劉文彬，楊 濤，2，杜牧野，2，孫福寶*，劉昌明

（1.中國科學(xué)院 地理科學(xué)與資源研究所 陸地水循環(huán)及地表過程重點實驗室，北京 100101；2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

大型水利水電工程在充分利用水資源、防洪減災(zāi)、改善航運和水力發(fā)電等方面發(fā)揮了巨大作用[1-2]。目前世界已建成和在建的200 m級以上的高壩達96座，其中我國就有32座（主要集中在西部地區(qū)），占世界總量的33%。這些高壩大庫的修建將使河道的流量變化不再取決于季節(jié)性降水，并且天然狀態(tài)下的水溫、輸沙率、極值流量和河流生境也將發(fā)生根本性變化，形成新的河道沖刷、河湖沖淤、洲灘演變和水量季節(jié)分配，給流域防洪、水資源和生態(tài)安全帶來新的挑戰(zhàn)[3，4]。為了更好地評估河流建壩的效益和潛在風(fēng)險，越來越多的科學(xué)家開始致力于建壩后水沙情勢和生態(tài)環(huán)境變化的監(jiān)測和研究[5-9]。

三峽大壩是長江流域規(guī)模最大的控制性水庫，也是迄今為止世界上最大的水利樞紐工程。三峽大壩修建于1993-2009年，壩高和壩長分別為185 m和2 335 m，正常蓄水位175 m，枯季消落最低水位155 m，汛期防洪限制水位145 m，相應(yīng)的防洪庫容、興利庫容和總庫容別為2.22×1010m3、1.65×1010m3和3.93×1010m3，發(fā)揮著發(fā)電（平均年發(fā)電量約882億kW·h）、防洪、供水和航運等綜合效益，在長江經(jīng)濟帶流域開發(fā)、治理、保護和社會經(jīng)濟發(fā)展中發(fā)揮著重要作用[10-11]。三峽水庫采用以防洪和發(fā)電為目標(biāo)的季節(jié)性調(diào)蓄機制，即洪水季節(jié)（6-9月）維持145 m的低壩前水位，用于保障防洪庫容，洪水季結(jié)束后（10月到次年1月）水庫開始蓄水至壩前水位175 m用于發(fā)電，至次年6月雨季來臨前壩前水位再逐漸降低到145 m[12]。三峽水庫的調(diào)蓄作用使得秋季蓄水期水庫出流量減少2 790～5 880 m3/s，而枯季水庫出流量平均增加2 000 m3/s[12]。

三峽水庫的建設(shè)和運行勢必對長江中下游的水文節(jié)律、泥沙沖淤、江湖連通、濕地和水生生態(tài)系統(tǒng)帶來影響?？茖W(xué)評估三峽水庫運行對長江中下游的可能影響，對最大限度發(fā)揮三峽水庫的積極作用、規(guī)避潛在的生態(tài)環(huán)境風(fēng)險、制定科學(xué)合理的水庫調(diào)度方案具有重要的實踐意義。圍繞三峽水庫工程對長江中下游水沙情勢、防洪、湖盆沖淤、江湖關(guān)系和水生態(tài)環(huán)境的影響，已有學(xué)者開展了相關(guān)研究工作[13-17]。本文選擇三峽水庫以下長江干流4個典型水文站，基于長序列日流量觀測，從日、月和年3個時間尺度，系統(tǒng)評估三峽水庫運行對長江中下游流域水文機制的影響，為長江干支流控制性水庫群運行新常態(tài)下，長江中下游防洪安全、水資源合理配置和維持水生生態(tài)系統(tǒng)健康穩(wěn)定提供科學(xué)依據(jù)和參考。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)域

長江是世界第三大河流，流域覆蓋我國上海、蘇州、浙江、安徽、江西、湖北、湖南、重慶、四川、貴州和云南11個省市，占國土面積的21%。長江流域養(yǎng)育了全國42.9%的人口，貢獻了41.6%的國民生產(chǎn)總值和40.8%的進出口總額，經(jīng)濟綜合實力較強、發(fā)展?jié)摿薮骩18]。長江流域水資源豐富，江湖關(guān)系復(fù)雜，生態(tài)地位突出。長期以來以經(jīng)濟增長為主導(dǎo)的發(fā)展思路帶來水土流失、岸線占用、水環(huán)境污染、濕地退化、珍稀物種滅絕等一系列問題，造成流域中下游水資源供需矛盾增大、江湖關(guān)系緊張和水生生態(tài)系統(tǒng)退化。特別是以三峽為代表的控制性水庫群的建設(shè)和運行，對長江中下游的水文節(jié)律、泥沙沖淤、洲灘演變、防洪和生態(tài)安全產(chǎn)生了重要影響[19]。本研究以三峽水庫以下長江中下游流域為研究對象（圖1），系統(tǒng)評估三峽水庫運行對中下游典型水文站水文機制的影響規(guī)律。

圖1 研究區(qū)域位置Fig.1 Location of study area

1.2 數(shù)據(jù)來源

本研究采用的降水資料是中國地面降水日值0.50×0.50格點數(shù)據(jù)集（V2.0，1961-2013年），該數(shù)據(jù)集是由2 474個國家氣象站的降水觀測資料經(jīng)ANUSPLIN軟件的薄盤樣條法空間插值獲得的，可以在中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)（data.cma.cn）下載。長江中下游干流主要水文站（宜昌站、螺山站、漢口站和大通站）逐日徑流數(shù)據(jù)獲取自長江水資源保護研究所。其中，宜昌站可用徑流數(shù)據(jù)的年份為1878-1879年、1882-1902年、1906-1910年、1983-2001年和2004-2016年；螺山站可用徑流數(shù)據(jù)的年份為1984-1990年和2001-2013年；漢口站和大通站可用徑流數(shù)據(jù)的年份為1952-2016年和1950-2016年。

1.3 數(shù)據(jù)分析

三峽水庫2003年5月開始第一次蓄水（壩前水位由67 m升至135 m），2006年10月開始試調(diào)蓄（壩前水位由135 m升至156 m），2008年完成第三階段蓄水（壩前水位由145 m升至172 m）。為便于分析三峽水庫運行對中下游流域典型水文站水文機制的影響，本研究以2005年12月31日作為分界點將降水和徑流數(shù)據(jù)分為2005年前（最長時段為1978-2005年，中間有數(shù)據(jù)缺失）和2005年后（最長時段為2006-2016年，中間無數(shù)據(jù)缺失）兩個時段，從日、月和年3個時間尺度對水文站的徑流機制變化進行對比分析。通常，我們可以采用數(shù)量、變異和頻率、歷時、變化時間、變化率5類基本指標(biāo)來描述水文站監(jiān)測斷面長期的流量過程線[20]，即流域的水文機制。本研究選用17個基本指標(biāo)（包括反映數(shù)量的指標(biāo)4個，反映變異和頻率的指標(biāo)6個，反映歷時的指標(biāo)2個，反映變化時間的指標(biāo)3個和反映變化率的指標(biāo)2個）反映長江中下游主要水文站的水文機制變化，不同指標(biāo)具體的定義、簡稱和單位可參考表1和相關(guān)文獻[20，21]。根據(jù)每個水文站的日流量數(shù)據(jù)逐年計算每一個指標(biāo)，以2005年作為分界點將這些指標(biāo)分成兩個時段并計算每個時段的平均值。采用兩個時段指標(biāo)的變化百分比（PC，%）來反映三峽水庫運行對某一水文機制的影響，并可根據(jù)變化百分比的數(shù)值對水庫運行后流域水文機制的變化程度進行分級[21]，例如：-5%≤PC≤5%為某一水文機制（如非洪水季前日流量變異系數(shù)）無變化，-25%≤PC＜-5%或5%＜PC≤25%為輕微變化，-50%≤PC＜-25%或25%＜PC≤50%為中度變化，-75%≤PC＜-50%或50%＜PC≤75%為重度變化，PC＜-75%或PC＞75%為強烈變化。

表1 用于描述流量過程線的水文機制指標(biāo)Tab.1 Flow regime metrics used for description of long-term hydrograph

2 結(jié)果分析

2.1 三峽水庫運行對日流量和徑流年內(nèi)分配的影響

以各水文站2005年前后兩段日徑流資料，分別繪制流量經(jīng)驗累積概率曲線，對比分析三峽水庫運行對各站日徑流量的影響（圖2）。宜昌站、螺山站、漢口站和大通站的日流量累積概率曲線對三峽水庫調(diào)蓄呈現(xiàn)一致的響應(yīng)規(guī)律，即低值流量出現(xiàn)頻率增加而高值流量出現(xiàn)頻率降低，平均日徑流量有所減少。三峽水庫通過蓄豐補枯和削減洪峰，使流域的徑流過程有所坦化。水庫調(diào)蓄和氣候變化是各水文站低值流量出現(xiàn)概率增加的主要原因。

圖2 長江中下游典型水文站2005年前后日徑流量經(jīng)驗累積概率分布Fig.2 Empirical cumulative probability distribution of daily streamflow at major hydrological stations in the middle and lower reaches of the Yangtze River before and after 2005

根據(jù)1961-2013年各水文站逐月徑流資料及其控制流域的面平均降水量，計算2005年前后兩段時間多年平均月降水和徑流量（圖3）。需要注意的是不同水文站徑流數(shù)據(jù)會有一定的缺失值，在計算面平均降水量時應(yīng)去掉徑流缺失月份對應(yīng)的降水量，以保證各站降水和徑流數(shù)據(jù)在時間上的一致性。相比于三峽水庫運行前，2005年1-6月和8-10月宜昌站、螺山站、漢口站和大通站控制流域面平均降水量均有所減少，7月降水量有所增加。宜昌站和漢口站控制流域面平均降水量在11月份無明顯變化，但螺山站和大通站控制流域的降水量有所增加。12月宜昌站和漢口站控制流域面平均降水量有所減少，大通站控制流域的降水量有所增加，而螺山站控制流域降水量無明顯變化。

各站月平均徑流量并沒有表現(xiàn)出與其控制流域面平均降水一致的變化規(guī)律，而與三峽水庫的季節(jié)性調(diào)蓄關(guān)系密切，這也反映了三峽水庫對長江中下游流域水文節(jié)律的調(diào)節(jié)作用。相比于三峽水庫運行前，各站徑流量在1-3月均有所增加，5-12月有所減少，尤其在7月徑流明顯減少。三峽水庫主要通過減少蓄水期洪峰流量以及河川徑流、增加旱季徑流來改變流域水文過程。另外，氣候變化（降水變化）也對中下游水文站的徑流量變化產(chǎn)生一定影響。

2.2 三峽水庫運行后長江中下游主要水文站水文機制的變化

三峽水庫運行后，長江中下游主要水文站平均日流量（大通站無明顯變化）、洪水季平均日流量（大通站無明顯變化）和非洪水季后期平均日流量（宜昌站發(fā)生中度減少）出現(xiàn)輕微減少，非洪水季前期平均日流量（宜昌站發(fā)生中度增加）輕微增加，沿長江自上而下各站受到的影響逐漸減弱。日流量變異系數(shù)、洪水季日流量變異系數(shù)和極端枯季流量發(fā)生頻次在2005年后輕微減弱（大通站日流量變異系數(shù)無明顯變化）。非洪水季前期日流量變異系數(shù)在宜昌站和漢口站呈現(xiàn)中度減少，而在螺山站和大通站呈現(xiàn)輕微減少。非洪水季后期日流量變異系數(shù)在宜昌站、漢口站和大通站均發(fā)生中度減少?？菁玖髁堪l(fā)生次數(shù)在漢口站發(fā)生中度減少，而在其他站發(fā)生輕微減少。

圖3 長江中下游典型水文站2005年前后降水和徑流量的年內(nèi)變化Fig.3 Intra-annual variability of precipitation and streamflow at major hydrological stations in the middle and lower reaches of the Yangtze River before and after 2005

三峽水庫運行后，枯季流量歷時長度（宜昌站中度增加）、極端枯季流量歷時長度（宜昌站高度增加）和平均日流量科維爾穩(wěn)定性（用于刻畫徑流量的相似程度[22]宜昌站無明顯變化）均發(fā)生輕微增加。年最小日流量出現(xiàn)的儒略日在宜昌站、螺山站和漢口站重度推后，而在大通站輕微提前。年最大日流量發(fā)生的儒略日在各站未發(fā)生明顯變化。后一天流量相對于前一天發(fā)生正變化的平均變化率在宜昌站、螺山站和漢口站出現(xiàn)中度減少，而在大通站出現(xiàn)強烈增加。后一天流量相對于前一天發(fā)生負變化的平均變化率在宜昌站無明顯變化，在螺山站和漢口站發(fā)生輕微減少而在大通站發(fā)生強烈增加。以上結(jié)果進一步說明三峽水庫的運行減少了洪水季和非洪水季后期日流量，增加了枯季日流量，減少了枯季流量和極端枯季流量發(fā)生次數(shù)，但增加了枯季流量歷時，推后了年最小流量的出現(xiàn)時間。水庫的調(diào)蓄作用使得日流量、洪水季和枯水季流量的波動性減弱。沿干流自上而下，各水文站受三峽水庫運行的影響逐漸減弱。各站徑流機制的變化是三峽水庫和氣候變化綜合作用的結(jié)果，且水庫調(diào)節(jié)的作用占主導(dǎo)。以上水文機制的變化將對長江中下游水資源供給、洪水和干旱應(yīng)對以及水生生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生深遠影響。

圖4 長江中下游典型水文站2005年前后水文機制的變化Fig.4 Changes in hydrological regimes at major hydrological stations in the middle and lower reaches of the Yangtze River before and after 2005

3 討論

3.1 與已有研究的比較

相關(guān)研究表明：三峽水庫運行后，（1）長江下游水位減少了3.9%～13.5%（由三峽水庫的徑流調(diào)蓄和泥沙量減少帶來的河床沖刷共同作用導(dǎo)致），雨季水位的減少最為明顯，冬春兩季水位有所上升，大壩對水位的影響沿大壩向入海口逐漸減弱[9]；三峽水庫的運行明顯減少洪峰流量和秋季徑流量，但增加了枯水期徑流量[12]。（2）荊南三口河系平均流量下降顯著，并在2003年出現(xiàn)一個突變點[15]，荊江河段低值流量下降[19]。（3）鄱陽湖湖水水位在2006年出現(xiàn)顯著變化，說明三峽水庫運行后湖泊水文機制發(fā)生改變[23]。三峽水庫汛末蓄水導(dǎo)致鄱陽湖9-10月抗旱能力降低[24]。洞庭湖水位在1951-2014年間出現(xiàn)年徑流量分階段減少，湖區(qū)水文情勢隨庫壩下泄量的增減而變化，洪水季流量減少而枯水季流量增多的現(xiàn)象，湖區(qū)水資源比水庫運行前減少了185×108m3[1，25-26]。（4）三峽水庫調(diào)蓄對中下游徑流的影響屬于中度影響，對低值流量年內(nèi)節(jié)律的影響大于高值流量，最小流量出現(xiàn)時間提前，高值流量持續(xù)時間變短，這些水文機制的變化會對中下游珍稀魚類繁殖和產(chǎn)卵、洪滯區(qū)水生生物生活史和周邊植被的生長帶來影響[2-3]。本研究得到的結(jié)果與前人結(jié)論基本一致。除三峽水庫影響外，長江中下游的水文機制還受到氣候變化、湖盆演變、江湖連通以及其他人類活動（如引水調(diào)水工程、水電開發(fā)和生產(chǎn)生活用水變化對區(qū)間匯流的影響）的影響，因此其對水庫調(diào)蓄的響應(yīng)因區(qū)域不同和距離大壩遠近存在一定差異。

3.2 水文機制變化可能帶來的影響

三峽水庫運行導(dǎo)致的水文機制改變必然會對長江中下游的水資源分配、防洪安全和生態(tài)環(huán)境帶來影響。（1）在水資源配置方面，三峽水庫對長江河流連續(xù)體產(chǎn)生了阻隔，改變了長江中下游河川徑流的天然節(jié)律，對流域中下游水資源的時空分配帶來影響[27]。如三峽水庫汛后蓄水降低了洞庭湖水位，使枯水期提前了一個月左右，水庫調(diào)蓄使湖區(qū)汛后水資源供需矛盾增大，是導(dǎo)致洞庭湖汛后干旱的重要原因[1]。（2）在防洪安全方面，三峽水庫是使中游重要防洪區(qū)——漢江平原免受大洪水威脅的關(guān)鍵工程。其通過蓄水調(diào)度能夠有效減少洪峰流量和徑流的變化幅度，百年一遇以下洪水的防御形勢明顯好轉(zhuǎn)，但百年一遇以上特大洪水仍存在洪水時空分配的難題[28]。三峽水庫運行還導(dǎo)致下游河道沖刷，形成新的洲灘演變格局和江湖關(guān)系，使一些區(qū)域洪水風(fēng)險加劇。例如，三峽水庫運行后洞庭湖城陵磯泥沙淤積導(dǎo)致水位抬升，調(diào)洪湖容減少，洪水風(fēng)險增大[29-30]，需要通過三峽水庫泥沙調(diào)度、河道清淤和預(yù)留蓄滯洪區(qū)等方式降低洪水風(fēng)險。（3）在生態(tài)環(huán)境方面，水文節(jié)律的改變會帶來水位和淹沒范圍的變化，對濕地生態(tài)系統(tǒng)和河岸植被生長帶來影響。水庫運行導(dǎo)致的水文機制（如枯季徑流量、高值流量持續(xù)時間、極小流量出現(xiàn)時間和低值流量脈沖次數(shù)等）改變會對珍稀魚類的洄游、產(chǎn)卵、取食，水生動物繁殖期內(nèi)的行為和棲息環(huán)境產(chǎn)生影響。未來需要設(shè)計面向流域水生生物安全的生態(tài)調(diào)度方案，將水庫大壩建設(shè)對水生生態(tài)系統(tǒng)的負面影響降至最低。

4 結(jié)論

本研究基于長江三峽以下流域典型水文站長期日徑流觀測和中國地面降水日值格點數(shù)據(jù)集，從日、月和年尺度系統(tǒng)探究三峽水庫運行對長江中下游流域水文機制的影響，主要得到以下結(jié)論：

（1）三峽水庫運行后長江中下游典型水文站日平均流量有所減少，低值流量出現(xiàn)概率增加而高值流量出現(xiàn)概率降低。三峽水庫的削減洪峰作用使中下游典型水文站的流量過程線變得坦化。

（2）長江中下游典型水文站的月平均流量并未表現(xiàn)出與降水一致的年內(nèi)變化規(guī)律，而與三峽水庫的季節(jié)性調(diào)蓄關(guān)系密切。三峽水庫運行后，中下游典型水文站枯季徑流量有所增加而蓄水期特別是7月徑流量有所減少。

（3）三峽水庫的運行能減少蓄水期和洪水季后期徑流量，增加枯季徑流量，減少枯季流量出現(xiàn)的頻次，但增加枯季流量歷時，使得最小流量出現(xiàn)的時間有所推后。水庫的調(diào)蓄作用使洪水季和枯水季流量的波動性減弱，其對大壩下游水文機制的影響沿河道自上而下逐漸減弱。三峽大壩引起的水文機制改變會對長江中下游水資源的季節(jié)分配，防洪，珍稀魚類的洄游、產(chǎn)卵、取食，水生動物繁殖期內(nèi)的行為和棲息環(huán)境產(chǎn)生重要影響，需要設(shè)計合理的水庫生態(tài)調(diào)度方案，在保障三峽水庫各種積極效益的同時盡可能消除其不利影響，保障長江經(jīng)濟帶的防洪安全、水資源安全、生態(tài)安全和社會經(jīng)濟綠色可持續(xù)發(fā)展。