三峽工程蓄水前后長(zhǎng)江中下游環(huán)境流特征變化研究

王學(xué)雷, 姜?jiǎng)⒅?/p>

(1.中國(guó)科學(xué)院 測(cè)量與地球物理研究所， 武漢 430077； 2.環(huán)境與災(zāi)害監(jiān)測(cè)評(píng)估湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 武漢 430077)

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三峽工程蓄水前后長(zhǎng)江中下游環(huán)境流特征變化研究

王學(xué)雷1，2*, 姜?jiǎng)⒅?，2

(1.中國(guó)科學(xué)院 測(cè)量與地球物理研究所， 武漢 430077； 2.環(huán)境與災(zāi)害監(jiān)測(cè)評(píng)估湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 武漢 430077)

環(huán)境流是為保障河流生態(tài)系統(tǒng)健康發(fā)展、河流生態(tài)功能得以恢復(fù)的一種水文情勢(shì)過程.三峽水利工程的建設(shè)，也改變了長(zhǎng)江的天然水文情勢(shì)，也直接或間接影響該流域重要生物資源，改變生物群落的結(jié)構(gòu)組成分布等，從而對(duì)長(zhǎng)江中下游一定范圍內(nèi)的生態(tài)與環(huán)境帶來深遠(yuǎn)影響.基于IHA分析法，研究三峽蓄水前后長(zhǎng)江中下游的生態(tài)水文特征變化及環(huán)境流指標(biāo)變化.結(jié)果表明：長(zhǎng)江中下游4個(gè)水文站的環(huán)境流組成在三峽蓄水前后呈不同程度的變化；環(huán)境流組成也逐漸趨于單一化，各水文站的流量事件以枯水流量事件和高脈沖流量事件為主；三峽蓄水對(duì)大、小洪水事件和特枯流量事件的影響較為顯著；三峽工程運(yùn)行對(duì)長(zhǎng)江中下游生態(tài)水文指標(biāo)和環(huán)境流指標(biāo)的影響，整體上表現(xiàn)出隨著離三峽大壩距離的增加而有不同程度減弱的趨勢(shì)；沿程漢江支流的匯入，以及洞庭湖、鄱陽(yáng)湖對(duì)長(zhǎng)江干流水文情勢(shì)的調(diào)蓄作用在一定程度上緩解了三峽蓄水帶來的影響.

環(huán)境流； 三峽工程； 蓄水； 長(zhǎng)江中下游

環(huán)境流是河流、濕地或沿海區(qū)在用水矛盾的情況下為維持不同用水部門及生態(tài)系統(tǒng)之間利益的平衡，保證河流生態(tài)系統(tǒng)健康發(fā)展、河流生態(tài)功能得以恢復(fù)的一種水文情勢(shì)過程[1].環(huán)境流旨在對(duì)河流及湖泊盆地的水資源進(jìn)行重新分配，以維系其生態(tài)系統(tǒng)和人類的利益(IUCN，2003).環(huán)境流組成(Environment Flow Components， EFC)的各個(gè)流量事件形式均涉及不同的生態(tài)影響，河流生物體的生命與這些事件的發(fā)生時(shí)間、頻率、量、持續(xù)時(shí)間及它們之間的變化率緊密相關(guān).基于環(huán)境流組成的研究主要是與其他生態(tài)模型相結(jié)合，應(yīng)用于河流水庫(kù)的生態(tài)調(diào)度和水資源管理配置[2-5].

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，長(zhǎng)江流域的水資源開發(fā)利用程度逐步加大，尤其是三峽水利工程的建設(shè)，也改變了河流的天然水文情勢(shì)，也直接或間接影響該流域重要生物資源的棲息水域和生活習(xí)性，改變生物群落的結(jié)構(gòu)組成、分布特征等，從而對(duì)長(zhǎng)江中下游一定范圍內(nèi)的生態(tài)與環(huán)境帶來深遠(yuǎn)影響.因此，研究三峽蓄水前后長(zhǎng)江中下游的生態(tài)水文特征變化及環(huán)境流指標(biāo)變化，對(duì)認(rèn)識(shí)流域水文情勢(shì)及環(huán)境流組成的演變規(guī)律、保障長(zhǎng)江中下游河流生態(tài)系統(tǒng)健康的可持續(xù)發(fā)展具有重要的科學(xué)意義和實(shí)踐價(jià)值，以期為長(zhǎng)江中下游流域水資源合理配置提供科學(xué)依據(jù).

1 環(huán)境流組成界定

環(huán)境流的提出，其最初目的是為了維護(hù)河流的生態(tài)健康，核心在于尋求最優(yōu)的方法使人類、河流和其他生物種群能夠共享有限的水資源.環(huán)境流是維持河流生態(tài)環(huán)境所需的流量及其過程.基于河流水文過程線可分為一系列與生態(tài)有關(guān)的水位圖模式這一新的生態(tài)假設(shè)，河流流量過程被劃分為枯水流量、特枯流量、高流量脈沖、小洪水和大洪水5種流量模式，即環(huán)境流組成(EFC)的5種流量事件[6-7]，包括枯水流量、特枯流量、高流量脈沖、小洪水和大洪水等；這5種流量事件對(duì)維持河流生態(tài)系統(tǒng)完整性是十分重要的，不僅體現(xiàn)在枯季時(shí)需滿足一定的水量，更重要的是一定規(guī)模的洪水，甚至極端枯水流量都發(fā)揮著重要的生態(tài)功能.

環(huán)境流組成包括的5種流量事件形式可劃分為 34個(gè)環(huán)境流指標(biāo)參數(shù)(表1).EFC的各個(gè)流量事件形式均涉及不同的生態(tài)影響，河流生物體的生命與這些事件的發(fā)生時(shí)間、頻率、量、持續(xù)時(shí)間及它們之間的變化率緊密相關(guān).

表1 環(huán)境流量組分及其意義

對(duì)于如何界定這5類流量事件，Richter等[8]提出了一套分類算法，算法首先將流量序列對(duì)應(yīng)各日按相關(guān)閾值劃分為兩類水文日：高流量日和低流量日(包括上升分支日和下降分支日)，然后根據(jù)相關(guān)閾值參數(shù)劃分枯水流量、特枯流量、高流量脈沖、小洪水和大洪水事件.算法包括7個(gè)主要閾值參數(shù)，具體界定如表2.完成各閾值參數(shù)的設(shè)定后即可對(duì)環(huán)境流組成的5種流量事件進(jìn)行劃分.

表 2 主要閾值參數(shù)具體界定方法

2 數(shù)據(jù)來源與計(jì)算方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

環(huán)境流指標(biāo)研究主要選取了位于長(zhǎng)江中下游干流的選取宜昌、漢口、大通(為流量控制站)，以及城陵磯(反映湖泊調(diào)蓄的影響)4個(gè)水文站的逐日流量資料，依據(jù)三峽工程開始蓄水運(yùn)行的發(fā)生時(shí)間(2003年)，將4個(gè)水文站的水文序列分別劃分為1980年～2002年和2003年～2012年兩個(gè)變動(dòng)水文序列.

2.2 環(huán)境流指標(biāo)計(jì)算方法

1) 依據(jù)水文序列劃分方法，將宜昌、城陵磯、漢口和大通四個(gè)水文站逐日流量水文序列分為蓄水前和蓄水后兩個(gè)變動(dòng)水文序列.

2) 采用水文變化指標(biāo)分析(IHA)軟件，對(duì)水文站逐日流量水文序列分階段統(tǒng)計(jì)34個(gè)環(huán)境流指標(biāo)，包括蓄水前后的中值、離散系數(shù)和偏差系數(shù).中值指的是一定水文序列計(jì)算長(zhǎng)度下，序列流量值按由小到大排序后的第50百分位數(shù)值，反映計(jì)算時(shí)段河流流量的一般水平；偏差系數(shù)(DF)是指蓄水后各指標(biāo)數(shù)值相對(duì)于蓄水前各指標(biāo)數(shù)值的偏差；離散系數(shù)(CD)反映與均值的偏離程度，計(jì)算公式為：

CD=(H-L)/M，

式中，H、L和M分別指蓄水前后各水文序列的第75百分位數(shù)、第25百位數(shù)和第50百分位數(shù).

3) 對(duì)比蓄水前后各環(huán)境流指標(biāo)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，分析三峽蓄水前后長(zhǎng)江中下游環(huán)境流的變化情況.

3 計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 宜昌站

從不同流量事件的分布情況來看(圖1)，三峽蓄水后，大洪水事件完全消失，小洪水事件和特枯流量事件的發(fā)生次數(shù)明顯減少，尤其是三峽水庫(kù)第二期蓄水運(yùn)行(2006年)后，小洪水事件和特枯流量事件也完全消失，流量過程全部劃入枯水流量事件和高流量脈沖事件的模式，表明流量的變化范圍變窄，環(huán)境流組成趨向于單一化.這一變化主要是由于三峽水庫(kù)“蓄豐補(bǔ)枯”的調(diào)度方式導(dǎo)致的，在汛期削減洪峰流量，使得大、小洪水事件的發(fā)生次數(shù)減少甚至消失，在非汛期通過泄水，增加下游河道的枯水流量，使得特枯流量事件消失.

圖1 宜昌站不同流量事件分布圖Fig.1 Distribution of environment flow components at Yichang Station

從環(huán)境流指標(biāo)的中值變化來看(表3)，大洪水事件的變化最大，在三峽蓄水后該流量過程完全消失；枯水流量事件變化較小，其量值在蓄水期和洪水期略有下降，在其他月份略有增加；特枯流量和高流量脈沖事件出現(xiàn)時(shí)間均有所提前，小洪水事件出現(xiàn)時(shí)間明顯推后；特枯流量事件的平均歷時(shí)加長(zhǎng)，而高流量脈沖和小洪水事件的平均歷時(shí)縮短；特枯流量時(shí)間出現(xiàn)次數(shù)明顯減少，高流量脈沖事件出現(xiàn)次數(shù)增加；高流量脈沖和小洪水事件的上升率和下降率均明顯增加.受影響較大的環(huán)境流指標(biāo)包括小洪水事件的上升率、下降率、平均歷時(shí)，高流量脈沖事件的上升率、下降率，特枯流量出現(xiàn)次數(shù)和10月份枯水流量等7個(gè)指標(biāo)，受影響較大的流量事件是大洪水、小洪水以及特枯流量事件.

表3 宜昌、城陵磯站環(huán)境流指標(biāo)計(jì)算表

續(xù)表3

3.2 城陵磯站

從不同流量事件的分布情況來看(圖2)，城陵磯站的環(huán)境流組成在三峽蓄水前后變化不大.三峽蓄水后，大洪水事件完全消失，小洪水事件的發(fā)生次數(shù)明顯減少，高流量脈沖事件的量值較蓄水前有所減少，特枯流量事件表現(xiàn)地更為集中化，且量值有所增加.大多數(shù)流量過程劃入特枯流量事件、枯水流量事件、高流量脈沖事件和小洪水事件模式，相比宜昌站而言，環(huán)境流組成較為多樣化，這與洞庭湖對(duì)長(zhǎng)江干流流量的調(diào)蓄作用是分不開的.

圖2 城陵磯站不同流量事件分布圖Fig.2 Distribution of environment flow components at Chenglingji Station

從環(huán)境流指標(biāo)中值變化來看(表3)，大洪水事件的變化最大，在三峽蓄水后該流量過程完全消失；枯水流量事件變化較小，只有10、11月份枯水流量下降趨勢(shì)較為明顯；特枯流量事件和高流量脈沖事件的平均歷時(shí)縮短，而小洪水事件的平均歷時(shí)加長(zhǎng)；特枯流量事件和小洪水事件的出現(xiàn)時(shí)間有不同程度的提前，而高流量脈沖事件的出現(xiàn)時(shí)間略有延遲；特枯流量事件的發(fā)生次數(shù)明顯增加，這也是洞庭湖流域在三峽蓄水后水位降低，湖泊面積減小的原因之一.受影響較大的環(huán)境流指標(biāo)包括特枯流量出現(xiàn)次數(shù)、平均歷時(shí)，10、11月份枯水流量，小洪水平均歷時(shí)和上升率等6個(gè)指標(biāo)，受影響較大的流量事件是大洪水和小洪水事件.

3.3 漢口站

從不同流量事件的分布情況來看(圖3)，三峽蓄水后，大洪水事件完全消失，小洪水事件和特枯流量事件的發(fā)生次數(shù)明顯減少，高流量脈沖事件和枯水流量事件沒有明顯變化.大多數(shù)流量過程劃入枯水流量事件和高流量脈沖事件模式，流量的變化范圍逐漸變窄，環(huán)境流組成的單一化趨勢(shì)也逐漸明顯.2006年以后，流量過程只有高流量脈沖和枯水流量事件兩種流量模式.

圖3 漢口站不同流量事件分布圖Fig.3 Distribution of environment flow components at Hankou Station

表4 漢口、大通站環(huán)境流指標(biāo)計(jì)算表

續(xù)表4

從環(huán)境流指標(biāo)的中值變化來看(表4)，大洪水事件的變化最大，在三峽蓄水后該流量過程完全消失；枯水流量事件整體上變化很小，只有10、11月份枯水流量略顯下降；特枯流量事件和小洪水事件的平均歷時(shí)明顯縮短，而高流量脈沖事件的平均歷時(shí)則顯著延長(zhǎng)；特枯流量事件的極小值出現(xiàn)時(shí)間略有延遲，出現(xiàn)次數(shù)明顯減少；小洪水事件的上升率和下降率較蓄水前增加.受影響較大的環(huán)境流指標(biāo)包括小洪水上升率、下降率和平均歷時(shí)，高流量脈沖事件的平均歷時(shí)和上升率，特枯流量事件的平均歷時(shí)和極小值出現(xiàn)次數(shù)等7個(gè)指標(biāo)，受影響較大的流量事件是大洪水、小洪水和特枯流量事件.

3.4 大通站

從不同流量事件的分布情況來看(圖4)，大通站的流量過程以枯水流量事件為主.三峽蓄水后，大洪水事件完全消失，小洪水事件和特枯流量事件的發(fā)生次數(shù)明顯減少，且小洪水事件在蓄水后只發(fā)生在2010年，2010年為典型豐水年，在這一年高流量脈沖事件發(fā)生次數(shù)明顯減少，由此也可以看出，大通站的流量過程變化受三峽蓄水的影響較小，受氣候變化的影響較大.另外，高流量脈沖事件較蓄水前更加集中化.大多數(shù)流量過程劃入特枯流量、枯水流量和高流量脈沖事件模式，流量變化范圍逐漸變窄，環(huán)境流組成逐漸單一化.

從環(huán)境流指標(biāo)的中值變化來看(表4)，大洪水事件的變化最大，在三峽蓄水后該流量過程完全消失；枯水流量事件整體上變化很小，只有11月份的枯水流量明顯下降；特枯流量事件的平均歷時(shí)明顯縮短，而高流量脈沖事件和小洪水事件的平均歷時(shí)則有所延長(zhǎng)；高流量脈沖事件的極大值出現(xiàn)次數(shù)增加，而小洪水事件的極大值出現(xiàn)次數(shù)明顯減少；小洪水事件的上升率和下降率均顯著減少.受影響較大的環(huán)境流指標(biāo)包括小洪水上升率、下降率、極大值出現(xiàn)次數(shù)和平均歷時(shí)，高流量脈沖事件的極大值出現(xiàn)次數(shù)和上升率，特枯流量事件的平均歷時(shí)和11月份的枯水流量等8個(gè)指標(biāo)，受影響較大的流量事件是大洪水、小洪水和特枯流量事件.

圖4 大通站不同流量事件分布圖Fig.4 Distribution of environment flow components at Datong Station

4 結(jié)論與討論

宜昌、城陵磯、漢口和大通4個(gè)水文站的環(huán)境流組成在三峽蓄水前后呈不同程度的變化.總體而言，流量變化范圍在逐漸變窄，環(huán)境流組成也逐漸趨于單一化，各水文站的流量事件以枯水流量事件和高脈沖流量事件為主；三峽蓄水對(duì)大、小洪水事件和特枯流量事件的影響較為顯著，主要表現(xiàn)在：大洪水事件的完全消失，小洪水事件和特枯流量事件的發(fā)生次數(shù)明顯減少；受影響較大的環(huán)境流指標(biāo)主要集中在小洪水事件和特枯流量事件的平均歷時(shí)、發(fā)生次數(shù)、上升率、下降率以及蓄水期的枯水流量等.

三峽工程運(yùn)行對(duì)長(zhǎng)江中下游生態(tài)水文指標(biāo)和環(huán)境流指標(biāo)的影響，整體上表現(xiàn)出隨著離三峽大壩距離的增加而有不同程度減弱的趨勢(shì)；沿程漢江支流的匯入，以及洞庭湖、鄱陽(yáng)湖對(duì)長(zhǎng)江干流水文情勢(shì)的調(diào)蓄作用在一定程度上緩解了三峽蓄水帶來的影響.

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Study on environmental flow change in the middle-lower Yangtze River before and after the impoundment of the Three Gorges Dam

WANG Xuelei1，2, JIANG Liuzhi1，2

(1.Institute of Geodesy and Geophysics， Chinese Academy of Sciences， Wuhan 430077；2.Key Laboratory of Hubei for Environment and Disaster Monitoring and Evaluation， Wuhan 430077)

Environmental flow is a hydrological regime process to ensure the development of river ecosystem and ecological restoration. The impoundment of the Three Gorges Dam (TGR) has resulted in profound impacts on the hydrological regimes of the middle-lower Yangtze River. In the present study， alterations in hydrological characteristics and environment flow of the middle-lower Yangtze River were analyzed based on IHA method. Results show that the environmental flow of Yichang， Chenglingji， Hankou and Datong changes in different degrees; The structure of environment flow is gradually tending more simplified; The flow events of all the hydrologic stations are mainly low-flow and high pulse flow; The impounding of TGR has a significant effect on large and small flood events and low water flow event; The influence on indexes of IHA and EFC by the operation of TGR decreases with the distance from the dam and is relieved by the regulation of natural lakes (Dongting and Poyang lakes) and Hanjiang River．

environmental flow； Three Gorges Dam； impoundment； middle-lower Yangtze River

2015-06-10.

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41171426)；中國(guó)科學(xué)院測(cè)地所重要方向項(xiàng)目.

. 王學(xué)雷(1965- )，博士，研究員，博士生導(dǎo)師，主要研究領(lǐng)域?yàn)闈竦匮葑冞^程及生態(tài)修復(fù)技術(shù)及應(yīng)用. E-mail: xlwang@whigg.ac.cn.

1000-1190(2015)05-0797-08

TV213;TV

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