水庫(kù)運(yùn)用對(duì)河流水文情勢(shì)影響的IHA法評(píng)價(jià)——以伊河陸渾水庫(kù)為例

張 鑫,丁志宏,謝國(guó)權(quán),白淑娟

(1.河海大學(xué) 水利水電學(xué)院,江蘇 南京210098;2.海河水利委員會(huì),天津300170;3.二灘水電開(kāi)發(fā)有限責(zé)任公司,四川成都610051;4.杭州蕭山水利建筑工程有限公司,浙江杭州311215)

水流影響的生態(tài)環(huán)境決定河流中物種的生存條件,而各種不同持續(xù)動(dòng)態(tài)變化的河流生物環(huán)境又是由年內(nèi)和年際水流條件決定的。水流條件改變同時(shí)也會(huì)在不同時(shí)空尺度上影響棲息地條件,進(jìn)而對(duì)物種的分布和豐度產(chǎn)生影響,從而改變生物群落的組成和多樣性[1-3]。在長(zhǎng)期的河流生態(tài)環(huán)境轉(zhuǎn)變過(guò)程中,河流中的物種已基本適應(yīng)了河流水流變化過(guò)程,并依據(jù)這種自然條件的變化而適應(yīng)相應(yīng)的生活環(huán)境條件。由于修建水壩,使流量變化不再單一的被季節(jié)性降水和天然狀態(tài)下的極值流量所影響,人為造成的河流水文情勢(shì)[4]的改變與伊河鯉魚(yú)數(shù)量的急劇下降有一定的因果聯(lián)系。

伊洛河是黃河中游的支流,河水清澈、水流平緩、水草茂盛、沙壤底質(zhì)、環(huán)境清凈,優(yōu)越的自然環(huán)境條件使它成為了全國(guó)最大的黃河鯉魚(yú)天然繁殖場(chǎng)[4]。水庫(kù)運(yùn)用改變了河流水文情勢(shì)對(duì)河流自然流態(tài)產(chǎn)生了一定程度的破壞。而原來(lái)的部分河流生境也相應(yīng)發(fā)生了根本性變化,對(duì)黃河鯉魚(yú)等水生生物的生存帶來(lái)了一定影響,破壞了物種的多樣性,打破了原伊河水域的生態(tài)平衡。

Richter等1996年提出水文變化指標(biāo)(Indicatorsof Hydrologic Alteration,IHA)法[5-6],根據(jù)河流的日測(cè)水文資料,對(duì)流量大小、時(shí)間、歷時(shí)、頻率以及變化率等方面計(jì)算32個(gè)影響生態(tài)環(huán)境的關(guān)鍵水文特征值。IHA法比較適合用于計(jì)算受人類活動(dòng)影響的河流,對(duì)影響前和影響后進(jìn)行分析。

1 IHA法的基本原理

IHA法是依據(jù)河流的日測(cè)水文流量資料,計(jì)算32個(gè)影響生態(tài)環(huán)境意義的關(guān)鍵水文特征值,并計(jì)算集中量數(shù)(如中位數(shù)、平均值)和離散量數(shù)(如標(biāo)準(zhǔn)偏差、變異系數(shù)),以對(duì)受人類活動(dòng)影響的河流進(jìn)行干擾前和干擾后的對(duì)比分析。32個(gè)水文關(guān)鍵值可以分為5組,分別反映大小、發(fā)生時(shí)間、頻率、持續(xù)時(shí)間和變化率等水文特征。IHA各組參數(shù)以及對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的影響如表1所示[7]。

表1 IHA指標(biāo)總結(jié)以及對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的影響

Poff[8]認(rèn)為在當(dāng)計(jì)算分析的水文數(shù)據(jù)的時(shí)間序列大于20 a時(shí),年際氣候變化條件的改進(jìn)對(duì)水文指標(biāo)計(jì)算結(jié)果的影響,基本上能夠減少或消除。因此,用IHA法計(jì)算分析水文數(shù)據(jù)的時(shí)間序列一般不應(yīng)少于20 a。

2 陸渾水庫(kù)IHA法計(jì)算結(jié)果及分析

陸渾水庫(kù)位于河南省洛陽(yáng)市嵩縣田湖鎮(zhèn)陸渾村附近,黃河二級(jí)支流伊河上,距洛陽(yáng)市67 km,控制流域面積3 492 km2,占伊河流域面積57.9%。由于陸渾水庫(kù)是伊河上的“龍頭”電站,具有防洪、灌溉發(fā)電和供水等綜合效益。陸渾水庫(kù)蓄水以后,在較大程度上改變了河流的原始水文條件,對(duì)流域內(nèi)的生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生了一定影響。因此,研究陸渾水庫(kù)對(duì)伊河徑流情勢(shì)的影響具有重要的意義。本文選取的龍門(mén)水文站水文資料采用1952～1997共46 a的長(zhǎng)系列實(shí)測(cè)徑流資料,并用IHA法計(jì)算分析陸渾水庫(kù)蓄水前后對(duì)該站徑流特征值的影響,進(jìn)而評(píng)價(jià)陸渾水庫(kù)對(duì)伊河水文條件的影響。

陸渾水庫(kù)于1959年12月開(kāi)始興建,1965年8月底建成。灌溉發(fā)電洞1972年2月開(kāi)始增建,1974年7月建成。為了對(duì)比分析陸渾水庫(kù)修建前后伊河徑流特征值的變化,以水庫(kù)下閘蓄水的時(shí)間點(diǎn)為分界點(diǎn),劃分研究時(shí)段,即修建前的時(shí)段為1952～1968年,干擾前的資料系列長(zhǎng)度為17 a,小于IHA法要求的20 a,但在此認(rèn)為對(duì)建壩后的影響不大;干擾后的時(shí)段為1969～1997年,共29 a。

IHA參數(shù)計(jì)算結(jié)果如表2所示,表中偏離量和變異系數(shù)的計(jì)算公式為公式(1)和公式(2),其中變異系數(shù)能夠反映各參數(shù)的年際變化程度[9]。

式中:P為各IHA各相應(yīng)參數(shù);CV為變異系數(shù);σ為標(biāo)準(zhǔn)偏差;n為樣本總數(shù);Xi為第i年的參數(shù)值;ˉX為n年參數(shù)的平均值。

由表2計(jì)算結(jié)果可知,陸渾水庫(kù)建壩前后,下游水流情勢(shì)變化有以下主要幾點(diǎn)特征:

(1)第一組水文參數(shù)的計(jì)算結(jié)果表明,陸渾水庫(kù)運(yùn)行后,月平均流量指標(biāo)相比建庫(kù)前,均明顯減小,尤其是4～5月份和汛期7～9月份以及枯水期11～1月份均產(chǎn)生了顯著改變,主要原因是水庫(kù)在調(diào)度期內(nèi)蓄水所造成的結(jié)果,月平均流量指標(biāo)在2～3月份和6月份、10月份較相比建庫(kù)前,改變較小,7月份流量低點(diǎn)的出現(xiàn),影響了自然生物產(chǎn)卵、遷徙等活動(dòng),會(huì)增加水生生物包括鯉魚(yú)的死亡率。徑流年內(nèi)分配的變化會(huì)造成河道形態(tài)的轉(zhuǎn)變,進(jìn)而會(huì)改變?cè)泻恿魃鷳B(tài)系統(tǒng)。

(2)第二組水文參數(shù)計(jì)算的結(jié)果表明,建壩后的年極端水文條件指標(biāo)值改變較大,極小值和極大值均明顯減小,導(dǎo)致河流生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性變差。

(3)第三組水文參數(shù)計(jì)算的結(jié)果表明,建壩后的年最大日流量發(fā)生時(shí)間變大,年最小日流量發(fā)生時(shí)間減小,由于建庫(kù)后極值年際波動(dòng)較建庫(kù)前顯著,年際波動(dòng)變大,會(huì)影響生物繁殖期內(nèi)的行為過(guò)程和棲息環(huán)境。

(4)第四組水文參數(shù)的計(jì)算結(jié)果表明,建壩后高流量的脈沖發(fā)生次數(shù)稍有減少,而低流量的脈沖發(fā)生次數(shù)稍有增大,高流量脈沖平均歷時(shí)變小,低流量脈沖平均歷時(shí)變大,然而高、低流量是構(gòu)造河流生境不可或缺的因素,高、低流量的過(guò)大變化會(huì)對(duì)水生生物產(chǎn)生一定的影響。

(5)第五組水文參數(shù)的計(jì)算結(jié)果表明,流量平均減少率和流量平均增加率變化較大,每年流量逆轉(zhuǎn)次數(shù)有所增加,均高于建庫(kù)前的水平,流量的逆轉(zhuǎn)次數(shù)與河流生態(tài)環(huán)境的變化周期有著十分緊密的相關(guān)性,較大的流量逆轉(zhuǎn)可能會(huì)對(duì)某些水生生物的生長(zhǎng)造成較大的影響。選取圖1～圖4分析計(jì)算結(jié)果,圖中虛線分別是修建陸渾水庫(kù)前和后各相應(yīng)水文參數(shù)的平均值。

分析以上陸渾水庫(kù)修建前后的水文情勢(shì)變化情況,一方面,因?yàn)殛憸喫畮?kù)的主要任務(wù)是防洪、灌溉發(fā)電和供水,攔蓄和調(diào)節(jié)洪水能力有限,因此總體上陸渾水庫(kù)對(duì)伊河天然徑流過(guò)程的改變不大;另一方面,由于大壩的修建形成陸渾水庫(kù),造成上游水位的小幅度提升,其一定的削峰坦化作用有可能是造成建壩后流量平均上漲率和流量平均下降率一定程度上趨于緩和的原因;水庫(kù)蓄水較多,而放水較少是造成高流量脈沖平均歷時(shí)減小,低流量脈沖平均歷時(shí)增大的原因。

圖1 建庫(kù)前后龍門(mén)站8月平均流量變化圖

表2 龍門(mén)站IHA參數(shù)統(tǒng)計(jì)表

圖2 建庫(kù)前后龍門(mén)站年最大日流量發(fā)生時(shí)間變化圖

圖3 建庫(kù)前后龍門(mén)站低流量脈沖發(fā)生次數(shù)變化圖

圖4 建庫(kù)前后龍門(mén)站流量逆轉(zhuǎn)次數(shù)變化圖

3 結(jié) 語(yǔ)

本文采用IHA法對(duì)陸渾水庫(kù)的運(yùn)行對(duì)伊河徑流過(guò)程的影響進(jìn)行了評(píng)價(jià),結(jié)果說(shuō)明陸渾水庫(kù)的修建在一定程度上改變了下游河流的水文情勢(shì),打破了伊河原水域的生態(tài)系統(tǒng),對(duì)其生態(tài)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定影響。陸渾水庫(kù)運(yùn)行后,汛期高流量降低,且發(fā)生高流量的次數(shù)也減少,高流量的平均延時(shí)也隨之降低,說(shuō)明陸渾水庫(kù)在汛期防洪調(diào)蓄作用很強(qiáng)。這種模式會(huì)使伊河龍門(mén)斷面的生態(tài)水文情勢(shì)的改變程度較大,尤其是在汛期,造成伊河流量的急劇減少及高低流量逆轉(zhuǎn)次數(shù)的急劇增加,將對(duì)伊河水生生物的生存環(huán)境造成一定程度的破壞,會(huì)對(duì)河流生物的生物量和多樣性產(chǎn)生較大影響,繼而危害水生生物的繁殖和生存,同時(shí)也造成了鯉魚(yú)數(shù)量的急劇減少。因此,對(duì)于人類活動(dòng)改變水文情勢(shì)的河流,根據(jù)IHA法對(duì)其歷史水文資料進(jìn)行研究分析,并結(jié)合相應(yīng)的生態(tài)監(jiān)測(cè)資料,為指導(dǎo)河流生態(tài)修復(fù)提供理論依據(jù)。

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