水库联合运行对下游水文情势的影响范文

《资源科学杂志》2014年第六期

1研究区概况及数据来源

黄河发源于青藏高原的巴颜喀拉山脉北麓约古宗列盆地的玛曲，最后于山东省流入渤海。流域面积79.5万km2，干流全长5464km，是中国第二长河[11]。1960年至今，黄河干流建成了10多座水利枢纽，总库容达到563亿m3，几乎接近天然径流量[12]。其中具有重要调节作用的控制性水库共4座，分别为上游的龙羊峡和刘家峡水库、中游的三门峡和小浪底水库（见图1）。这些水利工程在防洪、灌溉、发电等方面发挥了重大作用和效益，但也正是由于水库的大量蓄水，导致下游河道径流量急剧减少，特别是进入20世纪90年代之后，黄河下游几乎年年发生断流，致使河流的水文情势发生了重大改变，河流的生态平衡遭到严重破坏。花园口水文站距小浪底水库下游128km，控制上游积水面积为73万km2，占到黄河流域总面积的97%。它是黄河干流最重要的控制水文站，担负着向国家防总、黄河防总等防汛指挥部门提供水文信息资料的重要任务，上游对其影响最大的水利工程分别为刘家峡、龙羊峡、三门峡和小浪底水库。为了分析上述4座梯级水库运行前后黄河下游生态系统水文要素的演变规律，本文根据花园口控制断面1949-2010年（缺1966年、1967年、1968年）的日径流资料，研究梯级水库联合运行对下游水文情势的影响。

2研究方法

2.1水文改变指标法（IHA）河流水文情势改变指标（IHA），IHA指标分为5组，分别从月流量大小、频率、时间、历时以及变化率等方面计算33个具有生态系统表征的水文特征值。IHA一般利用长系列日径流资料计算受人类活动影响的河流，对影响前和影响后进行分析，具体指标及相应的生态系统表征见表1。

2.2变异范围法（RVA）为了定量描述各个水文指标受影响后的改变程度，Richter等在IHA的基础上提出变异范围法[4]，通过对水库运行前后河道日径流数据进行分析研究，来量化各水文要素变化的程度，通常把受影响前各指标发生频率的75%及25%作为满足河流生态需求的变动范围，即RVA阈值。若受影响后的流量特征值仍有大部分落在RVA阈值内，则说明建坝等人类活动对河流水文情势的影响不大，是在可接受范围之内；反之，若受影响后的流量特征值大部分落在RVA阈值外，则说明河流水文情势改变度较大，将会对河流的生态环境产生严重的负面影响。为了定量描述各个水文指标受影响后的改变度，Richter等提出了水文改变度来量化，公式如下。式中Di为第i个指标的水文改变度；Ni为第i个指标受影响后仍落于RVA阈值范围内的实际观测年数；Ne=rNT为指标受影响后预期落于RVA阈值范围内的年数；r为受影响前指标落于RVA阈值范围内的比例，NT为指标受影响后的总年数。规定0%|D|i<33%为无或低度改变；33%|D|i<67%为中度改变；67%|D|i<100%为高度改变。Shiau和Wu[13]提出了整体水文改变度Do，即将各指标的水文改变度以权重平均的方式来计算水文情势的综合改变度，分为以下3种情况计算[5]：（1）如果各水文指标的改变值均小于33%，则整体改变度为33个Di值的平均值。式中Di为各个水文指标改的变化值；Nh为Di属于高度改变的个数，显然，计算得到的Do>67%，整体改变度将属于高度改变。

2.3研究时段的划分研究时段的划分以水库投入运行的时间为分界点。三门峡水库1960年9月蓄水，其运用方式经历了“蓄水拦沙”、“滞洪排沙”，之后1974年确定为“蓄清排浑”，所以三门峡水库1974年开始正常运行；刘家峡水库1974年最后一台机组安装完毕；龙羊峡水库1986年建成；小浪底1997年截流，2001年底竣工，但考虑到初期蓄水期的影响，选取2006-2010年作为水库影响时段。综上分析，设定1974年以前为天然状态，1974-1986年为刘家峡、三门峡水库联合运行阶段，1987-1997年为龙羊峡、刘家峡、三门峡水库联合调度阶段，2006年以后为龙羊峡、刘家峡、三门峡、小浪底水库联合运用时期，为方便起见，下文分别将龙羊峡、刘家峡、三门峡、小浪底水库简称为龙、刘、三、小。

3研究结果

3.1水文指标改变度以1949-1973年为IHA影响前的日径流序列，并以33个水文指标各发生机率的25%和75%作为RVA的上限和下限，即RVA阈值。根据公式（1）提出的水文指标改变度，可计算得到不同梯级水库联合运行模式下各指标的改变度，计算结果见表2。

3.2整体改变度由表2计算结果知，3种梯级水库联合调度模式均含有高度改变的水文指标，满足Shiau和Wu[5]提出的整体水文改变度算法的第三种情况，由公式（4）可计算得到不同梯级水库联合运行下，黄河下游的整体水文改变情况，结果见表3。

4结果分析与讨论

4.1月流量变化花园口站月平均流量的改变程度随着梯级水库数量的增加而增强，刘、三联合运行，各月流量变化度均为中、低改变；刘、龙、三联合运行后12个月中有5个月都呈高度改变；而小浪底的加入后，只有6月呈低度改变，其余各月均为中、高度改变，其中汛期变化度最为明显。由此可以说明梯级联合调度的水库数量越多，对黄河下游的水文情势影响就越大。龙羊峡水库、刘家峡水库、三门峡水库、小浪底水库不同组合模式运行前后，花园口断面平均月流量变化趋势如图2所示。由图2可知，天然状态下，花园口站月平均流量分配极不均匀，呈现出明显的季节变化，在汛期7-10月份平均流量为2143m3/s，非汛期平均流量为957m3/s。刘家峡和三门峡水库联合运行期间，由于三门峡水库“蓄清排浑”的运行方式使花园口断面汛期平均流量较天然状态下变化不大。龙羊峡投入运行后，由于龙羊峡为多年调节水库，其“蓄丰”作用明显，致使花园口断面汛期平均流量削减为1205m3/s，非汛期平均流量占到全年的53.2%。四库联调阶段后，由于小浪底水库自2001年起开始实施调水调沙，其防洪冲沙的任务更加凸显，致使各月流量分配更加均匀平坦化，尤其是汛期变化较大，月平均流量速降至733m3/s，严重影响了水生物种的繁殖和生存，危害河流生态健康。

4.2年极端流量变化图3为不同梯级水库联合运行模式下，年极端流量相对于天然状况下的流量变化幅度。图3显示，刘、三水库联合运行给年流量极小值带来明显影响，年最小1天、3天、7天（1周）、30天（1月）、90天（1季）流量平均值均增大，增加幅度分别达到了166.25%、152.82%、163.54%、38.02%和5.04%。龙羊峡水库加入后，对年流量极大值影响显著，年不同历时的最大流量平均值均明显减小，且长历时极大值较短历时极大值变化明显，年最大1天、3天、7天、30天、90天平均值较天然状态下减小幅度分别为27.09%、35.34%、41.21%、35.78%、37.94%。小浪底水库投入使用后，年流量极小值和年流量极大值均发生了显著性改变，年流量极值指标中，年流量极小值较天然状态下变化幅度分别为145.15%、134.89%、129.72%、11.52%和-13.38%，年流量极大值较天然状态下变化幅度分别为-30.62%、-25.19%、-18.45%、-41.61%和-43.58%。综上分析可知，梯级水库联合运行极大的改变了黄河流量的天然分配规律，特别是刘、三、龙、小四库联合运行之后，对黄河下游的调节作用更加明显，虽然这种人为的水库调节方式对水量的分配、河道泥沙的冲刷有所益处，但会使天然洪水和年内丰枯周期逐步消失，极大地危害黄河下游生态功能，破坏水生生物的生存环境的稳定性。

4.3年极端流量发生时间图4为二库、三库、四库联合运行年极小值、极大值流量发生时间儒略日变化。由图4看出，梯级水库联合运行之后，年最小1日流量发生时间均有所推迟，主要集中在7~10月；年最大1日流量发生时间均有所提前，主要集中在1~4月。由于水生生物尤其是鱼类的繁殖和洄游产卵等行为一般发生在季节性洪峰时期，但是梯级水库运行后，季节性洪峰期逐步丧失，尤其是四库联合运行后，最小1日与最大1日流量发生时间仅相差12天，这会严重阻碍鱼类接近溺水和湿地区域，同时破坏了水生植物网结构的稳定性、延缓植被生长速度及再生率[13]。

4.4高、低流量频率及历时RVA规定高于影响前指标发生频率的75%为高流量，低于25%属低流量。由表2的计算结果知，年发生低流量次数都有所增加且历时缩短，高流量次数都有所减少且历时增加。二库阶段与三库阶段相比，高、低流量历时改变度均由低度转为中度；但与四库联合阶段相比，低流量次数和高、低流量历时均呈高度变化。可见，龙羊峡的加入对河道年高、低流量历时影响较大；四库联合调度后，虽然下泄流量过程经小浪底水库调节后，可最大限度地冲刷河道泥沙淤积[14]，排沙入海，但是对高低流量次数影响显著，致使黄河下游小流量增大，大流量减小，将会降低河流对洪泛区水生生物的支持，逐步瓦解水生生物的多样性。

4.5流量变化改变率及逆转次数受人类活动影响后，不论二库、三库还是四库联合运行情况下，流量平均增加率和减少率都有所降低且波动范围较大，尤其是三库和四库联合运行下，水文改变度均为高度变化。3种联合调度模式下，流量逆转次数的改变度都为中度，波动范围不大，而流量逆转次数与河流生态环境的变化周期息息相关，频繁的逆转虽然对下游河道调水调沙有利，但是会破坏河流的自然水文周期，扰乱鱼类等水生生物的生存环境，尤其是对河道内的鲶鱼、鲤鱼影响最为显著，损失量最大[15]。

4.6整体改变由表3可知，二库联合运行阶段的整体改变度为68.92%，三库联合运行阶段的整体改变度为73.21%，四库联合运行阶段的整体改变度为87.00%，均属于高度改变。可见，整体水文改变度的大小与梯级水库联合运行的数量呈正相关，水库联合调度的数量越多，黄河下游水文情势的改变度越大。不同数量的梯级水库组合运行模式下，33个IHA指标改变度的分布差异也可证实这一观点（如图5所示），与受人类活动影响之前的各IHA指标相比，两库联合运行时期出现了4个高度改变，占总数的12%；三库联合运行时期出现了11个高度改变，占总数的33%；四库联合运行阶段出现了21个高度改变，达到两库运行阶段的5倍，三库运行阶段的3倍，占到总数的64%。这是由于在三库联合运行期间，龙羊峡的加入，使水库整体的调节能力加强，防洪调蓄的作用在汛期尤其突出，大流量（如洪水）的水流过程被拦蓄在水库中，打断了天然的水流程，从而引发相关水文指标的强烈变动。当小浪底投入运行即四库联合调度之后，黄河下游水文情势改变最为严重，这主要是由于小浪底的调水调沙使得下游流量过程变动更加频繁所导致的。

5结论

本文在IHA的基础上，采用RVA方法对黄河花园口站的生态水文特征值进行了分析研究，通过对比分析33个IHA指标在二库、三库和四库三种梯级联合运行模式下的变化情况，深入剖析黄河干流控制性梯级水库联合调度对下游河道水文情势的影响程度。主要结论如下：（1）受人类活动影响后，黄河下游的水文情势发生了高度改变。其中，二库联合运行期间，黄河下游整体水文改变度为68.92%，三库联合运行期间，改变度为73.21%，四库联合运行后，改变度为87%。（2）梯级水库的联调作用随着水库数量的增加而增强，从而使得黄河下游水文情势的改变程度愈演愈烈，特别四库联合调度后，虽然下泄流量过程经小浪底水库调节后，可最大限度地冲刷河道泥沙淤积，排沙入海，但流量过程变得更加平坦均匀化，致使河道内的生物量和多样性急剧下降，极大地危害河流生态健康。

作者：黎云云畅建霞涂欢金文婷单位：西安理工大学西北旱区生态水利工程国家重点实验室