变化环境下长江上游珍稀特有鱼类国家级自然保护区干流水沙过程演变分析

吴华莉，金中武，周银军，李志晶

(1.长江科学院 河流研究所，武汉 430010;2. 长江科学院 水利部长江中下游河湖治理与防洪重点实验室，武汉 430010)

1 研究背景

长江上游自源头至湖北宜昌，干流全长约4 540 km，沿程汇入的主要支流依次有横江、岷江、沱江、嘉陵江及乌江等。此外，长江上游珍稀特有鱼类国家级自然保护区也位于该河段范围内。长江上游有着丰富的水能资源，在我国水电开发中占有非常重要的地位。近年来，随着金沙江下游梯级水电站的建设及沿江城市经济社会发展对岸线的开发利用，长江上游的河道经历着日新月异的变化。河流的开发利用在给社会提供水源和能源的同时，也给河流生态环境带来了诸多影响。众多水利学者及生物学家分别从不同的角度利用不同时间长度系列的实测资料，研究了溪洛渡水电站和向家坝水电站建设和运行初期对坝下游河道的影响。

长江上游大中型水库的相继建成，将对上游流域的水文、泥沙产生一定的影响[1]。水坝的建设会改变河流自然状态下水文过程、水质状况等[2]，而自然水文过程对维护河流生态系统生境完整性至关重要[3]。自然水文过程的改变，在影响河流水沙运动及地形地貌的基础上，进而会对鱼类繁殖所需的水流条件[4]及栖息地生境产生影响[5]。陈大庆等[6]认为溪洛渡、向家坝水电站运行后将给长江上游河道演变、水文情势等带来一系列变化，对保护区生态环境产生严重影响。赵伟华等[7]认为大坝蓄水将明显改变坝下水文情势的自然节律，显著改变坝下生态环境，向家坝水库蓄水运用对坝下河段水文过程有一定程度的影响，特别是脉冲流量及其持续时间等。基于朱沱站1971—2011年实测数据，赵利等[8]认为长江上游保护区的生态水文过程未发生显著变化，保护区干流水文受到的影响还不会对保护区内生态系统健康产生显著影响，同时指出金沙江下游梯级水电站建成后，其调度运行将会对保护区生态水文过程产生显著影响。

长江上游珍稀特有鱼类国家级自然保护区(以下简称“保护区”)是我国唯一的以鱼类为保护对象的跨多省市的国家级自然保护区，保护区主要保护对象为白鲟、达氏鲟、胭脂鱼等国家及地方重点保护的珍稀濒危水生动物和其他长江上游特有鱼类。保护区内河道宽窄相间、蜿蜒曲折，多边滩和江心洲，水流急缓不一，独特的河流地形地貌和水文水动力环境形成了适宜多样的生境，在长江上游水域生态系统中具有代表性和典型性，是保存长江上游水生生物多样性不可或缺的栖息繁殖地[9]。从已有相关成果可以看出，生物学家认为梯级水电站建设对坝下河道生态环境会产生严重影响，水利学家认为梯级水库建成调度运行后会对坝下游水文过程产生一定影响。换言之，不管是梯级水库建设，还是建成后的调度运行，对坝下游水沙过程都会有一定程度的影响。2012年，向家坝水电站首批机组发电；2013年，溪洛渡水电站首批机组发电；2018年，白鹤滩水电站首批机组发电；乌东德水电站首批机组也于2020年6月并网发电。长江上游是我国重要的水电开发基地，对我国国民经济具有重要的贡献。因此，在梯级水电站建设已成事实的背景下，需要研究不同阶段即不同的环境条件下，保护区河段水沙的演变特点，才能在此基础上结合生物需求评价梯级水电站建设对保护区鱼类生境的影响。然而，目前已有研究多集中在生态环境方面，对水沙演变的研究时间序列较短[1，10]，缺乏系统性，此外，已有研究多集中在定性描述上，定量分析较少。金沙江下游梯级水电自运行至今已接近10 a，实测资料序列已有一定长度，有必要在已有研究的基础上，利用近期实测最新水沙资料，系统分析保护区水沙过程时空演变特点，以期从保护河流生境的角度为水库生态调度提供科学依据。

2 资料与方法

2.1 研究区域

保护区位于四川东部盆地和云贵高原之间(见图1)，地形条件较为复杂。具体范围包括：长江干流金沙江向家坝水电站轴线下1.80 km至重庆马桑溪长江大桥段，长387.06 km；赤水河云南省境内干支流和贵州省、四川省境内干流，长628.23 km；岷江下游及其支流越溪河河口，长90.10 km；长江支流南广河、长宁河、永宁河、沱江、长宁河的河口区。本文研究区域仅包括保护区干流河段，干流河段紧邻金沙江下游梯级水库和三峡水库回水末端(见图2)，向家坝水文站和朱沱水文站分别是保护区干流入流和出流的控制水文站。

图1 长江上游珍稀特有鱼类国家级自然保护区地形[1]

图2 保护区河段地理位置示意图

研究区域受金沙江流域下游四级梯级水库建设影响明显，其中，乌东德水库计划于2020年7月下闸蓄水，白鹤滩水库计划于2021年下闸蓄水，溪洛渡和向家坝工程已分别于2013年、2012年蓄水发电。此外，区域内其他人类活动，如沿江涉水设施建设、采砂活动等，也给研究区域环境条件带来了不可忽略的影响。

2.2 数据来源与方法

保护区河段进出口控制站相对位置见图2，基本信息及资料情况见表1。本文所采用的向家坝水文站(屏山水文站)和朱沱水文站资料来源于长江水利委员会上游水文水资源勘测局和中国三峡建设管理有限公司，均为实测数据。

表1 保护区河段控制站信息及资料情况统计

水文序列是在一定自然和气候条件下形成的随机变化过程。在气候条件和下垫面条件相对稳定时，水文序列具有良好的一致性；当气候条件急剧变化或人类活动发生显著变化时，水文序列会产生趋势、跳跃、突变等形式的非周期成分，导致序列的一致性遭到破坏，其统计特性也会随之发生变化[11-12]。目前，常用的分析水文序列的方法有Mann-Kendall(M-K)检验法、有序聚类分析法、双累积曲线法、累积距平法等[13]。相关研究表明，M-K检验法更广泛地应用于气象等领域[14]，累积距平法受水文序列时间的长短影响明显[15]，有序聚类分析法更倾向于纯粹的水文数据数理统计[15]，双累积曲线法能较准确地获取水沙序列的突变点[16]。因此，本文拟采用双累积曲线法对研究区域径流序列和输沙序列进行突变检验和趋势分析。

双累积曲线法是进行时间序列分析的一种常用方法，它的基本原理是2个变量按同一时间长度逐步累加，一个变量作为横坐标，另一个变量作为纵坐标，以此来描述二者的趋势性变化。若将累积径流量作为横坐标，累积输沙量作为纵坐标，点绘累积径流量和累积输沙量的关系图，在正常情况下，累积输沙量虽有波动，但不会有系统偏离，二者的关系应为一直线；若该直线在某一时间发生偏转，即斜率发生变化，则表明降雨以外的因素(通常是人类活动)对年输沙量产生了影响[16]。斜率发生变化点对应的时间点就为突变点。

基于双累积曲线判断保护区河段水沙受人类活动影响的突变时间。本文将通过日均流量、日最小流量及日最大流量的变化分析，确定研究区域水文过程是否受到干扰，以评估水利工程建设对河流水文情势的影响。

3 水沙数据分析

3.1 水沙年际变化特征

为揭示研究区域水沙总体变化趋势，点绘出区域内控制性水文站向家坝站和朱沱站1956—2018年间年径流量和年输沙量变化(见图3)。从统计数据及变化图总体来看，近60 a间，向家坝站和朱沱站年径流量基本维持在多年平均值附近上下波动，向家坝站径流量多年平均值为1 423亿m3，朱沱站径流量多年平均值为2 633亿m3；向家坝站和朱沱站年输沙量则呈现明显减少的趋势，尤其2011年以后，年输沙量低于多年平均值，两站输沙量多年平均值分别为2.09亿t和2.61亿t，向家坝站输沙量减少的程度大于朱沱站。

图3 向家坝站和朱沱站径流量和输沙量年际变化

从上述分析结果来看，在近60 a间研究区域径流量没有明显的突变时间点，输沙量则存在明显的突变时间点。下文将采用数理统计方法找出输沙量突变的时间点。

3.2 水沙特征突变及趋势分析

图4给出了向家坝站和朱沱站径流量和输沙量双累积曲线变化。从图4可以直观地看出，两站点年径流量和年输沙量累积值具有高度的线性相关性，线性回归方程拟合系数R2>0.988。然而，从实测数据与线性趋势线对应关系来看，向家坝站和朱沱站在1998年和2012年以后2个时间点实测值和趋势值相差最大，可推断这2个时间点径流量和输沙量相关性发生了突变。据此，以这2个时间点为界限，将向家坝站和朱沱站数据分为3个阶段，绘制了年径流量和输沙量双累积曲线(见图4(b))，统计了3个时间段径流量和输沙量相关参数，见表2。

图4 径流量-输沙量双累积曲线

表2 向家坝站和朱沱站年径流量和年输沙量相关参数统计

从图4、表2可以看出：2012年以前，向家坝站和朱沱站年径流量和年输沙量累积值呈现高度线性相关，线性回归方程R2>0.995，2012年以后，两站点年径流量和年输沙量亦呈现较高的线性相关，但线性回归方程R2明显减小；以1998年和2012年为界，趋势线斜率发生转折且逐渐减小，斜率变化幅度2012年节点远大于1998年节点。

根据双累积曲线原理，结合上述分析内容可知：在1998年和2012年时间节点前后，向家坝站和朱沱站上游除受降雨影响外，其他因素对年输沙量也产生了影响，且2012年影响程度大于1998年；2012年以后，其他因素对朱沱站年输沙量的影响程度小于对向家坝站的影响程度；近20 a间，向家坝站和朱沱站年输沙量迅速减小，尤其2012年以后。有关研究表明，对流域水沙影响最大的因素是降雨和人类活动[17]。因此，在1998年和2012年对向家坝站和朱沱站输沙量产生影响的因素为人类活动。根据文献[18]可知，1998年金沙江支流雅砻江流域二滩水电站蓄水运用，2012年以后金沙江流域向家坝、龙开口、鲁地拉、溪洛渡、梨园等水电站蓄水运用。由此可推断，影响向家坝站和朱沱站年输沙量的人为因素为其上游水电站的建设及运行。

3.3 生态水文变化分析

IHA(Indicators of Hydrologic Alteration)方法是目前常用的评估生态水文变化过程的方法，包括月流量、极限流量、高流量、低流量、涨水落水率持续时间等32个指标，归纳起来为流量、频率、出现时间、持续时间和变化率这具有生态意义的五大类[19]。IHA方法中的生态水文指标在一定程度上存在冗余，在实际研究中应结合具体河流选取对生态系统影响较大的指标进行分析。长江上游珍稀特有鱼类国家级自然保护区中产漂流性卵的鱼类占有较高比例，流量、含沙量及水温等生态水文条件变化会直接影响其产卵数量和质量，而流量过程中的涨落过程及持续时间对鱼类产卵行为影响最大[20]。基于上述研究，本文拟重点选取流量指标，定量分析梯级水库建设运行的不同时段保护区内生态水文变化特点。

以前文水文系列突变点为分界点，依据研究区域水文站点实测逐日流量过程资料，绘制了向家坝站和朱沱站建站—1997年(自然状态)、1999—2011年(金沙江下游梯级水库蓄水前)、2013—2018年(金沙江下游梯级水库蓄水后)3个阶段月均流量对比图(图5)。

图5 向家坝站和朱沱站月均流量变化

蓄水前，向家坝站除10月份外，其他月份月均流量较自然状态均有不同程度的增加，其中增幅最大的时间段集中在7—9月份；朱沱站，1—6月份月均流量较自然状态下均有不同程度的增加，变幅较小，7—12月份月均流量较自然状态下均有不同程度的减小，变幅最大的时间段集中在7、8、10月份。

蓄水后，向家坝站和朱沱站，1—4月份，月均流量较自然状态下均有不同程度增加，向家坝站的变幅大于朱沱站；6—12月份，月均流量较自然状态下均有不同程度的减小，变幅较大的时间集中在6、8、10月份。

从上述分析可以看出，随着金沙江下游梯级水库蓄水运用，研究区域流量过程发生了明显的变化，初步可判断研究区域内鱼类产卵环境发生了变化。选取研究区域典型的珍稀、特有鱼类胭脂鱼及达氏鲟的产卵期3—7月份及11—12月份，进一步分析流量变化对研究区域鱼类产卵场环境的影响。表3和表4为研究区域不同阶段鱼类产卵期流量过程变化。对表3和表4作如下分析。

表3 向家坝站流量过程变化

表4 朱沱站流量过程变化

(1)向家坝站：金沙江下游梯级水库蓄水前(1999—2011年)和自然状态(建站—1997年)相比，3—7月份、11—12月份日均流量均有不同幅度的增加，其中3、4月份日均流量增幅较大，分别达34.3%、21.2%，日最小流量和日最大流量基本不变；日最小流量出现时间均集中在3月中旬，日最大流量出现时间均集中在8月中旬；金沙江下游梯级水库蓄水后(2013—2018年)和自然状态(建站—1997年)相比，3—5月份日均流量均有不同幅度的增加，与蓄水前类似，3、4月份日均流量增幅较大，分别达58.5%、69.5%，日均流量在蓄水前基础上进一步增大，6—7月份及11—12月份，日均流量与蓄水前变化相反，与蓄水前及自然状态相比均有所减小，减小幅度以6—7月份最为明显；日最小流量显著增大，出现时间显著变化，日最大流量显著减小，出现时间基本不变。

(2)朱沱站：3—4月份和6月份，日均流量变化规律与向家坝站保持一致，3—4月份随着金沙江下游梯级水库蓄水运用，日均流量逐渐增大，6月份日均流量先增后减；5月份，日均流量变化规律与向家坝站相反，日均流量逐渐减小；7月份和12月份，金沙江下游梯级水库蓄水后，日均流量变化规律与向家坝站保持一致，日均流量较自然状态下同程度减小；日最小流量随着金沙江下游梯级水库蓄水先减后增，出现时间明显改变；日最大流量则先增后减，出现时间有所改变。

从上述分析可以看出， 随着金沙江下游梯级水库的建设及蓄水运用， 研究区域在鱼类产卵期内流量均值及峰值与自然状态下相比发生明显改变， 且蓄水运用后多数月份流量变化幅度明显大于水库建设过程， 显而易见， 金沙江下游梯级水库建设对保护区生态水文指标的影响是一个长期且累积的效应。

4 结 论

(1)通过长时间序列水沙资料变化趋势分析，近60 a间，向家坝站和朱沱站年径流量基本维持在多年平均值附近上下波动，年输沙量则呈现明显减少的趋势，尤其1998年以后，年输沙量远低于多年平均值，向家坝站输沙量减少的程度大于朱沱站；研究区域径流量没有明显的突变时间点，输沙量则存在明显的突变时间点。

(2)径流量和输沙量双累积曲线相关性分析表明：1998年和2012年是输沙量发生突变的时间点；在1998年和2012年时间节点前后，向家坝站和朱沱站上游除受降雨影响外，其他因素对年输沙量产生了影响，且2012年影响程度大于1998年；2012年以后，其他因素对朱沱站年输沙量的影响程度小于对向家坝站的影响程度；近20 a间，向家坝站和朱沱站年输沙量迅速减小，尤其2012年以后；影响向家坝站和朱沱站年输沙量的人为因素为其上游水电站的建设及运行。

(3)输沙量时间突变点前后月均流量过程分析表明：金沙江梯级水库蓄水前，向家坝站除10月份外，其他月份月均流量较自然状态均有不同程度的增加，其中增幅最大的时间段集中在7—9月份；朱沱站，1—6月份月均流量较自然状态下均有不同程度的增加，7—12月份月均流量较自然状态下均有不同程度的减小，变幅最大的时间段集中在7、8、10月份；蓄水后，向家坝站和朱沱站，1—4月份，月均流量较自然状态下均有不同程度增加，向家坝站的变幅大于朱沱站；6—12月份，月均流量较自然状态下均有不同程度的减小，变幅较大的时间集中在6月份、8—10月份。

(4)保护区鱼类产卵期日均流量过程分析表明：金沙江梯级水库蓄水运用前后与自然状态相比，产卵期日均流量或增或减，均出现了不同程度的变化，日均流量、流量峰谷值及相应出现时间均发生明显变化；以保护区进口控制站向家坝站为例，在金沙江下游梯级水库蓄水后，3—5月份日均流量较自然状态下均有不同幅度的增加，3、4月份日均流量增幅较大，分别达58.5%、69.5%；日最小流量显著增大，出现时间显著变化，日最大流量显著减小，出现时间基本不变。