沈凱琦，趙 超，張翔宇，黃志強

(1.廈門理工學院環(huán)境科學與工程學院，福建 廈門 361024；2.廈門市水資源利用與保護重點實驗室，福建 廈門 361024；3.臺州市黃巖區(qū)永寧江事務中心，浙江 臺州 318020)

河流水文情勢是維系水域生態(tài)系統(tǒng)完整性及本地生物多樣性的關(guān)鍵所在[1-3]。河流在滿足人類日常用水需求的同時，也為周遭依賴河流生態(tài)系統(tǒng)的動植物提供了最佳棲息地。然而，氣候變化和人類活動的干預使河流徑流量、水位和汛期等水文狀況不斷改變，這可能會擾亂水生生物的生長過程[4-10]。建庫筑壩是人類活動中改變河流水文情勢最強烈的方式，一定程度上會導致河流水動力條件產(chǎn)生變動，從而影響河流的健康[11-14]。因此，評估水庫建設引起的水文特征的變化，對水資源綜合管理和生態(tài)環(huán)境保護至關(guān)重要。目前國內(nèi)對于水庫建設引起的河流水文情勢變化展開了較多研究，張颯等[15]針對丹江口水庫的建設，應用變異范圍法(range of variability approach，RVA)評估了漢江中游水文情勢變化；王鴻翔等[16]為評價三峽水庫對壩下河流水文情勢的影響，采用Mann-Kendall法分析流量變化趨勢，并基于水文改變指標(indicator of hydrological alteration, IHA)和RVA法計算水文改變度；林夢然等[17]結(jié)合龍羊峽水庫運行特點和黃河上游生態(tài)特征，運用RVA法評估水庫運行對其壩下河段水文情勢的影響程度。

永安溪位于浙江省椒江水系中上游，是我國東南沿海地區(qū)山溪性河流的典型代表，沿溪兩岸濕地資源豐富，是不可多得的天然漁倉。當?shù)氐墓まr(nóng)業(yè)生產(chǎn)總值都集中在永安溪兩岸，生產(chǎn)生活資源也基本來源于此。受地形和降雨等因素的影響，永安溪歷史上洪澇災害頻發(fā)，使人民生命財產(chǎn)安全遭到了嚴重威脅，因此當?shù)厝嗣窈驼Y修建了下岸水庫用以攔蓄洪水。雖然水庫運行后防洪效果有所提高，但也對流域水文情勢造成了潛在影響，加之近年來永安溪防護林和濕地資源加速減少，魚類自然繁殖能力不斷降低，漁業(yè)資源的品質(zhì)和產(chǎn)量隨之逐年下降，嚴重影響當?shù)亟?jīng)濟建設及生態(tài)發(fā)展。鑒于此，本文利用多種水文指標對比下岸水庫運行前后永安溪流域水文特征變化情況，并采用RVA法評估流域水文情勢的總體變化程度，以期為下岸水庫的生態(tài)調(diào)度和永安溪流域綜合治理提供科學依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

永安溪位于浙江省臺州市境內(nèi)，是浙江省第三大水系椒江的源頭，自西向東橫貫仙居盆地(圖1)。永安溪全長約141 km，流域面積為2 704 km2，地處亞熱帶濕潤季風氣候區(qū)，全年降雨主要集中在3—9月，枯水期為每年的10月至次年2月[18]。下岸水庫是永安溪上游唯一的控制性工程，壩址位于仙居縣曹店村下游680 m處的峽口，于2003年建成并開閘蓄水，總庫容1.35億m3，防洪庫容3 574萬m3，正常蓄水位208 m，為多年調(diào)節(jié)水庫，是一座以防洪、供水為主，結(jié)合蓄能發(fā)電、養(yǎng)魚為一體的綜合性大型水利工程。柏枝岙水文站位于浙江省臨海市白水洋鎮(zhèn)柏枝岙村，屬國家重要水文站，距永安溪河口95 km，集水面積為2 475 km2，占永安溪流域面積的91.53%，是其出口控制斷面，多年平均徑流量為23.00億m3，建庫后的年平均徑流量由建庫前的23.57億m3下降至22.27億m3。

圖1 研究區(qū)域

本文基于柏枝岙站1980—2020年的逐日徑流資料，將下岸水庫蓄水年份(2003年)作為水文改變年，則1980—2002年的徑流數(shù)據(jù)代表水庫運行前的天然水文情勢，2003—2020年的徑流數(shù)據(jù)為水庫運行后的水文情勢，據(jù)此分析下岸水庫對永安溪流域水文情勢的影響。

2 研究方法

2.1 不均勻性

氣溫、降水等氣象要素存在顯著的季節(jié)性變化，很大程度上導致了徑流年內(nèi)分配的不均勻性。為衡量流域徑流年內(nèi)分配的不均勻性，本文采用徑流年內(nèi)分配不均勻系數(shù)Cv和徑流年內(nèi)分配完全調(diào)節(jié)系數(shù)Cr[19]，從不同角度進行分析。以月為時間尺度，Cv和Cr的計算公式[20-23]為

(1)

(2)

其中

2.2 集中度

在月尺度下，將一年中各月徑流量看作向量，月徑流量的大小對應向量的長度，所處的月份為徑流向量的方向，合成后的矢量模占年徑流的比例即年徑流集中度Cd[24]，計算公式為

(3)

式中rx、ry分別為一年中各月徑流在x和y兩個方向上的分量之和。

2.3 RVA法

為定量評估河流水文情勢受人類活動(如水庫、大壩等水利工程的建設)干擾的程度，在具有長序列日徑流觀測數(shù)據(jù)的流域，Richer等[25-26]提出了RVA法。利用自然水文情勢下的日徑流序列，計算影響生態(tài)環(huán)境的32個關(guān)鍵水文特征值及分布范圍(RVA范圍)[27]，用以評估水庫運行后水文特征值偏離分布范圍的概率，從而衡量水文整體改變度，具體計算方法為

(4)

其中

Ne=RNt

式中:Di為第i個水文特征值改變度；D為流域水文整體改變度；Np,i為第i個水文特征值受干擾后落在RVA范圍內(nèi)的年數(shù)；Ne為期望年數(shù)；R為IHA指標受干擾前落在RVA目標范圍內(nèi)的比例，本文取50%；Nt為受干擾后時間序列的總年數(shù)。

為客觀評定水文指標的改變程度，Richter 等[26]對Di及D做出如下分級規(guī)定：絕對值介于0～33%為未改變或低度改變(L)，33%～67%為中度改變(M)，67%～100%為高度改變(H)。

3 結(jié)果與分析

3.1 徑流年內(nèi)分配

圖2為水庫運行前后年內(nèi)月徑流量分配情況。永安溪徑流年內(nèi)分布不均，徑流量主要集中在汛期3—9月，其中6月徑流量最豐沛，枯水期10月至次年2月徑流量較少。下岸水庫運行前，受梅雨及臺風雨影響，6、7、8、9月徑流量分別占全年徑流量的17.44%、11.94%、12.21%、11.93%；水庫運行后，3—4月的徑流量占全年徑流的比例由20.85%下降至15.34%，6月和7月的徑流量也下降明顯，月徑流量降幅分別為8.53%和4.85%，10月及12月至次年2月的徑流量有所上升，反映了水庫調(diào)節(jié)的蓄豐補枯作用。值得一提的是，水庫運行后8月徑流量不降反升，月徑流量占全年徑流量的17.19%。分析8月徑流量上升的原因，發(fā)現(xiàn)水庫運行后8月的極值流量為586.21 m3/s，發(fā)生在8月10日，主要由2009年臺風“莫拉克”、2015年臺風“蘇迪羅”和2019年超強臺風“利馬奇”均在8月初登陸浙江帶來強降水所致。若無水庫的調(diào)節(jié)作用，臺風期間的徑流量會更加難以控制，極可能造成洪澇災害，威脅流域內(nèi)生物及周邊居民的生命財產(chǎn)安全。

圖2 徑流量年內(nèi)分配

柏枝岙站1980—2020年Cv、Cr和Cd變化過程見圖3和圖4。水庫運行前，1980—2002年Cv和Cr的平均值分別為0.88、0.35，Cv值上升趨勢明顯，表明徑流年內(nèi)分配不均勻增強，Cr值相對穩(wěn)定，呈微弱上升趨勢。水庫運行后，2003—2020年Cv值則呈現(xiàn)出下降趨勢，均值降低至0.87，Cr值也緩慢減小，均值下降至0.34。水庫運行前Cd呈現(xiàn)上升趨勢，運行后Cd趨勢下降。綜上，水庫運行后Cv、Cr和Cd變化一致，均呈下降趨勢。由此可見，水庫的調(diào)蓄運行使得永安溪徑流年內(nèi)分配趨于均勻，流域?qū)搅鞯恼{(diào)節(jié)能力有所提升。

圖3 1980—2020年不均勻系數(shù)和完全調(diào)節(jié)系數(shù)變化趨勢

圖4 1980—2020年集中度變化趨勢

3.2 RVA法分析

下岸水庫運行前后的水文特征指標計算結(jié)果見表1。第1組水文特征指標月中值流量的整體改變度為30.03%，呈低度改變，其中改變度最高的是4月，改變度高達-74.44%。圖5為1980—2020年4月流量，可見水庫運行后的4月流量大多低于RVA閾值的下限，屬于高度改變月。而每年的4—5月正值永安溪流域內(nèi)溪魚的產(chǎn)卵繁殖期，因此該時段內(nèi)流量的減少將直接影響水生生物的繁殖與生存。同時，流量的大幅降低也不利于沿溪兩側(cè)植被保持所需的土壤濕度，甚至難以保障陸生動物的供水需求。

表1 下岸水庫運行前后水文特征指標統(tǒng)計結(jié)果

圖5 4月流量

由表1中第2組水文參數(shù)在水庫運行前后的對比中可以看出，水庫運行前后，除年最大、最小90 d流量減少外，其余指標均呈上升趨勢，其中年最大1 d流量變化最顯著，由運行前1 160.00 m3/s增長到運行后1 720.00 m3/s，變化幅度高達48.28%，其他最小流量的增加表示水庫的補枯作用有所成效。第2組指標年極端流量的整體改變度為35.39%，達到中度改變標準，其中年最大3 d流量、年最大30 d流量和年最大90 d流量這3個指標屬于中度改變，其他指標均為低度改變，說明水庫的運行對天然狀態(tài)下流量的極值變化影響并不大。

年極端流量的出現(xiàn)時間可以很好地表征徑流的季節(jié)性變化。通過表1第3組參數(shù)計算結(jié)果可以看出，年最小流量出現(xiàn)時間由每年1月初變?yōu)?2月初，整體分布范圍無明顯變化(圖6)，年最小值出現(xiàn)時間的改變將會影響魚類的遷移和產(chǎn)卵，不利于生物棲息環(huán)境的穩(wěn)定；年最大流量出現(xiàn)時間較水庫運行前提前10 d左右，發(fā)生時間的范圍由原本的3月下旬至11月中旬集中到6月下旬至10月上旬(圖7)，屬于高度改變(改變度為70.37%)，同時出現(xiàn)時間的提前很可能向水生生物傳遞不符合其生長規(guī)律的產(chǎn)卵和生長信號。

圖6 年最小流量出現(xiàn)時間

圖7 年最大流量出現(xiàn)時間

高流量發(fā)生次數(shù)和歷時無明顯變化，但低流量發(fā)生次數(shù)及歷時均產(chǎn)生高度改變，水文改變度分別為-85.80%和-87.22%，其中低流量發(fā)生次數(shù)呈增加趨勢，由水庫運行前的5次增加至運行后的9次，發(fā)生次數(shù)的變化范圍也增大，尤其是2017年出現(xiàn)了異常狀況，低流量發(fā)生次數(shù)高達29次(圖8)，遠多于其他年份，這可能是因為2017年降雨偏少，水庫蓄水不足加劇了當?shù)乜菟诘暮登椤Ｈ魺o法保證干旱時期的各項用水需求，干旱頻發(fā)將會影響當?shù)剞r(nóng)作物及水生生物的生長。而低流量歷時時間從9 d減短到了4.5 d，可見低流量次數(shù)雖然沒有減少，但下岸水庫的調(diào)節(jié)作用能減少低流量的持續(xù)時間。

圖8 低流量發(fā)生次數(shù)

由表1計算結(jié)果可知，流量上升率減少了39.51%，下降率增大了38.82%。流量逆轉(zhuǎn)次數(shù)由99次增加至124次，水庫運行后增大趨勢顯著，多個年份逆轉(zhuǎn)次數(shù)超過RVA閾值(圖9)，改變度達-100.00%，是所有指標中最高的，但是在體現(xiàn)水庫電站配合電網(wǎng)調(diào)峰、填谷和調(diào)頻任務的同時，頻繁的流量波動會影響該流域內(nèi)生物承受外界變化的能力，使其賴以生存的棲息地遭到破壞，不利于生物的穩(wěn)定生長。

圖9 流量逆轉(zhuǎn)次數(shù)

3.3 水文整體改變度

由表1可知，高度改變指標和中度改變指標各有5個，低度改變指標有22個，分別占比15.63%、15.63%和68.74%。為進一步清晰各指標改變度的分布情況，繪制水文改變度落區(qū)(圖10)，1～32的序號與32個水文特征指標一一對應，從內(nèi)而外3個區(qū)域分別代表低、中、高度改變，從圖10中可以明顯看出，低改變度指標雖多，但大多都逼近中度改變的臨界線，第4組和第5組水文特征指標的改變度最高，其中低流量發(fā)生次數(shù)、低流量歷時和流量逆轉(zhuǎn)次數(shù)占主導。因此綜合計算后的水文整體改變度仍能達到42.82%，屬于中度改變，說明下岸水庫的運行對永安溪流域的水文情勢影響較大。

圖10 水文改變度落區(qū)

4 結(jié) 論

a.下岸水庫的建成和運行對徑流產(chǎn)生了較大影響，具體表現(xiàn)在水庫的蓄豐補枯作用。

b.受水庫調(diào)節(jié)作用的影響，徑流年內(nèi)分配趨于均勻化，不均勻系數(shù)Cv、完全調(diào)節(jié)系數(shù)Cr及集中度Cd變化規(guī)律一致，均在水庫運行后由原本的上升趨勢轉(zhuǎn)變?yōu)橄陆第厔荨?/p>

c.經(jīng)過RVA法分析，下岸水庫運行后，4月流量顯著減少，年最大流量出現(xiàn)時間提前10 d，低流量發(fā)生次數(shù)增加、歷時減少，流量逆轉(zhuǎn)次數(shù)由99次增加至124次且改變度最高。這些指標的變動均會影響魚類的洄游與繁殖。總體而言，下岸水庫對永安溪水文情勢產(chǎn)生了中度改變，水文整體改變度為42.82%。

d.下岸水庫雖然具有防洪減災的效益，但是同時也改變了壩下徑流的特性，造成的水文情勢波動不利于水生生物的生長繁衍，影響生物群落的多樣性，進而威脅河流生態(tài)環(huán)境的穩(wěn)定。建議開展生態(tài)保護修復措施，如人工增殖、生態(tài)調(diào)度等，將水庫運行對生態(tài)系統(tǒng)的不利影響降到最低。