長江中下游水電開發(fā)對河流水文情勢的影響研究

張 陵，郭文獻，李泉龍

(1.華北水利水電大學，鄭州 450046；2.河南財經(jīng)政法大學，鄭州 450046)

水電開發(fā)對河流和人類社會的影響具有雙重性[1]。水庫的修建在促進河流服務功能和改善河流生態(tài)環(huán)境的同時,也產(chǎn)生了一定的負面效應,一旦超出了河流系統(tǒng)的承受能力,將可阻礙河流服務功能的發(fā)揮和開發(fā),嚴重時可致使整個流域生態(tài)系統(tǒng)失調或退化,破壞河流的生態(tài)健康[2,3]。惡化的生態(tài)環(huán)境已成為許多區(qū)域社會經(jīng)濟發(fā)展的主要障礙[4]。

從三峽水利樞紐到南水北調工程,一大批的水利工程在長江流域這條大動脈上相繼興建。勢必在一定程度上改變著長江流域的生態(tài)系統(tǒng),對該流域中水生生物的生存環(huán)境造成了影響,對水生生物資源的生態(tài)學效應是緩慢且長期的,長江生態(tài)系統(tǒng)的破壞對水生物種群資源的長期影響,將威脅中華民族的生存和長期發(fā)展。因此,分析和研究水利樞紐對河流水文情勢的影響,恢復或改善被破壞的河流生態(tài)系統(tǒng),以維持良好的生態(tài)系統(tǒng)環(huán)境和保障生物資源永續(xù)利用,具有重要的實際應用價值和現(xiàn)實意義。

陳棟為等[5]在2011年以東江流域三大水庫的控制河流為研究對象,應用RVA法對水利工程的不同開發(fā)等級對河流水文情勢改變的累積效應進行了分析。張鑫等[6]在2012年采用IHA法對伊河陸渾水庫的河流水文情勢影響進行了分析和評價,結果說明了陸渾水庫對伊河天然徑流過程的改變不大,而放水較少是造成高低流量脈沖平均歷時變化的主要原因。鞏琳琳等[7]在2013年以劉家峽水庫為例,研究了水庫調度對水文情勢的定量影響,以及其累積效果和影響程度。張洪波等[8]在2016年以生態(tài)水文聯(lián)系為分區(qū)因子,通過水文改變指數(shù)法及變異范圍法評估了渭河流域不同時段的水文改變程度。

綜觀我國學者在水利樞紐工程的生態(tài)影響研究,大壩對水文情勢改變的評價較多,但對其生態(tài)效應及維護河流生態(tài)基流量的研究較少;大壩對流域生物多樣性及其功能的影響研究嚴重不足[9]。

本文選取三峽-葛洲壩梯級水庫所控制的長江江段為研究對象,由于宜昌為三峽和葛洲壩的出口控制斷面,具有很好的代表性,所以著重研究宜昌水文站所控制的宜昌江段的生態(tài)水文要素變化情況。在分析三峽、葛洲壩水利工程對長江中下游河流生態(tài)水文影響的基礎上,分析水文情勢變化對長江重要魚類資源保護物種——中華鱘產(chǎn)卵繁殖條件的變化,從而針對中華鱘的物種資源保護提出生態(tài)水文目標值和修復措施,為保護和合理利用長江主要魚類資源提供重要的理論和實踐依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

1.1 長江流域概況

長江是我國的第一大河,跨越6 363 km,覆蓋了1.8×106km2,占全國總面積的18.75%,共流經(jīng)了19個省、市、自治區(qū),范圍從北緯25°分布到北緯35°,西高東低,總落差高達約5 km。長江流域水系圖如圖1所示。

圖1 長江流域水系圖Fig.1 The water system of Yangtze river basin

長江流域地處我國中南部,屬亞熱帶季風氣候區(qū),氣候濕潤,四季分明。長江流域受季風氣候影響明顯,降雨多隨季風變化,多年平均降水量為1 100 mm。流域內降水量空間和時間分布極不均衡,空間上一般表現(xiàn)為南岸多,北岸少,中、下游多,上游少;時間上多分布在5-10月的夏秋季節(jié),占全年降水量的70%以上,呈現(xiàn)出中、下游早,上游晚,南岸早,北岸晚的趨勢。長江流域的水量充沛,多年平均徑流量高達960 億m3,淺層地下水儲存量達到250 億m3,占全國水量的36%。長江起源于青藏高原的沱沱河,自西向東至上海入海口注入東海。

1.2 生物資源概況

長江流域干支流眾多,水系龐大,流域面積廣闊,蘊藏著豐厚的水生生物資源。據(jù)統(tǒng)計,流域內共有水生生物1 100多種,其中魚類370余種、底棲動物220余種,水生植物210余種。長江流域是擁有魚類種類最繁、數(shù)量最多的流域,被稱為我國淡水魚類基因的搖籃,是經(jīng)濟魚類的重要養(yǎng)殖基地,同時是生物多樣性的典型代表流域。

2 研究方法

采用線性傾向估計法、Mann-Kendall非參數(shù)秩次相關檢驗法對三峽水庫下游宜昌水文站的年流量序列的趨勢性演變進行對比性分析。

2.1 線性傾向估計法

用xi表示樣本總數(shù)為n的某一實測變量,用ti表示xi所對應的時間,建立xi和ti之間的一元線性回歸方程[10]:

(1)

式中:a為回歸常數(shù),b為回歸系數(shù)。b值的正負代表樣本x的趨勢傾向,b>0時,說明x隨時間t的增加呈上升趨勢,反之亦然;b值的大小反映出序列上升或者下降的速率,即表示了趨勢的傾向程度。

a、b的值可以通過最小二乘法進行估計,計算公式為:

(2)

(3)

利用回歸系數(shù)b與相關系數(shù)r之間的關系,求出xi和ti之間的相關系數(shù):

(4)

r反映了xi與ti之間的相關程度,|r|越大,表示關系越緊密。

2.2 Mann-Kendall非參數(shù)秩次相關檢驗法

Mann-Kendall非參數(shù)秩次相關檢驗法(簡稱“M-K法”)已被世界氣象組織(WMO)推薦,也是目前用于分析水文氣象情勢趨勢變化最廣泛的非參數(shù)檢驗方法[12]。

在檢驗過程中,所研究的實測資料可作為時間序列:X=x1,x2,…,xn,其中xi為n個獨立的、隨機變量同分布的樣本,檢驗統(tǒng)計量S計算如下：

(5)

其中：

(6)

式中：S為正態(tài)分布,其均值為0,S的方差Var(S)=n(n-1)(2n+5)/18。

在“M-K法”檢驗中,標準正態(tài)統(tǒng)計變量Z的計算公式如下:

(7)

對于時間序列X=x1,x2,…,xn,當n>10時,采用式(7)進行趨勢性檢驗,Z>0表示時間序列存在上升趨勢,Z<0表示序列存在下降趨勢,而當|Z|≥1.28、|Z|≥1.96、|Z|≥2.32時,分別表示時間序列通過了置信度為90%、95%和99%的顯著性檢驗。

在時間序列無趨勢(原假設)的“M-K法”檢驗中,對于給定的顯著水平α,如果|Z|Zα/2,則原假設不成立,即在置信水平α上,認為時間序列趨勢明顯。

3 結果與討論

3.1 三峽水庫下游河流水文情勢趨勢性分析

依據(jù)宜昌站1956-2016年共61年的日均流量、日均水溫、日均含沙量監(jiān)測數(shù)據(jù),采用線性傾向估計法和“M-K法”進行宜昌站流量、水溫和含沙量的趨勢性分析。1956-2016年宜昌站年均流量、水溫、含沙量線性估計如圖2所示。

圖2 1956-2016年宜昌站年均流量、水溫、含沙量線性估計Fig.2 The linear estimation of annual flow,water temperature and sediment concentration of the Yichang station in 1956-2011

由圖2可知:①宜昌站年均流量序列呈整體下降趨勢,下降傾向率為18.849 0 m3/(s·a),并通過Mann-Kendall檢驗計算得知,年均流量序列的檢驗統(tǒng)計值Z為-1.293<0,為下降趨勢,檢驗結果與線性估計計算結果一致,但其絕對值|Z|=1.293<1.96并未達到95%的置信度水平,說明年均流量序列的下降趨勢不顯著。②宜昌站年均水溫序列呈整體上升趨勢,上升傾向率為0.020 3 ℃/a,并通過Mann-Kendall檢驗計算得知,年均水溫序列的檢驗統(tǒng)計值Z為5.407>0,為上升趨勢,檢驗結果與線性估計計算結果一致,同時其絕對值|Z|=5.407>1.96,超過了95%的置信度水平,說明年均水溫序列的上升趨勢顯著。③宜昌站年均含沙量序列呈整體下降趨勢,下降傾向率為0.013 4 kg/(m3·a),并通過Mann-Kendall檢驗計算得知,年均含沙量序列的檢驗統(tǒng)計值Z為-7.273<0,為下降趨勢,檢驗結果與線性估計計算結果一致,其絕對值|Z|=7.273>2.32超過了99%的置信度水平,說明年均含沙量序列的下降趨勢極為顯著。

3.2 水電開發(fā)對下游河流水文要素年際改變分析

采用宜昌站1956-2016年月均流量監(jiān)測資料,按照葛洲壩和三峽工程的運行時間為分界點,對下游的流量、水溫、含沙量指標進行系統(tǒng)性分析。時間段可分為:天然流量狀態(tài)(1956-1980年)、葛洲壩運行后三峽工程運行前(1981-2002年)、三峽工程運行后(2003-2016年)。

3.2.1 流量的改變分析

宜昌站建壩前后月均流量對比如圖3所示。由圖3可以看出:①葛洲壩運行后三峽工程運行前期間內,6-7月的流量呈增大態(tài)勢,且曲線呈現(xiàn)出尖角的形態(tài),這是由于1998年的特大洪水所致;同時期內,8-11月的流量呈減小態(tài)勢,正體現(xiàn)了葛洲壩對汛期流量的攔截作用。②三峽工程運行后期間內,5-12月的流量呈緩慢減小態(tài)勢,1-5月的流量有增大現(xiàn)象,說明了三峽工程攔截了大量的汛期洪水,并在枯水期填補了壩下江段水量。

圖3 宜昌站建壩前后月均流量對比Fig.3 The monthly flow before and after dam construction of the Yichang station

宜昌站建壩后距天然狀態(tài)月均流量對比如圖4所示,圖中的數(shù)值表示同時期內月均流量與天然月均流量的差值。

圖4 宜昌站建壩后距天然狀態(tài)月均流量對比Fig.4 Comparison of monthly flow of after dam construction and natural state

從圖4中可以看出,各個時期的月均流量與天然狀態(tài)的相比均有較大的差異。葛洲壩運行后三峽工程運行前期間內,1-4月和6-8月的多年平均月均流量均高于天然狀態(tài)的,而7月的多年平均月均流量比天然狀態(tài)的高出約3 000 m3/s,這主要是由于1998年特大洪水所致,12月的多年平均月均流量與天然狀態(tài)的基本持平;三峽工程運行后期間內,可以看到有明顯的流量差值,1-4月的多年平均月均流量較天然狀態(tài)的有所上升,5-12月的多年平均月均流量較天然狀態(tài)的有所下降,且下降幅度較大,最大的出現(xiàn)在10月份,下降約6 500 m3/s。

綜合分析三峽工程和葛洲壩運行期間對天然流量的改變可發(fā)現(xiàn),除了發(fā)生在1998年6-7月份的特大洪水對流量的影響外,兩個期間內建壩對流量的改變方向是一致的,同為上升或同為下降,但三峽工程運行期間內流量上升和下降的幅度均大于葛洲壩運行期間對流量的改變程度,說明三峽工程運行后對所控流域流量情勢的影響程度高于葛洲壩,同時也體現(xiàn)出三峽工程的調蓄能力對河流天然流量的巨大改變。

3.2.2 水溫的改變分析

宜昌站建壩前后月均水溫對比如圖5所示。由圖5可以看出:葛洲壩運行后三峽工程運行前期間的水溫基本與天然狀態(tài)持平,說明葛洲壩的建設對所控河段水溫的影響不大;三峽工程運行后期間內的3-7月份水溫明顯下降,8-2月份水溫明顯升高,同時體現(xiàn)了三峽水庫攔蓄水量的同時,“滯溫、滯冷”效應顯著。

圖5 宜昌站建壩前后月均水溫對比Fig.5 The monthly water temperature before and after dam construction of the Yichang station

宜昌站建壩后距天然狀態(tài)月均水溫對比如圖6所示,圖中的數(shù)值表示同時期內月均水溫與天然月均水溫的差值。

圖6 宜昌站建壩后距天然狀態(tài)月均水溫對比Fig.6 Comparison of monthly water temperature of after dam construction and natural state

由圖6可知,各個時期的月均水溫與天然狀態(tài)的相比均有較大的差異。葛洲壩運行后三峽工程運行前期間內,1-2月、5-6月、8-12月的月均水溫均高于天然狀態(tài)的,但高出的幅度均在1.1 ℃之內,且8-9月的水溫差微乎其微;三峽工程運行后期間內,水溫差呈現(xiàn)出較為明顯的上升和下降,其中,3-6月的水溫表現(xiàn)為下降,水溫下降幅度最大的月份出現(xiàn)在4月,下降值達到2.5 ℃左右,其余月份的均表現(xiàn)為上升,水溫上升幅度最大的月份在12月,上升值超過了4 ℃。

綜合分析三峽工程和葛洲壩運行期間對天然水溫的改變,除了發(fā)生在1998年6-7月份的特大洪水對水溫的影響,兩個期間內建壩對水溫的改變方向是一致的,同為上升或同為下降,且三峽工程運行期間各月上升或下降的幅度均大于葛洲壩運行期間,充分體現(xiàn)了三峽工程對天然水溫情勢的影響程度比葛洲壩顯著。

3.2.3 含沙量的改變分析

宜昌站建壩前后月均含沙量對比如圖7所示。由圖7可知,各個時期的月均含沙量均低于天然狀態(tài)水平。葛洲壩運行后三峽工程運行前期間內,3-6月的含沙量下降幅度較其他月份較大;三峽工程運行后期間內,1-3月的含沙量略低于天然狀態(tài),其余月份的含沙量與天然狀態(tài)的相比均有大幅度降低,月均含沙量相對較高的月份出現(xiàn)在7-9月。說明了三峽水庫的攔沙作用顯著。

圖7 宜昌站建壩前后月均含沙量對比Fig.7 The monthly sediment concentration before and after dam construction of the Yichang station

宜昌站建壩后距天然狀態(tài)月均含沙量對比如圖8所示。由圖8可知,兩個時期的月均含沙量均低于天然狀態(tài)含沙量。葛洲壩運行后三峽工程運行前期間內的1-3月和7月的月均含沙量略低于天然狀態(tài),5月的月均含沙量下降的幅度最大,近0.5 kg/m3,其余的均在0.2 kg/m3上下浮動;三峽工程運行后期間內1-3月和12月的月均含沙量下降幅度不大,范圍在0.2 kg/m3以內,其余月份的均有較大下降幅度,其中7月的月均含沙量較天然狀態(tài)的下降值近1.8 kg/m3,是全年中最大。

圖8 宜昌站建壩后距天然狀態(tài)月均含沙量對比Fig.8 Comparison of monthly sediment concentration of after dam construction and natural state

綜合對比分析三峽工程和葛洲壩運行期間對天然含沙量的改變發(fā)現(xiàn),兩個期間內1-4月和12月的月均含沙量改變值相近,其余月份中三峽工程運行期間的改變值比葛洲壩運行期間的大得多,并在6-10月表現(xiàn)得最為明顯,同樣是因為1998年6月發(fā)生的特大洪水,使大量泥沙被沖刷,導致壩下江段的泥沙含量較低。同時,對比分析還發(fā)現(xiàn)葛洲壩和三峽工程均有一定的攔沙作用,但三峽工程的攔沙作用更為顯著。

綜合圖3-8可知,葛洲壩和三峽水利樞紐的建設對河流的天然狀態(tài)改變較大,且三峽工程的影響程度更深。水利工程的建設,留滯了大量汛期來水,減少了壩下江段汛期流量的同時抬高了枯水期的江內水位,緩解了旱災;“滯溫、滯冷”現(xiàn)象的發(fā)生在一定程度上影響了水生生物的生活環(huán)境,威脅了敏感種群的繁衍生息;攔沙作用的顯著發(fā)生,降低了壩下江段含沙量,水生生物棲息地環(huán)境遭到破壞的同時,更大程度上制約了河流的輸沙能力,影響下游沖積平原、三角洲的形成和發(fā)展。

4 三峽水庫蓄水對中華鱘產(chǎn)卵繁殖的影響

由于中華鱘物種的稀缺性、產(chǎn)卵場的易消失性,中華鱘被推選為長江流域最重要的野生保護動物之一。因此,研究確定中華鱘棲息地的影響因子,采取措施保護其產(chǎn)卵場已迫在眉睫。

據(jù)資料可知,中華鱘的產(chǎn)卵場正位于壩下宜昌江段的西壩位置,產(chǎn)卵期為10-11月,產(chǎn)卵適宜水溫為16.5～20 ℃,特別在17.5～20 ℃最佳。

應用文獻[11]中的主成分分析法對中華鱘棲息地主要影響因子進行分析,可得出流量和水溫為影響中華鱘繁殖期棲息地環(huán)境的主要影響因子。這兩個影響因子的合理性變化是中華鱘能否順利產(chǎn)卵繁殖的關鍵,為了充分分析三峽水庫蓄水對中華鱘產(chǎn)卵繁殖的影響,本節(jié)綜合分析10-11月份(產(chǎn)卵期)的流量、水溫和含沙量要素在三峽水庫蓄水后的變化情況,進而分析三峽水庫蓄水對中華鱘產(chǎn)卵繁殖的影響。

三峽水庫蓄水前后宜昌站10-11月生態(tài)水文要素對比情況見表1。其中,蓄水前時間段為1956-2002年,蓄水后時間段為2003-2016年。

表1 三峽水庫蓄水前后宜昌站10-11月生態(tài)水文要素對比表Tab.1 Comparison of hydro-ecological before and after the impoundment of the Three Gorges Reservoir of the Yichang station in October and November

由表1可知:10月月均流量蓄水后較蓄水前下降了5 943 m3/s,占蓄水前多年月均流量的33.1%,11月月均流量下降了856 m3/s,占蓄水前多年月均流量的8.7%;10月月均水溫蓄水后較蓄水前上升了2.1 ℃,占蓄水前多年月均水溫的10.6%,11月月均水溫上升了2.7 ℃,占蓄水前多年月均水溫的16.6%;10月月均含沙量蓄水后較蓄水前下降了0.683 kg/m3,占蓄水前多年月均含沙量的96.2%,11月月均含沙量下降了0.335 kg/m3,占蓄水前多年月均含沙量的98.0%。

宜昌站流量和水溫要素的變化會使中華鱘早已適應的產(chǎn)卵場生態(tài)環(huán)境受到影響甚至遭到毀壞。流量的下降,將直接導致中華鱘產(chǎn)卵場實際面積的縮小;水溫的上升,將會影響中華鱘的產(chǎn)卵信號,破壞中華鱘產(chǎn)卵時的適宜溫度條件,同時三峽水庫蓄水引起的滯溫效應會導致中華鱘推遲產(chǎn)卵的跡象發(fā)生;但產(chǎn)卵場內含沙量的減少一定程度上是有利于中華鱘產(chǎn)卵的。

5 中華鱘的生態(tài)保護修復措施

根據(jù)對中華鱘產(chǎn)卵繁殖習性和長江中下游河段地形條件的分析,采取以下措施對中華鱘的棲息環(huán)境進行保護。

5.1 工程措施

結合長江中下游三峽和葛洲壩工程的實際情況,修建過魚工程措施需耗費巨大的水量和高額投資,且不容易掌控中華鱘洄游具體時間,又需要借助專門機構的大量實時監(jiān)測資料。相比之下,目前保護中華鱘種群資源最有效的途徑就是對新產(chǎn)卵場的維護和修復,使其能夠與天然產(chǎn)卵場水文條件相近[13]。

通過各種監(jiān)測結果表明,中華鱘現(xiàn)有產(chǎn)卵場的范圍主要分布在長江中游葛洲壩至廟嘴之間4 km的江段內,事實上,新產(chǎn)卵場的面積僅僅約為歷史區(qū)域的3%。查閱文獻發(fā)現(xiàn)[14],中華鱘產(chǎn)卵場適宜的地形條件是:產(chǎn)卵場上游水深較大且有急灘,場中存在深洼的漩渦區(qū),下游是較為寬闊的卵、礫石淺灘;產(chǎn)卵場必然存在河流轉彎處。當務之急是依據(jù)上述條件選取合適的修復技術和方案對中華鱘現(xiàn)有產(chǎn)卵場進行修復和保護。同時,可將中華鱘的“適宜生境”具體量化為水文、水力學要素范圍,并依據(jù)這些數(shù)據(jù)優(yōu)化規(guī)劃方案、調整設計參數(shù)等措施,以達到人工再造適宜產(chǎn)卵場的目的。

5.2 非工程措施

除了對中華鱘產(chǎn)卵場進行修復,也可以利用人工增殖放流(人工培育種魚并輔助其產(chǎn)卵和孵化,再將魚苗進行放流)的方式來適當補充中華鱘的種群數(shù)量。而我國對于中華鱘的人工增殖技術已在20世紀90年代末初見成效,但增長值不大,每年人工放流的中華鱘數(shù)量還不到野生群體總數(shù)的4%[15,16]。為達到保護中華鱘野生資源的目的,人工增殖放流數(shù)量和規(guī)模還需進一步擴大。

在修復和保護中華鱘個體的同時,還需加大對中華鱘現(xiàn)有產(chǎn)卵場水環(huán)境和種群資源的監(jiān)測。要加強對中華鱘資源量(雌雄老幼組成、種群結構、數(shù)量等)、種群動態(tài)、時空分布、水文要素、產(chǎn)卵場的分布與規(guī)模、產(chǎn)卵的時間和頻次等的監(jiān)測。

5.3 管理措施

中華鱘的產(chǎn)卵必須在一定的水文條件下進行。因此,產(chǎn)卵場的修復可以通過改變產(chǎn)卵場的水文條件來促進其產(chǎn)卵和繁殖。依據(jù)前文分析研究的三峽水庫蓄水后對壩下江段生態(tài)水文要素的變化,亦可以通過三峽水庫合理調度的方式,對壩下江段產(chǎn)卵場內水文條件進行補償,從而達到保護中華鱘產(chǎn)卵繁殖的目的。

政府部門可通過法律手段來規(guī)范人們的行為。一方面要立法禁漁和適度通航,另一方面要立法保護水質。同時還要加大宣傳保護中華鱘和保護水質的力度。

6 結 語

本文以長江中下游江段為研究區(qū)域,選取宜昌站1956-2016年生態(tài)水文實測資料,以三峽、葛洲壩水利樞紐工程所控的宜昌江段為研究對象,開展水電開發(fā)對河流水文情勢的影響研究,得出以下結論:

(1)由三峽水庫下游河流水文情勢趨勢性分析可知:宜昌站1956-2016年的年均流量序列呈不顯著下降趨勢,年均水溫序列呈顯著上升趨勢,年均含沙量序列呈極為顯著下降趨勢。

(2)由水電開發(fā)對下游河流水文要素年際改變分析可知:葛洲壩運行后三峽工程運行前(1981-2002年)和三峽工程運行后(2003-2016年)兩個時間段內,筑壩對流量、水溫、含沙量的改變方向均是一致的,且三峽工程對下游河流水文要素的改變更為顯著。

(3)由三峽水庫蓄水對中華鱘產(chǎn)卵繁殖影響的分析可知:流量的下降將直接導致中華鱘產(chǎn)卵場實際面積的縮小,水溫的上升將會影響中華鱘的產(chǎn)卵信號,含沙量的減少一定程度上是有利于中華鱘產(chǎn)卵的。

(4)可通過對新產(chǎn)卵場的維護、修復和保護,加大人工增殖放流的數(shù)量和規(guī)模,加強對中華鱘現(xiàn)有產(chǎn)卵場水環(huán)境和種群資源的監(jiān)測,對三峽水庫的合理調度,以及相關法律手段來對中華鱘的棲息環(huán)境進行保護。