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《資源科學(xué)雜志》2014年第六期

1研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)來源

黃河發(fā)源于青藏高原的巴顏喀拉山脈北麓約古宗列盆地的瑪曲，最后于山東省流入渤海。流域面積79.5萬km2，干流全長(zhǎng)5464km，是中國(guó)第二長(zhǎng)河[11]。1960年至今，黃河干流建成了10多座水利樞紐，總庫(kù)容達(dá)到563億m3，幾乎接近天然徑流量[12]。其中具有重要調(diào)節(jié)作用的控制性水庫(kù)共4座，分別為上游的龍羊峽和劉家峽水庫(kù)、中游的三門峽和小浪底水庫(kù)（見圖1）。這些水利工程在防洪、灌溉、發(fā)電等方面發(fā)揮了重大作用和效益，但也正是由于水庫(kù)的大量蓄水，導(dǎo)致下游河道徑流量急劇減少，特別是進(jìn)入20世紀(jì)90年代之后，黃河下游幾乎年年發(fā)生斷流，致使河流的水文情勢(shì)發(fā)生了重大改變，河流的生態(tài)平衡遭到嚴(yán)重破壞。花園口水文站距小浪底水庫(kù)下游128km，控制上游積水面積為73萬km2，占到黃河流域總面積的97%。它是黃河干流最重要的控制水文站，擔(dān)負(fù)著向國(guó)家防總、黃河防總等防汛指揮部門提供水文信息資料的重要任務(wù)，上游對(duì)其影響最大的水利工程分別為劉家峽、龍羊峽、三門峽和小浪底水庫(kù)。為了分析上述4座梯級(jí)水庫(kù)運(yùn)行前后黃河下游生態(tài)系統(tǒng)水文要素的演變規(guī)律，本文根據(jù)花園口控制斷面1949-2010年（缺1966年、1967年、1968年）的日徑流資料，研究梯級(jí)水庫(kù)聯(lián)合運(yùn)行對(duì)下游水文情勢(shì)的影響。

2研究方法

2.1水文改變指標(biāo)法（IHA）河流水文情勢(shì)改變指標(biāo)（IHA），IHA指標(biāo)分為5組，分別從月流量大小、頻率、時(shí)間、歷時(shí)以及變化率等方面計(jì)算33個(gè)具有生態(tài)系統(tǒng)表征的水文特征值。IHA一般利用長(zhǎng)系列日徑流資料計(jì)算受人類活動(dòng)影響的河流，對(duì)影響前和影響后進(jìn)行分析，具體指標(biāo)及相應(yīng)的生態(tài)系統(tǒng)表征見表1。

2.2變異范圍法（RVA）為了定量描述各個(gè)水文指標(biāo)受影響后的改變程度，Richter等在IHA的基礎(chǔ)上提出變異范圍法[4]，通過對(duì)水庫(kù)運(yùn)行前后河道日徑流數(shù)據(jù)進(jìn)行分析研究，來量化各水文要素變化的程度，通常把受影響前各指標(biāo)發(fā)生頻率的75%及25%作為滿足河流生態(tài)需求的變動(dòng)范圍，即RVA閾值。若受影響后的流量特征值仍有大部分落在RVA閾值內(nèi)，則說明建壩等人類活動(dòng)對(duì)河流水文情勢(shì)的影響不大，是在可接受范圍之內(nèi)；反之，若受影響后的流量特征值大部分落在RVA閾值外，則說明河流水文情勢(shì)改變度較大，將會(huì)對(duì)河流的生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生嚴(yán)重的負(fù)面影響。為了定量描述各個(gè)水文指標(biāo)受影響后的改變度，Richter等提出了水文改變度來量化，公式如下。式中Di為第i個(gè)指標(biāo)的水文改變度；Ni為第i個(gè)指標(biāo)受影響后仍落于RVA閾值范圍內(nèi)的實(shí)際觀測(cè)年數(shù)；Ne=rNT為指標(biāo)受影響后預(yù)期落于RVA閾值范圍內(nèi)的年數(shù)；r為受影響前指標(biāo)落于RVA閾值范圍內(nèi)的比例，NT為指標(biāo)受影響后的總年數(shù)。規(guī)定0%|D|i<33%為無或低度改變；33%|D|i<67%為中度改變；67%|D|i<100%為高度改變。Shiau和Wu[13]提出了整體水文改變度Do，即將各指標(biāo)的水文改變度以權(quán)重平均的方式來計(jì)算水文情勢(shì)的綜合改變度，分為以下3種情況計(jì)算[5]：（1）如果各水文指標(biāo)的改變值均小于33%，則整體改變度為33個(gè)Di值的平均值。式中Di為各個(gè)水文指標(biāo)改的變化值；Nh為Di屬于高度改變的個(gè)數(shù)，顯然，計(jì)算得到的Do>67%，整體改變度將屬于高度改變。

2.3研究時(shí)段的劃分研究時(shí)段的劃分以水庫(kù)投入運(yùn)行的時(shí)間為分界點(diǎn)。三門峽水庫(kù)1960年9月蓄水，其運(yùn)用方式經(jīng)歷了“蓄水?dāng)r沙”、“滯洪排沙”，之后1974年確定為“蓄清排渾”，所以三門峽水庫(kù)1974年開始正常運(yùn)行；劉家峽水庫(kù)1974年最后一臺(tái)機(jī)組安裝完畢；龍羊峽水庫(kù)1986年建成；小浪底1997年截流，2001年底竣工，但考慮到初期蓄水期的影響，選取2006-2010年作為水庫(kù)影響時(shí)段。綜上分析，設(shè)定1974年以前為天然狀態(tài)，1974-1986年為劉家峽、三門峽水庫(kù)聯(lián)合運(yùn)行階段，1987-1997年為龍羊峽、劉家峽、三門峽水庫(kù)聯(lián)合調(diào)度階段，2006年以后為龍羊峽、劉家峽、三門峽、小浪底水庫(kù)聯(lián)合運(yùn)用時(shí)期，為方便起見，下文分別將龍羊峽、劉家峽、三門峽、小浪底水庫(kù)簡(jiǎn)稱為龍、劉、三、小。

3研究結(jié)果

3.1水文指標(biāo)改變度以1949-1973年為IHA影響前的日徑流序列，并以33個(gè)水文指標(biāo)各發(fā)生機(jī)率的25%和75%作為RVA的上限和下限，即RVA閾值。根據(jù)公式（1）提出的水文指標(biāo)改變度，可計(jì)算得到不同梯級(jí)水庫(kù)聯(lián)合運(yùn)行模式下各指標(biāo)的改變度，計(jì)算結(jié)果見表2。

3.2整體改變度由表2計(jì)算結(jié)果知，3種梯級(jí)水庫(kù)聯(lián)合調(diào)度模式均含有高度改變的水文指標(biāo)，滿足Shiau和Wu[5]提出的整體水文改變度算法的第三種情況，由公式（4）可計(jì)算得到不同梯級(jí)水庫(kù)聯(lián)合運(yùn)行下，黃河下游的整體水文改變情況，結(jié)果見表3。

4結(jié)果分析與討論

4.1月流量變化花園口站月平均流量的改變程度隨著梯級(jí)水庫(kù)數(shù)量的增加而增強(qiáng)，劉、三聯(lián)合運(yùn)行，各月流量變化度均為中、低改變；劉、龍、三聯(lián)合運(yùn)行后12個(gè)月中有5個(gè)月都呈高度改變；而小浪底的加入后，只有6月呈低度改變，其余各月均為中、高度改變，其中汛期變化度最為明顯。由此可以說明梯級(jí)聯(lián)合調(diào)度的水庫(kù)數(shù)量越多，對(duì)黃河下游的水文情勢(shì)影響就越大。龍羊峽水庫(kù)、劉家峽水庫(kù)、三門峽水庫(kù)、小浪底水庫(kù)不同組合模式運(yùn)行前后，花園口斷面平均月流量變化趨勢(shì)如圖2所示。由圖2可知，天然狀態(tài)下，花園口站月平均流量分配極不均勻，呈現(xiàn)出明顯的季節(jié)變化，在汛期7-10月份平均流量為2143m3/s，非汛期平均流量為957m3/s。劉家峽和三門峽水庫(kù)聯(lián)合運(yùn)行期間，由于三門峽水庫(kù)“蓄清排渾”的運(yùn)行方式使花園口斷面汛期平均流量較天然狀態(tài)下變化不大。龍羊峽投入運(yùn)行后，由于龍羊峽為多年調(diào)節(jié)水庫(kù)，其“蓄豐”作用明顯，致使花園口斷面汛期平均流量削減為1205m3/s，非汛期平均流量占到全年的53.2%。四庫(kù)聯(lián)調(diào)階段后，由于小浪底水庫(kù)自2001年起開始實(shí)施調(diào)水調(diào)沙，其防洪沖沙的任務(wù)更加凸顯，致使各月流量分配更加均勻平坦化，尤其是汛期變化較大，月平均流量速降至733m3/s，嚴(yán)重影響了水生物種的繁殖和生存，危害河流生態(tài)健康。

4.2年極端流量變化圖3為不同梯級(jí)水庫(kù)聯(lián)合運(yùn)行模式下，年極端流量相對(duì)于天然狀況下的流量變化幅度。圖3顯示，劉、三水庫(kù)聯(lián)合運(yùn)行給年流量極小值帶來明顯影響，年最小1天、3天、7天（1周）、30天（1月）、90天（1季）流量平均值均增大，增加幅度分別達(dá)到了166.25%、152.82%、163.54%、38.02%和5.04%。龍羊峽水庫(kù)加入后，對(duì)年流量極大值影響顯著，年不同歷時(shí)的最大流量平均值均明顯減小，且長(zhǎng)歷時(shí)極大值較短歷時(shí)極大值變化明顯，年最大1天、3天、7天、30天、90天平均值較天然狀態(tài)下減小幅度分別為27.09%、35.34%、41.21%、35.78%、37.94%。小浪底水庫(kù)投入使用后，年流量極小值和年流量極大值均發(fā)生了顯著性改變，年流量極值指標(biāo)中，年流量極小值較天然狀態(tài)下變化幅度分別為145.15%、134.89%、129.72%、11.52%和-13.38%，年流量極大值較天然狀態(tài)下變化幅度分別為-30.62%、-25.19%、-18.45%、-41.61%和-43.58%。綜上分析可知，梯級(jí)水庫(kù)聯(lián)合運(yùn)行極大的改變了黃河流量的天然分配規(guī)律，特別是劉、三、龍、小四庫(kù)聯(lián)合運(yùn)行之后，對(duì)黃河下游的調(diào)節(jié)作用更加明顯，雖然這種人為的水庫(kù)調(diào)節(jié)方式對(duì)水量的分配、河道泥沙的沖刷有所益處，但會(huì)使天然洪水和年內(nèi)豐枯周期逐步消失，極大地危害黃河下游生態(tài)功能，破壞水生生物的生存環(huán)境的穩(wěn)定性。

4.3年極端流量發(fā)生時(shí)間圖4為二庫(kù)、三庫(kù)、四庫(kù)聯(lián)合運(yùn)行年極小值、極大值流量發(fā)生時(shí)間儒略日變化。由圖4看出，梯級(jí)水庫(kù)聯(lián)合運(yùn)行之后，年最小1日流量發(fā)生時(shí)間均有所推遲，主要集中在7~10月；年最大1日流量發(fā)生時(shí)間均有所提前，主要集中在1~4月。由于水生生物尤其是魚類的繁殖和洄游產(chǎn)卵等行為一般發(fā)生在季節(jié)性洪峰時(shí)期，但是梯級(jí)水庫(kù)運(yùn)行后，季節(jié)性洪峰期逐步喪失，尤其是四庫(kù)聯(lián)合運(yùn)行后，最小1日與最大1日流量發(fā)生時(shí)間僅相差12天，這會(huì)嚴(yán)重阻礙魚類接近溺水和濕地區(qū)域，同時(shí)破壞了水生植物網(wǎng)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、延緩植被生長(zhǎng)速度及再生率[13]。

4.4高、低流量頻率及歷時(shí)RVA規(guī)定高于影響前指標(biāo)發(fā)生頻率的75%為高流量，低于25%屬低流量。由表2的計(jì)算結(jié)果知，年發(fā)生低流量次數(shù)都有所增加且歷時(shí)縮短，高流量次數(shù)都有所減少且歷時(shí)增加。二庫(kù)階段與三庫(kù)階段相比，高、低流量歷時(shí)改變度均由低度轉(zhuǎn)為中度；但與四庫(kù)聯(lián)合階段相比，低流量次數(shù)和高、低流量歷時(shí)均呈高度變化。可見，龍羊峽的加入對(duì)河道年高、低流量歷時(shí)影響較大；四庫(kù)聯(lián)合調(diào)度后，雖然下泄流量過程經(jīng)小浪底水庫(kù)調(diào)節(jié)后，可最大限度地沖刷河道泥沙淤積[14]，排沙入海，但是對(duì)高低流量次數(shù)影響顯著，致使黃河下游小流量增大，大流量減小，將會(huì)降低河流對(duì)洪泛區(qū)水生生物的支持，逐步瓦解水生生物的多樣性。

4.5流量變化改變率及逆轉(zhuǎn)次數(shù)受人類活動(dòng)影響后，不論二庫(kù)、三庫(kù)還是四庫(kù)聯(lián)合運(yùn)行情況下，流量平均增加率和減少率都有所降低且波動(dòng)范圍較大，尤其是三庫(kù)和四庫(kù)聯(lián)合運(yùn)行下，水文改變度均為高度變化。3種聯(lián)合調(diào)度模式下，流量逆轉(zhuǎn)次數(shù)的改變度都為中度，波動(dòng)范圍不大，而流量逆轉(zhuǎn)次數(shù)與河流生態(tài)環(huán)境的變化周期息息相關(guān)，頻繁的逆轉(zhuǎn)雖然對(duì)下游河道調(diào)水調(diào)沙有利，但是會(huì)破壞河流的自然水文周期，擾亂魚類等水生生物的生存環(huán)境，尤其是對(duì)河道內(nèi)的鯰魚、鯉魚影響最為顯著，損失量最大[15]。

4.6整體改變由表3可知，二庫(kù)聯(lián)合運(yùn)行階段的整體改變度為68.92%，三庫(kù)聯(lián)合運(yùn)行階段的整體改變度為73.21%，四庫(kù)聯(lián)合運(yùn)行階段的整體改變度為87.00%，均屬于高度改變。可見，整體水文改變度的大小與梯級(jí)水庫(kù)聯(lián)合運(yùn)行的數(shù)量呈正相關(guān)，水庫(kù)聯(lián)合調(diào)度的數(shù)量越多，黃河下游水文情勢(shì)的改變度越大。不同數(shù)量的梯級(jí)水庫(kù)組合運(yùn)行模式下，33個(gè)IHA指標(biāo)改變度的分布差異也可證實(shí)這一觀點(diǎn)（如圖5所示），與受人類活動(dòng)影響之前的各IHA指標(biāo)相比，兩庫(kù)聯(lián)合運(yùn)行時(shí)期出現(xiàn)了4個(gè)高度改變，占總數(shù)的12%；三庫(kù)聯(lián)合運(yùn)行時(shí)期出現(xiàn)了11個(gè)高度改變，占總數(shù)的33%；四庫(kù)聯(lián)合運(yùn)行階段出現(xiàn)了21個(gè)高度改變，達(dá)到兩庫(kù)運(yùn)行階段的5倍，三庫(kù)運(yùn)行階段的3倍，占到總數(shù)的64%。這是由于在三庫(kù)聯(lián)合運(yùn)行期間，龍羊峽的加入，使水庫(kù)整體的調(diào)節(jié)能力加強(qiáng)，防洪調(diào)蓄的作用在汛期尤其突出，大流量（如洪水）的水流過程被攔蓄在水庫(kù)中，打斷了天然的水流程，從而引發(fā)相關(guān)水文指標(biāo)的強(qiáng)烈變動(dòng)。當(dāng)小浪底投入運(yùn)行即四庫(kù)聯(lián)合調(diào)度之后，黃河下游水文情勢(shì)改變最為嚴(yán)重，這主要是由于小浪底的調(diào)水調(diào)沙使得下游流量過程變動(dòng)更加頻繁所導(dǎo)致的。

5結(jié)論

本文在IHA的基礎(chǔ)上，采用RVA方法對(duì)黃河花園口站的生態(tài)水文特征值進(jìn)行了分析研究，通過對(duì)比分析33個(gè)IHA指標(biāo)在二庫(kù)、三庫(kù)和四庫(kù)三種梯級(jí)聯(lián)合運(yùn)行模式下的變化情況，深入剖析黃河干流控制性梯級(jí)水庫(kù)聯(lián)合調(diào)度對(duì)下游河道水文情勢(shì)的影響程度。主要結(jié)論如下：（1）受人類活動(dòng)影響后，黃河下游的水文情勢(shì)發(fā)生了高度改變。其中，二庫(kù)聯(lián)合運(yùn)行期間，黃河下游整體水文改變度為68.92%，三庫(kù)聯(lián)合運(yùn)行期間，改變度為73.21%，四庫(kù)聯(lián)合運(yùn)行后，改變度為87%。（2）梯級(jí)水庫(kù)的聯(lián)調(diào)作用隨著水庫(kù)數(shù)量的增加而增強(qiáng)，從而使得黃河下游水文情勢(shì)的改變程度愈演愈烈，特別四庫(kù)聯(lián)合調(diào)度后，雖然下泄流量過程經(jīng)小浪底水庫(kù)調(diào)節(jié)后，可最大限度地沖刷河道泥沙淤積，排沙入海，但流量過程變得更加平坦均勻化，致使河道內(nèi)的生物量和多樣性急劇下降，極大地危害河流生態(tài)健康。

作者：黎云云暢建霞涂歡金文婷單位：西安理工大學(xué)西北旱區(qū)生態(tài)水利工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室