白石水庫建設(shè)運(yùn)行對大凌河水文情勢影響分析

李 玥

(遼寧省河庫管理服務(wù)中心(遼寧省水文局)，遼寧 沈陽 110000)

河流生態(tài)可持續(xù)性受流量過程變化的影響較為顯著，為滿足河流生態(tài)功能的正常運(yùn)行必須保證河流需要穩(wěn)定的基本自然流量，即流量的整體模式，這主要涉及特定和季節(jié)性流量的持續(xù)期、時(shí)間、頻率等。水庫的建設(shè)運(yùn)行會引起河流生態(tài)環(huán)境和水文情勢的改變，且隨著河流開發(fā)程度的增加將產(chǎn)生一系列的生態(tài)水文效應(yīng)[1- 5]。北票市大凌河干流建設(shè)運(yùn)行的白石水庫，攔蓄大量的河水用于城市供水和農(nóng)田灌溉，使得河流原有水文條件及河川徑流量發(fā)生明顯改變，河流水生態(tài)平衡受到嚴(yán)重破壞[6- 12]。所以，研究大凌河干流北票段水文情勢受白石水庫建設(shè)的影響，逐步形成生態(tài)系統(tǒng)與河道水量響應(yīng)機(jī)制，為管理部門決策以及水庫調(diào)度方案設(shè)計(jì)提供科學(xué)指導(dǎo)。

水文情勢對河流能量傳遞、物理?xiàng)⒌亍⑽镔|(zhì)循環(huán)過程以及水生物相互作用等影響顯著，也是影響生態(tài)完整性和生物多樣性的關(guān)鍵因素，國內(nèi)外學(xué)者評價(jià)研究了河流水文情勢。例如，Richter等[13]綜合考慮改變率、歷時(shí)、頻率、流量和發(fā)生時(shí)間等內(nèi)容提出了水文變異指標(biāo)(IHA)，比較系統(tǒng)客觀地描述河流水文情勢；Suen等[14]揭示了淡水系統(tǒng)與水文改變度之間的潛在相互作用，通過分析水文站日流量數(shù)據(jù)評價(jià)了旱澇災(zāi)害程度；段唯鑫等[15]以長江宜昌站為例，將水文徑流序列的顯著性利用M-K秩次相關(guān)檢驗(yàn)法分析，其中徑流序列的劃分依據(jù)為已建水庫群的實(shí)況調(diào)度信息，然后對宜昌站水文情勢改變程度應(yīng)用IHA/RVA方法分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)達(dá)到中等改變水平，隨著水庫群的相繼建成將進(jìn)一步改變長江下游河道水文情勢；薛聯(lián)青等[16]運(yùn)用改進(jìn)RVA法分析了塔里木河水文情勢，多浪水庫的擴(kuò)建高度改變了下游河道水生生物的產(chǎn)卵、洄游和棲息環(huán)境。

借鑒相關(guān)文獻(xiàn)資料，現(xiàn)有對于水文改變度的研究仍存在一些不足：①大多數(shù)研究未單獨(dú)分析高流量與基流量，主要從整體的角度分析徑流過程，無法體現(xiàn)不同流量過程受水庫建設(shè)的影響；②大多數(shù)研究未考慮水庫建設(shè)對生態(tài)的影響，僅對河流改變度做簡單的分析。針對以上不足，本文利用RVA方法定量分析大凌河水文情勢受白石水庫興建的影響，為流域水資源綜合利用和形成適宜的水文生態(tài)條件提供指導(dǎo)。

1 區(qū)域概況

大凌河流域有南、北、西3源，3源匯合后呈西南-東北流向，主要流經(jīng)朝陽、北漂、義縣、凌海等地區(qū)，全長398km，總面積2.35萬km2。流域內(nèi)分布有老虎山河、大定河、清河、細(xì)河、紅臺子河、涼水河、李二河、牤牛河、瓦子峪河等支流，年均徑流量16.67億m3，河床比降0.25%，為沿途生態(tài)環(huán)境保護(hù)、居民生產(chǎn)生活用水以及工農(nóng)業(yè)發(fā)展提供重要水資源。白石水庫地處錦州、阜新、朝陽的中心地帶，坐落于北票市大凌河干流上，屬于一座以排澇、供水、農(nóng)田灌溉為主，兼具水產(chǎn)養(yǎng)殖、旅游觀光、發(fā)電等功能的大型水利工程，總控制面積17649km2。水庫總庫容16.45億m3，水面面積80km2，年均調(diào)節(jié)水量5.28億m3，興利和防洪庫容8.7、3.89億m3，按5000a一遇校核、500a一遇設(shè)計(jì)，承擔(dān)著下游凌海、義縣6.5萬hm2耕地保護(hù)和城市供水任務(wù)，每年向遼河三角洲提供農(nóng)業(yè)用水2.67億m3，項(xiàng)錦州、阜新等城市用水2.02億m3，庫區(qū)養(yǎng)魚面4533萬hm2。

北票市大凌河段屬于溫帶大陸性季風(fēng)氣候，日照充足、雨量充沛、氣候溫和，年均氣溫9.1℃，年均降水量886.2mm，其中60%以上集中于6—8月。植被類型為亞熱帶常綠闊葉林與針葉闊葉過渡型，植被類型近100多種，多達(dá)30多科，由于人類不合理開發(fā)和自然環(huán)境限制，人工植被較多而原生植被不斷減少。

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

白石水庫坐落于北票市大凌河干流，設(shè)置有涼水河子水文站，沿河無大型取水口，所以水文觀測數(shù)據(jù)能夠真實(shí)反映大凌河北票段水文情勢受白石水庫建設(shè)的影響。1990—2018年水文觀測數(shù)據(jù)來源于遼河流域大凌河水系水文資料，將涼水河子站按照白石水庫建設(shè)實(shí)施時(shí)間分為1990—2000年、2001—2018年2個(gè)時(shí)段。

2.2 水文改變指標(biāo)法

目前，Richter等[17]提出的水文改變指標(biāo)(IHA)為最常用的水文情勢變化分析指標(biāo)，以水文情勢的改變率、頻率、延時(shí)、時(shí)間和流量5種特征將水文指標(biāo)劃分為33個(gè)參數(shù)。各參數(shù)特征及其內(nèi)容，見表1。

2.3 水文變化范圍法

通過分析河道日徑流數(shù)據(jù)受人類活動的前后影響，評價(jià)水文指標(biāo)變化程度為水文變化范圍法(RVA)的核心，IHA指標(biāo)的上下限稱為RVA目標(biāo)邊界，一般為頻率75%和25%指標(biāo)值或指標(biāo)平均值加減標(biāo)準(zhǔn)差。

2.4 水文變化程度法

2.4.1水文變量偏離度

為定量分析水文變異程度引入水文變量偏離度的概念，即相對于自然狀態(tài)水文指標(biāo)水利工程建設(shè)引起的變化程度，偏離度(P)的計(jì)算公式為：

(1)

式中，Vpre、Vpost—人類活動影響前、后的IHA值。

2.4.2單個(gè)指標(biāo)改變度

受影響后IHA的單指標(biāo)改變度Di的量化公式為：

(2)

Ne=rNT

(3)

式中，Ne、N0—IHA指標(biāo)值受人類活動影響后落入RVA目標(biāo)范圍的預(yù)測年數(shù)和實(shí)際年數(shù)；NT—水文序列受人類活動影響后的總年數(shù)；r—IHA受人類活動影響后落入RVA范圍內(nèi)的年數(shù)比例，取50%。

2.4.3整體水文改變度

河流水文情勢受各項(xiàng)指標(biāo)的改變程度利用整體改變度衡量，在河流改變度評價(jià)時(shí)可以有效融合32個(gè)水文指標(biāo)綜合表征。當(dāng)前，Shiau等[18]提出的三等技法為計(jì)算整體水文改變度的主要方法，即：

(4)

表1 水文特征參數(shù)

為更加直觀地描述人類活動對IHA的整體水文改變程度，定義高度改變、中度改變、低度或未改變時(shí)0≤D<33%、33≤D<67%、67≤D≤100%。

3 結(jié)果與分析

3.1 水文指標(biāo)改變度比較

采用以上公式求解白石水庫建設(shè)前、后涼水河子站32個(gè)水文指標(biāo)的改變度，見表2。其中，下降率(上升率)代表較前一日流量某日流量的下降(上升)百分比；以水文“天”計(jì)出現(xiàn)低(高)流量、最大(最小)流量和斷流天數(shù)；以“次”計(jì)逆轉(zhuǎn)次數(shù)和低(高)流量次數(shù)；以“m2/s”計(jì)流量均值；從逐漸升高到突然降低或從逐漸降低突然升高的流量反轉(zhuǎn)次數(shù)作為逆轉(zhuǎn)次數(shù)。

表2 水文指標(biāo)改變度

3.2 水量變化偏離度比較

3.2.1月平均徑流量變化

從圖1可知，下游河川月徑流特性受白石水庫建設(shè)運(yùn)行的影響顯著：①非汛期，涼水河子站月徑流量下降幅度較為明顯，其中減少量最大時(shí)段為3月，減少幅度達(dá)到21.6m3/s，白石水庫承擔(dān)著枯水期下游凌海、義縣6.5萬hm2耕地灌溉供水任務(wù)，所以3月灌區(qū)灌溉為平均徑流量減少的主要原因。②汛期，水庫的建設(shè)運(yùn)行在不同程度上減少了月均徑流量，其中受影響最大的時(shí)段為6—8月，從建庫前的8月最高值651.20m3/s明顯下降至502.46m3/s，可見對于汛期徑流水庫消峰攔洪措施發(fā)揮著明顯成效。

圖1 涼水河子站月均徑流量變化

3.2.2日流量極值變化

根據(jù)表2的統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知：①植物群落分布和河道地形受年極端流量的影響顯著，最小流量在年極端流量中呈不斷上升趨勢，達(dá)到高度改變水平，其中最小30d流量平均變化率187.68%，從建庫前的4.06m2/s快速增大至11.68m2/s，最小日流量增加為生物多樣性、岸邊植物生長需水提供可靠保障。②最大日流量在年極端流量中呈逐漸下降趨勢，其中減少幅度最為明顯的為最大7d流量，從建庫前的533.12m2/s降低至300.15m2/s，達(dá)到高度改變水平。由此表明，河流原有的極值變化過程受水庫建設(shè)運(yùn)行的影響極大，能夠減少極大流量而增大極小流量。

3.2.3年極端流量發(fā)生時(shí)間

從表2可知，建庫后涼水河子站最小、最大流量出現(xiàn)時(shí)間提早24、17.04d，達(dá)到中度改變水平。水生物種的凈化及魚類繁衍棲息所處的環(huán)境受年極端流量發(fā)生時(shí)間的影響明顯，河流生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和河內(nèi)生物的棲息環(huán)境受最小流量出現(xiàn)時(shí)間的體現(xiàn)影響顯著；此外，汛期漲水時(shí)一般為大凌河北票段魚類的產(chǎn)卵繁衍期，所以必須保持穩(wěn)定的溫度條件，而最大流量出現(xiàn)時(shí)間的提前改變了魚類繁殖的行為過程和產(chǎn)卵時(shí)間，不利于水溫敏感魚類的生長。

3.2.4高低流量的頻率及延時(shí)

針對河床結(jié)構(gòu)、泥沙運(yùn)輸特征可以利用高低流量頻率及延時(shí)衡量，涼水河子站低流量持續(xù)時(shí)間的縮短以及低流量次數(shù)的減少，會在一定程度上減低河灘干旱發(fā)生頻率，而水庫枯補(bǔ)的特性主要體現(xiàn)于河灘能否自然發(fā)展。建庫前、后高流量次數(shù)為5.36、4.71次，下降0.65次，而持續(xù)時(shí)間的延長有利于泥沙運(yùn)輸，可在一定程度上補(bǔ)充下游河灘的新泥，提供足夠的有機(jī)質(zhì)供下游生物生長，維持下游生態(tài)穩(wěn)定。

3.2.5流量變化改變率及頻率

河流中水生生物種群在一定程度上受流量變化的改變率及頻率的影響，所以在適當(dāng)范圍內(nèi)保持二者變化率為最佳。流量上升率、下降率的變化率平均值為-34.18%和-36.53%，改變程度達(dá)到中度水平，如圖2所示；較建庫運(yùn)行前，逆轉(zhuǎn)次數(shù)增大至112.45，變化程度達(dá)到高度，逆轉(zhuǎn)次數(shù)越高引起的水量波動就越大，同時(shí)對周邊環(huán)境變化周期產(chǎn)生的影響越嚴(yán)重，頻繁的逆轉(zhuǎn)不利于河流有機(jī)物和原本脆弱的河岸帶植物生長。

3.3 整體水文改變度分析

以涼水河子站為站點(diǎn)，利用IHA的RVA法研究大凌河北票段水文情勢受白石水庫建設(shè)的影響，結(jié)果顯示水庫的建設(shè)運(yùn)行對涼水河子站的綜合水文改變度達(dá)到72.46%，產(chǎn)生了較大的影響。研究表明，河流水文情勢受水庫建設(shè)運(yùn)行的影響極大，高低流量頻率及延時(shí)受水庫蓄水影響出現(xiàn)相應(yīng)的改變，并且電網(wǎng)中水庫的調(diào)頻和調(diào)峰作用又會增大流量和水位的逆轉(zhuǎn)次數(shù)，從而對水文情勢產(chǎn)生更大影響。白石水庫兼具供水、防洪、發(fā)電、養(yǎng)魚和灌溉等功能，逆轉(zhuǎn)頻率的增加以及流量的明顯變化，使得水庫建設(shè)運(yùn)行對河流水文情勢產(chǎn)生高度的改變。

圖2 涼水河子站流量逆轉(zhuǎn)次數(shù)變化

4 結(jié)論

(1)非汛期和汛期月徑流量均呈一定幅度的下降趨勢，這主要與灌區(qū)灌溉和水庫消峰攔洪等相關(guān)；建庫后最小、最大流量出現(xiàn)時(shí)間達(dá)到中度改變，對魚類繁殖的行為過程和產(chǎn)卵時(shí)間產(chǎn)生一定影響；流量上升率、下降率達(dá)到中度改變，較建庫前逆轉(zhuǎn)次數(shù)達(dá)到高度改變，對周邊環(huán)境變化周期產(chǎn)生的影響越嚴(yán)重。在盡量不改變原有水文情勢的條件下應(yīng)采取相應(yīng)的措施加強(qiáng)水源管理，通過合理的生態(tài)調(diào)水保證系統(tǒng)的健康發(fā)展。

(2)由于監(jiān)測數(shù)據(jù)的缺乏，未能深入探究水庫建設(shè)前后水文情勢與水文指標(biāo)間的響應(yīng)關(guān)系，為深入探究其響應(yīng)機(jī)制仍需要考慮生態(tài)系統(tǒng)監(jiān)測資料準(zhǔn)確分析水文情勢影響關(guān)系。