李昌隆，蘭 措，3，格桑央培，孫祖剛，尹正宇

（1.中國(guó)科學(xué)院青藏高原研究所，北京 100101；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；3.中國(guó)科學(xué)院青藏高原地球科學(xué)卓越創(chuàng)新中心，北京 100101；4.西藏自治區(qū)旁多水利樞紐管理局，拉薩 850000；5.西藏自治區(qū)水文水資源勘測(cè)局，拉薩 850000）

0 引言

近年來(lái)，拉薩河流域水資源開發(fā)利用程度逐步加大，修建了直孔水電站、旁多水利樞紐等諸多水利工程［1］。水利樞紐工程大力推動(dòng)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展：在流域水電綜合開發(fā)、抗洪防旱、提供工業(yè)及農(nóng)業(yè)用水等方面發(fā)揮著重要作用，但也同時(shí)改變了河流的天然徑流，影響流域內(nèi)的水分和能量循環(huán)、物種棲息地狀況和生態(tài)環(huán)境等［2，3］。有著“亞洲水塔”之稱的青藏高原生態(tài)環(huán)境敏感且脆弱，在遭受人類破壞等負(fù)面影響后極難實(shí)現(xiàn)自我調(diào)節(jié)與修復(fù)［4］。

已有研究人員發(fā)現(xiàn)拉薩河流域水庫(kù)建設(shè)及運(yùn)行導(dǎo)致區(qū)域冬春季氣溫下降［5］、周圍植被生長(zhǎng)受限［6］、阻隔魚類遷移［7］、污染河流斷面［7］、改變水溫和懸移質(zhì)泥沙［8］、粗化壩下河床［9］、降低沿岸土壤肥力［11］，甚至增加地震頻率［12］。而目前針對(duì)拉薩河流域水利設(shè)施對(duì)河流徑流情勢(shì)的影響研究較少，主要為定性分析［13，14］和基于模擬出庫(kù)徑流［1，15］的定量分析。而本文運(yùn)用變化范圍法（RVA）結(jié)合拉薩河旁多水利樞紐工程（以下簡(jiǎn)稱：旁多水庫(kù)）2014-2020年入庫(kù)和出庫(kù)日徑流實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，定量評(píng)價(jià)現(xiàn)階段旁多水庫(kù)對(duì)拉薩河徑流情勢(shì)的改變程度，揭示水庫(kù)調(diào)節(jié)對(duì)拉薩河流域水文過程的影響。本文專注高寒流域人類活動(dòng)對(duì)水文過程和生態(tài)環(huán)境的直接影響，為青藏高原環(huán)境保護(hù)及平衡水庫(kù)運(yùn)行的社會(huì)和生態(tài)效益提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

拉薩河（圖1）是雅魯藏布江子流域中面積最大、最長(zhǎng)的河流，是子流域中人口密度最大的一個(gè)，也是西藏自治區(qū)主要的農(nóng)業(yè)和經(jīng)濟(jì)活動(dòng)所在地，自治區(qū)首府拉薩位于其中下游。拉薩河流域水資源豐富，多年平均流量為288 m3/s，年徑流總量為90.82 億m3，流域面積32 875 km2。流域多年年平均降水量為545.5 mm；多年日平均氣溫為5.5 ℃；氣候溫和涼爽，年溫差小而日溫差大，日照時(shí)間長(zhǎng)，輻射強(qiáng)度大，降水集中。流域植被稀疏，多為草原草甸類型［16］。

圖1 拉薩河流域以及旁多水利樞紐工程地理位置Fig.1 The Lhasa River watershed and location of Pangduo Reservoir

旁多水庫(kù)地處拉薩河流域中游，壩址控制流域面積16 370 m2，年徑流量62.48 億m3，分別占拉薩河流域面積和年徑流量的49.8%和68.8%。旁多水庫(kù)作為西藏自治區(qū)“十一五”重點(diǎn)水利建設(shè)項(xiàng)目，是西藏已建及近期擬建的規(guī)模最大的水利樞紐工程［17，18］。

2 研究方法及數(shù)據(jù)資料

2.1 研究方法

為量化河川徑流改變程度，Richter 等以較長(zhǎng)時(shí)間序列徑流資料為基礎(chǔ)，利用未受干擾情形下的流量變化確定天然河流生態(tài)環(huán)境流量范圍，從而分析一系列水文指標(biāo)在受到干擾后的變化程度，簡(jiǎn)稱變化范圍法（Range of Variability Approach，RVA）［19-21］。該方法在國(guó)內(nèi)外應(yīng)用廣泛［22，23］。

利用河流的逐日徑流資料，計(jì)算表1 中32 個(gè)水文變化指標(biāo)（Indicators of Hydrologic Alteration，IHA）來(lái)反映徑流情勢(shì)的5 種基本特征：平均量值、極端事件、極端事件發(fā)生時(shí)間、高低流量脈沖頻率和歷時(shí)、以及流量變率，從而評(píng)價(jià)徑流情勢(shì)的變化程度。

表1 水文指標(biāo)及含義Tab.1 Summary and definitions of hydrologic indicators of hydrologic alteration（IHA）

RVA 一般以天然流量的自然變化情況為基準(zhǔn)評(píng)估人為影響后流量序列的改變程度。Richter 等提出以自然流量各指標(biāo)的平均值加減一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差或以頻率為75%和25%作為各指標(biāo)的上下限，成為RVA 目標(biāo)范圍［19-21］。在此，我們選用平均值加減一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差為RVA目標(biāo)范圍。

2.2 數(shù) 據(jù)

這里應(yīng)用旁多水庫(kù)同時(shí)段實(shí)測(cè)出入庫(kù)徑流量作為人為影響流量和天然流量，可剔除氣候變化的影響，以單獨(dú)反映水利設(shè)施對(duì)河流徑流情勢(shì)的影響。旁多水庫(kù)2011-2020年出入庫(kù)逐日徑流及庫(kù)區(qū)水位數(shù)據(jù)來(lái)源于西藏自治區(qū)水文水資源勘測(cè)局和旁多水利樞紐管理局。圖2 顯示2013年底出入庫(kù)徑流開始出現(xiàn)較大差異，水庫(kù)操作明顯。因此將2014-2020年作為研究時(shí)段。

圖2 旁多斷面2011-2020年出入庫(kù)日平均流量Fig.2 Daily mean inflow to and outflow from Pangduo Reservoir in 2011-2020

2.3 水文改變度計(jì)算

本文采用公式（1）、（2）［19-21］量化徑流情勢(shì)受水利設(shè)施影響的程度：

式中：Di為第i 個(gè)IHA 指標(biāo)的水文改變度；D0為水文綜合改變度；N0為入庫(kù)徑流中位于RVA 目標(biāo)范圍內(nèi)的年數(shù)；Ni為出庫(kù)徑流位于RVA 目標(biāo)內(nèi)的年數(shù)；Ne為預(yù)期出庫(kù)徑流位于RVA 目標(biāo)范圍內(nèi)的年數(shù)。

由于本文中出入庫(kù)年數(shù)一致，因此Ne與N0值相等。并判斷0 ≤│Di│＜33%為無(wú)或低度改變（L）；33% ≤│Di│＜67%為中度改變（M）；67% ≤│Di│≤100%為高度改變（H）。

2.4 年極端流量發(fā)生時(shí)間計(jì)算說(shuō)明

由于時(shí)間數(shù)據(jù)非常類似空間統(tǒng)計(jì)的方向數(shù)據(jù)［24］，為更好的展示極端徑流發(fā)生時(shí)間的連續(xù)性，本文通過公式（3）將年極端流量發(fā)生時(shí)間的儒略日數(shù)（J）轉(zhuǎn)化為向量日期（α），并求得以下統(tǒng)計(jì)量［25-27］：

定義S2為n個(gè)樣本向量日期αi的方差：

3 結(jié)果與分析

3.1 各月平均流量

干濕季節(jié)的明顯差異使拉薩河流域汛期主要集中在5-10月，月平均流量為370.61 m3/s，非汛期為11月-次年4月，月平均流量為53.40 m3/s［圖3（a）］。

圖3 旁多斷面2014-2020年出入庫(kù)流量及水位Fig.3 Mean monthly inflow and outflow，monthly inflow and outflow，monthly water level of Pangduo Reservoir in 2014-2020

天然徑流經(jīng)水庫(kù)攔蓄調(diào)節(jié)后造成全年水量分配皆有一定程度的變化：其中1、3、4、5、7、12月出庫(kù)流量明顯大于入庫(kù)流量，6、8、9、10月出庫(kù)流量明顯小于入庫(kù)流量。整體呈現(xiàn)蓄洪補(bǔ)枯的動(dòng)態(tài)年調(diào)節(jié)狀態(tài)，主要表現(xiàn)在出庫(kù)月平均流量相比入庫(kù)月平均流量在汛期有明顯下降，為337.98 m3/s；在非汛期有明顯升高，為71.24 m3/s［圖3（a）］。

汛期從5月一直持續(xù)到10月，期間拉薩河流域夏季風(fēng)盛行，降水增加，同時(shí)流域整體回暖滿足冰雪消融的氣象條件，導(dǎo)致徑流量增加，旁多水庫(kù)開始攔蓄補(bǔ)充庫(kù)容。而正值汛期的7月，出庫(kù)月平均流量為633.60 m3/s 大于入庫(kù)月平均流量的605.76 m3/s［圖3（a）］，主要是由于2015 和2016年7月出庫(kù)月平均流量明顯大于入庫(kù)月平均流量［圖3（b）］，存在強(qiáng)調(diào)節(jié)影響。原因是：2015年拉薩河上游出現(xiàn)明顯的水文異常干旱現(xiàn)象，雖然洪峰出現(xiàn)次數(shù)增多，但單次峰值流量減少，流量過程呈現(xiàn)“雙峰型”。第一次洪峰排泄后，使得水庫(kù)水位急劇下降［圖3（c）］，低于死水位（4 066.0 m）。2015年的水文異?，F(xiàn)象也影響了2016年的水庫(kù)調(diào)度。而其他年份7月平均入庫(kù)流量均略大于月平均出庫(kù)流量，存在一定的削峰作用。

在非汛期，年初旁多水庫(kù)為滿足春耕的用水需求，其在3月開始大幅增加其出庫(kù)月平均流量［圖3（a）］，在保證下游沿岸地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)順利進(jìn)行的同時(shí)也能預(yù)留一部分庫(kù)容保證夏季洪峰安全過境。11月進(jìn)入年末非汛期，為有效應(yīng)對(duì)冬春季逐步減少的徑流量，滿足下游生活用水需求，旁多水庫(kù)積極發(fā)揮供水作用。2015、2018-2020年年初出庫(kù)流量明顯大于入庫(kù)流量，水庫(kù)的補(bǔ)枯作用非常明顯。

水位峰谷變化相比于流量變化略有滯后［圖3（c）］，從其月平均水位變化也能看出上述同樣的水庫(kù)調(diào)度。年內(nèi)最高水位一般出現(xiàn)在10月或11月，年內(nèi)最低水位一般出現(xiàn)在4月或5月。2016年的水位情況受前一年調(diào)度影響，滯后更加明顯。

3.2 年極端流量

圖4 中相同歷時(shí)的低值流量改變程度均大于高值流量，其中年最小1 天流量、年最小連續(xù)30 天流量改變度均為100%。為進(jìn)一步說(shuō)明年極端流量改變程度，圖5 對(duì)比分析2014-2020年每月極端水文日事件，并計(jì)算了其相對(duì)變化倍數(shù)（變化倍數(shù)=，其中正倍數(shù)為供水調(diào)度，負(fù)倍數(shù)為蓄水調(diào)度。

圖4 旁多斷面2014-2020年不同歷時(shí)最?。ù螅┝髁克母淖兌菷ig.4 Changes of annual extreme IHA due to Pangduo Reservoir in 2014-2020

對(duì)于每月最小入庫(kù)流量日事件變化倍數(shù)范圍為-0.86～4.79［圖5（a）］，對(duì)每月最大入庫(kù)流量日事件變化比率范圍為-0.98～1.22［圖5（b）］。說(shuō)明旁多水庫(kù)強(qiáng)有力地改變了拉薩河上游極端天然徑流，尤其體現(xiàn)在基流上。一般對(duì)于每月最小入庫(kù)流量，流量變化為正倍數(shù)，即多處于供水調(diào)度來(lái)應(yīng)對(duì)低流量事件，而當(dāng)?shù)土髁渴录髁恐递^小時(shí)調(diào)整為蓄水調(diào)度，如在2015、2017、2019年汛期；對(duì)于每月最大入庫(kù)流量，流量變化為正負(fù)倍數(shù)交替，即蓄水、供水交替調(diào)度來(lái)應(yīng)對(duì)高流量事件，并且調(diào)度程度隨高流量事件的流量值增加而減弱。

圖5 旁多斷面2014-2020年月入庫(kù)最小、最大流量及對(duì)應(yīng)日出庫(kù)流量Fig.5 Monthly extreme 1-day mean inflow and its outflow at Pangduo Reservoir，2014-2020

3.3 年極端流量發(fā)生時(shí)間

通過向量統(tǒng)計(jì)公式（3）、（4）、（5），得到年極端流量發(fā)生時(shí)間圓形玫瑰圖（圖6）。經(jīng)水庫(kù)調(diào)節(jié)后：年最小一天流量平均發(fā)生時(shí)間從1月11日（J=11）變化為2月5日（J=36），時(shí)間范圍從12月13日到2月19日（J=347-50）擴(kuò)展為8月30日-5月24日（J=242-144）［圖6（a）、（b）］；年最大一天流量平均發(fā)生時(shí)間從7月26日（J=207）變化為7月22日（J=203），時(shí)間范圍從6月25日-8月22日（J=176-234）擴(kuò)展為6月21日-8月31日（J=172-243）［圖6（c）、（d）］。

圖6 旁多斷面2014-2020年年極端流量發(fā)生時(shí)間圓形玫瑰圖Fig.6 The rose diagrams of Julian day of occurrences of minimum inflow and outflow，maximum inflow and outflow at Pangduo Reservoir in 2014-2020

旁多水庫(kù)的調(diào)節(jié)對(duì)拉薩河天然河流年極端流量發(fā)生時(shí)間影響極大：其推遲了年最小一天流量平均發(fā)生時(shí)間、擴(kuò)大了時(shí)間范圍；提前了年最大一天流量平均發(fā)生時(shí)間、擴(kuò)大了時(shí)間范圍。

3.4 高、低流量脈沖頻率及延時(shí)

將入庫(kù)天然流量2014-2020年所有年份的日流量值由大到小依次排序，選取75%和25%的百分位流量值作為高低脈沖流量的閾值，計(jì)算求得大于298.05 m3/s 的日流量值為高流量，小于44.65 m3/s的日流量值為低流量（圖7）。

圖7 旁多斷面2014-2020年入庫(kù)、出庫(kù)高低流量脈沖圖Fig.7 High and low pulses of inflow and outflow at Pangduo Reservoir in 2014-2020

從多年平均來(lái)看：低流量脈沖多年平均次數(shù)由12.1 次減少為2.1 次［圖8（a）］，平均歷時(shí)天數(shù)由5.4 d 擴(kuò)大為9.7 d［圖8（b）］；高流量脈沖多年平均次數(shù)由3.4 次增加為5.7 次［圖8（c）］，平均歷時(shí)天數(shù)由31.7 d縮減為22.9 d［圖8（d）］。

圖8 旁多斷面2014-2020年出入庫(kù)不同流量脈沖次數(shù)及平均歷時(shí)圖Fig.8 Frequency and duration of different pulses of inflow and outflow at Pangduo Reservoir in 2014-2020

從年際來(lái)看：2014年出入庫(kù)低流量脈沖次數(shù)較為接近，但平均歷時(shí)天數(shù)差異巨大，2018-2020年出庫(kù)低流量脈沖次數(shù)均為0；整體上低流量脈沖次數(shù)與平均歷時(shí)之間的出入庫(kù)差異沒有一致的年際變化。出庫(kù)高流量脈沖次數(shù)普遍高于對(duì)應(yīng)年入庫(kù)高流量脈沖次數(shù)，只有在2014年出現(xiàn)低于、2020年出現(xiàn)相等的情況；出庫(kù)高流量脈沖平均歷時(shí)普遍低于對(duì)應(yīng)年入庫(kù)高流量平均歷時(shí)，只有在2018年出現(xiàn)例外。

3.5 流量變化改變率及頻率

圖9（a）、（b）所示旁多水庫(kù)在2014-2017年擴(kuò)大了流量平均減少率和增加率，增大了河流日際變率；在2018-2020年縮小了流量平均減少率和增加率，減小了河流日際變率。圖9（c）中，旁多水庫(kù)入庫(kù)天然流量逆轉(zhuǎn)次數(shù)受自然條件影響存在階段性差異明顯，高低值變化劇烈，而人為調(diào)控使其出庫(kù)流量逆轉(zhuǎn)次數(shù)維持在穩(wěn)定水平。這種階段性人為調(diào)控的河流日際變率顯著不同于拉薩河自然的漲水率和落水率。

圖9 旁多斷面2014-2020年出入庫(kù)流量平均減少率、增加率及逆轉(zhuǎn)次數(shù)Fig.9 Average decrease，increase rates and reversal times of inflow and outflow at Pangduo Reservoir in 2014-2020

3.6 水文改變度整體分析

通過計(jì)算5 組32 個(gè)水文參數(shù)指標(biāo)可知有10 個(gè)指標(biāo)處于低度改變，8個(gè)指標(biāo)為中度改變，14個(gè)指標(biāo)為高度改變。各水文指標(biāo)統(tǒng)計(jì)分析表及改變度排序詳見圖10 和表2。利用公式（2）綜合計(jì)算得出：旁多斷面徑流情勢(shì)整體改變度為62.21%，屬于中度改變。

表2 旁多斷面徑流情勢(shì)變化指標(biāo)Tab.2 Summary of IHA analysis of the Pangduo Reservoir

圖10 旁多斷面徑流水文情勢(shì)指標(biāo)改變度排序圖Fig.10 Ranked order of IHA related to Pangduo Reservoir

4 結(jié) 語(yǔ)

現(xiàn)階段旁多水利樞紐的運(yùn)行調(diào)節(jié)重塑了拉薩河徑流的年內(nèi)分配；提高了低流量事件發(fā)生時(shí)的基流；調(diào)整和擴(kuò)展了年極端流量發(fā)生時(shí)間及范圍；改變了高低流量脈沖及歷時(shí)；擴(kuò)大了流量日際變率；穩(wěn)定了逆轉(zhuǎn)次數(shù)階段性差異；對(duì)徑流情勢(shì)影響程度總體達(dá)到62.21%。

我們?cè)跐M足人類社會(huì)發(fā)展需求的同時(shí)，應(yīng)當(dāng)同時(shí)顧及生態(tài)環(huán)境需求，以讓整個(gè)地球系統(tǒng)能夠可持續(xù)發(fā)展。如何優(yōu)化旁多水利樞紐調(diào)度，平衡其經(jīng)濟(jì)效益與生態(tài)效益將是未來(lái)拉薩河流域發(fā)展的重點(diǎn)考慮問題。