水利工程對壩下徑流的影響
——以葛洲壩、三峽水利樞紐為例

廖文婷,鄧紅兵,李若男,鄭 華,*

1 中國科學院生態(tài)環(huán)境研究中心城市與區(qū)域生態(tài)國家重點實驗室,北京 100085 2 中國科學院大學,北京 100049

水利工程給人類帶來防洪、發(fā)電、航運效益的同時,也對流域生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生一些負面影響。許多學者圍繞水利工程的生態(tài)效應開展了大量研究,對其水文效應的研究較少。Deitch等使用GIS水文模型分析水利工程對徑流的影響,結(jié)果表明水利工程在干旱年份對徑流的影響約為40%,在常規(guī)年份影響程度為50%[1]。陸國賓等對丹江口水庫以下徑流研究發(fā)現(xiàn),水庫運行對下游徑流的影響主要是徑流的年內(nèi)分配,但影響隨距離的增加而減弱,仙桃站汛期流量比例由1967年以前75.7%下降至1967年以后65.4%,減少了洪水發(fā)生的幾率[2]。水利工程和下墊面作為人類活動的兩個主要因素,二者對徑流的影響程度難以區(qū)分,孫新國等基于SWAT模型模擬水利工程和下墊面變化下的徑流變化,結(jié)果發(fā)現(xiàn)中水利工程對徑流的影響比重為91.3%,下墊面變化的影響只占8.7%[3]。除了對徑流的影響,水利工程對河流含沙量和下游生境也造成了不少影響。2003—2006年期間約60%的泥沙被三峽攔截,導致大壩下游泥沙量減少,將造成下游河道侵蝕、發(fā)生形態(tài)學的改變[4]；謝永宏等研究表明洞庭湖泥沙淤積速度減緩,有利于增強洞庭湖調(diào)蓄空間,延長洞庭湖壽命,但同時也改變了洞庭湖植物群落演替方式,使群落演替方式主要以慢速方式進行,演變模式為：水生植物-苔草-蘆葦-木本植物[5]；這些以水利工程水文效應為對象的研究主要集中在對洪水、含沙量及生態(tài)效益的研究,對于枯水期影響的研究涉及較少?？菟秃樗m同屬于水文學極值研究范疇,但由于枯水早期對人類未產(chǎn)生較大影響,研究進展落后于洪水。隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展,人口激增,水資源供需矛盾日益突出,尤其在枯水季節(jié),產(chǎn)生了由于徑流減少引起的水污染加重的問題,過度利用枯水資源造成河流斷流等生態(tài)問題,需要加強水利工程對枯水期影響的研究。

本文以葛洲壩水利樞紐和三峽工程為研究對象,以宜昌水文站118年(1890—2014年,缺失1940—1945,1961)日徑流資料為基礎,分析水利工程建設對宜昌站徑流分配和枯水期時間的影響,其目標是：揭示葛洲壩水利樞紐和三峽工程對長江干流徑流年內(nèi)分配和枯水期的影響方向和程度及可能帶來的生態(tài)問題,為流域水安全和水資源管理提供基礎信息。

1 研究區(qū)域與方法

1.1 研究區(qū)概況

長江流域是我國水資源最為豐富的流域之一,2014年長江區(qū)水資源總量高達10150.3億m3,居全國首位,超過全國水資源總量1/3[6]。雖然長江區(qū)水資源總量很大,但是受季風性氣候影響,汛期流量約占徑流總量的70%,難以利用,在非汛期,季節(jié)性缺水與發(fā)電航運等用水矛盾仍然十分突出。水庫是調(diào)節(jié)河道水流、解決季節(jié)性和工程性缺水問題的主要途徑,為了滿足日益增長的水利需求,流域修建了很多大型水利工程,至2009年年底,長江流域已建成各類水庫4.6萬座,總興利庫容1200多億m3,其中大型水庫166座,總興利庫容966億m3[7]。峽工程是迄今世界上綜合效益最大的水利樞紐,位于長江上游,距下游葛洲壩水利樞紐工程38km,是具有防洪、發(fā)電、航運、供水和補水等綜合效益的水資源多目標開發(fā)工程,水庫正常蓄水位175m,總庫容393億m3,正常運行后可使荊江河段防洪標準由約十年一遇提高到百年一遇[8]。宜昌水文站是距離葛洲壩水利樞紐和三峽水利最近的水文站,位于三峽工程下游43km處[9],也是長江干流最早設立的水文站之一,擁有較長時間實測水文資料。

1.2 研究方法

1.2.1 徑流年內(nèi)分配表征指標

(1)集中度(CRCD)和集中期(CRCP)

集中度和集中期是使用向量法表征徑流年內(nèi)分配的兩個重要指標?；舅枷胧菍?年內(nèi)各月的徑流量看作向量,徑流量的大小即為向量的長度,所處月份為向量的方向[10]。集中度是指各月徑流以向量的方式累加,和向量大小占年徑流量的百分數(shù),其意義是反映徑流量在年內(nèi)的集中程度；集中期是指和向量的方位(以正切角度表示),反映全年徑流集中的重心所出現(xiàn)的時間[11],集中期角度越大表示徑流重心出現(xiàn)的時間越晚。

具體計算方法：

式中,Ri為第i月徑流向量；RXi為第i月徑流向量在X軸方向上的分量；RYi為第i月徑流向量在Y軸方向上的分量。

(2) 徑流集中度突變分析方法(M-K突變檢驗)

M-K abrupt test是非參數(shù)統(tǒng)計分析法,國內(nèi)外學者常用來分析水文變量的趨勢變化和突變現(xiàn)象[12- 13],其優(yōu)點是變量不需要服從一定的分布,而且檢驗精度高。M-K突變檢驗可以檢驗時間序列數(shù)據(jù)發(fā)生突變的時間,運用該方法可以明確徑流集中度發(fā)生突變的時間。

1.2.2 枯水期時間變化

(1)枯水期流量確定方法——FDC(Flow duration curve)曲線

流量歷時曲線(FDC)是反映徑流分配的一種曲線,根據(jù)研究目的不同,可以選擇以日、月、季度為間隔,形成不同的歷時曲線[14],反映不同季節(jié)或時期徑流分配。本文采用綜合日流量歷時曲線,這種歷時曲線能真實地反映流量在多年期間的歷時情況[15]。流量歷時曲線是枯水研究中提供最多信息的方法,在水資源開發(fā)、環(huán)境保護等實際工作中,經(jīng)常采用FDC低端部分流量作為設計枯水流量[16]。在以不間斷河流為對象的研究中,一般將頻率70%—90%以下的流量認為是枯水流量,但具體的取值視該流域水文情況設定。本文參考宜昌站枯水期研究相關文獻[17]和枯水期相關報道[18],選取流超頻率65%對應的流量(Q65)為宜昌枯水期流量上限閾值,作為研究宜昌站枯水期(即宜昌站流量低于枯水期流量上限閾值)時間的分布的基礎。

計算宜昌站多年平均日流量并在海森頻率格紙上繪制FDC曲線(圖1),圖中縱坐標是宜昌站多年平均日流量,橫坐標是流超頻率(exceedance frequency),表示等于或超過某一特定流量的時間占比[19]。研究選擇65%對應的流量(Q65=6536m3/s)作為枯水期閾值,宜昌站徑流低于這個閾值即認為宜昌站處于枯水期,用于探究宜昌站枯水期時間上的分布。

圖1 宜昌站多年平均日流量歷程曲線Fig.1 Flow duration curve of daily water discharge in YichangQ65: 表示流超頻率65%對應的流量

(2)枯水期時間分布分析——相位差、統(tǒng)計頻率

通過繪制水利工程建設前后多年平均日流量過程曲線,可以客觀的展示建壩前后徑流在日尺度上的分配。由于水庫蓄水對徑流的調(diào)節(jié)作用,將引起枯水流量出現(xiàn)的相對位置不同,形成相位差。若用t蓄水前,t蓄水后分別表示水利工程蓄水前后河流進入枯水期的時間(用1年中第t天表示),如果t蓄水前>t蓄水后,則表示枯水期開始時間提前,t蓄水前-t蓄水后就是枯水期提前的天數(shù)。

計算每一年宜昌站進入枯水期的時間,并對建壩前后枯水期開始時間分別進行頻次統(tǒng)計,頻率最高對應的時間段就是該時期枯水期最可能發(fā)生的時間。

2 結(jié)果與分析

2.1 宜昌站徑流年內(nèi)分配特征

2.1.1 集中度

水利工程建設是影響河流徑流集中度最主要的因素[20],根據(jù)水利工程完工時間(1981年葛洲壩截流工程勝利合龍,2003年三峽工程建設完成開始蓄水)可以將研究時段分為3個時期：1954—1980(缺1961)、1981—2002、2003—2014(圖2)。近60年來,宜昌集中度總體呈現(xiàn)下降趨勢,2014年徑流集中度與1954年相比下降幅度為30.15%,說明徑流在年內(nèi)的分配趨于均勻。前兩個時期(1954—1980年,1981—2002年)下降趨勢相近(斜率分別為-0.0014和-0.0019),說明葛洲壩水利樞紐對徑流集中度影響較?。坏?個時期(2003—2014年)徑流集中度下降趨勢明顯(斜率為-0.0069),說明三峽工程對宜昌站徑流年內(nèi)分配影響較大。

圖2 宜昌站(1954—2014)徑流集中度年際變化圖Fig.2 Time series of annual CRCD in Yichang

宜昌站徑流集中度年際變化結(jié)果與宜昌站徑流集中度M-K突變分析的結(jié)果一致(圖3),1954—2014年宜昌站徑流集中度只有2004年一個突變點,與三峽工程2003年6月1日開始蓄水的時間點相吻合,說明三峽工程的建成較大程度上改變了宜昌站徑流的年內(nèi)分配。

圖3 宜昌站年徑流集中度突變點Fig.3 Change point at CRCD year in Yichang

2.1.2 集中期

宜昌站60年徑流集中期年際變化(圖4)表明：宜昌站徑流集中期1954—1980年呈現(xiàn)微弱上升趨勢(斜率為0.0489)。葛洲壩建成以后,集中期開始提前(斜率為-0.3427),三峽大壩建設以后,這種徑流重心提前趨勢更為明顯(斜率為-0.8583)。

圖4 宜昌站(1954—2014)徑流集中期年際變化圖Fig.4 Time series of annual CRCP in Yichang

2.2 水利工程對宜昌站枯水期開始時間的影響

2.2.1 枯水期開始時間相位差

分別計算宜昌站3個研究時期日均流量并繪制日均流量過程曲線(圖5),日均流量低于Q65的天數(shù)大致分布在一年中第1—109天和第337—365天,枯水期歷時約4個半月。1890—1980年枯水期從第345天(12月10日)開始；1981—2002年枯水期開始時間從第342天(12月07日),較上一時期提前了3d；2003—2014年枯水期開始時間從第337天(12月02日),較1981—2002年提前5d。三峽工程建成以后宜昌站進入枯水期的時間要比葛洲壩水利樞紐建成以前提前8d(圖5)。

圖5 不同時期宜昌站日流量歷程曲線Fig.5 Hydrograph of daily runoff in Yichang

2.2.2 枯水期開始時間頻率統(tǒng)計

以5d為間隔,統(tǒng)計3個研究時期宜昌站進入枯水期時間的頻次并繪制頻率分布圖(圖6),1890—1980年和1981—2002年進入枯水期的時間都在12月07日到12月11日之間,2003—2014年枯水期開始時間在11月17日—11月11月21日,枯水期相對前兩個時期,提前約20d。

圖6 不同時段宜昌站枯水期起始時間頻率統(tǒng)計Fig.6 Frequency statistics of dry season beginning in Yichang

3 討論與結(jié)論

通過對比分析3個時期徑流集中度和集中期可以發(fā)現(xiàn),宜昌站1954—1980年和1981—2002年徑流年內(nèi)分配特征較接近,徑流集中度約為0.46,徑流集中期出現(xiàn)在8月中上旬,與多年平均基本一致；而2002—2014年徑流集中度約為0.40,徑流集中期出現(xiàn)在7月底,相對多年平均而言徑流重心提前了約8d(表1)。由此可見,三峽工程對徑流年內(nèi)分配的影響要遠遠大于葛洲壩水利樞紐工程(貢獻率分別為92.03%和7.97%),這主要是由于葛洲壩水利樞紐屬于低水頭徑流式水電站,徑流調(diào)節(jié)能力較小[21]。從宜昌站徑流流集中度下降的趨勢來看,通過水利工程蓄水的調(diào)節(jié)作用,宜昌站徑流在年內(nèi)分布趨于平緩,洪峰被削弱,減少洪水發(fā)生的幾率,這對于長江中游防洪十分有益[2]。

枯水期開始時間(一年中流量低于6536m3/s的開始時間)相位差和頻率統(tǒng)計兩種分析方法都表明宜昌站枯水期有不同程度的提前(分別為8d和20d),這可能是由于水庫在汛末(10月)蓄水,導致宜昌站提前進入枯水季節(jié)。相關研究也表明宜昌站10月徑流減少趨勢明顯并且只有2003年一個突變點,前后平均流量相差5100m3/s,說明三峽工程對汛末徑流量影響較大[9]。三峽工程對徑流的影響主要通過蓄水進行,按照最初規(guī)劃方案,蓄水從10月份開始,正常運行時11月份水位達到175m蓄水結(jié)束,翌年1月份陸續(xù)放水發(fā)電,起到了在枯季對長江中下游干流補水的作用,但也導致了水利工程下游枯水期的提前。

表1 宜昌站徑流年內(nèi)分配統(tǒng)計特征

圖7 候鳥保護區(qū)區(qū)位圖Fig.7 Frequency statistics of dry season beginning in Yichang

水利工程不利的生態(tài)影響也不能忽視。一方面,集中度降低的同時水位波動幅度也會相應減少,研究表明三峽工程的調(diào)蓄作用使得洞庭湖年內(nèi)水位波動幅度減小,主要有利于較低高程的蘆葦生長,生物量增大,而在較高高程的蘆葦由于得不到充足的水分,生物量相對減少,逐漸被防護林代替[22],改變了流域原有的植被生長規(guī)律,而且長期的高水位和低水位以及非周期性的水位季節(jié)變動會破壞水生植被長期以來對水位周期性變化所產(chǎn)生的適應性,從而影響植被的正常生長繁衍和演替[23]；另一方面三峽工程蓄水后,宜昌站10月流量有顯著下降,這對于江河關系有顯著影響,研究表明三峽工程運行后,洞庭湖江湖水量交換程度減弱且仍有減弱趨勢[24],另一方面由于平湖和南洞庭湖湖底高程超過26m,流量減少提前退出汛期使得長江來水在枯水期將無法進入該湖區(qū),水量的減少會加劇這一水域的污染形勢[25]。此外,蓄水導致枯水期提前對下游生態(tài)環(huán)境也可能造成了一些不利的影響,枯水期提前導致鄱陽湖候鳥保護區(qū)洲提前顯露和水域縮小(圖7),將對候鳥的正常越冬產(chǎn)生不利影響,保護區(qū)內(nèi)高程11.5—14m的洲灘地帶是候鳥最適宜的息地,洲灘地提前顯露會加速水面以上灘地失去水分和板結(jié),當候鳥10月下旬至11月中旬遷來時,此高程范圍內(nèi)植物大部分已枯死,不適宜候鳥食用[26]。因此,應當優(yōu)化水庫調(diào)度方式,充分考慮水利工程蓄水對流域水文和生態(tài)環(huán)境的影響,結(jié)合水文氣象預測結(jié)果調(diào)整調(diào)度方式,維持河道適宜環(huán)境流量,實現(xiàn)水資源的合理利用。

不過,三峽水庫汛末蓄水時間和蓄水量的選取是一個典型的多目標決策問題,應綜合考慮水庫防洪、發(fā)電、航運、生態(tài)用水等多方面之間的利益與矛盾。許多學者針對水庫運行方式優(yōu)化進行了多方面的探索,可為三峽水庫運行管理提供參考：有研究學者提出當水庫汛末提前30d分階段蓄水,最能充分發(fā)揮水庫的綜合效益[27]；戴凌全等針對三峽水庫蓄水對洞庭湖水位及生態(tài)的影響,建立了面向洞庭湖生態(tài)需水的水庫優(yōu)化調(diào)度模型,優(yōu)化調(diào)度方案可使洞庭湖最小生態(tài)需水滿足度不同程度提高(平水年提高4.04%,枯水年0.84%)[28]；陳桂亞提出汛末蓄水方案為在10月底蓄滿率達96%,同時他還建議將寸灘50000m3/s作為減淤調(diào)度啟動條件,當達到減淤調(diào)度啟動條件時,調(diào)度三峽水庫水位日降幅在0.5m,加大泥沙沖刷力度,實踐證明減淤效果明顯[8]；郭文獻等針對三峽工程的生態(tài)調(diào)度目標進行了研究,提出三峽工程應采取盡可能維持高水頭發(fā)電的運行方式,通常三峽工程一般年份4月底水庫水位仍處于較高水位,而防洪要求6月10日水庫水位下降到防洪限制水位145m,因而在5月份至6月上旬有較大的蓄水下泄,完全有條件實施有利于四大家魚產(chǎn)卵的生態(tài)調(diào)度措施,即盡量減小采用均勻泄水原則,適時地采取洪水脈沖調(diào)度措施,以滿足四大家魚產(chǎn)卵繁殖所需的漲水條件,在保證不損失較大發(fā)電效益的同時有利于水庫下游生態(tài)[29]。

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