王飛龍,郭曉明,張 松,胡 挺

(1.中國長江三峽集團(tuán)有限公司,湖北 宜昌 443100; 2.河南大學(xué) 黃河文明與可持續(xù)發(fā)展研究中心,鄭州 450046)

0 引 言

生態(tài)徑流是影響河流生態(tài)系統(tǒng)健康的因素之一,水文情勢的改變將影響河流生態(tài)演變方向[1],例如,持續(xù)的漲水過程可以刺激魚類產(chǎn)卵,一定量級的洪水給河流沿岸植物提供所需的水分和營養(yǎng)物質(zhì),水溫變化是魚類繁殖遷移的信號,但是極端的干旱和洪水會破壞魚類棲息地[2-3]。目前,世界范圍內(nèi)約有46%的流域受到筑壩影響改變了流域水文特性[4-5],為此,研究人員提出了許多指標(biāo)來評估筑壩對流域生態(tài)水文情勢的影響,如當(dāng)前廣泛流行的水文變化指標(biāo)(Indicators of Hydrologic Alteration, IHA)[6-7]。近些年,基于流量歷時曲線(Flow Duration Curve, FDC)提出的生態(tài)盈余(Eco-Surplus, ES)和生態(tài)赤字(Eco-Deficit, ED)2個指標(biāo)被廣泛用來評估河流生態(tài)徑流情勢[8-10]。

通常以FDC的第25、75分位數(shù)作為河流生態(tài)徑流保護(hù)范圍的下限和上限,年生態(tài)赤字表示低于年內(nèi)下限范圍的徑流,年生態(tài)盈余表示高于年內(nèi)上限范圍的徑流,月、季尺度生態(tài)赤字、生態(tài)盈余含義與年尺度類似。盡管以流量歷時曲線計(jì)算的生態(tài)徑流指標(biāo)已運(yùn)用多年[11-12],但仍存在諸多限制,張松等[13]指出了其中的局限性:①月生態(tài)赤字非零,而對應(yīng)季生態(tài)赤字為零,月生態(tài)赤字非零表示該月缺水,季生態(tài)赤字為零表示本季節(jié)不缺水,這2個時間尺度指標(biāo)含義相互矛盾;②生態(tài)盈余和生態(tài)赤字能間接反映某些生態(tài)徑流條件對生態(tài)系統(tǒng)造成損害的風(fēng)險,但是決策者不能從FDC上找出風(fēng)險發(fā)生時間。

張松等[13]因此提出基于流量過程線(Discharge Hydrograph, DH)來計(jì)算生態(tài)盈余與生態(tài)赤字,新方法克服了上述限制,且展現(xiàn)出與河流魚類生物多樣性指數(shù)具有更強(qiáng)的相關(guān)性,能更好地反映河流的生態(tài)水文狀況,但仍存在2個方面的問題沒有解決。一是不能發(fā)現(xiàn)極端最不利情況,盡管生態(tài)赤字能反映河流缺水程度,但是不能找出最不利生態(tài)赤字情況,沒有最不利的生態(tài)赤字,決策者僅從生態(tài)赤字上不能辨析河流生態(tài)徑流缺水程度,影響實(shí)際決策。二是季(年)生態(tài)赤字通過累加月生態(tài)赤字求得,使得季生態(tài)赤字比月生態(tài)赤字更小,從含義上來看整個季節(jié)的生態(tài)徑流形勢更差,進(jìn)一步放大了季生態(tài)赤字,而實(shí)際每個月的生態(tài)徑流可能不是很差。

為彌補(bǔ)以上2個不足,本文在張松等[13]提出的原方法上,建立新的生態(tài)盈余與生態(tài)赤字計(jì)算方案,在滿足不同時間尺度計(jì)算情況下,辨明生態(tài)赤字與河流缺水程度關(guān)系,并將方法用于金沙江下游屏山站,分析屏山站不同時間尺度下的生態(tài)徑流特征,為決策者有針對性地改善河流生態(tài)徑流提供技術(shù)支持。

1 評估方法建立

1.1 月生態(tài)徑流指標(biāo)

本文基于流量過程線(DH)來定義月、季、年生態(tài)徑流,DH是水文站1 a的日流量過程線。通過整理天然情況下水文站每年的DH曲線得到該站點(diǎn)歷史長系列DHs,從每年同一天的日流量數(shù)據(jù)中計(jì)算該日的第25、75分位數(shù)流量,由每日的第25、75分位數(shù)流量得到第25、75分位數(shù)流量曲線。位于第25、75分位數(shù)區(qū)間的流量可以被認(rèn)為是河流生態(tài)系統(tǒng)可以適應(yīng)的流量變化范圍,因此第25、75分位數(shù)流量也是生態(tài)徑流的下限與上限,如圖1(a)所示。

圖1 可適應(yīng)流量范圍、可適應(yīng)范圍最大徑流與可適應(yīng)范圍最小徑流

生態(tài)徑流上下限確定后,把第75分位數(shù)流量曲線與時間橫坐標(biāo)所圍成的面積定義為可適應(yīng)范圍最大徑流(MaxWm),第25分位數(shù)流量曲線與時間橫所圍成的面積定義為可適應(yīng)范圍最小徑流(MinWm)[13]。以3月份為例,1—31日第75分位數(shù)流量過程線與時間軸所圍成的區(qū)域面積即為該月的最大生態(tài)徑流(圖1(b)中綠色區(qū)域),第25分位數(shù)流量與時間軸所圍成區(qū)域面積為該月最小生態(tài)徑流(圖1(c)中紅色區(qū)域)。其他月份的可適應(yīng)最大徑流(MaxWm)和可適應(yīng)最小徑流(MinWm)類似同樣計(jì)算。

對于確定年份的日流量過程線,每月流量低于第25分位數(shù)流量過程線的徑流稱為月不足徑流(圖2中黃色區(qū)域),每月流量高于第75分位數(shù)流量過程線的徑流稱為月多余徑流(圖2中青色區(qū)域)。通過第25、75分?jǐn)?shù)流量曲線定義,可以得出基于流量過程線DH定義的生態(tài)盈余與生態(tài)赤字[13]。2個指標(biāo)ES″m、ED″m定義如下:

圖2 1994年多余徑流(青色區(qū)域)與不足徑流(黃色區(qū)域)

(1)

(3)

(4)

圖3 月可能最大多余徑流、月可能最大不足徑流

(5)

式(5)表明生態(tài)盈余ESm和可適應(yīng)最大徑流MaxWm沒有關(guān)系,生態(tài)赤字EDm與可適應(yīng)最小徑流MinWm沒有關(guān)系,并且ESm在0～1之間變化,EDm在-1～0之間變化。EDm為負(fù)表示河流缺水,-1為最不利情況,因此,采用EDm指標(biāo)能夠直接判斷生態(tài)徑流破壞程度,EDm值越接近-1,表明生態(tài)徑流越不利。

1.2 季生態(tài)徑流指標(biāo)

依據(jù)月生態(tài)徑流指標(biāo)建立方法,建立季生態(tài)徑流指標(biāo),并定義3—5月份為春季,6—8月份為夏季,9—11月份為秋季,12月份—次年2月份為冬季,季生態(tài)徑流指標(biāo)計(jì)算如下:

(7)

(8)

式中:ESs、EDs分別是季生態(tài)盈余、生態(tài)赤字;S為一個季度總天數(shù)。式(7)的分母表示了季可能最大多余徑流,式(8)的分母表示了季可能最大不足徑流。

1.3 年生態(tài)徑流指標(biāo)

對于給定年流量過程線,可以定義以下的年生態(tài)徑流指標(biāo)如下:

(9)

式中:ESa、EDa分別為年生態(tài)盈余、年生態(tài)赤字;Y為1 a的天數(shù)(365 d或366 d)。式(9)中的分母表示年可能最大多余徑流,式(10)中的分母表示年可能最大不足徑流。

基于流量過程線(DH)計(jì)算的月、季、年生態(tài)徑流指標(biāo),避免了月生態(tài)赤字(ED)非零而季生態(tài)赤字為零的情況。月、季、年尺度的生態(tài)赤字通過與-1比較,便可知道河流生態(tài)徑流的不利程度,越接近-1,河流缺水程度越嚴(yán)重。同時季、年尺度生態(tài)赤字計(jì)算方案克服了文獻(xiàn)[13]通過累加月生態(tài)赤字而導(dǎo)致季、年生態(tài)赤字被放大的不足。

1.4 生態(tài)徑流風(fēng)險評估閾值劃分

維持一定河道流量是保護(hù)河流生態(tài)系統(tǒng)健康的重要條件,缺水會造成河流生態(tài)系統(tǒng)惡化、退化風(fēng)險升高[14-17],而生態(tài)赤字本質(zhì)上反映了建庫后下游河段的徑流減少程度,且相關(guān)文獻(xiàn)[18-22]證明了它與河流魚類生物多樣性指數(shù)的較強(qiáng)相關(guān)性,因此,生態(tài)赤字被用于評估徑流減少對生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性帶來的風(fēng)險。將風(fēng)險等級劃分為:無風(fēng)險、低風(fēng)險、中風(fēng)險、高風(fēng)險,按照文獻(xiàn)[13]的劃分方法各風(fēng)險等級如表1所示。

表1 生態(tài)風(fēng)險等級劃分

2 案例研究

向家壩水電站為金沙江下游4個水電梯級電站中的最下一級電站,壩址左岸位于四川省宜賓縣,右岸位于云南省水富縣,控制流域面積45.88萬km2,占金沙江流域面積的97%。屏山站位于溪洛渡電站下游124 km處,向家壩水庫建成后向下遷站至向家壩壩址下游13 km處,改名為向家壩水文站,本文統(tǒng)一稱為屏山站。歷史長系列數(shù)據(jù)以2007年(建庫)為界,分為1940—2007年,2008—2012年2個區(qū)間系列,其中1940—2007年為建庫前系列,第25、75分位數(shù)基于建庫前系列計(jì)算得到。以屏山站數(shù)據(jù)為例,運(yùn)用以上建立的方法對屏山站生態(tài)徑流風(fēng)險進(jìn)行評價。

3 結(jié)果分析

3.1 屏山站生態(tài)徑流特征

采用月累計(jì)生態(tài)徑流指標(biāo)來探究生態(tài)徑流的長期變化特征,圖4所示為1940—2012年的累積月生態(tài)盈余(ES)、累積月生態(tài)赤字(ED)過程線。生態(tài)赤字累積曲線上,某一小段陡然降低表明右邊年份生態(tài)赤字大于左邊的生態(tài)赤字,某一小段水平表示右邊年份的生態(tài)赤字為0。生態(tài)盈余累積曲線也可類似解釋。

圖4 1940—2012年累積月生態(tài)盈余和生態(tài)赤字

以2007年為分界的前后曲線斜率明顯不同,2008—2012年生態(tài)赤字累計(jì)曲線在6月份、8月份下降更快,說明上游來水在這幾個月偏枯;生態(tài)盈余累計(jì)曲線在2月份、3月份上升更快,說明上游來水在這幾個月偏豐。

為了分析屏山站在2007年前后的徑流指標(biāo)變化程度,通過計(jì)算1940—2007年、2008—2012年累計(jì)徑流指標(biāo)的斜率,并用2008—2012年斜率與1940—2007年斜率相比,最終得出2007年后的徑流變化百分比,結(jié)果如表2所示。對月生態(tài)盈余ES而言,正的百分比變化表示產(chǎn)生了有利影響,反之亦然;對月生態(tài)赤字ED而言,負(fù)的百分比變化表示有利作用,反之亦然。

表2 2007年前后屏山站累積月生態(tài)盈余和生態(tài)赤字變化率

根據(jù)表2,2008—2012年1月份的生態(tài)徑流形勢是最有利于河流生態(tài)系統(tǒng),ES增長率相比2007年以前增大了約275%,ED下降率減小了約55%;10月份是最不利的生態(tài)徑流月份,ES增長率較2007年以前減小89%,ED增加了約125%。

圖5為1940—2012年的累積季生態(tài)徑流指標(biāo),對于ES累積曲線,2008—2012年春季、冬季的曲線斜率高于2007年以前,夏季、秋季低于2007年以前。表3反映了屏山站在2007年前后的季生態(tài)徑流差異特征。在春季、冬季ES表現(xiàn)為有利于河流生態(tài)健康特征;在夏季、秋季,ES和ED都表現(xiàn)為不利于河流生態(tài)健康特征,其中秋季ES有-72%的變化,ED有144%的變化,季尺度影響變化與月尺度表現(xiàn)一致。

表3 2007年前后季生態(tài)盈余和生態(tài)赤字變化率

圖5 1940—2012年累積季生態(tài)盈余和生態(tài)赤字

1940—2012年的累積年生態(tài)徑流指標(biāo)如圖6所示,ED累積曲線在1991年、2005年快速下降。2007年前后年生態(tài)徑流指標(biāo)增長率對比如表4所示,2008—2012年間,上游來水減少對年生態(tài)盈余與年生態(tài)赤字產(chǎn)生了影響,其中年生態(tài)赤字受影響程度大于ES,從歷史流量來看,1940—2007年均流量為4 570 m3/s,2008—2012年為4 300 m3/s,以上結(jié)論與實(shí)際情況符合。

表4 2007年前后累積年生態(tài)盈余和生態(tài)赤字變化率

3.2 不同時間尺度的生態(tài)風(fēng)險評價

根據(jù)表1的生態(tài)赤字風(fēng)險等級劃分,得到1940—2012年屏山站不同時間尺度的生態(tài)赤字風(fēng)險評估,如圖7所示,從圖7上能直觀看出月、季、年的河流生態(tài)風(fēng)險。年風(fēng)險評估圖上顯示1992—1996年具有中高風(fēng)險,1994年、2006年、2011年出現(xiàn)高風(fēng)險,側(cè)面反映了這些年份為枯水年。1994年夏季長江中下游地區(qū)94.5%地區(qū)先后遭受干旱,為1951年以來歷史同期范圍最廣的一年,長江中下游地區(qū)區(qū)域平均降水量為近60 a同期最少[23]。2006年夏季長江中上游發(fā)生干旱,長江出現(xiàn)了歷史同期最低水位,四川、重慶遭遇特大干旱,受災(zāi)嚴(yán)重[24]。2011年夏季長江中下游遭遇罕見大旱,5月份鄱陽湖水面主體及附近水域面積僅為歷史同期多年平均面積的一半[25-26]。以上分析表明,基于此方法計(jì)算的季、年生態(tài)徑流風(fēng)險評估與實(shí)際保持一致。

圖7 月、季、年3種時間尺度下的生態(tài)赤字風(fēng)險

對1940—2012年屏山站月尺度下的的4種風(fēng)險等級進(jìn)一步分析,各風(fēng)險等級出現(xiàn)頻率如圖8所示。

圖8 2007年前后4種風(fēng)險頻率對比

以7月份為例,2008—2012年高風(fēng)險沒有發(fā)生,中風(fēng)險減少,低風(fēng)險與無風(fēng)險發(fā)生頻率較低,這種風(fēng)險狀況的轉(zhuǎn)變表明2008—2012年7月份上游來水增多,對屏山站的生態(tài)徑流產(chǎn)生了有利影響。

在季尺度上,以秋季為例,2007年前秋季1/3的時間為無風(fēng)險,2007年后,無風(fēng)險、中風(fēng)險沒有出現(xiàn),低風(fēng)險增多,高風(fēng)險出現(xiàn)頻率變多,這種轉(zhuǎn)變表明屏山站在秋季生態(tài)徑流存在風(fēng)險,與3.1節(jié)結(jié)論一致。年尺度上,2007年后,無風(fēng)險沒有出現(xiàn),中、低風(fēng)險頻率減少,高風(fēng)險增多,表明2007—2012年生態(tài)徑流存在不足,屏山站來水減少。

4 結(jié) 論

采用新方法重新定義了3種時間尺度上的生態(tài)盈余和生態(tài)赤字,將它們的取值范圍分別限定在0～1和-1～0,可以據(jù)此更直觀地認(rèn)識到評估結(jié)果與可能最大生態(tài)盈余(1,代表可能最好的生態(tài)水文狀況)和可能最小生態(tài)赤字(-1,代表可能最差的生態(tài)水文狀況)的相差程度,從而判斷河流的生態(tài)水文狀況。此外,新方法還克服了原有方法中季、年生態(tài)赤字通過累加月尺度生態(tài)赤字造成季、年生態(tài)赤字進(jìn)一步放大的不足。

基于本方法對屏山站的生態(tài)徑流評估結(jié)果表明:①建庫后,1月份和10月份變化最為明顯:1月份ES增加,ED減少,無風(fēng)險年份比例增加,低風(fēng)險年份比例降低,中、高風(fēng)險未出現(xiàn),向有利方向發(fā)展;10月份ES減小,ED增加,無風(fēng)險年份比例減少,中風(fēng)險未出現(xiàn),低、高風(fēng)險年份例增加,向不利方向發(fā)展。②建庫后,秋季ES減少,ED增加,無、中風(fēng)險未出現(xiàn),低、高風(fēng)險年份比例變高。③建庫后,年生態(tài)風(fēng)險中的中、低、高風(fēng)險年份比例均變高。

基于上述結(jié)果,建議河流管理部門應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注秋季、10月份的生態(tài)徑流指標(biāo),可考慮針對10月份和秋季實(shí)施生態(tài)徑流調(diào)控措施,如上游水庫適當(dāng)加大下泄水量,使流量過程更接近可適應(yīng)的流量變化范圍,減小生態(tài)赤字,使10月份和秋季生態(tài)風(fēng)險維持在低風(fēng)險狀態(tài),并利用本方法對實(shí)施效果進(jìn)行后評估。