水利工程對(duì)漢江中下游水文生態(tài)的影響

胡安焱,張自英,王菊翠

(1.長安大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,陜西 西安 710054;2.武漢大學(xué)水資源與水電工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北 武漢430072)

水利工程對(duì)漢江中下游水文生態(tài)的影響

胡安焱1,2,張自英1,王菊翠1

(1.長安大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,陜西 西安 710054;2.武漢大學(xué)水資源與水電工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北 武漢430072)

主要采用1980年以前的數(shù)據(jù)資料,分析丹江口水庫建成后對(duì)漢江中下游徑流量、泥沙、水溫、水質(zhì)、魚類等的影響。結(jié)果表明:水庫運(yùn)行使?jié)h江中下游水量減少,流量過程均化;防洪能力提高;泥沙大量減少;汛期水溫降低;魚類資源減少;水質(zhì)沒有明顯的變化。漢江中下游水質(zhì)惡化和發(fā)生水華的主要原因是污染增加。南水北調(diào)中線工程建成運(yùn)行后,漢江中下游江段流量將比現(xiàn)狀大幅度減少,流速變緩,對(duì)水污染的稀釋自凈能力降低,生態(tài)環(huán)境可供水量不足,使水文生態(tài)朝著不利的方向發(fā)展。

水利工程;漢江;丹江口水庫;水文生態(tài)

水文生態(tài)把水在生態(tài)系統(tǒng)中的存在、分布與循環(huán)運(yùn)動(dòng)作為主體,來研究它在生態(tài)系統(tǒng)中的作用與功能,研究水與生態(tài)系統(tǒng)中生命要素和其他環(huán)境要素之間的相互作用、相互依存、相互聯(lián)系的關(guān)系。漢江中下游人口密集、經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)。武漢市和十堰汽車工業(yè)走廊沿江分布,配套形成了汽車、電子、化工、紡織等產(chǎn)業(yè)基地[1]。南水北調(diào)中線工程一期工程年均調(diào)水95億m3,后期調(diào)水120億～140億m3,后期調(diào)水占丹江口水庫多年平均入庫徑流量的1/3[2]。研究丹江口水庫建設(shè)和加高對(duì)漢江流域中下游水文生態(tài)的影響,對(duì)于合理配置水資源、滿足受水區(qū)和調(diào)水區(qū)的需水,盡量減少水利工程對(duì)中下游社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境的影響具有現(xiàn)實(shí)意義。

1 丹江口水庫概況

丹江口水利樞紐的建設(shè)地點(diǎn)在湖北省均縣,控制流域面積95217km2,多年平均流量1230m3/s,設(shè)計(jì)洪水流量64900m3/s,設(shè)計(jì)灌溉面積23.3萬hm2,裝機(jī)容量90.0萬kW。主壩壩型為混凝土寬縫重力壩,最大壩高97.0m,壩頂長度2 461 m(混凝土壩1141m),壩基巖石為閃長巖,主要泄洪方式為壩頂溢流。工程由攔河大壩、水力發(fā)電廠、升船機(jī)及湖北、河南兩座灌溉引水渠等4個(gè)部分組成。工程于1958年9月1日破土動(dòng)工,1968年10月1日第1臺(tái)機(jī)組發(fā)電,1973年竣工。這是一座具有防洪、發(fā)電、灌溉、航運(yùn)、養(yǎng)殖等綜合效益的大型水利工程。水庫正常蓄水位157m,正常蓄水庫容174.5億m3。電廠裝機(jī)總?cè)萘?0萬kW。單機(jī)6臺(tái),年均發(fā)電量38萬kW?h,湖北清泉溝灌渠和河南陶岔灌渠,年灌溉引水總量共15億m3。

2 丹江口水庫初期工程的影響

2.1 對(duì)徑流量的影響

丹江口水庫建成前后對(duì)徑流量的影響見表1。表1中的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)均選自20世紀(jì)80年代以前受人類活動(dòng)影響較小的年份,下文的數(shù)據(jù)分析資料也主要選在20世紀(jì)80年代以前。從表1中可以看出,丹江口水庫建成后,入庫的年水量、汛期(5～10月)水量和非汛期(11至次年4月)水量減少,汛期水量占76%、非汛期水量占24%的比例不變。出庫的年水量和汛期水量減少,但非汛期水量增加,汛期水量所占比例由77%減少至64%,非汛期水量由23%增加至36%。水庫建成后,在入庫和出庫水量均減少時(shí),非汛期水量增加,表明水庫的調(diào)節(jié)作用使非汛期水量和所占比例增加。

表1 丹江口水庫對(duì)徑流量的影響

丹江口水庫建成后,受出庫水量變化的影響,漢江碾盤山站非汛期徑流明顯增加,由建庫前的117億m3,增加到建庫后的148億m3;汛期徑流明顯減少,由建庫前416億m3減少到建庫后341億m3。非汛期徑流占年內(nèi)百分比由建庫前的21.9%增加到建庫后的30.0%,汛期徑流百分比由78.1%下降到建庫后的70%[3]。

2.2 對(duì)防洪的影響

漢江中下游洪水主要來自丹江口上游,漢江中下游河道受堤防約束,愈向下游愈狹窄,泄洪能力上大下小,泄洪矛盾十分突出。歷史上,漢江中下游洪災(zāi)頻繁且嚴(yán)重,下游呈三年兩潰的局面。1956年興建杜家臺(tái)分洪工程后,下游防洪標(biāo)準(zhǔn)提高到5年一遇。丹江口水利樞紐建成以后,初步形成了以丹江口水庫蓄洪為主,兩岸干堤、杜家臺(tái)分洪工程及中下游臨時(shí)分蓄洪民垸為輔的防洪體系。丹江口水庫建成前后對(duì)洪水的影響見表2。水庫建成前入庫和出庫最大洪峰流量相差不大;建成后入庫和出庫最大洪峰流量相差較大。水庫建成后入庫洪峰流量多年平均增加3%,出庫則減少42%。可以看出水庫使下游最大洪峰流量大幅減少。但目前防洪標(biāo)準(zhǔn)仍不夠高,能防20年一遇的洪水,當(dāng)遇超過20年一遇的洪水,就需新城以上民垸分洪蓄水;遇100年一遇的洪水時(shí),中游14個(gè)民垸幾乎需要全部用于分洪,才能保證中游河道流量不超過允許安全泄量。中游14個(gè)民垸現(xiàn)共有5.87萬hm2耕地,人口83萬,固定資產(chǎn)65億元,其中有鐘祥、宜城兩座縣以上中等城市,由于分蓄洪區(qū)建設(shè)滯后,安全轉(zhuǎn)移極困難,運(yùn)用民垸分洪損失很大,并且很難做到適時(shí)適量分洪[4]。

表2 丹江口水庫對(duì)洪水的影響

2.3 對(duì)泥沙的影響

表3 丹江口水庫對(duì)泥沙的影響

丹江口水庫建成運(yùn)用前后,漢江中下游的輸沙過程、泥沙來源、水流含沙量及粒徑組成等有較大的差異。表3為丹江口水庫對(duì)泥沙的影響情況分析。丹江口水庫建成后,年入庫沙量、汛期和非汛期量分別減少33%、32%、43%;主要是由于泥沙輸移比偏小和上游干支流水庫層層攔截,使進(jìn)入丹江口水庫的泥沙量減小。但丹江口水庫蓄水后,攔沙率達(dá)98%,遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于入庫沙量的減少比例,表明水庫對(duì)漢江出庫沙量有重要的攔蓄作用。而水庫下游黃家港、襄陽、皇莊、沙洋和仙桃站的多年平均含沙量分別為 0.03kg/m3、0.19kg/m3、0.56kg/m3、0.60kg/m3和0.75kg/m3,分別占建庫前的 0.96%、7.1%、22.6%、29.3%和39.5%。由于長期下泄清水,下游河道發(fā)生同流量時(shí)水位下降,水深增加。壩下游河道由堆積性轉(zhuǎn)變?yōu)榍治g性,沖槽淤灘,洲灘兼并,支汊淤塞、主汊發(fā)育以及切灘撇彎。建庫前,來沙集中程度很大,年內(nèi)分配極不均勻,主汛期7～9月的來沙量占全年來沙量的80%以上。水庫蓄水運(yùn)用后,沙峰削減程度很大,在輸沙率大大減少的同時(shí),輸沙過程也變得較為均勻。

由于丹江口水庫的攔蓄淤積,漢江中下游的泥沙來源發(fā)生了變化。建庫前,漢江中下游的泥沙主要來自丹江口以上及中下游區(qū)間匯流;建庫后,漢江中下游河床發(fā)生嚴(yán)重沖刷,中下游的泥沙主要來自河床的沖刷補(bǔ)給和區(qū)間支流匯入。例如皇莊站的全年來沙僅有約4.6%來自丹江口水庫上游區(qū)域,區(qū)間匯流占33.0%,河床沖刷補(bǔ)給占62.4%。由于泥沙主要來自河床補(bǔ)給,建庫后泥沙組成發(fā)生了變化,懸移質(zhì)泥沙粒徑增大,黃莊站中值粒徑由建庫前的0.024mm增加到0.049mm。建庫后下游河道的沖刷是由上往下發(fā)展的,因此,距壩愈近粒徑愈粗。懸移質(zhì)含沙量的變化也與距壩的遠(yuǎn)近有關(guān)。建庫前,從壩址往下游平均含沙量沿程遞減;建庫后,壩址處平均含沙量最小,隨著距壩距離的增加,含沙量增大。將來隨著河床逐漸粗化,沿程水流含沙量的變化將逐漸減少,河床粗化完成以后,沿程水流含沙量將較為接近[3]。

2.4 對(duì)大壩下游水溫的影響

水溫是生態(tài)系統(tǒng)中一個(gè)重要的物理因子。在天然河流中,水體相對(duì)較小,紊流摻混作用強(qiáng),單位水體自由表面大,河水水溫隨氣溫變化而變化。在河道上修建水庫,特別是修建大型水庫以后,水深增加,流速銳減,流態(tài)改變,水庫形成一個(gè)熱容量極大的水體,水庫的水溫結(jié)構(gòu)也發(fā)生顯著變化,不論在時(shí)間分布,還是空間分布方面,均不同于天然河道[5]。丹江口水庫建庫前后漢江干流水溫變化見表4。從表4可見,建庫前后水庫一年中的水溫變化主要是:①3～8月水溫降低,下游各測站的水溫比建庫前低;②9月至次年1月水溫升高,各測站的水溫比建庫前高。這種變化離壩址越近,變化越大;離壩址越遠(yuǎn),變化越小。在仙桃站,僅12月至次年1月比建庫前水溫高,其他月份基本恢復(fù)到天然狀況。

2.5 對(duì)水質(zhì)的影響

丹江口水庫建成對(duì)水質(zhì)的影響見表5。根據(jù)表5對(duì)照GB3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》可知,水庫建成后,主要指標(biāo)因子DO、COD 、NH3-N在漢江主要入庫站白河站沒有明顯變化,均為Ⅰ類;在出庫站黃家港站除了NH3-N在汛期為Ⅱ類外,其余均為Ⅰ類。說明水庫建成對(duì)漢江中下游水質(zhì)沒有太大的影響。

表5 丹江口水庫對(duì)水質(zhì)的影響 mg/L

表4 丹江口水庫對(duì)水溫的影響℃

丹江口水庫2000年和2002年水質(zhì)類別見表6。2000年時(shí)入庫站白河站和出庫站黃家港站,主要污染因子 DO、COD 、NH3-N,年均、非汛期均為Ⅰ類 ,汛期主要是Ⅱ類。2002年時(shí)入庫站白河站和出庫站黃家港站,主要污染因子DO 、COD 、NH3-N,年均 、非汛期均以Ⅰ類為主,汛期主要是Ⅱ類。丹江口水庫入庫站和出庫站水質(zhì)類別基本一致,表明水庫運(yùn)行對(duì)漢江中下游水質(zhì)沒有太大的影響。但2000年和2002年漢江下游均發(fā)生了“水華”現(xiàn)象。水體中營養(yǎng)鹽含量過高是水體富營養(yǎng)化、“水華”發(fā)生的根本條件,水文情勢(shì)則是影響污染物擴(kuò)散的重要因子[6]。隨著沿江兩岸社會(huì)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展和人口密度的增加,漢江接納了大量的工農(nóng)業(yè)廢水和生活污水,這些污染物在漢江干流上形成了大小不等的污染帶20多條,長達(dá)10多km。盡管20世紀(jì)70年代丹江口水庫建成改變了漢江中下游水文情勢(shì),但由于漢江水流量大,江水的自凈作用使水質(zhì)惡變速度不是很大[7],水質(zhì)惡化和藻類“水華”是近十幾年發(fā)生的,由此可見漢江水質(zhì)惡化的最根本原因是沿江兩岸污染大量增加所致。水環(huán)境容量降低,生態(tài)系統(tǒng)已相當(dāng)脆弱,很難再超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)下去,尤其是在枯水季節(jié),有關(guān)水質(zhì)參數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于富營養(yǎng)化指標(biāo)[8]。

表6 丹江口水庫現(xiàn)狀水質(zhì)類別

2.6 對(duì)魚類資源的影響

每年4～8月丹江口水庫水體呈明顯分層現(xiàn)象,在水深5～30m之間出現(xiàn)急變的溫躍層,庫表與庫底溫差達(dá)16℃。9～10月,上下層溫差減少,分層現(xiàn)象減弱。下泄水溫的變化,對(duì)丹江口壩下至襄樊江段沿程水溫及年內(nèi)變幅都有影響。一方面,水溫的變化對(duì)壩下至襄樊江段的魚類繁殖帶來一定影響,滿足產(chǎn)卵最低溫度18℃的要求向后推遲約20d。另一方面,由于下游比中游水溫降低小,魚類產(chǎn)卵場下遷,襄樊一帶唐白河口附近,產(chǎn)卵場相對(duì)擴(kuò)大。建庫后河水夏季變涼,冬季變暖,加上中下游水流變清和透明度變大,使部分水生植物數(shù)量增大,例如著生絲狀藻類及淡水殼菜形成優(yōu)勢(shì)種群。攝食這些水生物的魚類種群不斷增加;冬季水庫下泄流量增加,對(duì)魚類越冬和催肥有利[9]。

四大家魚(青魚、草魚、鰱魚、鳙魚)和銅魚產(chǎn)卵主要發(fā)生在水位上漲的過程中,當(dāng)流速降低、流量減少、水流動(dòng)能不能形成漩滾,魚卵下沉,則無法孵化成幼魚。由于丹江口水庫對(duì)徑流的調(diào)節(jié)作用,洪峰削弱;特別是谷城以上江段,由于王甫洲大壩的興建和沒有大流量的支流補(bǔ)給,水位變化幅度很小,水文條件很難滿足四大家魚和銅魚產(chǎn)卵的需求;造成漢江中游四大家魚中草魚、鰱魚減少,青魚、鳙魚消失;銅魚消失。四大家魚產(chǎn)卵現(xiàn)主要依靠支流南河、唐白河、蠻河發(fā)水和局部地區(qū)強(qiáng)降雨引起,因而產(chǎn)卵江汛短促、規(guī)模小并且零散。泥沙中的有機(jī)物和無機(jī)物是部分魚類食物的重要來源,丹江口水庫建成后,中下游泥沙量銳減導(dǎo)致魚類資源減少。而流速降低、流量減少也使喜急流的魚類棲息環(huán)境變化,導(dǎo)致數(shù)量減少。

3 丹江口水庫加高后的影響

南水北調(diào)工程中線調(diào)水方案實(shí)施后,丹江口水庫加高,丹江口水庫大壩將由162m加高到176.6m,調(diào)水量增大,下泄總水量減少。從流量過程看,調(diào)水后干流的枯水流量加大,中水流量歷時(shí)減少,干流流量過程趨于均化。水庫正常蓄水位由157m提高到170m,相應(yīng)庫容由174.5億m3增加到290.5億m3,其中防洪庫容由55億～77.2億m3提高到81億～110億m3,可從根本上提高漢江中下游地區(qū)的防洪標(biāo)準(zhǔn)。例如遇100年一遇的洪水時(shí),經(jīng)丹江口水庫調(diào)蓄削減洪峰,可控制黃莊-新城河段的洪峰流量不超過允許安全泄量,基本上不需要中游民垸分洪;杜家臺(tái)分洪幾率由5～10年一次提高到20年一次。

丹江口大壩加高調(diào)水后,壩下缺乏表層浮游生物的補(bǔ)充,襄樊以上河段浮游藻類及水庫占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)的浮游動(dòng)物枝角類、橈足類等種類和數(shù)量將急劇減少;夏季下泄低溫水,加之沿途城鎮(zhèn)污水的排入,使河水中有機(jī)營養(yǎng)物質(zhì)增加,使硅藻和綠藻等數(shù)量增加。挺水植物分布面積增大,生物多樣性下降;底棲動(dòng)物將維持穩(wěn)定并有上升趨勢(shì),適應(yīng)冷水生活的鉤蝦等將增加。襄樊以下河段,由于流量減少,水流變緩,水位穩(wěn)定,河水透明度度高,硅藻和綠藻等浮游植物仍將占優(yōu)勢(shì),其生物量將大大提高。如遇春季氣溫偏高,河水污染重,水文情勢(shì)合適,浮游藻類可能爆發(fā)性生長繁殖而形成“水華”[10]。

丹江口大壩加高后,水庫由年調(diào)節(jié)水庫成為多年調(diào)節(jié)水庫,下泄水主要通過發(fā)電機(jī)組,一般離水面25m,該水層通常無浮游生物,常年水溫將在10～15℃。襄樊以上江段魚類將以攝食流水生物和底棲生物的小型魚類黃顙魚等為主;大型攝食浮游生物的鰱魚等將銳減或消失。襄樊以下中游河段攝食絲狀藻類的草魚、赤眼鱒等減少數(shù)量不大;下游魚類變化不大。大壩加高后中游河段水位變幅較小,5～6月魚類繁殖所需漲水過程消失,加之低溫影響,產(chǎn)卵所需的水文條件很難滿足,使皇家港至襄樊段產(chǎn)漂性卵的魚類產(chǎn)卵場大多消失;襄樊以下產(chǎn)卵期推遲并縮短,而下游魚類資源因主要靠長江魚苗補(bǔ)充而影響不大。此外,調(diào)水后中下游水質(zhì)變差,也會(huì)使魚類種群數(shù)量減少。

4 結(jié) 語

丹江口水庫初期規(guī)模運(yùn)行的實(shí)踐表明:水庫建成運(yùn)行使?jié)h江中下游水量減少和流量過程均化;防洪能力提高;泥沙由主要由丹江口水庫以上和區(qū)間入流補(bǔ)給變?yōu)橹饕珊哟矝_刷和區(qū)間入流補(bǔ)給;水溫3～8月降低、9月至次年1月升高;丹江口水庫建成后出庫水質(zhì)沒有明顯的變化,漢江中下游水質(zhì)惡化和發(fā)生“水華”的主要原因是污染增加,次要原因是水量減少;丹江口水庫建成后中下游泥沙量銳減導(dǎo)致魚類資源減少,而流速降低、流量減少也使喜急流的魚類棲息環(huán)境變化,導(dǎo)致數(shù)量減少。南水北調(diào)中線工程建成運(yùn)行后必將對(duì)漢江中下游水文生態(tài)產(chǎn)生新的影響,漢江中下游江段流量將比現(xiàn)狀減少,流速變緩,對(duì)沿岸點(diǎn)源、面源污染的稀釋自凈能力降低,生態(tài)環(huán)境供水量不足,從而導(dǎo)致水質(zhì)惡化,“水華”現(xiàn)象有可能進(jìn)一步加重,魚類資源進(jìn)一步減少。隨著漢江流域經(jīng)濟(jì)的持續(xù)增長和人口的增加,從長遠(yuǎn)來看,只有引江濟(jì)漢工程和漢江流域水污染控制工程的建成才能從根本上提高漢江的水環(huán)境容量,改善水質(zhì),減少“水華”的發(fā)生概率,滿足工農(nóng)業(yè)發(fā)展對(duì)水資源的需求。

[1]謝平,夏軍,竇明,等.南水北調(diào)中線工程對(duì)漢江中下游水華的影響及對(duì)策研究[J].自然資源學(xué)報(bào),2004,19(4):418-422.

[2]竇明,謝平,夏軍,等.漢江水華問題研究[J].水科學(xué)進(jìn)展,2002,13(15):557-561.

[3]徐德龍,沙志貴.南水北調(diào)對(duì)漢江中下游水文特性的影響[C]//湖北科技論壇.武漢:湖北省水利學(xué)會(huì),2001:37-39.

[4]石自堂,馮紅春,陳曉群,等.南水北調(diào)中線工程對(duì)漢江中下游的影響及其對(duì)策[C]//湖北科技論壇.武漢:湖北省水利學(xué)會(huì),2001:5-7.

[5]李曉路,胡振鵬,張文捷.大壩下游河道水溫變化規(guī)律及其影響[J].江西水利科技,1995,21(3):167-173.

[6]劉大銀,周曉剛,汪翰,等.漢江中游水污染規(guī)律與控制方案研究[J].長江流域資源與環(huán)境,2001,10(4):365-371.

[7]鄔紅娟,彭建華,韓德舉,等.丹江口水庫浮游植物及其演變[J].湖泊科學(xué),2005,17(4):366-372.

[8]徐新偉,吳中華,于丹,等.漢江中下游水生植物多樣性及南水北調(diào)工程及其影響[J].生態(tài)學(xué)報(bào),2002,22(11):1933-1938.

[9]李修峰,黃道明,謝文星,等.漢江中游魚類資源現(xiàn)狀[J].湖泊科學(xué),2005,17(4):366-372.

[10]方芳,陳國湖.調(diào)水對(duì)漢江中下游水質(zhì)和水環(huán)境容量影響研究[J].環(huán)境科學(xué)與技術(shù),2003,26(1):14-15.

Impact of hydraulic engineering on hydro-ecology in middle and lower reaches of Hanjiang River

HU An-yan1,2,ZHANG Zi-ying1,WANG Ju-cui1
(1.School of Environmental Science and Engineering,Chang'an University,Xi'an 710054,China;2.State Key Laboratory of Water Resources and Hydropower Engineering Science,Wuhan University,Wuhan 430072,China)

According to observed data before 1980,the impacts of the operation of Danjiangkou Reservoir on runoff,sediment,water temperature,water quality,and fish were studied.The results showed that the operation of the reservoir had reduced water quantity and homogenized annual runoff distribution,improved the flood control level,reduced sediment and water temperature during the flooding period,and reduced fish resources,and had no apparent influnce on water quality.The reason for worsening water quality and algal blooms in the middle and lower reaches of the Hanjiang River wasincreasing water pollution.After the South-to-North Water Transfer Project isbuilt and in operation,runoff will be reduced much more,aswill the water flow velocity.These will reduce the dilution and self-purification ability of water and the eco-environmental water supply,and lead the hydro-ecology in a negative direction.

hydraulic engineering;Hanjiang River;Danjiangkou Reservoir;hydro-ecology

TV213.4

A

1004-6933(2010)02-0005-05

陜西省自然科學(xué)基金(2006D16);水資源與水電工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金(2006B022)。

胡安焱(1970—),男,四川瀘縣人,副教授,博士,主要從事水文水資源與環(huán)境研究。E-mail:huanyan97@163.com

(收稿日期:2008-11-26 編輯:徐 娟)