龍羊峽水庫對壩下河段生態(tài)水文情勢影響研究

林夢然　董增川　賈一飛

摘要：選取1988-2016年黃河唐乃亥水文站逐日平均流量和龍羊峽水庫逐日出庫流量數(shù)據(jù)進(jìn)行水文變化指標(biāo)（IHA）計(jì)算，采用水文變化范圍法（ RVA）并結(jié)合水庫運(yùn)行特點(diǎn)及黃河上游生態(tài)特征，評估龍羊峽水庫運(yùn)行對其壩下河段水文情勢的改變程度及生態(tài)影響。結(jié)果表明：龍羊峽水庫的運(yùn)行對其壩下河段水文情勢的影響屬于高度改變，河流整體水文情勢改變度為68.3 10-10;指標(biāo)體系中1-3月、12月平均流量，年最大l、3、7d平均流量，年最小7、30、90 d平均流量，最小流量發(fā)生時(shí)間，低流量發(fā)生次數(shù)及延時(shí)，流量改變率及頻率等指標(biāo)改變顯著。

關(guān)鍵詞：水文變化范圍法：水文變化指標(biāo);水庫運(yùn)行;生態(tài)水文情勢;龍羊峽水庫;黃河上游

中圖分類號：TV697.2+5;TV882.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi： 10.3969/j.issn.1000- 1379.2019.03.014

自然水文情勢是維持河流生態(tài)系統(tǒng)完整性和生物多樣性的基礎(chǔ)要素[1]。大型水利工程的建設(shè)與運(yùn)行極大地改變了河流自然水文情勢，引起河流生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)功能的變化[2]，對河流生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。

黃河上游具有水資源豐富、徑流穩(wěn)定、沿程峽谷落差集中等特點(diǎn)，是我國重點(diǎn)開發(fā)的水電基地之一。黃河上游生活著多種高原地區(qū)特有的土著魚類，常年分布有重要的產(chǎn)卵場、越冬場和索餌場，具有重要的生態(tài)保護(hù)價(jià)值[3]。然而，這些種群的再生能力相對脆弱，一旦種群數(shù)量受到外界因素影響而急劇下降，在短期內(nèi)很難恢復(fù)[4]。因此，評估黃河上游水利工程對河流水文情勢的影響程度對保護(hù)上游生態(tài)系統(tǒng)至關(guān)重要。

目前，對于黃河流域水文情勢改變程度的定量評估多限于黃河中下游及河口地區(qū)，較少涉及上游河段。筆者采用水文變化范圍法（ RVA）評估龍羊峽水庫對其壩下河段水文情勢的改變程度并指出改變程度高的水文指標(biāo)，分析水文情勢變化規(guī)律及其生態(tài)影響，以期為河流的生態(tài)管理和修復(fù)提供理論依據(jù)。

1 研究方法

1.1 水文變化指標(biāo)法

為了定量評估人類活動(dòng)對河流水文情勢的影響程度，1996年Richter等[5]提出了水文變化指標(biāo)（IHA），具體包含33個(gè)指標(biāo)，按流量、頻率、時(shí)間、延時(shí)以及變化率劃分為5類具有生態(tài)學(xué)意義的組分（見表1）。

1.2 水文變化范圍法

1997年Richter[6]在IHA指標(biāo)體系的基礎(chǔ)上提出了水文變化范圍法（ RVA），該方法的核心是分別以受影響前各指標(biāo)的平均值加減標(biāo)準(zhǔn)差或各指標(biāo)發(fā)生頻率75%及25%的值作為各個(gè)指標(biāo)的上下限構(gòu)建RVA目標(biāo)，以受影響后的各指標(biāo)值落在RVA目標(biāo)范圍內(nèi)的比例與受影響前的差異來評估水文改變程度。水文改變度的計(jì)算公式為式中：D.為第i個(gè)IHA指標(biāo)的水文改變度，D_i為正值表示受水庫影響后第i個(gè)指標(biāo)落在RVA目標(biāo)內(nèi)，Di為負(fù)值表示受水庫影響后第i個(gè)指標(biāo)落在RVA目標(biāo)外;N_i。為受水庫影響后第i個(gè)指標(biāo)仍落于RVA目標(biāo)內(nèi)的年數(shù);N_ie為受水庫影響后第i個(gè)指標(biāo)預(yù)期落在RVA目標(biāo)內(nèi)的年數(shù)：r為受水庫影響前第i個(gè)指標(biāo)落于RVA目標(biāo)內(nèi)的比例;N_T為受水庫影響后水文系列的總年數(shù)。

為了客觀地評價(jià)IHA指標(biāo)的水文改變程度，該方法將水文改變度分為3個(gè)等級：0≤|D_i|<330-/0為低度改變，33%≤| D_i|<67%為中度改變，67%≤|D_i|≤100%為高度改變。1.3 整體水文改變度計(jì)算方法

為了綜合評估河流水文情勢的改變程度，本文引入改進(jìn)的熵權(quán)法對33個(gè)水文指標(biāo)進(jìn)行賦權(quán)。熵權(quán)法的核心思想是在多指標(biāo)評價(jià)體系中，某一指標(biāo)的變化程度越大，則其熵權(quán)越大，說明該指標(biāo)對綜合評價(jià)越重要[7]。以熵權(quán)法確定各IHA指標(biāo)的權(quán)重，既考慮了不同指標(biāo)對整體改變度影響的差異性，又不會(huì)過于凸顯單一改變度大的指標(biāo)的重要性，能夠更加客觀全面地反映各指標(biāo)對于河流水文情勢的重要程度。熵權(quán)法在RVA法權(quán)重確定中的具體步驟如下。

2 研究區(qū)概況及資料選取

龍羊峽水庫是離黃河源區(qū)最近的一座具有多年調(diào)節(jié)能力的大型水庫，控制著上游65%的水量，被稱為黃河梯級水電站的“龍頭”水庫。該水庫于1986年10月下閘蓄水，1987年9月第一臺(tái)機(jī)組投入運(yùn)行，總庫容為274億m³，以發(fā)電為主，兼有防洪、防凌、灌溉、旅游、養(yǎng)殖等綜合功能。

唐乃亥水文站是龍羊峽水庫的入庫流量控制站，其以上的黃河河道無大型水利工程，受人類活動(dòng)干擾較小，可近似反映黃河上游來水的天然狀況。為了排除其他人類活動(dòng)和氣候變化的影響，本文選取1988-2016年唐乃亥水文站實(shí)測逐日平均流量以及龍羊峽水庫同期逐日出庫流量序列反映受水庫影響前后的河流生態(tài)水文狀況并計(jì)算其IHA指標(biāo)，采用RVA法定量評估龍羊峽水庫運(yùn)行對其壩下河段水文情勢的影響程度。

3 計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 月平均流量變化

河流的流量大小和季節(jié)性變化規(guī)律是維持河流生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性和生物多樣性的重要因素。由表2與圖1可以看出，龍羊峽水庫的運(yùn)行顯著改變了壩下河段的月均流量：1-5月及11-12月平均流量增大.6-10月平均流量減小，其中：1-3月、9月、12月月均流量發(fā)生了高度改變.4月、7月、10月月均流量發(fā)生了中度改變，5月、6月、8月、11月月均流量發(fā)生了低度改變?？菟冢?2月一次年3月）徑流量占年徑流量的比例由天然的11%增大到29%，汛期（7-10月）徑流量占比由天然的58%降至36%。整體來看，龍羊峽水庫運(yùn)行后，月均流量趨于均一化，季節(jié)性變化幅度減小。原因是水庫調(diào)度服從防洪、發(fā)電以及供水等要求，水庫發(fā)揮了“蓄豐補(bǔ)枯”的作用。徑流的季節(jié)性變化為不同生物不同生命周期提供了其所需要的水文條件，而龍羊峽水庫的運(yùn)行造成壩下河段流量過程均一化，在一定程度上降低了生態(tài)環(huán)境的多樣性，改變了河流生態(tài)系統(tǒng)的種群結(jié)構(gòu)，對生物的洄游、遷徙等產(chǎn)生一定影響;但從另一方面來看，水庫的“蓄豐補(bǔ)枯”作用使枯水期徑流量增大，為壩下河段用水提供了極為有利的徑流條件，保障了灌區(qū)用水和河道生態(tài)用水。

3.2 年極端流量變化

由表3、圖2、圖3可以看出：龍羊峽水庫運(yùn)行后，壩下河段年最大流量顯著減小，除年最大90 d流量指標(biāo)為低度改變外，其余最大流量指標(biāo)均為高度改變，其中受水庫影響后年最大ld流量普遍小于目標(biāo)下限值，且年際變化幅度較小（見圖2）。受水庫影響后的年最小ld流量顯著增大，除年最小ld流量指標(biāo)為中度改變外，其余最小流量指標(biāo)均為高度改變;受水庫影響后年最小ld平均流量普遍高于目標(biāo)上限，且年際變化幅度較大（見圖3）。最小流量指標(biāo)改變度整體大于最大流量指標(biāo)改變度，說明龍羊峽水庫運(yùn)行后對壩下河段的年最小流量的影響更明顯。極端流量的變化會(huì)影響河流生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，不利于水生生物棲息地的構(gòu)建，同時(shí)使河道與河岸間營養(yǎng)物質(zhì)的交換受阻，影響水生生物和河岸植被的生長。

3.3 年極端流量發(fā)生時(shí)間

年極端流量發(fā)生時(shí)間對水生生物的生存和繁殖具有重大意義。從表4、圖4、圖5可知，受龍羊峽水庫運(yùn)行影響前最大流量一般出現(xiàn)在6-10月，且集中發(fā)生于6月下旬至8月下旬，而龍羊峽水庫運(yùn)行后最大流量發(fā)生時(shí)間范圍變寬，3-11月均有發(fā)生且多發(fā)生于5月上旬至8月上旬，年最大ld流量發(fā)生時(shí)間整體提前約1個(gè)月，水文改變度為低度改變，原因可能是4-6月寧蒙灌區(qū)進(jìn)入春灌期，龍羊峽水庫需要加大出流來滿足農(nóng)業(yè)灌溉用水需求。受龍羊峽水庫運(yùn)行影響前年最小流量一般出現(xiàn)在12月至次年2月，而受龍羊峽水庫影響后最小流量發(fā)生時(shí)間范圍變寬，主要集中在2-3月，年最小1 d流量發(fā)生時(shí)間整體延后3-4個(gè)月，水文改變度為高度改變，原因可能是從12月到次年3月黃河上游進(jìn)入凌汛期，凌汛前期水庫需要逐漸減小下泄流量以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定封河，凌汛后期水庫需要進(jìn)一步減小下泄流量以保證開河安全。黃河上游魚類一般在汛期漲水時(shí)產(chǎn)卵，且需要一定的水溫條件，年最大流量出現(xiàn)時(shí)間提前會(huì)改變魚類繁殖所需的水文條件，干擾魚類的正常產(chǎn)卵時(shí)間和繁殖行為，對種群規(guī)模及結(jié)構(gòu)造成一定影響。

3.4 高、低流量的頻率及延時(shí)

河流的高、低流量是河流生態(tài)過程的直接驅(qū)動(dòng)力，決定了不同物種的脅迫閾值與生存機(jī)會(huì)[8]。由表5可知：龍羊峽水庫運(yùn)行后，年高、低流量發(fā)生頻率較受龍羊峽水庫影響前均顯著減小，且持續(xù)時(shí)間均縮短至不足7d。從整體上來看，低流量指標(biāo)改變度大于高流量指標(biāo)改變度，說明龍羊峽水庫運(yùn)行對低流量的發(fā)生頻率及持續(xù)時(shí)間的影響程度更大。高流量持續(xù)時(shí)間過短會(huì)使龍羊峽壩下河段在魚類產(chǎn)卵期或育苗期無法為其提供足夠?qū)挼乃蚣俺渥愕臓I養(yǎng)物質(zhì)，同時(shí)也會(huì)影響沿岸生態(tài)系統(tǒng)的發(fā)展[9]：而低流量出現(xiàn)次數(shù)減少、持續(xù)時(shí)間過短會(huì)導(dǎo)致部分低流量構(gòu)造的生態(tài)環(huán)境消失，使一些適應(yīng)低流量的生物生存受到威脅，同時(shí)也會(huì)使河流挾帶的營養(yǎng)物質(zhì)不易被水生生物及周邊植物吸收。

3.5 流量改變率及頻率

由表6可知：受龍羊峽水庫運(yùn)行影響后，壩下河段流量逆轉(zhuǎn)次數(shù)（變化頻率）顯著增加，由年均117次增加到206次，流量年平均增大率和減小率的波動(dòng)范圍增大且流量改變率均顯著增大，原因主要是龍羊峽水庫電力負(fù)荷變化使得下泄流量具有“陡漲陡落”的變化特點(diǎn)，且變化頻繁，這會(huì)影響浮游生物以及部分植物的生長，破壞生物棲息環(huán)境的穩(wěn)定性。

3.6 整體水文情勢改變度分析

綜合33個(gè)水文變化指標(biāo)，利用改進(jìn)的熵權(quán)法得到龍羊峽水庫壩下河段的整體水文情勢改變度為68.31%，屬于高度改變（見圖6）。33個(gè)水文變化指標(biāo)中有21個(gè)指標(biāo)（占64%）屬于高度改變，4個(gè)指標(biāo)（占12%）屬于中度改變，8個(gè)指標(biāo)（占24%）屬于低度改變。這表明龍羊峽水庫現(xiàn)行調(diào)度方式對水庫壩下河段的水文情勢改變程度較大。

馮慧[1O]對龍羊峽以下河段生態(tài)系統(tǒng)健康狀況進(jìn)行了評價(jià)，認(rèn)為該河段生態(tài)系統(tǒng)處于亞健康狀態(tài)，河岸帶植被覆蓋率較低，珍稀土著魚類數(shù)量急劇減少，浮游動(dòng)植物密度較低。張建軍等[11]對龍羊峽至劉家峽河段水庫建設(shè)后魚類資源變化的研究表明，該河段土著魚類分布區(qū)域縮小，種群數(shù)量減少速度較快，部分土著魚類面臨著滅絕的風(fēng)險(xiǎn)，這與黃河上游水利工程的建設(shè)運(yùn)行密切相關(guān)[11]。龍羊峽水庫的建設(shè)運(yùn)行直接改變了其壩下河段的天然水文情勢，破壞了生物棲息環(huán)境的穩(wěn)定性和多樣性，影響了水生生物的繁殖與生長，打破了原本就脆弱的河流生態(tài)系統(tǒng)平衡。這一現(xiàn)狀印證了本文評價(jià)結(jié)果中整體水文情勢改變度為高度改變的合理性。

4 結(jié)語

龍羊峽水庫壩下河段生態(tài)水文情勢發(fā)生了高度改變，受水庫運(yùn)行影響后水文變化指標(biāo)基本落在RVA目標(biāo)之外，指標(biāo)體系中1-3月、12月平均流量，年最大1、3、7d平均流量，年最小7、30、90 d平均流量，最小流量發(fā)生時(shí)間，低流量發(fā)生次數(shù)及延時(shí)，流量改變率及頻率等指標(biāo)改變顯著。受水庫徑流調(diào)節(jié)作用的影響，壩下河段年內(nèi)徑流過程趨于均一化，年最大流量顯著減小且出現(xiàn)時(shí)間提前，年最小流量顯著增大且出現(xiàn)時(shí)間延后，年高、低流量發(fā)生頻率顯著減小且持續(xù)時(shí)間縮短，流量具有“陡漲陡落”的變化特點(diǎn)，且變化頻繁。這些改變會(huì)對壩下河段的生物種群規(guī)模與結(jié)構(gòu)、棲息地環(huán)境、河岸植被生長等產(chǎn)生較大影響。但是，水庫的建設(shè)對水文情勢的改變又具有一定的積極作用，水庫的“蓄豐補(bǔ)枯”作用保障了枯水期下游河道的生態(tài)用水，提高了水資源的利用效率，同時(shí)水庫的防凌防洪作用減輕了下游可能發(fā)生的災(zāi)害，對保護(hù)生態(tài)環(huán)境具有重要意義。

對河流水文情勢改變程度進(jìn)行定量評估，指出改變程度高的水文指標(biāo)并分析其生態(tài)影響，對于中小尺度的生態(tài)調(diào)度具有科學(xué)指導(dǎo)意義和實(shí)踐價(jià)值。今后需要進(jìn)一步研究水文情勢改變程度與生態(tài)響應(yīng)的定量關(guān)系，確定生態(tài)承受閾值，通過水庫徑流調(diào)節(jié)能力模擬自然河流的水文特征，改善河流生態(tài)健康狀況，在生態(tài)系統(tǒng)可承受的水文情勢變化范圍內(nèi)進(jìn)行水庫的興利防洪調(diào)度，實(shí)現(xiàn)區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)與生態(tài)環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展。

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