1956-2019年烏江水文情勢變化及其對魚類的影響研究

谷紅梅， 朱志鵬， 王鴻翔 ，郭文獻

(華北水利水電大學， 河南 鄭州 450045)

1 研究背景

河流生態(tài)水文情勢決定著流域內的物質循環(huán)以及生境和生物之間的相互作用，并對生態(tài)系統(tǒng)健康產(chǎn)生影響[1-2]。隨著經(jīng)濟社會的發(fā)展和技術的日益成熟，人類活動對流域水文循環(huán)過程的干擾程度不斷加深，在不同程度上改變了河流的生態(tài)水文情勢[3-4]。以烏江為例，流域內孕育著多種長江上游特有魚類，是長江魚類資源的重要補充[5]。然而，1982-2013年烏江干流上先后修建了11座大型水庫，這些大型水利工程的修建在一定程度上引起烏江水文特征發(fā)生了改變[6-7]，從而改變了物種的分布和豐富度，對生物群落的組成和多樣性造成了嚴重影響。

近年來，大量學者關注到水文情勢改變量及其生態(tài)效應的問題，變動范圍法(range of variability approach，RVA)能夠更好地反映其改變程度，目前該方法在國內外已有較廣泛的應用。Guo等[8]、王鴻翔等[9]、郭文獻等[10]、段唯鑫等[11]采用RVA/IHA方法，分別評估了水利水電工程對三峽水庫中、下游水文情勢的影響，均指出三峽工程蓄水期間下游河道流入量減少，水文情勢為中等改變，表明人為活動對長江中下游河流水文情勢影響顯著。隨著對RVA法的深入研究，該方法也被應用于湖泊體系中。郭強等[12]基于RVA法分析出鄱陽湖水位近年來下降明顯，發(fā)生了中度改變；谷桂華等[13]和王鴻翔等[14]通過研究湖泊生態(tài)水位指出，RVA法計算的生態(tài)水位更接近于天然水位變化規(guī)律；Ashraf等[15]運用IHA法評估了寒冷氣候下氣候變化和河流管制對徑流的影響；張康等[16]基于北碚、高場、宜昌水文站1950-2014年的逐日徑流數(shù)據(jù)，采用CRITIC法改進RVA的方法對長江支流的整體水文變異度進行了綜合的分析。

烏江流域屬于喀斯特地區(qū)特殊的水文系統(tǒng)，以地下排水網(wǎng)路為特征，土壤易吸收水量，其水文情勢也極易受自然因素的影響，徑流對降水減少較為敏感[17]，并呈現(xiàn)顯著下降趨勢[18]。徑流量的降低勢必影響流域內水生物的棲息，此外，烏江干流梯級水庫建設也阻隔了河流的連通性，隔斷了水生物生境，彭水水電站蓄水前后，底棲動物群落結構發(fā)生了顯著變化，蜉蝣目稚蟲對生境的劇烈變動不適應[19]，對白甲魚的遺傳多樣性也造成了一定程度的負面影響[20]。綜合來看，人類活動及流量減少對烏江的水文情勢和生態(tài)環(huán)境造成了一定的改變。鑒于目前通過RVA法定量評價烏江水文情勢及其水量變化下對魚類響應的相關研究文獻較少，因此本研究工作具有一定意義。

本研究基于烏江武隆水文站1956-2019年的逐日流量數(shù)據(jù)，采用Mann-Kendall趨勢檢驗法、累積距平法對烏江水文情勢變化特征進行定量分析，確定突變序列數(shù)據(jù)。通過生態(tài)水文指標變化范圍法(IHA-RVA)對烏江水文突變前后水文情勢的變化情況進行綜合評價，并根據(jù)分析結果對所收集到的魚類進行評價，以期為烏江干流水生態(tài)的修復提供科學依據(jù)。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 研究區(qū)域概況

烏江又名黔江，水系呈羽狀分布，流域地勢西南高，東北低，地形以高原、丘陵為主，是長江上游南岸最大的支流，發(fā)源地至河口105 km，流經(jīng)黔、渝、鄂、滇四省(市)，于重慶市涪陵區(qū)匯入長江，總流域面積為87 920 km2，貴州省境內流域面積為66 849 km2，多年平均徑流量為5.32×1011m3/s，主要用于發(fā)電,同時兼有防洪、航運等效益[21]。干流全長1 037 km2，以臨近畢節(jié)市為河流上游，彭水水電站以下為下游[22]。烏江水系及梯級水電站分布如圖1所示，武隆水文站位于烏江下游且為流域內最后一個站點。

烏江梯級水電開發(fā)在大幅提高貴州省清潔能源比重、推動貴州省經(jīng)濟社會發(fā)展的同時，創(chuàng)造了諸多水電開發(fā)建設管理經(jīng)典案例，為我國流域梯級水電開發(fā)提供了先進的經(jīng)驗。梯級水電工程的修建，為開發(fā)利用水資源提供了重要的基礎設施，在抗御旱、澇、洪等自然災害，工農(nóng)業(yè)及城鄉(xiāng)生活供水、發(fā)電和改善生態(tài)環(huán)境等方面發(fā)揮了重要作用，產(chǎn)生了巨大的社會和經(jīng)濟效益。然而，梯級水電工程建設通常會產(chǎn)生諸多的生態(tài)環(huán)境問題，大壩的修建往往會造成上下游河流水文過程發(fā)生劇烈變化，改變水流的自然循環(huán)，破壞河流以及地下水的連續(xù)性，從而干擾和改變河流生態(tài)系統(tǒng)的物種構成、棲息地分布以及相應的生態(tài)功能。當生境條件的改變超過生物自我調節(jié)恢復能力時，物種將面臨衰退、瀕危和絕跡的威脅，影響生態(tài)系統(tǒng)健康。

近年來，水電工程建設引起的河流生態(tài)環(huán)境問題已經(jīng)逐漸引起了人們的重視。人們意識到要實現(xiàn)河流生態(tài)系統(tǒng)健康可持續(xù)發(fā)展，必須在開發(fā)利用的同時開展河流保護與修復工作。隨著“河流健康”、“生態(tài)保護”等一些重要理念的提出，維護河流系統(tǒng)健康，實現(xiàn)生態(tài)和諧，已經(jīng)成為今后河流治理的新思路。

2.2 數(shù)據(jù)來源

武隆站位于烏江下游，該站點記錄的數(shù)據(jù)具有一定的代表性。1956-2019年流量、降雨、泥沙數(shù)據(jù)來源主要為長江水文統(tǒng)計年鑒及中國氣象網(wǎng)(http://data.cma.cn/)，魚類產(chǎn)卵數(shù)據(jù)來自長江中游水文水資源勘察局，包括蒙古鲌(Cultermongolicus)、圓筒吻鮈(Rhinogobiocylindricus)、蛇鮈(Saurogobiodabryi)、長鰭吻鮈(Rhinogobioventralis)、中華倒刺鲃(Spinibarbussinensis)、犁頭鰍(Lepturichthysfimbriata)、中華金沙鰍(Jinshaiasinensis)、中華沙鰍(Botiasuperciliaris)、翹嘴鲌(Culteralburnus)、吻鮈(Rhinogobiotypus)、銅魚(Coreiusheterodon)和花斑副沙鰍(Parabotiafasciata)等。烏江水系圖中河流、站點等shp文件來自中國科學院資源與環(huán)境科學數(shù)據(jù)中心平臺。

2.3 研究方法

Mann-Kendall非參數(shù)檢驗法[23]是一種應用較為廣泛的徑流突變性檢驗方法，在置信水平α=0.05上進行檢驗，Zc>0時，表示數(shù)據(jù)呈增加趨勢；Zc<0時，表示數(shù)據(jù)為減小趨勢。此外，基于原時間序列的逆序列計算相同的統(tǒng)計量，使UB=-UF統(tǒng)計數(shù)據(jù)不應超出置信度95%的水平區(qū)間且兩條曲線出現(xiàn)交點，表明在此時間點內發(fā)生變異[23-24]。但其檢測結果具有較大的人為干擾因素，還需與累積距平法以及實際情況相結合以保證其準確性。具體公式見參考文獻[24]～[26]。

為明晰河川復雜的水文情勢變化，引用Richter提出的水文變化指標法(indicators of hydrologic alteration，IHA)[27-28]，IHA法是建立在變化范圍法(RVA)基礎上來分析水文指標變化過程的一種方法。以武隆水文站的逐日流量數(shù)據(jù)為基礎，計算分為5組的32個IHA水文指標，以流量、時間、速率、持續(xù)時間和改變率等水文指標來綜合評價水文情勢的變化。為了定量分析其不同水文指標受干擾的程度，采用以下量化指標公式：

(1)

Ne=r·NT

(2)

式中：Di為第i個IHA指標的水文變化度，%；Noi和Ne分別為水文指標改變后落在RVA目標閾值內的實際和期望年數(shù)；r為受干擾前IHA落入RVA目標閾值內的比例；NT為水文指標改變后的總年數(shù)。

為了對其改變程度設定一個客觀的判斷標準，可采用以下公式計算：

(3)

式中：n為水文指標個數(shù)，設定Do處于0～33%、33%～67%、67%～100%之間時分別屬于低、中、高度改變[29]。

3 結果與分析

3.1 流量變化趨勢及突變檢驗分析

1956-2019年烏江武隆水文站年平均流量變化及突變檢驗見圖2。由圖2可見，除了特枯年(1966、1981、2006年等)和特大洪水年(1964、1977、1996年等)波動范圍較大外，武隆水文站年均流量整體呈減小趨勢，且通過了95%置信度區(qū)間檢驗。結合累積距平法和M-K突變分析檢驗出的突變年份為2000、2005、2009年，參考烏江梯級水電站構皮灘(2009年投產(chǎn))、思林(2009年發(fā)電)、沙陀(2013年首臺機組發(fā)電)、彭水(2009年投產(chǎn)使用)、銀盤(2011年竣工)的竣工投產(chǎn)時間，選取突變年份為2009年。

圖2 1956-2019年烏江武隆水文站年平均流量變化及突變檢驗

3.2 突變前后日流量變化分析

圖3為突變前后烏江武隆水文站多年日流量的變化。由圖3可以看出，年內日流量變化趨勢呈單峰分布，多年日均流量和日最大流量峰值顯著，峰值出現(xiàn)在6-7月， 7月后逐漸減小。突變前、后年內日最小流量變化范圍分別為59～978、76～2 080 m3/s，日最大流量變化范圍分別為737～20 400、713～15 400 m3/s?？梢姸嗄耆兆畲罅髁勘榷嗄耆兆钚×髁孔兓厔莞鼮槊黠@。

圖3 突變前后烏江武隆水文站多年日流量的變化

3.3 突變前后水文情勢變化分析

根據(jù)圖2的突變性分析結果，將1956-2008年逐日流量觀測數(shù)據(jù)作為天然流量序列，2009-2019年數(shù)據(jù)作為流量改變序列，運用IHA-RVA法計算突變前后烏江武隆水文站的水文變化情勢與改變度，計算結果如表1所示。

表1 流量突變前后烏江武隆水文站水文情勢指標變化

3.3.1 月均流量變化 圖4為流量突變前后烏江武隆水文站各月月均流量及其變化量。由圖4可以看出，流量突變后，武隆水文站1、2、3、4、5以及12月份的月均流量均有不同程度的增大，其中1月份增大幅度較為明顯，改變度達到47.91%，為中度改變。6-11月份的月均流量有不同程度的減少，其變化最為顯著的是7月份，改變度達到40.45%。這一結果可能是烏江各水電站蓄豐補枯的運行方式所致，烏江梯級水電站在運行時，汛前需預留防洪庫容而在汛末開始蓄水，蓄水期(烏江梯級水電站一般8-10月之間開始蓄水)不可避免地會減少下泄流量，至枯水期(12-次年3月)水庫泄水運行向下游河道補水。該運行方式造成突變后月均流量的增減變化。

圖4 突變前后烏江武隆水文站各月月均流量及其變化量

3.3.2 年極值流量變化 圖5為1956-2019年烏江武隆水文站年最小30 d流量及年最大3 d流量變化趨勢。結合圖5和表1可知，年極值最小流量在2009年突變后均有所增加，以年最小30 d流量變化最為明顯，突變后流量值的下限高于突變前流量值的上限，其改變度達46.46%，為中度改變。年極值最大流量在2009年突變后均有所減小，以年最大3 d流量變化最為顯著，突變后流量值的上限低于突變前流量值的下限，其改變度達60.93%，屬于中度改變。

圖5 1956-2019年烏江武隆水文站年最小30 d流量及年最大3 d流量的變化

3.3.3 年均最大、小值流量出現(xiàn)時間 由表1可以看出，武隆水文站年均最大、最小流量出現(xiàn)時間改變度均低于33%，年均最小值出現(xiàn)時間改變度為20.48%，年均最大值出現(xiàn)時間改變度為29.85%，均屬于輕度改變。表明烏江水利工程的建設使得年均最小、最大流量出現(xiàn)時間仍處在一個穩(wěn)定的范圍內。

3.3.4 高、低流量歷時及發(fā)生時間 高流量可以促進水植物的快速生長，該流量出現(xiàn)時間多數(shù)處于夏季階段，是生物需水量的旺季，低流量可以維持物種的生存環(huán)境，多處于冬季。從表1中看出，突變前后，高流量發(fā)生次數(shù)由15.36次減少為8.77次，改變度為37.83%，歷時從4.76 d減少為4.66 d，改變度為29.49%，處于低度改變。低流量發(fā)生次數(shù)由5.27次增加為12.75次，改變度為74.64%，歷時從3.28 d增加為7.28 d，改變度為75.29%，處于高度改變。

圖6為1956-2019年烏江武隆水文站年高流量及低流量發(fā)生時間的變化。分析圖6可知，高流量發(fā)生時間多數(shù)在年積日90～180 d(4-6月)之間波動，突變前后，高流量平均發(fā)生時間分別為125、129 d；低流量發(fā)生時間多數(shù)在年積日270～360 d(10-12月)之間波動，突變前后，低流量平均發(fā)生時間分別為332、311 d。表明突變后高流量平均發(fā)生時間推后了4 d，低流量平均發(fā)生時間提前了21 d。

圖6 1956-2019年烏江武隆水文站年高流量及低流量發(fā)生時間的變化

3.3.5 整體水文改變度 基于IHA-RVA法對烏江下游水文情勢突變前后結果進行分析，將烏江武隆水文站突變前后的32個水文指標進行對比，結果如圖7所示。由圖7可以看出，約1/3水文指標的改變度在33%～67%范圍內，該范圍內以10月份流量中值的改變度最小，僅為33.8%，以年均最大3 d流量的改變度最大，為60.93%。此外，改變度小于33%的水文指標中以5月份流量中值的改變度最小，僅為5.42%，接近33%的水文指標為9月份流量中值，改變度為31.9%。超出水文改變度閾值67%的水文指標僅有3個，其中，低流量發(fā)生次數(shù)和低流量歷時的改變度分別為74.64%和75.29%，逆轉次數(shù)的改變度達到100%。在32個水文指標中，中度改變指標為11個，占水文總指標的34%，低度改變指標為18個，占水文總指標的56%，高度改變指標為3個，占水文總指標的10%。

圖7 突變后烏江武隆水文站32個水文指標的改變度

由公式(3)計算出烏江武隆水文站各個分組的水文指標改變度和整體水文指標改變度，計算結果見表2。從表2可見，武隆水文站第1組、第2組和第3組指標為低度改變，第4組和第5組指標為中度改變，其中相對接近高度改變的第4組水文指標的改變度為54.32%；32個水文指標的整體改變度為38.70%，屬于中度改變，說明烏江干流和主要支流上高壩水電站的建造使其水文情勢發(fā)生了一定程度的改變。

表2 烏江武隆水文站各組水文指標及整體水文指標的改變度

3.4 水文情勢變化對魚類的影響

收集了突變前后的2009、2011、2013、2014、2015年烏江彭水至白馬段12種漂流性卵魚類的總產(chǎn)卵數(shù)量，如圖8所示。圖8顯示，2009年后漂流性卵魚類的產(chǎn)卵規(guī)模顯著下降，其中2013年的魚類總產(chǎn)卵數(shù)量最少，僅占2009年總產(chǎn)卵數(shù)量的5.42%， 2014年之后，魚類產(chǎn)卵規(guī)模略有恢復，維持在3 000×104粒左右。

圖8 突變前后烏江彭水至白馬段12種魚類部分年份的總產(chǎn)卵數(shù)量

4 討 論

4.1 烏江流量減小及其水文情勢變化的原因

本文的研究結果表明，烏江的年平均流量呈逐漸減小的變化趨勢，水文情勢也發(fā)生了改變，其原因主要從以下兩個方面進行分析：

(1)烏江流域氣候的變化引起降雨量在時空上的異質性及數(shù)量上的改變，從而對河流流量產(chǎn)生了影響。圖9為烏江武隆水文站降雨量-流量關系及多年降雨量變化趨勢(1965-2017年)。如圖9(a)所示，武隆水文站流量與降雨量呈極強正相關，降雨量的變化直接影響著流量的變化。而圖9(b)顯示，1965-2017年年降雨量整體呈減少趨勢，多年平均降雨量從2009年水文情勢突變之前的11.46 mm減少至突變后的10.60 mm，同時研究區(qū)域工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等取水量并未發(fā)生顯著變化[15]。因此，烏江流域降雨量的減少是導致其流量呈逐年減小趨勢的直接原因。此外，烏江流域多為喀斯特地貌單元，具有地表-地下雙層結構的特點，區(qū)域內土壤滲透性強[17]，易造成地表流量的減少。

圖9 烏江武隆水文站降雨量-流量關系及多年降雨量變化趨勢

(2)烏江水利水電工程的梯級開發(fā)造成了原水文情勢的改變。從1982年至2013年，在烏江干流及其主要支流上已建成11座水電站，位于武隆水文站附近的彭水水電站于2009年建成開始蓄水，彭水水電站為烏江干流最大的峰系統(tǒng)日調節(jié)水電工程，其運行勢必改變其原有的水文情勢，使該電站上下游流量產(chǎn)生差異。

4.2 烏江魚類減少的原因

烏江流量的減少與水文情勢的改變造成魚類資源相應減少。2009年彭水水電站開始運行，在一定程度上改變了水文情勢，而魚類生存環(huán)境受到劇烈擾動的影響是一個逐漸趨于累積的過程，至2011年，漂流性魚類產(chǎn)卵量開始大幅減少，2014年后魚類自身對生境的劇烈變動已產(chǎn)生一定的適應，使魚類產(chǎn)卵數(shù)量有所增加。

由于梯級水庫之間的頂托作用，易導致原河流由河相轉為湖相，庫內水流與自然河道相比流速減緩，但諸如白甲魚、圓口銅魚等一些適應急流生境的魚類以及長鰭吻鮈、圓筒吻鮈、中華金沙鰍等漂流性魚類[30]，均需在一定的水流流速條件下進行產(chǎn)卵，河道水流流速的減緩會影響這些魚類的正常產(chǎn)卵。另外，水利工程的建設也阻礙了河流中魚類的遷移通道[31]?？傊?，烏江水文情勢的變化改變了魚類的原有生態(tài)是造成魚類減少的主要原因。

5 結 論

本研究基于烏江武隆水文站1956-2019年逐日流量數(shù)據(jù)實測資料，采用生態(tài)水文指標變化范圍法(IHA-RVA)及水文改變度法對烏江流域水文情勢的變化進行分析評價，并初步分析了流域水文情勢改變對魚類的影響。得出的主要結論如下：

(1)烏江流域水文情勢突變年份為2009年，與彭水水電站投產(chǎn)運行的時間相同，突變前的烏江年際流量已呈不顯著的下降趨勢。突變前、后年內日最小流量變化范圍分別為59～978、76～2 080 m3/s，日最大流量變化范圍分別為737～20 400、713～15 400 m3/s，突變前后烏江流量減少趨勢顯著。

(2)突變后烏江武隆水文站32個水文指標的整體改變度為38.70%，屬于中度改變。其中高度改變的指標有低流量發(fā)生次數(shù)、低流量歷時和逆轉次數(shù)，改變度分別達到74.64%、75.29%和100%。低流量平均發(fā)生時間提前了21 d，高流量平均發(fā)生時間推后了4 d。

(3)烏江流量減小及水文情勢改變的主要原因是流域年降雨量的減少及梯級水電站的開發(fā)修建。水文情勢突變后的流域水文特征對魚類的影響是一個累積的過程，2009年之后12種漂流性卵魚類的產(chǎn)卵總量大幅減少，尤以2011年最為突出，僅為1 541.69×104粒。2014年之后，魚類產(chǎn)卵規(guī)模略有恢復，維持在3 000×104粒左右。