水庫(kù)運(yùn)行對(duì)河流水文情勢(shì)影響分析
——以龍羊峽、小浪底水庫(kù)為例

陳秀秀，葉盛，潘海龍，王金，冉啟華

（1.浙江大學(xué)建筑工程學(xué)院，浙江杭州 310058；2.河海大學(xué)水利水電學(xué)院，江蘇南京 210098）

0 引言

河流的自然流態(tài)對(duì)維持生物多樣性和河流生態(tài)系統(tǒng)的完整性至關(guān)重要［1］。水庫(kù)大壩的修建雖然能夠滿足人們發(fā)電、灌溉、供水、防洪、抗旱、航運(yùn)等多種需求，但同時(shí)也改變了河流的天然水文形態(tài)［2］。據(jù)國(guó)際大壩委員會(huì)統(tǒng)計(jì)，截至2020年4月，全球現(xiàn)有大壩數(shù)量為58 713座，其中中國(guó)23 841座，占40.6%［3］。這些水庫(kù)大壩的修建運(yùn)行帶來(lái)的河流水文情勢(shì)變化程度究竟如何，不同的水庫(kù)帶來(lái)的變化又有何不同。關(guān)于這方面的研究分析有助于加深對(duì)水庫(kù)生態(tài)影響的了解，同時(shí)給水庫(kù)調(diào)度的優(yōu)化提供方向。

1996 年Richter 等提出了32 個(gè)水文變化指標(biāo)（Index of Hydrologic Alternation，IHA），從流量的程度、時(shí)間、頻率、歷時(shí)和變化5 方面評(píng)估河流水文情勢(shì)的改變［4］，在他們1998 年發(fā)表的關(guān)于河網(wǎng)水文變化的空間評(píng)估的論文中IHA 指標(biāo)被補(bǔ)充到33個(gè)［5］。Olden等比較了171種水文指標(biāo)，證實(shí)了IHA 指標(biāo)的優(yōu)越性［6］。變化范圍法（Range of Variability Approach，RVA）是Richter等1997年提出的，通過(guò)計(jì)算受干擾后的IHA指標(biāo)數(shù)值落在根據(jù)干擾前IHA 指標(biāo)數(shù)值得到的目標(biāo)范圍內(nèi)的數(shù)量，評(píng)估IHA指標(biāo)變化程度的高低［7］。

Richter 提出的IHA 指標(biāo)和變化范圍法，被廣泛的應(yīng)用于人類活動(dòng)，特別是水庫(kù)的修建運(yùn)行對(duì)河流水文情勢(shì)的影響分析。Li等［8］基于變化范圍法分析三門峽水庫(kù)和小浪底水庫(kù)不同運(yùn)行方式對(duì)黃河下游水文情勢(shì)的影響，發(fā)現(xiàn)不同運(yùn)行方式下的生態(tài)水文特征存在明顯差異；馬超等［9］采用變化范圍法分析了龍羊峽、劉家峽水庫(kù)運(yùn)行前后頭道拐的水沙變化，發(fā)現(xiàn)徑流量和含沙量均發(fā)生中度改變，但徑流量整體改變度高于含沙量；Song等［10］利用水文變化指標(biāo)和變化范圍法分析了全國(guó)范圍內(nèi)水庫(kù)蓄水對(duì)河流水文狀況的影響，發(fā)現(xiàn)總體變化程度為中等，其中變化次數(shù)、變化率和極端最小流量這三個(gè)指標(biāo)受到的影響最大。

過(guò)去的研究多選取水庫(kù)下游某個(gè)站點(diǎn)，比較該站點(diǎn)的各項(xiàng)水文指標(biāo)在水庫(kù)修建前后的變動(dòng)［11-15］。這樣的比較方法能夠有效反映出下游站點(diǎn)處水文情勢(shì)的變動(dòng)，但當(dāng)其用于反映水庫(kù)本身對(duì)下游的影響時(shí)，存在兩點(diǎn)主要問(wèn)題：①難以將水庫(kù)的影響和其他人類活動(dòng)以及氣候變化分割開來(lái)以確定水庫(kù)的實(shí)際影響。以黃河中游為例，近幾十年大量的水土保持活動(dòng)，如植樹造林、淤地壩和梯田的修建等，使得進(jìn)入下游的流量和沙量本身就發(fā)生了較大改變［16，17］。因此，若要研究三門峽和小浪底水庫(kù)的修建對(duì)下游水文情勢(shì)的影響，僅對(duì)下游站點(diǎn)在建庫(kù)前后的水文數(shù)據(jù)做比較分析并不能得到水庫(kù)的實(shí)際影響；②用建壩前后的水文數(shù)據(jù)做分析對(duì)數(shù)據(jù)本身的要求也較高，有些水庫(kù)修建時(shí)間較早，下游站點(diǎn)的已有數(shù)據(jù)資料無(wú)法滿足研究需求，使得相關(guān)研究被進(jìn)一步限制。

本文提出了一個(gè)評(píng)估水庫(kù)的修建及運(yùn)行對(duì)下游河道帶來(lái)的水文影響的新思路，即將出庫(kù)流量與同時(shí)段的入庫(kù)流量進(jìn)行比較，時(shí)間序列一致，可排除氣候和上游人類活動(dòng)影響，且水庫(kù)建成后的出入庫(kù)徑流資料相對(duì)齊全，能滿足研究需求。后文為了簡(jiǎn)化起見(jiàn)，以方法1 代表常用比較方法，方法2 代表本文提出的新方法。選取了黃河干流2個(gè)多年調(diào)節(jié)水庫(kù)——龍羊峽水庫(kù)和小浪底水庫(kù)，分別作為上游人類活動(dòng)干擾少和干擾多的水庫(kù)的代表，比較方法1 和方法2 計(jì)算結(jié)果的異同，以探究方法2 的可行性。然后進(jìn)一步分析了方法2計(jì)算得出的兩水庫(kù)運(yùn)行對(duì)下游河道水文情勢(shì)的影響，以期為水庫(kù)的優(yōu)化運(yùn)行提供一定的參考。

1 研究對(duì)象與方法

1.1 研究對(duì)象與研究數(shù)據(jù)

龍羊峽水庫(kù)位于黃河上游青海省，是上游唯一一座具有多年調(diào)節(jié)性能的水利樞紐［18］，1986年10月下閘蓄水，1987年10月第一臺(tái)機(jī)組開始發(fā)電。水庫(kù)多年平均入庫(kù)徑流量186.5 億m3［19］。我們選取唐乃亥站為入庫(kù)站，貴德站為出庫(kù)站，兩個(gè)站點(diǎn)相距189 km，中間無(wú)較大支流匯入。將1985年及以前劃分為水庫(kù)影響前階段，1988 年及以后為影響后階段，選取了貴德站1962-1985 共24 年的水沙數(shù)據(jù)用于建庫(kù)前數(shù)據(jù)分析，建庫(kù)后數(shù)據(jù)的時(shí)間范圍為1988-1997，2006-2013共18年。

小浪底水庫(kù)位于河南省洛陽(yáng)市與濟(jì)源市之間，是黃河干流上最后一座擁有較大庫(kù)容的控制性工程，于1999 年10 月投入使用。水庫(kù)建成后多年平均入庫(kù)徑流量215.73 億m3。入庫(kù)水文站為三門峽站，出庫(kù)水文站為小浪底站，兩個(gè)站點(diǎn)相距129 km，中間無(wú)較大支流匯入。由于缺失小浪底水文站1988-1999年水文資料（這一時(shí)段小浪底水庫(kù)尚未建成，但其上游所有多年調(diào)節(jié)水庫(kù)都已投入使用，可以排除上游水庫(kù)的影響），考慮到三門峽站和小浪底站距離較近，中間沒(méi)有大支流匯入，徑流情勢(shì)比較接近，選取三門峽站1988-1999 年的徑流資料代替小浪底站在水庫(kù)影響前的徑流數(shù)據(jù)，水庫(kù)影響后的數(shù)據(jù)時(shí)長(zhǎng)為2000-2017年共計(jì)18年的數(shù)據(jù)。

上述所有水文站徑流數(shù)據(jù)和含沙量數(shù)據(jù)均來(lái)自黃河水利科學(xué)研究院，數(shù)據(jù)的時(shí)間尺度為日尺度。兩個(gè)水庫(kù)的具體位置及進(jìn)出庫(kù)水文站的位置見(jiàn)圖1。

圖1 研究水庫(kù)位置示意圖Fig.1 Location of research reservoirs

1.2 研究方法

1.2.1 IHA參數(shù)

IHA參數(shù)包括月流量狀況、極端水文現(xiàn)象的大小和歷時(shí)、極端水文現(xiàn)象的出現(xiàn)時(shí)間、高低脈沖流量的頻率與歷時(shí)以及流量漲落的變化情況5 組類型共計(jì)33 個(gè)指標(biāo)，每個(gè)指標(biāo)都與生態(tài)功能密切相關(guān)［19］。具體的參數(shù)及其對(duì)應(yīng)的生態(tài)影響見(jiàn)表1。

表1 IHA參數(shù)及其生態(tài)影響Tab.1 IHA parameters and their impacts on ecosystem

1.2.2 RVA法

RVA 法是用來(lái)定量評(píng)估IHA 參數(shù)的變化程度的。首先需要根據(jù)未受干擾的參考數(shù)據(jù)得到目標(biāo)范圍。方法1中33個(gè)IHA參數(shù)的參考數(shù)據(jù)由水庫(kù)建成前下游水文站多年來(lái)記錄的日徑流量分析處理得到，而方法2 中IHA 參數(shù)的參考數(shù)據(jù)則由水庫(kù)建成后入庫(kù)水文站記錄的多年日徑流量得到。

目標(biāo)范圍通常為參考數(shù)據(jù)的25%～75%，即將對(duì)應(yīng)參數(shù)的參考數(shù)據(jù)由大到小排列，取中間50%的數(shù)據(jù)，這部分?jǐn)?shù)據(jù)的最大值即為目標(biāo)范圍的上限，最小值即為目標(biāo)范圍的下限。那么分析數(shù)據(jù)在未受干擾的情況下，預(yù)期落在該范圍內(nèi)的數(shù)量也為一半。實(shí)際受干擾后的分析數(shù)據(jù)落在目標(biāo)范圍內(nèi)的數(shù)量與預(yù)期數(shù)量越接近，說(shuō)明干擾對(duì)河流的水文情勢(shì)影響越??；二者的差距越大，說(shuō)明河流水文情勢(shì)被影響的越大，生態(tài)系統(tǒng)被破壞的越嚴(yán)重［5］。具體計(jì)算公式如下：

式中：n為指標(biāo)的個(gè)數(shù)；ei為第i個(gè)指標(biāo)的變化程度計(jì)算結(jié)果，取值范圍為0～1；No，i是實(shí)際分析數(shù)據(jù)落在目標(biāo)范圍內(nèi)的數(shù)量；Ne，i是預(yù)期數(shù)據(jù)落在目標(biāo)范圍內(nèi)的數(shù)量。詳細(xì)的計(jì)算方式可見(jiàn)Richter等1998年發(fā)表的關(guān)于河網(wǎng)水文變化評(píng)估的研究［5］。當(dāng)ei值小于等于0.33時(shí)，說(shuō)明干擾帶來(lái)的生態(tài)影響較小；當(dāng)值在0.33～0.67 之間，說(shuō)明水庫(kù)調(diào)度給生態(tài)帶來(lái)了中等程度的影響；當(dāng)值大于等于0.67時(shí)，說(shuō)明水庫(kù)調(diào)度帶來(lái)的生態(tài)影響較大。D為ei的均值，用于表征綜合變化程度。

1.2.3 配對(duì)t檢驗(yàn)

t檢驗(yàn)是對(duì)兩組符合t分布的數(shù)據(jù)資料進(jìn)行差異比較的統(tǒng)計(jì)學(xué)方法［20］。當(dāng)這兩組樣本數(shù)據(jù)是配對(duì)設(shè)計(jì)得到，且存在明顯正相關(guān)關(guān)系時(shí)，應(yīng)該采用配對(duì)t檢驗(yàn)進(jìn)行分析［21］。本文中的配對(duì)t檢驗(yàn)借助IBM SPSS statistics 22.0軟件實(shí)現(xiàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同計(jì)算方法結(jié)果比較

2.1.1 龍羊峽水庫(kù)

兩個(gè)計(jì)算方法得到的龍羊峽水庫(kù)IHA 參數(shù)變化程度的結(jié)果見(jiàn)表2。方法2 有8 個(gè)參數(shù)的計(jì)算結(jié)果大于方法1，有16 個(gè)參數(shù)的計(jì)算結(jié)果小于方法1，有9 個(gè)參數(shù)的計(jì)算結(jié)果與方法1 相同，綜合變化程度方法2 略小于方法1，但二者均屬于高度改變。

表2 龍羊峽水庫(kù)兩種方法水文情勢(shì)影響計(jì)算結(jié)果Tab.2 Calculation results of two methods for hydrological regime impact of Longyangxia Reservoir

圖2 為龍羊峽水庫(kù)兩個(gè)方法計(jì)算結(jié)果差值的直方圖，能夠更加直觀地顯示兩個(gè)方法在計(jì)算結(jié)果上的差異。其中橫坐標(biāo)為指標(biāo)編號(hào)，縱坐標(biāo)為該指標(biāo)通過(guò)兩個(gè)方法計(jì)算得到的水文情勢(shì)影響的差值。參考RVA 法的分類方式，以0.33 和0.67 為界，將差值分為三類。不難看出，絕大部分差值都在-0.33～0.33 之間，即區(qū)別較??；有6 個(gè)參數(shù)的差值屬于中等區(qū)別，僅有1 個(gè)參數(shù)的差值屬于高度差異，即10月平均流量。

圖2 龍羊峽水庫(kù)兩種方法水文情勢(shì)影響計(jì)算結(jié)果差值Fig.2 The difference between the calculation results of the hydrological regime impact of the two methods in Longyangxia Reservoir

為了進(jìn)一步探究?jī)蓚€(gè)方法在10 月平均流量這一計(jì)算結(jié)果上出現(xiàn)高度差異的原因，我們將龍羊峽建庫(kù)前后貴德站的10月平均流量及建庫(kù)后唐乃亥站的10 月平均流量均繪制在圖3中，并據(jù)此標(biāo)注出兩個(gè)方法對(duì)應(yīng)的目標(biāo)范圍，分別以實(shí)線和虛線表示。從圖中不難發(fā)現(xiàn)，由于氣候變化等原因，龍羊峽水庫(kù)的入庫(kù)徑流量本身就變少了（唐乃亥站建庫(kù)前10 月平均流量1 174.41 m3/s，建庫(kù)后僅為803.54 m3/s），水庫(kù)的調(diào)度運(yùn)行又進(jìn)一步減少了10 月的下泄流量。方法1 比較貴德站建庫(kù)前后的10月平均流量，涉及氣候變化和水庫(kù)調(diào)度兩項(xiàng)變動(dòng)，方法2比較建庫(kù)后唐乃亥站和貴德站的10 月平均流量，僅涉及水庫(kù)調(diào)度一項(xiàng)，因而得到的改變度小于方法1。

圖3 龍羊峽水庫(kù)兩種方法對(duì)應(yīng)站點(diǎn)10月平均流量及目標(biāo)范圍Fig.3 Average discharge in October in stations corresponding to the two methods and target range of Longyangxia Reservoir

經(jīng)過(guò)配對(duì)t檢驗(yàn)，兩個(gè)方法在龍羊峽的計(jì)算結(jié)果并不存在顯著差異（P=0.109），這主要是因?yàn)辇堁驆{上游人類活動(dòng)少，氣候變化雖然在個(gè)別指標(biāo)上表現(xiàn)明顯，但總體差別不大，使得兩種計(jì)算方式得到的結(jié)果相對(duì)一致。

2.1.2 小浪底水庫(kù)

兩個(gè)方法計(jì)算得到的小浪底水庫(kù)IHA 參數(shù)變化程度的結(jié)果見(jiàn)表3。方法2 有17 個(gè)參數(shù)的計(jì)算結(jié)果大于方法1，有7 個(gè)參數(shù)的計(jì)算結(jié)果小于方法1，有9 個(gè)參數(shù)的計(jì)算結(jié)果與方法1 相同，綜合變化程度方法2 略大于方法1，但二者均屬于中度改變。

圖4 為小浪底水庫(kù)兩個(gè)方法計(jì)算結(jié)果差值的直方圖，能明顯看出絕大部分差值均為正。從差異度上來(lái)說(shuō)，與龍羊峽水庫(kù)類似，大部分差值都落在-0.33～0.33 這一小差別的范圍內(nèi)，有5個(gè)參數(shù)的差值屬于中等區(qū)別，僅有1 個(gè)參數(shù)的差值屬于高度差異，即1 月平均流量。圖5 展示了建庫(kù)前小浪底站、建庫(kù)后三門峽站和建庫(kù)后小浪底站各自的1月平均流量及兩種方法對(duì)應(yīng)的目標(biāo)范圍。不難看出，建庫(kù)后三門峽站的1 月平均流量數(shù)據(jù)波動(dòng)范圍相對(duì)較小，得到的目標(biāo)范圍的上限為391.4 m3/s，下限為299.9 m3/s，建庫(kù)后小浪底站1 月平均流量的數(shù)據(jù)落在該范圍內(nèi)的僅有3 個(gè)；而根據(jù)建庫(kù)前小浪底站的1 月平均流量數(shù)據(jù)得到的目標(biāo)范圍的上下限分別為529.9 m3/s 和284.5 m3/s，建庫(kù)后小浪底站1月平均流量的數(shù)據(jù)正好有一半落在該范圍內(nèi)。因此盡管建庫(kù)后小浪底站1 月平均流量的均值與建庫(kù)后三門峽站1 月平均流量的均值更為接近（表3），方法2 計(jì)算得出的水文情勢(shì)影響卻遠(yuǎn)高于方法1。

圖4 小浪底水庫(kù)兩種方法水文情勢(shì)影響計(jì)算結(jié)果差值Fig.4 The difference between the calculation results of the hydrological regime impact of the two methods in Xiaolangdi Reservoir

圖5 小浪底水庫(kù)兩種方法對(duì)應(yīng)站點(diǎn)1月平均流量及目標(biāo)范圍Fig.5 Average discharge in January in stations corresponding to the two methods and target range of Xiaolangdi Reservoir

通過(guò)配對(duì)t檢驗(yàn)分析，小浪底的計(jì)算結(jié)果差異顯著（P=0.033）。黃土高原自1999 年以來(lái)大規(guī)模的植被恢復(fù)措施使得入黃水沙大量減少［22］，小浪底水庫(kù)2000-2017 年的入庫(kù)徑流水文情勢(shì)本就與1988-1999年的徑流水文情勢(shì)有明顯不同。方法1計(jì)算得到的是綜合了上游徑流變化和水庫(kù)影響的水文情勢(shì)改變情況，而方法2 計(jì)算得到的是僅考慮水庫(kù)本身影響的水文情勢(shì)改變情況，因此二者差異明顯。

綜合龍羊峽水庫(kù)和小浪底水庫(kù)兩種方法水文情勢(shì)影響計(jì)算結(jié)果的比較分析，方法2的可靠性得到了驗(yàn)證，我們認(rèn)為方法2 能夠在水庫(kù)上游有較明顯人類活動(dòng)或氣候變化的時(shí)候，有效地將這些變化與水庫(kù)本身帶來(lái)的影響剝離開來(lái)，得到的結(jié)果能更真實(shí)地反映水庫(kù)調(diào)度運(yùn)行造成的下游水文情勢(shì)改變情況。但需要特別說(shuō)明的是，方法2對(duì)進(jìn)出庫(kù)站點(diǎn)的選擇要求較高，兩個(gè)站的距離必須非常近，河槽對(duì)水沙的調(diào)蓄作用幾乎為零，此外，兩站點(diǎn)間的支流和除水庫(kù)調(diào)度外的其他人類活動(dòng)都會(huì)影響計(jì)算結(jié)果的精度，因而適用性受限，需要和方法1視情況選用。

2.2 龍羊峽水庫(kù)運(yùn)行對(duì)下游水文情勢(shì)影響

根據(jù)表2 中方法2 計(jì)算得到的水文情勢(shì)影響結(jié)果，分析龍羊峽水庫(kù)的調(diào)度運(yùn)行對(duì)下游水文情勢(shì)的影響。從月流量狀況來(lái)看，改變主要集中在凌汛期（11 月-次年3 月）和春灌期（4-6月）。凌汛期入庫(kù)徑流量較小，但出于防凌考慮，需要控制下泄流量在500 m3/s 左右，因而與入庫(kù)徑流有較大差異。春灌期同樣要保證一定的灌溉流量，但當(dāng)入庫(kù)徑流量大于需要的下泄流量時(shí)，水庫(kù)會(huì)把多余的水?dāng)r蓄在庫(kù)區(qū)內(nèi)以供后續(xù)使用，同時(shí)也可提高發(fā)電水頭增加發(fā)電量。

從年極端流量狀況來(lái)看，不同時(shí)間尺度的最小流量始終保持高度改變，最大流量隨著考慮尺度的變大，改變程度略有下降：年最大日均流量改變度0.78，年最大90 日平均流量改變度0.5，但依然保持中高度的改變程度。

從年極端流量出現(xiàn)時(shí)間、高低流量的頻率與歷時(shí)，以及流量的變化率和變化頻率來(lái)看，僅有年最大日流量出現(xiàn)時(shí)間和每年高脈沖發(fā)生次數(shù)為低改變，其余參數(shù)均為高度改變。

總體來(lái)看，龍羊峽水庫(kù)的運(yùn)行對(duì)下游水文情勢(shì)的改變程度較高（綜合改變度為0.71），有23個(gè)參數(shù)發(fā)生了高度改變，3個(gè)參數(shù)發(fā)生了中度改變，僅有7個(gè)參數(shù)的改變程度為低度，且低度改變的參數(shù)多表征高流量，如汛期的月均流量、年最大日流量出現(xiàn)時(shí)間、每年高脈沖發(fā)生次數(shù)等。龍羊峽水庫(kù)以發(fā)電為主要開發(fā)目標(biāo)，兼顧防洪、防凌、灌溉、供水等［23］，但自投運(yùn)以來(lái)遇枯水年較多［24］，因此綜合改變度高且對(duì)低流量的改變度要高于高流量。

2.3 小浪底水庫(kù)運(yùn)行對(duì)下游水文情勢(shì)影響

根據(jù)表3 中方法2 計(jì)算得到的水文情勢(shì)影響結(jié)果，分析小浪底水庫(kù)的調(diào)度運(yùn)行對(duì)下游水文情勢(shì)的影響。總體來(lái)看，小浪底水庫(kù)的運(yùn)行對(duì)下游水文情勢(shì)的改變屬于中等程度（綜合改變度為0.43），有16 個(gè)參數(shù)發(fā)生了中度改變，11 個(gè)參數(shù)為低度改變，僅有6 個(gè)參數(shù)的改變程度為高度。高度改變的6 個(gè)指標(biāo)中，有3個(gè)盡管屬于高度改變，但從數(shù)值來(lái)看，其實(shí)處于中度與高度的分界處，剩下3 個(gè)改變較為明顯的指標(biāo)分別是：8 月平均流量、年最小日均流量和年最小流量出現(xiàn)時(shí)間。

表3 小浪底水庫(kù)兩種方法水文情勢(shì)影響計(jì)算結(jié)果Tab.3 Calculation results of two methods for hydrological regime impact of Xiaolangdi Reservoir

小浪底水庫(kù)作為以防洪減淤為主要目標(biāo)的水庫(kù)［23］，通常在每年6月下旬和7月份相機(jī)進(jìn)行調(diào)水調(diào)沙運(yùn)用，8月份逐步將水位抬升至后汛期汛限水位［25，26］，因此大多時(shí)候8 月的平均出庫(kù)流量小于入庫(kù)流量（圖6）。年最小日均流量和年最小流量出現(xiàn)時(shí)間這兩個(gè)指標(biāo)不論是在小浪底水庫(kù)還是龍羊峽水庫(kù)的水文情勢(shì)改變度分析中都屬于高度改變，這是因?yàn)樗畮?kù)在調(diào)度過(guò)程中，出于供水、灌溉之類的社會(huì)需求以及生態(tài)基流等各方面的考慮，當(dāng)入庫(kù)徑流量很小的時(shí)候，會(huì)通過(guò)調(diào)用庫(kù)區(qū)的蓄水增大下泄流量，減少小流量事件的發(fā)生，因而使得年最小日均流量和年最小流量出現(xiàn)時(shí)間均發(fā)生了明顯改變。

圖6 小浪底水庫(kù)出入庫(kù)站8月平均流量及目標(biāo)范圍Fig.6 Average discharge in August of stations upstream and downstream of Xiaolangdi Reservoir and the target range

2.4 小浪底水庫(kù)運(yùn)行對(duì)下游泥沙情勢(shì)影響

當(dāng)我們?cè)谔接懶±说姿畮?kù)運(yùn)行對(duì)下游河道水文情勢(shì)的影響時(shí)，是離不開對(duì)泥沙的分析的。泥沙濃度過(guò)高在破壞水質(zhì)、導(dǎo)致河道淤積的同時(shí)，也會(huì)影響水生生物的呼吸，而泥沙濃度過(guò)低又不利于河道和河口的維持［27］?？紤]到目前對(duì)于含沙量的變化所導(dǎo)致的生態(tài)影響并不像流量一樣有一套廣泛使用的指標(biāo)，本文參考IHA 參數(shù)的構(gòu)建方法，提出了對(duì)應(yīng)的33 個(gè)泥沙變化指標(biāo)（Index of Sediment Alternation，ISA）。馬超等在利用變化范圍法分析龍羊峽、劉家峽水庫(kù)運(yùn)行前后頭道拐水文站的水沙變化程度時(shí)也采用了同樣的泥沙指標(biāo)構(gòu)建方法［9］。然后利用本文提出的計(jì)算方法對(duì)小浪底水庫(kù)運(yùn)行對(duì)下游泥沙情勢(shì)的影響進(jìn)行了計(jì)算，具體指標(biāo)及計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 小浪底水庫(kù)運(yùn)行對(duì)下游泥沙情勢(shì)影響計(jì)算結(jié)果Tab.4 Calculation results for the downstream sediment regime impact of Xiaolangdi Reservoir

從月均含沙量來(lái)看，高度改變的指標(biāo)均集中在汛期，即7-10月。汛期上游來(lái)沙量較大，小浪底水庫(kù)將泥沙大多攔截在庫(kù)區(qū)以緩解下游河道的淤積情況，使得月均出庫(kù)含沙量遠(yuǎn)小于入庫(kù)含沙量，變化顯著。3、4 月份的平均含沙量出現(xiàn)了中度改變的情況，這或許是由于桃汛期徑流量的增長(zhǎng)，將淤積在上游河道的部分泥沙沖刷進(jìn)入小浪底并被全部攔截在此。

從年極端含沙量來(lái)看，表征高含沙量事件的指標(biāo)均為中度或高度改變，而表征低含沙量事件的指標(biāo)均為低度改變，這一規(guī)律在高低含沙量事件的發(fā)生次數(shù)和平均歷時(shí)上也有同樣的體現(xiàn)，說(shuō)明小浪底水庫(kù)對(duì)年極端含沙量的影響主要集中在高含沙量事件上。但小浪底的調(diào)度雖然對(duì)高含沙量事件的含沙量大小、發(fā)生次數(shù)和平均歷時(shí)均有高度改變，卻不怎么改變其發(fā)生日期，這是因?yàn)樾±说姿畮?kù)面臨的高含沙量事件通常伴隨著高流量來(lái)到，而小浪底水庫(kù)會(huì)在此時(shí)相機(jī)進(jìn)行調(diào)水調(diào)沙，在減輕庫(kù)區(qū)淤積的同時(shí)盡可能沖刷下游河道。

從含沙量的升降來(lái)看，平均增加率和平均減少率都是低度改變，即出入庫(kù)含沙量的平均增減幅度變化不大，但含沙量升降的變化次數(shù)減少了，說(shuō)明經(jīng)過(guò)小浪底的調(diào)節(jié)單次含沙量上升或者下降的持續(xù)時(shí)間變長(zhǎng)了。

總體來(lái)看，小浪底水庫(kù)的運(yùn)行對(duì)下游泥沙情勢(shì)的影響為中等（綜合改變度為0.35），有18個(gè)參數(shù)為低度改變，5個(gè)參數(shù)為中度改變，10個(gè)參數(shù)為高度改變。低度改變和高度改變的參數(shù)的數(shù)量都遠(yuǎn)多于水文情勢(shì)，出現(xiàn)了兩極分化的現(xiàn)象。

3 結(jié)論

本文提出的用建庫(kù)后進(jìn)出庫(kù)水文站的數(shù)據(jù)代替建庫(kù)前后下游站點(diǎn)的數(shù)據(jù)作為RVA方法比較對(duì)象的改進(jìn)思路，在人類活動(dòng)影響不明顯的龍羊峽水庫(kù)的水文情勢(shì)改變度計(jì)算結(jié)果與常用方法無(wú)明顯差異，在人類活動(dòng)影響顯著的小浪底水庫(kù)與常用方法取得了明顯不同的計(jì)算結(jié)果，證實(shí)了改進(jìn)思路的可靠性和優(yōu)越性。

通過(guò)改進(jìn)方法的計(jì)算結(jié)果，發(fā)現(xiàn)龍羊峽水庫(kù)的運(yùn)行對(duì)下游河道的水文情勢(shì)產(chǎn)生了高度改變，如何在保證水庫(kù)發(fā)電效益的同時(shí)兼顧生態(tài)是亟待解決的問(wèn)題；小浪底水庫(kù)目前的運(yùn)行方式對(duì)下游水文情勢(shì)和泥沙情勢(shì)的改變度均為中等，但仍有很大改進(jìn)空間。研究制定能夠更好地利用上游來(lái)水，把握調(diào)沙時(shí)機(jī)，兼顧水沙兩方面的生態(tài)影響的調(diào)度方案，是小浪底水庫(kù)優(yōu)化研究的重點(diǎn)。此外，本文僅計(jì)算了兩個(gè)水庫(kù)，無(wú)法據(jù)此得出二者在水文情勢(shì)改變度上的差異是否來(lái)自調(diào)度運(yùn)行方式上的不同。通過(guò)加入更多水庫(kù)的研究，總結(jié)出水庫(kù)調(diào)度在水文情勢(shì)影響上的規(guī)律，也是一個(gè)很有意義的研究方向。

最后，IHA 指標(biāo)個(gè)數(shù)較多，Richter 等提出的方法將這些指標(biāo)的重要性一視同仁，但對(duì)于不同的水庫(kù)，這些指標(biāo)的重要性可能有所不同，有學(xué)者在研究中僅選用了其中部分指標(biāo)［28，29］，也有學(xué)者提出了賦予各指標(biāo)不同權(quán)重的方法［30］。在使用RVA方法時(shí)，所用數(shù)據(jù)時(shí)間序列的長(zhǎng)度不能太短，有研究認(rèn)為最好不少于20年，以避免年際氣候的變化等因素對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響［1，31］。對(duì)于綜合改變度的計(jì)算，一些學(xué)者并不認(rèn)同直接求均值的方法，認(rèn)為這樣會(huì)忽略高度改變的指標(biāo)所帶來(lái)的影響，Shiau 等提出僅在所有指標(biāo)均為低度改變時(shí)綜合改變度才是低度，有不少于一個(gè)指標(biāo)為中度改變且沒(méi)有指標(biāo)為高度改變時(shí)綜合改變度應(yīng)為中度，有不少于一個(gè)指標(biāo)為高度改變時(shí)綜合改變度應(yīng)為高度［32］，后來(lái)又提出了先求各指標(biāo)改變度平方和的均值再開根號(hào)的綜合改變度計(jì)算方法［33］，均得到廣泛使用［10，30，34］。我們?cè)谑褂肐HA指標(biāo)和RVA方法量化評(píng)估水文情勢(shì)的變化時(shí)，應(yīng)當(dāng)對(duì)上述問(wèn)題做權(quán)衡考慮，與此同時(shí)也應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到，某個(gè)指標(biāo)的高度改變并不絕對(duì)意味著生態(tài)的破壞，需結(jié)合實(shí)際情況考慮。