1956-2019年乌江水文情势变化及其对鱼类的影响研究

谷红梅， 朱志鹏， 王鸿翔 ，郭文献

(华北水利水电大学， 河南 郑州 450045)

1 研究背景

河流生态水文情势决定着流域内的物质循环以及生境和生物之间的相互作用，并对生态系统健康产生影响[1-2]。随着经济社会的发展和技术的日益成熟，人类活动对流域水文循环过程的干扰程度不断加深，在不同程度上改变了河流的生态水文情势[3-4]。以乌江为例，流域内孕育着多种长江上游特有鱼类，是长江鱼类资源的重要补充[5]。然而，1982-2013年乌江干流上先后修建了11座大型水库，这些大型水利工程的修建在一定程度上引起乌江水文特征发生了改变[6-7]，从而改变了物种的分布和丰富度，对生物群落的组成和多样性造成了严重影响。

近年来，大量学者关注到水文情势改变量及其生态效应的问题，变动范围法(range of variability approach，RVA)能够更好地反映其改变程度，目前该方法在国内外已有较广泛的应用。Guo等[8]、王鸿翔等[9]、郭文献等[10]、段唯鑫等[11]采用RVA/IHA方法，分别评估了水利水电工程对三峡水库中、下游水文情势的影响，均指出三峡工程蓄水期间下游河道流入量减少，水文情势为中等改变，表明人为活动对长江中下游河流水文情势影响显著。随着对RVA法的深入研究，该方法也被应用于湖泊体系中。郭强等[12]基于RVA法分析出鄱阳湖水位近年来下降明显，发生了中度改变；谷桂华等[13]和王鸿翔等[14]通过研究湖泊生态水位指出，RVA法计算的生态水位更接近于天然水位变化规律；Ashraf等[15]运用IHA法评估了寒冷气候下气候变化和河流管制对径流的影响；张康等[16]基于北碚、高场、宜昌水文站1950-2014年的逐日径流数据，采用CRITIC法改进RVA的方法对长江支流的整体水文变异度进行了综合的分析。

乌江流域属于喀斯特地区特殊的水文系统，以地下排水网路为特征，土壤易吸收水量，其水文情势也极易受自然因素的影响，径流对降水减少较为敏感[17]，并呈现显著下降趋势[18]。径流量的降低势必影响流域内水生物的栖息，此外，乌江干流梯级水库建设也阻隔了河流的连通性，隔断了水生物生境，彭水水电站蓄水前后，底栖动物群落结构发生了显著变化，蜉蝣目稚虫对生境的剧烈变动不适应[19]，对白甲鱼的遗传多样性也造成了一定程度的负面影响[20]。综合来看，人类活动及流量减少对乌江的水文情势和生态环境造成了一定的改变。鉴于目前通过RVA法定量评价乌江水文情势及其水量变化下对鱼类响应的相关研究文献较少，因此本研究工作具有一定意义。

本研究基于乌江武隆水文站1956-2019年的逐日流量数据，采用Mann-Kendall趋势检验法、累积距平法对乌江水文情势变化特征进行定量分析，确定突变序列数据。通过生态水文指标变化范围法(IHA-RVA)对乌江水文突变前后水文情势的变化情况进行综合评价，并根据分析结果对所收集到的鱼类进行评价，以期为乌江干流水生态的修复提供科学依据。

2 数据来源与研究方法

2.1 研究区域概况

乌江又名黔江，水系呈羽状分布，流域地势西南高，东北低，地形以高原、丘陵为主，是长江上游南岸最大的支流，发源地至河口105 km，流经黔、渝、鄂、滇四省(市)，于重庆市涪陵区汇入长江，总流域面积为87 920 km2，贵州省境内流域面积为66 849 km2，多年平均径流量为5.32×1011m3/s，主要用于发电,同时兼有防洪、航运等效益[21]。干流全长1 037 km2，以临近毕节市为河流上游，彭水水电站以下为下游[22]。乌江水系及梯级水电站分布如图1所示，武隆水文站位于乌江下游且为流域内最后一个站点。

乌江梯级水电开发在大幅提高贵州省清洁能源比重、推动贵州省经济社会发展的同时，创造了诸多水电开发建设管理经典案例，为我国流域梯级水电开发提供了先进的经验。梯级水电工程的修建，为开发利用水资源提供了重要的基础设施，在抗御旱、涝、洪等自然灾害，工农业及城乡生活供水、发电和改善生态环境等方面发挥了重要作用，产生了巨大的社会和经济效益。然而，梯级水电工程建设通常会产生诸多的生态环境问题，大坝的修建往往会造成上下游河流水文过程发生剧烈变化，改变水流的自然循环，破坏河流以及地下水的连续性，从而干扰和改变河流生态系统的物种构成、栖息地分布以及相应的生态功能。当生境条件的改变超过生物自我调节恢复能力时，物种将面临衰退、濒危和绝迹的威胁，影响生态系统健康。

近年来，水电工程建设引起的河流生态环境问题已经逐渐引起了人们的重视。人们意识到要实现河流生态系统健康可持续发展，必须在开发利用的同时开展河流保护与修复工作。随着“河流健康”、“生态保护”等一些重要理念的提出，维护河流系统健康，实现生态和谐，已经成为今后河流治理的新思路。

2.2 数据来源

武隆站位于乌江下游，该站点记录的数据具有一定的代表性。1956-2019年流量、降雨、泥沙数据来源主要为长江水文统计年鉴及中国气象网(http://data.cma.cn/)，鱼类产卵数据来自长江中游水文水资源勘察局，包括蒙古鲌(Cultermongolicus)、圆筒吻鮈(Rhinogobiocylindricus)、蛇鮈(Saurogobiodabryi)、长鳍吻鮈(Rhinogobioventralis)、中华倒刺鲃(Spinibarbussinensis)、犁头鳅(Lepturichthysfimbriata)、中华金沙鳅(Jinshaiasinensis)、中华沙鳅(Botiasuperciliaris)、翘嘴鲌(Culteralburnus)、吻鮈(Rhinogobiotypus)、铜鱼(Coreiusheterodon)和花斑副沙鳅(Parabotiafasciata)等。乌江水系图中河流、站点等shp文件来自中国科学院资源与环境科学数据中心平台。

2.3 研究方法

Mann-Kendall非参数检验法[23]是一种应用较为广泛的径流突变性检验方法，在置信水平α=0.05上进行检验，Zc>0时，表示数据呈增加趋势；Zc<0时，表示数据为减小趋势。此外，基于原时间序列的逆序列计算相同的统计量，使UB=-UF统计数据不应超出置信度95%的水平区间且两条曲线出现交点，表明在此时间点内发生变异[23-24]。但其检测结果具有较大的人为干扰因素，还需与累积距平法以及实际情况相结合以保证其准确性。具体公式见参考文献[24]～[26]。

为明晰河川复杂的水文情势变化，引用Richter提出的水文变化指标法(indicators of hydrologic alteration，IHA)[27-28]，IHA法是建立在变化范围法(RVA)基础上来分析水文指标变化过程的一种方法。以武隆水文站的逐日流量数据为基础，计算分为5组的32个IHA水文指标，以流量、时间、速率、持续时间和改变率等水文指标来综合评价水文情势的变化。为了定量分析其不同水文指标受干扰的程度，采用以下量化指标公式：

(1)

Ne=r·NT

(2)

式中：Di为第i个IHA指标的水文变化度，%；Noi和Ne分别为水文指标改变后落在RVA目标阈值内的实际和期望年数；r为受干扰前IHA落入RVA目标阈值内的比例；NT为水文指标改变后的总年数。

为了对其改变程度设定一个客观的判断标准，可采用以下公式计算：

(3)

式中：n为水文指标个数，设定Do处于0～33%、33%～67%、67%～100%之间时分别属于低、中、高度改变[29]。

3 结果与分析

3.1 流量变化趋势及突变检验分析

1956-2019年乌江武隆水文站年平均流量变化及突变检验见图2。由图2可见，除了特枯年(1966、1981、2006年等)和特大洪水年(1964、1977、1996年等)波动范围较大外，武隆水文站年均流量整体呈减小趋势，且通过了95%置信度区间检验。结合累积距平法和M-K突变分析检验出的突变年份为2000、2005、2009年，参考乌江梯级水电站构皮滩(2009年投产)、思林(2009年发电)、沙陀(2013年首台机组发电)、彭水(2009年投产使用)、银盘(2011年竣工)的竣工投产时间，选取突变年份为2009年。

图2 1956-2019年乌江武隆水文站年平均流量变化及突变检验

3.2 突变前后日流量变化分析

图3为突变前后乌江武隆水文站多年日流量的变化。由图3可以看出，年内日流量变化趋势呈单峰分布，多年日均流量和日最大流量峰值显著，峰值出现在6-7月， 7月后逐渐减小。突变前、后年内日最小流量变化范围分别为59～978、76～2 080 m3/s，日最大流量变化范围分别为737～20 400、713～15 400 m3/s。可见多年日最大流量比多年日最小流量变化趋势更为明显。

图3 突变前后乌江武隆水文站多年日流量的变化

3.3 突变前后水文情势变化分析

根据图2的突变性分析结果，将1956-2008年逐日流量观测数据作为天然流量序列，2009-2019年数据作为流量改变序列，运用IHA-RVA法计算突变前后乌江武隆水文站的水文变化情势与改变度，计算结果如表1所示。

表1 流量突变前后乌江武隆水文站水文情势指标变化

3.3.1 月均流量变化 图4为流量突变前后乌江武隆水文站各月月均流量及其变化量。由图4可以看出，流量突变后，武隆水文站1、2、3、4、5以及12月份的月均流量均有不同程度的增大，其中1月份增大幅度较为明显，改变度达到47.91%，为中度改变。6-11月份的月均流量有不同程度的减少，其变化最为显著的是7月份，改变度达到40.45%。这一结果可能是乌江各水电站蓄丰补枯的运行方式所致，乌江梯级水电站在运行时，汛前需预留防洪库容而在汛末开始蓄水，蓄水期(乌江梯级水电站一般8-10月之间开始蓄水)不可避免地会减少下泄流量，至枯水期(12-次年3月)水库泄水运行向下游河道补水。该运行方式造成突变后月均流量的增减变化。

图4 突变前后乌江武隆水文站各月月均流量及其变化量

3.3.2 年极值流量变化 图5为1956-2019年乌江武隆水文站年最小30 d流量及年最大3 d流量变化趋势。结合图5和表1可知，年极值最小流量在2009年突变后均有所增加，以年最小30 d流量变化最为明显，突变后流量值的下限高于突变前流量值的上限，其改变度达46.46%，为中度改变。年极值最大流量在2009年突变后均有所减小，以年最大3 d流量变化最为显著，突变后流量值的上限低于突变前流量值的下限，其改变度达60.93%，属于中度改变。

图5 1956-2019年乌江武隆水文站年最小30 d流量及年最大3 d流量的变化

3.3.3 年均最大、小值流量出现时间 由表1可以看出，武隆水文站年均最大、最小流量出现时间改变度均低于33%，年均最小值出现时间改变度为20.48%，年均最大值出现时间改变度为29.85%，均属于轻度改变。表明乌江水利工程的建设使得年均最小、最大流量出现时间仍处在一个稳定的范围内。

3.3.4 高、低流量历时及发生时间 高流量可以促进水植物的快速生长，该流量出现时间多数处于夏季阶段，是生物需水量的旺季，低流量可以维持物种的生存环境，多处于冬季。从表1中看出，突变前后，高流量发生次数由15.36次减少为8.77次，改变度为37.83%，历时从4.76 d减少为4.66 d，改变度为29.49%，处于低度改变。低流量发生次数由5.27次增加为12.75次，改变度为74.64%，历时从3.28 d增加为7.28 d，改变度为75.29%，处于高度改变。

图6为1956-2019年乌江武隆水文站年高流量及低流量发生时间的变化。分析图6可知，高流量发生时间多数在年积日90～180 d(4-6月)之间波动，突变前后，高流量平均发生时间分别为125、129 d；低流量发生时间多数在年积日270～360 d(10-12月)之间波动，突变前后，低流量平均发生时间分别为332、311 d。表明突变后高流量平均发生时间推后了4 d，低流量平均发生时间提前了21 d。

图6 1956-2019年乌江武隆水文站年高流量及低流量发生时间的变化

3.3.5 整体水文改变度 基于IHA-RVA法对乌江下游水文情势突变前后结果进行分析，将乌江武隆水文站突变前后的32个水文指标进行对比，结果如图7所示。由图7可以看出，约1/3水文指标的改变度在33%～67%范围内，该范围内以10月份流量中值的改变度最小，仅为33.8%，以年均最大3 d流量的改变度最大，为60.93%。此外，改变度小于33%的水文指标中以5月份流量中值的改变度最小，仅为5.42%，接近33%的水文指标为9月份流量中值，改变度为31.9%。超出水文改变度阈值67%的水文指标仅有3个，其中，低流量发生次数和低流量历时的改变度分别为74.64%和75.29%，逆转次数的改变度达到100%。在32个水文指标中，中度改变指标为11个，占水文总指标的34%，低度改变指标为18个，占水文总指标的56%，高度改变指标为3个，占水文总指标的10%。

图7 突变后乌江武隆水文站32个水文指标的改变度

由公式(3)计算出乌江武隆水文站各个分组的水文指标改变度和整体水文指标改变度，计算结果见表2。从表2可见，武隆水文站第1组、第2组和第3组指标为低度改变，第4组和第5组指标为中度改变，其中相对接近高度改变的第4组水文指标的改变度为54.32%；32个水文指标的整体改变度为38.70%，属于中度改变，说明乌江干流和主要支流上高坝水电站的建造使其水文情势发生了一定程度的改变。

表2 乌江武隆水文站各组水文指标及整体水文指标的改变度

3.4 水文情势变化对鱼类的影响

收集了突变前后的2009、2011、2013、2014、2015年乌江彭水至白马段12种漂流性卵鱼类的总产卵数量，如图8所示。图8显示，2009年后漂流性卵鱼类的产卵规模显著下降，其中2013年的鱼类总产卵数量最少，仅占2009年总产卵数量的5.42%， 2014年之后，鱼类产卵规模略有恢复，维持在3 000×104粒左右。

图8 突变前后乌江彭水至白马段12种鱼类部分年份的总产卵数量

4 讨 论

4.1 乌江流量减小及其水文情势变化的原因

本文的研究结果表明，乌江的年平均流量呈逐渐减小的变化趋势，水文情势也发生了改变，其原因主要从以下两个方面进行分析：

(1)乌江流域气候的变化引起降雨量在时空上的异质性及数量上的改变，从而对河流流量产生了影响。图9为乌江武隆水文站降雨量-流量关系及多年降雨量变化趋势(1965-2017年)。如图9(a)所示，武隆水文站流量与降雨量呈极强正相关，降雨量的变化直接影响着流量的变化。而图9(b)显示，1965-2017年年降雨量整体呈减少趋势，多年平均降雨量从2009年水文情势突变之前的11.46 mm减少至突变后的10.60 mm，同时研究区域工农业生产等取水量并未发生显著变化[15]。因此，乌江流域降雨量的减少是导致其流量呈逐年减小趋势的直接原因。此外，乌江流域多为喀斯特地貌单元，具有地表-地下双层结构的特点，区域内土壤渗透性强[17]，易造成地表流量的减少。

图9 乌江武隆水文站降雨量-流量关系及多年降雨量变化趋势

(2)乌江水利水电工程的梯级开发造成了原水文情势的改变。从1982年至2013年，在乌江干流及其主要支流上已建成11座水电站，位于武隆水文站附近的彭水水电站于2009年建成开始蓄水，彭水水电站为乌江干流最大的峰系统日调节水电工程，其运行势必改变其原有的水文情势，使该电站上下游流量产生差异。

4.2 乌江鱼类减少的原因

乌江流量的减少与水文情势的改变造成鱼类资源相应减少。2009年彭水水电站开始运行，在一定程度上改变了水文情势，而鱼类生存环境受到剧烈扰动的影响是一个逐渐趋于累积的过程，至2011年，漂流性鱼类产卵量开始大幅减少，2014年后鱼类自身对生境的剧烈变动已产生一定的适应，使鱼类产卵数量有所增加。

由于梯级水库之间的顶托作用，易导致原河流由河相转为湖相，库内水流与自然河道相比流速减缓，但诸如白甲鱼、圆口铜鱼等一些适应急流生境的鱼类以及长鳍吻鮈、圆筒吻鮈、中华金沙鳅等漂流性鱼类[30]，均需在一定的水流流速条件下进行产卵，河道水流流速的减缓会影响这些鱼类的正常产卵。另外，水利工程的建设也阻碍了河流中鱼类的迁移通道[31]。总之，乌江水文情势的变化改变了鱼类的原有生态是造成鱼类减少的主要原因。

5 结 论

本研究基于乌江武隆水文站1956-2019年逐日流量数据实测资料，采用生态水文指标变化范围法(IHA-RVA)及水文改变度法对乌江流域水文情势的变化进行分析评价，并初步分析了流域水文情势改变对鱼类的影响。得出的主要结论如下：

(1)乌江流域水文情势突变年份为2009年，与彭水水电站投产运行的时间相同，突变前的乌江年际流量已呈不显著的下降趋势。突变前、后年内日最小流量变化范围分别为59～978、76～2 080 m3/s，日最大流量变化范围分别为737～20 400、713～15 400 m3/s，突变前后乌江流量减少趋势显著。

(2)突变后乌江武隆水文站32个水文指标的整体改变度为38.70%，属于中度改变。其中高度改变的指标有低流量发生次数、低流量历时和逆转次数，改变度分别达到74.64%、75.29%和100%。低流量平均发生时间提前了21 d，高流量平均发生时间推后了4 d。

(3)乌江流量减小及水文情势改变的主要原因是流域年降雨量的减少及梯级水电站的开发修建。水文情势突变后的流域水文特征对鱼类的影响是一个累积的过程，2009年之后12种漂流性卵鱼类的产卵总量大幅减少，尤以2011年最为突出，仅为1 541.69×104粒。2014年之后，鱼类产卵规模略有恢复，维持在3 000×104粒左右。