某區(qū)域生態(tài)水文情勢(shì)變化研究

富隋小慶,蔣超華

(1.山東省物化探勘查院,濟(jì)南 250013;2.山東省地質(zhì)勘查工程技術(shù)研究中心,濟(jì)南 250013)

1 概 述

水資源直接關(guān)系到人們的生產(chǎn)生活及生態(tài)安全,隨著水域水利工程不斷的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用,水域生態(tài)水文情勢(shì)發(fā)生了較大的改變,進(jìn)而改變了水域水資源的流量及水資源生態(tài)系統(tǒng)平衡。

針對(duì)水利工程的建造對(duì)生態(tài)水文情勢(shì)的影響,國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家學(xué)者開(kāi)展了相關(guān)研究。關(guān)于水文情勢(shì)的研究,始于Richter［1］在1997年提出的水文評(píng)價(jià)指標(biāo)法(Indicators of Hydrologic Alteration,IHA),進(jìn)而建立了一套較為完整的水資源生態(tài)管理系統(tǒng)。Galat［2］基于IHA理論,對(duì)密蘇里河生態(tài)水文情勢(shì)進(jìn)行了分析。陳啟慧等［3］基于IHA理論,分析了葛洲壩建設(shè)對(duì)長(zhǎng)江生態(tài)水文情勢(shì)的影響?；?997年提出的IHA理論,Richter［4］又建立了水文變化范圍方法(Range of Variability Approach,RVA),在此之后,基于IHA-RVA結(jié)合理論不斷應(yīng)用于生態(tài)水文評(píng)價(jià)。李舒等［5］分析了水土保持水利工程建設(shè)、礦產(chǎn)資源開(kāi)發(fā)對(duì)窟野河生態(tài)水文情勢(shì)的影響。Mwedzi等［6］對(duì)Manyame河流流域在壩體建造后的水文情勢(shì)變化進(jìn)行評(píng)價(jià)。胡娜等［7］基于龍川水文站監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),分析了東江流域在楓樹(shù)壩建造前后水文情勢(shì)變化。胡曉張等［8］以人工采砂為研究背景,分析了東江中下游河流的水文情勢(shì)變化。

綜合上述文獻(xiàn)研究成果,本文基于IHA-RVA理論,對(duì)某區(qū)域生態(tài)水文情勢(shì)指標(biāo)在水庫(kù)修建前后的變化進(jìn)行分析。

2 工程概況

本文所研究的某水域地處低山及丘陵地區(qū),氣候區(qū)劃分為亞熱帶丘陵區(qū)濕潤(rùn)季風(fēng)氣候。受氣候條件影響,該地區(qū)降雨較多,年平均降雨量1 600mm,水域流域面積3 523.00km2,且年降雨受季節(jié)影響較大,汛期為4-9月份,一年中降雨極值與均值的比值為2.4。該水域主要包括兩條主要水系,即A水系和B水系,且分別配備有A水文站及B水文站,分別建造有A水庫(kù)及B水庫(kù)。A水庫(kù)建于1997年,水庫(kù)容量2.51×106m3,泄洪流量209.7m3/s ;B水庫(kù)建于2005年,水庫(kù)容量4.40×105m3,泄洪流量3 990m3/s。

3 研究方法

研究數(shù)據(jù)采用A水文站及B水文站在1980-2020年間的逐日平均流量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),進(jìn)而探究?jī)蓚€(gè)水庫(kù)建造前后水溫情勢(shì)的變化情況。采用的研究方法為基于水文改變指標(biāo)法(Indicators of Hydrologic Alteration,IHA)的變化范圍方法(Range of Variability Approach,RVA),使用IHA- RVA方法對(duì)A水庫(kù)及B水庫(kù)建造前后的水文情勢(shì)變化情況進(jìn)行評(píng)價(jià);對(duì)于該水域的整體水文情勢(shì)變化情況,采用IHA評(píng)價(jià)方法進(jìn)行評(píng)價(jià)。

依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)及文獻(xiàn)［9］的研究成果,RVA的閾值取值為:指標(biāo)平均值法、以75%及25%作為目標(biāo)邊界法。采用閾值法評(píng)價(jià)水文情勢(shì)變化的方法為:若水文變異后的流量值處于閾值范圍之外,表明生態(tài)水文情勢(shì)受水文變化的影響較大,易造成不良的后果;若水文變異后的流量值部分處于閾值范圍內(nèi),表明生態(tài)水文情勢(shì)受水文變化的基本無(wú)影響,水域自然流量保持較好的發(fā)展水平。

水文改變指標(biāo)評(píng)價(jià)的分析方法主要有單個(gè)指標(biāo)改變度、綜合指標(biāo)改變度兩種計(jì)算方法［10］。

4 結(jié)果分析

4.1 研究時(shí)間分段

基于A水庫(kù)及B水庫(kù)的建造時(shí)間,將A水文站及B水文站監(jiān)測(cè)得到的逐日平均流量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)劃分為兩個(gè)時(shí)間段:對(duì)于水文改變前的水流流量研究,分別選取1980-1997、1980-2005年的逐日平均流量時(shí)序數(shù)據(jù)作為研究對(duì)象;對(duì)于水文改變后的水流流量研究,分別選取1998-2020、2006-2020年的逐日平均流量時(shí)序數(shù)據(jù)作為研究對(duì)象,使用IHA-RVA方法進(jìn)行分析,分別取75%及25%作為研究閾值限值。

4.2 水文改變度分析

4.2.1 月均值流量變化

圖1為水文變化前后月均徑流量、降雨量差值在不同月份的變化情況。在4-9月份的汛期,A水文站及B水文站月均徑流量是一年中最大的月份,采用水文改變指標(biāo)計(jì)算得到的水文改變度分別為44.9%和43.8%。改變度D值的劃分依據(jù)為:當(dāng)D∈［0,33%)時(shí),水文改變度為低度改變;當(dāng)D∈［33%,67%)時(shí),水文改變度為中度改變;當(dāng)D∈［67%,100%)時(shí),水文改變度為高度改變。因此,4-9月份A水文站及B水文站為中度改變。

圖1 水文改變前后徑流量及降雨量差值

A水系一年中水域流量變化為:3-6月份流量不斷減少、11月至次年2月份流量不斷增加,其中5月份流量減少最多、次年1月份增加最多。A水系水文改變發(fā)生在1997年,水文改變后,流量減少月份主要集中在3-6月份,減少量為2～9.7m3,其它月份呈現(xiàn)不同程度增加,但增加量較少。在2-4月份降雨量相較于水文改變前減少50mm左右,這一變化直接引起A水系的流量變化,且兩者出現(xiàn)的時(shí)間呈現(xiàn)有明顯的滯后性。對(duì)比A水系的降雨量可以發(fā)現(xiàn),春季的降雨量減少,水電站蓄水量增加,進(jìn)而導(dǎo)致5月份水域流量明顯減少。

對(duì)于B水文站,一年中水域流量變化為:3、4、10月份流量不斷減少,其余月份有所增加。B水系水文改變發(fā)生在2005年,水文改變后,流量增加月份主要集中在5-8月份,減少量為3.5～7.5m3;在5-7月份,降雨量相較于水文改變前增加40mm左右。

A水系與B水系在水域流量及降雨量方面存在差別?；诖杭窘涤炅繙p少的前提下,A水系流量明顯減少,B水系流量在3-4月份一定程度上減少、5月份明顯增加。兩水系流量出現(xiàn)這種變化的原因主要為:水電站調(diào)節(jié)管控能力、水系流域特性,表明相較于A水庫(kù)的蓄水能力,B水庫(kù)蓄水能力明顯較差。

4.2.2 年極值流量變化

圖2為兩水文站在1980-2020年的最小日流量及最大日流量隨時(shí)間變化圖。對(duì)比水文變化前后可以發(fā)現(xiàn),變化后的兩水電站流量降低明顯,流量閾值差值減小,表明水庫(kù)的修建對(duì)水文條件的改善效果顯著。由圖2(a)和圖2(c)可知,A水文站在水文改變前后,一日內(nèi)最小流量有所增加,一日內(nèi)最大流量有所減少,其中部分月份的日流量超出閾值界限,且相較于水文改變前,閾值差值減小。表明水文改變后,低流量水平有所增加,高流量水平有所降低,水文條件大為改善,保證了該水系生態(tài)水文的穩(wěn)定性。由圖2(b)和圖2(d)可知,對(duì)于B水文站,一日內(nèi)最小流量變化較小,一日內(nèi)最大流量有所減少,閾值的差值減小。表明水文改變后,低流量水平保持穩(wěn)定,高流量水平有所降低,對(duì)生態(tài)水文情勢(shì)起到了一定的改善作用。

圖2 極值流量變化

4.2.3 年極端流量發(fā)生時(shí)間

表1為兩水文站最大、最小流量在水文改變前后出現(xiàn)的時(shí)間。由表1可知,A水庫(kù)最大、最小流量在水文改變后出現(xiàn)的時(shí)間均有所提前,最大、最小流量出現(xiàn)的時(shí)間均提前半個(gè)月左右,閾值改變度為4.35%,屬于低度改變。B水庫(kù)最小流量在水文改變后出現(xiàn)的時(shí)間有所提前,而最大流量在水文改變后出現(xiàn)的時(shí)間有所延遲,但變化幅度較小,表明水文變化對(duì)極端流量發(fā)生時(shí)間的影響較小,但流量閾值改變度較大,屬于高度改變,這一變化有可能引起生態(tài)水文情勢(shì)的失衡。

表1 兩水文站最大、最小流量在水文改變前后出現(xiàn)的時(shí)間

4.2.4 高低流量脈沖時(shí)頻特征分析

圖3為兩水文站在1980-2020年的高、低脈沖頻次隨時(shí)間變化圖。由圖3可知,該水域脈沖受上游水電站的影響較小,A水文站低脈沖改變度為中度,B水文站高低脈沖改變度為低度,且A、B水文站水文改變后高低脈沖次數(shù)均呈現(xiàn)不同程度增多、變化幅度增大。張文浩等［11］等研究表明,低脈沖次數(shù)增多、變化幅度增大會(huì)引起該水域在旱季水流量減小。B水文站脈沖值超過(guò)RVA的上限,張文浩等研究顯示,高脈沖次數(shù)增多會(huì)增大汛期洪澇災(zāi)害的發(fā)生。對(duì)于高低脈沖的持續(xù)時(shí)間,當(dāng)?shù)兔}沖持續(xù)時(shí)間逐漸縮短時(shí),會(huì)促進(jìn)區(qū)域水文情勢(shì)的穩(wěn)定;當(dāng)高脈沖持續(xù)時(shí)間逐漸縮短時(shí),反而會(huì)引起區(qū)域水文情勢(shì)不確定性災(zāi)害的發(fā)生。

圖3 高低脈沖次數(shù)變化

4.2.5 流量改變率及頻率

圖4為該區(qū)域A、B水文站流量逆轉(zhuǎn)頻次隨時(shí)間的變化圖。由圖4可以看出,對(duì)于A水文站的流量,漲水率呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)、退水率呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)、水文改變度D為56.4%,該水域流量總體變化為逐漸減小;對(duì)于B水文站的流量,漲水率、退水率均呈現(xiàn)為上升的趨勢(shì)、水文改變度D為21.2%,該水域流量總體變化為逐漸減小。流量頻次的變化會(huì)造成該水域生態(tài)系統(tǒng)的變化,尤其是流量逆轉(zhuǎn)頻次的變化對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響巨大,會(huì)直接引起水生生物生存環(huán)境的惡化。

4.2.6 整體水文改變度

整體水文改變度可以有效反映水文變化對(duì)生態(tài)水文情勢(shì)的影響,對(duì)A、B水文站的32項(xiàng)水文指標(biāo)進(jìn)行分析得到統(tǒng)計(jì)圖,見(jiàn)圖5。由圖5及RVA目標(biāo)分級(jí)可以看出,對(duì)于A水文站的32項(xiàng)指標(biāo)水文改變度,其中前三項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到100%,有18.7%的指標(biāo)改變度為D∈［33%,100%),為高度改變;有40.5%的指標(biāo)改變度為D∈［33%,67%),為中度改變;有46.9%的指標(biāo)改變度為D∈［0,33%),為低度改變,整體上A水文站在水文改變前后出現(xiàn)較大變化。對(duì)于B水文站的32項(xiàng)指標(biāo)水文改變度,有9.37%的指標(biāo)改變度為D∈［33%,100%),為高度改變;有28.2%的指標(biāo)改變度為D∈［33%,67%),為中度改變;有62.4%的指標(biāo)改變度為D∈［0,33%),為低度改變,整體上B水文站在水文改變前后變化較小。該水域整體水文改變度為50.2%,為中度改變。

圖4 流量逆轉(zhuǎn)頻次變化

圖5 整體改變度圖

5 結(jié) 論

本文基于改進(jìn)的RVA-IHA法,對(duì)某水域生態(tài)水文情勢(shì)進(jìn)行了分析,并根據(jù)1980-2020年逐日流量監(jiān)測(cè)時(shí)序數(shù)據(jù),定量分析了水利工程對(duì)該水域A、B兩支流、水文站、水庫(kù)流量的影響。結(jié)論如下:

1)對(duì)于不同水文改變指標(biāo),高低流量的頻率及延時(shí)受水文改變的影響程度最低,水文改變度為26.2%;流量變化率及概率受水文改變的影響程度最高,水文改變度為61.4%。

2)該水域整體水文改變度為50.2%,為中度改變,且兩支流受水溫改變的影響大小為A支流大于B支流。

3)水文改變會(huì)引起水域不同指標(biāo)的變化,要基于實(shí)際情況促進(jìn)有利的指標(biāo),減小反面指標(biāo)對(duì)該水域生態(tài)水文情勢(shì)的負(fù)面影響。