林夢(mèng)然　董增川　賈一飛

摘要：選取1988-2016年黃河唐乃亥水文站逐日平均流量和龍羊峽水庫(kù)逐日出庫(kù)流量數(shù)據(jù)進(jìn)行水文變化指標(biāo)（IHA）計(jì)算，采用水文變化范圍法（ RVA）并結(jié)合水庫(kù)運(yùn)行特點(diǎn)及黃河上游生態(tài)特征，評(píng)估龍羊峽水庫(kù)運(yùn)行對(duì)其壩下河段水文情勢(shì)的改變程度及生態(tài)影響。結(jié)果表明：龍羊峽水庫(kù)的運(yùn)行對(duì)其壩下河段水文情勢(shì)的影響屬于高度改變，河流整體水文情勢(shì)改變度為68.3 10-10;指標(biāo)體系中1-3月、12月平均流量，年最大l、3、7d平均流量，年最小7、30、90 d平均流量，最小流量發(fā)生時(shí)間，低流量發(fā)生次數(shù)及延時(shí)，流量改變率及頻率等指標(biāo)改變顯著。

關(guān)鍵詞：水文變化范圍法：水文變化指標(biāo);水庫(kù)運(yùn)行;生態(tài)水文情勢(shì);龍羊峽水庫(kù);黃河上游

中圖分類號(hào)：TV697.2+5;TV882.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi： 10.3969/j.issn.1000- 1379.2019.03.014

自然水文情勢(shì)是維持河流生態(tài)系統(tǒng)完整性和生物多樣性的基礎(chǔ)要素[1]。大型水利工程的建設(shè)與運(yùn)行極大地改變了河流自然水文情勢(shì)，引起河流生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)功能的變化[2]，對(duì)河流生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。

黃河上游具有水資源豐富、徑流穩(wěn)定、沿程峽谷落差集中等特點(diǎn)，是我國(guó)重點(diǎn)開(kāi)發(fā)的水電基地之一。黃河上游生活著多種高原地區(qū)特有的土著魚(yú)類，常年分布有重要的產(chǎn)卵場(chǎng)、越冬場(chǎng)和索餌場(chǎng)，具有重要的生態(tài)保護(hù)價(jià)值[3]。然而，這些種群的再生能力相對(duì)脆弱，一旦種群數(shù)量受到外界因素影響而急劇下降，在短期內(nèi)很難恢復(fù)[4]。因此，評(píng)估黃河上游水利工程對(duì)河流水文情勢(shì)的影響程度對(duì)保護(hù)上游生態(tài)系統(tǒng)至關(guān)重要。

目前，對(duì)于黃河流域水文情勢(shì)改變程度的定量評(píng)估多限于黃河中下游及河口地區(qū)，較少涉及上游河段。筆者采用水文變化范圍法（ RVA）評(píng)估龍羊峽水庫(kù)對(duì)其壩下河段水文情勢(shì)的改變程度并指出改變程度高的水文指標(biāo)，分析水文情勢(shì)變化規(guī)律及其生態(tài)影響，以期為河流的生態(tài)管理和修復(fù)提供理論依據(jù)。

1 研究方法

1.1 水文變化指標(biāo)法

為了定量評(píng)估人類活動(dòng)對(duì)河流水文情勢(shì)的影響程度，1996年Richter等[5]提出了水文變化指標(biāo)（IHA），具體包含33個(gè)指標(biāo)，按流量、頻率、時(shí)間、延時(shí)以及變化率劃分為5類具有生態(tài)學(xué)意義的組分（見(jiàn)表1）。

1.2 水文變化范圍法

1997年Richter[6]在IHA指標(biāo)體系的基礎(chǔ)上提出了水文變化范圍法（ RVA），該方法的核心是分別以受影響前各指標(biāo)的平均值加減標(biāo)準(zhǔn)差或各指標(biāo)發(fā)生頻率75%及25%的值作為各個(gè)指標(biāo)的上下限構(gòu)建RVA目標(biāo)，以受影響后的各指標(biāo)值落在RVA目標(biāo)范圍內(nèi)的比例與受影響前的差異來(lái)評(píng)估水文改變程度。水文改變度的計(jì)算公式為式中：D.為第i個(gè)IHA指標(biāo)的水文改變度，D_i為正值表示受水庫(kù)影響后第i個(gè)指標(biāo)落在RVA目標(biāo)內(nèi)，Di為負(fù)值表示受水庫(kù)影響后第i個(gè)指標(biāo)落在RVA目標(biāo)外;N_i。為受水庫(kù)影響后第i個(gè)指標(biāo)仍落于RVA目標(biāo)內(nèi)的年數(shù);N_ie為受水庫(kù)影響后第i個(gè)指標(biāo)預(yù)期落在RVA目標(biāo)內(nèi)的年數(shù)：r為受水庫(kù)影響前第i個(gè)指標(biāo)落于RVA目標(biāo)內(nèi)的比例;N_T為受水庫(kù)影響后水文系列的總年數(shù)。

為了客觀地評(píng)價(jià)IHA指標(biāo)的水文改變程度，該方法將水文改變度分為3個(gè)等級(jí)：0≤|D_i|<330-/0為低度改變，33%≤| D_i|<67%為中度改變，67%≤|D_i|≤100%為高度改變。1.3 整體水文改變度計(jì)算方法

為了綜合評(píng)估河流水文情勢(shì)的改變程度，本文引入改進(jìn)的熵權(quán)法對(duì)33個(gè)水文指標(biāo)進(jìn)行賦權(quán)。熵權(quán)法的核心思想是在多指標(biāo)評(píng)價(jià)體系中，某一指標(biāo)的變化程度越大，則其熵權(quán)越大，說(shuō)明該指標(biāo)對(duì)綜合評(píng)價(jià)越重要[7]。以熵權(quán)法確定各IHA指標(biāo)的權(quán)重，既考慮了不同指標(biāo)對(duì)整體改變度影響的差異性，又不會(huì)過(guò)于凸顯單一改變度大的指標(biāo)的重要性，能夠更加客觀全面地反映各指標(biāo)對(duì)于河流水文情勢(shì)的重要程度。熵權(quán)法在RVA法權(quán)重確定中的具體步驟如下。

2 研究區(qū)概況及資料選取

龍羊峽水庫(kù)是離黃河源區(qū)最近的一座具有多年調(diào)節(jié)能力的大型水庫(kù)，控制著上游65%的水量，被稱為黃河梯級(jí)水電站的“龍頭”水庫(kù)。該水庫(kù)于1986年10月下閘蓄水，1987年9月第一臺(tái)機(jī)組投入運(yùn)行，總庫(kù)容為274億m³，以發(fā)電為主，兼有防洪、防凌、灌溉、旅游、養(yǎng)殖等綜合功能。

唐乃亥水文站是龍羊峽水庫(kù)的入庫(kù)流量控制站，其以上的黃河河道無(wú)大型水利工程，受人類活動(dòng)干擾較小，可近似反映黃河上游來(lái)水的天然狀況。為了排除其他人類活動(dòng)和氣候變化的影響，本文選取1988-2016年唐乃亥水文站實(shí)測(cè)逐日平均流量以及龍羊峽水庫(kù)同期逐日出庫(kù)流量序列反映受水庫(kù)影響前后的河流生態(tài)水文狀況并計(jì)算其IHA指標(biāo)，采用RVA法定量評(píng)估龍羊峽水庫(kù)運(yùn)行對(duì)其壩下河段水文情勢(shì)的影響程度。

3 計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 月平均流量變化

河流的流量大小和季節(jié)性變化規(guī)律是維持河流生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性和生物多樣性的重要因素。由表2與圖1可以看出，龍羊峽水庫(kù)的運(yùn)行顯著改變了壩下河段的月均流量：1-5月及11-12月平均流量增大.6-10月平均流量減小，其中：1-3月、9月、12月月均流量發(fā)生了高度改變.4月、7月、10月月均流量發(fā)生了中度改變，5月、6月、8月、11月月均流量發(fā)生了低度改變。枯水期（12月一次年3月）徑流量占年徑流量的比例由天然的11%增大到29%，汛期（7-10月）徑流量占比由天然的58%降至36%。整體來(lái)看，龍羊峽水庫(kù)運(yùn)行后，月均流量趨于均一化，季節(jié)性變化幅度減小。原因是水庫(kù)調(diào)度服從防洪、發(fā)電以及供水等要求，水庫(kù)發(fā)揮了“蓄豐補(bǔ)枯”的作用。徑流的季節(jié)性變化為不同生物不同生命周期提供了其所需要的水文條件，而龍羊峽水庫(kù)的運(yùn)行造成壩下河段流量過(guò)程均一化，在一定程度上降低了生態(tài)環(huán)境的多樣性，改變了河流生態(tài)系統(tǒng)的種群結(jié)構(gòu)，對(duì)生物的洄游、遷徙等產(chǎn)生一定影響;但從另一方面來(lái)看，水庫(kù)的“蓄豐補(bǔ)枯”作用使枯水期徑流量增大，為壩下河段用水提供了極為有利的徑流條件，保障了灌區(qū)用水和河道生態(tài)用水。

3.2 年極端流量變化

由表3、圖2、圖3可以看出：龍羊峽水庫(kù)運(yùn)行后，壩下河段年最大流量顯著減小，除年最大90 d流量指標(biāo)為低度改變外，其余最大流量指標(biāo)均為高度改變，其中受水庫(kù)影響后年最大ld流量普遍小于目標(biāo)下限值，且年際變化幅度較?。ㄒ?jiàn)圖2）。受水庫(kù)影響后的年最小ld流量顯著增大，除年最小ld流量指標(biāo)為中度改變外，其余最小流量指標(biāo)均為高度改變;受水庫(kù)影響后年最小ld平均流量普遍高于目標(biāo)上限，且年際變化幅度較大（見(jiàn)圖3）。最小流量指標(biāo)改變度整體大于最大流量指標(biāo)改變度，說(shuō)明龍羊峽水庫(kù)運(yùn)行后對(duì)壩下河段的年最小流量的影響更明顯。極端流量的變化會(huì)影響河流生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，不利于水生生物棲息地的構(gòu)建，同時(shí)使河道與河岸間營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的交換受阻，影響水生生物和河岸植被的生長(zhǎng)。

3.3 年極端流量發(fā)生時(shí)間

年極端流量發(fā)生時(shí)間對(duì)水生生物的生存和繁殖具有重大意義。從表4、圖4、圖5可知，受龍羊峽水庫(kù)運(yùn)行影響前最大流量一般出現(xiàn)在6-10月，且集中發(fā)生于6月下旬至8月下旬，而龍羊峽水庫(kù)運(yùn)行后最大流量發(fā)生時(shí)間范圍變寬，3-11月均有發(fā)生且多發(fā)生于5月上旬至8月上旬，年最大ld流量發(fā)生時(shí)間整體提前約1個(gè)月，水文改變度為低度改變，原因可能是4-6月寧蒙灌區(qū)進(jìn)入春灌期，龍羊峽水庫(kù)需要加大出流來(lái)滿足農(nóng)業(yè)灌溉用水需求。受龍羊峽水庫(kù)運(yùn)行影響前年最小流量一般出現(xiàn)在12月至次年2月，而受龍羊峽水庫(kù)影響后最小流量發(fā)生時(shí)間范圍變寬，主要集中在2-3月，年最小1 d流量發(fā)生時(shí)間整體延后3-4個(gè)月，水文改變度為高度改變，原因可能是從12月到次年3月黃河上游進(jìn)入凌汛期，凌汛前期水庫(kù)需要逐漸減小下泄流量以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定封河，凌汛后期水庫(kù)需要進(jìn)一步減小下泄流量以保證開(kāi)河安全。黃河上游魚(yú)類一般在汛期漲水時(shí)產(chǎn)卵，且需要一定的水溫條件，年最大流量出現(xiàn)時(shí)間提前會(huì)改變魚(yú)類繁殖所需的水文條件，干擾魚(yú)類的正常產(chǎn)卵時(shí)間和繁殖行為，對(duì)種群規(guī)模及結(jié)構(gòu)造成一定影響。

3.4 高、低流量的頻率及延時(shí)

河流的高、低流量是河流生態(tài)過(guò)程的直接驅(qū)動(dòng)力，決定了不同物種的脅迫閾值與生存機(jī)會(huì)[8]。由表5可知：龍羊峽水庫(kù)運(yùn)行后，年高、低流量發(fā)生頻率較受龍羊峽水庫(kù)影響前均顯著減小，且持續(xù)時(shí)間均縮短至不足7d。從整體上來(lái)看，低流量指標(biāo)改變度大于高流量指標(biāo)改變度，說(shuō)明龍羊峽水庫(kù)運(yùn)行對(duì)低流量的發(fā)生頻率及持續(xù)時(shí)間的影響程度更大。高流量持續(xù)時(shí)間過(guò)短會(huì)使龍羊峽壩下河段在魚(yú)類產(chǎn)卵期或育苗期無(wú)法為其提供足夠?qū)挼乃蚣俺渥愕臓I(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，同時(shí)也會(huì)影響沿岸生態(tài)系統(tǒng)的發(fā)展[9]：而低流量出現(xiàn)次數(shù)減少、持續(xù)時(shí)間過(guò)短會(huì)導(dǎo)致部分低流量構(gòu)造的生態(tài)環(huán)境消失，使一些適應(yīng)低流量的生物生存受到威脅，同時(shí)也會(huì)使河流挾帶的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)不易被水生生物及周邊植物吸收。

3.5 流量改變率及頻率

由表6可知：受龍羊峽水庫(kù)運(yùn)行影響后，壩下河段流量逆轉(zhuǎn)次數(shù)（變化頻率）顯著增加，由年均117次增加到206次，流量年平均增大率和減小率的波動(dòng)范圍增大且流量改變率均顯著增大，原因主要是龍羊峽水庫(kù)電力負(fù)荷變化使得下泄流量具有“陡漲陡落”的變化特點(diǎn)，且變化頻繁，這會(huì)影響浮游生物以及部分植物的生長(zhǎng)，破壞生物棲息環(huán)境的穩(wěn)定性。

3.6 整體水文情勢(shì)改變度分析

綜合33個(gè)水文變化指標(biāo)，利用改進(jìn)的熵權(quán)法得到龍羊峽水庫(kù)壩下河段的整體水文情勢(shì)改變度為68.31%，屬于高度改變（見(jiàn)圖6）。33個(gè)水文變化指標(biāo)中有21個(gè)指標(biāo)（占64%）屬于高度改變，4個(gè)指標(biāo)（占12%）屬于中度改變，8個(gè)指標(biāo)（占24%）屬于低度改變。這表明龍羊峽水庫(kù)現(xiàn)行調(diào)度方式對(duì)水庫(kù)壩下河段的水文情勢(shì)改變程度較大。

馮慧[1O]對(duì)龍羊峽以下河段生態(tài)系統(tǒng)健康狀況進(jìn)行了評(píng)價(jià)，認(rèn)為該河段生態(tài)系統(tǒng)處于亞健康狀態(tài)，河岸帶植被覆蓋率較低，珍稀土著魚(yú)類數(shù)量急劇減少，浮游動(dòng)植物密度較低。張建軍等[11]對(duì)龍羊峽至劉家峽河段水庫(kù)建設(shè)后魚(yú)類資源變化的研究表明，該河段土著魚(yú)類分布區(qū)域縮小，種群數(shù)量減少速度較快，部分土著魚(yú)類面臨著滅絕的風(fēng)險(xiǎn)，這與黃河上游水利工程的建設(shè)運(yùn)行密切相關(guān)[11]。龍羊峽水庫(kù)的建設(shè)運(yùn)行直接改變了其壩下河段的天然水文情勢(shì)，破壞了生物棲息環(huán)境的穩(wěn)定性和多樣性，影響了水生生物的繁殖與生長(zhǎng)，打破了原本就脆弱的河流生態(tài)系統(tǒng)平衡。這一現(xiàn)狀印證了本文評(píng)價(jià)結(jié)果中整體水文情勢(shì)改變度為高度改變的合理性。

4 結(jié)語(yǔ)

龍羊峽水庫(kù)壩下河段生態(tài)水文情勢(shì)發(fā)生了高度改變，受水庫(kù)運(yùn)行影響后水文變化指標(biāo)基本落在RVA目標(biāo)之外，指標(biāo)體系中1-3月、12月平均流量，年最大1、3、7d平均流量，年最小7、30、90 d平均流量，最小流量發(fā)生時(shí)間，低流量發(fā)生次數(shù)及延時(shí)，流量改變率及頻率等指標(biāo)改變顯著。受水庫(kù)徑流調(diào)節(jié)作用的影響，壩下河段年內(nèi)徑流過(guò)程趨于均一化，年最大流量顯著減小且出現(xiàn)時(shí)間提前，年最小流量顯著增大且出現(xiàn)時(shí)間延后，年高、低流量發(fā)生頻率顯著減小且持續(xù)時(shí)間縮短，流量具有“陡漲陡落”的變化特點(diǎn)，且變化頻繁。這些改變會(huì)對(duì)壩下河段的生物種群規(guī)模與結(jié)構(gòu)、棲息地環(huán)境、河岸植被生長(zhǎng)等產(chǎn)生較大影響。但是，水庫(kù)的建設(shè)對(duì)水文情勢(shì)的改變又具有一定的積極作用，水庫(kù)的“蓄豐補(bǔ)枯”作用保障了枯水期下游河道的生態(tài)用水，提高了水資源的利用效率，同時(shí)水庫(kù)的防凌防洪作用減輕了下游可能發(fā)生的災(zāi)害，對(duì)保護(hù)生態(tài)環(huán)境具有重要意義。

對(duì)河流水文情勢(shì)改變程度進(jìn)行定量評(píng)估，指出改變程度高的水文指標(biāo)并分析其生態(tài)影響，對(duì)于中小尺度的生態(tài)調(diào)度具有科學(xué)指導(dǎo)意義和實(shí)踐價(jià)值。今后需要進(jìn)一步研究水文情勢(shì)改變程度與生態(tài)響應(yīng)的定量關(guān)系，確定生態(tài)承受閾值，通過(guò)水庫(kù)徑流調(diào)節(jié)能力模擬自然河流的水文特征，改善河流生態(tài)健康狀況，在生態(tài)系統(tǒng)可承受的水文情勢(shì)變化范圍內(nèi)進(jìn)行水庫(kù)的興利防洪調(diào)度，實(shí)現(xiàn)區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)與生態(tài)環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展。

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