三峡水库运行对长江中下游典型水文站水文机制的影响

刘文彬，杨 涛，2，杜牧野，2，孙福宝*，刘昌明

（1.中国科学院 地理科学与资源研究所 陆地水循环及地表过程重点实验室，北京 100101；2.中国科学院大学，北京 100049）

大型水利水电工程在充分利用水资源、防洪减灾、改善航运和水力发电等方面发挥了巨大作用[1-2]。目前世界已建成和在建的200 m级以上的高坝达96座，其中我国就有32座（主要集中在西部地区），占世界总量的33%。这些高坝大库的修建将使河道的流量变化不再取决于季节性降水，并且天然状态下的水温、输沙率、极值流量和河流生境也将发生根本性变化，形成新的河道冲刷、河湖冲淤、洲滩演变和水量季节分配，给流域防洪、水资源和生态安全带来新的挑战[3，4]。为了更好地评估河流建坝的效益和潜在风险，越来越多的科学家开始致力于建坝后水沙情势和生态环境变化的监测和研究[5-9]。

三峡大坝是长江流域规模最大的控制性水库，也是迄今为止世界上最大的水利枢纽工程。三峡大坝修建于1993-2009年，坝高和坝长分别为185 m和2 335 m，正常蓄水位175 m，枯季消落最低水位155 m，汛期防洪限制水位145 m，相应的防洪库容、兴利库容和总库容别为2.22×1010m3、1.65×1010m3和3.93×1010m3，发挥着发电（平均年发电量约882亿kW·h）、防洪、供水和航运等综合效益，在长江经济带流域开发、治理、保护和社会经济发展中发挥着重要作用[10-11]。三峡水库采用以防洪和发电为目标的季节性调蓄机制，即洪水季节（6-9月）维持145 m的低坝前水位，用于保障防洪库容，洪水季结束后（10月到次年1月）水库开始蓄水至坝前水位175 m用于发电，至次年6月雨季来临前坝前水位再逐渐降低到145 m[12]。三峡水库的调蓄作用使得秋季蓄水期水库出流量减少2 790～5 880 m3/s，而枯季水库出流量平均增加2 000 m3/s[12]。

三峡水库的建设和运行势必对长江中下游的水文节律、泥沙冲淤、江湖连通、湿地和水生生态系统带来影响。科学评估三峡水库运行对长江中下游的可能影响，对最大限度发挥三峡水库的积极作用、规避潜在的生态环境风险、制定科学合理的水库调度方案具有重要的实践意义。围绕三峡水库工程对长江中下游水沙情势、防洪、湖盆冲淤、江湖关系和水生态环境的影响，已有学者开展了相关研究工作[13-17]。本文选择三峡水库以下长江干流4个典型水文站，基于长序列日流量观测，从日、月和年3个时间尺度，系统评估三峡水库运行对长江中下游流域水文机制的影响，为长江干支流控制性水库群运行新常态下，长江中下游防洪安全、水资源合理配置和维持水生生态系统健康稳定提供科学依据和参考。

1 数据与方法

1.1 研究区域

长江是世界第三大河流，流域覆盖我国上海、苏州、浙江、安徽、江西、湖北、湖南、重庆、四川、贵州和云南11个省市，占国土面积的21%。长江流域养育了全国42.9%的人口，贡献了41.6%的国民生产总值和40.8%的进出口总额，经济综合实力较强、发展潜力巨大[18]。长江流域水资源丰富，江湖关系复杂，生态地位突出。长期以来以经济增长为主导的发展思路带来水土流失、岸线占用、水环境污染、湿地退化、珍稀物种灭绝等一系列问题，造成流域中下游水资源供需矛盾增大、江湖关系紧张和水生生态系统退化。特别是以三峡为代表的控制性水库群的建设和运行，对长江中下游的水文节律、泥沙冲淤、洲滩演变、防洪和生态安全产生了重要影响[19]。本研究以三峡水库以下长江中下游流域为研究对象（图1），系统评估三峡水库运行对中下游典型水文站水文机制的影响规律。

图1 研究区域位置Fig.1 Location of study area

1.2 数据来源

本研究采用的降水资料是中国地面降水日值0.50×0.50格点数据集（V2.0，1961-2013年），该数据集是由2 474个国家气象站的降水观测资料经ANUSPLIN软件的薄盘样条法空间插值获得的，可以在中国气象数据网（data.cma.cn）下载。长江中下游干流主要水文站（宜昌站、螺山站、汉口站和大通站）逐日径流数据获取自长江水资源保护研究所。其中，宜昌站可用径流数据的年份为1878-1879年、1882-1902年、1906-1910年、1983-2001年和2004-2016年；螺山站可用径流数据的年份为1984-1990年和2001-2013年；汉口站和大通站可用径流数据的年份为1952-2016年和1950-2016年。

1.3 数据分析

三峡水库2003年5月开始第一次蓄水（坝前水位由67 m升至135 m），2006年10月开始试调蓄（坝前水位由135 m升至156 m），2008年完成第三阶段蓄水（坝前水位由145 m升至172 m）。为便于分析三峡水库运行对中下游流域典型水文站水文机制的影响，本研究以2005年12月31日作为分界点将降水和径流数据分为2005年前（最长时段为1978-2005年，中间有数据缺失）和2005年后（最长时段为2006-2016年，中间无数据缺失）两个时段，从日、月和年3个时间尺度对水文站的径流机制变化进行对比分析。通常，我们可以采用数量、变异和频率、历时、变化时间、变化率5类基本指标来描述水文站监测断面长期的流量过程线[20]，即流域的水文机制。本研究选用17个基本指标（包括反映数量的指标4个，反映变异和频率的指标6个，反映历时的指标2个，反映变化时间的指标3个和反映变化率的指标2个）反映长江中下游主要水文站的水文机制变化，不同指标具体的定义、简称和单位可参考表1和相关文献[20，21]。根据每个水文站的日流量数据逐年计算每一个指标，以2005年作为分界点将这些指标分成两个时段并计算每个时段的平均值。采用两个时段指标的变化百分比（PC，%）来反映三峡水库运行对某一水文机制的影响，并可根据变化百分比的数值对水库运行后流域水文机制的变化程度进行分级[21]，例如：-5%≤PC≤5%为某一水文机制（如非洪水季前日流量变异系数）无变化，-25%≤PC＜-5%或5%＜PC≤25%为轻微变化，-50%≤PC＜-25%或25%＜PC≤50%为中度变化，-75%≤PC＜-50%或50%＜PC≤75%为重度变化，PC＜-75%或PC＞75%为强烈变化。

表1 用于描述流量过程线的水文机制指标Tab.1 Flow regime metrics used for description of long-term hydrograph

2 结果分析

2.1 三峡水库运行对日流量和径流年内分配的影响

以各水文站2005年前后两段日径流资料，分别绘制流量经验累积概率曲线，对比分析三峡水库运行对各站日径流量的影响（图2）。宜昌站、螺山站、汉口站和大通站的日流量累积概率曲线对三峡水库调蓄呈现一致的响应规律，即低值流量出现频率增加而高值流量出现频率降低，平均日径流量有所减少。三峡水库通过蓄丰补枯和削减洪峰，使流域的径流过程有所坦化。水库调蓄和气候变化是各水文站低值流量出现概率增加的主要原因。

图2 长江中下游典型水文站2005年前后日径流量经验累积概率分布Fig.2 Empirical cumulative probability distribution of daily streamflow at major hydrological stations in the middle and lower reaches of the Yangtze River before and after 2005

根据1961-2013年各水文站逐月径流资料及其控制流域的面平均降水量，计算2005年前后两段时间多年平均月降水和径流量（图3）。需要注意的是不同水文站径流数据会有一定的缺失值，在计算面平均降水量时应去掉径流缺失月份对应的降水量，以保证各站降水和径流数据在时间上的一致性。相比于三峡水库运行前，2005年1-6月和8-10月宜昌站、螺山站、汉口站和大通站控制流域面平均降水量均有所减少，7月降水量有所增加。宜昌站和汉口站控制流域面平均降水量在11月份无明显变化，但螺山站和大通站控制流域的降水量有所增加。12月宜昌站和汉口站控制流域面平均降水量有所减少，大通站控制流域的降水量有所增加，而螺山站控制流域降水量无明显变化。

各站月平均径流量并没有表现出与其控制流域面平均降水一致的变化规律，而与三峡水库的季节性调蓄关系密切，这也反映了三峡水库对长江中下游流域水文节律的调节作用。相比于三峡水库运行前，各站径流量在1-3月均有所增加，5-12月有所减少，尤其在7月径流明显减少。三峡水库主要通过减少蓄水期洪峰流量以及河川径流、增加旱季径流来改变流域水文过程。另外，气候变化（降水变化）也对中下游水文站的径流量变化产生一定影响。

2.2 三峡水库运行后长江中下游主要水文站水文机制的变化

三峡水库运行后，长江中下游主要水文站平均日流量（大通站无明显变化）、洪水季平均日流量（大通站无明显变化）和非洪水季后期平均日流量（宜昌站发生中度减少）出现轻微减少，非洪水季前期平均日流量（宜昌站发生中度增加）轻微增加，沿长江自上而下各站受到的影响逐渐减弱。日流量变异系数、洪水季日流量变异系数和极端枯季流量发生频次在2005年后轻微减弱（大通站日流量变异系数无明显变化）。非洪水季前期日流量变异系数在宜昌站和汉口站呈现中度减少，而在螺山站和大通站呈现轻微减少。非洪水季后期日流量变异系数在宜昌站、汉口站和大通站均发生中度减少。枯季流量发生次数在汉口站发生中度减少，而在其他站发生轻微减少。

图3 长江中下游典型水文站2005年前后降水和径流量的年内变化Fig.3 Intra-annual variability of precipitation and streamflow at major hydrological stations in the middle and lower reaches of the Yangtze River before and after 2005

三峡水库运行后，枯季流量历时长度（宜昌站中度增加）、极端枯季流量历时长度（宜昌站高度增加）和平均日流量科维尔稳定性（用于刻画径流量的相似程度[22]宜昌站无明显变化）均发生轻微增加。年最小日流量出现的儒略日在宜昌站、螺山站和汉口站重度推后，而在大通站轻微提前。年最大日流量发生的儒略日在各站未发生明显变化。后一天流量相对于前一天发生正变化的平均变化率在宜昌站、螺山站和汉口站出现中度减少，而在大通站出现强烈增加。后一天流量相对于前一天发生负变化的平均变化率在宜昌站无明显变化，在螺山站和汉口站发生轻微减少而在大通站发生强烈增加。以上结果进一步说明三峡水库的运行减少了洪水季和非洪水季后期日流量，增加了枯季日流量，减少了枯季流量和极端枯季流量发生次数，但增加了枯季流量历时，推后了年最小流量的出现时间。水库的调蓄作用使得日流量、洪水季和枯水季流量的波动性减弱。沿干流自上而下，各水文站受三峡水库运行的影响逐渐减弱。各站径流机制的变化是三峡水库和气候变化综合作用的结果，且水库调节的作用占主导。以上水文机制的变化将对长江中下游水资源供给、洪水和干旱应对以及水生生态系统产生深远影响。

图4 长江中下游典型水文站2005年前后水文机制的变化Fig.4 Changes in hydrological regimes at major hydrological stations in the middle and lower reaches of the Yangtze River before and after 2005

3 讨论

3.1 与已有研究的比较

相关研究表明：三峡水库运行后，（1）长江下游水位减少了3.9%～13.5%（由三峡水库的径流调蓄和泥沙量减少带来的河床冲刷共同作用导致），雨季水位的减少最为明显，冬春两季水位有所上升，大坝对水位的影响沿大坝向入海口逐渐减弱[9]；三峡水库的运行明显减少洪峰流量和秋季径流量，但增加了枯水期径流量[12]。（2）荆南三口河系平均流量下降显著，并在2003年出现一个突变点[15]，荆江河段低值流量下降[19]。（3）鄱阳湖湖水水位在2006年出现显著变化，说明三峡水库运行后湖泊水文机制发生改变[23]。三峡水库汛末蓄水导致鄱阳湖9-10月抗旱能力降低[24]。洞庭湖水位在1951-2014年间出现年径流量分阶段减少，湖区水文情势随库坝下泄量的增减而变化，洪水季流量减少而枯水季流量增多的现象，湖区水资源比水库运行前减少了185×108m3[1，25-26]。（4）三峡水库调蓄对中下游径流的影响属于中度影响，对低值流量年内节律的影响大于高值流量，最小流量出现时间提前，高值流量持续时间变短，这些水文机制的变化会对中下游珍稀鱼类繁殖和产卵、洪滞区水生生物生活史和周边植被的生长带来影响[2-3]。本研究得到的结果与前人结论基本一致。除三峡水库影响外，长江中下游的水文机制还受到气候变化、湖盆演变、江湖连通以及其他人类活动（如引水调水工程、水电开发和生产生活用水变化对区间汇流的影响）的影响，因此其对水库调蓄的响应因区域不同和距离大坝远近存在一定差异。

3.2 水文机制变化可能带来的影响

三峡水库运行导致的水文机制改变必然会对长江中下游的水资源分配、防洪安全和生态环境带来影响。（1）在水资源配置方面，三峡水库对长江河流连续体产生了阻隔，改变了长江中下游河川径流的天然节律，对流域中下游水资源的时空分配带来影响[27]。如三峡水库汛后蓄水降低了洞庭湖水位，使枯水期提前了一个月左右，水库调蓄使湖区汛后水资源供需矛盾增大，是导致洞庭湖汛后干旱的重要原因[1]。（2）在防洪安全方面，三峡水库是使中游重要防洪区——汉江平原免受大洪水威胁的关键工程。其通过蓄水调度能够有效减少洪峰流量和径流的变化幅度，百年一遇以下洪水的防御形势明显好转，但百年一遇以上特大洪水仍存在洪水时空分配的难题[28]。三峡水库运行还导致下游河道冲刷，形成新的洲滩演变格局和江湖关系，使一些区域洪水风险加剧。例如，三峡水库运行后洞庭湖城陵矶泥沙淤积导致水位抬升，调洪湖容减少，洪水风险增大[29-30]，需要通过三峡水库泥沙调度、河道清淤和预留蓄滞洪区等方式降低洪水风险。（3）在生态环境方面，水文节律的改变会带来水位和淹没范围的变化，对湿地生态系统和河岸植被生长带来影响。水库运行导致的水文机制（如枯季径流量、高值流量持续时间、极小流量出现时间和低值流量脉冲次数等）改变会对珍稀鱼类的洄游、产卵、取食，水生动物繁殖期内的行为和栖息环境产生影响。未来需要设计面向流域水生生物安全的生态调度方案，将水库大坝建设对水生生态系统的负面影响降至最低。

4 结论

本研究基于长江三峡以下流域典型水文站长期日径流观测和中国地面降水日值格点数据集，从日、月和年尺度系统探究三峡水库运行对长江中下游流域水文机制的影响，主要得到以下结论：

（1）三峡水库运行后长江中下游典型水文站日平均流量有所减少，低值流量出现概率增加而高值流量出现概率降低。三峡水库的削减洪峰作用使中下游典型水文站的流量过程线变得坦化。

（2）长江中下游典型水文站的月平均流量并未表现出与降水一致的年内变化规律，而与三峡水库的季节性调蓄关系密切。三峡水库运行后，中下游典型水文站枯季径流量有所增加而蓄水期特别是7月径流量有所减少。

（3）三峡水库的运行能减少蓄水期和洪水季后期径流量，增加枯季径流量，减少枯季流量出现的频次，但增加枯季流量历时，使得最小流量出现的时间有所推后。水库的调蓄作用使洪水季和枯水季流量的波动性减弱，其对大坝下游水文机制的影响沿河道自上而下逐渐减弱。三峡大坝引起的水文机制改变会对长江中下游水资源的季节分配，防洪，珍稀鱼类的洄游、产卵、取食，水生动物繁殖期内的行为和栖息环境产生重要影响，需要设计合理的水库生态调度方案，在保障三峡水库各种积极效益的同时尽可能消除其不利影响，保障长江经济带的防洪安全、水资源安全、生态安全和社会经济绿色可持续发展。