基于IHA分析锦江水库对下游径流的影响

陈伟东 包为民，2 张 乾 沈丹丹 龚婷婷

（1.河海大学 水文水资源学院，南京 210098；2.河海大学 水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，南京 210098）

水流是水生环境的主要决定因素，水流的改变会 在不同程度上改变生物栖息地条件，从而影响生态系统结构［1］.人类的水资源开发利用活动，如修建大坝、跨流域调水等工程会改变河流的天然径流过程，对河流生 态 系 统 健 康 产 生 重 要 影 响［2－3］.Brian D Richter等［4］于1996年提出了IHA（Indicator of Hydrologic Alteration）法用于评价水利工程对河川径流过程的影响，并可根据评价结果建立河流的生态流量管理模式［5］.陈启慧等［6］将该方法用于评价葛洲坝对长江径流过程的影响，效果良好；王银丽等［7］采用IHA法分析港口湾水库下游的流量资料，并在此基础上用水流脉冲的评价体系分析日水位资料，以此更加细致地反映港口湾水库对下游径流过程的影响.鉴此，本文采用水文变化指标法（IHA）计算了仁化、长坝两站的流量变化，同时用滑动平均法与M－K检验法分析了锦江流域的降水情况，从而评价锦江水库对下游径流过程的影响.

1 研究区域概况及分析方法

1.1 研究流域概况

锦江属珠江流域北江水系，是北江上游主源浈江的一级支流，发源于江西省崇义县竹洞，流经仁化县的长江、双合水、恩口、小水口、仁化县城等地区，于芒坝江口汇入浈江［8］.锦江水库（图1）建于锦江中游段，坝址位于广东省韶关市仁化县境内，于1990年6月1日开始施工，在1993年8月一号机组并网发电，同年12月30日二号机组并网发电.锦江水库总库容1.89亿 m3，兴利库容0.68亿 m3，调洪库容0.45亿m3，属于季调节型水库.作为仁化县最大的水利工程，锦江水库是以防洪、发电为主，兼顾旅游、供水、养殖等多种效益的大（二）型水库［9］.本次分析采用仁化、长坝两站1958～2009年共52年的日径流资料.其中仁化站1995年后不再进行径流测量，采用锦江水库出库流量代替，且水库大坝至原仁化站之间无区间入流.

图1 锦江流域水系及站网分布

1.2 滑动平均法

对序列x1，x2，…，xn的几个前期值和后期值取平均，求出新的序列yt，使原序列光滑化，这就是滑动平均法［10］.数学式表示为：

式中，yt为新序列，k为滑动平均尺度，xt＋i为参与此次生成新序列的旧序列值.当k＝2时为5点滑动平均.若x有趋势性，选择合适的k，yt即可将此趋势清晰地展示出来.滑动平均法因其简单、直观而在水文学中得到了广泛的应用［11］.

1.3 M－K检验法

M－K检验法是被世界气象组织所推荐并广泛应用于实际研究的非参数检验方法，是一种实用的时间序列趋势分析方法［12－13］.假设有一组时间序列x1，x2，…，xn，其趋势检验统计量S如下：

式中：

当n＞10时，S收敛于标准正态分布，其均值为0，方差D（S）＝n（n－1）（2n＋5）／18，其标准正态统计量通过下式计算：

对于统计变量Z，大于0时，表征序列是呈上升趋势；小于0时，则为下降趋势.Z的绝对值若大于等于1.64，表示通过了信度90%显著性检验.

1.4 IHA法

IHA法（水文变化指标法）依据测得的每日河流水文资料，可算得表征生态环境含义的32个特征参数值，再计算它们工程前后的多年平均值以及年际间的变异系数，则可评价工程对河流水文情势的干扰.如表1所示，32个IHA参数可分为5组，可反映数量大小、发生时间、持续时间、频率以及变化率等水文特征.Poff N L［14］认为当计算分析的水文数据的时间序列大于20年时，年际气候变化条件的改变对水文指标计算结果的影响基本上能够减少或消除［15］.本文中，为增加资料长度，不舍弃建库的时间，将1958～1993年划为建库前研究时段，1994～2009年则为建库后分析时段.

表1 水文变化指标法的水文参数及其特征

2 结果与分析

2.1 锦江流域1958～2009年降水年际变化

采用滑动平均法对锦江流域上的降水资料作处理，结果见图2.由图2中的5年滑动平均趋势线可知，在1965～1974年、1978～1983年、1989～1995年3个时段锦江流域年降水量呈上升趋势，其余时段呈下降趋势.建库前后两个时段（1958～1993年，1994～2009年）的年平均降水量分别为1 614mm、1 708 mm.研究流域1958～2009年降水量的M－K检验Z值为0.497，表明降水序列呈上升趋势，但未通过90%的显著性检验.考虑到1958～1993年降水资料可能存在缺测、漏测的情况，所以此降水分析结果作为IHA分析径流过程变化的一个参照.

图2 锦江流域年降水趋势变化图

2.2 建库对锦江下游径流过程的影响

选取锦江水库坝下的仁化站和浈江长坝站1958～2009年的日平均流量资料，采用IHA法计算锦江水库修建前后两站流量的特征值，用以评价锦江水库对锦江下游以及浈江的影响程度.

1）月径流量

锦江水库修建前后仁化、长坝两站的各月多年平均流量见图3，月平均流量偏离量及其变异系数偏离量见表2.偏离量（%）＝［（P建库后－P建库前）／P建库前］＊100%，其中P为IHA法参数值.由图3（a）知，锦江水库运行后，仁化站枯期的第2、10、12月份和汛期的第4、5、7、8月的月平均流量变化明显，主要是由于水库以防洪、发电为目标的蓄峰补枯调度操作.3、4、5月份水库重新蓄水导致下游径流量减少，而此时正值春季，万物生长的起始点，必然会给水生物以及沿岸生物的繁衍带来难以估量的影响.而2、10、12月份的径流量增加表明水库的运行改变了径流年内的分配.这种改变将会造成河道形态的转变，进而会改变原有河流生态系统.

图3 仁化、长坝站各月建库前后多年平均流量

由表2中的变异系数仁化站部分，可知年际变异系数在汛期以减小为主，而8月、11月、12月则有不同程度的增大.由图3（b）及表2知，以6月份为例，长坝站的径流量在水库运行后下降了46m3／s，占建库前径流量的10.51%，而其支流锦江上的仁化站径流量比之前下降了12m3／s，占其建库前径流量的12.27%.对此，可认为锦江仁化站多减少的1.76%的径流量是由于锦江水库在汛期调蓄造成的.由此也反映出自然状态的浈江长坝站的6月径流减少量是要小于10.51%，说明长坝站的径流也受到锦江水库的影响.

表2 月均流量偏离量与变异系数偏离量

2）不同持续时间下的水文极值

锦江水库建成后使得仁化站流量极大值有所减小，其中最大1日平均流量减小的绝对流量最大，见表3.

表3 流量极值计算结果 （单位：m3／s）

建库后，仁化站流量的极小值变化巨大，其中多年平均断流天数由原来的0.67d上升至52.06d，而长坝站的流量极小值变化受锦江水库调蓄作用则要小很多，表明锦江水库大坝至锦江和浈江交汇点之间的河道（锦江下游段）受锦江水库调蓄影响巨大，尤其是低水情况，长时间的断流使得此段河道的生态系统稳定性变差，对河道内及其沿岸的生物栖息地的破坏是极大的.最大一日流量的下降削弱了河流自身的冲淤能力，可能会使河道产生淤积.

3）年极值发生时间

由表4知，建库后仁化站年最大日流量发生时间延后约26d，年最小一日流量发生时间大幅度提前；长坝站年最大日流量发生时间延后约33d，而其年最小一日流量发生时间基本未变.一般而言，极端流量是一些生物尤其是某些鱼类的洄游产卵与繁殖等活动的前提条件.锦江下游段径流极大值发生时间的延后，在一定程度上会改变生物繁殖期内的行为过程，甚至改变鱼类产卵的时间；而极小值发生时间的大幅度提前及其发生时间在年际间的不稳定性则会严重威胁到生物的栖息环境，影响生态系统的稳定性.

表4 流量极值出现时间 （单位：d）

4）高低脉冲频率及持续时间

将建库前的所有年份的日流量值由小到大依此排序，分别选取位于75%和25%的流量值作为高低脉冲流量的阈值，仁化站分别为47.9、17m3／s，长坝站分别为206、59.5m3／s.两个站点流量高低脉冲频率及持续时间的计算结果见表5.

表5 高低脉冲发生次数及其持续时间（单位：d）

仁化站的高脉冲次数基本不变，但平均历时增加了4.27d，其偏离量为64.75%；长坝站高脉冲次数减少了10%，平均历时延长了18.75%.仁化站的低脉冲发生次数由9.89增加至16.06，而平均历时由10.02d缩减为4.99d.高、低流量是河道径流的重要特征，仁化与长坝两站的低脉冲次数增加及其历时变短会导致部分河道、河滩呈干湿反复交替现象，这将会影响此区间生态的健康发展.但是高流量平均历时的延长又给河道及其沿岸的生态环境的发展前景注入了不确定性，因为高流量历时的延长给水生物及周边植物带来了足够的养分.这种新的径流机制下，也许会对沿岸的生物的进化提供新的推动力.

5）流量变化速率及频率

锦江水库修建后，仁化站上涨次数由69.36上升至87.31，上涨率大幅下降，见表6及图4；长坝站的上涨次数由54.36增至76.69，但其上涨率下降至54.79m3／（s·d），见表6.

表6 径流上涨及下降情况变化结果

图4 建库前后仁化站年内上涨率对比示意图

建库后仁化站径流下降次数增加了5.44，其下降率基本不变，长坝站径流的下降次数从63.64次增至81.19次，其下降率减小了6.77m3／（s·d）.表明锦江水库的建成不仅影响锦江下游段的水情变化，同时对干流浈江亦有重要影响.径流上涨下降次数及其速率对构建河流生态环境有着重要作用，建库后水流情势的变化可能会给下游水生物繁殖带来一定阻碍.

3 结 论

1）M－K检验表明锦江流域1958～2009年期间的年降水量呈上升趋势，1994～2009年的多年平均降水量要大于之前的平均值，但建库后锦江下游多年平均径流下降了2.67%.

2）建库后，锦江下游主汛期径流减少，年内径流分配较之前均匀；最大一日平均流量的下降消弱了河道冲淤能力，但建库后锦江下游段的平均断流天数由原来的0.67上升至52.06，这种改变给河流生态系统带来的影响是致命的；仁化与长坝两站的低脉冲次数增加及其历时变短会导致部分河道、河滩呈干湿反复交替现象；其上涨率年平均值均为大幅度下降.依据IHA法的计算结果，锦江水库应采用结合生态因素的调蓄制度，以使得下游河流能和谐发展.

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