水庫建設(shè)對河流水文情勢的影響分析

孫晶　路祥

摘要：水庫建設(shè)對河流水文情勢有著重要影響，也關(guān)系著河流生態(tài)系統(tǒng)的正常運行。當(dāng)前水庫建設(shè)是實現(xiàn)水資源合理調(diào)配的重要途徑，而水庫建設(shè)也將引發(fā)河流水文情勢改變，可能導(dǎo)致河流生態(tài)系統(tǒng)失衡。現(xiàn)階段在水文改變度的研究還存在不足，主要體現(xiàn)在單獨分析高流量與基流量，而整體性的分析難以體現(xiàn)水庫建設(shè)對不同流量的影響，并且多數(shù)的研究沒有分析對生態(tài)環(huán)境的影響，通過分析河流水文指標(biāo)生態(tài)學(xué)，根據(jù)斷流、基流量、高流量、退水率、漲水率等指標(biāo)可以掌握水庫建設(shè)前后水文指標(biāo)變化，進而分析水庫建設(shè)對河流水文情勢和周邊生態(tài)系統(tǒng)的影響，為后續(xù)制定生態(tài)系統(tǒng)改善措施提供支持?；诖耍院谌畮鞛槔?，概述了黑泉水庫流水文情勢，之后進行壩址生態(tài)流量保障性分析，提出水庫建設(shè)對河流水文情勢的影響，希望對相關(guān)研究帶來幫助。

關(guān)鍵詞：水庫建設(shè)? 河流? 水文情勢? 生態(tài)系統(tǒng)

Analysis of the Impact of Reservoir Construction on the Hydrological Regime of Rivers

SUN Jing LU Xiang

（1.Water Resources Dispatching Service Center of Water Transfer Project from Datong River to Huangshui River in Qinghai Province; 2.Zhongyan Construction Group Co.， Ltd.， Xining， Qinghai Province， 810001 China）

Abstract： Reservoir construction has an important impact on the hydrological regime of rivers and is also related to the normal operation of river ecosystems. At present， reservoir construction is an important way to achieve the rational allocation of water resources， and reservoir construction will also cause the changes of the hydrological regime of rivers， which may lead to imbalances in river ecosystems. At present， there are still shortcomings in the research on the degree of hydrological alteration， which are mainly reflected in the separate analysis of high flow and base flow， while overall analysis is difficult to reflect the impact of reservoir construction on different flows， and most studies have not analyzed the impact on the ecological environment. By analyzing the ecology of river hydrological indicators， according to indicators such as cutoff， base flow， high flow， retreat rate and rise rate， the changes of hydrological indicators before and after reservoir construction can be grasped， and then the impact of reservoir construction on the hydrological regime of rivers and surrounding ecosystems can be analyzed， so as to provide support for the subsequent formulation of improvement measures for ecosystems. Based on this， this article takes the Heiquan Reservoir as an example， summarizes the hydrological regime of water flow in the Heiquan Reservoir， then analyzes the ecological flow guarantee of the dam site， and proposes the impact of reservoir construction on the hydrological regime of rivers， hoping to provide help for relevant research.

Key Words： Reservoir construction; River; Hydrological regime; Ecosystem

河流生態(tài)是目前環(huán)境保護中的重要內(nèi)容，其會受到流量變化的影響。因此，維持河流生態(tài)功能的前提，即是確保河流具有穩(wěn)定的自然流量，并科學(xué)把握流量變化趨勢。水庫建設(shè)后會改變河流生態(tài)環(huán)境和水文情勢，隨著河流開發(fā)程度加強繼續(xù)帶來生態(tài)水文效應(yīng)。青海省大通縣境內(nèi)的黑泉水庫攔蓄大量的河水，主要用途在于城市供水和農(nóng)田灌溉，進而改變河流原有水文條件、河川徑流量，也破壞了河流水生態(tài)平衡，因此需要對黑泉水庫以及下游的水文情勢進分析，并且建立生態(tài)系統(tǒng)以及河道水量響應(yīng)機制，為后續(xù)設(shè)計水庫調(diào)度方案以及管理部門決策提供科學(xué)指導(dǎo)^[1]。

1? 研究背景

水文情勢主要影響河流能量傳遞、水生物相互作用、物理棲息地、物質(zhì)循環(huán)過程，也是影響生態(tài)完整性、生物多樣性的關(guān)鍵因素。國內(nèi)外關(guān)于水文情勢的研究主要體現(xiàn)在以下方面。

1.1國外分析

諸多國外學(xué)者分析了河流水文情勢，有研究人員分析了考慮發(fā)生時間、歷時、改變率、頻率、流量等水文變異指標(biāo)（IHA），對河流水文情勢進行了客觀的描述，還有研究人員分析了淡水系統(tǒng)和水文改變度的潛在影響，根據(jù)水文站日流量數(shù)據(jù)分析旱澇災(zāi)害程度。在計算機技術(shù)不斷發(fā)展的背景下，工程領(lǐng)域開始使用數(shù)值模擬軟件，其中有學(xué)者借助荷蘭Delft水力研究所研發(fā)的Sobek軟件建立數(shù)學(xué)模型，研究了紅山水庫工程對金溝河水文情勢的影響，還有一項關(guān)于通過Mike11模型研究鄂北調(diào)水工程對漢江中下游水文情勢影響的研究，并且計算結(jié)果和實測值較吻合。不過一維數(shù)值模擬只反映了河道斷面的平均水力要素，未能體現(xiàn)流速、水位等水力要素^[2]。

1.2國內(nèi)分析

國內(nèi)研究人員分析了長江宜昌站，利用米-K檢驗、Spearman秩次相關(guān)檢驗法等分析水文徑流序列的顯著性，根據(jù)已建水庫群的實況調(diào)度信息劃分徑流序列，之后借助應(yīng)用IHA/RVA方法分析了水文情勢改變達(dá)到中等水平，隨著相繼建成水庫群，長江下游河道水文情勢也出現(xiàn)了變化，還有學(xué)者分析了塔里木河水文情勢，通過改進變化范圍法（RVA）掌握多浪水庫的擴建高度改變對下游河道水生生物的產(chǎn)卵、洄游等方面的影響。當(dāng)前水庫建設(shè)對下游水文情勢影響主要研究方面集中在測量水文站實測流量過程、來水來沙條件，還有研究人員用RVA統(tǒng)計分析，或者根據(jù)徑流量和相關(guān)氣象資料，采用線性傾向估計分析。本文對河流水文情勢的影響進行了更加深入的分析。

2? 黑泉水庫水文情勢概述

青海省大通縣境內(nèi)的黑泉水庫位于湟水河支流北川河上游寶庫河上，距離西寧市75 km。黑泉水庫是“引大濟湟”工程一期工程的重要組成部分，工程總投資7.76億元，于1996年開工建設(shè)，2001年下閘蓄水，2006年竣工驗收，水庫總庫容1.82億m³，興利庫容1.32億m³，這一水利樞紐工程綜合效益明顯，作用在于灌溉、城市供水、防洪、發(fā)電。工程主要建筑物包括大壩、溢洪道、導(dǎo)流放水洞、灌溉發(fā)電洞、壩后電站、供水工程。水庫大壩主要材料為砼面板堆砂礫石，大壩右側(cè)布置開敞式岸邊溢洪道；導(dǎo)流洞和龍?zhí)ь^形式的放水洞分布在右岸山體內(nèi)，灌溉發(fā)電洞分布在左岸山體內(nèi)，水電站廠房布置于壩后左岸，供水工程位于壩后左岸臺地^[3]。黑泉水庫已進入運行管理期，蓄水安全鑒定、大壩性狀分析、黑泉水庫大壩安全鑒定及歷年工程觀測資料分析結(jié)論表明，目前工程運行狀況良好 。

寶庫河屬典型的山區(qū)型河流，北川河洪水大多來自寶庫河，洪水由暴雨形成，多出現(xiàn)在7—8月，一次洪水歷時一天左右，具有洪峰高，洪量不大的特性。根據(jù)多年水文資料顯示，寶庫河流域來水特點為年降水量較少（400～600mm），年蒸發(fā)量較大（1 273 mm），多年平均流量為10.1 m³/s，多年平均來水量為3.2億m³，寶庫河河床平均比降8.41‰，流域形狀呈羽毛狀。壩址位于寶庫河下游峽谷段（東經(jīng)101°34′11.1″、北緯37°04′27.7″），河谷為橫向谷呈“U”字形，谷底寬240～250 m，兩岸山體相對高差大于1 000 m，地形較陡，岸坡坡度40°～60°，地震基本烈度為7度。

3? 壩址生態(tài)流量保障性分析

結(jié)合黑泉水庫的流域地形地貌特征、水庫年調(diào)節(jié)能力，建成后會改變下游河道的徑流狀態(tài)，所以水庫壩址需要下泄一定的流量才能滿足壩下河道內(nèi)用水需求。根據(jù)國家頒布的相關(guān)規(guī)定，為維持和保護河段水生生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定，在水庫建設(shè)的過程中需要保證下泄一定的生態(tài)流量，進而實現(xiàn)水資源的合理調(diào)配。生態(tài)流量主要考慮的問題如下：其一，工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生活需水；其二，維持水生生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定用水；其三，維持河道水質(zhì)的最小稀釋凈化用水；其四，維持地下水位動態(tài)平衡補給用水，黑泉水庫建設(shè)期間主要是考慮生活需水量、維持水生生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定所需水量等因素，結(jié)合水庫下游河道用水情況對用水情況進行分析，其中為了所需水量并取最大值，主要選擇方法為Tennant法、最小月平均徑流法和90%保證率法^[4]。

4? 水庫建設(shè)對河流水文情勢的影響

由于黑泉水庫為季節(jié)調(diào)節(jié)型水庫，在運行期間可以起到調(diào)蓄作用，進而實現(xiàn)庫區(qū)及壩下河段水文狀況變化，根據(jù)工程搜集的資料和數(shù)據(jù)顯示，這一水庫的正常蓄水位為50 m，水庫容量為1.82億m³，結(jié)合水庫調(diào)度運行方式，每年8—9月的汛期為下游預(yù)留防洪庫容，將水位控制在2 887.75 m左右，而非汛期設(shè)計洪水位控制在2 894.12 m，在庫區(qū)河段平均水位較核洪水位2 894.12 m時平均流速大幅減緩，說明水庫對徑流的調(diào)節(jié)能力下降，通過對比工程前壩址斷面平水年和枯水年的季度徑流變化，證實枯水年和平水年的季度徑流變化基本一致，不過豐水期徑流略少于平水期，枯水期出現(xiàn)小幅度增加情況，平水期和枯水期的季度徑流穩(wěn)定，通過分析該水利工程項目季度徑流變化可看到水庫修建后起到調(diào)節(jié)壩下徑流的作用，有效增加了壩下河道的枯水流量，讓下段河道水環(huán)境穩(wěn)定性提升，有利于保護下游的水體功能，讓生態(tài)系統(tǒng)更加穩(wěn)定。對河流水文情勢的影響具體表現(xiàn)在以下方面。

4.1 對初期蓄水的影響

結(jié)合本工程的整體設(shè)計情況，10天的蓄水量水位達(dá)到2 876.50 m，蓄水早期主要采用導(dǎo)流以及泄洪沖沙洞向下游供水。結(jié)合水庫壩址斷面下泄水量計算結(jié)果，在蓄水早期平均流量每秒下降6.14 m³，并且蓄水早期壩址斷面下泄流量較為穩(wěn)定，數(shù)值在每秒1.86 m³，達(dá)到下泄生態(tài)基流要求，同時滿足灌溉區(qū)域用水要求^[5]。

4.2 對施工期的影響

本工程采取上下游圍堰擋水的方法，并且對河床一次性截斷，主要的導(dǎo)流方法為導(dǎo)流洞、泄洪沖沙洞。根據(jù)施工組織設(shè)計，截流施工在8月底進行。截流時的技術(shù)難點在于截流龍口寬度大小不同，龍口泄流期間逐漸轉(zhuǎn)變成導(dǎo)流和泄洪沖沙洞泄流，下泄流量為河道天然來流量，所以截流過程未對下游水文情勢帶來影響，截流完成后主要采用導(dǎo)流以及泄洪沖沙洞方法，下泄流量為河道帶來更多的天然來水量，未影響對下游水文情勢。

4.3 對工程運行的影響

4.3.1對壩址下游河段泥沙情勢的影響

黑泉水庫的主要作用在于攔蓄泥沙，水庫正常工作后流水也會沖刷壩址下游河道，這一過程中下泄清水導(dǎo)致壩址區(qū)段向下游推進，不過沖刷強度隨著距離增加開始下降。在水庫內(nèi)泥沙淤積逐漸平衡后，水庫清水下泄逐漸減輕了對壩下河段的沖刷程度，隨著時間的延長河道沖淤再次恢復(fù)平衡。在水庫建成后，下泄水流中的平均含沙量明顯減少，并且泥沙粒徑相比建設(shè)初期粒徑更細(xì)，有效避免下游河道出現(xiàn)泥沙淤積的情況，起到改善下游河道運行環(huán)境的作用.

4.3.2對水庫庫區(qū)泥沙情勢的影響

水庫位于湟水河支流北川河上游寶庫河上，庫區(qū)河段天然河床比降穩(wěn)定在17.1%，水流挾沙能力較強，并且來水懸移質(zhì)泥沙粒徑較細(xì)，中粗砂占比下降，并且為水流挾沙和排沙帶來便利。結(jié)合泥沙淤積計算結(jié)果，水庫汛期在2 886.60 m工作環(huán)境下，約65%的懸移質(zhì)泥沙流進死庫容，估計淤滿需要30年并且達(dá)到?jīng)_淤平衡，估算殘余死庫容10萬m³，殘余調(diào)節(jié)庫容3 271萬m³，可以保證調(diào)節(jié)庫容^[6]。

4.4 對運行期的影響

4.4.1對下游河段水文情勢的影響

在工程完成后改變了下游灌區(qū)需水過程和需水量，下游河段引水過程也出現(xiàn)了變化，進而影響了工程建設(shè)前的河道徑流過程，通過分析黑泉水庫壩址斷面，根據(jù)P=75%來水頻率計算發(fā)現(xiàn)相比現(xiàn)狀年壩址斷面年下泄徑流量減少接近500萬m³，減少幅度接近2.8%，其中每年1月、2月、5月、11月大的下泄流量減少幅度0.5%～78.8%，8月減幅最大；其他月份的下泄流量不同程度增加，增加幅度為10.6%～210.2%，4月和6月增幅相對較高；根據(jù)在P=50%來水頻率計算發(fā)現(xiàn)相比現(xiàn)狀年，壩址斷面年下泄徑流量減少接近500萬m³，減少幅度接近2.8%；其中每年1月、2月、3月、6月、10月下泄流量不同程度增加，增加幅度為2.8%～323.8%，3—5月增幅較高；除了2月份其他月份下泄流量不同程度減少，減少幅度為1.2%～63.4%，并且8月份減少幅度最大。

4.4.2對庫區(qū)水文情勢的影響

黑泉水庫完工后開始蓄水，水庫壩前距離庫區(qū)回水尾端5 km處的天然河段形成水庫形態(tài)，并且水深、流動速度、水面面積出現(xiàn)變化。庫區(qū)回水區(qū)域相比庫區(qū)建成前的水面面積和水深會都有提升，由回水尾端到壩前水深的增幅出現(xiàn)提升，最高水深幅度可達(dá)70 m；庫區(qū)內(nèi)由庫區(qū)回水末端到壩前流速減緩，在壩前斷面減速最為明顯。水庫穩(wěn)定工作時水位在2 864 m～2 886 m范圍內(nèi)不斷變化，水深變幅接近32 m。

4.5 對考核斷面生態(tài)流量的影響

黑泉水庫位于湟水河支流北川河上游寶庫河的上游，與下游的大壩斷面距離為56 km、與潢河口斷面距離為98 km，水庫建成運行后可以進一步滿足生活用水、工業(yè)用水和農(nóng)業(yè)灌溉用水，并且對河道徑流豐枯起到調(diào)節(jié)作用。根據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)進一步分析，建庫后90%保證率大壩考核1斷面每秒流量為1.99 m³，大于技術(shù)方案規(guī)定的生態(tài)流量每秒流量為1.11 m³，并且考核2斷面每秒流量為2.08 m³，滿足生態(tài)流量調(diào)查評價及閘壩聯(lián)合調(diào)度方案的每秒流量為1.25 m³規(guī)定，在水庫建設(shè)后兩個考核斷面多年平均徑流量分別減少7.2%、6.3%，并且憑借對下游枯水期徑流的調(diào)節(jié)作用可以保障下游河道生態(tài)流量。

4.6 對下游河道水質(zhì)的影響

在施工結(jié)束后庫區(qū)的河段水位逐漸升高，并且過水?dāng)嗝婧退疃紩?，而水流速度相對變慢。這一過程中水體中的污染物稀釋和擴散能力開始下降，在一定程度上對水生態(tài)環(huán)境造成影響，對下游河道水質(zhì)的影響主要在于下泄水的水質(zhì)狀況和徑流的調(diào)節(jié)能力，需要在施工結(jié)束后增加枯水流量，讓過水流量趨于穩(wěn)定，進而有助于壩下河段水質(zhì)的保持。

4.7 對壩下類生態(tài)資源的影響

黑泉水庫建成后需要分析水庫的調(diào)度與調(diào)節(jié)作用，由于河流水位、流量、流速都出現(xiàn)不同程度的下降，所以壩下自然水位變動幅度下降直接導(dǎo)致了河流沿岸地帶的生態(tài)環(huán)境層次沒有原來豐富，破壞了部分流水性魚類生存環(huán)境，其中波峰型產(chǎn)卵魚類的繁殖環(huán)境受到嚴(yán)重破壞，因難以適應(yīng)環(huán)境變化出現(xiàn)數(shù)量減少的問題。因此在黑泉水庫運營期間充分考慮了調(diào)水方式的科學(xué)性，最大程度的營造魚類漂流性繁殖環(huán)境，結(jié)合水文水力學(xué)條件形成人造洪峰，避免了水庫下游出現(xiàn)減水與脫水河段。再如水庫供水增加的情況下也為下游的河段增加水量，進而降低水庫在干燥地區(qū)發(fā)生洪水泛濫的概率。此外，要合理確定河段的最小生態(tài)流量，進而滿足水生動物的生存需要。

4.8 對水量變化偏離度的影響

4.8.1月平均徑流量變化

黑泉水庫建成后下游處于非汛期月徑流量下降幅度較大，在3月減少幅度為每秒21.6 m³，而水庫建設(shè)運行時汛期在不同程度降低月均徑流量，對6月、7月、8月影響最大。

4.8.2年極端流量發(fā)生時間

水庫建成后相較上一年度最小流量、最大流量出現(xiàn)時間分別提前24 d、17 d。水生物種的凈化和魚類繁衍棲息環(huán)境明顯受到年極端流量發(fā)生時間影響，并且汛期漲水時一般為魚類產(chǎn)卵繁衍期，通過提前最大流量出現(xiàn)時間改變了魚類繁殖的行為過程。

4.8.3高低流量的頻率

分析了河床結(jié)構(gòu)、泥沙運輸特征，之后通過高低流量頻率減少低流量持續(xù)時間和次數(shù)，在一定程度上減少河灘干旱出現(xiàn)情況，水庫枯補主要體現(xiàn)在河灘自然發(fā)展情況，黑泉水庫建庫前、后高流量次數(shù)為5.35、4.72次，下降0.63次。

4.8.4流量變化改變率及頻率

河流中水生生物種群受到流量變化的改變率影響，所以需要在適當(dāng)范圍保持二者變化率，逆轉(zhuǎn)次數(shù)越高導(dǎo)致水量波動越大，對周邊環(huán)境變化周期影響越嚴(yán)重，調(diào)查發(fā)現(xiàn)黑泉水庫建庫運行后逆轉(zhuǎn)次數(shù)多達(dá)112.45次，具有積極影響。

5? 結(jié)語

綜上所述，水庫的建設(shè)與運行直接影響河道的水文情勢，主要影響要素包括水資源量、流量、流速、水深、泥沙含量，而水庫的建設(shè)在提高防洪能力、改善河道水生生境方面也有重要影響，需要在建設(shè)前期分析壩址、考核斷面的生態(tài)流量，全面考慮水庫建設(shè)對水文情勢的影響因素，之后合理調(diào)度，進而逐步改善潢河生態(tài)系統(tǒng)平衡狀態(tài)，實現(xiàn)水利工程與生態(tài)環(huán)境的平衡發(fā)展，為后代造福。

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