气候变化和水利工程对丹江口大坝下游水文情势的影响

班 璇，师崇文，郭 辉，舒 鹏

(1.中国科学院测量与地球物理研究所环境与灾害监测评估湖北省重点实验室，湖北 武汉 430077；2.中南民族大学资源与环境学院, 湖北 武汉 430074； 3.长江科学院水力学研究所，湖北 武汉 430010；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)

随着社会经济的快速发展，人类对水资源的开发程度不断增大，修建了大量水利工程，如在河流上筑坝修建水库、调水工程、抽水工程等[1]。水利工程建设在带来经济和社会效益的同时，也人为地改变了河流的水文循环格局及自然水文情势，对河流及其周围生态系统产生了深远影响[2-7]。水文情势是塑造河流生态系统结构和功能特征的关键性因子，影响着河流生态系统的各个方面[5,8-11]，其变化对生态环境的影响是长期的、缓慢的、潜在的[6]。南水北调中线工程的调水对汉江流域中下游水文情势产生了重大影响[2,10]。此外，全球气候变暖导致的降水量异常变化[12-13]对汉江流域的水资源和生态环境也产生了深刻影响[8,14-15]。汉江中下游同时受到梯级大坝、调水工程以及气候变化的叠加影响，其水文情势变化的驱动力非常复杂。各个影响因素如何影响丹江口下游汉江干流的水文情势，水文情势的改变又会引起哪些生态效应，这些是目前进行汉江下游水资源合理配置需要解决的首要科学问题。

本文以丹江口下游黄家港水文站的水文情势变化为切入点，综合分析了丹江口大坝、王甫洲大坝、气候变化、南水北调中线工程叠加影响下的丹江口大坝下游水文情势的变化趋势与规律，以期能为汉江中下游流域生态环境保护和水资源合理配置提供科学依据。

1 研究区概况和研究方法

1.1 研究区域概况

汉江流域面积约为15.9万km2，属亚热带季风区，年降水量873 mm，水量较丰沛，但年内分配不均，年际丰枯变化悬殊，5—10月径流量约占全年75%。汉江流域水能资源丰富，汉江中下游规划了9级水利枢纽，依次为孤山、丹江口( 1973年建成)、王甫洲( 2001年建成)、新集、崔家营( 2010年建成)、雅口、碾盘山、华家湾、兴隆( 2013年建成) (图1)。9级水利枢纽、南水北调中线工程、引汉济渭、引江济汉等多重调水工程对汉江流域的水文情势产生了极大影响。黄家港站作为丹江口水库的出库控制站，其流量和水位变化主要受丹江口水库调蓄、南水北调调水以及王甫洲水库回水等的影响，以及汉江中下游流域自1991年从多雨期转入少雨期的气候变化影响[16]。因此，该水文站的水文情势变化主要受梯级大坝、气候变化、水库调水的叠加作用，其驱动机制非常复杂。

图1 汉江流域示意图

为分析各因素对黄家港站水文情势的影响程度，笔者将该站的历史水文情势变化分为5个阶段(图2)：丹江口水库蓄水前的时期为未受人类活动影响的基准期(1965—1973年)；1974年丹江口大坝蓄水后，气候突变前的时期为影响Ⅰ期(1974—1990年)；1991年气候突变后，修建王甫洲大坝前的时期为影响Ⅱ期(1991—2000年)；2001年修建王甫洲大坝后，南水北调之前的时期为影响Ⅲ期(2001—2013年)；南水北调之后的时期为影响Ⅳ期(2014—2017年)。将不同影响期的水文数据与基准期进行比较，分析不同影响期水文情势的变化趋势。

图2 黄家港站1965—2017年均流量过程线

1.2 水文变化指标及变化范围法简介

1996年Richter等[17]提出了一系列能够代表河流水文情势与生态关系的指标，包括5组共33个描述流量过程的月均值、极值、极值出现时间、高/低流量脉冲的频率和持续时间、水文条件变化的速率及频率的水文变化指标(indicators of hydrology alteration, IHA)，IHA 指标具有一定的生态学含义，具体求法与含义参见文献[17]。变化范围法(range of variability approach, RVA)建立在IHA指标改变度的基础上，其核心是将处于自然状态下的长期水文资料作为定义水文变量变化范围的基础。郭文献等[18-19]提出以各IHA指标计算结果的中值加减一个标准差作为RVA的目标范围类别，将IHA指标排序后进行频率计算，采用发生频率为75%和25%的值作为各IHA指标参数的上限、下限，小于25%为低RVA类别，大于75%为高RVA类别，25%～75%为中RVA类别。

人类干扰前后河流水文变量的变化程度，可通过水文改变度D量化计算[20]。D的绝对值处于0～33%、33%～67%、67%～100% 区间时分别表示低改变度(L)、中改变度(M)、高改变度(H)，以此衡量水文变量相对基准值的偏离程度。

此外，用不同影响期IHA指标的中值与基准值相比较偏离的百分比和离散系数的偏移度检验IHA指标的变化相较于影响前是否有显著差异以及变化趋势。其显著性分析可以检验IHA指标的偏移度差异在统计分析中是否显著，其原理是随机打乱所有年份的输入数据，并重新计算影响前和影响后的中值和离散系数1 000次，显著性计数是中值和离散系数的偏差值大于实测值的百分比。因此，低显著性计数(最小值为0)代表影响前和影响后时期的差异非常显著，而高显著性计数(最大值为1)代表影响前和影响后时期的差异非常小[18]。

偏移度的计算公式为

P=(P影响后-P影响前)/P影响前

(1)

式中：P为 IHA指标的偏移度；P影响前为各IHA指标在影响前时期内的平均值；P影响后为各IHA指标在影响后时期内的平均值。

1.3 水文统计参数说明

表1 不同影响期水文指标中值偏移度

文中用到的其他参数：①年均流量[20-22]反映一年内断面流量的中值状况。②年均变异系数[23-24]：日均流量的标准偏差与年均流量之比，反映流量在一年内的波动程度。③流量的可预测性[25]：该值的范围在0～1之间，可以反映流量的稳定性状况。由测量流量时间不变性的稳定性参数C和测量流量周期性的偶然性参数M组成，具有非常稳定流量的河流可预测性主要由C确定，而具有固定周期的高度可变流量的河流可预测性主要由M决定。④60 d内的洪水最大发生率[26-27]：在有记录的所有年份60 d内发生洪水的最大比例。洪水被定义为任何超过高脉冲阈值的水流。⑤无汛期长度[28]：所有水文年中流量达到或低于每年高脉冲阈值的最长周期天数。

2 结果分析

2.1 不同影响期水文指标变化及生态影响

不同影响期水文指标的中值偏移度见表1。

a. 月中值流量的变化(图3(a))。与基准期相比，整体上是1—3月的流量增加，4—12月的流量减少。影响Ⅰ期受丹江口大坝影响，月中值流量枯水期增加(1—3月)，流量月均变化过程波动减少，流量峰值从7月推迟到9月。影响Ⅱ期叠加了气候变化的影响，流量波动趋势与影响I期类似，但量值大小大幅度降低。影响Ⅲ期叠加了梯级大坝回水的影响，流量有所增加，峰值出现在7月。影响Ⅳ期南水北调工程实施后，下游各月份流量显著减少，流量波动趋势消失。该结果说明丹江口大坝的修建使下游河道枯水期的流量增加，丰水期和平水期的流量减少。气候变化降雨减少的影响使各月份流量整体减少。梯级大坝的回水使流量增加，峰值的出现时间提前。南水北调实施调水后，各月份流量大幅度减少，而且峰值和流量波动消失，没有了流量波动多样性的过程，下游水生态系统将会受到严重影响。

由于不同时期人类活动和气候变化的影响，丹江口大坝下游河道月中值流量的变化趋势处于一个波动调整的状态，这种变化不利于稳定水生态系统的建成。流量变化幅度和年极大值的减小对水生生物的种群稳定性造成了较大影响，它的波动将使水生生物的生存空间和优势种群都处于波动的过程中。据调查，汉江干流修建一系列梯级大坝后，汉江下游的底栖生物物种种群结构发生了变化，原有的优势种钩虾、多距石蛾和纹石蛾等物种消亡或沦为稀有种，取而代之的是喜静水的淡水壳菜、水丝蚓、苏氏尾鳃蚓等耐污种[28]。

b. 年极端水文条件的大小变化(图3(b))。与基准期相比，整体上是年极小值无明显改变，年极大值流量从影响Ⅱ期起显著减少。年极值流量变化结果说明丹江口大坝叠加降雨减少的气候变化影响后使年极大值流量显著减少，使得水生生物的生存空间也相应减少。

c. 年极端水文条件的出现时间(图3(c))。与基准期相比，整体上是年极小值提前，年极大值发生的时间无明显变化。梯级大坝使年极小值从以前的1月提前到12月，南水北调工程实施后使年极大值从7月提前到6月。

年极值发生时间往往是水生生物进行繁殖的信号，它的改变会影响水生生物的繁殖过程。研究发现在汉江干流修建一系列的梯级枢纽后，汉江中下游产漂流性卵鱼类的产卵场萎缩退化、繁殖期缩短、产卵量明显下降[29]。

d. 高、低流量脉冲的频率和持续时间(图3(d))。与基准期相比，整体上是低流量脉冲的次数增加，高流量脉冲次数减少，高/低流量脉冲持续时间减少。丹江口大坝的修建使下游河道高、低流量脉冲的次数增加，降雨减少增加了低流量脉冲次数，使高流量脉冲的次数从增加状态转为减少。梯级大坝的回水削弱了低流量脉冲次数增加的幅度，而调水又极大地加剧了低流量脉冲次数增加的幅度，并使高流量脉冲的次数从减少状态转为增加。

该水文指标主要影响河道与洪泛区间的营养与有机物的交换，它的减少对洪泛区水生生物栖息地的稳定性造成不利影响。调查显示，梯级大坝修建后在汉江中游丹江口至襄樊江段,由于水流更缓,水生植物尤其是沉水植物如狐尾藻、穿叶眼子菜、竹叶眼子菜等和挺水植物分布面积扩大,生物量增加；调水后汉江下游水生植物分布面积萎缩,群落生物量将减少,生物多样性下降,水生植物分布更趋于单一化和斑块化[30]。

e. 水文条件改变的速率及频率(图3(e))。与基准期相比较，整体上是涨水率和退水率均增加，流量逆转次数增加。丹江口大坝蓄水使下游流量的涨水率和退水率增加，随着降雨减少，梯级大坝回水，以及调水的影响涨水率增加幅度逐渐减小。退水率的增加幅度在不同影响期呈现波动的状态。该结果表明调水削弱了该组水文指标的变化幅度，这会影响汉江流域四大家鱼的繁殖状况，造成其产卵比重显著下降[29]。此外，还对河滨带植被造成干旱胁迫。

2.2 不同影响期水文指标离散系数的偏移度分析

离散系数反映了不同影响期水文指标的年际变化幅度。由图4可知，除了退水率外，其他水文指标的离散系数整体上较基准期呈增加趋势。年极大值，高、低流量脉冲的频率与持续时间的离散系数的偏移度较大。该结果说明气候变化使高流量持续时间的离散系数大幅度增加，年际变化幅度变大；梯级大坝的回水影响使年最大值流量的离散系数增加，年际变化幅度变大；调水使10月的月中值流量和年极大值的离散系数增加，年际变化幅度变大。

2.3 不同影响期水文指标的改变度分析

图4 不同影响期水文指标离散系数的偏移度

图5 不同影响期水文指标的改变度

由图5可知，影响Ⅰ期受丹江口大坝的影响，月中值流量的改变度在8月和9月达到一个较大的峰值；连续30 d、90 d年最小流量以及高流量脉冲的持续时间、流量逆转次数的综合改变度较大。影响Ⅱ期受降雨减少的影响，月中值流量的改变度峰值延后到了10月，连续30 d、90 d年最小流量稍微增加，但年极大流量的改变度大幅增加。影响Ⅲ期，月中值流量改变度最大的月从10月推迟到12月，年极小值的流量改变度大幅增加。该结果说明大坝的修建改变了丰水期的流量，而降雨量的减少，使流量的改变延后到10月，梯级大坝的影响使受影响的流量月份再次延后到12月；年极小值的改变度较大，降雨量的减少和梯级大坝的修建都加剧了对年极小值的影响；高流量脉冲的持续时间和流量的逆转次数改变度也较大，梯级大坝的修建加剧了这种影响。由于影响Ⅳ期的实测资料年数较少，在统计学上其代表性可能不佳，所以不对影响Ⅳ期进行分析。

2.4 不同影响期的其他水文指标的分析

表2的结果显示降雨减少的气候变化和大坝的修建使多年平均流量减少，流量的变异系数减少，流量的可预测性增加，非汛期的长度减少；梯级大坝的回水使多年平均流量增加，非汛期的长度减少；水库调水使多年平均流量减少，变异系数增加，非汛期的长度增加。

3 结 语

通过分析气候变化、梯级大坝、南水北调等水利工程对丹江口大坝下游黄家港站水文与水生态的影响，确定了不同时期水文变化的趋势与可能引起的生态效应。1974年丹江口大坝的修建使下游河道枯水期的流量增加，丰水期和平水期的流量减少；年极小值和基流指数增加，发生时间提前；高、低流量脉冲的频率增加，持续时间减小；流量逆转次数增加。1991年汉江流域从多雨期转入少雨期后，各月份的月中值流量和年极大值流量减少，低流量脉冲次数增加，高流量脉冲次数从增加状态转为减少。2001年丹江口下游梯级大坝的修建，黄家港水文站受到王甫洲大坝回水的影响，月中值流量和年极小值增加，发生时间提前。2013年开始实施南水北调后，月中值流量和年极小值大幅度减少，高/低流量脉冲次数增加，涨水率增加的幅度减小。不同时期不同的影响因素造成的水文情势的波动不利于形成稳定的水生态系统，并且对鱼类的产卵繁殖、底栖生物以及河滨带植被都造成了一定的影响。后期针对各种群的生长特征和保护目标，建议开展生态调度，从而削弱对汉江中下游水生生物的影响。

表2 其他水文指标