吳華莉，金中武，周銀軍，李志晶

(1.長江科學院 河流研究所，武漢 430010;2. 長江科學院 水利部長江中下游河湖治理與防洪重點實驗室，武漢 430010)

1 研究背景

長江上游自源頭至湖北宜昌，干流全長約4 540 km，沿程匯入的主要支流依次有橫江、岷江、沱江、嘉陵江及烏江等。此外，長江上游珍稀特有魚類國家級自然保護區(qū)也位于該河段范圍內(nèi)。長江上游有著豐富的水能資源，在我國水電開發(fā)中占有非常重要的地位。近年來，隨著金沙江下游梯級水電站的建設(shè)及沿江城市經(jīng)濟社會發(fā)展對岸線的開發(fā)利用，長江上游的河道經(jīng)歷著日新月異的變化。河流的開發(fā)利用在給社會提供水源和能源的同時，也給河流生態(tài)環(huán)境帶來了諸多影響。眾多水利學者及生物學家分別從不同的角度利用不同時間長度系列的實測資料，研究了溪洛渡水電站和向家壩水電站建設(shè)和運行初期對壩下游河道的影響。

長江上游大中型水庫的相繼建成，將對上游流域的水文、泥沙產(chǎn)生一定的影響[1]。水壩的建設(shè)會改變河流自然狀態(tài)下水文過程、水質(zhì)狀況等[2]，而自然水文過程對維護河流生態(tài)系統(tǒng)生境完整性至關(guān)重要[3]。自然水文過程的改變，在影響河流水沙運動及地形地貌的基礎(chǔ)上，進而會對魚類繁殖所需的水流條件[4]及棲息地生境產(chǎn)生影響[5]。陳大慶等[6]認為溪洛渡、向家壩水電站運行后將給長江上游河道演變、水文情勢等帶來一系列變化，對保護區(qū)生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生嚴重影響。趙偉華等[7]認為大壩蓄水將明顯改變壩下水文情勢的自然節(jié)律，顯著改變壩下生態(tài)環(huán)境，向家壩水庫蓄水運用對壩下河段水文過程有一定程度的影響，特別是脈沖流量及其持續(xù)時間等?；谥煦?971—2011年實測數(shù)據(jù)，趙利等[8]認為長江上游保護區(qū)的生態(tài)水文過程未發(fā)生顯著變化，保護區(qū)干流水文受到的影響還不會對保護區(qū)內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)健康產(chǎn)生顯著影響，同時指出金沙江下游梯級水電站建成后，其調(diào)度運行將會對保護區(qū)生態(tài)水文過程產(chǎn)生顯著影響。

長江上游珍稀特有魚類國家級自然保護區(qū)(以下簡稱“保護區(qū)”)是我國唯一的以魚類為保護對象的跨多省市的國家級自然保護區(qū)，保護區(qū)主要保護對象為白鱘、達氏鱘、胭脂魚等國家及地方重點保護的珍稀瀕危水生動物和其他長江上游特有魚類。保護區(qū)內(nèi)河道寬窄相間、蜿蜒曲折，多邊灘和江心洲，水流急緩不一，獨特的河流地形地貌和水文水動力環(huán)境形成了適宜多樣的生境，在長江上游水域生態(tài)系統(tǒng)中具有代表性和典型性，是保存長江上游水生生物多樣性不可或缺的棲息繁殖地[9]。從已有相關(guān)成果可以看出，生物學家認為梯級水電站建設(shè)對壩下河道生態(tài)環(huán)境會產(chǎn)生嚴重影響，水利學家認為梯級水庫建成調(diào)度運行后會對壩下游水文過程產(chǎn)生一定影響。換言之，不管是梯級水庫建設(shè)，還是建成后的調(diào)度運行，對壩下游水沙過程都會有一定程度的影響。2012年，向家壩水電站首批機組發(fā)電；2013年，溪洛渡水電站首批機組發(fā)電；2018年，白鶴灘水電站首批機組發(fā)電；烏東德水電站首批機組也于2020年6月并網(wǎng)發(fā)電。長江上游是我國重要的水電開發(fā)基地，對我國國民經(jīng)濟具有重要的貢獻。因此，在梯級水電站建設(shè)已成事實的背景下，需要研究不同階段即不同的環(huán)境條件下，保護區(qū)河段水沙的演變特點，才能在此基礎(chǔ)上結(jié)合生物需求評價梯級水電站建設(shè)對保護區(qū)魚類生境的影響。然而，目前已有研究多集中在生態(tài)環(huán)境方面，對水沙演變的研究時間序列較短[1，10]，缺乏系統(tǒng)性，此外，已有研究多集中在定性描述上，定量分析較少。金沙江下游梯級水電自運行至今已接近10 a，實測資料序列已有一定長度，有必要在已有研究的基礎(chǔ)上，利用近期實測最新水沙資料，系統(tǒng)分析保護區(qū)水沙過程時空演變特點，以期從保護河流生境的角度為水庫生態(tài)調(diào)度提供科學依據(jù)。

2 資料與方法

2.1 研究區(qū)域

保護區(qū)位于四川東部盆地和云貴高原之間(見圖1)，地形條件較為復(fù)雜。具體范圍包括：長江干流金沙江向家壩水電站軸線下1.80 km至重慶馬桑溪長江大橋段，長387.06 km；赤水河云南省境內(nèi)干支流和貴州省、四川省境內(nèi)干流，長628.23 km；岷江下游及其支流越溪河河口，長90.10 km；長江支流南廣河、長寧河、永寧河、沱江、長寧河的河口區(qū)。本文研究區(qū)域僅包括保護區(qū)干流河段，干流河段緊鄰金沙江下游梯級水庫和三峽水庫回水末端(見圖2)，向家壩水文站和朱沱水文站分別是保護區(qū)干流入流和出流的控制水文站。

圖1 長江上游珍稀特有魚類國家級自然保護區(qū)地形[1]

圖2 保護區(qū)河段地理位置示意圖

研究區(qū)域受金沙江流域下游四級梯級水庫建設(shè)影響明顯，其中，烏東德水庫計劃于2020年7月下閘蓄水，白鶴灘水庫計劃于2021年下閘蓄水，溪洛渡和向家壩工程已分別于2013年、2012年蓄水發(fā)電。此外，區(qū)域內(nèi)其他人類活動，如沿江涉水設(shè)施建設(shè)、采砂活動等，也給研究區(qū)域環(huán)境條件帶來了不可忽略的影響。

2.2 數(shù)據(jù)來源與方法

保護區(qū)河段進出口控制站相對位置見圖2，基本信息及資料情況見表1。本文所采用的向家壩水文站(屏山水文站)和朱沱水文站資料來源于長江水利委員會上游水文水資源勘測局和中國三峽建設(shè)管理有限公司，均為實測數(shù)據(jù)。

表1 保護區(qū)河段控制站信息及資料情況統(tǒng)計

水文序列是在一定自然和氣候條件下形成的隨機變化過程。在氣候條件和下墊面條件相對穩(wěn)定時，水文序列具有良好的一致性；當氣候條件急劇變化或人類活動發(fā)生顯著變化時，水文序列會產(chǎn)生趨勢、跳躍、突變等形式的非周期成分，導(dǎo)致序列的一致性遭到破壞，其統(tǒng)計特性也會隨之發(fā)生變化[11-12]。目前，常用的分析水文序列的方法有Mann-Kendall(M-K)檢驗法、有序聚類分析法、雙累積曲線法、累積距平法等[13]。相關(guān)研究表明，M-K檢驗法更廣泛地應(yīng)用于氣象等領(lǐng)域[14]，累積距平法受水文序列時間的長短影響明顯[15]，有序聚類分析法更傾向于純粹的水文數(shù)據(jù)數(shù)理統(tǒng)計[15]，雙累積曲線法能較準確地獲取水沙序列的突變點[16]。因此，本文擬采用雙累積曲線法對研究區(qū)域徑流序列和輸沙序列進行突變檢驗和趨勢分析。

雙累積曲線法是進行時間序列分析的一種常用方法，它的基本原理是2個變量按同一時間長度逐步累加，一個變量作為橫坐標，另一個變量作為縱坐標，以此來描述二者的趨勢性變化。若將累積徑流量作為橫坐標，累積輸沙量作為縱坐標，點繪累積徑流量和累積輸沙量的關(guān)系圖，在正常情況下，累積輸沙量雖有波動，但不會有系統(tǒng)偏離，二者的關(guān)系應(yīng)為一直線；若該直線在某一時間發(fā)生偏轉(zhuǎn)，即斜率發(fā)生變化，則表明降雨以外的因素(通常是人類活動)對年輸沙量產(chǎn)生了影響[16]。斜率發(fā)生變化點對應(yīng)的時間點就為突變點。

基于雙累積曲線判斷保護區(qū)河段水沙受人類活動影響的突變時間。本文將通過日均流量、日最小流量及日最大流量的變化分析，確定研究區(qū)域水文過程是否受到干擾，以評估水利工程建設(shè)對河流水文情勢的影響。

3 水沙數(shù)據(jù)分析

3.1 水沙年際變化特征

為揭示研究區(qū)域水沙總體變化趨勢，點繪出區(qū)域內(nèi)控制性水文站向家壩站和朱沱站1956—2018年間年徑流量和年輸沙量變化(見圖3)。從統(tǒng)計數(shù)據(jù)及變化圖總體來看，近60 a間，向家壩站和朱沱站年徑流量基本維持在多年平均值附近上下波動，向家壩站徑流量多年平均值為1 423億m3，朱沱站徑流量多年平均值為2 633億m3；向家壩站和朱沱站年輸沙量則呈現(xiàn)明顯減少的趨勢，尤其2011年以后，年輸沙量低于多年平均值，兩站輸沙量多年平均值分別為2.09億t和2.61億t，向家壩站輸沙量減少的程度大于朱沱站。

圖3 向家壩站和朱沱站徑流量和輸沙量年際變化

從上述分析結(jié)果來看，在近60 a間研究區(qū)域徑流量沒有明顯的突變時間點，輸沙量則存在明顯的突變時間點。下文將采用數(shù)理統(tǒng)計方法找出輸沙量突變的時間點。

3.2 水沙特征突變及趨勢分析

圖4給出了向家壩站和朱沱站徑流量和輸沙量雙累積曲線變化。從圖4可以直觀地看出，兩站點年徑流量和年輸沙量累積值具有高度的線性相關(guān)性，線性回歸方程擬合系數(shù)R2>0.988。然而，從實測數(shù)據(jù)與線性趨勢線對應(yīng)關(guān)系來看，向家壩站和朱沱站在1998年和2012年以后2個時間點實測值和趨勢值相差最大，可推斷這2個時間點徑流量和輸沙量相關(guān)性發(fā)生了突變。據(jù)此，以這2個時間點為界限，將向家壩站和朱沱站數(shù)據(jù)分為3個階段，繪制了年徑流量和輸沙量雙累積曲線(見圖4(b))，統(tǒng)計了3個時間段徑流量和輸沙量相關(guān)參數(shù)，見表2。

圖4 徑流量-輸沙量雙累積曲線

表2 向家壩站和朱沱站年徑流量和年輸沙量相關(guān)參數(shù)統(tǒng)計

從圖4、表2可以看出：2012年以前，向家壩站和朱沱站年徑流量和年輸沙量累積值呈現(xiàn)高度線性相關(guān)，線性回歸方程R2>0.995，2012年以后，兩站點年徑流量和年輸沙量亦呈現(xiàn)較高的線性相關(guān)，但線性回歸方程R2明顯減??；以1998年和2012年為界，趨勢線斜率發(fā)生轉(zhuǎn)折且逐漸減小，斜率變化幅度2012年節(jié)點遠大于1998年節(jié)點。

根據(jù)雙累積曲線原理，結(jié)合上述分析內(nèi)容可知：在1998年和2012年時間節(jié)點前后，向家壩站和朱沱站上游除受降雨影響外，其他因素對年輸沙量也產(chǎn)生了影響，且2012年影響程度大于1998年；2012年以后，其他因素對朱沱站年輸沙量的影響程度小于對向家壩站的影響程度；近20 a間，向家壩站和朱沱站年輸沙量迅速減小，尤其2012年以后。有關(guān)研究表明，對流域水沙影響最大的因素是降雨和人類活動[17]。因此，在1998年和2012年對向家壩站和朱沱站輸沙量產(chǎn)生影響的因素為人類活動。根據(jù)文獻[18]可知，1998年金沙江支流雅礱江流域二灘水電站蓄水運用，2012年以后金沙江流域向家壩、龍開口、魯?shù)乩⑾宥?、梨園等水電站蓄水運用。由此可推斷，影響向家壩站和朱沱站年輸沙量的人為因素為其上游水電站的建設(shè)及運行。

3.3 生態(tài)水文變化分析

IHA(Indicators of Hydrologic Alteration)方法是目前常用的評估生態(tài)水文變化過程的方法，包括月流量、極限流量、高流量、低流量、漲水落水率持續(xù)時間等32個指標，歸納起來為流量、頻率、出現(xiàn)時間、持續(xù)時間和變化率這具有生態(tài)意義的五大類[19]。IHA方法中的生態(tài)水文指標在一定程度上存在冗余，在實際研究中應(yīng)結(jié)合具體河流選取對生態(tài)系統(tǒng)影響較大的指標進行分析。長江上游珍稀特有魚類國家級自然保護區(qū)中產(chǎn)漂流性卵的魚類占有較高比例，流量、含沙量及水溫等生態(tài)水文條件變化會直接影響其產(chǎn)卵數(shù)量和質(zhì)量，而流量過程中的漲落過程及持續(xù)時間對魚類產(chǎn)卵行為影響最大[20]。基于上述研究，本文擬重點選取流量指標，定量分析梯級水庫建設(shè)運行的不同時段保護區(qū)內(nèi)生態(tài)水文變化特點。

以前文水文系列突變點為分界點，依據(jù)研究區(qū)域水文站點實測逐日流量過程資料，繪制了向家壩站和朱沱站建站—1997年(自然狀態(tài))、1999—2011年(金沙江下游梯級水庫蓄水前)、2013—2018年(金沙江下游梯級水庫蓄水后)3個階段月均流量對比圖(圖5)。

圖5 向家壩站和朱沱站月均流量變化

蓄水前，向家壩站除10月份外，其他月份月均流量較自然狀態(tài)均有不同程度的增加，其中增幅最大的時間段集中在7—9月份；朱沱站，1—6月份月均流量較自然狀態(tài)下均有不同程度的增加，變幅較小，7—12月份月均流量較自然狀態(tài)下均有不同程度的減小，變幅最大的時間段集中在7、8、10月份。

蓄水后，向家壩站和朱沱站，1—4月份，月均流量較自然狀態(tài)下均有不同程度增加，向家壩站的變幅大于朱沱站；6—12月份，月均流量較自然狀態(tài)下均有不同程度的減小，變幅較大的時間集中在6、8、10月份。

從上述分析可以看出，隨著金沙江下游梯級水庫蓄水運用，研究區(qū)域流量過程發(fā)生了明顯的變化，初步可判斷研究區(qū)域內(nèi)魚類產(chǎn)卵環(huán)境發(fā)生了變化。選取研究區(qū)域典型的珍稀、特有魚類胭脂魚及達氏鱘的產(chǎn)卵期3—7月份及11—12月份，進一步分析流量變化對研究區(qū)域魚類產(chǎn)卵場環(huán)境的影響。表3和表4為研究區(qū)域不同階段魚類產(chǎn)卵期流量過程變化。對表3和表4作如下分析。

表3 向家壩站流量過程變化

表4 朱沱站流量過程變化

(1)向家壩站：金沙江下游梯級水庫蓄水前(1999—2011年)和自然狀態(tài)(建站—1997年)相比，3—7月份、11—12月份日均流量均有不同幅度的增加，其中3、4月份日均流量增幅較大，分別達34.3%、21.2%，日最小流量和日最大流量基本不變；日最小流量出現(xiàn)時間均集中在3月中旬，日最大流量出現(xiàn)時間均集中在8月中旬；金沙江下游梯級水庫蓄水后(2013—2018年)和自然狀態(tài)(建站—1997年)相比，3—5月份日均流量均有不同幅度的增加，與蓄水前類似，3、4月份日均流量增幅較大，分別達58.5%、69.5%，日均流量在蓄水前基礎(chǔ)上進一步增大，6—7月份及11—12月份，日均流量與蓄水前變化相反，與蓄水前及自然狀態(tài)相比均有所減小，減小幅度以6—7月份最為明顯；日最小流量顯著增大，出現(xiàn)時間顯著變化，日最大流量顯著減小，出現(xiàn)時間基本不變。

(2)朱沱站：3—4月份和6月份，日均流量變化規(guī)律與向家壩站保持一致，3—4月份隨著金沙江下游梯級水庫蓄水運用，日均流量逐漸增大，6月份日均流量先增后減；5月份，日均流量變化規(guī)律與向家壩站相反，日均流量逐漸減?。?月份和12月份，金沙江下游梯級水庫蓄水后，日均流量變化規(guī)律與向家壩站保持一致，日均流量較自然狀態(tài)下同程度減??；日最小流量隨著金沙江下游梯級水庫蓄水先減后增，出現(xiàn)時間明顯改變；日最大流量則先增后減，出現(xiàn)時間有所改變。

從上述分析可以看出， 隨著金沙江下游梯級水庫的建設(shè)及蓄水運用， 研究區(qū)域在魚類產(chǎn)卵期內(nèi)流量均值及峰值與自然狀態(tài)下相比發(fā)生明顯改變， 且蓄水運用后多數(shù)月份流量變化幅度明顯大于水庫建設(shè)過程， 顯而易見， 金沙江下游梯級水庫建設(shè)對保護區(qū)生態(tài)水文指標的影響是一個長期且累積的效應(yīng)。

4 結(jié) 論

(1)通過長時間序列水沙資料變化趨勢分析，近60 a間，向家壩站和朱沱站年徑流量基本維持在多年平均值附近上下波動，年輸沙量則呈現(xiàn)明顯減少的趨勢，尤其1998年以后，年輸沙量遠低于多年平均值，向家壩站輸沙量減少的程度大于朱沱站；研究區(qū)域徑流量沒有明顯的突變時間點，輸沙量則存在明顯的突變時間點。

(2)徑流量和輸沙量雙累積曲線相關(guān)性分析表明：1998年和2012年是輸沙量發(fā)生突變的時間點；在1998年和2012年時間節(jié)點前后，向家壩站和朱沱站上游除受降雨影響外，其他因素對年輸沙量產(chǎn)生了影響，且2012年影響程度大于1998年；2012年以后，其他因素對朱沱站年輸沙量的影響程度小于對向家壩站的影響程度；近20 a間，向家壩站和朱沱站年輸沙量迅速減小，尤其2012年以后；影響向家壩站和朱沱站年輸沙量的人為因素為其上游水電站的建設(shè)及運行。

(3)輸沙量時間突變點前后月均流量過程分析表明：金沙江梯級水庫蓄水前，向家壩站除10月份外，其他月份月均流量較自然狀態(tài)均有不同程度的增加，其中增幅最大的時間段集中在7—9月份；朱沱站，1—6月份月均流量較自然狀態(tài)下均有不同程度的增加，7—12月份月均流量較自然狀態(tài)下均有不同程度的減小，變幅最大的時間段集中在7、8、10月份；蓄水后，向家壩站和朱沱站，1—4月份，月均流量較自然狀態(tài)下均有不同程度增加，向家壩站的變幅大于朱沱站；6—12月份，月均流量較自然狀態(tài)下均有不同程度的減小，變幅較大的時間集中在6月份、8—10月份。

(4)保護區(qū)魚類產(chǎn)卵期日均流量過程分析表明：金沙江梯級水庫蓄水運用前后與自然狀態(tài)相比，產(chǎn)卵期日均流量或增或減，均出現(xiàn)了不同程度的變化，日均流量、流量峰谷值及相應(yīng)出現(xiàn)時間均發(fā)生明顯變化；以保護區(qū)進口控制站向家壩站為例，在金沙江下游梯級水庫蓄水后，3—5月份日均流量較自然狀態(tài)下均有不同幅度的增加，3、4月份日均流量增幅較大，分別達58.5%、69.5%；日最小流量顯著增大，出現(xiàn)時間顯著變化，日最大流量顯著減小，出現(xiàn)時間基本不變。