三峽水庫對下游河流水沙情勢影響評估

郭文獻(xiàn)，李 越，王鴻翔，查胡飛

(華北水利水電大學(xué)，鄭州 450045)

天然水沙情勢是河流生態(tài)系統(tǒng)關(guān)鍵驅(qū)動因素，決定著河流形態(tài)、群落結(jié)構(gòu)是否穩(wěn)定，其運移機制對河流生態(tài)系統(tǒng)起著至關(guān)重要的作用[1]。水利工程建設(shè)人為改變了河流天然水沙情勢，必將產(chǎn)生一系列生態(tài)水文效應(yīng)，進(jìn)而會使河流生態(tài)系統(tǒng)受到影響，如生態(tài)服務(wù)功能衰退、生物群落的組成和多樣性降低、流域內(nèi)重要物種受到脅迫等[2]。因此，研究水電工程對水沙情勢變化以及生態(tài)影響已成為當(dāng)前河流生態(tài)水文學(xué)研究的熱點問題。

長江是中國第一大河，年徑流量和年輸沙量分別位于世界第三位和第四位[3]。長江上游水電工程開發(fā)，尤其是三峽水庫修建，在帶來巨大經(jīng)濟社會效益同時也將部分改變長江的水沙情勢，勢必會對水庫下游的水沙特性及生態(tài)環(huán)境造成一定影響。關(guān)于三峽水庫蓄水對水沙特性影響研究已經(jīng)進(jìn)行了相關(guān)研究，如班璇等[4]通過分析三峽水庫蓄水后長江中下游水沙時空變化，對三峽水庫下游不同江段水沙情勢的改變程度進(jìn)行評價；府人壽等[5]研究了三峽水庫蓄水前宜昌站水沙變化趨勢，預(yù)測了三峽水庫及上游大型水電站建成后宜昌站的水沙變化趨勢；王延貴等[6]分析了水庫攔沙對長江水沙情勢變化的影響，闡述了水沙變化的成因，特別是分析了三峽水庫下游宜昌、漢口和大通站水沙變化及其影響。這些研究均表明水沙特性在三峽水庫蓄水后發(fā)生了顯著變化。

鑒于水沙特性變化的復(fù)雜性，相關(guān)研究所采用的數(shù)據(jù)較為陳舊，且研究方法多為傳統(tǒng)數(shù)理統(tǒng)計方法。由此本文采用雙累積曲線法、Mann-Kendall和RVA法分析宜昌站在三峽水庫蓄水前后水沙特性變化，旨在為明確長江中下游河流生態(tài)恢復(fù)目標(biāo)和開展三峽水庫生態(tài)調(diào)度研究提供參考依據(jù)。

1 研究區(qū)域及數(shù)據(jù)

研究區(qū)域為三峽水庫下游宜昌江段，多年平均徑流量為13 590 m3/s，多年平均含沙量為0.509 kg/m3。其中宜昌水文站位于三峽大壩下游44 km處，完整地控制了長江上游100.6 萬km2的來水來沙情況，能夠直接反映三峽水庫蓄水后下游河流水沙變化情況。鑒于三峽水庫于2003年蓄水，故將宜昌站1952-2002年51年流量、含沙量數(shù)據(jù)資料作為蓄水前序列，2003-2015年13年流量、含沙量數(shù)據(jù)資料作為蓄水后序列。

2 研究方法

根據(jù)研究區(qū)內(nèi)水文資料特點，采用雙累積曲線法、Mann-Kendall趨勢檢驗法和變動范圍法(RVA)就三峽水庫下游宜昌水文站徑流量和含沙量的變化情勢進(jìn)行分析。

其中雙累積曲線法主要利用水沙累積曲線的變化特點研究水沙情勢的變化，若雙累積曲線在某點發(fā)生明顯轉(zhuǎn)折，則表明水沙特性發(fā)生變化[7]。Mann-Kendall趨勢檢驗法通過計算河道水沙系列的統(tǒng)計量Z，與某一置信水平(0.1、0.05和0.01)下的臨界變量對比。當(dāng)|Z|≥1.67、1.96、2.56時，分別表示通過置信度為90%、95%和99%的顯著性檢驗，方法具體計算過程見參考文獻(xiàn)[8-10]。

變動范圍法(RVA)是Richter等于1997年提出，該法建立在水文變化指標(biāo)(IHA)法的基礎(chǔ)上，利用建立的生態(tài)水文指標(biāo)(表1)評價受水利工程影響的河流水文情勢[11-13]。為了量化指標(biāo)受干擾后的變化程度，Richter等建議以改變度來評估，其定義如下：

(1)

式中：Di為第i個IHA指標(biāo)的水文改變度；Noi為第i個IHA受干擾后的觀測年數(shù)中落在RVA目標(biāo)閾值內(nèi)的年數(shù)；Ne為受干擾后IHA指標(biāo)預(yù)期落入RVA目標(biāo)內(nèi)的年數(shù)，可以用r·NT來評估，其中，r為受干擾前IHA落入RVA目標(biāo)閾值內(nèi)的比例，若以各個IHA的75%及25%作為RVA目標(biāo)，則r=50%，而NT為受干擾后流量時間序列記錄的總年數(shù)。為對IHA指標(biāo)的水文改變程度設(shè)定一個客觀的判斷標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定若(1)式Di值介于0～33%屬于未改變或者低度改變；33%～67%之間屬于中度改變；67%～100%屬于高度改變。整體水文變化程度Do可以用以下方法計算：取32個IHA指標(biāo)改變度的平均值來評估河流生態(tài)環(huán)境的整體變化情形，然而這樣將體現(xiàn)不出各指標(biāo)權(quán)重大小。為了體現(xiàn)各指標(biāo)的權(quán)重大小，本文采用對較大的Di值賦予較大的權(quán)重，用下式計算Do：

(2)

式中；n為指標(biāo)個數(shù)，同時也規(guī)定Do值介于0～33%屬于未改變或者低度改變；33%～67%之間屬于中度改變；67%～100%屬于高度改變。

表1 IHA參數(shù)指標(biāo)Tab.1 Indexes of IHA

注：①基流指數(shù)為年最小連續(xù)7 d流量(含沙量)與年均值的比值；②羅馬日表示公歷一年中第多少天；③低脈沖定義為低于干擾前25%頻率的日均值，高脈沖定義為高于干擾前75%頻率的日均值；④逆轉(zhuǎn)次數(shù)指日流量或含沙量由增加變化為減少或由減少變化為增加的次數(shù)。表中單位說明：流量為m3/s，含沙量為kg/m3，上升率、下降率為m3/(s·d)，高脈沖頻率、低脈沖頻率、逆轉(zhuǎn)次數(shù)為次，高脈沖歷時、低脈沖歷時、年極值歷時、年極值發(fā)生時間為d。

3 結(jié)果與討論

3.1 水沙特性年際變化

為揭示宜昌站多年水沙情勢變化情況，繪出宜昌站年均流量、含沙量變化情況(圖1)及年徑流量和輸沙量雙累積曲線(圖2)。在研究期間內(nèi)除1954、1998年和2006、2011年(1954和1998年為特大洪水年，2006和2011年為枯水年)年均流量出現(xiàn)較大波動外，總體上年均流量呈下降趨勢。年均含沙量呈階段性變化，即50年代到80年代基本保持穩(wěn)定，80年代到21世紀(jì)初呈微弱下降趨勢，2002年后年均含沙量大幅下降(圖1)。年徑流量和年輸沙量雙累積曲線在2003年以前基本保持一條直線，2003年后雙累積曲線發(fā)生明顯轉(zhuǎn)折(圖2)。經(jīng)計算可得，宜昌站在三峽水庫蓄水前年均含沙量為0.624 kg/m3，雙累積曲線斜率為5.02，蓄水后年均含沙量減少為0.043 kg/m3，雙累積曲線斜率減少為0.36，表明三峽水庫蓄水后宜昌站水沙關(guān)系發(fā)生顯著變化。

圖1 宜昌站水沙年際變化Fig.1 Annual variation of flow and sediment at Yichang station

圖2 宜昌站水沙量雙累積曲線Fig.2 Double cumulative curves of flow and sediment at Yichang station

為進(jìn)一步分析宜昌站年際水沙變化趨勢，采用Mann-Kendall趨勢檢驗進(jìn)行分析，結(jié)果見表2。宜昌站年均流量和含沙量序列的Mann-Kendall趨勢檢驗統(tǒng)計量z值為-1.88和-7.72，分別通過90%和99%的顯著性檢驗，表明三峽水庫蓄水后流量、含沙量均呈顯著下降趨勢，其中含沙量下降趨勢更為顯著。

表2 宜昌站水沙變化趨勢Mann-Kendall檢驗Tab.2 Mann-Kendall test for flow and sediment at Yichang station

3.2 水沙特性指標(biāo)變化

為定量評價三峽水庫蓄水后下游河流水沙情勢的改變程度，將宜昌站流量、含沙量數(shù)據(jù)序列劃分為兩個時段：三峽水庫蓄水前(1952-2002年)，三峽水庫蓄水后(2003-2015)。在此基礎(chǔ)上采用變動范圍法(RVA)計算宜昌站流量、含沙量各指標(biāo)的變化程度(表3、表4)，根據(jù)各指標(biāo)的變化情況對水沙情勢的改變程度進(jìn)行分析。

表3 三峽水庫蓄水前后下游河流水沙指標(biāo)統(tǒng)計表Tab.3 Statistical table of flow and sediment indexes before and after impoundment of the Three Gorges Reservoir

表4 三峽水庫蓄水前后下游河流水沙指標(biāo)統(tǒng)計表Tab.4 Statistical table of flow and sediment indexes before and after impoundment of the Three Gorges Reservoir

3.2.1 月均值變化

圖3為三峽水庫蓄水前后宜昌站月均流量、含沙量變化圖。由圖3可以看出，三峽水庫蓄水后宜昌站月均流量在12-翌年5月呈增加趨勢，其中2月、3月份發(fā)生高度改變，改變度分別達(dá)到88.79%、74.69%；6-11月呈減少趨勢，均發(fā)生中、低度改變。相較于流量，宜昌站月均含沙量在三峽水庫蓄水后均呈顯著下降趨勢，1-12月月均含沙量改變度均為100%，其中12-翌年4月份含沙量已不足0.01 kg/m3。整體而言，流量年內(nèi)變化與三峽水庫調(diào)度運行方式相一致，即豐水期水庫蓄水導(dǎo)致下泄流量減少，枯水期泄水導(dǎo)致下泄流量增加，而含沙量則在三峽水庫蓄水后年內(nèi)整體大幅降低。

圖3 水沙特性月均值變化Fig.3 Comparison of monthly mean flow and sediment

3.2.2 年極值及其發(fā)生時間變化

根據(jù)表3可以看出三峽水庫蓄水后，宜昌站年均極小值流量都有不同程度的增加，而極大值流量均有不同程度的減少，其中極小值流量改變度均屬于高度改變，年均30日最小值[圖4(a)]改變度最大，2003年后全部超出RVA上限，達(dá)到88.79%；年極小值流量發(fā)生時間除個別年份保持在RVA目標(biāo)范圍內(nèi)，整體由蓄水前2～3月之間提前到1月中旬，個別年份提前到上一年11-12月份[圖4(b)]。三峽水庫蓄水后宜昌站年極值含沙量均發(fā)生高度改變，改變度達(dá)到100%，圖5(a)為宜昌站年極值含沙量及其發(fā)生時間，年最小含沙量自1952年到2002年整體上呈下降趨勢，但2003年后下降明顯，均值只有0.002 kg/m3；年極小值發(fā)生時間改變度達(dá)到78.21%，由圖5(b)可以看出年極小值含沙量發(fā)生時間在三峽水庫蓄水后波動較大，只有個別年份位于RVA目標(biāo)范圍內(nèi)，2011-2014年甚至提前至12月發(fā)生。

圖4 年極值流量及其發(fā)生時間變化Fig.4 Annual extreme flow and its occurrence time

圖5 年極值含沙量及其發(fā)生時間變化Fig.5 Annual extreme sediment and its occurrence time

3.2.3 水沙脈沖變化

三峽水庫蓄水后，宜昌站流量低脈沖完全消失，相較于蓄水前的51年內(nèi)只出現(xiàn)兩次，蓄水后13年內(nèi)無低脈沖發(fā)生并無明顯變化；流量高脈沖出現(xiàn)次數(shù)及歷時都略有下降，總體來說，流量脈沖變化不大，基本屬于低度改變。三峽水庫蓄水后含沙量低脈沖出現(xiàn)次數(shù)略有降低，屬于低度改變，含沙量低脈沖平均歷時明顯增加，改變度達(dá)到62.64%接近高度改變；含沙量高脈沖出現(xiàn)次數(shù)及歷時都明顯減少(圖6)，改變都達(dá)到100%。圖6中可見三峽水庫蓄水后僅在2004-2005年內(nèi)出現(xiàn)含沙量高脈沖，且出現(xiàn)次數(shù)及歷時都遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于RVA下限，變化十分顯著。

3.2.4 水沙變化改變率及頻率

三峽水庫蓄水后，宜昌站流量上升率下降，下降率均上升，改變度為低度改變，但逆轉(zhuǎn)次數(shù)由蓄水前年均91.88次增加到137.5次[圖7(a)]，改變度達(dá)到100%，由圖6(a)可以看出，三峽水庫蓄水后流量逆轉(zhuǎn)次數(shù)明顯增加，所有年份全部高于RVA上限。三峽水庫蓄水后含沙量上升率下降[圖7(b)]、下降率上升[圖7(c)]和逆轉(zhuǎn)次數(shù)下降[圖7(d)]，改變度均屬于高度改變。由圖7(b)、圖7(c)、圖7(d)可以看出，三峽水庫蓄水后含沙量上升率、下降率和逆轉(zhuǎn)次數(shù)均明顯偏離RVA目標(biāo)閾值，可見三峽水庫蓄水后對其影響十分顯著。

圖6 含沙量高脈沖變化Fig.6 High pulse duration of sediment

圖7 水沙變化改變率及頻率Fig.7 The changes of rate and frequency for flow and sediment

3.3 河流水沙情勢改變度評價

根據(jù)表3、4所列出宜昌站流量、含沙量各指標(biāo)改變度進(jìn)行排序，如圖8～圖9所示。可見，三峽水庫蓄水后流量指標(biāo)以低度改變居多，發(fā)生高度改變的指標(biāo)有低脈沖歷時，逆轉(zhuǎn)次數(shù)，2、3月均值和年均1、3、7、30、90日最小流量以及基流指數(shù)等指標(biāo)，其中低脈沖歷時、逆轉(zhuǎn)次數(shù)改變度為100%。含沙量各指標(biāo)在三峽蓄水后以高度改變主導(dǎo)，除年最大值出現(xiàn)時間、低脈沖次數(shù)發(fā)生低度改變，基流指數(shù)，低脈沖歷時發(fā)生中度改變外，其余指標(biāo)均發(fā)生高度改變，改變度為100%的指標(biāo)達(dá)到26個。

圖8 流量指標(biāo)改變度排序Fig.8 Ranked absolute degree of flow indexes

圖9 含沙量指標(biāo)改變度排序Fig.9 Ranked absolute degree of sediment indexes

為進(jìn)一步評價水庫下游水沙情勢改變程度，計算出流量、含沙量各指標(biāo)的整體改變度以及各組指標(biāo)的改變程度，計算結(jié)果如表5所示。根據(jù)結(jié)算結(jié)果可得，流量各組指標(biāo)以中度改變主導(dǎo)，其中第二組指標(biāo)的改變度為33%，接近中度改變，第五組指標(biāo)為63%，接近高度改變，整體改變度達(dá)到54%，為中度改變。含沙量除第三組為中度改變外，其余各指標(biāo)均為高度改變，整體改變度達(dá)到94%。整體而言，受水庫調(diào)蓄影響，下游流量指標(biāo)整體為中度改變，受水庫攔沙影響，下游含沙量各指標(biāo)與蓄水前相比已完全改變，表明三峽水庫蓄水后下游河流水沙情勢變化顯著。

表5 宜昌站水沙整體改變度Tab.5 Total change in flow and sediment of Yichang station

3.4 水沙情勢改變影響

河流水沙情勢對于維持河流地貌系統(tǒng)、生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能具有重要作用。河流水文中流量大小、變幅、發(fā)生時間、持續(xù)時間以及變化率等因素是塑造河床的直接動力，泥沙是改變河床形態(tài)的物質(zhì)基礎(chǔ)，不同的水沙特征決定了河床的平面形態(tài)、斷面特征、河灣數(shù)量、蜿蜒度、植物結(jié)構(gòu)等，此外，河流地貌形態(tài)決定了生物棲息地的分布和多樣性，進(jìn)而影響了河流水生生物多樣性。三峽水庫的修建，本質(zhì)上改變了下游河流水沙情勢，進(jìn)而引起水沙輸移特性、河道形態(tài)的調(diào)整以及河流生態(tài)系統(tǒng)的響應(yīng)[14-16]。三峽水庫下游分布有珍稀保護(hù)魚類中華鱘唯一產(chǎn)卵場以及重要經(jīng)濟魚類四大家魚多處產(chǎn)卵場[17]。根據(jù)《長江三峽工程生態(tài)與環(huán)境監(jiān)測公報》(1997-2014年)調(diào)查顯示，中華鱘繁殖群體所要求的水文環(huán)境近年來受到嚴(yán)重危害，其繁殖群體不斷減少，且在2013年以后并沒有監(jiān)測到產(chǎn)卵活動；四大家魚魚苗徑流量在三峽蓄水后顯著下降，由蓄水前的年均25.2億尾減少到蓄水后的2.7億尾，其中2007、2009年已不足1億尾。究其原因與三峽水庫蓄水后水沙情勢改變導(dǎo)致魚類適宜生境條件改變有一定聯(lián)系，水沙變幅、脈沖及改變率等因素變化都會對魚類等生物所適宜的生境條件產(chǎn)生不利影響。

4 結(jié) 語

(1)三峽水庫蓄水后，宜昌站水沙量雙累積曲線發(fā)生明顯轉(zhuǎn)折，且宜昌站年均流量及含沙量分別通過90%和99%的顯著性檢驗，表明三峽水庫蓄水后流量、含沙量下降趨勢顯著，水沙關(guān)系發(fā)生顯著變化。

(2)三峽水庫蓄水后，月均流量12-翌年5月增加，6-11月減少，月均含沙量年內(nèi)大幅下降；年極值流量發(fā)生高度改變的指標(biāo)主要集中在年最小1、3、7、30、90日流量，年極值含沙量全部發(fā)生高度改變，改變度達(dá)到100%；流量脈沖無明顯變化，基本屬于低度改變，含沙量高脈沖于2005年后消失，改變度達(dá)到100%；流量逆轉(zhuǎn)次數(shù)明顯增加，含沙量的上升率、下降率及逆轉(zhuǎn)次數(shù)均發(fā)生高度改變。

(3)根據(jù)對三峽水庫蓄水后下游水沙情勢改變度評價分析，水庫下游水沙情勢發(fā)生嚴(yán)重改變，流量指標(biāo)整體發(fā)生中度改變，含沙量指標(biāo)相較于蓄水前已完全改變，該變化對河流魚類等生物產(chǎn)生一系列不良影響，需要制定相應(yīng)的生態(tài)補償措施維護(hù)下游河流生態(tài)系統(tǒng)健康。

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