拉萨河干流梯级水库库容-径流响应关系

黄 草,黄梦迪,胡铁松,胡国华,李志威

(1.长沙理工大学水利工程学院,湖南 长沙 410114; 2.水沙科学与水灾害防治湖南省重点实验室,湖南 长沙 410114;3.洞庭湖水环境治理与生态修复湖南省重点实验室,湖南 长沙 410114;4.武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室,湖北 武汉 430072)

水库的建设与运行为人类调控与优化水资源的时空分布,促进经济社会可持续发展做出了重要贡献[1-2],但也改变河流的自然流态,对河流生态系统产生了较多的负面影响[3-6]。河流径流的大小及其时间过程是影响河流生态系统(包括河床河滩栖息地和水生生物群落)的主要驱动力[7]。因此,传统的水库-生态响应研究以水库-径流响应研究为基础,以恢复筑坝前的自然径流过程为理想目标,众多学者围绕水库或水库群系统对河流径流改变的定量评价、补偿技术与方法等开展了研究。Richter等[8-10]提出的水文变异指标法及变化范围法(IHA-RVA)是应用最广泛的水库系统对河流水文情势及生态影响的评价方法,它先建立一套评估生态水文变化过程的指标体系,包含月平均流量、极端流量和持续时间、极值出现时机、高低流量脉冲频率和持续时间、涨水落水速率等5个方面32个指标,然后计算这些指标在水库建设前后的均值及变差系数的变化,以此评价水库运行前后水文情势的改变情况。变化范围法(IHA-RVA)在国内外有较多的应用与发展,如Magilligan等[3]采用IHA指标体系分析断面的流量变化情况以研究大坝的修建对河流原有水文情势的改变;Gao等[11]采用IHA指标分析了美国189处大坝河流水文改变情况,并指出IHA在指导水库群调度中的不足,即需要找寻出一套简单的IHA指标体系以取代常用的33个参数,以便设计出合乎逻辑的水库运行指导规则;张洪波等[12-16]从实际问题着手,以变化范围法为基础分别提出了具有一定针对性的改进方法或生态水文指标体系。

现有研究在单水库修建前后水文情势的变化方面成果较多[17-18],但水库群系统对河流生态系统的累积效应的研究方法与成果不足。水库群系统对河流生态系统的影响与单水库系统有所不同,甚至相反[19-20]。水库群对河流生态系统存在修复和累积效应,单水库对水文情势及河流生态影响的线性叠加不等于水库群对河流水文情势和生态的综合影响。同时,流域梯级开发及水库群分期建设导致用于研究水库群修建前后的水文序列长度不一致,特别是水库群修建后的水文序列代表性不足。基于此,本文以拉萨河的梯级水库开发为例,以1976—2016年长系列日流量系列为基础,采用MODSIM-DSS构建拉萨河水库群调度模型,模拟生成现状年以及规划年不同数目的水库群运行条件下主要水文站的日流量过程;采用变化范围法研究不同数目的水库群系统对拉萨河径流的累积影响与规律,建立流域库容系数(水库兴利库容与坝址处多年平均径流量的比值,是反映水库对径流量调控能力的无量纲参数)与水文情势综合改变度的响应关系,为深入认识新建或待建水库群的径流与生态影响以及拉萨河库容-径流的互反馈机制提供科学基础,也为开展拉萨河梯级水库综合优化生态调度提供参考。

1 研究区概况

拉萨河位于西藏中南部,全长568 km,流域面积3.18万km2,是雅鲁藏布江五大支流之一。目前,拉萨河干流已建成旁多和直孔两座水电站,流域内尚有3座水库处于规划阶段(图1),已建和规划水库的总库容为20.6 亿m3(表1),占拉萨水文站多年平均径流量的22.6%。

图1 拉萨河流域水系及干流梯级电站分布

表1 拉萨河干流梯级水电站特征参数

拉萨河流域年平均降水量400～500 mm,拉萨水文站1956—2016年多年平均径流量为90.9 亿m3,占雅鲁藏布江总径流量的6.69%,天然径流的年际变化相对稳定,不存在明显的突变年份[21];年内天然径流主要集中在夏季,6—9月径流量约占全年径流量的76%(图2)。拉萨河干流现有旁多、唐加和拉萨3个水文站(表2)。

图2 拉萨水文站1956—2016年径流量过程及月平均径流量

表2 拉萨河干流水文站基本情况

2 研究方法

2.1 水文情势改变度评价方法

水库群的建设与运行改变了河流的水文情势,量化水文情势的改变趋势和改变程度,有利于调整现行的水库调控措施和规则,尽量减小水文情势的改变,从而减小对河流生态系统的负面影响。变化范围法是通过分析河流受扰动前后32个水文因子的数值变化来确定河流生态情势的改变,在我国黄河流域、长江流域、淮河流域均有应用[22-24]。变化范围法的水文参数及其生态意义如表3所示。

表3 变化范围法(IHA-RVA)中水文指标参数及生态意义

统计水库建设前后变化范围法(IHA-RVA)水文指标参数的均值和变差系数,共计64个特征参数,反映不同时间序列水文情势的特征。均值和变差系数计算公式为

(1)

(2)

参数的改变度计算公式为

(3)

式中:dk为第k个参数的改变度,是指受影响后河流水文情势第k个特征参数相对于受影响前的改变程度;PkA、PkB分别为第k个参数干扰前和干扰后的值;参数k=1～64,a=3。当|dk|<0.33时,参数k为轻度改变;0.33≤|dk|<0.67,参数k为中度改变;|dk|≥0.67,参数k为重度改变。

以所有特征参数改变程度的平均值,表示受影响后河流水文情势的整体改变情况,即整体改变度DT:

(4)

同样,当|DT|<0.33时,河流水文情势整体为轻度改变;0.33≤|DT|<0.67,河流水文情势整体为中度改变;|DT|≥0.67,河流水文情势整体为重度改变。

2.2 径流模拟与生成

2.2.1梯级电站调度规则

旁多水库正常蓄水位为4 095 m,防洪限制水位4 093.5 m,死水位4 045 m,总库容12.3亿m3,兼具灌溉、防洪、发电等综合效益,装机容量160 MW,多年平均发电量为5.38亿kW·h。旁多水库每年6月初开始蓄水,在保证灌溉和供水水量基础上,按保证出力进行发电调度,蓄至防洪限制水位后维持该水位至9—12月水库维持正常蓄水位运行,从翌年1月初开始加大水库出流,至5月末消落至水库防洪限制水位以下。

直孔水库正常蓄水位为3 888 m,汛限水位为3 885 m,死水位为3 878 m,总库容为2.24亿m3,主要任务为发电,兼具防洪作用,装机容量为100 MW,多年平均发电量为4.11亿kW·h。直孔水库每年6月初开始蓄水,按保证出力进行发电调度,蓄至防洪限制水位后维持该水位至9月,9—12月水库按照天然径流发电出流,维持正常蓄水位运行,从翌年1月初开始加大水库出流,至5月末消落至水库死水位。

依据相关规划卡多、布岗、格拉沃水库正常蓄水位分别为4 030 m、3 988 m和3 944 m;死水位分别为4 015 m、3 973 m和3 929 m;装机容量均为90 MW。规划水库的调度规则参考直孔水库。

2.2.2调度模型构建及验证

表4 拉萨河干流梯级电站建设前后径流资料

拉萨河干流梯级电站修建之前的长系列日均流量资料(1976—2000年)较为完整,但梯级电站修建之后的流量系列(2008—2016年)较短,资料代表性不足;规划水电站对河流水文情势的影响尚无资料可用。为了分析不同工况下,水库群调度对拉萨河水文情势的累积影响,采用MODSIM-DSS构建拉萨河干流梯级电站调度模型(图3),模拟生成不同工况下水库群调度后的长系列逐日平均流量系列(表4)。MODSIM-DSS是由美国科罗拉多州立大学开发的水资源综合管理与调度软件,具有开源、可视化、大规模等特征,在国内外有较多应用实例[25-26]。

图3 拉萨河干流梯级电站及水系概化

拉萨河干流梯级电站调度模型采用逐级模拟的方式,即先以旁多水文站1976—2000年实测日均流量数据作为模型的输入数据,扣除城镇和灌区引水量,依照旁多水库调度规则进行模拟调度,旁多水库出流数据作为下一级水库的输入数据。

为验证MODSIM-DSS模拟径流的有效性,采用2015—2016年的唐加水文站实测日均流量与工况2的唐加水文站模拟日均流量进行对比分析,结果表明模拟日均流量与实测日均流量存在良好的相关性,相关系数为0.975,纳什效率系数为0.947,如图4所示。

图4 MODSIM-DSS模拟与实测日平均流量比较

3 结果分析

基于5种工况下模型输出的1976—2000年逐日平均流量数据与梯级电站修建前的日平均流量数据,采用IHA-RVA计算唐加水文站的水文情势改变度,结果如图5所示。计算结果表明,工况2(现状条件)时,唐加水文站水文情势综合改变度为0.21,64个生态水文指标中,5个指标为重度改变,7个指标为中度改变,52个指标为轻度改变,重度改变指标占总指标数量的7.8%,可见旁多和直孔电站的运行已经对拉萨河的水文情势产生了一定的影响。工况5(剩余3座规划水库全部建成后)时,唐加水文站水文情势综合改变度为0.41,18个指标为重度改变,10个指标为中度改变,36个指标为轻度改变,重度改变指标占总指标数量28.1%。从工况1至工况5,唐加站水文情势综合改变度逐渐增大,重度改变的水文指标数目持续增加,轻度改变的水文指标数目减少(图6)。综合旁多、唐加和拉萨水文站的结果分析,随着水库数目的增加,多数指标的改变度逐渐增大,即水库群对水文情势的影响更显著;沿着河流流向,下游唐加水文站的水文情势综合改变度大于上游旁多水文站;若两站之间无水库,区间入流对下游站的水文情势改变有一定的补偿作用,即拉萨水文站综合改变度小于唐加水文站。

3.1 月平均流量变化

唐加水文站多年月平均径流量变化表现为:全年径流总量轻微减少(受城市供水和灌区灌溉用水影响),但年内径流分布差异加大(图5(a))。年内各月径流均值改变度最大的是3月和10月,其中3月受水库群放水影响,月流量均值和变差系数均大幅改变,改变度分别为0.97和0.91,属于重度改变;10月受水库群蓄水影响,月平均径流量减少了27.4%(图5(b))。随着水库数量增加,其累积影响越显著,且非汛期的累积影响大于汛期。

图5 不同工况下唐加水文站32项水文情势指标均值及变差系数改变度

3.2 年水文极值变化

梯级水库群对拉萨年水文极值的影响主要表现为1 d、3 d、7 d、90 d最大流量改变较小,1 d、3 d、7 d、90 d最小流量改变明显;最大和最小流量的变差系数明显增大(图5(c)(d))。以1 d极值流量为例,水库群对水文极值的累积影响逐渐增强。工况1最小1 d流量均值改变度为0.02,属轻度改变;工况5最小1 d流量均值改变度为0.69,属于重度改变。工况1最大1 d流量的变差系数为轻微改变,工况2至工况4最大1 d流量的变差系数属中度改变,改变度分别为0.56、0.56和0.60,工况5最大1 d流量的变差系数为重度改变,改变度为0.70;工况1最小1 d流量变差系数为轻度改变,但工况3至工况5最小1 d流量变差系数为重度改变,改变度分别为0.95、1.0和1.0。唐加水文站3 d、7 d以及90 d的极值流量变化趋势与1 d极值流量的变化趋势一致,但变化幅度较小。

3.3 洪水脉冲频率及涨落速率变化

水库群的运行导致拉萨水文站洪水脉冲上升与下降的平均速率降低,但洪水上升和下降的变差系数以及发生次数变化没有明显规律(图5(e)(f))。如在洪水脉冲上升与下降次数方面,唐加水文站5种工况的洪水脉冲次数均增加,但拉萨水文站工况1和工况2的洪水脉冲次数减少,工况3至工况5的洪水脉冲次数又增加,即水库群运行可能导致洪水脉冲次数减少或增加,其影响与实时调度决策相关,存在一定的不确定性。

3.4 综合改变度分析

对比不同工况下拉萨河干流各水文站的径流改变度,水库群的联合调度对于拉萨河干流水文生态的干扰程度与水库群总调节库容大小有关,但两者并不是单一的线性关系(图7)。以唐加水文站为例,现状条件下唐加水文站水文情势综合改变度为0.21,为轻度改变;规划期唐加水文站的水文情势综合改变度为0.41,为中度改变。唐加水文站的综合改变度随上游水库群的库容系数增大而增大,但增大速率呈现“先小后大再小”的特征,即当库容系数β≤0.1时(表示水库群调节能力小于月调节能力),综合改变度随库容系数增大缓慢增大;当0.1<β≤0.15时(表示水库群具有季调节能力),综合改变度随库容系数增大迅速增大;当β>0.15时(表示水库群接近或具有不完全年调节能力),综合改变度再次缓慢增大并逐渐逼近极限值。

4 结 论

利用MODSIM-DSS模拟了拉萨河干流不同数目水库群条件下相同时间尺度的日径流结果,采用IHA-RVA方法分析了拉萨河干流现状和规划水库群运行对水文情势的影响,提出了拉萨河干流梯级电站的库容-径流响应关系。

a. 现状条件下,拉萨河唐家水文站水文情势综合改变度为0.21,发生了轻度改变,其中,枯季最大流量、汛期最大流量、年最小流量发生时间、洪水涨落次数和高低流量脉冲历时较其他水文情势指标改变明显。

b. 随着流域水库数量的增加,水库建设与运行对水文情势的负效应增大。规划期(5座电站全部建成),唐加水文站的水文情势综合改变度为0.41,为中度改变,但水库数目的增加对于径流特征变化的累积效应并不是线性叠加关系。

c. 从规划期各站点水文情势综合改变度来看,流域水文情势的综合改变度随着流域水库群的库容系数增大而增大,增大速率呈现“先小后大再小”的特征,当水库群接近或具有不完全年调节能力(库容系数β>0.15)时,水文情势的综合改变度逐渐逼近极限值。

本文为研究新建或待建水库群对河流水文情势的影响提供了思路和方法,分析了拉萨河干流梯级水库对径流的累积影响,为深入开展拉萨河梯级水库综合优化生态调度提供了有益参考。但本文仅讨论了梯级电站运行对拉萨河水文情势的影响,未考虑气候变化、生产生活引水以及土地利用变化等因素的影响。