水库运用对河流水文情势影响的IHA法评价——以伊河陆浑水库为例

张 鑫,丁志宏,谢国权,白淑娟

(1.河海大学 水利水电学院,江苏 南京210098;2.海河水利委员会,天津300170;3.二滩水电开发有限责任公司,四川成都610051;4.杭州萧山水利建筑工程有限公司,浙江杭州311215)

水流影响的生态环境决定河流中物种的生存条件,而各种不同持续动态变化的河流生物环境又是由年内和年际水流条件决定的。水流条件改变同时也会在不同时空尺度上影响栖息地条件,进而对物种的分布和丰度产生影响,从而改变生物群落的组成和多样性[1-3]。在长期的河流生态环境转变过程中,河流中的物种已基本适应了河流水流变化过程,并依据这种自然条件的变化而适应相应的生活环境条件。由于修建水坝,使流量变化不再单一的被季节性降水和天然状态下的极值流量所影响,人为造成的河流水文情势[4]的改变与伊河鲤鱼数量的急剧下降有一定的因果联系。

伊洛河是黄河中游的支流,河水清澈、水流平缓、水草茂盛、沙壤底质、环境清净,优越的自然环境条件使它成为了全国最大的黄河鲤鱼天然繁殖场[4]。水库运用改变了河流水文情势对河流自然流态产生了一定程度的破坏。而原来的部分河流生境也相应发生了根本性变化,对黄河鲤鱼等水生生物的生存带来了一定影响,破坏了物种的多样性,打破了原伊河水域的生态平衡。

Richter等1996年提出水文变化指标(Indicatorsof Hydrologic Alteration,IHA)法[5-6],根据河流的日测水文资料,对流量大小、时间、历时、频率以及变化率等方面计算32个影响生态环境的关键水文特征值。IHA法比较适合用于计算受人类活动影响的河流,对影响前和影响后进行分析。

1 IHA法的基本原理

IHA法是依据河流的日测水文流量资料,计算32个影响生态环境意义的关键水文特征值,并计算集中量数(如中位数、平均值)和离散量数(如标准偏差、变异系数),以对受人类活动影响的河流进行干扰前和干扰后的对比分析。32个水文关键值可以分为5组,分别反映大小、发生时间、频率、持续时间和变化率等水文特征。IHA各组参数以及对生态系统的影响如表1所示[7]。

表1 IHA指标总结以及对生态系统的影响

Poff[8]认为在当计算分析的水文数据的时间序列大于20 a时,年际气候变化条件的改进对水文指标计算结果的影响,基本上能够减少或消除。因此,用IHA法计算分析水文数据的时间序列一般不应少于20 a。

2 陆浑水库IHA法计算结果及分析

陆浑水库位于河南省洛阳市嵩县田湖镇陆浑村附近,黄河二级支流伊河上,距洛阳市67 km,控制流域面积3 492 km2,占伊河流域面积57.9%。由于陆浑水库是伊河上的“龙头”电站,具有防洪、灌溉发电和供水等综合效益。陆浑水库蓄水以后,在较大程度上改变了河流的原始水文条件,对流域内的生态系统产生了一定影响。因此,研究陆浑水库对伊河径流情势的影响具有重要的意义。本文选取的龙门水文站水文资料采用1952～1997共46 a的长系列实测径流资料,并用IHA法计算分析陆浑水库蓄水前后对该站径流特征值的影响,进而评价陆浑水库对伊河水文条件的影响。

陆浑水库于1959年12月开始兴建,1965年8月底建成。灌溉发电洞1972年2月开始增建,1974年7月建成。为了对比分析陆浑水库修建前后伊河径流特征值的变化,以水库下闸蓄水的时间点为分界点,划分研究时段,即修建前的时段为1952～1968年,干扰前的资料系列长度为17 a,小于IHA法要求的20 a,但在此认为对建坝后的影响不大;干扰后的时段为1969～1997年,共29 a。

IHA参数计算结果如表2所示,表中偏离量和变异系数的计算公式为公式(1)和公式(2),其中变异系数能够反映各参数的年际变化程度[9]。

式中:P为各IHA各相应参数;CV为变异系数;σ为标准偏差;n为样本总数;Xi为第i年的参数值;¯X为n年参数的平均值。

由表2计算结果可知,陆浑水库建坝前后,下游水流情势变化有以下主要几点特征:

(1)第一组水文参数的计算结果表明,陆浑水库运行后,月平均流量指标相比建库前,均明显减小,尤其是4～5月份和汛期7～9月份以及枯水期11～1月份均产生了显著改变,主要原因是水库在调度期内蓄水所造成的结果,月平均流量指标在2～3月份和6月份、10月份较相比建库前,改变较小,7月份流量低点的出现,影响了自然生物产卵、迁徙等活动,会增加水生生物包括鲤鱼的死亡率。径流年内分配的变化会造成河道形态的转变,进而会改变原有河流生态系统。

(2)第二组水文参数计算的结果表明,建坝后的年极端水文条件指标值改变较大,极小值和极大值均明显减小,导致河流生态系统的稳定性变差。

(3)第三组水文参数计算的结果表明,建坝后的年最大日流量发生时间变大,年最小日流量发生时间减小,由于建库后极值年际波动较建库前显著,年际波动变大,会影响生物繁殖期内的行为过程和栖息环境。

(4)第四组水文参数的计算结果表明,建坝后高流量的脉冲发生次数稍有减少,而低流量的脉冲发生次数稍有增大,高流量脉冲平均历时变小,低流量脉冲平均历时变大,然而高、低流量是构造河流生境不可或缺的因素,高、低流量的过大变化会对水生生物产生一定的影响。

(5)第五组水文参数的计算结果表明,流量平均减少率和流量平均增加率变化较大,每年流量逆转次数有所增加,均高于建库前的水平,流量的逆转次数与河流生态环境的变化周期有着十分紧密的相关性,较大的流量逆转可能会对某些水生生物的生长造成较大的影响。选取图1～图4分析计算结果,图中虚线分别是修建陆浑水库前和后各相应水文参数的平均值。

分析以上陆浑水库修建前后的水文情势变化情况,一方面,因为陆浑水库的主要任务是防洪、灌溉发电和供水,拦蓄和调节洪水能力有限,因此总体上陆浑水库对伊河天然径流过程的改变不大;另一方面,由于大坝的修建形成陆浑水库,造成上游水位的小幅度提升,其一定的削峰坦化作用有可能是造成建坝后流量平均上涨率和流量平均下降率一定程度上趋于缓和的原因;水库蓄水较多,而放水较少是造成高流量脉冲平均历时减小,低流量脉冲平均历时增大的原因。

图1 建库前后龙门站8月平均流量变化图

表2 龙门站IHA参数统计表

图2 建库前后龙门站年最大日流量发生时间变化图

图3 建库前后龙门站低流量脉冲发生次数变化图

图4 建库前后龙门站流量逆转次数变化图

3 结 语

本文采用IHA法对陆浑水库的运行对伊河径流过程的影响进行了评价,结果说明陆浑水库的修建在一定程度上改变了下游河流的水文情势,打破了伊河原水域的生态系统,对其生态结构产生一定影响。陆浑水库运行后,汛期高流量降低,且发生高流量的次数也减少,高流量的平均延时也随之降低,说明陆浑水库在汛期防洪调蓄作用很强。这种模式会使伊河龙门断面的生态水文情势的改变程度较大,尤其是在汛期,造成伊河流量的急剧减少及高低流量逆转次数的急剧增加,将对伊河水生生物的生存环境造成一定程度的破坏,会对河流生物的生物量和多样性产生较大影响,继而危害水生生物的繁殖和生存,同时也造成了鲤鱼数量的急剧减少。因此,对于人类活动改变水文情势的河流,根据IHA法对其历史水文资料进行研究分析,并结合相应的生态监测资料,为指导河流生态修复提供理论依据。

[1]汪恕诚.再谈人与自然和谐相处—兼论大坝与生态[J].中国水利,2004,(8):6-14.

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