基于RVA的水庫工程對下游水文情勢的影響分析

田伊池，郭彩銀

(遼寧省大伙房水庫管理局，遼寧 撫順 113007)

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基于RVA的水庫工程對下游水文情勢的影響分析

田伊池，郭彩銀

(遼寧省大伙房水庫管理局，遼寧 撫順 113007)

摘要：為分析水庫調度對生態(tài)系統(tǒng)的影響，采用變化范圍法(RVA)評價水庫調節(jié)對天然徑流的改變程度，并以牛路嶺水庫為對象，進行了實例分析。結果表明，水庫的調節(jié)作用使天然徑流發(fā)生了顯著的改變，尤其是增加擬建電站后，徑流的天然狀態(tài)發(fā)生較大改變，有損于河流生態(tài)系統(tǒng)的健康發(fā)展。建議將生態(tài)因素考慮到水庫優(yōu)化調度中，以減輕水庫調度對生態(tài)的負面影響。

關鍵詞：RVA法；水文變化指標；水文情勢；牛路嶺水庫;水庫調度；河流生態(tài)系統(tǒng)；負面影響

在河流生態(tài)系統(tǒng)的長期演化過程中，水生生物已經適應了河流的自然變化過程，河流生態(tài)系統(tǒng)的完整性很大程度上取決于天然河流的動態(tài)變化過程。然而，人類對自然改造和征服同時，嚴重破壞了河流生態(tài)系統(tǒng)，使得河流流量變化不完全依賴于季節(jié)性降水，部分河流生態(tài)環(huán)境發(fā)生根本性變化，對河流生態(tài)系統(tǒng)造成了極其深遠的影響?；诖?，文章采用變化范圍法，評價水庫調度對天然徑流的改變程度及其對生態(tài)系統(tǒng)的影響[1]。

1研究方法

1.1　水文變化指標(IHA)

IHA 一般用于分析水文系列的變化情況，通過水文指標系列來評價水文系統(tǒng)的變化程度及其對生態(tài)系統(tǒng)產生的影響，尤其適用于受人類活動影響較大的河流。IHA指標包括5組特征值共32個參數，分別從月均流量狀況、年極端流量大小、年極端流量發(fā)生時間、高低流量頻率及延時、日流量改變量及逆轉次數五個方面描繪河流年內的流量變化特征。

1.2　RVA評估方法

變化范圍法(RVA 法，Range of Variability Approach)最初是由 Richter 等于1997年提出，該方法建立在IHA指標基礎上，一般以日流量數據為基礎，以建庫前的自然流量變化狀態(tài)為基準，統(tǒng)計32個IHA指標受人類干擾前后的變化情況，分析建庫前后河流的改變程度。IHA指標受影響的程度一般以生態(tài)數據為依據，而由于生態(tài)資料缺乏，實際研究中多數成果將各指標排序后進行頻率計算，采用發(fā)生幾率為75%和25%的值作為各指標的上下限，稱為RVA閾值[2]。

1.3　水文改變度的計算

為量化受建庫前后IHA的變化程度，Richter等提出水文改變度這一概念，定義如下：

(1)

式中：Di為第i個IHA值的水文改變度；N0、Ne分別為建庫后第i個IHA值實際、預期落于RVA閾值內的年數Ne可用r×NT來計算，r為建庫前IHA指標落于RVA 閾值內的比例，NT為建庫后流量記錄的總年數。若設置IHA指標發(fā)生頻率75%和25%的值確定閾值范圍，則r可取50%。若Di值落在0%~33%區(qū)間為無或低度改變，落在33%~67%區(qū)間為中度改變，落在67%~100%區(qū)間為高度改變[3]。

蕭正宗、吳富春提出以權重平均的方式來表征整體水文改變度，以D0來表示：

1)情形一：32個IHA指標均為低度改變，即D值都小于33%，則整體改變度取D值的平均值，如下式表示為：

(2)

式中：D0值小于33%，表示整體低度改變。

2)情形二：32個IHA指標中至少有一個指標為中度改變，而無任何指標為高度改變，如下式表示為：

(3)

式中：Nm表示IHA指標為中度改變的個數，則D0值將介于33%與67%之間，表示整體中度改變。

3)情形三：32個IHA指標中至少有一個指標為高度改變，如下式表示為：

(4)

式中：Nh表示IHA指標為高度改變的個數；D0的數值將高于67%，表示整體高度改變。

2實例

2.1　研究區(qū)域概況

牛路嶺水庫位于海南省瓊海市會山鄉(xiāng)境內，是一座兼發(fā)電和防洪的大型水庫，年均來水量為22.44 億 m3，年均流量為71.1 m3/s。牛路嶺電站單機容量為2 萬 kW，總裝機容量為8 萬 kW，以發(fā)電生產經營為主。海南省無論是對電力、電量，還是調峰，都存在著迫切的需求，并經初步分析，牛路嶺水庫電站仍有開發(fā)擴容的潛力。因此，擬在牛路嶺水庫下游約10 km處修建一引水式電站(稱擬建電站)，其水頭差較現狀牛路嶺電站要提高12~13 m，水頭提高率約為20%左右，單位水資源量的發(fā)電效率會明顯提高，但同時會對牛路嶺水庫下游河道生態(tài)系統(tǒng)造成一定影響[4]?；诖?，本文采用RVA法分別評價水庫現狀和增加擬建電站后，下游河道的天然徑流改變程度。電站工程布置簡圖見圖1。

圖1　牛路嶺水庫電站工程布置簡圖

2.2　資料處理

利用RVA法評價水庫運行對下游河道生態(tài)的影響，流量資料需盡可能選取充分體現天然河流條件和僅受水庫運行影響的數據。但在有關研究中，實際資料收取時，氣候因素對流量資料影響較大[7]。為保證建庫前后的對比分析建立在同步的基礎上，選取牛路嶺水庫實際入庫徑流作為下游河道的天然流量，水庫下泄至河道的流量作為僅受水庫影響的流量，從而減小了氣候等因素的影響，進而使評價結果更加合理，資料系列為1991—2011年。

增加擬建電站后，對牛路嶺水庫出庫徑流資料進行模擬分流，由于擬建電站水頭大，發(fā)電效率高，優(yōu)先供給擬建電站，若滿足擬建電站發(fā)電需水后有剩余時，將剩余水量供給牛路嶺電站發(fā)電。此時，經牛路嶺電站下泄的水量即為下游河道實際水量。

2.3　RVA法評價建庫前后徑流改變程度

采用RVA法，計算整體水文改變度，結果為：現狀出庫流量水文指標的整體改變度為41.67%，屬于中度改變，增加擬建電站后出庫流量水文指標的整體改變度為83.04%，屬于高度改變[5]。

利用RVA法對牛路嶺水庫現狀出庫流量及增加擬建電站后出庫流量的IHA各指標進行統(tǒng)計分析，結果如表1所示?？梢钥闯觯?2個水文變化指標中，現狀出庫流量有10個指標屬于低度改變，15個指標屬于中度改變，7個指標屬于高度改變；增加擬建電站后，其中，1個指標屬于低度改變，6個指標屬于中度改變，25個指標屬于高度改變。

經分析，得到月均值流量、年極端流量、年極端流量發(fā)生時間、高低流量頻率及延時、日流量改變量及逆轉次數的變化過程，限于篇幅，文章僅列出幾種典型的變化過程，如圖2~圖8所示。

表1　牛路嶺水庫下游水文變化指標統(tǒng)計分析表

圖2　牛路嶺水庫入庫及出庫月均值流量

圖3　路嶺水庫最大7d流量

圖4　牛路嶺水庫最小90d流量

圖5　牛路嶺水庫高流量脈沖次數

圖6　牛路嶺水庫高流量延時

圖7　牛路嶺水庫日流量年均增加值

圖8　牛路嶺水庫日流量逆轉次數

2.4　結果分析

通過RVA法評價水庫運行對下游天然徑流的改變程度，結果表明，牛路嶺水庫現狀電站出庫流量水文指標整體發(fā)生中度改變，增加擬建電站導致下游河道水文指標整體發(fā)生高度改變，破壞了原有的河流生境，對生態(tài)系統(tǒng)造成脅迫作用。簡要概括各類指標改變產生的影響如下：

1)月流量均值：現狀出庫流量指標以低度改變?yōu)橹?，增加擬建電站后，指標以高度改變?yōu)橹?，豐枯變化的改變可能破壞生物的自然產卵、遷徙周期等發(fā)生紊亂。

2)年極端流量：現狀出庫流量指標以中度改變?yōu)橹?，增加擬建電站后，指標以高度改變?yōu)橹?，蓄豐補枯的水量明顯減少，可能導致河道與滯洪區(qū)的養(yǎng)分交換不暢，影響滯洪區(qū)的生物生長。

3)年極端流量發(fā)生時間：現狀出庫流量指標屬于低度改變，增加擬建電站后，最小1 d流量發(fā)生時間指標屬于高度改變。年極端流量發(fā)生時間可能影響水生生物洄游產卵、繁殖等行為的發(fā)生，水庫調節(jié)后，發(fā)生時間變得不穩(wěn)定，可能會破壞生物原有的繁殖期行為過程。

4)高、低流量頻率及延時：現狀出庫流量，年高流量脈沖次數和低流量延時水文指標為高度改變，低流量脈沖次數和高流量延時水文指標為中度改變，增加擬建電站后，所有指標發(fā)生高度改變。高低流量頻率及延時的變化影響泛洪區(qū)岸邊植物的棲息地環(huán)境，對河流生態(tài)系統(tǒng)產生脅迫作用。水庫調節(jié)后，該組指標僅有兩個值發(fā)生中度改變，其余均發(fā)生高度改變，該變化破壞了泛洪區(qū)岸邊植物的棲息地環(huán)境、各種水生生物原有的繁殖期行為過程及棲息地條件等自然特征。

5)日流量改變值及逆轉次數：現狀出庫流量，日流量年均增加值和減少值指標屬于中度改變，逆轉次數屬于高度改變，增加擬建電站后，所有指標發(fā)生高度改變。該組指標同水生生態(tài)環(huán)境的變化周期有著密切聯系，高頻的流量變化將對某些植物、低速生物體的生長產生較大的影響。

3結語

文章引入了變化范圍法(RVA)，對建庫前后水文指標的改變度進行分析，并以牛路嶺水庫為實例，進行了研究。結果表明：

1)水庫運行使得水文指標發(fā)生不同程度的變化，對生態(tài)系統(tǒng)產生影響。

2)增加擬建電站后，進一步增大水文指標的改變度，勢必對下游生態(tài)系統(tǒng)的破壞更為嚴重。

3)為減小水庫運行對下游河道生態(tài)系統(tǒng)的影響，可開展水庫生態(tài)~發(fā)電調度，即在水庫發(fā)電調度的同時，滿足河道內生態(tài)需水量是水庫調度運行的主要任務。

參考文獻：

[1]武會先,王萬戰(zhàn),宋學東譯.河流生命:為人類和自然管理水[M].鄭州：黃河水利出版社,2005：25.

[2]蔡文君,殷峻暹,王浩.三峽水庫運行對長江中下游水文情勢的影響[J].人民長江,2012(05):22-25.

[3]李興拼,鄭江麗,賀新春,等.東江流域水文變異及其對生態(tài)環(huán)境的影響[J].人民珠江,2009(05):32-34+75.

[4]于茜,黃強,張洪波.不同水庫運行模式對黃河蘭州站生態(tài)水文特征變異的影響[J].干旱區(qū)地理,2010(05)：747-755.

[5]楊揚.考慮生態(tài)需水分析的水庫調度研究[D].大連:大連理工大學,2012.

Analysis of Reservoir Project's Impact on Lower Hydrology Based on RVA

TIAN Yi-chi and GUO Cai-yin

(Liaoning Provincial Dahuofang Reservoir Administration Bureau，Fushun 113007,China)

Abstract：In order to analyze the reservoir operation's impact on ecological system，the changing scope method (RVA) is adopted to evaluate the degree of natural runoff changed due to reservoir regulation，and at Nululing reservoir as the research object，has carried on an example analysis.The results show that reservoir regulation has changed obviously natural runoff，especially after the completion of proposed power station，natural state of runoff has changed greatly，damaging the healthy development of river ecosystem.It is suggested that ecological factors be considered in optimal operation of reservoir so as to reduce the negative impact on ecology due to reservoir operation.

Key words：RVA；index of hydrological change；hydrological regime；Niululing reservoir；ecological system of rivers；negative impact

[作者簡介]田伊池(1987-)，女，遼寧沈陽人，助理工程師，從事水情調度工作；郭彩銀(1982-)，女，山西定襄人，工程師，從事工程管理工作。

[收稿日期]2015-06-28

中圖分類號：P333.5

文獻標識碼：B

文章編號：1007-7596(2015)08-0004-05