长江中下游水电开发对河流水文情势的影响研究
2019-09-26郭文献李泉龙
张 陵，郭文献，李泉龙
(1.华北水利水电大学，郑州 450046；2.河南财经政法大学，郑州 450046)
水电开发对河流和人类社会的影响具有双重性[1]。水库的修建在促进河流服务功能和改善河流生态环境的同时,也产生了一定的负面效应,一旦超出了河流系统的承受能力,将可阻碍河流服务功能的发挥和开发,严重时可致使整个流域生态系统失调或退化,破坏河流的生态健康[2,3]。恶化的生态环境已成为许多区域社会经济发展的主要障碍[4]。
从三峡水利枢纽到南水北调工程,一大批的水利工程在长江流域这条大动脉上相继兴建。势必在一定程度上改变着长江流域的生态系统,对该流域中水生生物的生存环境造成了影响,对水生生物资源的生态学效应是缓慢且长期的,长江生态系统的破坏对水生物种群资源的长期影响,将威胁中华民族的生存和长期发展。因此,分析和研究水利枢纽对河流水文情势的影响,恢复或改善被破坏的河流生态系统,以维持良好的生态系统环境和保障生物资源永续利用,具有重要的实际应用价值和现实意义。
陈栋为等[5]在2011年以东江流域三大水库的控制河流为研究对象,应用RVA法对水利工程的不同开发等级对河流水文情势改变的累积效应进行了分析。张鑫等[6]在2012年采用IHA法对伊河陆浑水库的河流水文情势影响进行了分析和评价,结果说明了陆浑水库对伊河天然径流过程的改变不大,而放水较少是造成高低流量脉冲平均历时变化的主要原因。巩琳琳等[7]在2013年以刘家峡水库为例,研究了水库调度对水文情势的定量影响,以及其累积效果和影响程度。张洪波等[8]在2016年以生态水文联系为分区因子,通过水文改变指数法及变异范围法评估了渭河流域不同时段的水文改变程度。
综观我国学者在水利枢纽工程的生态影响研究,大坝对水文情势改变的评价较多,但对其生态效应及维护河流生态基流量的研究较少;大坝对流域生物多样性及其功能的影响研究严重不足[9]。
本文选取三峡-葛洲坝梯级水库所控制的长江江段为研究对象,由于宜昌为三峡和葛洲坝的出口控制断面,具有很好的代表性,所以着重研究宜昌水文站所控制的宜昌江段的生态水文要素变化情况。在分析三峡、葛洲坝水利工程对长江中下游河流生态水文影响的基础上,分析水文情势变化对长江重要鱼类资源保护物种——中华鲟产卵繁殖条件的变化,从而针对中华鲟的物种资源保护提出生态水文目标值和修复措施,为保护和合理利用长江主要鱼类资源提供重要的理论和实践依据。
1 研究区概况
1.1 长江流域概况
长江是我国的第一大河,跨越6 363 km,覆盖了1.8×106km2,占全国总面积的18.75%,共流经了19个省、市、自治区,范围从北纬25°分布到北纬35°,西高东低,总落差高达约5 km。长江流域水系图如图1所示。
图1 长江流域水系图Fig.1 The water system of Yangtze river basin
长江流域地处我国中南部,属亚热带季风气候区,气候湿润,四季分明。长江流域受季风气候影响明显,降雨多随季风变化,多年平均降水量为1 100 mm。流域内降水量空间和时间分布极不均衡,空间上一般表现为南岸多,北岸少,中、下游多,上游少;时间上多分布在5-10月的夏秋季节,占全年降水量的70%以上,呈现出中、下游早,上游晚,南岸早,北岸晚的趋势。长江流域的水量充沛,多年平均径流量高达960 亿m3,浅层地下水储存量达到250 亿m3,占全国水量的36%。长江起源于青藏高原的沱沱河,自西向东至上海入海口注入东海。
1.2 生物资源概况
长江流域干支流众多,水系庞大,流域面积广阔,蕴藏着丰厚的水生生物资源。据统计,流域内共有水生生物1 100多种,其中鱼类370余种、底栖动物220余种,水生植物210余种。长江流域是拥有鱼类种类最繁、数量最多的流域,被称为我国淡水鱼类基因的摇篮,是经济鱼类的重要养殖基地,同时是生物多样性的典型代表流域。
2 研究方法
采用线性倾向估计法、Mann-Kendall非参数秩次相关检验法对三峡水库下游宜昌水文站的年流量序列的趋势性演变进行对比性分析。
2.1 线性倾向估计法
用xi表示样本总数为n的某一实测变量,用ti表示xi所对应的时间,建立xi和ti之间的一元线性回归方程[10]:
(1)
式中:a为回归常数,b为回归系数。b值的正负代表样本x的趋势倾向,b>0时,说明x随时间t的增加呈上升趋势,反之亦然;b值的大小反映出序列上升或者下降的速率,即表示了趋势的倾向程度。
a、b的值可以通过最小二乘法进行估计,计算公式为:
(2)
(3)
利用回归系数b与相关系数r之间的关系,求出xi和ti之间的相关系数:
(4)
r反映了xi与ti之间的相关程度,|r|越大,表示关系越紧密。
2.2 Mann-Kendall非参数秩次相关检验法
Mann-Kendall非参数秩次相关检验法(简称“M-K法”)已被世界气象组织(WMO)推荐,也是目前用于分析水文气象情势趋势变化最广泛的非参数检验方法[12]。
在检验过程中,所研究的实测资料可作为时间序列:X=x1,x2,…,xn,其中xi为n个独立的、随机变量同分布的样本,检验统计量S计算如下：
(5)
其中：
(6)
式中：S为正态分布,其均值为0,S的方差Var(S)=n(n-1)(2n+5)/18。
在“M-K法”检验中,标准正态统计变量Z的计算公式如下:
(7)
对于时间序列X=x1,x2,…,xn,当n>10时,采用式(7)进行趋势性检验,Z>0表示时间序列存在上升趋势,Z<0表示序列存在下降趋势,而当|Z|≥1.28、|Z|≥1.96、|Z|≥2.32时,分别表示时间序列通过了置信度为90%、95%和99%的显著性检验。
在时间序列无趋势(原假设)的“M-K法”检验中,对于给定的显著水平α,如果|Z|
3 结果与讨论
3.1 三峡水库下游河流水文情势趋势性分析
依据宜昌站1956-2016年共61年的日均流量、日均水温、日均含沙量监测数据,采用线性倾向估计法和“M-K法”进行宜昌站流量、水温和含沙量的趋势性分析。1956-2016年宜昌站年均流量、水温、含沙量线性估计如图2所示。
图2 1956-2016年宜昌站年均流量、水温、含沙量线性估计Fig.2 The linear estimation of annual flow,water temperature and sediment concentration of the Yichang station in 1956-2011
由图2可知:①宜昌站年均流量序列呈整体下降趋势,下降倾向率为18.849 0 m3/(s·a),并通过Mann-Kendall检验计算得知,年均流量序列的检验统计值Z为-1.293<0,为下降趋势,检验结果与线性估计计算结果一致,但其绝对值|Z|=1.293<1.96并未达到95%的置信度水平,说明年均流量序列的下降趋势不显著。②宜昌站年均水温序列呈整体上升趋势,上升倾向率为0.020 3 ℃/a,并通过Mann-Kendall检验计算得知,年均水温序列的检验统计值Z为5.407>0,为上升趋势,检验结果与线性估计计算结果一致,同时其绝对值|Z|=5.407>1.96,超过了95%的置信度水平,说明年均水温序列的上升趋势显著。③宜昌站年均含沙量序列呈整体下降趋势,下降倾向率为0.013 4 kg/(m3·a),并通过Mann-Kendall检验计算得知,年均含沙量序列的检验统计值Z为-7.273<0,为下降趋势,检验结果与线性估计计算结果一致,其绝对值|Z|=7.273>2.32超过了99%的置信度水平,说明年均含沙量序列的下降趋势极为显著。
3.2 水电开发对下游河流水文要素年际改变分析
采用宜昌站1956-2016年月均流量监测资料,按照葛洲坝和三峡工程的运行时间为分界点,对下游的流量、水温、含沙量指标进行系统性分析。时间段可分为:天然流量状态(1956-1980年)、葛洲坝运行后三峡工程运行前(1981-2002年)、三峡工程运行后(2003-2016年)。
3.2.1 流量的改变分析
宜昌站建坝前后月均流量对比如图3所示。由图3可以看出:①葛洲坝运行后三峡工程运行前期间内,6-7月的流量呈增大态势,且曲线呈现出尖角的形态,这是由于1998年的特大洪水所致;同时期内,8-11月的流量呈减小态势,正体现了葛洲坝对汛期流量的拦截作用。②三峡工程运行后期间内,5-12月的流量呈缓慢减小态势,1-5月的流量有增大现象,说明了三峡工程拦截了大量的汛期洪水,并在枯水期填补了坝下江段水量。
图3 宜昌站建坝前后月均流量对比Fig.3 The monthly flow before and after dam construction of the Yichang station
宜昌站建坝后距天然状态月均流量对比如图4所示,图中的数值表示同时期内月均流量与天然月均流量的差值。
图4 宜昌站建坝后距天然状态月均流量对比Fig.4 Comparison of monthly flow of after dam construction and natural state
从图4中可以看出,各个时期的月均流量与天然状态的相比均有较大的差异。葛洲坝运行后三峡工程运行前期间内,1-4月和6-8月的多年平均月均流量均高于天然状态的,而7月的多年平均月均流量比天然状态的高出约3 000 m3/s,这主要是由于1998年特大洪水所致,12月的多年平均月均流量与天然状态的基本持平;三峡工程运行后期间内,可以看到有明显的流量差值,1-4月的多年平均月均流量较天然状态的有所上升,5-12月的多年平均月均流量较天然状态的有所下降,且下降幅度较大,最大的出现在10月份,下降约6 500 m3/s。
综合分析三峡工程和葛洲坝运行期间对天然流量的改变可发现,除了发生在1998年6-7月份的特大洪水对流量的影响外,两个期间内建坝对流量的改变方向是一致的,同为上升或同为下降,但三峡工程运行期间内流量上升和下降的幅度均大于葛洲坝运行期间对流量的改变程度,说明三峡工程运行后对所控流域流量情势的影响程度高于葛洲坝,同时也体现出三峡工程的调蓄能力对河流天然流量的巨大改变。
3.2.2 水温的改变分析
宜昌站建坝前后月均水温对比如图5所示。由图5可以看出:葛洲坝运行后三峡工程运行前期间的水温基本与天然状态持平,说明葛洲坝的建设对所控河段水温的影响不大;三峡工程运行后期间内的3-7月份水温明显下降,8-2月份水温明显升高,同时体现了三峡水库拦蓄水量的同时,“滞温、滞冷”效应显著。
图5 宜昌站建坝前后月均水温对比Fig.5 The monthly water temperature before and after dam construction of the Yichang station
宜昌站建坝后距天然状态月均水温对比如图6所示,图中的数值表示同时期内月均水温与天然月均水温的差值。
图6 宜昌站建坝后距天然状态月均水温对比Fig.6 Comparison of monthly water temperature of after dam construction and natural state
由图6可知,各个时期的月均水温与天然状态的相比均有较大的差异。葛洲坝运行后三峡工程运行前期间内,1-2月、5-6月、8-12月的月均水温均高于天然状态的,但高出的幅度均在1.1 ℃之内,且8-9月的水温差微乎其微;三峡工程运行后期间内,水温差呈现出较为明显的上升和下降,其中,3-6月的水温表现为下降,水温下降幅度最大的月份出现在4月,下降值达到2.5 ℃左右,其余月份的均表现为上升,水温上升幅度最大的月份在12月,上升值超过了4 ℃。
综合分析三峡工程和葛洲坝运行期间对天然水温的改变,除了发生在1998年6-7月份的特大洪水对水温的影响,两个期间内建坝对水温的改变方向是一致的,同为上升或同为下降,且三峡工程运行期间各月上升或下降的幅度均大于葛洲坝运行期间,充分体现了三峡工程对天然水温情势的影响程度比葛洲坝显著。
3.2.3 含沙量的改变分析
宜昌站建坝前后月均含沙量对比如图7所示。由图7可知,各个时期的月均含沙量均低于天然状态水平。葛洲坝运行后三峡工程运行前期间内,3-6月的含沙量下降幅度较其他月份较大;三峡工程运行后期间内,1-3月的含沙量略低于天然状态,其余月份的含沙量与天然状态的相比均有大幅度降低,月均含沙量相对较高的月份出现在7-9月。说明了三峡水库的拦沙作用显著。
图7 宜昌站建坝前后月均含沙量对比Fig.7 The monthly sediment concentration before and after dam construction of the Yichang station
宜昌站建坝后距天然状态月均含沙量对比如图8所示。由图8可知,两个时期的月均含沙量均低于天然状态含沙量。葛洲坝运行后三峡工程运行前期间内的1-3月和7月的月均含沙量略低于天然状态,5月的月均含沙量下降的幅度最大,近0.5 kg/m3,其余的均在0.2 kg/m3上下浮动;三峡工程运行后期间内1-3月和12月的月均含沙量下降幅度不大,范围在0.2 kg/m3以内,其余月份的均有较大下降幅度,其中7月的月均含沙量较天然状态的下降值近1.8 kg/m3,是全年中最大。
图8 宜昌站建坝后距天然状态月均含沙量对比Fig.8 Comparison of monthly sediment concentration of after dam construction and natural state
综合对比分析三峡工程和葛洲坝运行期间对天然含沙量的改变发现,两个期间内1-4月和12月的月均含沙量改变值相近,其余月份中三峡工程运行期间的改变值比葛洲坝运行期间的大得多,并在6-10月表现得最为明显,同样是因为1998年6月发生的特大洪水,使大量泥沙被冲刷,导致坝下江段的泥沙含量较低。同时,对比分析还发现葛洲坝和三峡工程均有一定的拦沙作用,但三峡工程的拦沙作用更为显著。
综合图3-8可知,葛洲坝和三峡水利枢纽的建设对河流的天然状态改变较大,且三峡工程的影响程度更深。水利工程的建设,留滞了大量汛期来水,减少了坝下江段汛期流量的同时抬高了枯水期的江内水位,缓解了旱灾;“滞温、滞冷”现象的发生在一定程度上影响了水生生物的生活环境,威胁了敏感种群的繁衍生息;拦沙作用的显著发生,降低了坝下江段含沙量,水生生物栖息地环境遭到破坏的同时,更大程度上制约了河流的输沙能力,影响下游冲积平原、三角洲的形成和发展。
4 三峡水库蓄水对中华鲟产卵繁殖的影响
由于中华鲟物种的稀缺性、产卵场的易消失性,中华鲟被推选为长江流域最重要的野生保护动物之一。因此,研究确定中华鲟栖息地的影响因子,采取措施保护其产卵场已迫在眉睫。
据资料可知,中华鲟的产卵场正位于坝下宜昌江段的西坝位置,产卵期为10-11月,产卵适宜水温为16.5～20 ℃,特别在17.5～20 ℃最佳。
应用文献[11]中的主成分分析法对中华鲟栖息地主要影响因子进行分析,可得出流量和水温为影响中华鲟繁殖期栖息地环境的主要影响因子。这两个影响因子的合理性变化是中华鲟能否顺利产卵繁殖的关键,为了充分分析三峡水库蓄水对中华鲟产卵繁殖的影响,本节综合分析10-11月份(产卵期)的流量、水温和含沙量要素在三峡水库蓄水后的变化情况,进而分析三峡水库蓄水对中华鲟产卵繁殖的影响。
三峡水库蓄水前后宜昌站10-11月生态水文要素对比情况见表1。其中,蓄水前时间段为1956-2002年,蓄水后时间段为2003-2016年。
表1 三峡水库蓄水前后宜昌站10-11月生态水文要素对比表Tab.1 Comparison of hydro-ecological before and after the impoundment of the Three Gorges Reservoir of the Yichang station in October and November
由表1可知:10月月均流量蓄水后较蓄水前下降了5 943 m3/s,占蓄水前多年月均流量的33.1%,11月月均流量下降了856 m3/s,占蓄水前多年月均流量的8.7%;10月月均水温蓄水后较蓄水前上升了2.1 ℃,占蓄水前多年月均水温的10.6%,11月月均水温上升了2.7 ℃,占蓄水前多年月均水温的16.6%;10月月均含沙量蓄水后较蓄水前下降了0.683 kg/m3,占蓄水前多年月均含沙量的96.2%,11月月均含沙量下降了0.335 kg/m3,占蓄水前多年月均含沙量的98.0%。
宜昌站流量和水温要素的变化会使中华鲟早已适应的产卵场生态环境受到影响甚至遭到毁坏。流量的下降,将直接导致中华鲟产卵场实际面积的缩小;水温的上升,将会影响中华鲟的产卵信号,破坏中华鲟产卵时的适宜温度条件,同时三峡水库蓄水引起的滞温效应会导致中华鲟推迟产卵的迹象发生;但产卵场内含沙量的减少一定程度上是有利于中华鲟产卵的。
5 中华鲟的生态保护修复措施
根据对中华鲟产卵繁殖习性和长江中下游河段地形条件的分析,采取以下措施对中华鲟的栖息环境进行保护。
5.1 工程措施
结合长江中下游三峡和葛洲坝工程的实际情况,修建过鱼工程措施需耗费巨大的水量和高额投资,且不容易掌控中华鲟洄游具体时间,又需要借助专门机构的大量实时监测资料。相比之下,目前保护中华鲟种群资源最有效的途径就是对新产卵场的维护和修复,使其能够与天然产卵场水文条件相近[13]。
通过各种监测结果表明,中华鲟现有产卵场的范围主要分布在长江中游葛洲坝至庙嘴之间4 km的江段内,事实上,新产卵场的面积仅仅约为历史区域的3%。查阅文献发现[14],中华鲟产卵场适宜的地形条件是:产卵场上游水深较大且有急滩,场中存在深洼的漩涡区,下游是较为宽阔的卵、砾石浅滩;产卵场必然存在河流转弯处。当务之急是依据上述条件选取合适的修复技术和方案对中华鲟现有产卵场进行修复和保护。同时,可将中华鲟的“适宜生境”具体量化为水文、水力学要素范围,并依据这些数据优化规划方案、调整设计参数等措施,以达到人工再造适宜产卵场的目的。
5.2 非工程措施
除了对中华鲟产卵场进行修复,也可以利用人工增殖放流(人工培育种鱼并辅助其产卵和孵化,再将鱼苗进行放流)的方式来适当补充中华鲟的种群数量。而我国对于中华鲟的人工增殖技术已在20世纪90年代末初见成效,但增长值不大,每年人工放流的中华鲟数量还不到野生群体总数的4%[15,16]。为达到保护中华鲟野生资源的目的,人工增殖放流数量和规模还需进一步扩大。
在修复和保护中华鲟个体的同时,还需加大对中华鲟现有产卵场水环境和种群资源的监测。要加强对中华鲟资源量(雌雄老幼组成、种群结构、数量等)、种群动态、时空分布、水文要素、产卵场的分布与规模、产卵的时间和频次等的监测。
5.3 管理措施
中华鲟的产卵必须在一定的水文条件下进行。因此,产卵场的修复可以通过改变产卵场的水文条件来促进其产卵和繁殖。依据前文分析研究的三峡水库蓄水后对坝下江段生态水文要素的变化,亦可以通过三峡水库合理调度的方式,对坝下江段产卵场内水文条件进行补偿,从而达到保护中华鲟产卵繁殖的目的。
政府部门可通过法律手段来规范人们的行为。一方面要立法禁渔和适度通航,另一方面要立法保护水质。同时还要加大宣传保护中华鲟和保护水质的力度。
6 结 语
本文以长江中下游江段为研究区域,选取宜昌站1956-2016年生态水文实测资料,以三峡、葛洲坝水利枢纽工程所控的宜昌江段为研究对象,开展水电开发对河流水文情势的影响研究,得出以下结论:
(1)由三峡水库下游河流水文情势趋势性分析可知:宜昌站1956-2016年的年均流量序列呈不显著下降趋势,年均水温序列呈显著上升趋势,年均含沙量序列呈极为显著下降趋势。
(2)由水电开发对下游河流水文要素年际改变分析可知:葛洲坝运行后三峡工程运行前(1981-2002年)和三峡工程运行后(2003-2016年)两个时间段内,筑坝对流量、水温、含沙量的改变方向均是一致的,且三峡工程对下游河流水文要素的改变更为显著。
(3)由三峡水库蓄水对中华鲟产卵繁殖影响的分析可知:流量的下降将直接导致中华鲟产卵场实际面积的缩小,水温的上升将会影响中华鲟的产卵信号,含沙量的减少一定程度上是有利于中华鲟产卵的。
(4)可通过对新产卵场的维护、修复和保护,加大人工增殖放流的数量和规模,加强对中华鲟现有产卵场水环境和种群资源的监测,对三峡水库的合理调度,以及相关法律手段来对中华鲟的栖息环境进行保护。
