下岸水庫對永安溪水文情勢的影響分析

沈凱琦，趙 超，張翔宇，黃志強

(1.廈門理工學(xué)院環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，福建 廈門 361024；2.廈門市水資源利用與保護(hù)重點實驗室，福建 廈門 361024；3.臺州市黃巖區(qū)永寧江事務(wù)中心，浙江 臺州 318020)

河流水文情勢是維系水域生態(tài)系統(tǒng)完整性及本地生物多樣性的關(guān)鍵所在[1-3]。河流在滿足人類日常用水需求的同時，也為周遭依賴河流生態(tài)系統(tǒng)的動植物提供了最佳棲息地。然而，氣候變化和人類活動的干預(yù)使河流徑流量、水位和汛期等水文狀況不斷改變，這可能會擾亂水生生物的生長過程[4-10]。建庫筑壩是人類活動中改變河流水文情勢最強烈的方式，一定程度上會導(dǎo)致河流水動力條件產(chǎn)生變動，從而影響河流的健康[11-14]。因此，評估水庫建設(shè)引起的水文特征的變化，對水資源綜合管理和生態(tài)環(huán)境保護(hù)至關(guān)重要。目前國內(nèi)對于水庫建設(shè)引起的河流水文情勢變化展開了較多研究，張颯等[15]針對丹江口水庫的建設(shè)，應(yīng)用變異范圍法(range of variability approach，RVA)評估了漢江中游水文情勢變化；王鴻翔等[16]為評價三峽水庫對壩下河流水文情勢的影響，采用Mann-Kendall法分析流量變化趨勢，并基于水文改變指標(biāo)(indicator of hydrological alteration, IHA)和RVA法計算水文改變度；林夢然等[17]結(jié)合龍羊峽水庫運行特點和黃河上游生態(tài)特征，運用RVA法評估水庫運行對其壩下河段水文情勢的影響程度。

永安溪位于浙江省椒江水系中上游，是我國東南沿海地區(qū)山溪性河流的典型代表，沿溪兩岸濕地資源豐富，是不可多得的天然漁倉。當(dāng)?shù)氐墓まr(nóng)業(yè)生產(chǎn)總值都集中在永安溪兩岸，生產(chǎn)生活資源也基本來源于此。受地形和降雨等因素的影響，永安溪歷史上洪澇災(zāi)害頻發(fā)，使人民生命財產(chǎn)安全遭到了嚴(yán)重威脅，因此當(dāng)?shù)厝嗣窈驼Y修建了下岸水庫用以攔蓄洪水。雖然水庫運行后防洪效果有所提高，但也對流域水文情勢造成了潛在影響，加之近年來永安溪防護(hù)林和濕地資源加速減少，魚類自然繁殖能力不斷降低，漁業(yè)資源的品質(zhì)和產(chǎn)量隨之逐年下降，嚴(yán)重影響當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)建設(shè)及生態(tài)發(fā)展。鑒于此，本文利用多種水文指標(biāo)對比下岸水庫運行前后永安溪流域水文特征變化情況，并采用RVA法評估流域水文情勢的總體變化程度，以期為下岸水庫的生態(tài)調(diào)度和永安溪流域綜合治理提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

永安溪位于浙江省臺州市境內(nèi)，是浙江省第三大水系椒江的源頭，自西向東橫貫仙居盆地(圖1)。永安溪全長約141 km，流域面積為2 704 km2，地處亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候區(qū)，全年降雨主要集中在3—9月，枯水期為每年的10月至次年2月[18]。下岸水庫是永安溪上游唯一的控制性工程，壩址位于仙居縣曹店村下游680 m處的峽口，于2003年建成并開閘蓄水，總庫容1.35億m3，防洪庫容3 574萬m3，正常蓄水位208 m，為多年調(diào)節(jié)水庫，是一座以防洪、供水為主，結(jié)合蓄能發(fā)電、養(yǎng)魚為一體的綜合性大型水利工程。柏枝岙水文站位于浙江省臨海市白水洋鎮(zhèn)柏枝岙村，屬國家重要水文站，距永安溪河口95 km，集水面積為2 475 km2，占永安溪流域面積的91.53%，是其出口控制斷面，多年平均徑流量為23.00億m3，建庫后的年平均徑流量由建庫前的23.57億m3下降至22.27億m3。

圖1 研究區(qū)域

本文基于柏枝岙站1980—2020年的逐日徑流資料，將下岸水庫蓄水年份(2003年)作為水文改變年，則1980—2002年的徑流數(shù)據(jù)代表水庫運行前的天然水文情勢，2003—2020年的徑流數(shù)據(jù)為水庫運行后的水文情勢，據(jù)此分析下岸水庫對永安溪流域水文情勢的影響。

2 研究方法

2.1 不均勻性

氣溫、降水等氣象要素存在顯著的季節(jié)性變化，很大程度上導(dǎo)致了徑流年內(nèi)分配的不均勻性。為衡量流域徑流年內(nèi)分配的不均勻性，本文采用徑流年內(nèi)分配不均勻系數(shù)Cv和徑流年內(nèi)分配完全調(diào)節(jié)系數(shù)Cr[19]，從不同角度進(jìn)行分析。以月為時間尺度，Cv和Cr的計算公式[20-23]為

(1)

(2)

其中

2.2 集中度

在月尺度下，將一年中各月徑流量看作向量，月徑流量的大小對應(yīng)向量的長度，所處的月份為徑流向量的方向，合成后的矢量模占年徑流的比例即年徑流集中度Cd[24]，計算公式為

(3)

式中rx、ry分別為一年中各月徑流在x和y兩個方向上的分量之和。

2.3 RVA法

為定量評估河流水文情勢受人類活動(如水庫、大壩等水利工程的建設(shè))干擾的程度，在具有長序列日徑流觀測數(shù)據(jù)的流域，Richer等[25-26]提出了RVA法。利用自然水文情勢下的日徑流序列，計算影響生態(tài)環(huán)境的32個關(guān)鍵水文特征值及分布范圍(RVA范圍)[27]，用以評估水庫運行后水文特征值偏離分布范圍的概率，從而衡量水文整體改變度，具體計算方法為

(4)

其中

Ne=RNt

式中:Di為第i個水文特征值改變度；D為流域水文整體改變度；Np,i為第i個水文特征值受干擾后落在RVA范圍內(nèi)的年數(shù)；Ne為期望年數(shù)；R為IHA指標(biāo)受干擾前落在RVA目標(biāo)范圍內(nèi)的比例，本文取50%；Nt為受干擾后時間序列的總年數(shù)。

為客觀評定水文指標(biāo)的改變程度，Richter 等[26]對Di及D做出如下分級規(guī)定：絕對值介于0～33%為未改變或低度改變(L)，33%～67%為中度改變(M)，67%～100%為高度改變(H)。

3 結(jié)果與分析

3.1 徑流年內(nèi)分配

圖2為水庫運行前后年內(nèi)月徑流量分配情況。永安溪徑流年內(nèi)分布不均，徑流量主要集中在汛期3—9月，其中6月徑流量最豐沛，枯水期10月至次年2月徑流量較少。下岸水庫運行前，受梅雨及臺風(fēng)雨影響，6、7、8、9月徑流量分別占全年徑流量的17.44%、11.94%、12.21%、11.93%；水庫運行后，3—4月的徑流量占全年徑流的比例由20.85%下降至15.34%，6月和7月的徑流量也下降明顯，月徑流量降幅分別為8.53%和4.85%，10月及12月至次年2月的徑流量有所上升，反映了水庫調(diào)節(jié)的蓄豐補枯作用。值得一提的是，水庫運行后8月徑流量不降反升，月徑流量占全年徑流量的17.19%。分析8月徑流量上升的原因，發(fā)現(xiàn)水庫運行后8月的極值流量為586.21 m3/s，發(fā)生在8月10日，主要由2009年臺風(fēng)“莫拉克”、2015年臺風(fēng)“蘇迪羅”和2019年超強臺風(fēng)“利馬奇”均在8月初登陸浙江帶來強降水所致。若無水庫的調(diào)節(jié)作用，臺風(fēng)期間的徑流量會更加難以控制，極可能造成洪澇災(zāi)害，威脅流域內(nèi)生物及周邊居民的生命財產(chǎn)安全。

圖2 徑流量年內(nèi)分配

柏枝岙站1980—2020年Cv、Cr和Cd變化過程見圖3和圖4。水庫運行前，1980—2002年Cv和Cr的平均值分別為0.88、0.35，Cv值上升趨勢明顯，表明徑流年內(nèi)分配不均勻增強，Cr值相對穩(wěn)定，呈微弱上升趨勢。水庫運行后，2003—2020年Cv值則呈現(xiàn)出下降趨勢，均值降低至0.87，Cr值也緩慢減小，均值下降至0.34。水庫運行前Cd呈現(xiàn)上升趨勢，運行后Cd趨勢下降。綜上，水庫運行后Cv、Cr和Cd變化一致，均呈下降趨勢。由此可見，水庫的調(diào)蓄運行使得永安溪徑流年內(nèi)分配趨于均勻，流域?qū)搅鞯恼{(diào)節(jié)能力有所提升。

圖3 1980—2020年不均勻系數(shù)和完全調(diào)節(jié)系數(shù)變化趨勢

圖4 1980—2020年集中度變化趨勢

3.2 RVA法分析

下岸水庫運行前后的水文特征指標(biāo)計算結(jié)果見表1。第1組水文特征指標(biāo)月中值流量的整體改變度為30.03%，呈低度改變，其中改變度最高的是4月，改變度高達(dá)-74.44%。圖5為1980—2020年4月流量，可見水庫運行后的4月流量大多低于RVA閾值的下限，屬于高度改變月。而每年的4—5月正值永安溪流域內(nèi)溪魚的產(chǎn)卵繁殖期，因此該時段內(nèi)流量的減少將直接影響水生生物的繁殖與生存。同時，流量的大幅降低也不利于沿溪兩側(cè)植被保持所需的土壤濕度，甚至難以保障陸生動物的供水需求。

表1 下岸水庫運行前后水文特征指標(biāo)統(tǒng)計結(jié)果

圖5 4月流量

由表1中第2組水文參數(shù)在水庫運行前后的對比中可以看出，水庫運行前后，除年最大、最小90 d流量減少外，其余指標(biāo)均呈上升趨勢，其中年最大1 d流量變化最顯著，由運行前1 160.00 m3/s增長到運行后1 720.00 m3/s，變化幅度高達(dá)48.28%，其他最小流量的增加表示水庫的補枯作用有所成效。第2組指標(biāo)年極端流量的整體改變度為35.39%，達(dá)到中度改變標(biāo)準(zhǔn)，其中年最大3 d流量、年最大30 d流量和年最大90 d流量這3個指標(biāo)屬于中度改變，其他指標(biāo)均為低度改變，說明水庫的運行對天然狀態(tài)下流量的極值變化影響并不大。

年極端流量的出現(xiàn)時間可以很好地表征徑流的季節(jié)性變化。通過表1第3組參數(shù)計算結(jié)果可以看出，年最小流量出現(xiàn)時間由每年1月初變?yōu)?2月初，整體分布范圍無明顯變化(圖6)，年最小值出現(xiàn)時間的改變將會影響魚類的遷移和產(chǎn)卵，不利于生物棲息環(huán)境的穩(wěn)定；年最大流量出現(xiàn)時間較水庫運行前提前10 d左右，發(fā)生時間的范圍由原本的3月下旬至11月中旬集中到6月下旬至10月上旬(圖7)，屬于高度改變(改變度為70.37%)，同時出現(xiàn)時間的提前很可能向水生生物傳遞不符合其生長規(guī)律的產(chǎn)卵和生長信號。

圖6 年最小流量出現(xiàn)時間

圖7 年最大流量出現(xiàn)時間

高流量發(fā)生次數(shù)和歷時無明顯變化，但低流量發(fā)生次數(shù)及歷時均產(chǎn)生高度改變，水文改變度分別為-85.80%和-87.22%，其中低流量發(fā)生次數(shù)呈增加趨勢，由水庫運行前的5次增加至運行后的9次，發(fā)生次數(shù)的變化范圍也增大，尤其是2017年出現(xiàn)了異常狀況，低流量發(fā)生次數(shù)高達(dá)29次(圖8)，遠(yuǎn)多于其他年份，這可能是因為2017年降雨偏少，水庫蓄水不足加劇了當(dāng)?shù)乜菟诘暮登?。若無法保證干旱時期的各項用水需求，干旱頻發(fā)將會影響當(dāng)?shù)剞r(nóng)作物及水生生物的生長。而低流量歷時時間從9 d減短到了4.5 d，可見低流量次數(shù)雖然沒有減少，但下岸水庫的調(diào)節(jié)作用能減少低流量的持續(xù)時間。

圖8 低流量發(fā)生次數(shù)

由表1計算結(jié)果可知，流量上升率減少了39.51%，下降率增大了38.82%。流量逆轉(zhuǎn)次數(shù)由99次增加至124次，水庫運行后增大趨勢顯著，多個年份逆轉(zhuǎn)次數(shù)超過RVA閾值(圖9)，改變度達(dá)-100.00%，是所有指標(biāo)中最高的，但是在體現(xiàn)水庫電站配合電網(wǎng)調(diào)峰、填谷和調(diào)頻任務(wù)的同時，頻繁的流量波動會影響該流域內(nèi)生物承受外界變化的能力，使其賴以生存的棲息地遭到破壞，不利于生物的穩(wěn)定生長。

圖9 流量逆轉(zhuǎn)次數(shù)

3.3 水文整體改變度

由表1可知，高度改變指標(biāo)和中度改變指標(biāo)各有5個，低度改變指標(biāo)有22個，分別占比15.63%、15.63%和68.74%。為進(jìn)一步清晰各指標(biāo)改變度的分布情況，繪制水文改變度落區(qū)(圖10)，1～32的序號與32個水文特征指標(biāo)一一對應(yīng)，從內(nèi)而外3個區(qū)域分別代表低、中、高度改變，從圖10中可以明顯看出，低改變度指標(biāo)雖多，但大多都逼近中度改變的臨界線，第4組和第5組水文特征指標(biāo)的改變度最高，其中低流量發(fā)生次數(shù)、低流量歷時和流量逆轉(zhuǎn)次數(shù)占主導(dǎo)。因此綜合計算后的水文整體改變度仍能達(dá)到42.82%，屬于中度改變，說明下岸水庫的運行對永安溪流域的水文情勢影響較大。

圖10 水文改變度落區(qū)

4 結(jié) 論

a.下岸水庫的建成和運行對徑流產(chǎn)生了較大影響，具體表現(xiàn)在水庫的蓄豐補枯作用。

b.受水庫調(diào)節(jié)作用的影響，徑流年內(nèi)分配趨于均勻化，不均勻系數(shù)Cv、完全調(diào)節(jié)系數(shù)Cr及集中度Cd變化規(guī)律一致，均在水庫運行后由原本的上升趨勢轉(zhuǎn)變?yōu)橄陆第厔荨?/p>

c.經(jīng)過RVA法分析，下岸水庫運行后，4月流量顯著減少，年最大流量出現(xiàn)時間提前10 d，低流量發(fā)生次數(shù)增加、歷時減少，流量逆轉(zhuǎn)次數(shù)由99次增加至124次且改變度最高。這些指標(biāo)的變動均會影響魚類的洄游與繁殖。總體而言，下岸水庫對永安溪水文情勢產(chǎn)生了中度改變，水文整體改變度為42.82%。

d.下岸水庫雖然具有防洪減災(zāi)的效益，但是同時也改變了壩下徑流的特性，造成的水文情勢波動不利于水生生物的生長繁衍，影響生物群落的多樣性，進(jìn)而威脅河流生態(tài)環(huán)境的穩(wěn)定。建議開展生態(tài)保護(hù)修復(fù)措施，如人工增殖、生態(tài)調(diào)度等，將水庫運行對生態(tài)系統(tǒng)的不利影響降到最低。