曾 娟

（三峽大學(xué)科技學(xué)院，湖北 宜昌 443002)

0 引言

世界河流之上先后建成約48,000多座大型水壩、約800,000座小型水壩。自然流淌、適合大多數(shù)生物棲息的河流越來越少。河流的開發(fā)導(dǎo)致了生態(tài)的嚴(yán)重退化和生物多樣性喪失，隨著這些大壩以及配套的引水措施投入使用，世界上2/3河流的水文情勢(shì)發(fā)生了變化。水文情勢(shì)的改變一方面擾亂了流域內(nèi)原有生物的生活規(guī)律，使一些適應(yīng)性不強(qiáng)的本地物種數(shù)量減少甚至滅絕；另一方面加快了外來物種入侵速度，使環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)的物種數(shù)量劇增，流域內(nèi)生物多樣性降低，不利于河流生態(tài)系統(tǒng)的健康發(fā)展。

河流水文情勢(shì)的變化會(huì)導(dǎo)致河流生態(tài)系統(tǒng)的改變，因此研究河流水文情勢(shì)的影響，有利于保護(hù)河流生態(tài)系統(tǒng)。每條河流的水文情勢(shì)是在自然力以及人類擾動(dòng)雙重作用下產(chǎn)生變化的。其中自然力包括全球氣候變暖引起的降水量的增加，就全球而言，在20世紀(jì)陸地降水增加了約2%[1-3]。這種變化在統(tǒng)計(jì)上具有顯著性，但在空間和時(shí)間上則缺乏一致性[4-5]。而人類擾動(dòng)包括水利水電工程的修建，大型水利工程通過調(diào)度，改變了河流的自然水文情勢(shì)，破壞了河流的生態(tài)環(huán)境。本文基于宜昌站的水文數(shù)據(jù)，在排除自然環(huán)境變化對(duì)河流水文情勢(shì)的影響后，分析葛洲壩的修建對(duì)河流水文情勢(shì)的影響。

1 研究思路和方法

1.1 研究思路

自然環(huán)境改變會(huì)影響河流的徑流量，首先研究1882年1月1日-1980年12月31日近100年未受到人類擾動(dòng)情況下宜昌江段河川徑流的變化過程，這樣有利于為進(jìn)一步研究人類活動(dòng)對(duì)河段水文情勢(shì)產(chǎn)生的影響提供參考。

然后，將1981-2002年作為由于修建葛洲壩而產(chǎn)生的人為擾動(dòng)時(shí)間段，分析修建葛洲壩后長(zhǎng)江干流在宜昌段水文情勢(shì)的改變。

1.2 研究方法

首先采用滑動(dòng)平均法研究自然環(huán)境對(duì)河流水文情勢(shì)的影響，然后在RVA框架下采用IHA軟件分析葛洲壩的修建對(duì)河流水文情勢(shì)的影響。

1.2.1 滑動(dòng)平均法[7]

滑動(dòng)平均法是趨勢(shì)擬合技術(shù)中最基本的方法，用確定時(shí)間序列的平均值來顯示變化趨勢(shì)，利用多點(diǎn)線性滑動(dòng)平均法濾掉的是年際之間的水文序列的“波動(dòng)”成分。對(duì)序列x1，x2…xn的幾個(gè)前期值和后期值取平均，求出新的序列，使原序列光滑，這就是滑動(dòng)平均法。數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

當(dāng)k= 1,2,3時(shí)，y′t分別對(duì)應(yīng)3點(diǎn)滑動(dòng)平均y′3、5點(diǎn)滑動(dòng)平均y′5、7點(diǎn)滑動(dòng)平均y′7，然后求其平均值yt，作為第t年的線性趨勢(shì)序列。若xi具有趨勢(shì)成分，選擇合適的k，yt就能把趨勢(shì)清晰地顯示出來。因此滑動(dòng)平均法在氣象領(lǐng)域得到了大量的應(yīng)用。

采用線性滑動(dòng)平均法處理趨勢(shì)線的優(yōu)點(diǎn)是：可以通過控制滑動(dòng)步長(zhǎng)的大小來調(diào)節(jié)趨勢(shì)線與氣象項(xiàng)的比例。

1.2.2 RVA分析法[8]

Richter曾經(jīng)指出，水資源管理部門應(yīng)該試圖讓每年的IHA參數(shù)的分布狀態(tài)和未受擾動(dòng)前的分布狀態(tài)盡可能地相一致[9]。RVA分析法同時(shí)也可以產(chǎn)生一系列水文變化的因素，這些因素使得33個(gè)IHA流量參數(shù)變化的等級(jí)定量化。RVA分析法主要為了制定初始流量管理目標(biāo)，以啟動(dòng)適應(yīng)性流量管理程序，通過此程序，可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)水流——生態(tài)關(guān)系，所指定的生態(tài)流目標(biāo)也更能適應(yīng)環(huán)境的變化。RVA分析的主要步驟見圖1。

在一個(gè)RVA分析里，首先將改變前每一個(gè)參數(shù)的所有數(shù)據(jù)分成三個(gè)不同類別。不同類別的邊界是根據(jù)按百分?jǐn)?shù)等級(jí)排列的值（對(duì)于無參數(shù)統(tǒng)計(jì)）或者一些偏離中心的標(biāo)準(zhǔn)差的值（對(duì)于參數(shù)統(tǒng)計(jì)），這些都可以用戶自己定義。例如，在RVA無參數(shù)分析里定義默認(rèn)的類別邊界為偏離中值17%的值。這將自動(dòng)產(chǎn)生三個(gè)基本相等的區(qū)間：最低的類別包括所有等于或小于33%的值；中間的類別包括所有在34%~67%范圍內(nèi)的值；同時(shí)最高類別包含所有大于67%的值。

2 實(shí)例計(jì)算與結(jié)果分析

2.1 數(shù)據(jù)來源及計(jì)算時(shí)段的選取

宜昌水文站位于長(zhǎng)江干流上中游交匯點(diǎn)(湖北省宜昌市濱江公園)，是干流上中游的咽喉所在地，東經(jīng)111.17°，北緯30.42°，控制流域面積100萬km2，占全流域面積的55%，是控制長(zhǎng)江上游來水來沙的總控制站。葛洲壩水利工程位于湖北省宜昌市境內(nèi)的長(zhǎng)江三峽出口——南津關(guān)下游2.6km處，1970年12月30日破土動(dòng)工。1974年10月主體工程正式施工。整個(gè)工程分為兩期，第一期工程于1981年完工，實(shí)現(xiàn)了大江截流、蓄水、通航和二江電站第一臺(tái)機(jī)組發(fā)電；第二期工程1982年開始，1988年底整個(gè)葛洲壩水利樞紐工程建成。1981年春季開始蓄水運(yùn)行，屬于峽谷型水庫，采用低水頭徑流式運(yùn)行方式。于是，在1981年前宜昌江段還未受到嚴(yán)重?cái)_動(dòng)，保持自然流淌的水文情勢(shì)，將1882年1月1日到1980年的水文資料作為建壩前未受人類擾動(dòng)的水文計(jì)算年。而將1981年及之后的年份定義為由于葛洲壩的修建對(duì)宜昌江段產(chǎn)生影響的計(jì)算年份。

2.2 年平均流量變化趨勢(shì)

選取1882年1月1日-1980年12月31日近100年的日流量數(shù)據(jù)，分別計(jì)算1882年-1980年每年的日平均流量，然后采用線性趨勢(shì)順歸法計(jì)算出未受人類擾動(dòng)情況下年徑流量變化的趨勢(shì)，計(jì)算結(jié)果見圖2。擬合的函數(shù)為y= -11.16x+ 35870，x為1882-1980年份，y為對(duì)應(yīng)的流量值，相關(guān)系數(shù)R2= 0.04199。計(jì)算結(jié)果表明自然狀態(tài)下長(zhǎng)江干流宜昌江段的年徑流量總體呈下降趨勢(shì)。這與葉柏生等專家于2008年發(fā)表的《100多年來東亞地區(qū)主要河流徑流變化》的結(jié)果基本相符。文章表明：“長(zhǎng)江干流寸灘、宜昌、漢口和大通站1987—2000年的年流量表現(xiàn)為顯著的減少趨勢(shì)”[2]。

圖2 1882年-1980年日平均流量變化趨勢(shì)

2.3 月平均流量變化趨勢(shì)

為了進(jìn)一步掌握自然力對(duì)長(zhǎng)江干流宜昌江段自然水文情勢(shì)的影響，研究自然水文情勢(shì)變化趨勢(shì)，采用線性滑動(dòng)平均法計(jì)算了1882年-1980年近100年期間1-12月份徑流量變化趨勢(shì)。1、2、7、8、11、12月計(jì)算結(jié)果見圖3~8，流量單位為m3/s。

圖3 1882年-1980年1月份流量變化趨勢(shì)

圖4 1882年-1980年2月份流量變化趨勢(shì)

圖5 1882年-1980年7月份流量變化趨勢(shì)

圖6 1882年-1980年8月份流量變化趨勢(shì)

圖7 1882年-1980年11月份流量變化趨勢(shì)

計(jì)算結(jié)果顯示1-12月份月徑流量變化幅度比較大，處于幾年上升幾年下降不斷變化中，但總體水平基本上呈下降趨勢(shì)。綜上所述，在未修建大壩之前，長(zhǎng)江干流宜昌江段的年徑流量呈下降趨勢(shì)，1-12月份各月的徑流量也呈下降趨勢(shì)。

2.4 各月徑流量變化趨勢(shì)對(duì)比分析

為了進(jìn)一步定量說明自然環(huán)境的變化對(duì)河流水文情勢(shì)的影響，選取未受人類擾動(dòng)前1883-1980年時(shí)段前20年（1883-1902）、中間20年（1922-1941）、末20年（1961-1980）三段的水文數(shù)據(jù)，對(duì)比分析各月的流量降低量。計(jì)算的結(jié)果見表1，表中單位為m3/s。

表1 各時(shí)間段流量降低對(duì)比結(jié)果（單位：m3/s）

從表1 中可以看出，前20 年（1883-1902）到中間20年（1922-1941）年徑流總量下降了94930m3/s，相對(duì)下降了1.8%。從中間20 年（1922-1941）到末20 年（1961-1980）徑流總量下降了107072m3/s，相對(duì)下降了2.07%。年總徑流量下降幅度加劇，其中1月、2月、3月、6月、7月的平均徑流量呈持續(xù)下降趨勢(shì)，降幅比較明顯，而剩下月份呈現(xiàn)先下降后上升趨勢(shì)，降幅不顯著。

2.5 葛洲壩的修建對(duì)河流水文情勢(shì)的影響

圖8 1882年-1980年12月份流量變化趨勢(shì)

圖9為葛洲壩的蓄水調(diào)節(jié)前后每月的平均流量圖，其中1號(hào)線顯示了天然月均來流過程，即蓄水前計(jì)算的結(jié)果。豎線標(biāo)明的范圍表示由河流未受擾動(dòng)前，天然狀況下計(jì)算出來的RVA推薦流量范圍。2號(hào)線表示修建葛洲壩后每月的平均流量圖，當(dāng)2號(hào)線處于豎線范圍內(nèi)說明修建葛洲壩后對(duì)每月的平均流量改變不明顯，反之則說明修建葛洲壩后此月流量已經(jīng)超過變化的范圍，需要水資源管理部門或者大壩運(yùn)營(yíng)者進(jìn)行合理的調(diào)整，以使每月的流量中值介于相應(yīng)的范圍內(nèi)。

從圖9中顯示的計(jì)算結(jié)果可以看出1~4月、6月、9月、12月份的徑流量均和河流未受人類擾動(dòng)情況下的徑流量持平，而按河流在自然環(huán)境下徑流的變化趨勢(shì)表明這些月份的月徑流量值應(yīng)該處于整體下降趨勢(shì)，因此葛洲壩對(duì)這些月份的流量可能有一定的調(diào)控作用。不過葛洲壩蓄水以來，每月的徑流量值均介于推薦流量范圍內(nèi)，說明葛洲壩的修建產(chǎn)生的人為擾動(dòng)較少，宜昌江段的水文情勢(shì)基本接近天然狀態(tài)，因此葛洲壩的修建對(duì)下游的水生動(dòng)植物影響較小，不會(huì)因?yàn)楦鹬迚蔚男藿ㄔ斐缮鷳B(tài)環(huán)境的破壞。

圖9 葛洲壩蓄水前后每月的流量中值圖

3 結(jié)束語

河流的水文情勢(shì)的影響因素有自然環(huán)境因素和人類擾動(dòng)因素，本文旨在排除了自然環(huán)境因素影響后分析大壩的修建對(duì)河流水文情勢(shì)的影響大小，結(jié)果顯示長(zhǎng)江流域在宜昌區(qū)域由于自然環(huán)境的變化，年徑流量總體呈下降趨勢(shì)。通過IHA軟件分析得出葛洲壩的修建產(chǎn)生的人為擾動(dòng)較少，宜昌江段的水文情勢(shì)基本接近天然狀態(tài)，因此葛洲壩的修建對(duì)下游的水生動(dòng)植物影響較小，不會(huì)因?yàn)楦鹬迚蔚男藿ㄔ斐缮鷳B(tài)環(huán)境的破壞。