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三峽水庫(kù)對(duì)長(zhǎng)江中下游河流水文情勢(shì)影響評(píng)估

2019-08-24 01:25:48郭文獻(xiàn)卓志宇
水力發(fā)電 2019年5期
關(guān)鍵詞:水文情勢(shì)三峽水庫(kù)漢口

郭文獻(xiàn),李 越,卓志宇,張 陵

(1.華北水利水電大學(xué),河南鄭州450045;2.湖南省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究總院,湖南長(zhǎng)沙410007)

河流自然水文情勢(shì)決定并影響著河流生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)、能量過(guò)程、物理?xiàng)⒌貭顩r和生物相互作用等,水文情勢(shì)的變化在不同時(shí)空尺度上改變棲息地條件,從而影響物種的分布和豐度,進(jìn)而影響生物群落的組成和多樣性[1-2]。水利工程建設(shè)人為改變了河流自然水文情勢(shì),隨著水利工程開(kāi)發(fā)程度的不斷提高,必將產(chǎn)生一系列生態(tài)水文效應(yīng),進(jìn)而改變河流生態(tài)系統(tǒng)的物理、化學(xué)和生物過(guò)程。關(guān)于水利工程生態(tài)水文效應(yīng)評(píng)估方面研究,國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量研究。其中RICHTER等提出的變動(dòng)范圍分析(range of variability approach,RVA)法已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于水利工程對(duì)河流生態(tài)水文情勢(shì)影響以及河流生態(tài)恢復(fù)研究[3-5]。陳啟慧等采用RVA法對(duì)葛洲壩水利樞紐對(duì)長(zhǎng)江下游河流水文影響進(jìn)行了初步分析[6];郭文獻(xiàn)等對(duì)丹江口水庫(kù)修建前后漢江下游河流生態(tài)水文效應(yīng)進(jìn)行了綜合評(píng)估[7];楊志峰等綜合運(yùn)用RVA法和直方圖匹配(HMA)法分析了黃河干流水電開(kāi)發(fā)對(duì)下游河流水文情勢(shì)影響[8]。該方法是通過(guò)建立指標(biāo)體系來(lái)研究復(fù)雜的生態(tài)水文過(guò)程,是評(píng)價(jià)人類活動(dòng)對(duì)河流徑流過(guò)程影響的一種有效分析手段。該方法還可根據(jù)分析結(jié)果建立河流的生態(tài)流量管理模式,可滿足河流管理部門的需要[9-10]。

三峽水庫(kù)對(duì)生態(tài)與環(huán)境的影響一直是備受國(guó)內(nèi)外各界廣泛爭(zhēng)論和密切關(guān)注的熱點(diǎn)和焦點(diǎn)問(wèn)題[11]。本文以三峽水庫(kù)下游宜昌、漢口和大通水文站1952年~2014年日均流量序列為依據(jù),采用Mann-Kendall(簡(jiǎn)稱“M-K”)法分析長(zhǎng)江中下游河流水文特征與變化趨勢(shì),并應(yīng)用生態(tài)水文指標(biāo)變動(dòng)范圍法(RVA)及水文改變度法綜合評(píng)估了三峽水庫(kù)運(yùn)行對(duì)長(zhǎng)江中下游河流生態(tài)水文指標(biāo)改變程度及其生態(tài)影響,為明確長(zhǎng)江中下游河流生態(tài)恢復(fù)目標(biāo)和開(kāi)展三峽水庫(kù)生態(tài)調(diào)度研究提供了參考依據(jù)。

1 研究區(qū)域及數(shù)據(jù)

本研究區(qū)域?yàn)槿龒{水庫(kù)下游長(zhǎng)江中下游區(qū)域,也是長(zhǎng)江中下游河段,始自宜昌,經(jīng)湖北、湖南、江西、安徽、江蘇、上海等六省市,入東海,全長(zhǎng)1 893 km,其中宜昌~湖口段為中游,航道長(zhǎng)955 km,集水面積約68萬(wàn)km2;湖口以下為下游,航道長(zhǎng)938 km,集水面積約12萬(wàn)km2。其中宜昌、漢口及大通水文站是三峽水庫(kù)下游河道上最主要的3個(gè)控制站。其中宜昌水文站地處長(zhǎng)江上游與中游的交界,位于三峽大壩下游44 km處,完整地控制了長(zhǎng)江上游100.55萬(wàn)km2的來(lái)水情況,約一半的河流水量來(lái)源于該站以上區(qū)域。漢口水文站地處漢江匯入長(zhǎng)江以下約1.4 km,是漢江匯入長(zhǎng)江后的重要控制水文站,控制流域面積達(dá)148.80萬(wàn)km2。大通水文站是長(zhǎng)江下游最后一個(gè)不受潮汐影響的控制站,通常被視為長(zhǎng)江干流流量的總控制站,控制流域面積170.54萬(wàn)km2,占長(zhǎng)江流域面積的94.7%。根據(jù)三峽水庫(kù)下游水文站分布情況,選取宜昌站、漢口站和大通站1952年~2014年日流量數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)價(jià)。鑒于三峽水庫(kù)于2003年蓄水;故將1952年~2002年51年流量數(shù)據(jù)資料作為蓄水前序列,2003年~2014年12年流量數(shù)據(jù)資料作為蓄水后序列。

2 研究方法

2.1 Mann-Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)法

Mann-Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)法通過(guò)計(jì)算河道水沙系列的統(tǒng)計(jì)量z,與某一置信水平(0.1、0.05和0.01)下的臨界變量對(duì)比。當(dāng)|z|≥1.67、1.96、2.56時(shí),分別表示通過(guò)置信度為90%、95%和99%的顯著性檢驗(yàn),方法具體計(jì)算過(guò)程見(jiàn)參考文獻(xiàn)[12-14]。

2.2 變動(dòng)范圍法(RVA)

為了定量分析三峽工程對(duì)下游河流水文情勢(shì)的變化程度,本研究運(yùn)用Richter等提出的變動(dòng)范圍法(RVA)進(jìn)行分析。該法建立在水文變化指標(biāo)(indictors of hydrologic alteration, IHA)法的基礎(chǔ)上,利用建立的生態(tài)水文指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)受水利工程影響的河流水文情勢(shì)[3-5]。為了量化水文指標(biāo)受干擾后的變化程度,Richter等建議以水文改變度(degree of hydrological alteration)來(lái)評(píng)估,其定義為

Di=|(Noi-Ne)/Ne|×100%

(1)

式中,Di為第i個(gè)IHA指標(biāo)的水文改變度;Noi為第i個(gè)IHA受干擾后的觀測(cè)年數(shù)中落在RVA目標(biāo)內(nèi)的年數(shù);Ne為受干擾后IHA指標(biāo)預(yù)期落入RVA目標(biāo)內(nèi)的年數(shù),可以用r·NT來(lái)評(píng)估,其中r為受干擾前IHA落入RVA目標(biāo)內(nèi)的比例,若以各個(gè)IHA的75%及25%作為RVA目標(biāo),則r=50%,而NT為受干擾后流量時(shí)間序列記錄的總年數(shù)。為對(duì)IHA指標(biāo)的水文改變程度設(shè)定一個(gè)客觀的判斷標(biāo)準(zhǔn),規(guī)定若式(1)Di值介于0~33%屬于未改變或者低度改變;33%~67%之間屬于中度改變;67%~100%屬于高度改變。整體水文變化程度D0可以用以下方法計(jì)算:取33個(gè)IHA的水文改變度的平均值來(lái)評(píng)估河流生態(tài)環(huán)境的整體變化情形,然而這樣將體現(xiàn)不出各指標(biāo)權(quán)重大小。為了體現(xiàn)各指標(biāo)的權(quán)重大小,本文采用對(duì)較大的Di值賦予較大的權(quán)重,用下式計(jì)算

(2)

式中,規(guī)定D0值介于0~33%屬于未改變或者低度改變;33%~67%之間屬于中度改變;67%~100%屬于高度改變。

3 結(jié)果與討論

3.1 年均流量變化特征

3.1.1年均流量趨勢(shì)性檢驗(yàn)

圖1 長(zhǎng)江中下游1952年~2014年均流量變化

為揭示長(zhǎng)江中下游年均流量的變化趨勢(shì),點(diǎn)繪出長(zhǎng)江中下游宜昌、漢口、大通3個(gè)水文站點(diǎn)1952年~2014年的年均流量(見(jiàn)圖1)。

由圖1可以看出,在研究區(qū)間除了1954年、1998年和2006年、2011年(1954年和1998年為特大洪水年,2006年和2011年為枯水年)年均流量出現(xiàn)較大波動(dòng)外,總體上年均流量呈下降趨勢(shì),其中宜昌水文站下降趨勢(shì)相對(duì)漢口和大通水文站較為明顯。

表1 三峽水庫(kù)運(yùn)行前后下游各月流量中指統(tǒng)計(jì)

根據(jù)Mann-Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)分析,3個(gè)水文站1952年~2014年多年平均流量的統(tǒng)計(jì)量均為負(fù)值,表示均有不同程度的下降趨勢(shì),其中宜昌站的下降趨勢(shì)最為顯著,M-K檢驗(yàn)值為-1.7,通過(guò)了90%的顯著性水平檢驗(yàn);漢口站和大通站的下降趨勢(shì)并不明顯,M-K檢驗(yàn)值只有-0.5和-0.45。

3.2 河流生態(tài)水文指標(biāo)變化

為了定量揭示三峽水庫(kù)的運(yùn)行對(duì)下游河流流量的改變程度,將宜昌、漢口、大通3個(gè)站點(diǎn)的歷年日流量數(shù)據(jù)劃分為兩個(gè)時(shí)段:三峽水庫(kù)蓄水前(1952年~2002年),三峽水庫(kù)蓄水后(2003年~2014年)。在此基礎(chǔ)上采用變化范圍法(RVA)計(jì)算三峽水庫(kù)運(yùn)行前后長(zhǎng)江中下游3個(gè)水文站32個(gè)水文指標(biāo)的中值以及水文改變度等參數(shù)(見(jiàn)表1、2)。根據(jù)表1、2三峽水庫(kù)蓄水前后河流水文指標(biāo)變化分析,分別分析5組水文指標(biāo)改變程度。

3.2.1月中值流量變化

三峽水庫(kù)蓄水前后長(zhǎng)江中下游月中值流量對(duì)比見(jiàn)圖2。

由圖2可見(jiàn),三峽水庫(kù)蓄水后,宜昌站、漢口站和大通水文站在12月~3月流量不同程度增加,尤其是3月份增加流量最多;在7月~9月份流量不同程度減少,漢口站和大通站在7月份減少量最大,宜昌站在10月份減少量最多;其中宜昌站月中值水文改變度為59%,屬于中度改變,漢口站月中值水文改變度為68%,屬于高度改變,大通站水文改變度為23%,屬于低度改變。

表2 三峽水庫(kù)運(yùn)行前后下游河流IHA指標(biāo)統(tǒng)計(jì)

圖2 三峽蓄水前后中值流量變化

3.2.2年極值流量大小

根據(jù)表1,可以看出長(zhǎng)江中下游3個(gè)水文站年均極小值流量三峽水庫(kù)蓄水后比蓄水前都有不同程度增加,而極大值流量蓄水后比蓄水前都有不同程度減少;其中極小值流量變異度均屬于高度改變,極大值流量改變度一般都屬于低度改變;宜昌站和漢口站年極值流量平均改變度為69%和73%,屬于高度改變,大通站水文改變度為56%,屬于中度改變;這也說(shuō)明三峽水庫(kù)對(duì)宜昌和漢口站在極值流量影響方面相對(duì)大通站較為明顯,其原因是大通水文站距離三峽大壩較遠(yuǎn),受到洞庭湖水系、鄱陽(yáng)湖水系以及其他支流調(diào)節(jié)等因素影響。

3.2.3年極端流量出現(xiàn)時(shí)間

根據(jù)表2,三峽水庫(kù)修建后宜昌、漢口、大通三站年最小流量出現(xiàn)時(shí)間變化明顯,年最大值流量出現(xiàn)時(shí)間變化不大。最小流量出現(xiàn)時(shí)間仍為1月~3月枯水期,但宜昌、漢口和大通的最小流量出現(xiàn)時(shí)間分別由2月下旬、2月上旬、1月下旬提前至1月上旬,甚至提前到12月份,變化范圍在一個(gè)月左右,表示了最小值出現(xiàn)時(shí)間與建庫(kù)前差異較大;年最大流量出現(xiàn)時(shí)間變化較小,推遲范圍在10 d之內(nèi)。

3.2.4高低脈沖的頻率及歷時(shí)

由表2可以看出,宜昌水文站高、低脈沖出現(xiàn)的次數(shù)及歷時(shí)都有減少,其中低流量出現(xiàn)的次數(shù)變化最為明顯,水文改變度達(dá)到73%。漢口水文站低脈沖出現(xiàn)的頻率在建庫(kù)前后保持一致,高脈沖次數(shù)和歷時(shí)較建庫(kù)前略有減少,變化最大的為低脈沖歷時(shí)由建庫(kù)前的54天減少為21天,水文改變度為47%,為中度改變。大通水文站高、低脈沖出現(xiàn)的次數(shù)在建庫(kù)后沒(méi)有發(fā)生變化,高脈沖出現(xiàn)的歷時(shí)略有減少,低脈沖歷時(shí)變化最大。

3.2.5流量變化改變率及頻率

根據(jù)表1、2,宜昌水文站流量上升率減少,水文改變度為中度改變,下降率保持不變,但是逆轉(zhuǎn)次數(shù)較建庫(kù)前發(fā)生明顯改變,建庫(kù)后逆轉(zhuǎn)次數(shù)大幅度增加,超過(guò)RVA閾值上限。漢口水文站上升率和下降率均較少,上升率變化較下降率顯著,逆轉(zhuǎn)次數(shù)有所增加;大通水文站在建庫(kù)前后上升率和下降率均保持不變,逆轉(zhuǎn)次數(shù)略有增加。綜上所述,宜昌水文站的流量改變率和頻率變化最為顯著,表明三峽水庫(kù)在調(diào)峰和調(diào)頻的過(guò)程中對(duì)宜昌站下泄流量影響最大。

3.3 河流水文改變度評(píng)價(jià)

3.3.1蓄水前后水文指標(biāo)變化度比較

圖3 宜昌站水文指標(biāo)改變度排序

圖4 漢口站水文指標(biāo)改變度排序

圖5 大通站水文指標(biāo)改變度排序

根據(jù)宜昌、漢口和大通3個(gè)水文站三峽蓄水前后河流水文改變度絕對(duì)值進(jìn)行排序,如圖3~圖5所示??梢?jiàn),宜昌和漢口水文站32個(gè)水文指標(biāo)大多發(fā)生高、中度改變,其中宜昌站2月份中值、年均1、3、7 d最小流量和逆轉(zhuǎn)次數(shù),漢口站的1月、4月份中值、年均1、3、7 d最小流量和基流指數(shù)的水文改變度高達(dá)100%,大通水文站大多發(fā)生中、低度改變,水文改變度達(dá)到100%的只有基流指數(shù)。整體而言,長(zhǎng)江中下游宜昌、漢口兩站的變化程度由高度變化主導(dǎo),大通站的變化程度由低度變化主導(dǎo)。宜昌站為三峽水庫(kù)出庫(kù)水文站,宜昌水文情勢(shì)變化受其直接影響,而漢口水文站為漢江入長(zhǎng)江后的重要控制水文站,不僅受三峽大壩出流影響,而且受到清江、漢江、洞庭湖水系等重要支流的人類活動(dòng)影響,具有疊加效應(yīng),而大通水文站距離三峽水庫(kù)較遠(yuǎn),其影響也隨著距離增加,鄱陽(yáng)湖等水系匯入,水文效應(yīng)也逐漸減弱。

3.3.2整體水文改變度分析

分別計(jì)算出宜昌、漢口和大通3個(gè)水文站各組指標(biāo)的整體水文改變度以及各水文站的整體水文改變度(見(jiàn)表3)。

表3 各水文站整體水文改變度

注:H表示高度改變;M表示中度改變;L表示低度改變。

由表3可知,宜昌站第2組和第5組屬于高度改變,其他3組指標(biāo)均屬中度改變;漢口站第1組第2組屬于高度改變,第3組合第5組屬于中度改變,第4組屬于低度改變;大通站發(fā)生高度改變的只有第3組,第2組和第4組為中度改變, 第1組和第5組為低度改變??傮w而言,三峽蓄水對(duì)長(zhǎng)江中下游的宜昌和漢口兩站的影響最為顯著,對(duì)大通站的影響程度明顯小于其他兩站。由總體水文改變度計(jì)算結(jié)果得出,長(zhǎng)江中下游3個(gè)水文站的流量特性都發(fā)生中度改變,宜昌站和漢口站的整體水文改變度接近于高度改變,大通站的整體水文改變度為42%,相對(duì)于宜昌站和漢口水文站水文改變度較小。

3.3.3河流水文情勢(shì)改變的生態(tài)學(xué)效應(yīng)

根據(jù)三峽水庫(kù)調(diào)度運(yùn)行方式,汛期利用水庫(kù)削減洪峰、調(diào)蓄洪水,以控制下泄流量和水位,確保下游防洪安全;非汛期調(diào)度運(yùn)行中,利用水庫(kù)調(diào)節(jié)年內(nèi)分布的豐枯不均,使下泄水流過(guò)程趨于均一化,極大改變了水庫(kù)下游河流自然水文情勢(shì)的年內(nèi)豐枯周期變化規(guī)律,對(duì)枯水期的影響尤其明顯;還會(huì)導(dǎo)致與水流相關(guān)的含沙量、河流形態(tài)、河流水生生物群落等發(fā)生相應(yīng)的變化,進(jìn)而影響河流健康的生態(tài)過(guò)程,甚至?xí)a(chǎn)生一系列廣泛、深刻,而且長(zhǎng)期的生態(tài)效應(yīng)。其中,三峽水庫(kù)7月~8月進(jìn)行調(diào)洪削峰,使得下泄洪峰流量有一定削減。這在保障下游防洪安全同時(shí),也降低了對(duì)下游河床泥沙的輸送能力和洪水大脈沖的作用;此外,三峽水庫(kù)本身對(duì)上游泥沙的攔蓄作用以及洪水沖刷能力的降低,使得下泄水體含沙量大幅度減少。然而,泥沙是河流生態(tài)系統(tǒng)中重要的非生物因子之一,對(duì)于水生生物的生長(zhǎng)及生物的產(chǎn)卵、發(fā)育、覓食等多方面有顯著的影響,含沙量劇減,將增加水的透明度,有利于水生植物的生長(zhǎng);但同時(shí)一些浮游動(dòng)物減少了庇護(hù),增加了被捕食的幾率。三峽水庫(kù)清水下泄,長(zhǎng)江中下游河段將發(fā)生長(zhǎng)時(shí)間的沖刷,河床下降,沿岸地下水位也會(huì)下降,對(duì)沿岸濕地生境造成一定的影響;河床的沖刷還會(huì)使河床粗化,底棲生物的生境發(fā)生改變;江湖關(guān)系發(fā)生變化,進(jìn)入洞庭湖的洪水減少,加速洞庭湖的退化;清水下泄對(duì)河岸也會(huì)產(chǎn)生侵蝕,江水與周邊濕地地下水交換將減少;長(zhǎng)江口地區(qū)由于長(zhǎng)期缺乏泥沙補(bǔ)給,河口自然演變規(guī)律和生境將發(fā)生變化[15]。

4 結(jié) 論

(1)長(zhǎng)江中下游宜昌、漢口和大通3個(gè)水文站年均流量均呈下降趨勢(shì),且宜昌水文站通過(guò)90%置信度檢驗(yàn)。這表明宜昌水文站年均流量下降趨勢(shì)顯著,而漢口和大通水文站下降趨勢(shì)不顯著。

(2)根據(jù)對(duì)三峽水庫(kù)蓄水后生態(tài)水文指標(biāo)變化情況分析,長(zhǎng)江中下游非汛期12月~3月份流量增加,汛期7月~8月份流量減少;年極小流量和年極大流量分別表現(xiàn)為增加和減少趨勢(shì);年極小流量發(fā)生時(shí)間提前,基本上提前1月~2月,年極大流量發(fā)生時(shí)間提前10 d左右;高低脈沖流量發(fā)生的頻率及持續(xù)時(shí)間均有不同程度的下降;流量上升率和下降率均有所下降,逆轉(zhuǎn)次數(shù)改變最為明顯,甚至達(dá)到100%。

(3)根據(jù)對(duì)三峽水庫(kù)蓄水后河流水文改變度評(píng)價(jià)分析,長(zhǎng)江中下游宜昌、漢口和大通水文站整體水文改變度屬于中度改變,其中宜昌站和漢口站的整體水文改變度分別為61%和63%,接近于高度改變,大通站的整體水文改變度為42%,水文改變度相對(duì)較小。究其原因?yàn)?,宜昌水文站受三峽水庫(kù)蓄水直接影響,漢口水文站除了受三峽水庫(kù)影響外,還受到漢江、清江以及洞庭湖等支流水電梯級(jí)開(kāi)發(fā)影響;而大通水文站作為整個(gè)長(zhǎng)江流域控制水文站,盡管受三峽水庫(kù)影響,但是相對(duì)較弱,其水文情勢(shì)改變反映了2003年以來(lái)長(zhǎng)江流域整體水文改變度。

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