三峽水庫(kù)運(yùn)行對(duì)荊江三口水文情勢(shì)變異程度分析

代 穩(wěn)，呂殿青，王金鳳，仝雙梅

(1.六盤水師范學(xué)院旅游與歷史文化學(xué)院，貴州六盤水553004；2.湖南師范大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙410081)

三峽水庫(kù)運(yùn)行對(duì)荊江三口水文情勢(shì)變異程度分析

代 穩(wěn)1，2，呂殿青2，王金鳳1，仝雙梅1

(1.六盤水師范學(xué)院旅游與歷史文化學(xué)院，貴州六盤水553004；2.湖南師范大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙410081)

根據(jù)三峽水庫(kù)蓄水運(yùn)行時(shí)間，運(yùn)用變化范圍法(RVA)和整體改變度對(duì)荊江三口水文情勢(shì)變異程度進(jìn)行評(píng)價(jià)。結(jié)果表明，三峽水庫(kù)運(yùn)行對(duì)荊江三口流域水文情勢(shì)產(chǎn)生一定影響，其水文綜合改變度為62.07%，屬于中度改變，主要影響表現(xiàn)在1月～5月、7月、8月、10月月均流量、年均1、3、7、30、90 d最小流量、低流量的谷底數(shù)、低流量平均持續(xù)時(shí)間等方面。三峽水庫(kù)運(yùn)行對(duì)荊江三口河流的削峰填谷作用明顯。

水文情勢(shì)；RVA；局部改變度；荊江三口；三峽水庫(kù)

荊江三口作為連接長(zhǎng)江中游和洞庭湖的重要紐帶，三口分流變化對(duì)荊江干流河道和洞庭湖區(qū)產(chǎn)生明顯的影響，多年以來(lái)一直是國(guó)內(nèi)學(xué)者普遍關(guān)注的焦點(diǎn)[1- 4]。在氣候變化和人類活動(dòng)雙重因素驅(qū)動(dòng)下，變化環(huán)境下荊江三口分流分沙變化研究，更引起了水利學(xué)界和地理學(xué)界的高度重視，已成為目前研究者共同關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題[4- 8]。目前，研究的內(nèi)容主要集中體現(xiàn)在水沙動(dòng)態(tài)變化、江湖水體交換關(guān)系及三峽工程運(yùn)行對(duì)荊江三口分流分沙的影響等方面，尤其是三峽工程運(yùn)用對(duì)荊江三口水沙情勢(shì)變化的影響，已取得了一定的研究成果。有些學(xué)者[4，7，9]認(rèn)為三峽工程運(yùn)用后導(dǎo)致荊江三口分流比變化不大；而也有學(xué)者[6，10-12]認(rèn)為三峽工程運(yùn)行后使荊江三口分流能力減弱。除此之外，三峽工程運(yùn)用后對(duì)荊江三口水文情勢(shì)變化的影響程度到底如何(輕度、中度或高度)亟需進(jìn)一步探討。為此，本文根據(jù)三峽水庫(kù)調(diào)度方式，并結(jié)合水文情勢(shì)變動(dòng)指標(biāo)(IHA)，運(yùn)用水文變化范圍法(RVA)對(duì)三峽水庫(kù)運(yùn)行對(duì)荊江三口的水文情勢(shì)變化程度進(jìn)行研究，以期為三口分流的變化規(guī)律研究及三峽水庫(kù)運(yùn)行調(diào)度提供依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)來(lái)源及研究方法

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

長(zhǎng)江干流枝城至城陵磯河段稱為荊江，其南岸松滋、虎渡、藕池三口(調(diào)弦口閘于1958年堵口建閘)分流進(jìn)入洞庭湖。荊江三口的主要控制站為新江口站(松滋河)、沙道觀站(松滋河)、彌陀寺站(虎渡河)、管家鋪站(藕池河)及康家港站(藕池河)，于是選取歷年三口5站水文數(shù)據(jù)(來(lái)源于湖南省水文水資源勘測(cè)局和湖南省水利廳網(wǎng)站水情日?qǐng)?bào)表)。由于下荊江裁彎、葛洲壩截流等工程均對(duì)荊江三口分流變化造成影響，為了有效準(zhǔn)確地分析三峽水庫(kù)運(yùn)行前后的水文情勢(shì)變化，三峽水庫(kù)運(yùn)行前的數(shù)據(jù)需提供受水利工程影響較小的時(shí)間序列；故，本文采集三口5站1990年～2014年實(shí)測(cè)逐日徑流量。

1.2 研究方法

變動(dòng)范圍法(Range of Variability Approach，RVA)由Richter等[13]于1997年提出，主要是在水文變化指標(biāo)法(Indictors of Hydrologic Alteration，IHA)的基礎(chǔ)上建立起來(lái)的。其用流量時(shí)間序列數(shù)據(jù)來(lái)評(píng)估水文變化程度，即以變異前的逐日流量數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，甄別變異后人類活動(dòng)(本文特指三峽水庫(kù)運(yùn)行)對(duì)流量系列的影響程度。IHA包括5個(gè)方面33個(gè)指標(biāo)(起初為32個(gè))，分別用流量、時(shí)間、頻率、延時(shí)和變化率等描述河流水文特征[13-14](見表1)。其中，基流指數(shù)是指7 d最小流量與年均流量之比；低流量谷底數(shù)被定義為低于受干擾前流量25%頻率的日均流量；高流量洪峰數(shù)被定義為高于受干擾前流量75%頻率的日均流量；流量平均增加率(減少率)是指相鄰日流量的平均增加率(減少率)；逆轉(zhuǎn)次數(shù)是指河流日流量由增加(減少)變?yōu)闇p少(增加)的次數(shù)。

表1 IHA法的水文參數(shù)

RVA法通過(guò)對(duì)不同時(shí)間河流水文條件(用IHA法的水文指標(biāo)描述)進(jìn)行比較分析，進(jìn)而揭示水利工程建設(shè)等人類活動(dòng)對(duì)河流水文情勢(shì)的影響。首先，設(shè)定RVA目標(biāo)(RVA閾值)，即以受影響前各指標(biāo)的平均值、標(biāo)準(zhǔn)差或發(fā)生頻率的75%和25%作為各指標(biāo)的上下限；然后，根據(jù)受影響后的流量特征值Ri來(lái)判別水利工程建設(shè)等人類活動(dòng)是否對(duì)河流的水文情勢(shì)產(chǎn)生影響：若Ri落在RVA閾值的個(gè)數(shù)越多，受影響的程度越?。环粗?，受影響程度就越大。為了能定量評(píng)估受影響后的變化程度，Richter等[14]提出建議采用水文改變度(Degree of Hydrological Alteration，DHA)來(lái)定量化描述，公式如下

(1)

(2)

式(2)主要用于計(jì)算IHA法的33個(gè)水文參數(shù)所引起的河流整體改變度。由于IHA法的33個(gè)水文參數(shù)分為5組，不同組內(nèi)指標(biāo)反映出不同的水文情勢(shì)變化規(guī)律及影響(見表2)。為了能評(píng)價(jià)各組內(nèi)河流的部分改變度，文中通過(guò)變化河流的整體改變度Do來(lái)求出河流的局部改變度

(3)

式中，n為IHA法中各組水文指標(biāo)的總數(shù)，如第1組n=12；j為指標(biāo)序號(hào)，1≤j≤33；m為各組最大序號(hào)，m∈{12，24，26，30，33}。

1.3 研究時(shí)段的劃分

以三峽水庫(kù)建成、蓄水運(yùn)行節(jié)點(diǎn)為界劃分研究時(shí)段。三峽水庫(kù)自2003年6月1日開始蓄水，10天時(shí)間其蓄水水位達(dá)到135 m。為了消除下荊江裁彎、葛洲壩截流等工程對(duì)荊江三口水文情勢(shì)變化的影響，最終確定1990年～2002年作為三峽水庫(kù)運(yùn)行前的階段，即天然狀態(tài)，2003年～2014年作為三峽水庫(kù)運(yùn)行后的階段，即三峽水庫(kù)影響時(shí)段。

表2 荊江三口水文指標(biāo)RRVA值

2 結(jié)果與分析

2.1 月平均流量變化

由三峽水庫(kù)蓄水運(yùn)行前后月均流量變化趨勢(shì)可知，三峽工程建設(shè)運(yùn)行對(duì)荊江三口年內(nèi)水文情勢(shì)產(chǎn)生一定的影響(見圖1)。與1990年～2002年相比，2003年～2014年1月～5月月均流量表現(xiàn)為增加，1月、2月水庫(kù)運(yùn)行后月均流量是運(yùn)行前的2.5倍多，3月、4月、5月的增長(zhǎng)率分別為83%、62%、29%，6月、9月月均流量起伏不大，7月、8月、10月呈減少趨勢(shì)，減少率分別為12%、10%、40%。經(jīng)水文改變度計(jì)算結(jié)果及水文變化度規(guī)定范圍的對(duì)比分析，三峽水庫(kù)運(yùn)行后月均流量水文變化度表現(xiàn)為7個(gè)月份低度改變、4個(gè)月份中度改變、1個(gè)月份高度改變，月均流量總體改變度計(jì)算值為49%，屬于中度改變?？傮w上來(lái)看，三峽水庫(kù)蓄水運(yùn)行對(duì)荊江三口的月均流量特性產(chǎn)生了微弱的改變，使冬、春季月均流量增加，夏季月均流量有所減少；這將有利于荊江三口地區(qū)枯季水資源的開發(fā)利用及減緩洪災(zāi)發(fā)生的概率。這主要是因?yàn)槿龒{水庫(kù)5月、6月為防洪泄水期，水庫(kù)水位需從155 m減至145 m；7月、8月為調(diào)洪錯(cuò)峰期，將水庫(kù)水位控制在145 m；9月、10月為汛末蓄水期，蓄水位達(dá)到175 m；11月至翌年2月為枯水發(fā)電期，三峽水庫(kù)以5 800 m3/s的出力流量下泄；3月、4月為發(fā)電消落期，增加下泄流量，加大泄流發(fā)電[17]。由此可見，三峽水庫(kù)運(yùn)行具有削峰填谷的作用。

圖1 三峽水庫(kù)運(yùn)行前后月均流量

2.2 年均極值變化

三峽水庫(kù)運(yùn)行前后年均1、3、7、30、90 d最小流量和最大流量柱狀圖(見圖2)的高低表明：三峽水庫(kù)運(yùn)行后年均1、3、7、30、90 d最小流量增多，而最大流量減少，尤其是年均30、90 d最小和最大流量。三峽水庫(kù)運(yùn)行后荊江三口年均30 d最小流量是運(yùn)行前的2.86倍，年均90 d最小流量運(yùn)行前后為1∶2.26，年均30、90 d最大流量較運(yùn)行前分別減少了25%、18%。其進(jìn)一步說(shuō)明三峽水庫(kù)運(yùn)行對(duì)河流具有削峰填谷的作用，這意味著三峽水庫(kù)運(yùn)行在一定程度上有利于抗旱防澇及水資源的開發(fā)利用。從零流量天數(shù)和基流指數(shù)看，三峽水庫(kù)運(yùn)行前后荊江三口5站同時(shí)出現(xiàn)零流量的天數(shù)為0；故此，對(duì)該水文參數(shù)無(wú)影響，基流指數(shù)由水庫(kù)運(yùn)行前的0.002 6增加至0.004 7，增加率為81%。這說(shuō)明三峽水庫(kù)運(yùn)行對(duì)荊江三口流量的填谷作用表現(xiàn)較為顯著，主要是7 d最小流量增加的緣故。由水文改變度計(jì)算結(jié)果可知，年均1、3、7、30、90 d最小流量均為高度改變，年均1、3、7 d最大流量均為中度改變，年均30、90 d最大流量均為低度改變，零流量天數(shù)為無(wú)改變，基流指數(shù)為高度改變，月均流量總體改變度計(jì)算值為74%，屬于高度改變。可見，三峽水利工程的建設(shè)對(duì)荊江三口斷面河流影響較大，主要是荊江三口5站分泄長(zhǎng)江干流入洞庭湖，干流水文情勢(shì)發(fā)生改變固然對(duì)其產(chǎn)生明顯影響。

圖2 三峽水庫(kù)運(yùn)行前后年均最小流量、最大流量對(duì)比

2.3 年極值流量出現(xiàn)的時(shí)間變化

水庫(kù)運(yùn)行后年最大流量出現(xiàn)的時(shí)間變化較大，由運(yùn)行前的56 d左右下降到29 d左右，偏離率為49%，水文改變度為83%，其變異程度達(dá)到高度改變；相反，年最小流量出現(xiàn)的時(shí)間無(wú)明顯變化，運(yùn)行前后均在215 d左右，為無(wú)或低水文改變。由此表明，三峽水庫(kù)的調(diào)節(jié)作用，使荊江三口流量震蕩次數(shù)呈現(xiàn)減弱趨勢(shì)。

2.4 年高低流量頻率與歷時(shí)變化

水庫(kù)運(yùn)行后低流量頻率與歷時(shí)均發(fā)生明顯下降變化趨勢(shì)，年低流量的谷底數(shù)減少，低流量平均持續(xù)時(shí)間縮短；高流量頻率與歷時(shí)變化不顯著，年高流量的洪峰數(shù)由運(yùn)行前的5.1次上升至6.1次；高流量平均持續(xù)時(shí)間由運(yùn)行前8 d變?yōu)檫\(yùn)行后的6 d，呈輕微下降趨勢(shì)。對(duì)其水文改變度分析發(fā)現(xiàn)，年低流量的谷底數(shù)、低流量平均持續(xù)時(shí)間均為高度改變；年高流量的洪峰數(shù)、高流量平均持續(xù)時(shí)間均為中度改變；高低流量頻率與歷時(shí)總體改變度計(jì)算值為72%，屬于高度改變。這意味著三峽水庫(kù)運(yùn)行消減洪峰、蓄豐補(bǔ)枯等調(diào)節(jié)作用使得季節(jié)性流量發(fā)生改變，流量向單一化方向轉(zhuǎn)化?？梢姡龒{水庫(kù)運(yùn)行下荊江三口流域水文情勢(shì)特征與天然狀態(tài)下有所不同，這將對(duì)三口地區(qū)水資源開發(fā)利用與生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生重要的影響。

2.5 流量變化率與頻率變化

水庫(kù)運(yùn)行后流量變化率與頻率變化均不大，流量平均增加率及減少率、每年流量逆轉(zhuǎn)次數(shù)較運(yùn)行前均稍有增加，且運(yùn)行后所觀測(cè)年份3項(xiàng)水文改變指標(biāo)參數(shù)大部分位于RRVA閾值之內(nèi)，流量平均增加率和流量平均減少率的水文改變度為中度改變，每年流量逆轉(zhuǎn)次數(shù)為低度改變。這說(shuō)明三峽水庫(kù)運(yùn)行后其削峰效應(yīng)與填谷效應(yīng)有所增強(qiáng)，但對(duì)荊江三口河流生態(tài)系統(tǒng)影響與運(yùn)行前差不多，無(wú)明顯變化。

據(jù)式(1)計(jì)算出33項(xiàng)水文指標(biāo)Di值，將該值帶入式(2)，求出三峽水庫(kù)運(yùn)行后荊江三口水文情勢(shì)綜合改變度為62.07%，屬于中度改變。這意味著三峽水庫(kù)運(yùn)行在一定程度上影響了荊江三口水文條件，也打破了該地區(qū)原有的河流生態(tài)環(huán)境。由5組局部改變度Ds計(jì)算結(jié)果可知，第2組年均極值、第4組高低流量頻率與歷時(shí)的局部改變度分別為73.76%、71.73%，均為高度改變。因此，三峽水庫(kù)運(yùn)行對(duì)荊江三口水文情勢(shì)影響最大的主要是年均1、3、7、30、90 d最小流量、低流量谷底數(shù)、低流量平均持續(xù)時(shí)間，年均30、90 d最小流量分別由6.69、10.46 m3/s增加至19.1、23.59 m3/s(見表3)。

表3 荊江三口水文情勢(shì)整體改變度與局部改變度計(jì)算結(jié)果

3 結(jié) 論

(1)33個(gè)IHA指標(biāo)中，10個(gè)指標(biāo)為高度改變，8個(gè)為中度改變，12個(gè)為低度改變，3個(gè)無(wú)改變，其荊江三口水文綜合改變度屬于中度改變，三峽水庫(kù)運(yùn)行對(duì)荊江三口流域水文情勢(shì)產(chǎn)生一定影響。

(2)長(zhǎng)江三峽水庫(kù)運(yùn)行對(duì)荊江三口水文情勢(shì)的影響主要表現(xiàn)為：1月～ 5月月均流量稍有增加，7、8、10等3個(gè)月月均流量有所減少；年均1、3、7、30、90 d最小流量呈增加趨勢(shì)，填谷作用明顯，低流量的谷底數(shù)減少，低流量平均持續(xù)時(shí)間縮短。

(3)5類33個(gè)IHA指標(biāo)中，高度改變指標(biāo)分布在不同的組，有單個(gè)或幾個(gè)高度指標(biāo)，并不意味著該組的影響貢獻(xiàn)率就大。為了更加明確探索水文情勢(shì)的影響因素，本文試著從局部改變度的角度評(píng)價(jià)5組IHA指標(biāo)對(duì)水文情勢(shì)改變度的影響，第2組年均極值、第4組高低流量頻率與歷時(shí)的局部改變度為高度改變。

[1]王崇浩, 韓其為. 水庫(kù)建成后荊南三口洪道及洞庭湖淤積概算[J]. 水利水電技術(shù), 1997(11)： 16- 20．

[2]盧金友. 荊江三口分流分沙變化規(guī)律研究[J]. 泥沙研究, 1996(4)： 55- 62．

[3]方春明, 曹文洪, 魯文, 等. 裁彎造成藕池河急劇淤積與分流分沙減少分析[J]. 泥沙研究, 2002(2)： 40- 45．

[4]許全喜, 胡功宇, 袁晶. 近50年來(lái)荊江三口分流分沙變化研究[J]. 泥沙研究, 2009(5)： 1- 8．

[5]李景保, 張照慶, 歐朝敏, 等. 水庫(kù)不同調(diào)度方式運(yùn)行期洞庭湖區(qū)的水情響應(yīng)[J]. 地理學(xué)報(bào), 2011, 66(9)： 1251- 1260．

[6]胡光偉, 毛德華, 李正最, 等. 三峽工程運(yùn)行對(duì)洞庭湖與荊江三口關(guān)系的影響分析[J]. 海洋與湖沼, 2014, 45(3)： 453- 461．

[7]方春明, 胡春宏, 陳緒堅(jiān). 三峽水庫(kù)運(yùn)用對(duì)荊江三口分流及洞庭湖的影響[J]. 水利學(xué)報(bào), 2014, 45(1)： 36- 41．

[8]帥紅, 李景保, 何霞, 等. 環(huán)境變化下長(zhǎng)江荊南三口徑流變化特征檢測(cè)與歸因分析[J]. 水土保持學(xué)報(bào), 2016, 30(1)： 83- 88．

[9]李義天, 郭小虎, 唐金武, 等. 三峽建庫(kù)后荊江三口分流的變化[J]. 應(yīng)用基礎(chǔ)與工程科學(xué)學(xué)報(bào), 2009, 17(1)： 21- 31．

[10]甘明輝. 三峽建成后江湖關(guān)系演變與洞庭湖綜合治理[C]∥第二屆長(zhǎng)江論壇論文集—洞庭湖論壇. 武漢： 長(zhǎng)江水利委員會(huì), 2007: 101- 105．

[11]李景保, 周永強(qiáng), 歐朝敏, 等. 洞庭湖與長(zhǎng)江水體交換能力演變及對(duì)三峽水庫(kù)運(yùn)行的響應(yīng)[J]. 地理學(xué)報(bào), 2013, 68(1)： 108- 117．

[12]張細(xì)兵, 盧金友, 王敏, 等. 三峽工程運(yùn)用后洞庭湖水沙情勢(shì)變化及其影響初步分析[J]. 長(zhǎng)江流域資源與環(huán)境, 2010, 19(6)： 640- 643．

[13]RICHTER B D, BAUMGARTNER J V, WIGINGTON R, et al. How much water does a river need？[J]. Freshwater Biology, 1997, 37(1)： 231- 249．

[14]RICHTER B D, BAUMGARTNER J V, BRAUN D P, et al. A spatial assessment of hydrologic alteration within a river network[J]. Regulated River: Research and Management, 1998, 14(4)： 329- 340．

[15]VRICHTER B D, THOMAS G A. Restoring environmental flows by modifying dam operations[J]. Ecology and Society, 2007, 12(1)： 173- 175．

[16]SHIAU J T, WU F C. Pareto-optimal solutions for environmental flow schemes incorporating the intra-annual and inter-annual variability of the natural flow regime[J]. Water Resources Research, 2007, 43(6)： W06433．

[17]李景保, 羅中海, 葉亞亞, 等. 三峽水庫(kù)運(yùn)行對(duì)長(zhǎng)江荊南三口水文和生態(tài)的影響[J]. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào), 2016, 27(4)： 1285- 1293．

(責(zé)任編輯 陳 萍)

Analysis of Hydrological Regime Variation in Three Outlets of Jingjiang River after the Impoundment of Three Gorges Reservoir

DAI Wen1,2, Lü Dianqing2, WANG Jinfeng1, TONG Shuangmei1
(1. College of Tourism and Historical Culture, Liupanshui Normal University, Liupanshui 553004, Guizhou, China;2. College of Resources and Environment Science, Hunan Normal University, Hunan 410081, Changsha, China)

According to the storage operation time of Three Gorges Reservoir,the RVA method and the total degree of change are used to evaluate the variation degree of hydrological regime of three outlets in Jingjiang River. The results show that the operation of Three Gorges Reservoir has certain impacts on Jingjiang three hydrological regimes, and its hydrological comprehensive change degree is 62.07%. It is shown that the impacts include monthly average flow rate in January to May, July, August and October, annual average minimum flow rate of 1, 3, 7, 30 and 90 d, and the valley bottom number and duration time of low flow. The operation of Three Gorges Reservoir has an obvious flood peak reducing effect on Jingjiang three outlets．

hydrological regime; RVA, local degree of change; three outlets of Jingjiang River; Three Gorges Reservoir

2016- 11- 15

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41571100)；貴州省科學(xué)技術(shù)基金項(xiàng)目 (黔科合LH字[2015]7632號(hào))；貴州省教育廳自然科學(xué)研究項(xiàng)目(黔教合KY字[2015]445號(hào))

代穩(wěn)(1982—),男,貴州六盤水人, 副教授，博士研究生，從事水文生態(tài)與環(huán)境變化的研究；呂殿青(通訊作者)．

TV213.4

A

0559- 9342(2017)08- 0026- 05