水利工程对汉江中下游水文生态的影响

胡安焱,张自英,王菊翠

(1.长安大学环境科学与工程学院,陕西 西安 710054;2.武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室,湖北 武汉430072)

水利工程对汉江中下游水文生态的影响

胡安焱1,2,张自英1,王菊翠1

(1.长安大学环境科学与工程学院,陕西 西安 710054;2.武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室,湖北 武汉430072)

主要采用1980年以前的数据资料,分析丹江口水库建成后对汉江中下游径流量、泥沙、水温、水质、鱼类等的影响。结果表明:水库运行使汉江中下游水量减少,流量过程均化;防洪能力提高;泥沙大量减少;汛期水温降低;鱼类资源减少;水质没有明显的变化。汉江中下游水质恶化和发生水华的主要原因是污染增加。南水北调中线工程建成运行后,汉江中下游江段流量将比现状大幅度减少,流速变缓,对水污染的稀释自净能力降低,生态环境可供水量不足,使水文生态朝着不利的方向发展。

水利工程;汉江;丹江口水库;水文生态

水文生态把水在生态系统中的存在、分布与循环运动作为主体,来研究它在生态系统中的作用与功能,研究水与生态系统中生命要素和其他环境要素之间的相互作用、相互依存、相互联系的关系。汉江中下游人口密集、经济发达。武汉市和十堰汽车工业走廊沿江分布,配套形成了汽车、电子、化工、纺织等产业基地[1]。南水北调中线工程一期工程年均调水95亿m3,后期调水120亿～140亿m3,后期调水占丹江口水库多年平均入库径流量的1/3[2]。研究丹江口水库建设和加高对汉江流域中下游水文生态的影响,对于合理配置水资源、满足受水区和调水区的需水,尽量减少水利工程对中下游社会经济发展和生态环境的影响具有现实意义。

1 丹江口水库概况

丹江口水利枢纽的建设地点在湖北省均县,控制流域面积95217km2,多年平均流量1230m3/s,设计洪水流量64900m3/s,设计灌溉面积23.3万hm2,装机容量90.0万kW。主坝坝型为混凝土宽缝重力坝,最大坝高97.0m,坝顶长度2 461 m(混凝土坝1141m),坝基岩石为闪长岩,主要泄洪方式为坝顶溢流。工程由拦河大坝、水力发电厂、升船机及湖北、河南两座灌溉引水渠等4个部分组成。工程于1958年9月1日破土动工,1968年10月1日第1台机组发电,1973年竣工。这是一座具有防洪、发电、灌溉、航运、养殖等综合效益的大型水利工程。水库正常蓄水位157m,正常蓄水库容174.5亿m3。电厂装机总容量90万kW。单机6台,年均发电量38万kW◦h,湖北清泉沟灌渠和河南陶岔灌渠,年灌溉引水总量共15亿m3。

2 丹江口水库初期工程的影响

2.1 对径流量的影响

丹江口水库建成前后对径流量的影响见表1。表1中的统计数据均选自20世纪80年代以前受人类活动影响较小的年份,下文的数据分析资料也主要选在20世纪80年代以前。从表1中可以看出,丹江口水库建成后,入库的年水量、汛期(5～10月)水量和非汛期(11至次年4月)水量减少,汛期水量占76%、非汛期水量占24%的比例不变。出库的年水量和汛期水量减少,但非汛期水量增加,汛期水量所占比例由77%减少至64%,非汛期水量由23%增加至36%。水库建成后,在入库和出库水量均减少时,非汛期水量增加,表明水库的调节作用使非汛期水量和所占比例增加。

表1 丹江口水库对径流量的影响

丹江口水库建成后,受出库水量变化的影响,汉江碾盘山站非汛期径流明显增加,由建库前的117亿m3,增加到建库后的148亿m3;汛期径流明显减少,由建库前416亿m3减少到建库后341亿m3。非汛期径流占年内百分比由建库前的21.9%增加到建库后的30.0%,汛期径流百分比由78.1%下降到建库后的70%[3]。

2.2 对防洪的影响

汉江中下游洪水主要来自丹江口上游,汉江中下游河道受堤防约束,愈向下游愈狭窄,泄洪能力上大下小,泄洪矛盾十分突出。历史上,汉江中下游洪灾频繁且严重,下游呈三年两溃的局面。1956年兴建杜家台分洪工程后,下游防洪标准提高到5年一遇。丹江口水利枢纽建成以后,初步形成了以丹江口水库蓄洪为主,两岸干堤、杜家台分洪工程及中下游临时分蓄洪民垸为辅的防洪体系。丹江口水库建成前后对洪水的影响见表2。水库建成前入库和出库最大洪峰流量相差不大;建成后入库和出库最大洪峰流量相差较大。水库建成后入库洪峰流量多年平均增加3%,出库则减少42%。可以看出水库使下游最大洪峰流量大幅减少。但目前防洪标准仍不够高,能防20年一遇的洪水,当遇超过20年一遇的洪水,就需新城以上民垸分洪蓄水;遇100年一遇的洪水时,中游14个民垸几乎需要全部用于分洪,才能保证中游河道流量不超过允许安全泄量。中游14个民垸现共有5.87万hm2耕地,人口83万,固定资产65亿元,其中有钟祥、宜城两座县以上中等城市,由于分蓄洪区建设滞后,安全转移极困难,运用民垸分洪损失很大,并且很难做到适时适量分洪[4]。

表2 丹江口水库对洪水的影响

2.3 对泥沙的影响

表3 丹江口水库对泥沙的影响

丹江口水库建成运用前后,汉江中下游的输沙过程、泥沙来源、水流含沙量及粒径组成等有较大的差异。表3为丹江口水库对泥沙的影响情况分析。丹江口水库建成后,年入库沙量、汛期和非汛期量分别减少33%、32%、43%;主要是由于泥沙输移比偏小和上游干支流水库层层拦截,使进入丹江口水库的泥沙量减小。但丹江口水库蓄水后,拦沙率达98%,远远大于入库沙量的减少比例,表明水库对汉江出库沙量有重要的拦蓄作用。而水库下游黄家港、襄阳、皇庄、沙洋和仙桃站的多年平均含沙量分别为 0.03kg/m3、0.19kg/m3、0.56kg/m3、0.60kg/m3和0.75kg/m3,分别占建库前的 0.96%、7.1%、22.6%、29.3%和39.5%。由于长期下泄清水,下游河道发生同流量时水位下降,水深增加。坝下游河道由堆积性转变为侵蚀性,冲槽淤滩,洲滩兼并,支汊淤塞、主汊发育以及切滩撇弯。建库前,来沙集中程度很大,年内分配极不均匀,主汛期7～9月的来沙量占全年来沙量的80%以上。水库蓄水运用后,沙峰削减程度很大,在输沙率大大减少的同时,输沙过程也变得较为均匀。

由于丹江口水库的拦蓄淤积,汉江中下游的泥沙来源发生了变化。建库前,汉江中下游的泥沙主要来自丹江口以上及中下游区间汇流;建库后,汉江中下游河床发生严重冲刷,中下游的泥沙主要来自河床的冲刷补给和区间支流汇入。例如皇庄站的全年来沙仅有约4.6%来自丹江口水库上游区域,区间汇流占33.0%,河床冲刷补给占62.4%。由于泥沙主要来自河床补给,建库后泥沙组成发生了变化,悬移质泥沙粒径增大,黄庄站中值粒径由建库前的0.024mm增加到0.049mm。建库后下游河道的冲刷是由上往下发展的,因此,距坝愈近粒径愈粗。悬移质含沙量的变化也与距坝的远近有关。建库前,从坝址往下游平均含沙量沿程递减;建库后,坝址处平均含沙量最小,随着距坝距离的增加,含沙量增大。将来随着河床逐渐粗化,沿程水流含沙量的变化将逐渐减少,河床粗化完成以后,沿程水流含沙量将较为接近[3]。

2.4 对大坝下游水温的影响

水温是生态系统中一个重要的物理因子。在天然河流中,水体相对较小,紊流掺混作用强,单位水体自由表面大,河水水温随气温变化而变化。在河道上修建水库,特别是修建大型水库以后,水深增加,流速锐减,流态改变,水库形成一个热容量极大的水体,水库的水温结构也发生显著变化,不论在时间分布,还是空间分布方面,均不同于天然河道[5]。丹江口水库建库前后汉江干流水温变化见表4。从表4可见,建库前后水库一年中的水温变化主要是:①3～8月水温降低,下游各测站的水温比建库前低;②9月至次年1月水温升高,各测站的水温比建库前高。这种变化离坝址越近,变化越大;离坝址越远,变化越小。在仙桃站,仅12月至次年1月比建库前水温高,其他月份基本恢复到天然状况。

2.5 对水质的影响

丹江口水库建成对水质的影响见表5。根据表5对照GB3838—2002《地表水环境质量标准》可知,水库建成后,主要指标因子DO、COD 、NH3-N在汉江主要入库站白河站没有明显变化,均为Ⅰ类;在出库站黄家港站除了NH3-N在汛期为Ⅱ类外,其余均为Ⅰ类。说明水库建成对汉江中下游水质没有太大的影响。

表5 丹江口水库对水质的影响 mg/L

表4 丹江口水库对水温的影响℃

丹江口水库2000年和2002年水质类别见表6。2000年时入库站白河站和出库站黄家港站,主要污染因子 DO、COD 、NH3-N,年均、非汛期均为Ⅰ类 ,汛期主要是Ⅱ类。2002年时入库站白河站和出库站黄家港站,主要污染因子DO 、COD 、NH3-N,年均 、非汛期均以Ⅰ类为主,汛期主要是Ⅱ类。丹江口水库入库站和出库站水质类别基本一致,表明水库运行对汉江中下游水质没有太大的影响。但2000年和2002年汉江下游均发生了“水华”现象。水体中营养盐含量过高是水体富营养化、“水华”发生的根本条件,水文情势则是影响污染物扩散的重要因子[6]。随着沿江两岸社会经济的迅速发展和人口密度的增加,汉江接纳了大量的工农业废水和生活污水,这些污染物在汉江干流上形成了大小不等的污染带20多条,长达10多km。尽管20世纪70年代丹江口水库建成改变了汉江中下游水文情势,但由于汉江水流量大,江水的自净作用使水质恶变速度不是很大[7],水质恶化和藻类“水华”是近十几年发生的,由此可见汉江水质恶化的最根本原因是沿江两岸污染大量增加所致。水环境容量降低,生态系统已相当脆弱,很难再超负荷运转下去,尤其是在枯水季节,有关水质参数远远高于富营养化指标[8]。

表6 丹江口水库现状水质类别

2.6 对鱼类资源的影响

每年4～8月丹江口水库水体呈明显分层现象,在水深5～30m之间出现急变的温跃层,库表与库底温差达16℃。9～10月,上下层温差减少,分层现象减弱。下泄水温的变化,对丹江口坝下至襄樊江段沿程水温及年内变幅都有影响。一方面,水温的变化对坝下至襄樊江段的鱼类繁殖带来一定影响,满足产卵最低温度18℃的要求向后推迟约20d。另一方面,由于下游比中游水温降低小,鱼类产卵场下迁,襄樊一带唐白河口附近,产卵场相对扩大。建库后河水夏季变凉,冬季变暖,加上中下游水流变清和透明度变大,使部分水生植物数量增大,例如着生丝状藻类及淡水壳菜形成优势种群。摄食这些水生物的鱼类种群不断增加;冬季水库下泄流量增加,对鱼类越冬和催肥有利[9]。

四大家鱼(青鱼、草鱼、鲢鱼、鳙鱼)和铜鱼产卵主要发生在水位上涨的过程中,当流速降低、流量减少、水流动能不能形成漩滚,鱼卵下沉,则无法孵化成幼鱼。由于丹江口水库对径流的调节作用,洪峰削弱;特别是谷城以上江段,由于王甫洲大坝的兴建和没有大流量的支流补给,水位变化幅度很小,水文条件很难满足四大家鱼和铜鱼产卵的需求;造成汉江中游四大家鱼中草鱼、鲢鱼减少,青鱼、鳙鱼消失;铜鱼消失。四大家鱼产卵现主要依靠支流南河、唐白河、蛮河发水和局部地区强降雨引起,因而产卵江汛短促、规模小并且零散。泥沙中的有机物和无机物是部分鱼类食物的重要来源,丹江口水库建成后,中下游泥沙量锐减导致鱼类资源减少。而流速降低、流量减少也使喜急流的鱼类栖息环境变化,导致数量减少。

3 丹江口水库加高后的影响

南水北调工程中线调水方案实施后,丹江口水库加高,丹江口水库大坝将由162m加高到176.6m,调水量增大,下泄总水量减少。从流量过程看,调水后干流的枯水流量加大,中水流量历时减少,干流流量过程趋于均化。水库正常蓄水位由157m提高到170m,相应库容由174.5亿m3增加到290.5亿m3,其中防洪库容由55亿～77.2亿m3提高到81亿～110亿m3,可从根本上提高汉江中下游地区的防洪标准。例如遇100年一遇的洪水时,经丹江口水库调蓄削减洪峰,可控制黄庄-新城河段的洪峰流量不超过允许安全泄量,基本上不需要中游民垸分洪;杜家台分洪几率由5～10年一次提高到20年一次。

丹江口大坝加高调水后,坝下缺乏表层浮游生物的补充,襄樊以上河段浮游藻类及水库占绝对优势的浮游动物枝角类、桡足类等种类和数量将急剧减少;夏季下泄低温水,加之沿途城镇污水的排入,使河水中有机营养物质增加,使硅藻和绿藻等数量增加。挺水植物分布面积增大,生物多样性下降;底栖动物将维持稳定并有上升趋势,适应冷水生活的钩虾等将增加。襄樊以下河段,由于流量减少,水流变缓,水位稳定,河水透明度度高,硅藻和绿藻等浮游植物仍将占优势,其生物量将大大提高。如遇春季气温偏高,河水污染重,水文情势合适,浮游藻类可能爆发性生长繁殖而形成“水华”[10]。

丹江口大坝加高后,水库由年调节水库成为多年调节水库,下泄水主要通过发电机组,一般离水面25m,该水层通常无浮游生物,常年水温将在10～15℃。襄樊以上江段鱼类将以摄食流水生物和底栖生物的小型鱼类黄颡鱼等为主;大型摄食浮游生物的鲢鱼等将锐减或消失。襄樊以下中游河段摄食丝状藻类的草鱼、赤眼鳟等减少数量不大;下游鱼类变化不大。大坝加高后中游河段水位变幅较小,5～6月鱼类繁殖所需涨水过程消失,加之低温影响,产卵所需的水文条件很难满足,使皇家港至襄樊段产漂性卵的鱼类产卵场大多消失;襄樊以下产卵期推迟并缩短,而下游鱼类资源因主要靠长江鱼苗补充而影响不大。此外,调水后中下游水质变差,也会使鱼类种群数量减少。

4 结 语

丹江口水库初期规模运行的实践表明:水库建成运行使汉江中下游水量减少和流量过程均化;防洪能力提高;泥沙由主要由丹江口水库以上和区间入流补给变为主要由河床冲刷和区间入流补给;水温3～8月降低、9月至次年1月升高;丹江口水库建成后出库水质没有明显的变化,汉江中下游水质恶化和发生“水华”的主要原因是污染增加,次要原因是水量减少;丹江口水库建成后中下游泥沙量锐减导致鱼类资源减少,而流速降低、流量减少也使喜急流的鱼类栖息环境变化,导致数量减少。南水北调中线工程建成运行后必将对汉江中下游水文生态产生新的影响,汉江中下游江段流量将比现状减少,流速变缓,对沿岸点源、面源污染的稀释自净能力降低,生态环境供水量不足,从而导致水质恶化,“水华”现象有可能进一步加重,鱼类资源进一步减少。随着汉江流域经济的持续增长和人口的增加,从长远来看,只有引江济汉工程和汉江流域水污染控制工程的建成才能从根本上提高汉江的水环境容量,改善水质,减少“水华”的发生概率,满足工农业发展对水资源的需求。

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Impact of hydraulic engineering on hydro-ecology in middle and lower reaches of Hanjiang River

HU An-yan1,2,ZHANG Zi-ying1,WANG Ju-cui1
(1.School of Environmental Science and Engineering,Chang'an University,Xi'an 710054,China;2.State Key Laboratory of Water Resources and Hydropower Engineering Science,Wuhan University,Wuhan 430072,China)

According to observed data before 1980,the impacts of the operation of Danjiangkou Reservoir on runoff,sediment,water temperature,water quality,and fish were studied.The results showed that the operation of the reservoir had reduced water quantity and homogenized annual runoff distribution,improved the flood control level,reduced sediment and water temperature during the flooding period,and reduced fish resources,and had no apparent influnce on water quality.The reason for worsening water quality and algal blooms in the middle and lower reaches of the Hanjiang River wasincreasing water pollution.After the South-to-North Water Transfer Project isbuilt and in operation,runoff will be reduced much more,aswill the water flow velocity.These will reduce the dilution and self-purification ability of water and the eco-environmental water supply,and lead the hydro-ecology in a negative direction.

hydraulic engineering;Hanjiang River;Danjiangkou Reservoir;hydro-ecology

TV213.4

A

1004-6933(2010)02-0005-05

陕西省自然科学基金(2006D16);水资源与水电工程科学国家重点实验室开放基金(2006B022)。

胡安焱(1970—),男,四川泸县人,副教授,博士,主要从事水文水资源与环境研究。E-mail:huanyan97@163.com

(收稿日期:2008-11-26 编辑:徐 娟)