基于IHA分析錦江水庫對下游徑流的影響

陳偉東 包為民，2 張 乾 沈丹丹 龔婷婷

（1.河海大學 水文水資源學院，南京 210098；2.河海大學 水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室，南京 210098）

水流是水生環(huán)境的主要決定因素，水流的改變會 在不同程度上改變生物棲息地條件，從而影響生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)［1］.人類的水資源開發(fā)利用活動，如修建大壩、跨流域調(diào)水等工程會改變河流的天然徑流過程，對河流生 態(tài) 系 統(tǒng) 健 康 產(chǎn) 生 重 要 影 響［2－3］.Brian D Richter等［4］于1996年提出了IHA（Indicator of Hydrologic Alteration）法用于評價水利工程對河川徑流過程的影響，并可根據(jù)評價結(jié)果建立河流的生態(tài)流量管理模式［5］.陳啟慧等［6］將該方法用于評價葛洲壩對長江徑流過程的影響，效果良好；王銀麗等［7］采用IHA法分析港口灣水庫下游的流量資料，并在此基礎(chǔ)上用水流脈沖的評價體系分析日水位資料，以此更加細致地反映港口灣水庫對下游徑流過程的影響.鑒此，本文采用水文變化指標法（IHA）計算了仁化、長壩兩站的流量變化，同時用滑動平均法與M－K檢驗法分析了錦江流域的降水情況，從而評價錦江水庫對下游徑流過程的影響.

1 研究區(qū)域概況及分析方法

1.1 研究流域概況

錦江屬珠江流域北江水系，是北江上游主源湞江的一級支流，發(fā)源于江西省崇義縣竹洞，流經(jīng)仁化縣的長江、雙合水、恩口、小水口、仁化縣城等地區(qū)，于芒壩江口匯入湞江［8］.錦江水庫（圖1）建于錦江中游段，壩址位于廣東省韶關(guān)市仁化縣境內(nèi)，于1990年6月1日開始施工，在1993年8月一號機組并網(wǎng)發(fā)電，同年12月30日二號機組并網(wǎng)發(fā)電.錦江水庫總庫容1.89億 m3，興利庫容0.68億 m3，調(diào)洪庫容0.45億m3，屬于季調(diào)節(jié)型水庫.作為仁化縣最大的水利工程，錦江水庫是以防洪、發(fā)電為主，兼顧旅游、供水、養(yǎng)殖等多種效益的大（二）型水庫［9］.本次分析采用仁化、長壩兩站1958～2009年共52年的日徑流資料.其中仁化站1995年后不再進行徑流測量，采用錦江水庫出庫流量代替，且水庫大壩至原仁化站之間無區(qū)間入流.

圖1 錦江流域水系及站網(wǎng)分布

1.2 滑動平均法

對序列x1，x2，…，xn的幾個前期值和后期值取平均，求出新的序列yt，使原序列光滑化，這就是滑動平均法［10］.數(shù)學式表示為：

式中，yt為新序列，k為滑動平均尺度，xt＋i為參與此次生成新序列的舊序列值.當k＝2時為5點滑動平均.若x有趨勢性，選擇合適的k，yt即可將此趨勢清晰地展示出來.滑動平均法因其簡單、直觀而在水文學中得到了廣泛的應(yīng)用［11］.

1.3 M－K檢驗法

M－K檢驗法是被世界氣象組織所推薦并廣泛應(yīng)用于實際研究的非參數(shù)檢驗方法，是一種實用的時間序列趨勢分析方法［12－13］.假設(shè)有一組時間序列x1，x2，…，xn，其趨勢檢驗統(tǒng)計量S如下：

式中：

當n＞10時，S收斂于標準正態(tài)分布，其均值為0，方差D（S）＝n（n－1）（2n＋5）／18，其標準正態(tài)統(tǒng)計量通過下式計算：

對于統(tǒng)計變量Z，大于0時，表征序列是呈上升趨勢；小于0時，則為下降趨勢.Z的絕對值若大于等于1.64，表示通過了信度90%顯著性檢驗.

1.4 IHA法

IHA法（水文變化指標法）依據(jù)測得的每日河流水文資料，可算得表征生態(tài)環(huán)境含義的32個特征參數(shù)值，再計算它們工程前后的多年平均值以及年際間的變異系數(shù)，則可評價工程對河流水文情勢的干擾.如表1所示，32個IHA參數(shù)可分為5組，可反映數(shù)量大小、發(fā)生時間、持續(xù)時間、頻率以及變化率等水文特征.Poff N L［14］認為當計算分析的水文數(shù)據(jù)的時間序列大于20年時，年際氣候變化條件的改變對水文指標計算結(jié)果的影響基本上能夠減少或消除［15］.本文中，為增加資料長度，不舍棄建庫的時間，將1958～1993年劃為建庫前研究時段，1994～2009年則為建庫后分析時段.

表1 水文變化指標法的水文參數(shù)及其特征

2 結(jié)果與分析

2.1 錦江流域1958～2009年降水年際變化

采用滑動平均法對錦江流域上的降水資料作處理，結(jié)果見圖2.由圖2中的5年滑動平均趨勢線可知，在1965～1974年、1978～1983年、1989～1995年3個時段錦江流域年降水量呈上升趨勢，其余時段呈下降趨勢.建庫前后兩個時段（1958～1993年，1994～2009年）的年平均降水量分別為1 614mm、1 708 mm.研究流域1958～2009年降水量的M－K檢驗Z值為0.497，表明降水序列呈上升趨勢，但未通過90%的顯著性檢驗.考慮到1958～1993年降水資料可能存在缺測、漏測的情況，所以此降水分析結(jié)果作為IHA分析徑流過程變化的一個參照.

圖2 錦江流域年降水趨勢變化圖

2.2 建庫對錦江下游徑流過程的影響

選取錦江水庫壩下的仁化站和湞江長壩站1958～2009年的日平均流量資料，采用IHA法計算錦江水庫修建前后兩站流量的特征值，用以評價錦江水庫對錦江下游以及湞江的影響程度.

1）月徑流量

錦江水庫修建前后仁化、長壩兩站的各月多年平均流量見圖3，月平均流量偏離量及其變異系數(shù)偏離量見表2.偏離量（%）＝［（P建庫后－P建庫前）／P建庫前］＊100%，其中P為IHA法參數(shù)值.由圖3（a）知，錦江水庫運行后，仁化站枯期的第2、10、12月份和汛期的第4、5、7、8月的月平均流量變化明顯，主要是由于水庫以防洪、發(fā)電為目標的蓄峰補枯調(diào)度操作.3、4、5月份水庫重新蓄水導(dǎo)致下游徑流量減少，而此時正值春季，萬物生長的起始點，必然會給水生物以及沿岸生物的繁衍帶來難以估量的影響.而2、10、12月份的徑流量增加表明水庫的運行改變了徑流年內(nèi)的分配.這種改變將會造成河道形態(tài)的轉(zhuǎn)變，進而會改變原有河流生態(tài)系統(tǒng).

圖3 仁化、長壩站各月建庫前后多年平均流量

由表2中的變異系數(shù)仁化站部分，可知年際變異系數(shù)在汛期以減小為主，而8月、11月、12月則有不同程度的增大.由圖3（b）及表2知，以6月份為例，長壩站的徑流量在水庫運行后下降了46m3／s，占建庫前徑流量的10.51%，而其支流錦江上的仁化站徑流量比之前下降了12m3／s，占其建庫前徑流量的12.27%.對此，可認為錦江仁化站多減少的1.76%的徑流量是由于錦江水庫在汛期調(diào)蓄造成的.由此也反映出自然狀態(tài)的湞江長壩站的6月徑流減少量是要小于10.51%，說明長壩站的徑流也受到錦江水庫的影響.

表2 月均流量偏離量與變異系數(shù)偏離量

2）不同持續(xù)時間下的水文極值

錦江水庫建成后使得仁化站流量極大值有所減小，其中最大1日平均流量減小的絕對流量最大，見表3.

表3 流量極值計算結(jié)果 （單位：m3／s）

建庫后，仁化站流量的極小值變化巨大，其中多年平均斷流天數(shù)由原來的0.67d上升至52.06d，而長壩站的流量極小值變化受錦江水庫調(diào)蓄作用則要小很多，表明錦江水庫大壩至錦江和湞江交匯點之間的河道（錦江下游段）受錦江水庫調(diào)蓄影響巨大，尤其是低水情況，長時間的斷流使得此段河道的生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性變差，對河道內(nèi)及其沿岸的生物棲息地的破壞是極大的.最大一日流量的下降削弱了河流自身的沖淤能力，可能會使河道產(chǎn)生淤積.

3）年極值發(fā)生時間

由表4知，建庫后仁化站年最大日流量發(fā)生時間延后約26d，年最小一日流量發(fā)生時間大幅度提前；長壩站年最大日流量發(fā)生時間延后約33d，而其年最小一日流量發(fā)生時間基本未變.一般而言，極端流量是一些生物尤其是某些魚類的洄游產(chǎn)卵與繁殖等活動的前提條件.錦江下游段徑流極大值發(fā)生時間的延后，在一定程度上會改變生物繁殖期內(nèi)的行為過程，甚至改變魚類產(chǎn)卵的時間；而極小值發(fā)生時間的大幅度提前及其發(fā)生時間在年際間的不穩(wěn)定性則會嚴重威脅到生物的棲息環(huán)境，影響生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性.

表4 流量極值出現(xiàn)時間 （單位：d）

4）高低脈沖頻率及持續(xù)時間

將建庫前的所有年份的日流量值由小到大依此排序，分別選取位于75%和25%的流量值作為高低脈沖流量的閾值，仁化站分別為47.9、17m3／s，長壩站分別為206、59.5m3／s.兩個站點流量高低脈沖頻率及持續(xù)時間的計算結(jié)果見表5.

表5 高低脈沖發(fā)生次數(shù)及其持續(xù)時間（單位：d）

仁化站的高脈沖次數(shù)基本不變，但平均歷時增加了4.27d，其偏離量為64.75%；長壩站高脈沖次數(shù)減少了10%，平均歷時延長了18.75%.仁化站的低脈沖發(fā)生次數(shù)由9.89增加至16.06，而平均歷時由10.02d縮減為4.99d.高、低流量是河道徑流的重要特征，仁化與長壩兩站的低脈沖次數(shù)增加及其歷時變短會導(dǎo)致部分河道、河灘呈干濕反復(fù)交替現(xiàn)象，這將會影響此區(qū)間生態(tài)的健康發(fā)展.但是高流量平均歷時的延長又給河道及其沿岸的生態(tài)環(huán)境的發(fā)展前景注入了不確定性，因為高流量歷時的延長給水生物及周邊植物帶來了足夠的養(yǎng)分.這種新的徑流機制下，也許會對沿岸的生物的進化提供新的推動力.

5）流量變化速率及頻率

錦江水庫修建后，仁化站上漲次數(shù)由69.36上升至87.31，上漲率大幅下降，見表6及圖4；長壩站的上漲次數(shù)由54.36增至76.69，但其上漲率下降至54.79m3／（s·d），見表6.

表6 徑流上漲及下降情況變化結(jié)果

圖4 建庫前后仁化站年內(nèi)上漲率對比示意圖

建庫后仁化站徑流下降次數(shù)增加了5.44，其下降率基本不變，長壩站徑流的下降次數(shù)從63.64次增至81.19次，其下降率減小了6.77m3／（s·d）.表明錦江水庫的建成不僅影響錦江下游段的水情變化，同時對干流湞江亦有重要影響.徑流上漲下降次數(shù)及其速率對構(gòu)建河流生態(tài)環(huán)境有著重要作用，建庫后水流情勢的變化可能會給下游水生物繁殖帶來一定阻礙.

3 結(jié) 論

1）M－K檢驗表明錦江流域1958～2009年期間的年降水量呈上升趨勢，1994～2009年的多年平均降水量要大于之前的平均值，但建庫后錦江下游多年平均徑流下降了2.67%.

2）建庫后，錦江下游主汛期徑流減少，年內(nèi)徑流分配較之前均勻；最大一日平均流量的下降消弱了河道沖淤能力，但建庫后錦江下游段的平均斷流天數(shù)由原來的0.67上升至52.06，這種改變給河流生態(tài)系統(tǒng)帶來的影響是致命的；仁化與長壩兩站的低脈沖次數(shù)增加及其歷時變短會導(dǎo)致部分河道、河灘呈干濕反復(fù)交替現(xiàn)象；其上漲率年平均值均為大幅度下降.依據(jù)IHA法的計算結(jié)果，錦江水庫應(yīng)采用結(jié)合生態(tài)因素的調(diào)蓄制度，以使得下游河流能和諧發(fā)展.

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