时间性及生态需水特征与年径流特征相关性研究

河道径流的时间性用径流过程表示。径流的时间性分为径流的确定性和径流的随机性。生态需水的时间性用生态需水的过程表示，分为生态需水的确定性和随机性。

2.4.1.1 确定性和随机性

河道径流的确定性表现为周期性和趋势性。在天然条件下，径流的趋势是由于气候的缓慢变化造成的。由于气候变化缓慢，在几十年的时间尺度内，可以认为气候是不变的，即忽略径流的趋势性和生态需水的趋势性。因此，生态需水的确定性也主要表现为周期性。

绝大多数河道径流以年为周期的特性非常明显。在一年之内，丰水期和枯水期交替出现，周而复始。这种周期性是由于气候的周期性造成的，是河道生态系统的重要特征。同样，生态需水也具有周期性特征，即生态需水在一年之内呈现出丰水期需水量大而枯水期需水量小的季节特征，如图2.8所示。

图2.8　生态需水季节性特征示意图

径流过程除受确定性因素影响外，还受到径流形成和演变过程中众多因素的影响，所有这些影响的无限复杂性和多样性，致使径流过程的变化不断出现各种各样的情况，表现出随机性的变化特点。这种周期性和随机性构成了径流的年内和年际变化特性。它们都是生态系统的重要特征，是在长期的生态进化中生物适应了的特征。因此，生态需水同样表现出年内和年际变化特征，如图2.9所示。径流的年总量表现出显著的随机性，是随机变量。同样，生态需水的年总量也是随机变量。

图2.9　生态需水年内和年际特征示意图

2.4.1.2 年际特征

生态需水特征和年径流特征密切相连。通过分析河道生态系统的年径流特征，认识生态需水的年总量特征。

一般认为作为随机变量的年径流符合P—Ⅲ型概率分布。P—Ⅲ型概率分布有三个参数：均值、变差系数和偏态系数。

均值是径流系列多年平均值，反映系列水平的高低。均值大的河流与均值小的河流相比，生态需水特性不同。均值大的河流的生态风险小于均值小的河流。

变差系数反映径流系列的离散程度。变差系数越大，离散度越大，即年径流的年际变化越大，枯水年水量和丰水年水量相差越大。反之亦然。在变差系数大的河流中，生物已经适应了年际间流量的大幅变化。在变差系数小的河流中，生物适应的是年际流量变幅小的情况。变差系数不同，河流的生态需水特性也不同。如果人类活动造成径流变差系数的明显改变，将对生态系统造成显著的影响。变差系数大的河流，由于枯水年份流量相对较小，抵抗像径流减少这类干扰的能力差，即河流更为敏感。而变差系数小的河，情况则恰恰相反。(www.xing528.com)

偏态系数是反映径流系列在均值两侧对称或不对称的一个参数。当偏态系数为零时，表示系列的频率曲线左右对称，丰水年份和枯水年份出现的概率相当。当偏态系数大于零时，为正偏，出现丰水年份的概率大于枯水年份。当偏态系数小于零时，为负偏，枯水年份出现的概率大于丰水年份。

年径流的三个参数之间存在着联系。均值大意味着年降水量丰富，降水丰富的地区水汽输送量大而稳定，降水量的年际变化小，同时，降水量丰富的地区地表供水充分，蒸发比较稳定，故年径流变差系数小。均值小意味着降水量少，则降水集中而不稳定，加之蒸发量年际变化较大，致使年径流变差系数大。

径流补给来源对变差系数产生影响。以高山融雪或地下水补给为主的河流，年径流Cv值较小，而以降水为主的河流Cv值较大，尤其是降水变率大的地区，径流变差系数更大。

流域面积小的河流，变差系数大于流域面积大的河流。这是因为大河积水面积大，而且径流不同的天然区域，各支流径流变化情况不一，丰枯年可以相互调节，加之大河河床切割很深，得到的地下水补给量多而稳定，所以，大河的变差系数值较小。

均值小、变差系数大、偏态系数为负值的河流年径流变化幅度大，出现枯水年份的概率大，其生态需水的年际变化幅度也大，对水量减少更为敏感。均值大、变差系数小、偏态系数为正值的河流年径流变化幅度小，出现枯水年份的概率小，其生态需水的年际变化幅度也小，对水量减少的敏感性小。由于年径流的三个参数反映生态需水的特性，所以，可以用这三个参数在地区上的分布规律寻找生态需水的地区分布规律。

2.4.1.3 年内特征

径流的年内特征表现为年内径流分布的不均匀性和丰水与枯水出现时间的相对稳定性。生物利用丰水与枯水的相对稳定性，来完成年内的生活周期。例如，对于美国的蒙大拿州，鱼类在4～6月进行产卵，6～9月是幼鱼的生长期，10月至次年3月份则是成年鱼的生活期。径流年内分布的改变，对生物的生活产生重要影响。

生态需水的不均匀程度可以用其年内分配不均匀系数Cvy表示。

式中：Ki为各月生态需水占全年生态需水的百分比；K K为各月平均占全年百分比。

Cvy是反映生态需水分配不均匀性的一个指标。Cvy越大，表明各月生态需水相差越悬殊，即年内分配越不均匀。Cvy小则相反。Cvy越大的河流，其抵抗人类造成的径流减少的能力越小。Cvy越小的河流，其抵抗人类造成的径流减少的能力越强。可以用Cvy指标对河流进行分类，以便分类研究生态需水。