小浪底水庫調(diào)度對黃河下游水文情勢的影響

尚文繡，靖娟，尚弈

（1.黃河勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，河南鄭州 450003；2.華北水利水電大學(xué)，河南鄭州 450045）

0 引言

水文情勢是河流生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能的關(guān)鍵影響因素［1，2］。河流水文情勢是河流各水文要素隨時(shí)間的變化情況［3］。天然水文情勢發(fā)揮著塑造棲息地、維持生物生活史模式、阻擋外來物種入侵等作用［4，5］。但是在長期的人類活動干擾下，河流水文情勢發(fā)生了顯著變化，全球河長1 000 km 以上的河流中約2/3 處于非自然流動狀態(tài)［6］。水文情勢對河流生態(tài)系統(tǒng)的重要意義已經(jīng)引起了廣泛關(guān)注，很多學(xué)者開展了水文情勢量化分析研究與探索，構(gòu)建了大量評價(jià)指標(biāo)和量化方法，其中得到最廣泛應(yīng)用的就是水文變化指標(biāo)（Indicators of Hydrologic Alteration，IHA）及變化范圍法（Range of Variability Approach，RVA）。此后很多學(xué)者對指標(biāo)體系、評判標(biāo)準(zhǔn)等進(jìn)行了發(fā)展和完善，形成了種類豐富、適用情況多樣的水文情勢量化分析方法［7，8］。

水庫是開發(fā)利用水資源及水能資源、抵御水旱災(zāi)害的重要水利工程，截至2014 年全球壩高超過30 m 的大壩已經(jīng)超過1.5萬座（含在建工程）［9］。水庫具有攔蓄入庫徑流和調(diào)節(jié)出庫徑流的功能，從而滿足防洪、灌溉、發(fā)電、航運(yùn)等需求，同時(shí)也導(dǎo)致水庫運(yùn)行后河流水文情勢發(fā)生顯著變化［10-12］。相關(guān)研究多對比水庫運(yùn)行前和水庫運(yùn)行后兩個(gè)時(shí)段的水文情勢，將兩個(gè)時(shí)段間水文情勢的差異視為水庫調(diào)度對水文情勢的影響［13-15］。河流水文情勢變化是氣候變化、水利工程建設(shè)運(yùn)行、河道外取水、水生態(tài)保護(hù)等多因素復(fù)合作用的結(jié)果［16，17］，因此，對比水庫運(yùn)行前后兩個(gè)時(shí)段的水文情勢變化不能準(zhǔn)確反映水庫調(diào)度發(fā)揮的作用。針對科學(xué)量化水庫調(diào)度對水文情勢影響的難題，本文提出了水庫調(diào)度對河流水文情勢影響的量化方法，以黃河小浪底水庫為例，評價(jià)了小浪底水庫調(diào)度對黃河下游水文情勢的影響。

1 研究方法與數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)域

以1999年底投入運(yùn)行的小浪底水庫為研究對象，分析水庫調(diào)度對黃河下游花園口斷面和利津斷面水文情勢的影響（圖1）。小浪底水庫位于黃河中游最后一個(gè)峽谷的末端，是一座大（Ⅰ）型水庫，總庫容126.5 億m3，可長期發(fā)揮調(diào)節(jié)作用的有效庫容為51.0 億m3，庫容系數(shù)小于30%，是不完全年調(diào)節(jié)水庫。小浪底水庫承擔(dān)防治下游水害、興利供水、調(diào)水調(diào)沙等任務(wù)，對黃河下游徑流過程具有重要影響。

圖1 研究區(qū)域Fig.1 Study area

1.2 IHA-RVA法

IHA法通過33個(gè)指標(biāo)描述水文情勢關(guān)鍵特征（表1）［18］。選擇人類活動對河流影響較小的近天然時(shí)段和水庫生效后的評價(jià)時(shí)段，分別計(jì)算兩個(gè)時(shí)段內(nèi)的指標(biāo)值，通過偏離度和RVA 法中的水文改變度表征水文情勢的變化程度［14，19］。偏離度的計(jì)算公式為：

表1 IHA指標(biāo)Tab.1 Indicators of Hydrologic Alteration

式中：fi是第i個(gè)指標(biāo)的偏離度；i是IHA指標(biāo)編號，i=1，2，…，33；分別是評價(jià)時(shí)段和近天然時(shí)段第i個(gè)指標(biāo)的多年平均值。

水文改變度的計(jì)算公式為：

式中：Di是第i個(gè)指標(biāo)的水文改變度；Ni是評價(jià)時(shí)段各年的第i個(gè)指標(biāo)值落到目標(biāo)區(qū)間內(nèi)的年數(shù)；Ne是在假設(shè)評價(jià)時(shí)段與近天然時(shí)段水文情勢相同的情況下，評價(jià)時(shí)段各年的指標(biāo)值落到目標(biāo)區(qū)間內(nèi)的預(yù)期年數(shù)。參考相關(guān)研究［14，19］，將近天然時(shí)段各年的第i個(gè)指標(biāo)值的75%分位數(shù)與25%分位數(shù)分別作為評價(jià)時(shí)段該指標(biāo)值目標(biāo)區(qū)間的上限值和下限值，近天然時(shí)段共計(jì)N1年，那么指標(biāo)值落在目標(biāo)區(qū)間內(nèi)的年數(shù)為N1/2。評價(jià)時(shí)段共計(jì)N2年，如果水文情勢沒有發(fā)生變化，預(yù)期有N2/2 年的指標(biāo)值落在目標(biāo)區(qū)間內(nèi)，因此Ne取值為N2/2。當(dāng)Di≤33%時(shí)，代表與近天然時(shí)段相比，評價(jià)時(shí)段內(nèi)第i個(gè)指標(biāo)無改變或發(fā)生低度改變；當(dāng)34%＜Di≤67%時(shí)，代表第i個(gè)指標(biāo)發(fā)生中度改變；當(dāng)Di＞67%時(shí)，代表第i個(gè)指標(biāo)發(fā)生高度改變。

1.3 水庫調(diào)度對水文情勢影響評價(jià)方法

通過情景對比將水庫調(diào)度單一因素對水文情勢的影響從多因素復(fù)合影響中分離出來。將情景分析時(shí)段設(shè)置為小浪底水庫生效后的2000-2019 年。設(shè)置2 種情景（表2）：情景1 采用斷面實(shí)測徑流過程，反映了水庫調(diào)度、氣候變化、取水等多因素復(fù)合作用下黃河下游的水文情勢；情景2 對小浪底水庫的調(diào)蓄作用進(jìn)行還原，來水、取水等其他條件與情景1 相同，模擬了沒有小浪底水庫的情況下2000-2019年黃河下游的水文情勢。

表2 分離水庫調(diào)度影響的對比情景設(shè)置Tab.2 Comparative scenario setting for separating the influence of reservoir operation

在情景2中，采用以下方法對小浪底水庫的調(diào)蓄作用進(jìn)行還原，得到?jīng)]有小浪底水庫的情景下評價(jià)斷面的日徑流過程［20］：

式中：rS，t是情景2 中評價(jià)斷面第td 的日均流量，m3/s；rI，t-t1是小浪底水庫第t-t1d的實(shí)測日均入庫流量，m3/s；t1是出庫水流到達(dá)評價(jià)斷面所需天數(shù)，d；rB，t-t2是第t-t2d小浪底水庫至評價(jià)斷面區(qū)間的支流日均來水量，m3/s；t2是支流匯入黃河干流后到達(dá)評價(jià)斷面所需天數(shù)，d；rW，t-t3是第t-t3d 小浪底水庫至評價(jià)斷面區(qū)間的日均取水量，m3/s；t3是水流從取水口流到評價(jià)斷面所需天數(shù)，d；rL是小浪底水庫至評價(jià)斷面區(qū)間的日均蒸發(fā)滲漏損失量，m3/s。黃河下游水文情勢受到龍羊峽、三門峽等多水庫調(diào)度的影響，本文僅關(guān)注小浪底水庫的影響，因此在式（3）中僅對小浪底水庫的調(diào)蓄作用進(jìn)行還原，其他水庫的運(yùn)用方式與實(shí)際情況一致。

小浪底水庫對黃河下游水文情勢的影響E表示為：

式中：ei是小浪底水庫對評價(jià)斷面第i個(gè)IHA 指標(biāo)的影響；fA，i和fS，i分別是情景1和情景2中評價(jià)斷面第i個(gè)IHA指標(biāo)的偏離度。

1.4 數(shù)據(jù)來源

采用黃河下游花園口斷面和利津斷面的實(shí)測日徑流數(shù)據(jù)分析水文情勢變化，斷面位置見圖1，分別反映了下游起點(diǎn)與終點(diǎn)附近的水文情勢變化。在大型水庫建設(shè)前，人類對大江大河水文情勢的改變能力較小，可將這一時(shí)段作為近天然時(shí)段［21］。黃河上最早建成的大型水庫是三門峽水庫（1960年生效），位于兩斷面上游?？紤]花園口斷面和利津斷面連續(xù)日徑流觀測的起始時(shí)間，將近天然時(shí)段分別定為1949-1959 年和1950-1959年；評價(jià)時(shí)段選為小浪底水庫運(yùn)行后的2000-2019 年。黃河下游各河段的水流傳播時(shí)間采用流域管理機(jī)構(gòu)提供的實(shí)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

2 結(jié)果

2.1 黃河下游實(shí)測水文情勢變化

與近天然時(shí)段相比，2000-2019 年花園口斷面33 個(gè)IHA 指標(biāo)的偏離度如圖2 所示。在情景1下，除3 月和6 月外，其他月份月均流量降低8%～75%，8-11月降幅尤為顯著。最大1、3、7、30、90 d平均流量降低52%～63%，最小1、3、7、30、90 d平均流量降低25%～37%，兩個(gè)時(shí)段均沒有零流量事件發(fā)生，基流指數(shù)增大31.64%。最大1 d 平均流量發(fā)生時(shí)間平均提前50.94 d，最小1 d 平均流量發(fā)生時(shí)間平均推遲46.94 d。高流量脈沖發(fā)生次數(shù)從年均6.45次減少至2.65次，單個(gè)脈沖平均持續(xù)時(shí)間從21.43 d減少至8.08 d；低流量脈沖發(fā)生次數(shù)從年均8.91 次增加至10.80次，單個(gè)脈沖平均持續(xù)時(shí)間從10.92 d 增加至23.74 d。日流量平均增加速率降低69.27%，日流量平均下降速率降低62.58%，流量逆轉(zhuǎn)次數(shù)從年均149.73次增加至172.30次。33個(gè)指標(biāo)中，19個(gè)指標(biāo)高度改變、6個(gè)指標(biāo)中度改變、8個(gè)指標(biāo)低度改變。

圖2 兩種情景下花園口斷面IHA指標(biāo)偏離度Fig.2 Deviation magnitude of IHA indicators in Huayuankou Section under two scenarios

與近天然時(shí)段相比，2000-2019 年利津斷面33 個(gè)IHA 指標(biāo)的偏離度如圖3所示。在情景1下，12個(gè)月的月均流量均降低，6月降幅最小（25.50%），其他月份降幅41%～76%。最大1、3、7、30、90 d平均流量降低56%～65%，最小1、3、7、30、90 d平均流量降低58%～73%，兩個(gè)時(shí)段均沒有零流量事件發(fā)生，基流指數(shù)增大10.67%。最大1 d 平均流量與最小1 d 平均流量的發(fā)生時(shí)間分別提前了12.55 和1.85 d。高流量脈沖發(fā)生次數(shù)從年均6.30次減少至2.05次，單個(gè)脈沖平均持續(xù)時(shí)間從23.18 d減少至8.36 d；低流量脈沖發(fā)生次數(shù)從年均9.5 次減少至6.15次，單個(gè)脈沖平均持續(xù)時(shí)間從10.42 d 增加至73.53 d。日流量平均增加速率降低65.50%，日流量平均下降速率降低61.30%，流量逆轉(zhuǎn)次數(shù)從年均139.30次增加至148.80次。33個(gè)指標(biāo)中，22個(gè)指標(biāo)高度改變、5個(gè)指標(biāo)中度改變、6個(gè)指標(biāo)低度改變。

圖3 兩種情景下利津斷面IHA指標(biāo)偏離度Fig.3 Deviation magnitude of IHA indicators in Lijin Section under two scenarios

2.2 水庫調(diào)度對水文情勢的影響

情景2 代表了無小浪底水庫時(shí)的水文情勢，與實(shí)測水文情勢（情景1）對比，反映了2000-2019 年小浪底水庫對花園口斷面和利津斷面水文情勢的影響。小浪底水庫調(diào)度對黃河下游多年平均徑流量影響較小，情景1 與情景2 下利津斷面多年平均徑流量僅相差0.07%。小浪底水庫對黃河下游水文情勢的影響主要體現(xiàn)在顯著改變了年內(nèi)徑流過程。

由圖2 和表3 可知，對于花園口斷面，小浪底水庫增加了1月和3-7 月的月均流量，其中6 月增幅最大，降低了其他6 個(gè)月的月均流量；小浪底水庫減小了最大1 和3 d 平均流量，增大了最大7、30、90 d 平均流量，增大了最小1、3、7、30、90 d 平均流量；保障了花園口斷面不斷流，如果沒有小浪底水庫，花園口斷面年均斷流2.4 d；增大了基流指數(shù)；使最大1 d平均流量發(fā)生時(shí)間年均提前36.75 d，使最小1 d 平均流量發(fā)生時(shí)間年均推遲38.75 d；使高、低流量脈沖的發(fā)生次數(shù)年均分別減少了2.50 次和14.95次，使單個(gè)高、低流量脈沖的平均持續(xù)時(shí)間分別增加了4.59 和15.16 d；顯著減小了日流量平均增加速率與下降速率，使流量逆轉(zhuǎn)次數(shù)年均減少25.00 次。情景2 下花園口斷面19 個(gè)指標(biāo)高度改變、10個(gè)指標(biāo)中度改變、4個(gè)指標(biāo)低度改變。

表3 情景1各IHA指標(biāo)偏離度相對于情景2的變化 %Tab.3 Changes of deviation magnitude of IHA indicators in scenario 1 compared with scenarion 2

由圖3 和表3 可知，對于利津斷面，小浪底水庫對IHA 指標(biāo)增減趨勢的影響與花園口斷面基本相同，但影響程度有所變化。例如，小浪底水庫對利津斷面3-7 月月均流量的增幅明顯小于花園口斷面；如果沒有小浪底水庫，利津斷面年均斷流81.15 d，遠(yuǎn)高于花園口斷面。情景2 下利津斷面27 個(gè)指標(biāo)高度改變、4個(gè)指標(biāo)中度改變、2個(gè)指標(biāo)低度改變。

3 討論

3.1 傳統(tǒng)IHA方法存在的問題

如果采用傳統(tǒng)IHA 方法，對比水庫運(yùn)行前后兩個(gè)時(shí)段IHA指標(biāo)值的變化，得出的結(jié)論為：小浪底水庫調(diào)度減小了除3月和6 月外其他10 個(gè)月的月均流量，降低了最大和最小1、3、7、30、90 d 平均流量，減小了高流量脈沖的平均持續(xù)時(shí)間。但情景2與情景1 的IHA 指標(biāo)偏離度對比結(jié)果顯示：小浪底水庫調(diào)度增大了1月和3-7月的月均流量，增大了除最大1、3 d平均流量之外的其他極端流量事件的流量，延長了高流量脈沖的平均持續(xù)時(shí)間。

兩種方法下結(jié)果差異的原因在于黃河來水、取用水、工程條件等因素也在隨時(shí)間變化，而傳統(tǒng)的IHA 方法不能排除這些因素的影響?；▓@口斷面1949-1959 年實(shí)測年徑流量496 億m3，2000-2019 年實(shí)測年徑流量降至268 億m3，降幅高達(dá)45.97%。由于小浪底水庫不具備多年調(diào)節(jié)能力，花園口斷面水量減少的主要原因是天然徑流量的衰減和用水量的增長。20世紀(jì)50 年代黃河年均天然徑流量610 億m3，2000-2019 年年均天然徑流量降至475 億m3。20 世紀(jì)50 年代黃河年均地表水耗水量不足100 億m3，2000-2019 年黃河年均地表水耗水量已經(jīng)超過300 億m3。此外，20 世紀(jì)50 年代黃河干流尚未建成水庫，當(dāng)前黃河干流上中游已建成水庫30 余座。來水和取用水的變化及水庫群調(diào)度都對黃河下游水文情勢產(chǎn)生影響，因此通過傳統(tǒng)IHA 方法不能反映小浪底水庫調(diào)度單一因素對水文情勢的影響。而本文建立的情景對比法通過對比同一時(shí)段內(nèi)有小浪底水庫和沒有小浪底水庫兩種情景下IHA 指標(biāo)值的差異，將小浪底水庫調(diào)度的作用從多因素復(fù)合作用分離出來，能夠科學(xué)反映小浪底水庫調(diào)度對水文情勢的影響。

3.2 小浪底水庫調(diào)度方式與水文情勢變化的一致性分析

小浪底水庫對水文情勢的影響與水庫調(diào)度任務(wù)密切相關(guān)。3-5 月是黃河下游引黃灌區(qū)用水高峰期，因此小浪底水庫增大了3-5月流量；小浪底水庫調(diào)水調(diào)沙集中于6月中下旬至7月上旬，因此這一時(shí)段情景1 花園口斷面和利津斷面月均流量高于情景2，且6 月增幅顯著；8-10 月水庫防洪并于汛末蓄水，因此下游流量降低；水庫在防洪調(diào)度中發(fā)揮削峰作用，因此小浪底水庫導(dǎo)致下游最大1、3 d 平均流量降低；出于防斷流和生態(tài)保護(hù)目標(biāo)，小浪底水庫增大了下游最小1、3、7、30、90 d 平均流量，但是隨著天數(shù)的增加，流量增幅逐漸減小。

3.3 黃河下游水文情勢修復(fù)建議

天然水文情勢對于河流生態(tài)系統(tǒng)具有重要影響，徑流的豐枯變化塑造了多樣的棲息環(huán)境、深刻影響了生物的生活史模式，是土著生物的種類和群落結(jié)構(gòu)的重要決定因素［21］。同時(shí)，水是人類社會生存和發(fā)展的基本要素，在人口密集的區(qū)域，人類活動已經(jīng)顯著改變了河流水文情勢。雖然河流生態(tài)保護(hù)正在得到越來越多的關(guān)注，但在人口密集的區(qū)域，完全恢復(fù)天然水文情勢是不可行的，需要探索人水和諧的河流保護(hù)模式［23，24］。

黃河流域人口密集、產(chǎn)業(yè)發(fā)達(dá)，人類活動對河流生態(tài)系統(tǒng)干擾劇烈。為了維護(hù)黃河下游河流健康生命，一方面需要完善水文情勢修復(fù)的控制指標(biāo)，統(tǒng)籌河流生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)需求和人類社會發(fā)展需求，考慮區(qū)域水資源承載能力和徑流的豐枯變化，因地制宜設(shè)置分區(qū)、分時(shí)、分層次的水文情勢修復(fù)目標(biāo)；另一方面，小浪底水庫是不完全年調(diào)節(jié)水庫，對連續(xù)枯水年的應(yīng)對能力不足，需要提升黃河梯級水庫群聯(lián)合調(diào)度技術(shù)水平，通過優(yōu)化調(diào)度協(xié)調(diào)多水庫、多目標(biāo)，在連續(xù)枯水年通過梯級水庫群聯(lián)合調(diào)度增加河流生態(tài)水量，增強(qiáng)梯級水庫群的生態(tài)保護(hù)功能。

4 結(jié)論

采用IHA-RVA 法評價(jià)了小浪底水庫運(yùn)行后水文情勢發(fā)生的變化，對比2000-2019 年有小浪底水庫和無小浪底水庫兩種情景下的水文情勢差異，量化了小浪底水庫調(diào)度對黃河下游水文情勢的影響。得到以下結(jié)論。

（1）傳統(tǒng)的IHA-RVA 法反映了水文、取用水、工程條件等多因素變化對水文情勢的復(fù)合影響，無法科學(xué)量化水庫調(diào)度單一因素的作用。本文提出的情景對比法量化了小浪底水庫調(diào)度單一因素對黃河下游水文情勢的影響。

（2）與近天然時(shí)段相比，2000-2019年黃河下游花園口斷面和利津斷面水文情勢發(fā)生了顯著變化。IHA指標(biāo)以高度變化和中度變化為主，月均流量減小的趨勢沿程增大，極端高、低流量事件的平均流量均減小，高流量脈沖發(fā)生次數(shù)與平均持續(xù)時(shí)間減小，水文過程線變化的變化率降低，徑流過程趨于坦化。

（3）小浪底水庫對黃河下游水文情勢的影響與水文情勢的實(shí)際變化情況并不完全一致。2000-2019年小浪底水庫增加了下游1 月和3-7 月的月均流量，降低了其他6 個(gè)月的月均流量；減小了最大1、3 d 平均流量，增大了極端低流量；保障了黃河下游連續(xù)不斷流；減少了高、低流量脈沖的年均發(fā)生次數(shù)，延長了單個(gè)高、低流量脈沖的平均持續(xù)時(shí)間；減小了連續(xù)日流量的變化速率和逆轉(zhuǎn)次數(shù)；減小了高度和中度改變的指標(biāo)數(shù)量。