曾金鳳, 劉祖文, 劉友存, 鄒杰平, 仝興慶, 劉星根, 謝水石

(1.江西理工大學(xué) 土木與測(cè)繪工程學(xué)院, 江西 贛州 341000; 2.江西省贛江上游水文水資源監(jiān)測(cè)中心,江西 贛州 341000; 3.嘉應(yīng)學(xué)院地理科學(xué)與旅游學(xué)院, 廣東 梅州 514015; 4.江西理工大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院, 江西 贛州 341000)

東江是粵港奧大灣區(qū)的重要飲用水源，直接關(guān)系到包括港深在內(nèi)的流域內(nèi)7 000多萬人民生活用水和生態(tài)安全[1]。近年來，隨著東江源區(qū)河流水利的頻繁開發(fā)及程度的逐步加深，對(duì)東江源區(qū)水文情勢(shì)帶來較大改變。水利工程集中泄水影響了天然水文過程，直接或間接地改變了流域內(nèi)重要物種的生境，影響物種的分布和群落結(jié)構(gòu)[2]，進(jìn)而對(duì)東江流域生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響[3-4]。

當(dāng)前，有關(guān)水利工程建設(shè)產(chǎn)生的生態(tài)水文效應(yīng)的研究，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了一系列的研究工作。自從Richter[5]1997年首次提出水文改變指標(biāo)法(indicators of hydrologic alteration, IHA)的概念以來，并將它應(yīng)用于人類活動(dòng)對(duì)河流徑流過程的影響的評(píng)價(jià)，構(gòu)建了河流的生態(tài)流量管理模式。隨后，Galat等[6]和陳啟慧等[7]分別應(yīng)用IHA方法對(duì)密蘇里河徑流水文情勢(shì)的變化和葛洲壩的建設(shè)對(duì)長江徑流過程產(chǎn)生的影響進(jìn)行分析。不久，Richter等[8]又提出了河流生態(tài)恢復(fù)研究的變動(dòng)范圍法RVA(range of variability approach)，認(rèn)為該方法能夠有效地評(píng)估筑壩對(duì)河流生態(tài)水文情勢(shì)的影響。Irwin等[9]將RVA法運(yùn)用于1924—1980年和1984—1996年Tallapoos河流量特征的變化的評(píng)價(jià)中。此后，學(xué)者們將IHA和RVA進(jìn)行有機(jī)地結(jié)合，形成生態(tài)水文指標(biāo)變化范圍(IHA-RVA)法，并進(jìn)行廣泛的應(yīng)用，如李舒等[10]針對(duì)窟野河受水土保持、煤礦開采影響的水文情勢(shì)指標(biāo)變化情況，Mwedzi等[11]針對(duì)津巴布韋境內(nèi)Manyame流域建壩后不同斷面的水文指標(biāo)改變程度分別進(jìn)行分析評(píng)價(jià)。近年來，針對(duì)東江流域水文特征及環(huán)境變化的研究，國內(nèi)有學(xué)者也開展相關(guān)工作，例如胡娜等[12]人分析了楓樹壩水庫建設(shè)對(duì)東江干流中上游龍川站水文情勢(shì)影響，胡曉張等[13]人從近30 a來東江大規(guī)模人工采砂而引起的河床下切視角分析東江中下游河道近期洪水水文情勢(shì)變化。總之，無論是IHA法、RVA法，還是目前逐步廣泛運(yùn)用的IHA-RVA法，在探討人類活動(dòng)尤其是水利工程對(duì)水文情勢(shì)影響的研究方面都取得了可喜的成果，為水資源承載力和生態(tài)水文情形研究提供了科學(xué)依據(jù)。然而，針對(duì)亞熱帶典型山地丘陵、水量豐沛流域的水文生態(tài)過程受水利工程影響的分析研究還不多見。為此，本文以江西省境內(nèi)東江源為例，重點(diǎn)探討流域水電工程修建前后對(duì)流域水生態(tài)水文指標(biāo)變化的影響，并以魚類資源變化加以佐證，不僅為明確流域生態(tài)修復(fù)目標(biāo)和采取生態(tài)修復(fù)措施提供參考依據(jù)，也為水利部水環(huán)境水生態(tài)監(jiān)測(cè)試點(diǎn)工作開展提供經(jīng)驗(yàn)。

1 區(qū)域概況

東江源區(qū)位于武夷山南端余脈與南嶺余脈的綿延地帶，屬亞熱帶南緣，地形以低山和丘陵為主，地勢(shì)為東、北、西面高，南面低。流域面積約3 524.0 km2，占東江流域面積的13.0%。源區(qū)屬于典型的亞熱帶丘陵區(qū)濕潤季風(fēng)氣候，水量豐沛，年均降水量1 615.00 mm，年際變化較大，極值比約為2.5，豐—枯年交替出現(xiàn)，且降水年內(nèi)差異顯著，在汛期(4—9月)部分地區(qū)洪澇災(zāi)害頻發(fā)。降水是流域徑流的主要補(bǔ)給來源，徑流的年內(nèi)分配與降水的年內(nèi)分配基本一致。源區(qū)主要包括干流尋烏水和一級(jí)支流定南水兩條水系，分別設(shè)有控制性水文站尋烏水背水文站和定南勝前水文站。干流水背水文站上游的南龍水庫為引水式電站，2005年建成投入使用，總庫容4.50×105m3，最大泄洪流量為3 991 m3/s，兼顧防洪、發(fā)電、供水、灌溉。支流定南勝前水文站上游的黎屋電站為日調(diào)節(jié)水庫，1997年建成運(yùn)行，總庫容為2.52×106m3，最大泄洪流量為209.8 m3/s，兼顧防洪、發(fā)電。

2 數(shù)據(jù)與方法

研究選取尋烏水背水文站、定南勝前水文站1980—2020年實(shí)測(cè)逐日平均流量分析建庫前后水文情勢(shì)變化。日平均流量數(shù)據(jù)是以該站的水位過程線為基礎(chǔ)，通過該站的水位—流量關(guān)系轉(zhuǎn)化成流量過程線，再用面積包圍法計(jì)算所得，其資料來源于贛江上游水文水資源監(jiān)測(cè)中心水文年鑒。基于水文改變指標(biāo)法(IHA)的變化范圍法(RVA)進(jìn)行尋烏水背水文站和定南勝前水文站突變前后的水文改變程度評(píng)價(jià)，以IHA指標(biāo)計(jì)算的結(jié)果分析東江源區(qū)水文突變前后整體水文情勢(shì)變化。

2.1 水文改變指標(biāo)

Richter等[14]提出的IHA，包含33個(gè)水文參數(shù)，并依據(jù)水文情勢(shì)的5種基本特征劃分水文指標(biāo)，綜合流量、時(shí)間、頻率、延時(shí)和改變率等方面評(píng)價(jià)河流水文狀態(tài)的改變。因東江源區(qū)未出現(xiàn)斷流情況，不考慮零流量天數(shù)，調(diào)整后的IHA參數(shù)詳見表1。

表1 水文改變指標(biāo)法(IHA)流量參數(shù)指標(biāo)

2.2 變化范圍

Richter等[15-16]提出水文變化范圍(RVA)，以各指標(biāo)的平均值±δ(標(biāo)準(zhǔn)差)或者以頻率75%和25%作為RVA的目標(biāo)邊界。若水文變異后受影響的流量記錄仍有部分落在RVA目標(biāo)內(nèi)，則說明水文變異對(duì)河流有輕微影響，仍屬于自然流量的變化范圍；若受影響的流量記錄落在RVA目標(biāo)范圍外，則表明水文變異給河流的生態(tài)系統(tǒng)帶來嚴(yán)重的負(fù)面影響[4,14-15]。

2.3 水文改變指標(biāo)

(1) 單個(gè)指標(biāo)改變度。運(yùn)用Richter等以水文改變度來量化評(píng)估水文指標(biāo)受干擾后的變化程度，計(jì)算公式為：

(1)

Ne=r·NT

(2)

式中：Di為第i個(gè)IHA的水文改變度;Noi為第i個(gè)IHA的實(shí)際觀測(cè)年數(shù),指標(biāo)變異后IHA仍落于RVA目標(biāo)范圍內(nèi)的實(shí)際觀測(cè)年數(shù);Ne預(yù)期年數(shù),指標(biāo)變異后IHA預(yù)期落于RVA目標(biāo)范圍內(nèi)的預(yù)測(cè)年數(shù);r為變異前IHA落于RVA目標(biāo)范圍內(nèi)的比例；NT為變異后受影響的徑流量記錄總年數(shù)[17]。

(2) 綜合指標(biāo)改變度?；诿總€(gè)指標(biāo)的變異程度Di，變異后序列總的水文變異程度D計(jì)算公式為：

(3)

式中：D為流域整體的水文改變度，0≤D<33%屬于未改變或者低度改變；33%≤D<67%屬于中度改變；67%≤D≤100 %屬于高度改變[18-19]。

3 結(jié)果與討論

3.1 研究階段的劃分

為了定量評(píng)估東江源區(qū)水文改變程度，以兩個(gè)水電站建成時(shí)間1997和2005年為分界，將水背水文站和定南勝前水文站的歷年逐日數(shù)據(jù)劃分為兩個(gè)時(shí)段，1980—1997年、1980—2005年為水文突變前自然狀態(tài)下的基準(zhǔn)流量研究時(shí)段。1998—2020年、2006—2020年作為水文突變后的流量改變序列研究時(shí)段。運(yùn)用IHA和RVA法計(jì)算水文突變前后的水文改變程度。在此基礎(chǔ)上，以指標(biāo)參數(shù)頻率75%和25%作為生態(tài)水文目標(biāo)的上、下限閾值。

3.2 水文突變前后水文改變度分析

3.2.1 月均值流量變化 從圖1可知，尋烏水背水文站和定南勝前水文站的月均值流量變化最大均發(fā)生汛期4—9月，月均流量值水文改變度分別為45.0%和43.9%，呈中度改變。尋烏水背水文站在11月至次年的2月流量有不同程度的增加，3—6月有不同程度的減少，5月減少最大。尋烏水流域水文突變年份為1997年，突變后3—6月流量比突變前減少2～10 m3/s，其他月份不同程度增加。2—4月降雨量比突變前減少40～60 mm，可能是月均流量改變的重要因素，兩者的時(shí)間差異表明尋烏水流域降雨徑流的時(shí)滯特性；同時(shí)，與突變前相比，尋烏水流域春季降雨偏少，水電站增加蓄水，從而導(dǎo)致春末夏初(5月)流量顯著減少。定南勝前水文站3月、4月、10月有所減少，其他月份有不程度地增加。定南水水文突變年份為2005年，突變后5—8月流量比突變前增加4～8 m3/s，其他月份呈現(xiàn)不同程度增加或減少，5—7月降雨量比突變前增加20～60 mm。尋烏水和定南水月均流量及降雨量的變化略有不同，主要表現(xiàn)在春季降雨(2—4月)顯著減少條件下，尋烏水春季流量顯著減少，定南水3—4月流量呈現(xiàn)一定程度減少，而5月流量顯著增加。兩者變化差異可能與流域下墊面產(chǎn)流特性、水電站調(diào)節(jié)運(yùn)行能力有關(guān)，間接表明尋烏水流域水庫塘壩的水量調(diào)蓄能力可能比定南水流域的調(diào)蓄能力更強(qiáng)。

圖1 突變前后月均徑流量及降雨量差值

3.2.2 年極值流量變化 圖2分別為水文站最大1 d，最小1 d流量變化圖。兩個(gè)站的平均極大值有所減小，閾值范圍有所收縮，體現(xiàn)了水庫的防洪效益。尋烏水背水文站年均1 d最小流量在水文突變的影響下呈上升趨勢(shì)，而最大流量在突變影響下呈下降趨勢(shì)，部分超出RVA閾值，且波動(dòng)范圍收緊，這表明水文突變使得年內(nèi)低流量增加，大流量減小，水文突變后的極端流量事件處于一個(gè)穩(wěn)定的范圍，提升了河岸生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性；定南勝前水文站年均1 d最小流量變化不明顯，而1 d最大流量增大，且波動(dòng)范圍略有縮減，表明水文突變后的低流量事件范圍相對(duì)穩(wěn)定。

圖2 東江源區(qū)各水文站極值流量變化

3.2.3 年極端流量發(fā)生時(shí)間 表2為研究區(qū)各水文站極端流量發(fā)生時(shí)間。

由表2可知，尋烏水背水文站最小、最大流量出現(xiàn)時(shí)間的均值在突變后發(fā)生了提前，最小流量由2月的中上旬提前到1月中下旬，最大流量由5月中上旬提前到4月中下旬，變化范圍在半個(gè)月內(nèi)，改變度小，證明受流域內(nèi)水利工程調(diào)度的影響很小。徑流式或不完全日調(diào)節(jié)水庫對(duì)洪水調(diào)節(jié)能力小，這由其水庫性能決定；自然流態(tài)下的河道最低流量出現(xiàn)時(shí)間因氣候的變化具有不穩(wěn)定性，定南水最小流量時(shí)間提前，出現(xiàn)時(shí)間閾值范圍收緊，表示水文變異維持了最小流量發(fā)生時(shí)間的穩(wěn)定性。最大流量時(shí)間推后，改變度90.67%屬于嚴(yán)重改變，極大值的改變可能對(duì)生物棲息地以及魚類洄卵生產(chǎn)較大的影響[20]。

表2 東江源區(qū)各水文站極端流量發(fā)生時(shí)間

3.2.4 高、低流量脈沖的頻率及歷時(shí) 除自然環(huán)境因素影響外，東江源區(qū)脈沖受上游水電站的影響比較小。尋烏水背水文站低脈沖改變度為中度，其他3個(gè)指標(biāo)及定南勝前水文站的4個(gè)指標(biāo)均為低改變度。突變后尋烏水背水文站和定南勝前水文站的高、低脈沖次數(shù)均增多，歷時(shí)變短。低脈沖次數(shù)以及歷時(shí)的變短將使流域旱季水量減少。定南勝前水文站超出高脈沖RVA上限的部分增多，高脈沖的發(fā)生次數(shù)的增加，將不利于汛期過度(圖3)。低脈沖時(shí)間的縮短則使得河道、河灘的受水情況趨于穩(wěn)定，有利于該區(qū)間生態(tài)平衡的健康發(fā)展，但是高流量平均時(shí)間的縮短又給河道及沿岸的生態(tài)環(huán)境的發(fā)展前景注入了不確定性[21]。

圖3 東江源區(qū)各水文站突變前后高低脈沖次數(shù)變化

3.2.5 流量改變率及頻率 圖4為突變前后流量逆轉(zhuǎn)次數(shù)變化情況。由圖4可知，尋烏水背水文站的流量平均漲水率下降，退水率上升，水文改變較顯著為56.5%，說明流量總體呈減少趨勢(shì)，水文站下泄流量變化較大；定南勝前水文站的流量平均退水速率和漲水速率均有所上升，漲水速率呈低度改變，為21.3%。流量逆轉(zhuǎn)水文改變較顯著，為65.3%，為中度改變。反映突變過程在調(diào)峰和調(diào)頻過程對(duì)下泄流量造成較大影響。流量變化改變率及頻率的增加或減少將給河流生物群落帶來一定的影響。由于生態(tài)系統(tǒng)對(duì)外界環(huán)境變化的承載能力有限，河流生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定將受到流量變化及頻率的影響。特別是流量逆轉(zhuǎn)次數(shù)的改變，會(huì)直接影響水生動(dòng)植物的生存環(huán)境，阻礙水生動(dòng)植物的生長[22]。

圖4 東江源區(qū)各水文站流量逆轉(zhuǎn)頻次變化

3.2.6 整體水文改變度 分析水文改變程度的不同，反映了河流水文突變對(duì)水文情勢(shì)的影響程度。計(jì)算出尋烏水背水文站和定南勝前水文站在突變前后32個(gè)水文指標(biāo)絕對(duì)值的改變度，并繪制3等級(jí)的水文改變度。

由圖5可知，受突變的影響，尋烏水背水文站32個(gè)水文指標(biāo)中。最大1 d流量、1月均值流量出現(xiàn)時(shí)間、變換次數(shù)的水文改變度達(dá)到100%，高度改變占比18.8%；中度改變占40.6%，低度改變占46.8%，表明尋烏水流量在整個(gè)突變前后的改變較大。定南勝前水文站的多數(shù)指標(biāo)為低改變度，占比62.5%為最高，中度改變占比28.1%次之，高度改變占比僅9.38%，5月平均流量改變度達(dá)到100%。表明定南勝前水文站流量在整個(gè)突變前后的改變比較小，并有向好趨勢(shì)。從表3分析，整個(gè)東江源區(qū)變化度為中度改變50.1%，除高低流量的頻率及延時(shí)低改變度26.3%外，其他4組均為中度改變。在空間上，水電工程對(duì)尋烏水水文情勢(shì)的影響比定南水大。

圖5 東江源區(qū)水文情勢(shì)整體改變度

表3 東江源區(qū)流量系列整體水文改變度

3.2.7 水文改變度與魚類資源的響應(yīng)分析 東江源區(qū)域的河床多碎石，水流變化急緩結(jié)合，深潭與淺灘交錯(cuò)，為不同生態(tài)類型的魚類提供良好的棲息場(chǎng)所。根據(jù)上文分析，水電站蓄水對(duì)東江源河流生態(tài)水文情勢(shì)受產(chǎn)生一定程度的影響。水庫蓄水后，相比天然河道狀態(tài)下，庫區(qū)及壩址以上回水區(qū)域內(nèi)流速均減緩。庫區(qū)流速由急流向緩流的轉(zhuǎn)變，對(duì)庫區(qū)魚類種群結(jié)構(gòu)及魚類繁殖都有一定影響[23]。利用水電站調(diào)節(jié)年內(nèi)分布的豐枯水量不均，使下泄流量過程趨向于均一化，改變了水庫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，進(jìn)而還會(huì)導(dǎo)致與水文相關(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，從而影響到河流健康的生態(tài)過程，甚至?xí)a(chǎn)生一系列廣泛、深刻，而且長期的生態(tài)效應(yīng)[24]。水電站不同調(diào)度運(yùn)行方式對(duì)下游河流生態(tài)水文情勢(shì)的影響時(shí)間及其程度存在一定差異。4—6月為東江源區(qū)主汛期，水庫防洪泄水，使壩下游的漲水過程發(fā)生變化，均衡地下泄水量，一定程度上使得下游河流的漲水過程坦化，水位變幅減小，使魚類第一次產(chǎn)卵的信號(hào)減弱或消失。洪水過程單一的漲落過程，且持續(xù)時(shí)間變短，連續(xù)日流量上漲率減小，洪峰最高流量降低，魚類繁殖活動(dòng)受到抑制，產(chǎn)卵規(guī)模也會(huì)由繁殖季節(jié)漲水過程的改變逐年下降[24]。鄒多錄[25]于1983—1984年對(duì)尋烏水項(xiàng)山至留車河段進(jìn)行了漁業(yè)資源調(diào)查，共調(diào)查到57種魚類，隸屬于6目14科31屬。鄧風(fēng)云等[26]在2010—2011年對(duì)整個(gè)東江源區(qū)的魚類進(jìn)行了調(diào)查，共計(jì)采到魚類7目18科56屬74種。2019—2020年，本研究調(diào)查東江源區(qū)魚類種類，數(shù)量存在著明顯下降。與歷史數(shù)據(jù)相比，本次調(diào)查的數(shù)據(jù)與范圍、頻次、捕撈方式有關(guān)，但社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與人為活動(dòng)對(duì)魚類的影響不容忽視，該區(qū)域自然環(huán)境變化，流域內(nèi)修建水電站導(dǎo)致魚群孵化區(qū)受淹，“四大家魚”產(chǎn)卵場(chǎng)逐漸消失，梯級(jí)水壩嚴(yán)重影響洄游性魚類(如日本鰻鱺)正常的生活史，進(jìn)一步驗(yàn)證水利工程對(duì)水文生態(tài)的影響。

4 結(jié) 論

(1) 以IHA指標(biāo)體系為基礎(chǔ)，采用改進(jìn)的RVA法分析水利工程對(duì)東江源區(qū)兩條主要河流的生態(tài)水文情勢(shì)的影響，上游水電站建設(shè)運(yùn)行后對(duì)河流的控制程度較大，水文改變度50.1%，對(duì)東江源河流徑流產(chǎn)生較大影響：極值流量增加，歷時(shí)提前，流量總體呈減少，低脈沖次數(shù)增加等，這些水文節(jié)律的變化對(duì)下游河道水生生物的棲息環(huán)境、洄游及產(chǎn)卵等產(chǎn)生影響，魚類資源減少。

(2) 因本次研究僅有魚類的前后對(duì)比資料，使得水文指標(biāo)和生態(tài)系統(tǒng)其他指標(biāo)如浮游動(dòng)植物、底棲動(dòng)物、水生植物等的響應(yīng)關(guān)系定量實(shí)證分析不足，應(yīng)進(jìn)一步搜集水文情勢(shì)變化前后的生態(tài)資料，更為深入地分析其間的響應(yīng)機(jī)理。