三峡水库对长江中下游河流水文情势影响评估

郭文献，李 越，卓志宇，张 陵

(1.华北水利水电大学，河南郑州450045；2.湖南省水利水电勘测设计研究总院，湖南长沙410007)

河流自然水文情势决定并影响着河流生态系统的物质循环、能量过程、物理栖息地状况和生物相互作用等，水文情势的变化在不同时空尺度上改变栖息地条件，从而影响物种的分布和丰度，进而影响生物群落的组成和多样性[1-2]。水利工程建设人为改变了河流自然水文情势，随着水利工程开发程度的不断提高，必将产生一系列生态水文效应，进而改变河流生态系统的物理、化学和生物过程。关于水利工程生态水文效应评估方面研究，国内外学者进行了大量研究。其中RICHTER等提出的变动范围分析(range of variability approach，RVA)法已经被广泛应用于水利工程对河流生态水文情势影响以及河流生态恢复研究[3-5]。陈启慧等采用RVA法对葛洲坝水利枢纽对长江下游河流水文影响进行了初步分析[6]；郭文献等对丹江口水库修建前后汉江下游河流生态水文效应进行了综合评估[7]；杨志峰等综合运用RVA法和直方图匹配(HMA)法分析了黄河干流水电开发对下游河流水文情势影响[8]。该方法是通过建立指标体系来研究复杂的生态水文过程，是评价人类活动对河流径流过程影响的一种有效分析手段。该方法还可根据分析结果建立河流的生态流量管理模式，可满足河流管理部门的需要[9-10]。

三峡水库对生态与环境的影响一直是备受国内外各界广泛争论和密切关注的热点和焦点问题[11]。本文以三峡水库下游宜昌、汉口和大通水文站1952年～2014年日均流量序列为依据，采用Mann-Kendall(简称“M-K”)法分析长江中下游河流水文特征与变化趋势，并应用生态水文指标变动范围法(RVA)及水文改变度法综合评估了三峡水库运行对长江中下游河流生态水文指标改变程度及其生态影响，为明确长江中下游河流生态恢复目标和开展三峡水库生态调度研究提供了参考依据。

1 研究区域及数据

本研究区域为三峡水库下游长江中下游区域，也是长江中下游河段，始自宜昌，经湖北、湖南、江西、安徽、江苏、上海等六省市，入东海，全长1 893 km，其中宜昌～湖口段为中游，航道长955 km，集水面积约68万km2；湖口以下为下游，航道长938 km，集水面积约12万km2。其中宜昌、汉口及大通水文站是三峡水库下游河道上最主要的3个控制站。其中宜昌水文站地处长江上游与中游的交界，位于三峡大坝下游44 km处，完整地控制了长江上游100.55万km2的来水情况，约一半的河流水量来源于该站以上区域。汉口水文站地处汉江汇入长江以下约1.4 km，是汉江汇入长江后的重要控制水文站，控制流域面积达148.80万km2。大通水文站是长江下游最后一个不受潮汐影响的控制站，通常被视为长江干流流量的总控制站，控制流域面积170.54万km2，占长江流域面积的94.7%。根据三峡水库下游水文站分布情况，选取宜昌站、汉口站和大通站1952年～2014年日流量数据进行评价。鉴于三峡水库于2003年蓄水；故将1952年～2002年51年流量数据资料作为蓄水前序列，2003年～2014年12年流量数据资料作为蓄水后序列。

2 研究方法

2.1 Mann-Kendall趋势检验法

Mann-Kendall趋势检验法通过计算河道水沙系列的统计量z，与某一置信水平(0.1、0.05和0.01)下的临界变量对比。当|z|≥1.67、1.96、2.56时，分别表示通过置信度为90%、95%和99%的显著性检验，方法具体计算过程见参考文献[12-14]。

2.2 变动范围法(RVA)

为了定量分析三峡工程对下游河流水文情势的变化程度，本研究运用Richter等提出的变动范围法(RVA)进行分析。该法建立在水文变化指标(indictors of hydrologic alteration， IHA)法的基础上，利用建立的生态水文指标来评价受水利工程影响的河流水文情势[3-5]。为了量化水文指标受干扰后的变化程度，Richter等建议以水文改变度(degree of hydrological alteration)来评估，其定义为

Di=|(Noi-Ne)/Ne|×100%

(1)

式中，Di为第i个IHA指标的水文改变度；Noi为第i个IHA受干扰后的观测年数中落在RVA目标内的年数；Ne为受干扰后IHA指标预期落入RVA目标内的年数，可以用r·NT来评估，其中r为受干扰前IHA落入RVA目标内的比例，若以各个IHA的75%及25%作为RVA目标，则r=50%，而NT为受干扰后流量时间序列记录的总年数。为对IHA指标的水文改变程度设定一个客观的判断标准，规定若式(1)Di值介于0～33%属于未改变或者低度改变；33%～67%之间属于中度改变；67%～100%属于高度改变。整体水文变化程度D0可以用以下方法计算：取33个IHA的水文改变度的平均值来评估河流生态环境的整体变化情形，然而这样将体现不出各指标权重大小。为了体现各指标的权重大小，本文采用对较大的Di值赋予较大的权重，用下式计算

(2)

式中，规定D0值介于0～33%属于未改变或者低度改变；33%～67%之间属于中度改变；67%～100%属于高度改变。

3 结果与讨论

3.1 年均流量变化特征

3.1.1年均流量趋势性检验

图1 长江中下游1952年～2014年均流量变化

为揭示长江中下游年均流量的变化趋势，点绘出长江中下游宜昌、汉口、大通3个水文站点1952年～2014年的年均流量(见图1)。

由图1可以看出，在研究区间除了1954年、1998年和2006年、2011年(1954年和1998年为特大洪水年，2006年和2011年为枯水年)年均流量出现较大波动外，总体上年均流量呈下降趋势，其中宜昌水文站下降趋势相对汉口和大通水文站较为明显。

表1 三峡水库运行前后下游各月流量中指统计

根据Mann-Kendall趋势检验分析，3个水文站1952年～2014年多年平均流量的统计量均为负值，表示均有不同程度的下降趋势，其中宜昌站的下降趋势最为显著，M-K检验值为-1.7，通过了90%的显著性水平检验；汉口站和大通站的下降趋势并不明显，M-K检验值只有-0.5和-0.45。

3.2 河流生态水文指标变化

为了定量揭示三峡水库的运行对下游河流流量的改变程度，将宜昌、汉口、大通3个站点的历年日流量数据划分为两个时段：三峡水库蓄水前(1952年～2002年)，三峡水库蓄水后(2003年～2014年)。在此基础上采用变化范围法(RVA)计算三峡水库运行前后长江中下游3个水文站32个水文指标的中值以及水文改变度等参数(见表1、2)。根据表1、2三峡水库蓄水前后河流水文指标变化分析，分别分析5组水文指标改变程度。

3.2.1月中值流量变化

三峡水库蓄水前后长江中下游月中值流量对比见图2。

由图2可见，三峡水库蓄水后，宜昌站、汉口站和大通水文站在12月～3月流量不同程度增加，尤其是3月份增加流量最多；在7月～9月份流量不同程度减少，汉口站和大通站在7月份减少量最大，宜昌站在10月份减少量最多；其中宜昌站月中值水文改变度为59%，属于中度改变，汉口站月中值水文改变度为68%，属于高度改变，大通站水文改变度为23%，属于低度改变。

表2 三峡水库运行前后下游河流IHA指标统计

图2 三峡蓄水前后中值流量变化

3.2.2年极值流量大小

根据表1，可以看出长江中下游3个水文站年均极小值流量三峡水库蓄水后比蓄水前都有不同程度增加，而极大值流量蓄水后比蓄水前都有不同程度减少；其中极小值流量变异度均属于高度改变，极大值流量改变度一般都属于低度改变；宜昌站和汉口站年极值流量平均改变度为69%和73%，属于高度改变，大通站水文改变度为56%，属于中度改变；这也说明三峡水库对宜昌和汉口站在极值流量影响方面相对大通站较为明显，其原因是大通水文站距离三峡大坝较远，受到洞庭湖水系、鄱阳湖水系以及其他支流调节等因素影响。

3.2.3年极端流量出现时间

根据表2，三峡水库修建后宜昌、汉口、大通三站年最小流量出现时间变化明显，年最大值流量出现时间变化不大。最小流量出现时间仍为1月～3月枯水期，但宜昌、汉口和大通的最小流量出现时间分别由2月下旬、2月上旬、1月下旬提前至1月上旬，甚至提前到12月份，变化范围在一个月左右，表示了最小值出现时间与建库前差异较大；年最大流量出现时间变化较小，推迟范围在10 d之内。

3.2.4高低脉冲的频率及历时

由表2可以看出，宜昌水文站高、低脉冲出现的次数及历时都有减少，其中低流量出现的次数变化最为明显，水文改变度达到73%。汉口水文站低脉冲出现的频率在建库前后保持一致，高脉冲次数和历时较建库前略有减少，变化最大的为低脉冲历时由建库前的54天减少为21天，水文改变度为47%，为中度改变。大通水文站高、低脉冲出现的次数在建库后没有发生变化，高脉冲出现的历时略有减少，低脉冲历时变化最大。

3.2.5流量变化改变率及频率

根据表1、2，宜昌水文站流量上升率减少，水文改变度为中度改变，下降率保持不变，但是逆转次数较建库前发生明显改变，建库后逆转次数大幅度增加，超过RVA阈值上限。汉口水文站上升率和下降率均较少，上升率变化较下降率显著，逆转次数有所增加；大通水文站在建库前后上升率和下降率均保持不变，逆转次数略有增加。综上所述，宜昌水文站的流量改变率和频率变化最为显著，表明三峡水库在调峰和调频的过程中对宜昌站下泄流量影响最大。

3.3 河流水文改变度评价

3.3.1蓄水前后水文指标变化度比较

图3 宜昌站水文指标改变度排序

图4 汉口站水文指标改变度排序

图5 大通站水文指标改变度排序

根据宜昌、汉口和大通3个水文站三峡蓄水前后河流水文改变度绝对值进行排序，如图3～图5所示。可见，宜昌和汉口水文站32个水文指标大多发生高、中度改变，其中宜昌站2月份中值、年均1、3、7 d最小流量和逆转次数，汉口站的1月、4月份中值、年均1、3、7 d最小流量和基流指数的水文改变度高达100%，大通水文站大多发生中、低度改变，水文改变度达到100%的只有基流指数。整体而言，长江中下游宜昌、汉口两站的变化程度由高度变化主导，大通站的变化程度由低度变化主导。宜昌站为三峡水库出库水文站，宜昌水文情势变化受其直接影响，而汉口水文站为汉江入长江后的重要控制水文站，不仅受三峡大坝出流影响，而且受到清江、汉江、洞庭湖水系等重要支流的人类活动影响，具有叠加效应，而大通水文站距离三峡水库较远，其影响也随着距离增加，鄱阳湖等水系汇入，水文效应也逐渐减弱。

3.3.2整体水文改变度分析

分别计算出宜昌、汉口和大通3个水文站各组指标的整体水文改变度以及各水文站的整体水文改变度(见表3)。

表3 各水文站整体水文改变度

注：H表示高度改变；M表示中度改变；L表示低度改变。

由表3可知，宜昌站第2组和第5组属于高度改变，其他3组指标均属中度改变；汉口站第1组第2组属于高度改变，第3组合第5组属于中度改变，第4组属于低度改变；大通站发生高度改变的只有第3组，第2组和第4组为中度改变， 第1组和第5组为低度改变。总体而言，三峡蓄水对长江中下游的宜昌和汉口两站的影响最为显著，对大通站的影响程度明显小于其他两站。由总体水文改变度计算结果得出，长江中下游3个水文站的流量特性都发生中度改变，宜昌站和汉口站的整体水文改变度接近于高度改变，大通站的整体水文改变度为42%，相对于宜昌站和汉口水文站水文改变度较小。

3.3.3河流水文情势改变的生态学效应

根据三峡水库调度运行方式，汛期利用水库削减洪峰、调蓄洪水，以控制下泄流量和水位，确保下游防洪安全；非汛期调度运行中，利用水库调节年内分布的丰枯不均，使下泄水流过程趋于均一化，极大改变了水库下游河流自然水文情势的年内丰枯周期变化规律，对枯水期的影响尤其明显；还会导致与水流相关的含沙量、河流形态、河流水生生物群落等发生相应的变化，进而影响河流健康的生态过程，甚至会产生一系列广泛、深刻，而且长期的生态效应。其中，三峡水库7月～8月进行调洪削峰，使得下泄洪峰流量有一定削减。这在保障下游防洪安全同时，也降低了对下游河床泥沙的输送能力和洪水大脉冲的作用；此外，三峡水库本身对上游泥沙的拦蓄作用以及洪水冲刷能力的降低，使得下泄水体含沙量大幅度减少。然而，泥沙是河流生态系统中重要的非生物因子之一，对于水生生物的生长及生物的产卵、发育、觅食等多方面有显著的影响，含沙量剧减，将增加水的透明度，有利于水生植物的生长；但同时一些浮游动物减少了庇护，增加了被捕食的几率。三峡水库清水下泄，长江中下游河段将发生长时间的冲刷，河床下降，沿岸地下水位也会下降，对沿岸湿地生境造成一定的影响；河床的冲刷还会使河床粗化，底栖生物的生境发生改变；江湖关系发生变化，进入洞庭湖的洪水减少，加速洞庭湖的退化；清水下泄对河岸也会产生侵蚀，江水与周边湿地地下水交换将减少；长江口地区由于长期缺乏泥沙补给，河口自然演变规律和生境将发生变化[15]。

4 结 论

(1)长江中下游宜昌、汉口和大通3个水文站年均流量均呈下降趋势，且宜昌水文站通过90%置信度检验。这表明宜昌水文站年均流量下降趋势显著，而汉口和大通水文站下降趋势不显著。

(2)根据对三峡水库蓄水后生态水文指标变化情况分析，长江中下游非汛期12月～3月份流量增加，汛期7月～8月份流量减少；年极小流量和年极大流量分别表现为增加和减少趋势；年极小流量发生时间提前，基本上提前1月～2月，年极大流量发生时间提前10 d左右；高低脉冲流量发生的频率及持续时间均有不同程度的下降；流量上升率和下降率均有所下降，逆转次数改变最为明显，甚至达到100%。

(3)根据对三峡水库蓄水后河流水文改变度评价分析，长江中下游宜昌、汉口和大通水文站整体水文改变度属于中度改变，其中宜昌站和汉口站的整体水文改变度分别为61%和63%，接近于高度改变，大通站的整体水文改变度为42%，水文改变度相对较小。究其原因为，宜昌水文站受三峡水库蓄水直接影响，汉口水文站除了受三峡水库影响外，还受到汉江、清江以及洞庭湖等支流水电梯级开发影响；而大通水文站作为整个长江流域控制水文站，尽管受三峡水库影响，但是相对较弱，其水文情势改变反映了2003年以来长江流域整体水文改变度。