三峽水庫(kù)對(duì)洞庭湖水文情勢(shì)影響評(píng)估

王鴻翔，查胡飛，李 越，王乃賀，苗 森，郭文獻(xiàn)

(華北水利水電大學(xué)，河南 鄭州 450045)

洞庭湖是我國(guó)第二大淡水湖，是調(diào)節(jié)湘、資、沅、澧四水和分蓄長(zhǎng)江洪水重要的天然湖泊，為長(zhǎng)江流域重要的調(diào)蓄湖泊和水源地，對(duì)整個(gè)長(zhǎng)江中游的防洪和水資源利用舉足輕重[1]。同時(shí)，洞庭湖也是世界著名的濕地生態(tài)保護(hù)地區(qū)，為區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的維護(hù)和生物多樣性提供重要作用。因此，對(duì)洞庭湖水文情勢(shì)的研究十分有必要。關(guān)于水利工程生態(tài)水文效應(yīng)評(píng)估，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量研究[2-9]。本研究結(jié)合國(guó)內(nèi)外關(guān)于水利工程對(duì)于生態(tài)效應(yīng)的影響評(píng)估的研究基礎(chǔ)上，結(jié)合水文變異指標(biāo)、水文統(tǒng)計(jì)方法和變化范圍法定量評(píng)估洞庭湖3個(gè)代表性的水文站(城陵磯、南咀、楊柳潭站)水文情勢(shì)的改變程度，并評(píng)估水文情勢(shì)的變化對(duì)區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)可能造成的影響，可為洞庭湖湖區(qū)水文情勢(shì)影響評(píng)價(jià)以及湖泊水生生態(tài)安全保護(hù)提供技術(shù)支撐。

1 數(shù)據(jù)與方法

本次研究分別選取東洞庭湖的入江口城陵磯水文站、南洞庭湖的楊柳潭水文站、和西洞庭湖的南咀水文站作為整個(gè)洞庭湖流域的3個(gè)代表性水文站。研究選取的3個(gè)水文站各具代表性，能夠基本反映出洞庭湖區(qū)域水文特征?；?個(gè)站點(diǎn)1959年～2016年的日均水位觀測(cè)資料，運(yùn)用累計(jì)距平法[10-11]和滑動(dòng)T檢驗(yàn)法[12]和Mann-Kendall法(M-K法)[13]對(duì)日均水位數(shù)據(jù)進(jìn)行趨勢(shì)性和突變性分析；運(yùn)用水文改變度法(range of variability approach，RVA)[14]，將城陵磯、南咀和楊柳潭站年均水位分為1959年～2002年和2003年～2016年兩個(gè)序列分別作為三峽水庫(kù)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洞庭湖3個(gè)代表性水文站整體水文情勢(shì)改變程度，具體計(jì)算過(guò)程見(jiàn)文獻(xiàn)[15-16]。

2 結(jié)果與討論

2.1 洞庭湖年均水位變化特征

2.1.1年均水位趨勢(shì)性檢驗(yàn)

趨勢(shì)性是反映樣本序列隨時(shí)間增加的傾向。即增加、減少或不變。為揭示洞庭湖水系年平均流量趨勢(shì)變化，點(diǎn)繪1959年～2016年年平均水位年際變化過(guò)程曲線(xiàn)。由圖1可知，研究期間，洞庭湖水系年平均水位除1965年、1972年、1983年、1992年、1998年、2006年、2011年特枯年或特大洪水年的波動(dòng)幅度較大外城陵磯站和楊柳潭站呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，南咀站呈緩慢降低趨勢(shì)。

圖1 洞庭湖年均水位變化及趨勢(shì)

運(yùn)用M-K檢驗(yàn)方法檢驗(yàn)3個(gè)站點(diǎn)年平均水位變化的趨勢(shì)性見(jiàn)表1。

表1 洞庭湖年均水位變化趨勢(shì)M-K檢驗(yàn)

由表1可知，城陵磯站、楊柳潭站年平均水位總體呈微弱上升態(tài)勢(shì)，其中楊柳潭站上升趨勢(shì)未通過(guò)顯著性檢驗(yàn)，城陵磯站上升趨勢(shì)通過(guò)了95%置信度檢驗(yàn)，南咀站下降趨勢(shì)通過(guò)了95%置信度檢驗(yàn)。

2.1.2年均水位突變性檢驗(yàn)

運(yùn)用前述提及的Mann-Kendall檢驗(yàn)、累計(jì)距平法和滑動(dòng)T檢驗(yàn)法，對(duì)洞庭湖城陵磯七里山站、南咀站、楊柳潭站3個(gè)控制站研究期間的年均水位列進(jìn)行突變年份檢驗(yàn)，通過(guò)以上3種檢測(cè)方法綜合判別洞庭湖3站點(diǎn)理論上的突變年份如表2所示。

2.2 洞庭湖生態(tài)水文指標(biāo)變化

通過(guò)以上對(duì)洞庭湖水位突變點(diǎn)的研究，為了揭示三峽水庫(kù)對(duì)洞庭湖水位造成的影響，我們將2003年以前洞庭湖日水位過(guò)程作為自然狀態(tài)基準(zhǔn)水位序列，2003年～2016年洞庭湖日水位過(guò)程作為水文變異后的水位改變序列(見(jiàn)圖2)。在此基礎(chǔ)上運(yùn)用IHA和RVA法計(jì)算三峽水庫(kù)運(yùn)行對(duì)洞庭湖水系水位的改變程度。三峽水庫(kù)運(yùn)行對(duì)各水位指標(biāo)參數(shù)改變程度的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

圖2 突變前后月中值水位變化

2.2.1月均水位變化

由圖2和表3可知，洞庭湖流域3個(gè)水文站最明顯的水文變異大多出現(xiàn)在10月、11月、1月、2月(非汛期)及6月、7月和8月(汛期)?？梢?jiàn)，上游水庫(kù)的削峰攔洪措施對(duì)汛期徑流的消減作用影響很大，而水庫(kù)在非汛期的農(nóng)業(yè)灌溉和生活用水對(duì)增加月均水位因也有一定影響。

2.2.2年極端水位大小

洞庭湖游流域城陵磯站年最小1、3、7、30、90 d水位變異程度相同并都達(dá)到最大，而年最小90 d水位變異最低，其他次之(見(jiàn)表3)。

表2 洞庭湖3個(gè)水文站年均水位突變統(tǒng)計(jì)結(jié)果

表3 三峽水庫(kù)運(yùn)行前后IHA指標(biāo)統(tǒng)計(jì)

注：H表示高度改變；M表示中度改變；L表示低度改變。

上游修建的三峽水庫(kù)對(duì)年極小值水位的改變程度高(H)說(shuō)明三峽水庫(kù)運(yùn)行使洞庭湖水系枯水期低水位過(guò)程的改變程度較大，有可能會(huì)對(duì)河流生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生負(fù)面影響;對(duì)年極大值水位的改變程度相對(duì)較低，說(shuō)明三峽水庫(kù)運(yùn)行對(duì)汛期高水位過(guò)程的改變程度小，因而高水位過(guò)程變化對(duì)河流生態(tài)系統(tǒng)的影響也可能較小。1、3、7、30 d和90 d年均極小值水位較水庫(kù)運(yùn)行前均有不同程度的減少。其中，1、3、7 d年均極小水位表現(xiàn)出均一化，因而導(dǎo)致年極小值水位出現(xiàn)時(shí)間較高程度的改變(H)，且各年平均極小值水位均落在RVA目標(biāo)區(qū)間內(nèi)的頻率均比期望值低;三峽水庫(kù)運(yùn)行對(duì)7、30 d和90 d年均極大值流量和年極大值水位出現(xiàn)時(shí)間的水位改變度低(L)，豐水期三峽水庫(kù)對(duì)大洪水的調(diào)蓄作用導(dǎo)致1、3 d年均最大值水位均有中等程度的改變(M)，除90 d年極大值水位外，1、3、7、30 d年極大值水位均落在RVA目標(biāo)區(qū)間的頻率都比期望值高。

2.2.3年極端水位發(fā)生時(shí)間

城陵磯站年最小水位出現(xiàn)日期從每年2月初推遲到次年1月初；南咀站年最小水位出現(xiàn)日期從每年1月末推遲到12月；楊柳潭站年最小水位出現(xiàn)日期從每年1月初推遲到2月初；三峽水庫(kù)蓄水后，在非汛期(11月～4月份)，由于汛前泄水騰空防洪庫(kù)容，使最小水位發(fā)生了時(shí)間上的變化；在汛期(5月～10月份)，三峽水庫(kù)只是調(diào)節(jié)洪峰流量，基本上不改變洪峰的出現(xiàn)時(shí)間，故對(duì)最大水位發(fā)生時(shí)間改變較小。

2.2.4高低脈沖的頻率及歷時(shí)

由表3可以看出，3個(gè)站點(diǎn)的高低水位頻率及歷時(shí)總體上呈增加趨勢(shì)。城陵磯站低脈沖次數(shù)由建壩前的2次增加為3次，南咀、楊柳潭站建壩后均比建壩前增加2次；低脈沖歷時(shí)均有不同程度的減少，城陵磯站由建壩前的56 d減少為19 d，變化最為明顯。南咀站的高脈沖次數(shù)略有減少，城陵磯站、楊柳潭站的高脈沖次數(shù)保持不變；城陵磯站的高脈沖歷時(shí)由建壩前的38 d減少為35 d，楊柳潭站的高脈沖歷時(shí)由建壩前的13 d減少為23 d，南咀站不變。綜上所述，三峽水庫(kù)的修建在一定程度上減少了低脈沖發(fā)生的次數(shù)和歷時(shí)，可以防止干旱問(wèn)題的發(fā)生。但是高脈沖次數(shù)及歷時(shí)的減少雖然可以在防洪時(shí)有效的削減洪峰，卻也會(huì)增大低流量；從而影響植物生存發(fā)展所需的適宜土壤濕度，同時(shí)也會(huì)對(duì)河道的縱橫斷面產(chǎn)生一定的影響。

2.2.5流量變化改變率及頻率

從表3可以看出，上升率除楊柳潭站無(wú)變化外，城陵磯站和南咀站的上升率均減少，城陵磯站的變化最為顯著，由0.14%減少至0.1175%；下降率南咀站和楊柳潭站沒(méi)有發(fā)生變化，城陵磯站略有下降；3站的逆轉(zhuǎn)次數(shù)均有變化，南咀站的逆轉(zhuǎn)次數(shù)變化最為顯著，由建壩前的59次增加至建壩后的73次。綜上可知，南咀站的變化最為顯著，表明三峽水庫(kù)調(diào)節(jié)對(duì)南咀站的影響最為顯著。

2.3 河流水文改變度評(píng)價(jià)

2.3.1蓄水前后水文指標(biāo)變化度比較

為了探究三峽水庫(kù)的修建對(duì)洞庭湖水系所造成的影響，計(jì)算城陵磯七里山、南咀、楊柳潭3個(gè)水文站在建壩前后32個(gè)水文指標(biāo)絕對(duì)值的改變度，并繪制3等級(jí)的水文改變度(見(jiàn)圖3)。

圖3 洞庭湖水文改變度

如圖3所示，在32個(gè)水文指標(biāo)中，城陵磯七里山站的改變程度相對(duì)于南咀站和楊柳潭站較大。南咀站發(fā)生高度改變的指標(biāo)為13個(gè)，楊柳潭站發(fā)生高度改變的指標(biāo)為22個(gè)，水位的變化度在年均值1、3、7 d最大值最小值的水文指標(biāo)變化劇烈程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于位于長(zhǎng)江干流的城陵磯和南咀。對(duì)造成這種現(xiàn)象我們進(jìn)行了以下分析：①城陵磯站地處長(zhǎng)江干流，受三峽工程的影響較為顯著，但是該站又作為洞庭湖水系流入長(zhǎng)江的唯一出口在旱期的影響反而比較小。②由于資水和南洞庭的湖泊調(diào)節(jié)作用，楊柳潭受上游三峽工程影響較小。③受到荊江三口水系和目平湖的湖泊調(diào)節(jié)作用，南咀受上游三峽工程的影響也較小。④三峽在蓄水期間由于蓄水而造成的下泄流量減少以及在枯水期間水庫(kù)的補(bǔ)水增泄流量都會(huì)對(duì)3個(gè)站點(diǎn)有或大或小的影響。前者一般發(fā)生在10月份，特殊年份可能會(huì)延長(zhǎng)至11月初；后者發(fā)生在12月～次年6月的枯水季節(jié)。

如圖4所示，受三峽水庫(kù)修建的影響，城陵磯七里山水文站的水位在改變度等級(jí)統(tǒng)計(jì)中發(fā)生高度改變的水文指標(biāo)所占的比例最高，占43%。其中，南咀和楊柳潭站發(fā)生低度改變的水文指標(biāo)所占比例最高，都為53%；城陵磯站發(fā)生中度改變所占的比例次之，站到44%；楊柳潭站發(fā)生高度改變所占的比例次之，占到22%；城陵磯、南咀、楊柳潭改變度最低的分別是中度改變、高度改變和高度改變，分別占13%、13%、22%。

圖4 洞庭湖不同等級(jí)變化度所占比例

2.3.2整體水文改變度分析

城陵磯、南咀、楊柳潭水文站各組水文改變度綜合改變度見(jiàn)表4。

表4 各水文站水位序列整體水文改變度

注：H表示高度改變；M表示中度改變；L表示低度改變

分別計(jì)算出城陵磯、南咀、楊柳潭3個(gè)水文站各組指標(biāo)的整體水文改變度以及各水文站的整體水文改變度，計(jì)算結(jié)果如表4所示，由表中計(jì)算結(jié)果可知城陵磯站第1、2、4組均屬于中度改變，第3組高度改變、第5組屬于低度改變；南咀水文站除第3組屬于低度改變，其他組水文指標(biāo)改變度均屬于中度改變；楊柳潭水文站5組改變度都屬于中度改變。綜合分析可知，城陵磯、南咀、楊柳潭的整體水文改變度分別為56%、45%、50%，處于中等改變程度。第3組的改變程度較明顯，城陵磯受影響最大為68%，南咀受影響程度最低4%。就其造成原因初步推測(cè)，由于城陵磯靠近長(zhǎng)江主干道，受上游三峽水庫(kù)的調(diào)洪蓄水影響對(duì)年極值水位出現(xiàn)時(shí)間的干擾較大。城陵磯站的上升率、下降率、逆轉(zhuǎn)次數(shù)呈低度改變。這說(shuō)明三峽水庫(kù)的調(diào)峰和調(diào)頻作用對(duì)城陵磯站的水位逆轉(zhuǎn)次數(shù)和上升率下降率的改變較小。但從整體改變改變度分析，受三峽水庫(kù)開(kāi)發(fā)及運(yùn)行的城陵磯、南咀、楊柳潭均處于中等程度的改變，受影響程度基本相同。水位的頻繁變化，增加沖刷，敏感物種喪失，破壞生物生命循環(huán)，漲水次數(shù)的降低影響某些生物的繁殖，尤其是多種水電工程在蓄水、泄水時(shí)期對(duì)年極值時(shí)間出現(xiàn)的改變尤為明顯。水流的時(shí)刻、歷時(shí)、變動(dòng)率水位的變化頻率與河流生態(tài)環(huán)境的變化生物周期息息相關(guān)，頻繁到水位逆轉(zhuǎn)會(huì)對(duì)河流低流速生物和河岸植被產(chǎn)生較大的影響，可能會(huì)影響生物的生長(zhǎng)過(guò)程。

3 結(jié) 語(yǔ)

(1)洞庭湖流域城陵磯和楊柳潭站年均水位均呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，南咀站呈降低趨勢(shì)；3個(gè)水文站年均水位變化的突變年份為2003年，表明三峽水庫(kù)蓄水對(duì)洞庭湖流域水位改變影響顯著。

(2)根據(jù)對(duì)三峽水庫(kù)蓄水后生態(tài)水文指標(biāo)變化情況分析，洞庭湖流域7月、10月、11月、12月份水位減少，在1月、2月、3月份水位增加。其中，3月份增加水位最多，7月份水位減少最多；年極小水位和年極大水位大部分表現(xiàn)為減少趨勢(shì)，其中城陵磯年極小水位呈上升趨勢(shì)；年極小水位發(fā)生時(shí)間推遲，基本上提前1月～2月，年極大水位發(fā)生時(shí)間變化不大；高脈沖水位發(fā)生的頻率和持續(xù)時(shí)間發(fā)生的變化不大，低脈沖水位次數(shù)均增多，持續(xù)時(shí)間大幅縮短；水位上升率和下降率變化不大，逆轉(zhuǎn)次數(shù)均有大幅增長(zhǎng)趨勢(shì)。

(3)通過(guò)計(jì)算得出，城陵磯、南咀和楊柳潭水文站的整體水文改變度均為中度改變，分別為56%、45%和50%。從中不難發(fā)現(xiàn)，三峽蓄水對(duì)城陵磯站的水文情勢(shì)影響最為明顯；對(duì)南咀站的水文情勢(shì)影響最弱。

(4)就目前我國(guó)能源發(fā)展形勢(shì)來(lái)看，長(zhǎng)江流域已建成各類(lèi)水庫(kù)4.7萬(wàn)座。其中，大型水庫(kù)166座，隨著三峽水庫(kù)的正常蓄水以及長(zhǎng)江上游一批大型水庫(kù)將要建成，洞庭湖流域生態(tài)水文情勢(shì)將進(jìn)一步發(fā)生改變，也將進(jìn)一步影響著濕地生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能。為了維護(hù)長(zhǎng)江生態(tài)系統(tǒng)健康可持續(xù)利用，應(yīng)進(jìn)一步協(xié)調(diào)解決長(zhǎng)江干支流水庫(kù)群聯(lián)合生態(tài)調(diào)度問(wèn)題以及開(kāi)展其他生態(tài)補(bǔ)償措施相關(guān)研究。