基于RVA法研究葛洲坝修建对河流水文情势的影响

曾 娟

（三峡大学科技学院，湖北 宜昌 443002)

0 引言

世界河流之上先后建成约48,000多座大型水坝、约800,000座小型水坝。自然流淌、适合大多数生物栖息的河流越来越少。河流的开发导致了生态的严重退化和生物多样性丧失，随着这些大坝以及配套的引水措施投入使用，世界上2/3河流的水文情势发生了变化。水文情势的改变一方面扰乱了流域内原有生物的生活规律，使一些适应性不强的本地物种数量减少甚至灭绝；另一方面加快了外来物种入侵速度，使环境适应性强的物种数量剧增，流域内生物多样性降低，不利于河流生态系统的健康发展。

河流水文情势的变化会导致河流生态系统的改变，因此研究河流水文情势的影响，有利于保护河流生态系统。每条河流的水文情势是在自然力以及人类扰动双重作用下产生变化的。其中自然力包括全球气候变暖引起的降水量的增加，就全球而言，在20世纪陆地降水增加了约2%[1-3]。这种变化在统计上具有显著性，但在空间和时间上则缺乏一致性[4-5]。而人类扰动包括水利水电工程的修建，大型水利工程通过调度，改变了河流的自然水文情势，破坏了河流的生态环境。本文基于宜昌站的水文数据，在排除自然环境变化对河流水文情势的影响后，分析葛洲坝的修建对河流水文情势的影响。

1 研究思路和方法

1.1 研究思路

自然环境改变会影响河流的径流量，首先研究1882年1月1日-1980年12月31日近100年未受到人类扰动情况下宜昌江段河川径流的变化过程，这样有利于为进一步研究人类活动对河段水文情势产生的影响提供参考。

然后，将1981-2002年作为由于修建葛洲坝而产生的人为扰动时间段，分析修建葛洲坝后长江干流在宜昌段水文情势的改变。

1.2 研究方法

首先采用滑动平均法研究自然环境对河流水文情势的影响，然后在RVA框架下采用IHA软件分析葛洲坝的修建对河流水文情势的影响。

1.2.1 滑动平均法[7]

滑动平均法是趋势拟合技术中最基本的方法，用确定时间序列的平均值来显示变化趋势，利用多点线性滑动平均法滤掉的是年际之间的水文序列的“波动”成分。对序列x1，x2…xn的几个前期值和后期值取平均，求出新的序列，使原序列光滑，这就是滑动平均法。数学表达式为：

当k= 1,2,3时，y′t分别对应3点滑动平均y′3、5点滑动平均y′5、7点滑动平均y′7，然后求其平均值yt，作为第t年的线性趋势序列。若xi具有趋势成分，选择合适的k，yt就能把趋势清晰地显示出来。因此滑动平均法在气象领域得到了大量的应用。

采用线性滑动平均法处理趋势线的优点是：可以通过控制滑动步长的大小来调节趋势线与气象项的比例。

1.2.2 RVA分析法[8]

Richter曾经指出，水资源管理部门应该试图让每年的IHA参数的分布状态和未受扰动前的分布状态尽可能地相一致[9]。RVA分析法同时也可以产生一系列水文变化的因素，这些因素使得33个IHA流量参数变化的等级定量化。RVA分析法主要为了制定初始流量管理目标，以启动适应性流量管理程序，通过此程序，可以实现动态监测水流——生态关系，所指定的生态流目标也更能适应环境的变化。RVA分析的主要步骤见图1。

在一个RVA分析里，首先将改变前每一个参数的所有数据分成三个不同类别。不同类别的边界是根据按百分数等级排列的值（对于无参数统计）或者一些偏离中心的标准差的值（对于参数统计），这些都可以用户自己定义。例如，在RVA无参数分析里定义默认的类别边界为偏离中值17%的值。这将自动产生三个基本相等的区间：最低的类别包括所有等于或小于33%的值；中间的类别包括所有在34%~67%范围内的值；同时最高类别包含所有大于67%的值。

2 实例计算与结果分析

2.1 数据来源及计算时段的选取

宜昌水文站位于长江干流上中游交汇点(湖北省宜昌市滨江公园)，是干流上中游的咽喉所在地，东经111.17°，北纬30.42°，控制流域面积100万km2，占全流域面积的55%，是控制长江上游来水来沙的总控制站。葛洲坝水利工程位于湖北省宜昌市境内的长江三峡出口——南津关下游2.6km处，1970年12月30日破土动工。1974年10月主体工程正式施工。整个工程分为两期，第一期工程于1981年完工，实现了大江截流、蓄水、通航和二江电站第一台机组发电；第二期工程1982年开始，1988年底整个葛洲坝水利枢纽工程建成。1981年春季开始蓄水运行，属于峡谷型水库，采用低水头径流式运行方式。于是，在1981年前宜昌江段还未受到严重扰动，保持自然流淌的水文情势，将1882年1月1日到1980年的水文资料作为建坝前未受人类扰动的水文计算年。而将1981年及之后的年份定义为由于葛洲坝的修建对宜昌江段产生影响的计算年份。

2.2 年平均流量变化趋势

选取1882年1月1日-1980年12月31日近100年的日流量数据，分别计算1882年-1980年每年的日平均流量，然后采用线性趋势顺归法计算出未受人类扰动情况下年径流量变化的趋势，计算结果见图2。拟合的函数为y= -11.16x+ 35870，x为1882-1980年份，y为对应的流量值，相关系数R2= 0.04199。计算结果表明自然状态下长江干流宜昌江段的年径流量总体呈下降趋势。这与叶柏生等专家于2008年发表的《100多年来东亚地区主要河流径流变化》的结果基本相符。文章表明：“长江干流寸滩、宜昌、汉口和大通站1987—2000年的年流量表现为显著的减少趋势”[2]。

图2 1882年-1980年日平均流量变化趋势

2.3 月平均流量变化趋势

为了进一步掌握自然力对长江干流宜昌江段自然水文情势的影响，研究自然水文情势变化趋势，采用线性滑动平均法计算了1882年-1980年近100年期间1-12月份径流量变化趋势。1、2、7、8、11、12月计算结果见图3~8，流量单位为m3/s。

图3 1882年-1980年1月份流量变化趋势

图4 1882年-1980年2月份流量变化趋势

图5 1882年-1980年7月份流量变化趋势

图6 1882年-1980年8月份流量变化趋势

图7 1882年-1980年11月份流量变化趋势

计算结果显示1-12月份月径流量变化幅度比较大，处于几年上升几年下降不断变化中，但总体水平基本上呈下降趋势。综上所述，在未修建大坝之前，长江干流宜昌江段的年径流量呈下降趋势，1-12月份各月的径流量也呈下降趋势。

2.4 各月径流量变化趋势对比分析

为了进一步定量说明自然环境的变化对河流水文情势的影响，选取未受人类扰动前1883-1980年时段前20年（1883-1902）、中间20年（1922-1941）、末20年（1961-1980）三段的水文数据，对比分析各月的流量降低量。计算的结果见表1，表中单位为m3/s。

表1 各时间段流量降低对比结果（单位：m3/s）

从表1 中可以看出，前20 年（1883-1902）到中间20年（1922-1941）年径流总量下降了94930m3/s，相对下降了1.8%。从中间20 年（1922-1941）到末20 年（1961-1980）径流总量下降了107072m3/s，相对下降了2.07%。年总径流量下降幅度加剧，其中1月、2月、3月、6月、7月的平均径流量呈持续下降趋势，降幅比较明显，而剩下月份呈现先下降后上升趋势，降幅不显著。

2.5 葛洲坝的修建对河流水文情势的影响

图8 1882年-1980年12月份流量变化趋势

图9为葛洲坝的蓄水调节前后每月的平均流量图，其中1号线显示了天然月均来流过程，即蓄水前计算的结果。竖线标明的范围表示由河流未受扰动前，天然状况下计算出来的RVA推荐流量范围。2号线表示修建葛洲坝后每月的平均流量图，当2号线处于竖线范围内说明修建葛洲坝后对每月的平均流量改变不明显，反之则说明修建葛洲坝后此月流量已经超过变化的范围，需要水资源管理部门或者大坝运营者进行合理的调整，以使每月的流量中值介于相应的范围内。

从图9中显示的计算结果可以看出1~4月、6月、9月、12月份的径流量均和河流未受人类扰动情况下的径流量持平，而按河流在自然环境下径流的变化趋势表明这些月份的月径流量值应该处于整体下降趋势，因此葛洲坝对这些月份的流量可能有一定的调控作用。不过葛洲坝蓄水以来，每月的径流量值均介于推荐流量范围内，说明葛洲坝的修建产生的人为扰动较少，宜昌江段的水文情势基本接近天然状态，因此葛洲坝的修建对下游的水生动植物影响较小，不会因为葛洲坝的修建造成生态环境的破坏。

图9 葛洲坝蓄水前后每月的流量中值图

3 结束语

河流的水文情势的影响因素有自然环境因素和人类扰动因素，本文旨在排除了自然环境因素影响后分析大坝的修建对河流水文情势的影响大小，结果显示长江流域在宜昌区域由于自然环境的变化，年径流量总体呈下降趋势。通过IHA软件分析得出葛洲坝的修建产生的人为扰动较少，宜昌江段的水文情势基本接近天然状态，因此葛洲坝的修建对下游的水生动植物影响较小，不会因为葛洲坝的修建造成生态环境的破坏。