朱文靜

(新疆維吾爾自治區(qū)水文局水文實(shí)驗(yàn)站，新疆 烏魯木齊 830000)

在社會(huì)發(fā)展過程中，隨著對(duì)河流演化規(guī)律認(rèn)識(shí)的不斷深入和對(duì)水資源的需求日益增加，為滿足供水、防洪、發(fā)電、航運(yùn)等不同需求，人類開始不斷開發(fā)和改造河流。 隨著人口和經(jīng)濟(jì)的增長(zhǎng)，河流的開發(fā)利用達(dá)到了頂峰。 其中，水利工程是人類開發(fā)利用河流的主要方式[1]。我國(guó)是修建水利大壩最多的國(guó)家，目前已超過4 000座。這些水利工程的修建為促進(jìn)社會(huì)的進(jìn)步發(fā)揮巨大作用。

圖1 河流生態(tài)水文指標(biāo)體系

在開發(fā)利用河流促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的同時(shí)，人類開發(fā)利用活動(dòng)本身也對(duì)河流造成了一定的負(fù)面影響：工業(yè)、農(nóng)業(yè)及其他產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展使得水污染加重，生活污染物大量排放對(duì)河流造成嚴(yán)重污染；人類對(duì)于水庫(kù)河流過度調(diào)水，使河流流量無法滿足河流生態(tài)用水的最低需求。大面積河灘開墾以及森林砍伐，造成水土流失嚴(yán)重，湖泊河流退化等嚴(yán)重問題，河流生態(tài)系統(tǒng)的惡化給人類敲響了警鐘，人們意識(shí)到必須保護(hù)和恢復(fù)河流生態(tài)系統(tǒng)?？茖W(xué)家們從地理學(xué)、生物學(xué)、水文學(xué)等多學(xué)科對(duì)河流生態(tài)系統(tǒng)的保護(hù)與恢復(fù)進(jìn)行了深入研究。河流的水文要素包括流量、泥沙、水質(zhì)等，其中以流量最為活躍。天然河流的各種流量過程，如幅度、頻率、持續(xù)時(shí)間、時(shí)間和變化率等，都會(huì)對(duì)河流生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生重要影響。因此，本文將基于河流生態(tài)水文理論，構(gòu)建河流生態(tài)水文指標(biāo)體系[2]，對(duì)河流生態(tài)水文特征進(jìn)行量化。

1 研究方法

1.1 指標(biāo)體系構(gòu)建

根據(jù)河流生態(tài)水文特征，構(gòu)建河流生態(tài)水文指標(biāo)體系，主要考慮影響河流生態(tài)系統(tǒng)的不同流量過程，包括小流量過程、中高流量過程、大洪水過程三種流量過程，并且考慮不同流量過程的幅度、頻率、歷時(shí)、時(shí)刻和變動(dòng)率等，具體體系如圖1所示。

1.2 指標(biāo)量化

對(duì)每一個(gè)指標(biāo)中對(duì)應(yīng)的變量，用五種參數(shù)來進(jìn)行量化。

(1)值：統(tǒng)計(jì)計(jì)算得到的變量值。

(2)中值：變量值多年的中值，反映變量的值的變化趨勢(shì)。

(3)平均值：變量值多年的平均值，反映變量值的變化趨勢(shì)。

(1)

(4)變化率：描述多年變量值相對(duì)于中值的離散程度，數(shù)值越大表明變化越大。

(2)

(5)標(biāo)準(zhǔn)偏差：描述多年變量值相對(duì)于平均值的離散程度，反映變量值的變化程度，數(shù)值越大表明變化越大。

(3)

式中：ai表示第i年的變量值；n表示總的年數(shù)；m表示變量值多年平均值；Q10表示多年變量值序列中，10%保證率的值；Q90表示多年變量值序列中，90%保證率的值；p表示多年變量值序列的中值；V表示多年變量值的變化率；Cv表示多年變量值的標(biāo)準(zhǔn)偏差。

2 實(shí)例簡(jiǎn)介

阿爾塔什水利樞紐工程壩址位于新疆喀什地區(qū)阿爾塔什村葉爾羌河段，是國(guó)務(wù)院推進(jìn)的172項(xiàng)重大節(jié)水供水工程之一，是國(guó)家“十三五”期間100個(gè)重大項(xiàng)目之一，也是新疆在建的最大水利樞紐工程，被業(yè)內(nèi)專家稱為“新疆的三峽工程”，工程惠及新疆南部的克州、喀什地區(qū)及和田地區(qū)[3]。工程主要任務(wù)是在保證塔里木河生態(tài)供水條件下，發(fā)揮防洪、灌溉、發(fā)電等綜合功能。該水利樞紐為大(1)型I等工程，規(guī)劃水庫(kù)正常蓄水位1 820 m，最大壩高164.8 m。工程內(nèi)容主要由攔河壩、泄水建筑物、發(fā)電引水系統(tǒng)、電站廠房、生態(tài)基流放水洞等建筑物組成。樞紐建筑物包括：

攔河壩：混凝土面板砂礫石堆石壩。壩頂高程1 825.8 m，最大壩高164.8 m。壩頂長(zhǎng)795 m。

泄沙泄洪洞：深孔放空沖沙洞2條，分別長(zhǎng)1 445.919 m和656.82 m，井口高程為1 715 m。瀉量分別為928.6與890.2 m/s。

中孔泄洪洞：1條，進(jìn)口高程1 750 m，長(zhǎng)573 m，寬8 m，高8 m。瀉水量2 300 m/s。

岸邊式表孔溢洪洞：兩條，堰頂高程1 805.5 m，長(zhǎng)度分別為773.124 m和824.141 m，寬15 m。單洞設(shè)計(jì)瀉量1 983 m/s；單洞校核瀉量2 361 m/s。

發(fā)電引水洞：兩條壓力輸水管線，平行布置于右岸。全長(zhǎng)分別為6.01 km和5.95 km。進(jìn)口高程1 750 m。單洞設(shè)計(jì)流量222.4 m/s。一洞二機(jī)布置。

右岸地面電站廠房：水輪機(jī)安裝高程1 601.7 m。總裝機(jī)容量4×175 MW，設(shè)計(jì)年發(fā)電量17.81億 kw·h。

壩后生態(tài)基流放水洞及其電站廠房：流量49.4 m/s，水輪機(jī)安裝高程1 663.8 m，生態(tài)電站裝機(jī)2×27.5 MW，設(shè)計(jì)年發(fā)電量4.0億kw·h。

該項(xiàng)目在保證塔里木河生態(tài)供水的同時(shí)，可大幅度調(diào)整葉爾羌河年內(nèi)徑流分布。項(xiàng)目建成后，通過水庫(kù)調(diào)節(jié)功能，在保證年均向塔河輸送3.3億 m3水量的前提下，可大幅度調(diào)整葉爾羌河年內(nèi)徑流分布，有效控制上游山區(qū)洪水，每年減少約1 000萬人的防洪投資，使灌區(qū)的農(nóng)民和人民告別千年洪水和沉重的防洪負(fù)擔(dān)。項(xiàng)目投產(chǎn)后，可解決我國(guó)第四大灌區(qū)葉爾羌河流域灌區(qū)春旱缺水問題，大大改善灌區(qū)條件。同時(shí)，項(xiàng)目建成后，通過水力發(fā)電改變和緩解克州、喀什、和田等地區(qū)電力短缺的局面，改善塔里木河流域、葉爾羌河流域生態(tài)環(huán)境，造福人民群眾。改變當(dāng)?shù)刎毨婷玻黾愚r(nóng)民收入。

針對(duì)該水利樞紐現(xiàn)有水文資料，以此評(píng)價(jià)體系對(duì)阿爾塔什水利樞紐工程進(jìn)行生態(tài)評(píng)價(jià)。

2.1 長(zhǎng)期指標(biāo)

長(zhǎng)期指標(biāo)的計(jì)算結(jié)果如表1所示。對(duì)結(jié)果顯示僅中值流量后期偏小，而其他指標(biāo)均為后期偏大?；髦笖?shù)前后變化不明顯；洪水指數(shù)，后期偏大，表明后期洪水比之前量大。

2.2 高流量低流量指標(biāo)

大于3倍中值的流量次數(shù)，前后數(shù)值差別不大。大于3倍中值的水量和時(shí)問，后期明顯偏大。計(jì)算結(jié)果見表2。小于1/2中值的流量次數(shù)，后期偏大；小于1/2中值的水量和時(shí)間，后期偏小。計(jì)算結(jié)果見表2。

表1 長(zhǎng)期指標(biāo)計(jì)算結(jié)果

表2 高流量低流量指標(biāo)計(jì)算結(jié)果

2.3 極值指標(biāo)

該指標(biāo)的六個(gè)變量，最大一天，三十天，九十天流量，最小一天，三十天，九十天流量，后期的變量值都偏大。極值指標(biāo)的變量整體變化都比較小。計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 極值指標(biāo)計(jì)算結(jié)果

表4 漲落水指標(biāo)計(jì)算結(jié)果

2.4 漲落水指標(biāo)

漲水次數(shù)、漲水平均持續(xù)時(shí)間、落水平均持續(xù)時(shí)間、漲水持續(xù)時(shí)間、落水持續(xù)時(shí)間、都是后期偏??；落水次數(shù)、最大一天漲水量、最大一天漲水量、日平均漲水量、日平均落水量，都是后期偏大。漲水落水指標(biāo)中。落水持續(xù)時(shí)間和每次落水持續(xù)時(shí)間的變化較大。計(jì)算結(jié)果見表4。

綜上研究指標(biāo)的變化分析，可以得出阿爾塔什水利樞紐工程的修建對(duì)葉爾羌河生態(tài)水文特征的影響：阿爾塔什水利樞紐工程的修建，對(duì)大洪水過程、中高流量過程和小流量過程的幅度、時(shí)間、歷時(shí)和頻率的影響不大，主要影響了各種流量過程的變動(dòng)率。從漲水落水持續(xù)時(shí)間的減小和月流量變化率增大的變化來分析，阿爾塔什水利樞紐工程的修建增大了流量過程的變動(dòng)率。

3 結(jié)語(yǔ)

通過分析整理國(guó)內(nèi)外的研究成果，本文根據(jù)水文特征和河流生態(tài)的相關(guān)性，構(gòu)建河流生態(tài)水文指標(biāo)體系，包括長(zhǎng)期指標(biāo)、高流量低流量指標(biāo)、極值指標(biāo)、漲水落水指標(biāo)和月流量指標(biāo)，用于量化河流生態(tài)水文特征。同時(shí)分析阿爾塔什水利樞紐工程在2019年前后的生態(tài)水文指標(biāo)變化，研究結(jié)果為后期工程管理及建設(shè)運(yùn)行提供的一定的研究參考。