西藏旁多水利樞紐工程對拉薩河徑流情勢變化的影響

李昌隆，蘭 措，3，格桑央培，孫祖剛，尹正宇

（1.中國科學院青藏高原研究所，北京 100101；2.中國科學院大學，北京 100049；3.中國科學院青藏高原地球科學卓越創(chuàng)新中心，北京 100101；4.西藏自治區(qū)旁多水利樞紐管理局，拉薩 850000；5.西藏自治區(qū)水文水資源勘測局，拉薩 850000）

0 引言

近年來，拉薩河流域水資源開發(fā)利用程度逐步加大，修建了直孔水電站、旁多水利樞紐等諸多水利工程［1］。水利樞紐工程大力推動社會經(jīng)濟發(fā)展：在流域水電綜合開發(fā)、抗洪防旱、提供工業(yè)及農(nóng)業(yè)用水等方面發(fā)揮著重要作用，但也同時改變了河流的天然徑流，影響流域內(nèi)的水分和能量循環(huán)、物種棲息地狀況和生態(tài)環(huán)境等［2，3］。有著“亞洲水塔”之稱的青藏高原生態(tài)環(huán)境敏感且脆弱，在遭受人類破壞等負面影響后極難實現(xiàn)自我調(diào)節(jié)與修復［4］。

已有研究人員發(fā)現(xiàn)拉薩河流域水庫建設及運行導致區(qū)域冬春季氣溫下降［5］、周圍植被生長受限［6］、阻隔魚類遷移［7］、污染河流斷面［7］、改變水溫和懸移質(zhì)泥沙［8］、粗化壩下河床［9］、降低沿岸土壤肥力［11］，甚至增加地震頻率［12］。而目前針對拉薩河流域水利設施對河流徑流情勢的影響研究較少，主要為定性分析［13，14］和基于模擬出庫徑流［1，15］的定量分析。而本文運用變化范圍法（RVA）結合拉薩河旁多水利樞紐工程（以下簡稱：旁多水庫）2014-2020年入庫和出庫日徑流實測數(shù)據(jù)，定量評價現(xiàn)階段旁多水庫對拉薩河徑流情勢的改變程度，揭示水庫調(diào)節(jié)對拉薩河流域水文過程的影響。本文專注高寒流域人類活動對水文過程和生態(tài)環(huán)境的直接影響，為青藏高原環(huán)境保護及平衡水庫運行的社會和生態(tài)效益提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

拉薩河（圖1）是雅魯藏布江子流域中面積最大、最長的河流，是子流域中人口密度最大的一個，也是西藏自治區(qū)主要的農(nóng)業(yè)和經(jīng)濟活動所在地，自治區(qū)首府拉薩位于其中下游。拉薩河流域水資源豐富，多年平均流量為288 m3/s，年徑流總量為90.82 億m3，流域面積32 875 km2。流域多年年平均降水量為545.5 mm；多年日平均氣溫為5.5 ℃；氣候溫和涼爽，年溫差小而日溫差大，日照時間長，輻射強度大，降水集中。流域植被稀疏，多為草原草甸類型［16］。

圖1 拉薩河流域以及旁多水利樞紐工程地理位置Fig.1 The Lhasa River watershed and location of Pangduo Reservoir

旁多水庫地處拉薩河流域中游，壩址控制流域面積16 370 m2，年徑流量62.48 億m3，分別占拉薩河流域面積和年徑流量的49.8%和68.8%。旁多水庫作為西藏自治區(qū)“十一五”重點水利建設項目，是西藏已建及近期擬建的規(guī)模最大的水利樞紐工程［17，18］。

2 研究方法及數(shù)據(jù)資料

2.1 研究方法

為量化河川徑流改變程度，Richter 等以較長時間序列徑流資料為基礎，利用未受干擾情形下的流量變化確定天然河流生態(tài)環(huán)境流量范圍，從而分析一系列水文指標在受到干擾后的變化程度，簡稱變化范圍法（Range of Variability Approach，RVA）［19-21］。該方法在國內(nèi)外應用廣泛［22，23］。

利用河流的逐日徑流資料，計算表1 中32 個水文變化指標（Indicators of Hydrologic Alteration，IHA）來反映徑流情勢的5 種基本特征：平均量值、極端事件、極端事件發(fā)生時間、高低流量脈沖頻率和歷時、以及流量變率，從而評價徑流情勢的變化程度。

表1 水文指標及含義Tab.1 Summary and definitions of hydrologic indicators of hydrologic alteration（IHA）

RVA 一般以天然流量的自然變化情況為基準評估人為影響后流量序列的改變程度。Richter 等提出以自然流量各指標的平均值加減一個標準差或以頻率為75%和25%作為各指標的上下限，成為RVA 目標范圍［19-21］。在此，我們選用平均值加減一個標準差為RVA目標范圍。

2.2 數(shù) 據(jù)

這里應用旁多水庫同時段實測出入庫徑流量作為人為影響流量和天然流量，可剔除氣候變化的影響，以單獨反映水利設施對河流徑流情勢的影響。旁多水庫2011-2020年出入庫逐日徑流及庫區(qū)水位數(shù)據(jù)來源于西藏自治區(qū)水文水資源勘測局和旁多水利樞紐管理局。圖2 顯示2013年底出入庫徑流開始出現(xiàn)較大差異，水庫操作明顯。因此將2014-2020年作為研究時段。

圖2 旁多斷面2011-2020年出入庫日平均流量Fig.2 Daily mean inflow to and outflow from Pangduo Reservoir in 2011-2020

2.3 水文改變度計算

本文采用公式（1）、（2）［19-21］量化徑流情勢受水利設施影響的程度：

式中：Di為第i 個IHA 指標的水文改變度；D0為水文綜合改變度；N0為入庫徑流中位于RVA 目標范圍內(nèi)的年數(shù)；Ni為出庫徑流位于RVA 目標內(nèi)的年數(shù)；Ne為預期出庫徑流位于RVA 目標范圍內(nèi)的年數(shù)。

由于本文中出入庫年數(shù)一致，因此Ne與N0值相等。并判斷0 ≤│Di│＜33%為無或低度改變（L）；33% ≤│Di│＜67%為中度改變（M）；67% ≤│Di│≤100%為高度改變（H）。

2.4 年極端流量發(fā)生時間計算說明

由于時間數(shù)據(jù)非常類似空間統(tǒng)計的方向數(shù)據(jù)［24］，為更好的展示極端徑流發(fā)生時間的連續(xù)性，本文通過公式（3）將年極端流量發(fā)生時間的儒略日數(shù)（J）轉(zhuǎn)化為向量日期（α），并求得以下統(tǒng)計量［25-27］：

定義S2為n個樣本向量日期αi的方差：

3 結果與分析

3.1 各月平均流量

干濕季節(jié)的明顯差異使拉薩河流域汛期主要集中在5-10月，月平均流量為370.61 m3/s，非汛期為11月-次年4月，月平均流量為53.40 m3/s［圖3（a）］。

圖3 旁多斷面2014-2020年出入庫流量及水位Fig.3 Mean monthly inflow and outflow，monthly inflow and outflow，monthly water level of Pangduo Reservoir in 2014-2020

天然徑流經(jīng)水庫攔蓄調(diào)節(jié)后造成全年水量分配皆有一定程度的變化：其中1、3、4、5、7、12月出庫流量明顯大于入庫流量，6、8、9、10月出庫流量明顯小于入庫流量。整體呈現(xiàn)蓄洪補枯的動態(tài)年調(diào)節(jié)狀態(tài)，主要表現(xiàn)在出庫月平均流量相比入庫月平均流量在汛期有明顯下降，為337.98 m3/s；在非汛期有明顯升高，為71.24 m3/s［圖3（a）］。

汛期從5月一直持續(xù)到10月，期間拉薩河流域夏季風盛行，降水增加，同時流域整體回暖滿足冰雪消融的氣象條件，導致徑流量增加，旁多水庫開始攔蓄補充庫容。而正值汛期的7月，出庫月平均流量為633.60 m3/s 大于入庫月平均流量的605.76 m3/s［圖3（a）］，主要是由于2015 和2016年7月出庫月平均流量明顯大于入庫月平均流量［圖3（b）］，存在強調(diào)節(jié)影響。原因是：2015年拉薩河上游出現(xiàn)明顯的水文異常干旱現(xiàn)象，雖然洪峰出現(xiàn)次數(shù)增多，但單次峰值流量減少，流量過程呈現(xiàn)“雙峰型”。第一次洪峰排泄后，使得水庫水位急劇下降［圖3（c）］，低于死水位（4 066.0 m）。2015年的水文異常現(xiàn)象也影響了2016年的水庫調(diào)度。而其他年份7月平均入庫流量均略大于月平均出庫流量，存在一定的削峰作用。

在非汛期，年初旁多水庫為滿足春耕的用水需求，其在3月開始大幅增加其出庫月平均流量［圖3（a）］，在保證下游沿岸地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動順利進行的同時也能預留一部分庫容保證夏季洪峰安全過境。11月進入年末非汛期，為有效應對冬春季逐步減少的徑流量，滿足下游生活用水需求，旁多水庫積極發(fā)揮供水作用。2015、2018-2020年年初出庫流量明顯大于入庫流量，水庫的補枯作用非常明顯。

水位峰谷變化相比于流量變化略有滯后［圖3（c）］，從其月平均水位變化也能看出上述同樣的水庫調(diào)度。年內(nèi)最高水位一般出現(xiàn)在10月或11月，年內(nèi)最低水位一般出現(xiàn)在4月或5月。2016年的水位情況受前一年調(diào)度影響，滯后更加明顯。

3.2 年極端流量

圖4 中相同歷時的低值流量改變程度均大于高值流量，其中年最小1 天流量、年最小連續(xù)30 天流量改變度均為100%。為進一步說明年極端流量改變程度，圖5 對比分析2014-2020年每月極端水文日事件，并計算了其相對變化倍數(shù)（變化倍數(shù)=，其中正倍數(shù)為供水調(diào)度，負倍數(shù)為蓄水調(diào)度。

圖4 旁多斷面2014-2020年不同歷時最小（大）流量水文改變度Fig.4 Changes of annual extreme IHA due to Pangduo Reservoir in 2014-2020

對于每月最小入庫流量日事件變化倍數(shù)范圍為-0.86～4.79［圖5（a）］，對每月最大入庫流量日事件變化比率范圍為-0.98～1.22［圖5（b）］。說明旁多水庫強有力地改變了拉薩河上游極端天然徑流，尤其體現(xiàn)在基流上。一般對于每月最小入庫流量，流量變化為正倍數(shù)，即多處于供水調(diào)度來應對低流量事件，而當?shù)土髁渴录髁恐递^小時調(diào)整為蓄水調(diào)度，如在2015、2017、2019年汛期；對于每月最大入庫流量，流量變化為正負倍數(shù)交替，即蓄水、供水交替調(diào)度來應對高流量事件，并且調(diào)度程度隨高流量事件的流量值增加而減弱。

圖5 旁多斷面2014-2020年月入庫最小、最大流量及對應日出庫流量Fig.5 Monthly extreme 1-day mean inflow and its outflow at Pangduo Reservoir，2014-2020

3.3 年極端流量發(fā)生時間

通過向量統(tǒng)計公式（3）、（4）、（5），得到年極端流量發(fā)生時間圓形玫瑰圖（圖6）。經(jīng)水庫調(diào)節(jié)后：年最小一天流量平均發(fā)生時間從1月11日（J=11）變化為2月5日（J=36），時間范圍從12月13日到2月19日（J=347-50）擴展為8月30日-5月24日（J=242-144）［圖6（a）、（b）］；年最大一天流量平均發(fā)生時間從7月26日（J=207）變化為7月22日（J=203），時間范圍從6月25日-8月22日（J=176-234）擴展為6月21日-8月31日（J=172-243）［圖6（c）、（d）］。

圖6 旁多斷面2014-2020年年極端流量發(fā)生時間圓形玫瑰圖Fig.6 The rose diagrams of Julian day of occurrences of minimum inflow and outflow，maximum inflow and outflow at Pangduo Reservoir in 2014-2020

旁多水庫的調(diào)節(jié)對拉薩河天然河流年極端流量發(fā)生時間影響極大：其推遲了年最小一天流量平均發(fā)生時間、擴大了時間范圍；提前了年最大一天流量平均發(fā)生時間、擴大了時間范圍。

3.4 高、低流量脈沖頻率及延時

將入庫天然流量2014-2020年所有年份的日流量值由大到小依次排序，選取75%和25%的百分位流量值作為高低脈沖流量的閾值，計算求得大于298.05 m3/s 的日流量值為高流量，小于44.65 m3/s的日流量值為低流量（圖7）。

圖7 旁多斷面2014-2020年入庫、出庫高低流量脈沖圖Fig.7 High and low pulses of inflow and outflow at Pangduo Reservoir in 2014-2020

從多年平均來看：低流量脈沖多年平均次數(shù)由12.1 次減少為2.1 次［圖8（a）］，平均歷時天數(shù)由5.4 d 擴大為9.7 d［圖8（b）］；高流量脈沖多年平均次數(shù)由3.4 次增加為5.7 次［圖8（c）］，平均歷時天數(shù)由31.7 d縮減為22.9 d［圖8（d）］。

圖8 旁多斷面2014-2020年出入庫不同流量脈沖次數(shù)及平均歷時圖Fig.8 Frequency and duration of different pulses of inflow and outflow at Pangduo Reservoir in 2014-2020

從年際來看：2014年出入庫低流量脈沖次數(shù)較為接近，但平均歷時天數(shù)差異巨大，2018-2020年出庫低流量脈沖次數(shù)均為0；整體上低流量脈沖次數(shù)與平均歷時之間的出入庫差異沒有一致的年際變化。出庫高流量脈沖次數(shù)普遍高于對應年入庫高流量脈沖次數(shù)，只有在2014年出現(xiàn)低于、2020年出現(xiàn)相等的情況；出庫高流量脈沖平均歷時普遍低于對應年入庫高流量平均歷時，只有在2018年出現(xiàn)例外。

3.5 流量變化改變率及頻率

圖9（a）、（b）所示旁多水庫在2014-2017年擴大了流量平均減少率和增加率，增大了河流日際變率；在2018-2020年縮小了流量平均減少率和增加率，減小了河流日際變率。圖9（c）中，旁多水庫入庫天然流量逆轉(zhuǎn)次數(shù)受自然條件影響存在階段性差異明顯，高低值變化劇烈，而人為調(diào)控使其出庫流量逆轉(zhuǎn)次數(shù)維持在穩(wěn)定水平。這種階段性人為調(diào)控的河流日際變率顯著不同于拉薩河自然的漲水率和落水率。

圖9 旁多斷面2014-2020年出入庫流量平均減少率、增加率及逆轉(zhuǎn)次數(shù)Fig.9 Average decrease，increase rates and reversal times of inflow and outflow at Pangduo Reservoir in 2014-2020

3.6 水文改變度整體分析

通過計算5 組32 個水文參數(shù)指標可知有10 個指標處于低度改變，8個指標為中度改變，14個指標為高度改變。各水文指標統(tǒng)計分析表及改變度排序詳見圖10 和表2。利用公式（2）綜合計算得出：旁多斷面徑流情勢整體改變度為62.21%，屬于中度改變。

表2 旁多斷面徑流情勢變化指標Tab.2 Summary of IHA analysis of the Pangduo Reservoir

圖10 旁多斷面徑流水文情勢指標改變度排序圖Fig.10 Ranked order of IHA related to Pangduo Reservoir

4 結 語

現(xiàn)階段旁多水利樞紐的運行調(diào)節(jié)重塑了拉薩河徑流的年內(nèi)分配；提高了低流量事件發(fā)生時的基流；調(diào)整和擴展了年極端流量發(fā)生時間及范圍；改變了高低流量脈沖及歷時；擴大了流量日際變率；穩(wěn)定了逆轉(zhuǎn)次數(shù)階段性差異；對徑流情勢影響程度總體達到62.21%。

我們在滿足人類社會發(fā)展需求的同時，應當同時顧及生態(tài)環(huán)境需求，以讓整個地球系統(tǒng)能夠可持續(xù)發(fā)展。如何優(yōu)化旁多水利樞紐調(diào)度，平衡其經(jīng)濟效益與生態(tài)效益將是未來拉薩河流域發(fā)展的重點考慮問題。