水庫建設(shè)運(yùn)行對水陽江水文條件變化影響分析

吳科軍

（安徽省蕪湖水文水資源局，安徽 蕪湖 241000）

0 引言

隨著社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人類對河流的開發(fā)利用程度越來越高。水庫的建設(shè)和運(yùn)行是人類改造河流、利用河流的重要途徑[1]。通過水庫建設(shè)，人類在防洪、發(fā)電、航運(yùn)、漁業(yè)、灌溉、旅游等方面取得了巨大的社會經(jīng)濟(jì)效益。同時(shí)，對河流的強(qiáng)烈干擾也導(dǎo)致河流及周邊生態(tài)系統(tǒng)發(fā)生了重大變化[2-3]。水文過程是連接河流生態(tài)系統(tǒng)的載體，由于水庫的影響，河流生態(tài)系統(tǒng)隨著水文過程的變化而變化[4]。

研究水庫對水文條件特征的影響，是河流生態(tài)水文學(xué)的重要研究內(nèi)容。長期以來，不同的水庫調(diào)度目的對水庫下游河道水文情勢造成不同影響。針對這一問題，本文選取水陽江流域港口灣水庫為研究對象，從水庫建設(shè)前后上下游水文站的水文過程數(shù)據(jù)分析入手，闡述建庫前后對水文站月平均徑流量年內(nèi)分布、水位日變化過程等影響。

1 研究區(qū)域和方法

1.1 研究區(qū)域

水陽江位于長江下游南岸，流域面積7500 km2，河流長度267 km（圖1）。水陽江上游由東津河、中津河和西津河三條主要支流組成，其中西津河是最大的支流。港口灣水庫位于西津河上游，流域面積1120 km2，是流域最大的水庫，總庫容9.41×108m3。2003 年開始正式運(yùn)行，水電裝機(jī)2×30 MW，年發(fā)電量1.13×108kW·h。港口灣水庫是防洪、發(fā)電、供水、灌溉、水產(chǎn)養(yǎng)殖、旅游等方面的骨干控制工程，其調(diào)度運(yùn)行對下游水文情勢和河勢等造成較大影響。

圖1 研究區(qū)域示意圖

選取水庫下游港口灣站和上游胡樂司站兩個(gè)水文站水文資料作為研究對象，在日、月、年等時(shí)間尺度上研究水庫對水文情勢的影響。上游胡樂司站反映自然狀態(tài)或近自然狀態(tài)條件下西津河水文過程規(guī)律，港口灣站水文資料能較好地反映受水庫調(diào)度影響后西津河的水文過程。

1.2 研究方法

水庫調(diào)度運(yùn)行在一定程度上改變了自然條件下河流徑流的分布。以水庫建成運(yùn)行時(shí)間為分界點(diǎn)，分為建庫前和建庫后兩個(gè)時(shí)段，比較分析同一站建庫前后徑流分布特征的差異，可以直接反映水庫對河流徑流的影響。

此外，考慮到小流域洪水的隨機(jī)性，選取徑流變化特征相似、氣象條件相同的上游水文站作為參考站。比較水庫調(diào)度和自然條件影響下，同一時(shí)段不同站點(diǎn)的徑流分布情況可以揭示自然條件與水庫影響下的條件之間的水文過程差異。

采用不均勻系數(shù)（Cv）評價(jià)徑流序列在年內(nèi)分布的不均勻性，采用集中度（Cd）定量評價(jià)徑流序列在年內(nèi)分布的集中程度，采用水位日變化差值（DAV）評價(jià)建庫前后水位變化情況。

2 分析過程

2.1 徑流年內(nèi)分布分析

根據(jù)港口灣站1974 年～2012 年的月平均徑流資料，分別計(jì)算年不均勻系數(shù)和年集中度，以2003 年為水庫建成運(yùn)行時(shí)間分界點(diǎn)，將整個(gè)研究期劃分為水庫建設(shè)前后的兩個(gè)時(shí)段，分別統(tǒng)計(jì)兩個(gè)時(shí)段的不均勻系數(shù)和集中度多年平均值（圖2（a）和圖2（b））。建庫前后序列不均勻系數(shù)多年平均值分別為0.96 和0.93，整個(gè)研究其間的平均值為0.95；建庫前后年內(nèi)分布的集中程度序列多年平均值分別為0.43 和0.36，整個(gè)研究其間的平均值為0.41。港口灣水庫建成后，港口灣站月平均徑流量序列的不均勻系數(shù)和年內(nèi)分布的集中程度均有所下降，但不均勻系數(shù)下降不明顯。

圖2 港口灣站(a)不均勻系數(shù)Cv 和(b)集中度Cd 分布

根據(jù)胡樂司站（港口灣水庫上游，幾乎不受港口灣水庫調(diào)節(jié)的影響）2002 年～2012 年的月流量資料，分別統(tǒng)計(jì)了研究期間的不均勻系數(shù)和集中度，分別為1.15 和0.42，均大于港口灣站研究期間的不均勻系數(shù)和年集中度多年平均值。

對比建庫前后港口灣站的不均勻系數(shù)和年內(nèi)分布的集中程度，以及水庫建成后港口灣站和胡樂司站的不均勻系數(shù)和年內(nèi)分布的集中程度，發(fā)現(xiàn)水庫建成后港口灣站和胡樂司站的不均勻系數(shù)和集中度均有所下降。表明港口灣水庫的建設(shè)在一定程度上使得年內(nèi)徑流分布的不均勻性和年內(nèi)分布的集中程度明顯降低。

為了進(jìn)一步分析大型水庫對年內(nèi)月徑流分布的影響，分析港口灣水庫建成前后港口灣站年內(nèi)徑流分布的變化（圖3），在水庫調(diào)節(jié)（港口灣站）和自然條件（胡樂司站）的年徑流分布，見圖4。兩個(gè)圖中差值分別為港口灣站建庫前后序列多年平均值之差和建庫后港口灣站與胡樂司站月徑流量年內(nèi)占比之差。

圖3 水庫建成前后港口灣站年內(nèi)徑流變化

圖4 水庫建成后年內(nèi)徑流變化

圖5 港口灣水庫建庫前年內(nèi)平均徑流分布

從圖3 可以看出，除 8 月、11 月、12 月三個(gè)月外，港口灣站月平均徑流量均有所下降。降幅最大的月份出現(xiàn)在6月和7 月，降幅分別為-35.4 m3/s 和-23.4 m3/s。從月平均徑流量占全年的百分比來看，除 1 月、2 月、3 月、6 月、7 月外，港口灣站的月均徑流量百分比均小于胡樂司站，2 月份相差最大為7.1%。從圖5 資料可以看出，港口灣站和胡樂司站（1974 年～2001 年）在同一時(shí)期的徑流量百分比基本一致。

上述結(jié)果表明，港口灣水庫對水陽江支流西津河的徑流分布有著顯著影響，主要體現(xiàn)在建庫后主汛期6 月、7 月徑流量在調(diào)蓄作用下變小，徑流量的全年分配更為均勻。

2.2 徑流月內(nèi)分布分析

根據(jù)港口灣站1974 年～2012 年的日流量資料，分析建庫前后各月的不均勻系數(shù)和集中度，比較每個(gè)月建庫前后序列的平均不均勻系數(shù)（圖6(a)）和集中度（圖6(b)）?？梢钥闯?，9 月～2月建庫后序列各月的不均勻系數(shù)較建庫前序列明顯增大，1 月相對增大幅度最大（186%）。其中3 月～8 月建庫后不均勻系數(shù)較建庫前下降，7 月下降34.9%。各月集中程度分布特征與各月不均勻系數(shù)變化規(guī)律基本相似。其中9 月～2 月建庫后序列月集中程度明顯高于建庫前序列。12 月份增長67.7%。3 月～8 月建庫后序列月份集中程度較建庫前序列下降，7 月下降35.1%。

圖6 水庫建設(shè)前后月內(nèi)的(a)不均勻系數(shù)CV 和(b)集中度 Cd 分布

采用港口灣水庫建成前后，港口灣站與胡樂司站月徑流量資料的不均勻系數(shù)和集中度進(jìn)行分析，考慮到文章的篇幅，僅集中度分析見圖7。從圖7（a）的月內(nèi)徑流分布統(tǒng)計(jì)結(jié)果來看，兩站的月內(nèi)徑流分布相當(dāng)相似，說明兩站的月內(nèi)徑流分布具有良好的一致性。根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果（圖7（b）），受水庫影響港口灣站9 月、10 月、12 月的月內(nèi)徑流分布與胡樂司站有較大差異。

圖7 水庫建成前后(a)港口灣站和(b)胡樂司站月內(nèi)集中度值

為進(jìn)一步分析水庫對月內(nèi)徑流量分布的影響，采用港口灣站和胡樂司站平均月內(nèi)Cv和Cd差異值反映了港口灣水庫對徑流分布特征的影響，見圖8。港口灣水庫對徑流月內(nèi)分布的影響表現(xiàn)為以下幾個(gè)方面：一是非汛期徑流量分布影響較大，不均勻系數(shù)和集中程度均增大；二是汛期徑流量分布有影響，但影響較小；三是天然狀態(tài)下集中在5 月～7 月的徑流量通過調(diào)蓄后分布至非汛期其余各月。

圖8 水庫建成后港口灣站與胡樂司站平均月內(nèi)(a)Cv 和(b)Cd 的差異

2.3 水庫調(diào)節(jié)對水位變化影響比較

為了闡明水庫調(diào)節(jié)對水位變化的影響，采用典型年2006 年胡樂司站和港口灣站逐日最高最低位的日變化（DAV）進(jìn)行分析。由圖9 可以看出，胡樂司站汛期水位日變化明顯，枯水期水位較為穩(wěn)定。受水庫影響，港口灣站受天然降水導(dǎo)致的水位變化不明顯，水位變化主要是水庫泄蓄影響。

圖9 2006 年兩個(gè)水文站水位日變化對照圖

日水位變化分析結(jié)果反映了港口灣水庫調(diào)蓄對天然狀態(tài)下水位變化的影響，盡管僅對每日水位波動的影響很難說明對天然河道的生物生存等影響，但這些結(jié)果將有助于生態(tài)研究者通過揭示水位波動的方向和幅度，對各種生態(tài)系統(tǒng)改造的水文成因提出假說。為了保護(hù)河流生態(tài)系統(tǒng)，迫切需要進(jìn)一步的工作來解釋和記錄物種或群落對每日水位波動的具體反應(yīng)。

3 結(jié)論

本文采用不均勻系數(shù)和年內(nèi)分布的集中程度兩個(gè)指標(biāo)評價(jià)了港口灣水庫對徑流過程的影響。通過對年內(nèi)和月內(nèi)兩個(gè)尺度的分析，說明了兩個(gè)指標(biāo)在不同時(shí)間尺度下對徑流過程的影響。主要結(jié)論如下：

（1）港口灣站建庫前和建庫后序列不均勻系數(shù)多年平均值分別為0.96 和0.93；建庫前后序列年內(nèi)分布的集中程度多年平均值分別為0.43 和0.36。水庫的建設(shè)在一定程度上使得年內(nèi)徑流分布的不均勻性明顯降低。

（2）港口灣水庫對水陽江支流西津河的徑流分布有著顯著影響，主要體現(xiàn)在建庫后主汛期6 月、7 月徑流量受調(diào)蓄作用變小，徑流量的全年分配更均勻。

（3）受水庫影響，非汛期徑流量分布影響較大，不均勻系數(shù)和集中程度均增大。汛期徑流量分布有影響，但影響較小。天然狀態(tài)下集中在5 月～7 月的徑流量通過調(diào)蓄后分布至非汛期其余各月。

（4）港口灣水庫建設(shè)運(yùn)行改變了天然河道的水位變化，對河流生態(tài)系統(tǒng)有一定影響。