三峽水庫對(duì)宜昌站生態(tài)水文情勢(shì)影響研究

郭文獻(xiàn)，王艷芳，李 越，查胡飛，張愛民，郭 科

(華北水利水電大學(xué)黃河科學(xué)研究院，河南 鄭州 450045)

水利工程建設(shè)在促進(jìn)人類社會(huì)進(jìn)步同時(shí)，也河流生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能造成了不利影響。近些年來，水利工程建設(shè)與管理運(yùn)行帶來的河流生態(tài)問題引起了專家與學(xué)者的廣泛關(guān)注，人們逐漸意識(shí)到河流開發(fā)與保護(hù)的同等重要性。隨著我國水電能源的大開發(fā)，長江中上游以及各大支流陸續(xù)修建了梯級(jí)水電站，其中三峽大壩是長江干流修建的一座功能最多、規(guī)模最大的水利樞紐，對(duì)于保護(hù)長江中下游防洪安全、發(fā)揮航運(yùn)效益以及發(fā)電效益具有重要作用，然而三峽工程建設(shè)運(yùn)行引起的一系列生態(tài)問題引起了廣大專家學(xué)者的密切關(guān)注。作者在2009年和2016年年對(duì)三峽工程生態(tài)水文影響進(jìn)行了初步分析[1,2]，在此基礎(chǔ)上，從三峽工程蓄水前后宜昌水文站生態(tài)水文情勢(shì)變化出發(fā)，探討三峽水庫蓄水對(duì)長江中下游生態(tài)水文情勢(shì)改變程度，為開展三峽水庫生態(tài)調(diào)度以及河流生態(tài)恢復(fù)工作提供基礎(chǔ)參考。

1 數(shù)據(jù)與方法

三峽工程下游長江干流主要水文站位宜昌站、漢口站和大通水文站，其中宜昌站是三峽電站控制水文站，宜昌站水文變化在很大程度上反映了三峽工程下游水文情勢(shì)變化，選擇宜昌水文站分析三峽工程水文情勢(shì)的代表水文站。

基于長江中游宜昌站1882-2013年日均流量資料，運(yùn)用傾向估計(jì)法[3]和Mann-kendall法[4]對(duì)日均流量數(shù)據(jù)進(jìn)行趨勢(shì)性分析；運(yùn)用RVA法[5]，將宜昌站1981-2013年日均流量分為1981-2002年和2003-2013年兩個(gè)序列分別作為三峽水庫蓄水前后的序列，將32個(gè)IHA(水文指標(biāo)法)分為5組，進(jìn)行生態(tài)水文指標(biāo)計(jì)算，上下限是以均值±δ(標(biāo)準(zhǔn)差)進(jìn)行計(jì)算，從而分析三峽蓄水后宜昌站整體水文情勢(shì)改變程度，具體計(jì)算過程見參考文獻(xiàn)[1]。

2 三峽水庫下游宜昌站水文趨勢(shì)性分析

采用線性傾向估計(jì)法和M-K法對(duì)宜昌站年均流量和月均流量進(jìn)行趨勢(shì)性分析，計(jì)算結(jié)果見表1和圖1所示(圖略)。根據(jù)表1和圖1分析，宜昌站年均流量呈下降趨勢(shì)，下降傾向率為13.9 m3/(s·a)，并且通過M-K方法分析，年均流量檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)值Z=-7.8<0，且|Z|=7.8>1.96，通過了95%的置信度水平，表明宜昌站年均流量下降趨勢(shì)顯著。

根據(jù)對(duì)宜昌站月均流量趨勢(shì)分析，宜昌站流量在1-3月份為上升趨勢(shì)，傾向率為1.37、1.71和1.20 m3/(s·a)，檢驗(yàn)值Z為-5.4、-6.1、-6.2，通過了95%的置信度檢驗(yàn)，表明1月-3月月均流量上升趨勢(shì)明顯。而4-6月份的月均流量為下降趨勢(shì)，傾向率分別為-1.8、-11.1、-16.9、-19.5、-25.5、-38.5、-50.0、-13.9、-3.6 m3/(s·a)，檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)值分別為-6.8、-6.0、-6.2、-5.1、-5.9、-5.7、-8.1、-6.8、-6.6、-7.8，通過了95%的置信度水平，表明宜昌水文站4-12月份月均流量均呈現(xiàn)顯著下降趨勢(shì)。

表1 宜昌站月均流量趨勢(shì)分析表

圖1 宜昌站1982-2013年年均流量趨勢(shì)變化

3 三峽蓄水后宜昌水文站水文情勢(shì)影響程度分析

3.1 生態(tài)水文指標(biāo)分析

根據(jù)RVA法計(jì)算步驟，計(jì)算分析三峽水庫蓄水前后32項(xiàng)生態(tài)水文指標(biāo)的變化程度，計(jì)算結(jié)果見表2。

3.2 生態(tài)水文指標(biāo)改變度分析

根據(jù)表2分析，生態(tài)水文指標(biāo)2月份流量、3月份流量、最小1日流量、最小3日流量、最小7日流量、最小30日流量、最小90日流量、基流指數(shù)、最小流量日、低脈沖數(shù)量漲落次數(shù)等水文指標(biāo)均發(fā)生了高度改變，改變度分別為100%、79.63%、100%、100%、77.08%、77.08%、79.63%、71.79%、100%；而4月、7月、8月、9月、10月、12月的流量、高流量脈沖次數(shù)、漲水率和降水率等水文指標(biāo)分別為60.42%、59.26%、38.89%、54.17%、54.17%、60.42%、42.59%、59.26%、59.26%，屬于中度改變；其他水文指標(biāo)的改變度均低于33%，為低度改變。

圖2為三峽水庫蓄水前后年均流量變化趨勢(shì)。三峽水庫蓄水后年均流量下降趨勢(shì)較蓄水前更加顯著，其中三峽蓄水前(1981-2002)多年平均流量為14 000 m3/s，日最大流量為69 500 m3/s，日最小流量為28 300 m3/s，三峽蓄水后(2003-2013)多年平均流量為12 500 m3/s，三峽蓄水后年均流量平均減少1 500 m3/s。圖3為三峽水庫蓄水前后月均流量差。三峽水庫蓄水后1-5月份流量增加，6-12月份流量減少，尤其是7月份、9月份和10月份減少最為顯著，其中10月份減少量約占蓄水前的31%。

表2 宜昌站生態(tài)水文變化指標(biāo)計(jì)算結(jié)果

3.3 生態(tài)水文情勢(shì)整體改變程度

根據(jù)表2計(jì)算結(jié)果，高度改變指標(biāo)為9項(xiàng)，中度改變?yōu)?項(xiàng)，低度改變?yōu)?4項(xiàng)。根據(jù)參考文獻(xiàn)[1]中RVA計(jì)算步驟，計(jì)算分析三峽水庫對(duì)大壩下游生態(tài)水文情勢(shì)整體改變度，計(jì)算結(jié)果為61%，屬于中度改變，表明三峽水庫對(duì)長江中下游水文情勢(shì)影響為中度改變程度。

4 結(jié) 語

通過對(duì)三峽水庫下游宜昌水文站流量趨

圖2 三峽水庫蓄水前后年均流量變化趨勢(shì)

圖3 三峽水庫蓄水前后月均流量差

勢(shì)性分析，宜昌水文站年均流量下降趨勢(shì)明顯，其中1-3月份月均流量為顯著上升趨勢(shì)，4-12月份月均流量為顯著下降趨勢(shì)。通過對(duì)宜昌站生態(tài)水文指標(biāo)分析，其中高度改變指標(biāo)為9項(xiàng)，中度改變?yōu)?項(xiàng)，低度改變?yōu)?4項(xiàng)，綜合改變度為61%，為中度改變。表明三峽水庫蓄水對(duì)長江中下游河流生態(tài)水文情勢(shì)具有較大影響，而水文情勢(shì)改變，則會(huì)導(dǎo)致一系列生態(tài)問題，為了減緩三峽水庫對(duì)水文情勢(shì)影響程度，應(yīng)該進(jìn)一步加強(qiáng)生態(tài)調(diào)度等河流生態(tài)修復(fù)措施工作開展，以保護(hù)長江河流水生生物可持續(xù)利用。

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[1] 王艷芳.三峽工程對(duì)下游河流生態(tài)水文影響評(píng)估研究[D].鄭州：華北水利水電大學(xué)，2016.

[2] 郭文獻(xiàn),王鴻翔,徐建新,等.三峽梯級(jí)水庫對(duì)長江中下游水文情勢(shì)影響研究[J].中國農(nóng)村水利水電,2009,(12):7-10.

[3] 吳 琛,項(xiàng) 洪,杜喜朋,等. 數(shù)值方法進(jìn)展:從Fourier變換到Hilbert-Huang變換[J]. 福建工程學(xué)院學(xué)報(bào),2015,(6):511-519.

[4] 章誕武,叢振濤,倪廣恒. 基于中國氣象資料的趨勢(shì)檢驗(yàn)方法對(duì)比分析[J]. 水科學(xué)進(jìn)展,2013,(4):490-496.

[5] 陳偉東,包為民,張 乾,等. 基于IHA分析錦江水庫對(duì)下游徑流的影響[J]. 三峽大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2015,(3):23-27.