劉靜玲,尤曉光,史　璇,包　坤,孟　博

(1.北京師范大學(xué)環(huán)境學(xué)院,北京　100875；2.北京師范大學(xué)水環(huán)境模擬國家重點實驗室,北京　100875)

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灤河流域大中型閘壩水文生態(tài)效應(yīng)

劉靜玲1,2,尤曉光1,2,史璇1,2,包坤1,2,孟博1,2

(1.北京師范大學(xué)環(huán)境學(xué)院,北京100875；2.北京師范大學(xué)水環(huán)境模擬國家重點實驗室,北京100875)

摘要：為揭示灤河流域水庫對下游河流水文影響,辨析其生態(tài)效應(yīng),建立了流域閘壩水生態(tài)效應(yīng)評估體系,運用河流影響因子(RI)法評估了閃電河、廟宮、潘家口和桃林口水庫的水生態(tài)效應(yīng),進一步運用水文變化范圍(RVA)法評估了潘家口水庫的水生態(tài)效應(yīng)。結(jié)果表明:①各水庫對水文的影響程度為:潘家口>桃林口>閃電河>廟宮,水庫的水文效應(yīng)同時受其級別(庫容)和河流原始徑流量影響,小型河流水庫的水文生態(tài)效應(yīng)不容忽視。②潘家口水庫IHA指標(RVA法)總改變度為0.88,第1~2組指標發(fā)生了高度改變(0.91),第3~5組指標發(fā)生中度改變(0.45),強烈改變了魚類洄游、底棲生物和植物群落等生態(tài)過程。生態(tài)水文同步監(jiān)測與生態(tài)模型構(gòu)建將有助于提升河流生態(tài)系統(tǒng)預(yù)警能力,為河流生態(tài)恢復(fù)提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)工具。

關(guān)鍵詞：灤河流域;閘壩;水文影響;生態(tài)效應(yīng)評估

閘壩作為人類活動影響河流自然水文情勢的最重要因素[1-2],能強烈改變下游流量,改變洪峰流量和枯水流量的持續(xù)時間、頻率以及徑流水位上升和下降的自然率,對河流、岸帶物種和生態(tài)系統(tǒng)造成了破壞[3-4]。全球292個大型河流系統(tǒng)中,超過半數(shù)已受到閘壩影響[5],其對棲息地完整性造成的影響受到廣泛關(guān)注。

防洪大壩能顯著降低暴雨洪峰流量,增加干旱時期的水量[6],由此造成的泥沙淤積以及暴雨流量的減少會引起下游河道出現(xiàn)壕溝,而這會造成下游河道變窄,減小河漫灘的面積,影響水生生物和漫灘植被,破壞棲息地完整性。歷史水文情勢的改變以及河道沉積物轉(zhuǎn)移能力的變化也可能造成沉積物過少以及轉(zhuǎn)移能力匱乏,導(dǎo)致河床退化,河岸加寬以及河床沉積物粗化[7],從而造成物種豐度的降低和植被覆蓋度減小[8]。閘壩運行影響了水生和陸生河岸帶的生態(tài)環(huán)境(圖1)[9]。

圖1　水庫對河流及河岸生態(tài)系統(tǒng)的影響示意圖

閘壩的影響可分為3級[10]:第1級影響主要指河流水文、水動力、水質(zhì)的變化。閘壩泄流具有削峰和枯水期調(diào)節(jié)作用,減弱河流水文情勢的季節(jié)性變化,改變流量極值的發(fā)生時間、頻率、大小、持續(xù)時間(圖2)。第2級影響:主要是泥沙、地貌、浮游生物、附著的水生生物的變化。閘壩引起下游水位和流量降低,改變了泥沙沉積狀態(tài),減弱了河流縱向、橫向和垂向連通性,造成河流及岸帶的破壞。第3級影響:由于第1、2級影響的直接和間接作用,對河流及岸帶生物所造成的影響。主要是魚類、鳥類和哺乳動物的變化,例如,水文、水動力和物理化學(xué)條件的變化能顯著影響魚類、鳥類的洄游和遷徙等。

圖2　水庫對河流水文情勢的影響過程

針對閘壩所引起的水文情勢改變及水生態(tài)系統(tǒng)改變[11-12],目前多集中于評價指標體系與方法的研究。而如何定量化研究閘壩對水文情勢的影響,并進一步確定何種水文特征受到了最大程度的影響,對于面向流域河流生態(tài)系統(tǒng)管理都有著重要意義。

灤河流域于20世紀50年代至90年代建設(shè)了20余座大中型水庫,強烈改變了流域自然水文情勢,如何定量化這一影響,成為迫切需要解決的問題。本文選擇閃電河水庫、廟宮水庫,潘家口水庫和桃林口水庫為研究對象,利用河流影響因子法(RI法)定量評估了它們對水文情勢的影響。為進一步揭示閘壩水文效應(yīng)的生態(tài)學(xué)意義,運用水文變化范圍法(RVA法)評估了潘家口水庫的水生態(tài)效應(yīng),以揭示水庫對生態(tài)環(huán)境的影響。

1研究區(qū)概況

灤河西起內(nèi)蒙古自治區(qū)多倫,向東至河北省樂亭入海,是海河流域的子水系。在海河流域九大水系中,其水資源相對豐富,物理完整性較好。灤河流域有大中型水庫29座,其中大型水庫5座,閘壩的運行,對河流水文情勢產(chǎn)生了重要影響,水資源供需矛盾突出[2]。本研究按上中下游及干支流兼顧的原則,選擇灤河流域4座大中型水庫作為典型代表及研究對象,其中,閃電河水庫為灤河上游中型水庫的典型代表,潘家口水庫為灤河干流最大水庫,廟宮水庫和桃林口水庫為位于支流伊遜河和青龍河上的大型水庫(圖3)。以建壩前后長序列水文年的水文數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),利用RI法評估4座水庫的水文效應(yīng),并進一步運用RVA法評估了潘家口水庫的水生態(tài)效應(yīng)(表1)。

2研究方法

2.1　閘壩水生態(tài)效應(yīng)評估體系的建立

閘壩水生態(tài)效應(yīng)的評估主要分為3類(表2):①水文水生態(tài)方法：主要通過定量或半定量評估閘壩對各水文指標的影響以及水文指標與生態(tài)指標之間的定性關(guān)系,來評估閘壩的水生態(tài)影響。如RVA法,需用到5大類32個不同參數(shù)(IHA指標)的逐日數(shù)據(jù)。②水文效應(yīng)評估法：通過歸一化方法和典型值評估體系定量閘壩對水文特征的影響級別。如RI法,需用逐月數(shù)據(jù),通過水文情勢的流量大小、極值流量的時間和年內(nèi)變化評估閘壩的總體影響。③生態(tài)模型法：以水文、生態(tài)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),利用統(tǒng)計模型或解析模型(常耦合水動力模型或水文特征的定量分析)分析建壩后大型無脊椎動物、魚類、漫灘植被的豐度、多樣性、種群參數(shù)等的改變。

基于以上3類方法,建立了適用于流域閘壩管理的水生態(tài)評估體系(圖4)。閘壩通過改變自然水文特征來影響岸帶及河流水生態(tài)系統(tǒng),閘壩生態(tài)效應(yīng)評估,應(yīng)以流域尺度的水文效應(yīng)評估為基礎(chǔ),在此基礎(chǔ)上,在河段尺度選取重點閘壩對其進行水生態(tài)效應(yīng)評估。水生態(tài)效應(yīng)評估,可依據(jù)評估目的和數(shù)據(jù)類型,利用RVA法(IHA指標)進行定性評估,或利用生態(tài)模型耦合水動力模型的方法進行半定量、定量評估(表2)。

圖3　灤河大中型水庫(閃電河、廟宮、潘家口、桃林口)位置

河流名稱水庫名稱運行年份蓄水能力/億m3控制流域面積/km2建設(shè)目的RI評估年限RVA評估年限灌溉供水防洪發(fā)電建壩前建壩后建壩前建壩后閃電河閃電河水庫19630.43890××1950—1962年1970—1990年——伊遜河廟宮水庫19601.832370×××1950—1960年1970—1990年——灤 河潘家口水庫198029.3033700×××1952—1970年1983—2000年1952—1979年1980—2000年青龍河桃林口水庫19928.595060××××1960—1980年1996—2013年——

表2　閘壩水生態(tài)效應(yīng)評價方比較及應(yīng)用舉例

2.2　閘壩水文影響評價方法——RI法

閘壩對自然水文情勢的影響主要為:①流量大小;②流量極值的發(fā)生時間;③流量的年內(nèi)變化。這些變化可以定量為相應(yīng)的影響因子MIF(流量影響因子),TIF(時間影響因子)和VIF(年內(nèi)流量變化影響因子)。大壩的運行可能影響一個或幾個以上因子,這往往取決對大壩的類型和建設(shè)目的,例如,用于灌溉的水庫,其水量將在灌溉期減小。而發(fā)電和防洪通常會改變流量的變化,并影響洪峰的發(fā)生時間。

河流影響因子(RI)法綜合考慮了以上3種主要影響[17],MIF作為流量影響控制因子,其影響等同于TIF和VIF的共同影響。

以下為河流影響因子(RI)的計算公式:

(1)

可以按照下式計算:

(2)

式中:Fpost為大壩建設(shè)后的年泄流量;Fpre為大壩建設(shè)前的年徑流量。

圖4　流域閘壩水生態(tài)效應(yīng)評估體系

VIF顯示了大壩建設(shè)后自然水文情勢受到規(guī)范化管理的程度。VIF的計算基于河流水文情勢指數(shù)R。該指數(shù)計算公式如下:

(3)

(4)

其中

(5)

式中:IRR為河流水文情勢指數(shù)變化系數(shù);Rpre和Rpos分別代表建壩前后的河流水文情勢指數(shù);MRRP為月河流情勢因子[17-18]。

流量時間影響因子TIF考慮了徑流量極值發(fā)生時間的變化,其計算公式如下:

(6)

其中

(7)

表3　水文改變指標及參數(shù)的生態(tài)學(xué)意義

2.3　閘壩水生態(tài)效應(yīng)分析方法 — RVA法

水文變化范圍法(RVA法)以天然的與生態(tài)相關(guān)的流量特征的統(tǒng)計分析為基礎(chǔ),通過對比不同時間的河流水文條件,從水量、時間、頻率、延時和變化率等5個方面水文特征,反映閘壩的影響程度。水文特征一般用水文改變指標(IHA)來表示。RVA方法建立在分析IHA指標的基礎(chǔ)上,以詳細的流量數(shù)據(jù)評估水庫影響前后的河流變化,以日流量數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),以未受水利設(shè)施影響前的流量自然變化狀態(tài)為基準,統(tǒng)計32個IHA指標建庫前后的變化,分析河流受人類干擾前后的改變程度。

水文改變指標(IHA)主要是以水文條件的量、時間、頻率、延時和變化率5種基本特征為基礎(chǔ)(月流量狀況、極端水文現(xiàn)象的大小與歷時、極端水文現(xiàn)象的出現(xiàn)時間、脈動流量的頻率與歷時、流量變化的出現(xiàn)頻率與變化率)描繪河流年內(nèi)的流量變化特征,共32個指標[19]。IHA的各組參數(shù)與河流生態(tài)系統(tǒng)的相關(guān)關(guān)系[19-20]見表3。

為量化IHA受水利工程影響的改變程度,Richter等[21]提出以水文改變度來評估,定義為IHA指標的水文改變度:

(8)

Yf=rYt

(9)

式中:Yoi為干擾后仍落于RVA閾值內(nèi)的年數(shù);Yf為干擾后預(yù)期落于RVA閾值內(nèi)的年數(shù);r為干擾前的各IHA指標落于RVA閾值內(nèi)的年數(shù);Yt為水庫建設(shè)后所選數(shù)據(jù)的總年數(shù)。

本研究以閘壩運行前的IHA指標統(tǒng)計值排序,取各指標排序的33%～67%作為RVA閾值。也即閾值內(nèi)的年數(shù)為進行計算的閘壩運行前年數(shù)的1/3,如果水庫運行后水文改變指標落在RVA閾值內(nèi)的年數(shù)與水庫建設(shè)前的年數(shù)相近,表示對原有的自然水文情勢影響較小,反之則說明影響大。依據(jù)各指標的生態(tài)意義,可以進一步分析各指標改變對生態(tài)的影響。因此,若Di值介于0～33%屬于無或低度改變;33%～67%屬于中度改變;67%～100%則屬于高度改變。

以權(quán)重平均的方式來量化評估整體水文特性改變情況,表征整體水文改變度,以Do來表示。

(10)

3結(jié)果分析

3.1　RI法評估大中型水庫的水文影響

灤河流域的閘壩建設(shè)對河流徑流量、流量改變率和發(fā)生時間產(chǎn)生了重要影響,位于灤河干流下游的灤縣水文站其徑流量比20世紀50年代減少了2/3以上。

本研究利用RI法對灤河流域的4座大中型水庫的水文影響進行了定量化研究,選取建壩前后長序列水文年作為評估年份(表1),并利用RI分級標準(表4)確定了影響級別。

表4　水文效應(yīng)RI范圍與分級標準

利用RI法對4個水庫水文影響進行了計算,RI值的范圍在0.09～0.31之間,據(jù)表3的評價體系,灤河流域大中型水庫對水文情勢總體產(chǎn)生了嚴重至極嚴重的影響(表5)。

表5　灤河流域大中型水庫水文影響評價結(jié)果

評價結(jié)果表明,灤河流域的大中型水庫對水文情勢總體產(chǎn)生了嚴重影響。其中,潘家口水庫的水文影響最大,為極嚴重的影響。該結(jié)果表明,灤河流域大型水庫的水文效應(yīng)為極嚴重至嚴重級別。閃電河水庫的總蓄水量僅為潘家口水庫的1/70,但其影響程度接近潘家口水庫的1/2(RI值為潘家口水庫的2.4倍),說明小型水庫的建設(shè)運行也可能對自然水文情勢產(chǎn)生較大影響。

最后,本文選取國外其他10個水庫的RI評價結(jié)果[17]與4座水庫進行了對比(圖5)。

圖5　世界不同大壩RI值對比

從圖5可以看出,除埃及Aswan大壩外,國外9個水庫中總體處于中度影響,而灤河流域4個水庫則為嚴重至極嚴重影響。在全世界范圍內(nèi),灤河流域水庫的水生態(tài)影響處于較高水平。

3.2　潘家口水庫現(xiàn)狀調(diào)度的水生態(tài)效應(yīng)

為了反映灤河下游水文情勢的演變規(guī)律,采用RVA方法,根據(jù)1952—1979年潘家口水庫未投入運行前的日徑流數(shù)據(jù)分析IHA各指標的閾值,在此基礎(chǔ)上分析潘家口現(xiàn)狀調(diào)度方案下,1980—2000年相應(yīng)指標的變化,定量研究潘家口水庫建庫后現(xiàn)狀調(diào)度方式對灤河下游水文情勢的影響(表6)。

表6　水文改變指標統(tǒng)計分析

由表6計算閘壩造成的水文整體改變度及對各項水文特征的影響,分析對生態(tài)的綜合影響程度。

a. 水文改變度。計算得出水文特征整體改變度為0.88,屬高度改變,與RI法的評價結(jié)果一致。第1~5組水文改變指標(各月流量、年極端流量、年極端流量發(fā)生時間、高低流量的頻率及延時、流量變化改變率及頻率)的水文改變度依次為:0.90、0.92、0.51、0.21、0.64。第1~2組水文改變指標(各月流量、年極端流量)發(fā)生了高度改變,改變度為0.91;第3~5組水文改變指標(年極端流量發(fā)生時間、高低流量的頻率及延時、流量變化改變率及頻率)總體發(fā)生中度改變,改變度為0.45。水庫運行強烈改變了各月流量和年極端流量。而對年極端流量發(fā)生時間、高低流量的頻率及延時和流量變化改變率及頻率改變的影響相對較小。

b. 水文指標改變的生態(tài)效應(yīng)。第1組指標為各月流量(12個),其生態(tài)意義為影響水生生物的棲息地、植物對土壤水量的需求、動物遷徙需求以及水文、含氧量的影響;第2組指標為年極端流量(11個),其生態(tài)意義為滿足植被擴張、河流地貌和自然棲息地構(gòu)建、河流和漫灘養(yǎng)分交換、滯洪區(qū)的植物群落分布的需要。水文效應(yīng)的計算結(jié)果表明潘家口水庫已經(jīng)對魚類洄游、動物遷徙、植物群落結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了影響,即對河流棲息地完整性產(chǎn)生了重要影響。

5結(jié)論

a. 建立了流域閘壩水生態(tài)效應(yīng)評估體系,分析比較了各方法的適用條件和應(yīng)用。RI法更適用于流域閘壩的宏觀性評價,RVA法則建立了水文特征與生態(tài)意義之間的聯(lián)系,并提出生態(tài)模型法能半定量/定量揭示閘壩的生態(tài)效應(yīng),評估結(jié)果適用于生態(tài)恢復(fù)和閘壩生態(tài)調(diào)度。

b. 灤河流域4個大中型水庫RI值范圍0.09～0.31,各水庫對水文的影響程度為:潘家口>桃林口>閃電河>廟宮水庫。流域的閘壩水文效應(yīng)為極嚴重至嚴重級別。閃電河水庫的總蓄水量僅為潘家口水庫的1/70,其影響程度約為潘家口水庫的1/2,說明中小型水庫的建設(shè)運行也對河流自然水文狀態(tài)產(chǎn)生較大影響。與世界其他大壩相比,灤河流域典型閘壩的水生態(tài)影響處于較高水平。

c. 選取水文效應(yīng)影響級別最高的潘家口水庫為研究對象,利用RVA法5組32個指標評估了水生態(tài)效應(yīng)。第1~2組IHA指標發(fā)生了高度改變,第3~5組指標總體發(fā)生中度至低度改變,水庫下游水文特征呈高度改變。結(jié)合水文指標改變的生態(tài)意義,潘家口水庫的運行強烈改變了魚類洄游、底棲生物和植物群落結(jié)構(gòu)等生態(tài)過程,破壞了河流棲息地的完整性。

今后研究應(yīng)選取典型研究區(qū),在進行系列水文與生態(tài)指標同步監(jiān)測的基礎(chǔ)上,為構(gòu)建、開發(fā)與應(yīng)用魚類模型、底棲生物模型、漫灘植被群落模型等水生態(tài)模型提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù),同時考慮流域梯級水庫累積效應(yīng),并通過水文模型、生態(tài)模型和評價工具的結(jié)合,為河流的生態(tài)恢復(fù)、生態(tài)系統(tǒng)管理與閘壩生態(tài)調(diào)度提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)支撐。

致謝:本研究得到海河水利委員會水資源保護局林超先生的大力支持,特此致謝!

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Hydrological and ecological effects of dams in Luanhe River Basin

LIU Jingling1，2, YOU Xiaoguang1，2, SHI Xuan1，2, BAO Kun1，2, MENG Bo1，2

(1.SchoolofEnvironment,BeijingNormalUniversity,Beijing100875,China;

2.StateKeyJointLaboratoryofEnvironmentalSimulationandPollutionControl,

BeijingNormalUniversity,Beijing100875,China)

Abstract：In order to reveal the influence of dams in Luanhe River basin to hydrologic in downstream and analyze its ecological effects, water ecological effects evaluation system of dam effects in river basin was developed. RVA method was also used to assess the ecological effects of Panjiakou dam. The results are as follow: (1) The degree of impact by each dam: Panjiakou>Taolinkou>Shandianhe>Miaogong. The hydrologic impact by dams is influenced by both capacity and natural river flow. (2) Index of IHA river flow change (measured with RVA method) in Panjiakou Reservoir is 0.88. Classes 1-2 of IHA indexes are highly changed, which is 0.91, and classes 3-5 are moderately changed, which is 0.45. Dams influenced fish migration, benthos, and riparian vegetation of the basin. Ecological and hydrological co-monitoring and modelling development would be helpful to improve the warning ability of river ecosystem, and provide scientific basis and technical tools for river ecological restoration.

Key words：Luanhe River Basin; dams; hydrological impact; ecological effects evaluation

(收稿日期：2015-09-30編輯：徐娟)

中圖分類號：X143

文獻標志碼：A

文章編號：1004-6933(2016)01-0023-06

作者簡介：劉靜玲(1962—)，女，教授，博士，主要從事流域水生態(tài)研究。E-mail：jingling@bnu.edu.cn

基金項目：國家“十二五”水體污染控制與治理科技重大專項(2012ZX07203-006)；國家自然基金(41271496)

DOI：10.3880/j.issn.1004-6933.2016.01.003