廖文婷,鄧紅兵,李若男,鄭 華,*

1 中國(guó)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心城市與區(qū)域生態(tài)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100085 2 中國(guó)科學(xué)院大學(xué),北京 100049

水利工程給人類(lèi)帶來(lái)防洪、發(fā)電、航運(yùn)效益的同時(shí),也對(duì)流域生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生一些負(fù)面影響。許多學(xué)者圍繞水利工程的生態(tài)效應(yīng)開(kāi)展了大量研究,對(duì)其水文效應(yīng)的研究較少。Deitch等使用GIS水文模型分析水利工程對(duì)徑流的影響,結(jié)果表明水利工程在干旱年份對(duì)徑流的影響約為40%,在常規(guī)年份影響程度為50%[1]。陸國(guó)賓等對(duì)丹江口水庫(kù)以下徑流研究發(fā)現(xiàn),水庫(kù)運(yùn)行對(duì)下游徑流的影響主要是徑流的年內(nèi)分配,但影響隨距離的增加而減弱,仙桃站汛期流量比例由1967年以前75.7%下降至1967年以后65.4%,減少了洪水發(fā)生的幾率[2]。水利工程和下墊面作為人類(lèi)活動(dòng)的兩個(gè)主要因素,二者對(duì)徑流的影響程度難以區(qū)分,孫新國(guó)等基于SWAT模型模擬水利工程和下墊面變化下的徑流變化,結(jié)果發(fā)現(xiàn)中水利工程對(duì)徑流的影響比重為91.3%,下墊面變化的影響只占8.7%[3]。除了對(duì)徑流的影響,水利工程對(duì)河流含沙量和下游生境也造成了不少影響。2003—2006年期間約60%的泥沙被三峽攔截,導(dǎo)致大壩下游泥沙量減少,將造成下游河道侵蝕、發(fā)生形態(tài)學(xué)的改變[4]；謝永宏等研究表明洞庭湖泥沙淤積速度減緩,有利于增強(qiáng)洞庭湖調(diào)蓄空間,延長(zhǎng)洞庭湖壽命,但同時(shí)也改變了洞庭湖植物群落演替方式,使群落演替方式主要以慢速方式進(jìn)行,演變模式為：水生植物-苔草-蘆葦-木本植物[5]；這些以水利工程水文效應(yīng)為對(duì)象的研究主要集中在對(duì)洪水、含沙量及生態(tài)效益的研究,對(duì)于枯水期影響的研究涉及較少?？菟秃樗m同屬于水文學(xué)極值研究范疇,但由于枯水早期對(duì)人類(lèi)未產(chǎn)生較大影響,研究進(jìn)展落后于洪水。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,人口激增,水資源供需矛盾日益突出,尤其在枯水季節(jié),產(chǎn)生了由于徑流減少引起的水污染加重的問(wèn)題,過(guò)度利用枯水資源造成河流斷流等生態(tài)問(wèn)題,需要加強(qiáng)水利工程對(duì)枯水期影響的研究。

本文以葛洲壩水利樞紐和三峽工程為研究對(duì)象,以宜昌水文站118年(1890—2014年,缺失1940—1945,1961)日徑流資料為基礎(chǔ),分析水利工程建設(shè)對(duì)宜昌站徑流分配和枯水期時(shí)間的影響,其目標(biāo)是：揭示葛洲壩水利樞紐和三峽工程對(duì)長(zhǎng)江干流徑流年內(nèi)分配和枯水期的影響方向和程度及可能帶來(lái)的生態(tài)問(wèn)題,為流域水安全和水資源管理提供基礎(chǔ)信息。

1 研究區(qū)域與方法

1.1 研究區(qū)概況

長(zhǎng)江流域是我國(guó)水資源最為豐富的流域之一,2014年長(zhǎng)江區(qū)水資源總量高達(dá)10150.3億m3,居全國(guó)首位,超過(guò)全國(guó)水資源總量1/3[6]。雖然長(zhǎng)江區(qū)水資源總量很大,但是受季風(fēng)性氣候影響,汛期流量約占徑流總量的70%,難以利用,在非汛期,季節(jié)性缺水與發(fā)電航運(yùn)等用水矛盾仍然十分突出。水庫(kù)是調(diào)節(jié)河道水流、解決季節(jié)性和工程性缺水問(wèn)題的主要途徑,為了滿(mǎn)足日益增長(zhǎng)的水利需求,流域修建了很多大型水利工程,至2009年年底,長(zhǎng)江流域已建成各類(lèi)水庫(kù)4.6萬(wàn)座,總興利庫(kù)容1200多億m3,其中大型水庫(kù)166座,總興利庫(kù)容966億m3[7]。峽工程是迄今世界上綜合效益最大的水利樞紐,位于長(zhǎng)江上游,距下游葛洲壩水利樞紐工程38km,是具有防洪、發(fā)電、航運(yùn)、供水和補(bǔ)水等綜合效益的水資源多目標(biāo)開(kāi)發(fā)工程,水庫(kù)正常蓄水位175m,總庫(kù)容393億m3,正常運(yùn)行后可使荊江河段防洪標(biāo)準(zhǔn)由約十年一遇提高到百年一遇[8]。宜昌水文站是距離葛洲壩水利樞紐和三峽水利最近的水文站,位于三峽工程下游43km處[9],也是長(zhǎng)江干流最早設(shè)立的水文站之一,擁有較長(zhǎng)時(shí)間實(shí)測(cè)水文資料。

1.2 研究方法

1.2.1 徑流年內(nèi)分配表征指標(biāo)

(1)集中度(CRCD)和集中期(CRCP)

集中度和集中期是使用向量法表征徑流年內(nèi)分配的兩個(gè)重要指標(biāo)?；舅枷胧菍?年內(nèi)各月的徑流量看作向量,徑流量的大小即為向量的長(zhǎng)度,所處月份為向量的方向[10]。集中度是指各月徑流以向量的方式累加,和向量大小占年徑流量的百分?jǐn)?shù),其意義是反映徑流量在年內(nèi)的集中程度；集中期是指和向量的方位(以正切角度表示),反映全年徑流集中的重心所出現(xiàn)的時(shí)間[11],集中期角度越大表示徑流重心出現(xiàn)的時(shí)間越晚。

具體計(jì)算方法：

式中,Ri為第i月徑流向量；RXi為第i月徑流向量在X軸方向上的分量；RYi為第i月徑流向量在Y軸方向上的分量。

(2) 徑流集中度突變分析方法(M-K突變檢驗(yàn))

M-K abrupt test是非參數(shù)統(tǒng)計(jì)分析法,國(guó)內(nèi)外學(xué)者常用來(lái)分析水文變量的趨勢(shì)變化和突變現(xiàn)象[12- 13],其優(yōu)點(diǎn)是變量不需要服從一定的分布,而且檢驗(yàn)精度高。M-K突變檢驗(yàn)可以檢驗(yàn)時(shí)間序列數(shù)據(jù)發(fā)生突變的時(shí)間,運(yùn)用該方法可以明確徑流集中度發(fā)生突變的時(shí)間。

1.2.2 枯水期時(shí)間變化

(1)枯水期流量確定方法——FDC(Flow duration curve)曲線(xiàn)

流量歷時(shí)曲線(xiàn)(FDC)是反映徑流分配的一種曲線(xiàn),根據(jù)研究目的不同,可以選擇以日、月、季度為間隔,形成不同的歷時(shí)曲線(xiàn)[14],反映不同季節(jié)或時(shí)期徑流分配。本文采用綜合日流量歷時(shí)曲線(xiàn),這種歷時(shí)曲線(xiàn)能真實(shí)地反映流量在多年期間的歷時(shí)情況[15]。流量歷時(shí)曲線(xiàn)是枯水研究中提供最多信息的方法,在水資源開(kāi)發(fā)、環(huán)境保護(hù)等實(shí)際工作中,經(jīng)常采用FDC低端部分流量作為設(shè)計(jì)枯水流量[16]。在以不間斷河流為對(duì)象的研究中,一般將頻率70%—90%以下的流量認(rèn)為是枯水流量,但具體的取值視該流域水文情況設(shè)定。本文參考宜昌站枯水期研究相關(guān)文獻(xiàn)[17]和枯水期相關(guān)報(bào)道[18],選取流超頻率65%對(duì)應(yīng)的流量(Q65)為宜昌枯水期流量上限閾值,作為研究宜昌站枯水期(即宜昌站流量低于枯水期流量上限閾值)時(shí)間的分布的基礎(chǔ)。

計(jì)算宜昌站多年平均日流量并在海森頻率格紙上繪制FDC曲線(xiàn)(圖1),圖中縱坐標(biāo)是宜昌站多年平均日流量,橫坐標(biāo)是流超頻率(exceedance frequency),表示等于或超過(guò)某一特定流量的時(shí)間占比[19]。研究選擇65%對(duì)應(yīng)的流量(Q65=6536m3/s)作為枯水期閾值,宜昌站徑流低于這個(gè)閾值即認(rèn)為宜昌站處于枯水期,用于探究宜昌站枯水期時(shí)間上的分布。

圖1 宜昌站多年平均日流量歷程曲線(xiàn)Fig.1 Flow duration curve of daily water discharge in YichangQ65: 表示流超頻率65%對(duì)應(yīng)的流量

(2)枯水期時(shí)間分布分析——相位差、統(tǒng)計(jì)頻率

通過(guò)繪制水利工程建設(shè)前后多年平均日流量過(guò)程曲線(xiàn),可以客觀的展示建壩前后徑流在日尺度上的分配。由于水庫(kù)蓄水對(duì)徑流的調(diào)節(jié)作用,將引起枯水流量出現(xiàn)的相對(duì)位置不同,形成相位差。若用t蓄水前,t蓄水后分別表示水利工程蓄水前后河流進(jìn)入枯水期的時(shí)間(用1年中第t天表示),如果t蓄水前>t蓄水后,則表示枯水期開(kāi)始時(shí)間提前,t蓄水前-t蓄水后就是枯水期提前的天數(shù)。

計(jì)算每一年宜昌站進(jìn)入枯水期的時(shí)間,并對(duì)建壩前后枯水期開(kāi)始時(shí)間分別進(jìn)行頻次統(tǒng)計(jì),頻率最高對(duì)應(yīng)的時(shí)間段就是該時(shí)期枯水期最可能發(fā)生的時(shí)間。

2 結(jié)果與分析

2.1 宜昌站徑流年內(nèi)分配特征

2.1.1 集中度

水利工程建設(shè)是影響河流徑流集中度最主要的因素[20],根據(jù)水利工程完工時(shí)間(1981年葛洲壩截流工程勝利合龍,2003年三峽工程建設(shè)完成開(kāi)始蓄水)可以將研究時(shí)段分為3個(gè)時(shí)期：1954—1980(缺1961)、1981—2002、2003—2014(圖2)。近60年來(lái),宜昌集中度總體呈現(xiàn)下降趨勢(shì),2014年徑流集中度與1954年相比下降幅度為30.15%,說(shuō)明徑流在年內(nèi)的分配趨于均勻。前兩個(gè)時(shí)期(1954—1980年,1981—2002年)下降趨勢(shì)相近(斜率分別為-0.0014和-0.0019),說(shuō)明葛洲壩水利樞紐對(duì)徑流集中度影響較?。坏?個(gè)時(shí)期(2003—2014年)徑流集中度下降趨勢(shì)明顯(斜率為-0.0069),說(shuō)明三峽工程對(duì)宜昌站徑流年內(nèi)分配影響較大。

圖2 宜昌站(1954—2014)徑流集中度年際變化圖Fig.2 Time series of annual CRCD in Yichang

宜昌站徑流集中度年際變化結(jié)果與宜昌站徑流集中度M-K突變分析的結(jié)果一致(圖3),1954—2014年宜昌站徑流集中度只有2004年一個(gè)突變點(diǎn),與三峽工程2003年6月1日開(kāi)始蓄水的時(shí)間點(diǎn)相吻合,說(shuō)明三峽工程的建成較大程度上改變了宜昌站徑流的年內(nèi)分配。

圖3 宜昌站年徑流集中度突變點(diǎn)Fig.3 Change point at CRCD year in Yichang

2.1.2 集中期

宜昌站60年徑流集中期年際變化(圖4)表明：宜昌站徑流集中期1954—1980年呈現(xiàn)微弱上升趨勢(shì)(斜率為0.0489)。葛洲壩建成以后,集中期開(kāi)始提前(斜率為-0.3427),三峽大壩建設(shè)以后,這種徑流重心提前趨勢(shì)更為明顯(斜率為-0.8583)。

圖4 宜昌站(1954—2014)徑流集中期年際變化圖Fig.4 Time series of annual CRCP in Yichang

2.2 水利工程對(duì)宜昌站枯水期開(kāi)始時(shí)間的影響

2.2.1 枯水期開(kāi)始時(shí)間相位差

分別計(jì)算宜昌站3個(gè)研究時(shí)期日均流量并繪制日均流量過(guò)程曲線(xiàn)(圖5),日均流量低于Q65的天數(shù)大致分布在一年中第1—109天和第337—365天,枯水期歷時(shí)約4個(gè)半月。1890—1980年枯水期從第345天(12月10日)開(kāi)始；1981—2002年枯水期開(kāi)始時(shí)間從第342天(12月07日),較上一時(shí)期提前了3d；2003—2014年枯水期開(kāi)始時(shí)間從第337天(12月02日),較1981—2002年提前5d。三峽工程建成以后宜昌站進(jìn)入枯水期的時(shí)間要比葛洲壩水利樞紐建成以前提前8d(圖5)。

圖5 不同時(shí)期宜昌站日流量歷程曲線(xiàn)Fig.5 Hydrograph of daily runoff in Yichang

2.2.2 枯水期開(kāi)始時(shí)間頻率統(tǒng)計(jì)

以5d為間隔,統(tǒng)計(jì)3個(gè)研究時(shí)期宜昌站進(jìn)入枯水期時(shí)間的頻次并繪制頻率分布圖(圖6),1890—1980年和1981—2002年進(jìn)入枯水期的時(shí)間都在12月07日到12月11日之間,2003—2014年枯水期開(kāi)始時(shí)間在11月17日—11月11月21日,枯水期相對(duì)前兩個(gè)時(shí)期,提前約20d。

圖6 不同時(shí)段宜昌站枯水期起始時(shí)間頻率統(tǒng)計(jì)Fig.6 Frequency statistics of dry season beginning in Yichang

3 討論與結(jié)論

通過(guò)對(duì)比分析3個(gè)時(shí)期徑流集中度和集中期可以發(fā)現(xiàn),宜昌站1954—1980年和1981—2002年徑流年內(nèi)分配特征較接近,徑流集中度約為0.46,徑流集中期出現(xiàn)在8月中上旬,與多年平均基本一致；而2002—2014年徑流集中度約為0.40,徑流集中期出現(xiàn)在7月底,相對(duì)多年平均而言徑流重心提前了約8d(表1)。由此可見(jiàn),三峽工程對(duì)徑流年內(nèi)分配的影響要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于葛洲壩水利樞紐工程(貢獻(xiàn)率分別為92.03%和7.97%),這主要是由于葛洲壩水利樞紐屬于低水頭徑流式水電站,徑流調(diào)節(jié)能力較小[21]。從宜昌站徑流流集中度下降的趨勢(shì)來(lái)看,通過(guò)水利工程蓄水的調(diào)節(jié)作用,宜昌站徑流在年內(nèi)分布趨于平緩,洪峰被削弱,減少洪水發(fā)生的幾率,這對(duì)于長(zhǎng)江中游防洪十分有益[2]。

枯水期開(kāi)始時(shí)間(一年中流量低于6536m3/s的開(kāi)始時(shí)間)相位差和頻率統(tǒng)計(jì)兩種分析方法都表明宜昌站枯水期有不同程度的提前(分別為8d和20d),這可能是由于水庫(kù)在汛末(10月)蓄水,導(dǎo)致宜昌站提前進(jìn)入枯水季節(jié)。相關(guān)研究也表明宜昌站10月徑流減少趨勢(shì)明顯并且只有2003年一個(gè)突變點(diǎn),前后平均流量相差5100m3/s,說(shuō)明三峽工程對(duì)汛末徑流量影響較大[9]。三峽工程對(duì)徑流的影響主要通過(guò)蓄水進(jìn)行,按照最初規(guī)劃方案,蓄水從10月份開(kāi)始,正常運(yùn)行時(shí)11月份水位達(dá)到175m蓄水結(jié)束,翌年1月份陸續(xù)放水發(fā)電,起到了在枯季對(duì)長(zhǎng)江中下游干流補(bǔ)水的作用,但也導(dǎo)致了水利工程下游枯水期的提前。

表1 宜昌站徑流年內(nèi)分配統(tǒng)計(jì)特征

圖7 候鳥(niǎo)保護(hù)區(qū)區(qū)位圖Fig.7 Frequency statistics of dry season beginning in Yichang

水利工程不利的生態(tài)影響也不能忽視。一方面,集中度降低的同時(shí)水位波動(dòng)幅度也會(huì)相應(yīng)減少,研究表明三峽工程的調(diào)蓄作用使得洞庭湖年內(nèi)水位波動(dòng)幅度減小,主要有利于較低高程的蘆葦生長(zhǎng),生物量增大,而在較高高程的蘆葦由于得不到充足的水分,生物量相對(duì)減少,逐漸被防護(hù)林代替[22],改變了流域原有的植被生長(zhǎng)規(guī)律,而且長(zhǎng)期的高水位和低水位以及非周期性的水位季節(jié)變動(dòng)會(huì)破壞水生植被長(zhǎng)期以來(lái)對(duì)水位周期性變化所產(chǎn)生的適應(yīng)性,從而影響植被的正常生長(zhǎng)繁衍和演替[23]；另一方面三峽工程蓄水后,宜昌站10月流量有顯著下降,這對(duì)于江河關(guān)系有顯著影響,研究表明三峽工程運(yùn)行后,洞庭湖江湖水量交換程度減弱且仍有減弱趨勢(shì)[24],另一方面由于平湖和南洞庭湖湖底高程超過(guò)26m,流量減少提前退出汛期使得長(zhǎng)江來(lái)水在枯水期將無(wú)法進(jìn)入該湖區(qū),水量的減少會(huì)加劇這一水域的污染形勢(shì)[25]。此外,蓄水導(dǎo)致枯水期提前對(duì)下游生態(tài)環(huán)境也可能造成了一些不利的影響,枯水期提前導(dǎo)致鄱陽(yáng)湖候鳥(niǎo)保護(hù)區(qū)洲提前顯露和水域縮小(圖7),將對(duì)候鳥(niǎo)的正常越冬產(chǎn)生不利影響,保護(hù)區(qū)內(nèi)高程11.5—14m的洲灘地帶是候鳥(niǎo)最適宜的息地,洲灘地提前顯露會(huì)加速水面以上灘地失去水分和板結(jié),當(dāng)候鳥(niǎo)10月下旬至11月中旬遷來(lái)時(shí),此高程范圍內(nèi)植物大部分已枯死,不適宜候鳥(niǎo)食用[26]。因此,應(yīng)當(dāng)優(yōu)化水庫(kù)調(diào)度方式,充分考慮水利工程蓄水對(duì)流域水文和生態(tài)環(huán)境的影響,結(jié)合水文氣象預(yù)測(cè)結(jié)果調(diào)整調(diào)度方式,維持河道適宜環(huán)境流量,實(shí)現(xiàn)水資源的合理利用。

不過(guò),三峽水庫(kù)汛末蓄水時(shí)間和蓄水量的選取是一個(gè)典型的多目標(biāo)決策問(wèn)題,應(yīng)綜合考慮水庫(kù)防洪、發(fā)電、航運(yùn)、生態(tài)用水等多方面之間的利益與矛盾。許多學(xué)者針對(duì)水庫(kù)運(yùn)行方式優(yōu)化進(jìn)行了多方面的探索,可為三峽水庫(kù)運(yùn)行管理提供參考：有研究學(xué)者提出當(dāng)水庫(kù)汛末提前30d分階段蓄水,最能充分發(fā)揮水庫(kù)的綜合效益[27]；戴凌全等針對(duì)三峽水庫(kù)蓄水對(duì)洞庭湖水位及生態(tài)的影響,建立了面向洞庭湖生態(tài)需水的水庫(kù)優(yōu)化調(diào)度模型,優(yōu)化調(diào)度方案可使洞庭湖最小生態(tài)需水滿(mǎn)足度不同程度提高(平水年提高4.04%,枯水年0.84%)[28]；陳桂亞提出汛末蓄水方案為在10月底蓄滿(mǎn)率達(dá)96%,同時(shí)他還建議將寸灘50000m3/s作為減淤調(diào)度啟動(dòng)條件,當(dāng)達(dá)到減淤調(diào)度啟動(dòng)條件時(shí),調(diào)度三峽水庫(kù)水位日降幅在0.5m,加大泥沙沖刷力度,實(shí)踐證明減淤效果明顯[8]；郭文獻(xiàn)等針對(duì)三峽工程的生態(tài)調(diào)度目標(biāo)進(jìn)行了研究,提出三峽工程應(yīng)采取盡可能維持高水頭發(fā)電的運(yùn)行方式,通常三峽工程一般年份4月底水庫(kù)水位仍處于較高水位,而防洪要求6月10日水庫(kù)水位下降到防洪限制水位145m,因而在5月份至6月上旬有較大的蓄水下泄,完全有條件實(shí)施有利于四大家魚(yú)產(chǎn)卵的生態(tài)調(diào)度措施,即盡量減小采用均勻泄水原則,適時(shí)地采取洪水脈沖調(diào)度措施,以滿(mǎn)足四大家魚(yú)產(chǎn)卵繁殖所需的漲水條件,在保證不損失較大發(fā)電效益的同時(shí)有利于水庫(kù)下游生態(tài)[29]。

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