基于RVA法研究葛洲壩修建對河流水文情勢的影響

曾 娟

（三峽大學(xué)科技學(xué)院，湖北 宜昌 443002)

0 引言

世界河流之上先后建成約48,000多座大型水壩、約800,000座小型水壩。自然流淌、適合大多數(shù)生物棲息的河流越來越少。河流的開發(fā)導(dǎo)致了生態(tài)的嚴重退化和生物多樣性喪失，隨著這些大壩以及配套的引水措施投入使用，世界上2/3河流的水文情勢發(fā)生了變化。水文情勢的改變一方面擾亂了流域內(nèi)原有生物的生活規(guī)律，使一些適應(yīng)性不強的本地物種數(shù)量減少甚至滅絕；另一方面加快了外來物種入侵速度，使環(huán)境適應(yīng)性強的物種數(shù)量劇增，流域內(nèi)生物多樣性降低，不利于河流生態(tài)系統(tǒng)的健康發(fā)展。

河流水文情勢的變化會導(dǎo)致河流生態(tài)系統(tǒng)的改變，因此研究河流水文情勢的影響，有利于保護河流生態(tài)系統(tǒng)。每條河流的水文情勢是在自然力以及人類擾動雙重作用下產(chǎn)生變化的。其中自然力包括全球氣候變暖引起的降水量的增加，就全球而言，在20世紀陸地降水增加了約2%[1-3]。這種變化在統(tǒng)計上具有顯著性，但在空間和時間上則缺乏一致性[4-5]。而人類擾動包括水利水電工程的修建，大型水利工程通過調(diào)度，改變了河流的自然水文情勢，破壞了河流的生態(tài)環(huán)境。本文基于宜昌站的水文數(shù)據(jù)，在排除自然環(huán)境變化對河流水文情勢的影響后，分析葛洲壩的修建對河流水文情勢的影響。

1 研究思路和方法

1.1 研究思路

自然環(huán)境改變會影響河流的徑流量，首先研究1882年1月1日-1980年12月31日近100年未受到人類擾動情況下宜昌江段河川徑流的變化過程，這樣有利于為進一步研究人類活動對河段水文情勢產(chǎn)生的影響提供參考。

然后，將1981-2002年作為由于修建葛洲壩而產(chǎn)生的人為擾動時間段，分析修建葛洲壩后長江干流在宜昌段水文情勢的改變。

1.2 研究方法

首先采用滑動平均法研究自然環(huán)境對河流水文情勢的影響，然后在RVA框架下采用IHA軟件分析葛洲壩的修建對河流水文情勢的影響。

1.2.1 滑動平均法[7]

滑動平均法是趨勢擬合技術(shù)中最基本的方法，用確定時間序列的平均值來顯示變化趨勢，利用多點線性滑動平均法濾掉的是年際之間的水文序列的“波動”成分。對序列x1，x2…xn的幾個前期值和后期值取平均，求出新的序列，使原序列光滑，這就是滑動平均法。數(shù)學(xué)表達式為：

當(dāng)k= 1,2,3時，y′t分別對應(yīng)3點滑動平均y′3、5點滑動平均y′5、7點滑動平均y′7，然后求其平均值yt，作為第t年的線性趨勢序列。若xi具有趨勢成分，選擇合適的k，yt就能把趨勢清晰地顯示出來。因此滑動平均法在氣象領(lǐng)域得到了大量的應(yīng)用。

采用線性滑動平均法處理趨勢線的優(yōu)點是：可以通過控制滑動步長的大小來調(diào)節(jié)趨勢線與氣象項的比例。

1.2.2 RVA分析法[8]

Richter曾經(jīng)指出，水資源管理部門應(yīng)該試圖讓每年的IHA參數(shù)的分布狀態(tài)和未受擾動前的分布狀態(tài)盡可能地相一致[9]。RVA分析法同時也可以產(chǎn)生一系列水文變化的因素，這些因素使得33個IHA流量參數(shù)變化的等級定量化。RVA分析法主要為了制定初始流量管理目標(biāo)，以啟動適應(yīng)性流量管理程序，通過此程序，可以實現(xiàn)動態(tài)監(jiān)測水流——生態(tài)關(guān)系，所指定的生態(tài)流目標(biāo)也更能適應(yīng)環(huán)境的變化。RVA分析的主要步驟見圖1。

在一個RVA分析里，首先將改變前每一個參數(shù)的所有數(shù)據(jù)分成三個不同類別。不同類別的邊界是根據(jù)按百分數(shù)等級排列的值（對于無參數(shù)統(tǒng)計）或者一些偏離中心的標(biāo)準差的值（對于參數(shù)統(tǒng)計），這些都可以用戶自己定義。例如，在RVA無參數(shù)分析里定義默認的類別邊界為偏離中值17%的值。這將自動產(chǎn)生三個基本相等的區(qū)間：最低的類別包括所有等于或小于33%的值；中間的類別包括所有在34%~67%范圍內(nèi)的值；同時最高類別包含所有大于67%的值。

2 實例計算與結(jié)果分析

2.1 數(shù)據(jù)來源及計算時段的選取

宜昌水文站位于長江干流上中游交匯點(湖北省宜昌市濱江公園)，是干流上中游的咽喉所在地，東經(jīng)111.17°，北緯30.42°，控制流域面積100萬km2，占全流域面積的55%，是控制長江上游來水來沙的總控制站。葛洲壩水利工程位于湖北省宜昌市境內(nèi)的長江三峽出口——南津關(guān)下游2.6km處，1970年12月30日破土動工。1974年10月主體工程正式施工。整個工程分為兩期，第一期工程于1981年完工，實現(xiàn)了大江截流、蓄水、通航和二江電站第一臺機組發(fā)電；第二期工程1982年開始，1988年底整個葛洲壩水利樞紐工程建成。1981年春季開始蓄水運行，屬于峽谷型水庫，采用低水頭徑流式運行方式。于是，在1981年前宜昌江段還未受到嚴重擾動，保持自然流淌的水文情勢，將1882年1月1日到1980年的水文資料作為建壩前未受人類擾動的水文計算年。而將1981年及之后的年份定義為由于葛洲壩的修建對宜昌江段產(chǎn)生影響的計算年份。

2.2 年平均流量變化趨勢

選取1882年1月1日-1980年12月31日近100年的日流量數(shù)據(jù)，分別計算1882年-1980年每年的日平均流量，然后采用線性趨勢順歸法計算出未受人類擾動情況下年徑流量變化的趨勢，計算結(jié)果見圖2。擬合的函數(shù)為y= -11.16x+ 35870，x為1882-1980年份，y為對應(yīng)的流量值，相關(guān)系數(shù)R2= 0.04199。計算結(jié)果表明自然狀態(tài)下長江干流宜昌江段的年徑流量總體呈下降趨勢。這與葉柏生等專家于2008年發(fā)表的《100多年來東亞地區(qū)主要河流徑流變化》的結(jié)果基本相符。文章表明：“長江干流寸灘、宜昌、漢口和大通站1987—2000年的年流量表現(xiàn)為顯著的減少趨勢”[2]。

圖2 1882年-1980年日平均流量變化趨勢

2.3 月平均流量變化趨勢

為了進一步掌握自然力對長江干流宜昌江段自然水文情勢的影響，研究自然水文情勢變化趨勢，采用線性滑動平均法計算了1882年-1980年近100年期間1-12月份徑流量變化趨勢。1、2、7、8、11、12月計算結(jié)果見圖3~8，流量單位為m3/s。

圖3 1882年-1980年1月份流量變化趨勢

圖4 1882年-1980年2月份流量變化趨勢

圖5 1882年-1980年7月份流量變化趨勢

圖6 1882年-1980年8月份流量變化趨勢

圖7 1882年-1980年11月份流量變化趨勢

計算結(jié)果顯示1-12月份月徑流量變化幅度比較大，處于幾年上升幾年下降不斷變化中，但總體水平基本上呈下降趨勢。綜上所述，在未修建大壩之前，長江干流宜昌江段的年徑流量呈下降趨勢，1-12月份各月的徑流量也呈下降趨勢。

2.4 各月徑流量變化趨勢對比分析

為了進一步定量說明自然環(huán)境的變化對河流水文情勢的影響，選取未受人類擾動前1883-1980年時段前20年（1883-1902）、中間20年（1922-1941）、末20年（1961-1980）三段的水文數(shù)據(jù)，對比分析各月的流量降低量。計算的結(jié)果見表1，表中單位為m3/s。

表1 各時間段流量降低對比結(jié)果（單位：m3/s）

從表1 中可以看出，前20 年（1883-1902）到中間20年（1922-1941）年徑流總量下降了94930m3/s，相對下降了1.8%。從中間20 年（1922-1941）到末20 年（1961-1980）徑流總量下降了107072m3/s，相對下降了2.07%。年總徑流量下降幅度加劇，其中1月、2月、3月、6月、7月的平均徑流量呈持續(xù)下降趨勢，降幅比較明顯，而剩下月份呈現(xiàn)先下降后上升趨勢，降幅不顯著。

2.5 葛洲壩的修建對河流水文情勢的影響

圖8 1882年-1980年12月份流量變化趨勢

圖9為葛洲壩的蓄水調(diào)節(jié)前后每月的平均流量圖，其中1號線顯示了天然月均來流過程，即蓄水前計算的結(jié)果。豎線標(biāo)明的范圍表示由河流未受擾動前，天然狀況下計算出來的RVA推薦流量范圍。2號線表示修建葛洲壩后每月的平均流量圖，當(dāng)2號線處于豎線范圍內(nèi)說明修建葛洲壩后對每月的平均流量改變不明顯，反之則說明修建葛洲壩后此月流量已經(jīng)超過變化的范圍，需要水資源管理部門或者大壩運營者進行合理的調(diào)整，以使每月的流量中值介于相應(yīng)的范圍內(nèi)。

從圖9中顯示的計算結(jié)果可以看出1~4月、6月、9月、12月份的徑流量均和河流未受人類擾動情況下的徑流量持平，而按河流在自然環(huán)境下徑流的變化趨勢表明這些月份的月徑流量值應(yīng)該處于整體下降趨勢，因此葛洲壩對這些月份的流量可能有一定的調(diào)控作用。不過葛洲壩蓄水以來，每月的徑流量值均介于推薦流量范圍內(nèi)，說明葛洲壩的修建產(chǎn)生的人為擾動較少，宜昌江段的水文情勢基本接近天然狀態(tài)，因此葛洲壩的修建對下游的水生動植物影響較小，不會因為葛洲壩的修建造成生態(tài)環(huán)境的破壞。

圖9 葛洲壩蓄水前后每月的流量中值圖

3 結(jié)束語

河流的水文情勢的影響因素有自然環(huán)境因素和人類擾動因素，本文旨在排除了自然環(huán)境因素影響后分析大壩的修建對河流水文情勢的影響大小，結(jié)果顯示長江流域在宜昌區(qū)域由于自然環(huán)境的變化，年徑流量總體呈下降趨勢。通過IHA軟件分析得出葛洲壩的修建產(chǎn)生的人為擾動較少，宜昌江段的水文情勢基本接近天然狀態(tài)，因此葛洲壩的修建對下游的水生動植物影響較小，不會因為葛洲壩的修建造成生態(tài)環(huán)境的破壞。