云云，暢建霞，雷江群

(西安理工大學 西北旱區生態水利工程國家重點實驗室培育基地，陜西 西安 710048)

【目的】 研究改進變化范圍法(Range of Variability Approach,RVA) 中各水文指標對生態環境的響應程度，以有效避免RVA在評價河流整體水文情勢時容易忽略低度、中度改變指標的不足，為河流生態系統的管理決策提供參考?！痉椒ā?基于改進的RVA算法充分考慮了5類33個水文指標與生態系統之間的響應程度，并將層次分析法(主觀賦權法)與熵權法(客觀賦權法)相結合賦予各指標生態權重，集結并累加各指標綜合生態權重與單個水文指標改變度，綜合評價河流水文情勢的整體改變度。以渭河關中段為例，依據林家村、咸陽、華縣水文站1960-2010年的日徑流資料，借助Mann-Kendall非參數檢驗方法診斷徑流序列突變點，采用RVA法計算單個水文指標的改變度，利用改進的RVA法對渭河關中段水文情勢的整體改變度進行評價?！窘Y果】 利用未改進的RVA方法計算得到渭河關中段林家村、咸陽、華縣控制斷面的整體改變度分別為75%，69%，67%，均屬于高度改變；而用改進RVA算法計算得到的林家村、咸陽控制斷面的整體改變度分別為51%，40%，屬于中度改變，華縣控制斷面的整體改變度為29%，屬于低度改變。對比兩種不同評價結果并進行合理性分析可知，基于改進RVA方法的評價結果更加貼近河道所提供的整體信息和指標改變度的分布特征，符合客觀實際?！窘Y論】 通過賦予各水文指標生態權重，綜合考慮各水文指標與生態系統之間的響應程度，能有效融合33個水文指標在評價河流整體改變度時的內涵，研究成果更加客觀且符合實際。

河流；徑流序列突變；改進RVA法；水文情勢評價；渭河關中段

河流作為人類經濟社會發展的重要支撐和保障，其生態功能和健康現狀的評價成為水文界的熱點和難點問題。尤其是近年來，在全球氣候變化和人類活動的雙重影響下，河流的天然流態、泥沙沖刷及生物多樣性均受到了不同程度的影響，致使河流生態系統嚴重退化。水文情勢是河道水流狀態健康與否的主要標志，它決定著河流物質和能量的交換過程，影響著水生物之間的相互關系及棲息地狀況，維持著河流生態系統的完整性[1]。因此，定量評價河流水文情勢，對變化環境下河流健康的良性維持及生態功能的恢復都具有重要的現實意義。

自20世紀70年代開始，一些國家便陸續開展了河流生態系統的健康評價，提出了許多河流健康評價的指標體系，如南非的河口健康指數(Estuarine Health Index,EHI)、澳大利亞的溪流狀態指數(Index of Stream Condition,ISC)、英國的河流保護評價系統(System for Evaluating Rivers for Conversation,SERCON)、美國環保署的生境適宜性指數(Habitat Suitability Index,HSI)和河流地貌指數(Index of Stream Geomorphology)等[2]。這些評價指標從不同角度評價了河流生態系統的完整性，但對數據的搜集比較難、要求比較高,且涉及河流地貌、生物棲息地及其物種等大量信息。為此，美國學者Richter 等[3]于1996年提出了水文變異指標 (Index of Hydrologic Alteration,IHA)，包括各月流量、年極端流量、極端流量發生時間、高低流量的頻率及延時、流量變化改變率及頻率共5類33個水文指標。隨后，Richter等[4]在IHA的基礎上提出了變化范圍法(Range of Variability Approach,RVA)，主要通過對比不同時段河流水文情勢的改變程度，定量分析受環境影響后河道水文特征的變化情況。RVA方法自提出以來，得到了學術界的大力認可和廣泛應用，張洪波等[5]應用RVA研究了寶雞峽引水對渭河水文規律及生態系統的影響，結果表明寶雞峽引水工程對渭河水文規律及生態系統的影響較大,嚴重阻礙了河流生態功能的實現。于茜等[6]采用RVA分析劉家峽、龍羊峽兩庫聯合調度對黃河上游蘭州站生態水文特征變異的影響，表明劉、龍兩庫聯合運行對黃河水生生物的生存環境影響較大。Yang等[7]采用RVA方法研究了小浪底和三門峽水庫對黃河中下游水文情勢的影響程度，結果表明小浪底水庫對黃河下游水文情勢的影響大于三門峽水庫。Shiau等[8]應用RVA方法分析導流堰的水文影響，通過在水文指標的變化和人類需求之間建立平衡，以保持天然水流的多變性并促進生物群的生長。

上述研究在將RVA用于分析河流受影響后生態水文特征的改變情況，以及識別改變度較大指標等方面取得了很大成就，但在評價河流的整體改變度時，存在過于依賴高度變化的水文指標的不足，如當指標值中有一個屬于高度改變，那么整體的改變度必將被定義為高度改變，從而忽略了大多數中度、低度改變指標的影響，導致評價結果與實際存在差異。鑒于此，本研究將RVA法進行改進，以渭河關中段為評價對象，依據林家村、咸陽、華縣斷面1960-2010年的日徑流資料，對渭河關中段受人類活動和氣候變化影響后的整體水文情勢改變度進行客觀、全面的綜合評價，并與未改進RVA法的評價結果進行比較，以期為河流水文情勢改變度的準備評價提供支持，并為深入了解渭河關中段水文情勢的改變現狀以及流域生態目標的進一步確定和水資源的統一管理提供科學依據。

1 評價方法

1.1 Mann-Kendall 非參數檢驗法

目前，用于水文序列突變點診斷的方法很多，如有序聚類分析法、Pettitt 非參數檢驗法、貝葉斯變點分析法、Mann-Kendall 非參數檢驗法、R/S 分析法等[9-13]。Mann-Kendall非參數突變檢驗方法理論基礎扎實且應用實例較多[14-16]，樣本無需遵從一定的分布，不受少數異常值的干擾，具有受人為干擾小、檢驗范圍寬、定量化程度高等諸多優點，因此本研究選用Mann-Kendall非參數檢驗方法[17]對徑流序列突變點進行診斷。

1.2 單個指標改變度

水文變異指標(IHA)是由Richter等[3]于1996年提出的，共有各月流量、年極端流量、極端流量發生時間、高低流量的頻率及延時、流量變化改變率及頻率5類33個指標，涵蓋的指標因子能夠較全面地反映河流的水文情勢。為了定量描述單個水文指標受影響后的改變程度，Richter等[4]在IHA的基礎上提出了變化范圍法(RVA)，其通常將受影響前各指標發生頻率的75%及25%作為能夠滿足河流生態需求的變動范圍，即RVA閾值。各指標的具體水文改變度由下面公式量化得到：

(1)

式中：Di為各個指標的改變度；Ni為第i個指標受影響后仍落于RVA閾值范圍內的實際觀測年數；Ne為指標受影響后預期落于RVA閾值范圍內的年數，Ne=rNT，其中r為受影響前指標落于RVA閾值范圍內的比例，NT為指標受影響后的總年數。

當0%≤|Di|<33%為無改變或低度改變；33%≤|Di|<67%為中度改變；67%≤|Di|<100%為高度改變。

1.3 整體改變度

1.3.1 RVA法 Shiau等[8]提出了整體水文改變度D0,即利用各指標的水文改變度以三等級法的方式來計算河流水文情勢綜合改變度,具體分為以下3種情況:

(1)如果各指標的改變值均小于33%,則整體改變度為33個Di值的平均值，即：

(2)

式中：D0為整體改變度。

(2) 如果33個指標的改變度均小于67%，且至少有1個指標的改變度大于或等于33%，則水文整體改變度的計算公式為：

(3)

式中：Nm為Di屬于中度改變的個數。

(3) 如果33個指標的改變值中至少有1個指標的改變度大于或等于67%，則水文整體改變度的計算公式為：

(4)

式中：Nh為Di屬于高度改變的個數。

該方法考慮了33個指標變化值之間的差異，但過于重視變化度較大的水文指標而忽略了大多數水文指標與生態系統之間的響應程度，因為改變度最大的指標不一定對生態系統的響應程度也最大。顯然，這種以三等級法的方式來量化河流的整體改變度有失偏頗。

1.3.2 改進的RVA法 為了更加客觀地融合33個水文指標來表述河流的整體改變情況，筆者將賦予各指標生態權重，綜合考慮各指標與生態系統之間的響應程度。在此基礎上，計算各控制斷面水文情勢的綜合改變度。具體方法如下：

1)確定各指標權重。指標權重的確定方法有主觀賦權法和客觀賦權法，但2種賦權方法各具其優勢和局限性。為了能更客觀全面地反映指標相對于河流水文情勢的重要性,本研究將主觀層次分析法與客觀熵權法結合起來以確定各指標的綜合權重。

層次分析法通過兩兩比較及計算判斷矩陣最大特征值和特征向量，以確定指標相對于最高層的排序權向量，具體方法及思路見文獻[18]。熵權法[19-20]是用信息熵來反映系統中信息的無序化程度，若信息熵越高，則所含信息的無序化程度越高，該信息所提供的價值就越小，即其在系統中所占的權重就越小，反之亦然。具體步驟如下：

①設有m個樣本(采樣點)，每個樣本(采樣點)有n項指標，構建原始數據矩陣X=(Xij)m×n；然后對X進行歸一化處理得到矩陣fij：

(5)

式中：fij為歸一化得到的矩陣，xij為原始數據矩陣，i為采樣點，j為每個采樣點的具體指標。

②確定第j項指標的熵值Hj。計算公式為：

(6)

(7)

2)確定各指標的綜合權重θi。計算公式為：

(8)

(9)

式中：θi為各指標的綜合權重，Di為各指標的改變度。

1.4 改進評價步驟

1)采用Mann-Kendall對日徑流系列進行突變點診斷，突變點之前的年份代表天然徑流序列，突變點之后的年份代表受影響后的徑流序列。

2)在IHA的基礎上，采用變異范圍法(RVA)計算單個水文指標受影響后的改變度。

3)分別采用主觀層次分析法和客觀熵權法賦予各指標權重，然后將主觀權數與客觀權數進行綜合集結，最終確定各指標響應于生態環境的綜合權重。

4)采用式(9)計算各控制斷面改進后的整體水文改變度，綜合評價河流在人類活動和氣候影響下水文情勢的變化情況。

2 實例研究

2.1 渭河關中段概況

渭河關中段位于陜西省的中部，地處渭河中下游以渭河平原(亦稱關中平原)為主體，大致以秦嶺主脊與陜南地區為界，以子午嶺、黃龍山與陜北地區相鄰(圖1)。由西向東橫貫寶雞、咸陽、西安、渭南等市(區)后，于潼關的港口注入黃河， 面積約為5.5萬km2，約占全省總面積的26.9%。關中多年平均水資源總量為82.03億m3，僅占全省地表水資源總量的17.7%。林家村、咸陽水文站分別是渭河關中段中游和下游的分界點，華縣站是渭河流出陜西省境的控制點。近50年來，由于氣候和人類活動的雙重影響，渭河關中段的水文情勢發生了重大改變，致使流域生態環境不斷惡化，諸如流量不斷減少、水質達標低、洪澇災害頻繁以及河流含沙量大等。

圖1 渭河關中段及其主要水文站點的分布
Fig.1 Location of Weihe Guanzhong basin and the distribution of main hydrological stations

2.2 日徑流突變點診斷

采用Mann-Kendall非參數檢驗法對渭河關中段上、中、下游水文控制站點林家村、咸陽、華縣水文站1960-2010年的日徑流系列進行了突變點診斷，結果如表1所示。3個站點中，突變年份除華縣站為1970和1990年外，其余2個站點均為1970和1985年。這些年份發生突變的原因可能與氣候變化引起的降雨量有一定關系，但主要還是由水庫運行、灌區引水等人類密集活動導致的，如1970 年羊毛灣水庫建成，1972 年寶雞峽灌區開始引水，1982 年馮家山水庫投入運行，1989 年石頭河水庫竣工等。

表1 基于Mann-Kendall非參數檢驗法的渭河關中段日徑流突變點診斷結果Table 1 Abrupt points of runoff in the Weihe Guanzhong section by Mann-Kendalll non-parametric test method

初步判斷突變點為1970，1985和1990年。結合以往的研究成果[21-22]來看，渭河關中段徑流發生突變的年份并不一致，但主要都集中在20 世紀80 年代中期到90 年代初。綜合考慮，選取1985 年作為徑流突變年份與過去研究結果基本保持一致，較為客觀合理。

2.3 單個水文指標的改變度及其權重

根據突變點診斷結果可知，1985年為水文情勢變化的起始年份，即將1960-1985 年作為徑流影響前的水文系列， 1986-2010 年為影響后的水文系列。由式(1)可以計算得到3個水文站點各水文指標的改變度。分別采用主觀層次分析法和客觀熵權法賦予各指標權重，然后由式(8)得到了各指標的生態綜合權重，計算結果見表2。

表2 渭河關中段3個水文站點各評價指標的水文改變度及其權重Table 2 Hydrological changing degree and weight of each evaluation index at three stations in the Weihe Guanzhong section

續表2 Continued table 2

注：“L”代表低度改變，“M”代表中度改變，“H”代表高度改變。下同。

Note:“L” represents low change,“M” represents medium change and “H” represents high change.The same below.

由表2可知：3個控制站點的月流量均發生了不同程度的改變，其中林家村站1、2月水文流量變化程度劇烈，華縣和咸陽站月流量改變程度不大。極端流量指標改變程度較小，年最大1日流量發生時間除咸陽站為中度改變外，其余2站均為低度改變，但其綜合權重為0.098，對生態環境影響很大，即便微小的變化也可能導致嚴重的生態危害。林家村、咸陽站年發生高流量的次數為高、中度改變，華縣站為低度改變；但每年流量逆轉次數以華縣站的改變最為顯著，改變度為71.6%，呈高度變化，這主要是受渭河關中段中下游水利發電的影響所致，如頻繁的引水、放水導致河流流量發生頻繁波動，造成流量上升率、下降率增大，水文轉折點次數增多。但總體來說，林家村、咸陽、華縣站流量頻率及逆轉次數的改變度較為相似，都呈現高流量次數總體減少、低流量次數和逆轉次數總體增大的趨勢。

2.4 水文情勢整體改變度分析

表3 用不同評價方法得到的渭河關中段水文情勢整體改變度的比較Table 3 Comparison of overall changing degrees by different methods in the Weihe Guanzhong section %

由表3可以看出，用RVA方法計算得到3個水文站的整體改變度均≥67%，均屬于高度改變，這是由于RVA法雖然考慮到了33個指標變化值的差異，但是過于重視變化度較大的水文指標，如華縣斷面水文指標改變度中有且僅有1個參數(逆轉次數)屬于高度改變，經RVA法(式(4))計算得其整體改變度為67%，也屬于高度改變。由此可見，該參數是決定華縣斷面整體受影響程度呈高度改變的惟一因子，該結果忽略了其他大多數中、低度改變的指標以及這些指標因子與生態系統之間的響應程度，這必然會給河流的管理帶來盲目性和誤導性。采用改進RVA方法計算后，林家村站水文情勢的整體改變度為51%，咸陽站為40%，兩者均屬于中度改變，而華縣站的整體改變度為29%，屬于低度改變。

2.5 評價結果的合理性分析

使用改進的RVA法進行評價，可以綜合考慮各個水文指標對河流水文情勢的影響程度，得到林家村、咸陽斷面的改變度為中度改度，華縣斷面為低度改度。該評價結果的合理性可以從以下角度進行分析：

1)從各個站點水文指標改變度的分布特征及與生態系統之間響應程度的分析結果(圖2)可知，林家村站33個IHA指標中，低度改變的指標有 7個，中度改變和高度改變的指標均為13個；中度改變指標所占權重為0.39，均大于低度和高度改變指標所占權重，即林家村站33個指標中，雖然高度、中度改變的指標個數相同且最多，但是中度改變指標對生態系統的響應程度高于高度改變指標，因此林家村斷面的整體水文情勢改變度為中度改變是合理的。咸陽站33個IHA指標中，低度、中度和高度改變的指標個數分別為14，13和6，其中中度改變指標所占權重為0.48，均大于低度和高度改變指標所占權重，即咸陽站33個指標中，雖然低度改變的指標個數最多，但是中度改變指標對生態系統的響應程度最高，因此咸陽斷面的整體水文情勢改變度為中度改變是合理的。同理，華縣站33個IHA指標中，低度、中度和高度改變指標個數分別為20，12和 1，其中低度改變指標所占權重為0.58，均大于中度和高度改變指標所占權重，即華縣站33個指標中，低度改變的指標個數最多且對生態系統的響應程度最高，因此華縣斷面的整體水文情勢改變度為低度改變是合理的。

圖2 3個水文站水文指標改變度的分布特征及與生態系統之間的響應程度.指標個數；.權重

2)從河道水資源整體開發利用狀況分析，渭河關中地區建有八大灌區，農業灌溉取水較多，特別是寶雞峽引水工程對咸陽斷面以上的河流造成了不可忽視的影響[23]，而華縣斷面多以城市生活、工業用水為主，取用水量小于農業用水，對河道水文情勢的影響相對較小，即人類活動對林家村、咸陽斷面整體水文情勢改變度的影響大于華縣斷面。因此，沿著河流的流向，水文改變度逐漸降低的趨勢是合理的。此外，武瑋等[24]采用t檢驗對渭河關中段整體水文情勢進行了評價，結果表明咸陽斷面以上的差異為顯著水平，咸陽斷面以下為較顯著水平。這與本研究分析的水文變化趨勢類似。

綜上分析，基于改進RVA方法的渭河水文情勢改變度評價結果更加貼近河道所提供的整體信息，且符合客觀實際。

3 結 語

變化范圍法(Range of Variability Approach， RVA)作為一種多指標評價法，在評價單個水文指標改變度方面取得了較大成就，并得到了國內外學術界的一致認可，但在評價河流整體水文情勢改變度時，RVA法只重視個別改變度大的指標,忽略了評價指標對環境的影響程度，即其所占的生態權重，容易給河流的規劃和管理帶來盲目性和誤導性。本研究提出的改進RVA算法，將層次分析法和熵權法相結合，賦予了各指標響應生態環境的綜合權重，有效地避免了中度、低度改變指標被忽視的現象,能更加客觀、全面地評價河流在人類活動和氣候變化雙重影響下的水文改變情況，可為流域生態目標的進一步確定和水資源的統一管理提供更加可靠、合理的科學依據。

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Application of improved RVA method in assessment of river hydrological regime

LI Yun-yun，CHANG Jian-xia，LEI Jiang-qun

(KeyLabofNorthwestWaterResourcesandEnvironmentEcologyofMOE,Xi’anUniversityofTechnology,Xi’an,Shaanxi710048，China)

【Objective】 This paper proposed a more accurate reference on the basis of RVA to diagnose the influence degree by analyzing the response relationship between hydrological index and river ecosystem.This would help to avoid the problem caused by ignoring low and middle changing indicators in range of variability approach (RVA) when evaluating the overall changing degree of river hydrological alteration.【Method】 The improved RVA took the response between hydrologic index and ecological system into consideration,endowed each index with ecologic weight by binging analytic hierarchy process (subjective weighting method) and entropy method (objective weighting method),and integrated and cumulated the hydrological weight with each index to access the overall changing degree of river hydrological alteration.Then taking the Weihe Guangzhong section as example,the daily flow data from 1960 to 2010 at Linjiacun,Xianyang,and Huaxian hydrological stations were analyzed.The Mann-Kendall non-parametric test method was also used to diagnose the abrupt changing points,based on which the runoff series was divided into two periods representing the pre-impact and post-impact periods,respectively.The changing degree of each index was analyzed by RVA and the overall changing degree of hydrologic regime was evaluated by the improved RVA.【Result】 The overall changing degrees calculated by original method at Linjiacun,Xianyang,and Huaxian were 75%,69%,and 67%,belonging to high change.While the changing degrees calculated by improved RVA at Linjiacun,Xianyang,and Huaxian were 51% (medium change),40% (medium change),and 29% (low change).The improved evaluation results were closer to the overall information provided by the river and the distribution characteristics of index changing degree through rationality analysis.【Conclusion】 The 33 hydrological indexes can accurately and objectively evaluate the river hydrological regime by giving each index weight to consider the response degree between index and ecological system.

river;runoff series mutation;improve RVA method;hydrological regime evaluation;Weihe Guanzhong section

時間:2015-09-09 15:41

10.13207/j.cnki.jnwafu.2015.10.029

2014-03-20

國家自然科學基金項目(51179149)；教育部新世紀優秀人才支持計劃項目(NCET-10-0933)；教育廳重點實驗室科學研究項目(13JS069)；陜西省科技創新團隊項目(2012KCT-10)

黎云云(1990-)，女，四川達州人，在讀博士，主要從事水資源系統工程研究。E-mail:liyunyun19900627@163.com

暢建霞(1974-)，女，山西祁縣人，教授，博士生導師，主要從事水資源系統工程研究。E-mail:chxiang@xaut.edu.cn

P333.9

A

1671-9387(2015)10-0211-08

網絡出版地址:http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1390.S.20150909.1541.058.html