小浪底水库调度对黄河下游水文情势的影响

尚文绣，靖娟，尚弈

（1.黄河勘测规划设计研究院有限公司，河南郑州 450003；2.华北水利水电大学，河南郑州 450045）

0 引言

水文情势是河流生态系统的结构和功能的关键影响因素［1，2］。河流水文情势是河流各水文要素随时间的变化情况［3］。天然水文情势发挥着塑造栖息地、维持生物生活史模式、阻挡外来物种入侵等作用［4，5］。但是在长期的人类活动干扰下，河流水文情势发生了显著变化，全球河长1 000 km 以上的河流中约2/3 处于非自然流动状态［6］。水文情势对河流生态系统的重要意义已经引起了广泛关注，很多学者开展了水文情势量化分析研究与探索，构建了大量评价指标和量化方法，其中得到最广泛应用的就是水文变化指标（Indicators of Hydrologic Alteration，IHA）及变化范围法（Range of Variability Approach，RVA）。此后很多学者对指标体系、评判标准等进行了发展和完善，形成了种类丰富、适用情况多样的水文情势量化分析方法［7，8］。

水库是开发利用水资源及水能资源、抵御水旱灾害的重要水利工程，截至2014 年全球坝高超过30 m 的大坝已经超过1.5万座（含在建工程）［9］。水库具有拦蓄入库径流和调节出库径流的功能，从而满足防洪、灌溉、发电、航运等需求，同时也导致水库运行后河流水文情势发生显著变化［10-12］。相关研究多对比水库运行前和水库运行后两个时段的水文情势，将两个时段间水文情势的差异视为水库调度对水文情势的影响［13-15］。河流水文情势变化是气候变化、水利工程建设运行、河道外取水、水生态保护等多因素复合作用的结果［16，17］，因此，对比水库运行前后两个时段的水文情势变化不能准确反映水库调度发挥的作用。针对科学量化水库调度对水文情势影响的难题，本文提出了水库调度对河流水文情势影响的量化方法，以黄河小浪底水库为例，评价了小浪底水库调度对黄河下游水文情势的影响。

1 研究方法与数据

1.1 研究区域

以1999年底投入运行的小浪底水库为研究对象，分析水库调度对黄河下游花园口断面和利津断面水文情势的影响（图1）。小浪底水库位于黄河中游最后一个峡谷的末端，是一座大（Ⅰ）型水库，总库容126.5 亿m3，可长期发挥调节作用的有效库容为51.0 亿m3，库容系数小于30%，是不完全年调节水库。小浪底水库承担防治下游水害、兴利供水、调水调沙等任务，对黄河下游径流过程具有重要影响。

图1 研究区域Fig.1 Study area

1.2 IHA-RVA法

IHA法通过33个指标描述水文情势关键特征（表1）［18］。选择人类活动对河流影响较小的近天然时段和水库生效后的评价时段，分别计算两个时段内的指标值，通过偏离度和RVA 法中的水文改变度表征水文情势的变化程度［14，19］。偏离度的计算公式为：

表1 IHA指标Tab.1 Indicators of Hydrologic Alteration

式中：fi是第i个指标的偏离度；i是IHA指标编号，i=1，2，…，33；分别是评价时段和近天然时段第i个指标的多年平均值。

水文改变度的计算公式为：

式中：Di是第i个指标的水文改变度；Ni是评价时段各年的第i个指标值落到目标区间内的年数；Ne是在假设评价时段与近天然时段水文情势相同的情况下，评价时段各年的指标值落到目标区间内的预期年数。参考相关研究［14，19］，将近天然时段各年的第i个指标值的75%分位数与25%分位数分别作为评价时段该指标值目标区间的上限值和下限值，近天然时段共计N1年，那么指标值落在目标区间内的年数为N1/2。评价时段共计N2年，如果水文情势没有发生变化，预期有N2/2 年的指标值落在目标区间内，因此Ne取值为N2/2。当Di≤33%时，代表与近天然时段相比，评价时段内第i个指标无改变或发生低度改变；当34%＜Di≤67%时，代表第i个指标发生中度改变；当Di＞67%时，代表第i个指标发生高度改变。

1.3 水库调度对水文情势影响评价方法

通过情景对比将水库调度单一因素对水文情势的影响从多因素复合影响中分离出来。将情景分析时段设置为小浪底水库生效后的2000-2019 年。设置2 种情景（表2）：情景1 采用断面实测径流过程，反映了水库调度、气候变化、取水等多因素复合作用下黄河下游的水文情势；情景2 对小浪底水库的调蓄作用进行还原，来水、取水等其他条件与情景1 相同，模拟了没有小浪底水库的情况下2000-2019年黄河下游的水文情势。

表2 分离水库调度影响的对比情景设置Tab.2 Comparative scenario setting for separating the influence of reservoir operation

在情景2中，采用以下方法对小浪底水库的调蓄作用进行还原，得到没有小浪底水库的情景下评价断面的日径流过程［20］：

式中：rS，t是情景2 中评价断面第td 的日均流量，m3/s；rI，t-t1是小浪底水库第t-t1d的实测日均入库流量，m3/s；t1是出库水流到达评价断面所需天数，d；rB，t-t2是第t-t2d小浪底水库至评价断面区间的支流日均来水量，m3/s；t2是支流汇入黄河干流后到达评价断面所需天数，d；rW，t-t3是第t-t3d 小浪底水库至评价断面区间的日均取水量，m3/s；t3是水流从取水口流到评价断面所需天数，d；rL是小浪底水库至评价断面区间的日均蒸发渗漏损失量，m3/s。黄河下游水文情势受到龙羊峡、三门峡等多水库调度的影响，本文仅关注小浪底水库的影响，因此在式（3）中仅对小浪底水库的调蓄作用进行还原，其他水库的运用方式与实际情况一致。

小浪底水库对黄河下游水文情势的影响E表示为：

式中：ei是小浪底水库对评价断面第i个IHA 指标的影响；fA，i和fS，i分别是情景1和情景2中评价断面第i个IHA指标的偏离度。

1.4 数据来源

采用黄河下游花园口断面和利津断面的实测日径流数据分析水文情势变化，断面位置见图1，分别反映了下游起点与终点附近的水文情势变化。在大型水库建设前，人类对大江大河水文情势的改变能力较小，可将这一时段作为近天然时段［21］。黄河上最早建成的大型水库是三门峡水库（1960年生效），位于两断面上游。考虑花园口断面和利津断面连续日径流观测的起始时间，将近天然时段分别定为1949-1959 年和1950-1959年；评价时段选为小浪底水库运行后的2000-2019 年。黄河下游各河段的水流传播时间采用流域管理机构提供的实测数据统计结果。

2 结果

2.1 黄河下游实测水文情势变化

与近天然时段相比，2000-2019 年花园口断面33 个IHA 指标的偏离度如图2 所示。在情景1下，除3 月和6 月外，其他月份月均流量降低8%～75%，8-11月降幅尤为显著。最大1、3、7、30、90 d平均流量降低52%～63%，最小1、3、7、30、90 d平均流量降低25%～37%，两个时段均没有零流量事件发生，基流指数增大31.64%。最大1 d 平均流量发生时间平均提前50.94 d，最小1 d 平均流量发生时间平均推迟46.94 d。高流量脉冲发生次数从年均6.45次减少至2.65次，单个脉冲平均持续时间从21.43 d减少至8.08 d；低流量脉冲发生次数从年均8.91 次增加至10.80次，单个脉冲平均持续时间从10.92 d 增加至23.74 d。日流量平均增加速率降低69.27%，日流量平均下降速率降低62.58%，流量逆转次数从年均149.73次增加至172.30次。33个指标中，19个指标高度改变、6个指标中度改变、8个指标低度改变。

图2 两种情景下花园口断面IHA指标偏离度Fig.2 Deviation magnitude of IHA indicators in Huayuankou Section under two scenarios

与近天然时段相比，2000-2019 年利津断面33 个IHA 指标的偏离度如图3所示。在情景1下，12个月的月均流量均降低，6月降幅最小（25.50%），其他月份降幅41%～76%。最大1、3、7、30、90 d平均流量降低56%～65%，最小1、3、7、30、90 d平均流量降低58%～73%，两个时段均没有零流量事件发生，基流指数增大10.67%。最大1 d 平均流量与最小1 d 平均流量的发生时间分别提前了12.55 和1.85 d。高流量脉冲发生次数从年均6.30次减少至2.05次，单个脉冲平均持续时间从23.18 d减少至8.36 d；低流量脉冲发生次数从年均9.5 次减少至6.15次，单个脉冲平均持续时间从10.42 d 增加至73.53 d。日流量平均增加速率降低65.50%，日流量平均下降速率降低61.30%，流量逆转次数从年均139.30次增加至148.80次。33个指标中，22个指标高度改变、5个指标中度改变、6个指标低度改变。

图3 两种情景下利津断面IHA指标偏离度Fig.3 Deviation magnitude of IHA indicators in Lijin Section under two scenarios

2.2 水库调度对水文情势的影响

情景2 代表了无小浪底水库时的水文情势，与实测水文情势（情景1）对比，反映了2000-2019 年小浪底水库对花园口断面和利津断面水文情势的影响。小浪底水库调度对黄河下游多年平均径流量影响较小，情景1 与情景2 下利津断面多年平均径流量仅相差0.07%。小浪底水库对黄河下游水文情势的影响主要体现在显著改变了年内径流过程。

由图2 和表3 可知，对于花园口断面，小浪底水库增加了1月和3-7 月的月均流量，其中6 月增幅最大，降低了其他6 个月的月均流量；小浪底水库减小了最大1 和3 d 平均流量，增大了最大7、30、90 d 平均流量，增大了最小1、3、7、30、90 d 平均流量；保障了花园口断面不断流，如果没有小浪底水库，花园口断面年均断流2.4 d；增大了基流指数；使最大1 d平均流量发生时间年均提前36.75 d，使最小1 d 平均流量发生时间年均推迟38.75 d；使高、低流量脉冲的发生次数年均分别减少了2.50 次和14.95次，使单个高、低流量脉冲的平均持续时间分别增加了4.59 和15.16 d；显著减小了日流量平均增加速率与下降速率，使流量逆转次数年均减少25.00 次。情景2 下花园口断面19 个指标高度改变、10个指标中度改变、4个指标低度改变。

表3 情景1各IHA指标偏离度相对于情景2的变化 %Tab.3 Changes of deviation magnitude of IHA indicators in scenario 1 compared with scenarion 2

由图3 和表3 可知，对于利津断面，小浪底水库对IHA 指标增减趋势的影响与花园口断面基本相同，但影响程度有所变化。例如，小浪底水库对利津断面3-7 月月均流量的增幅明显小于花园口断面；如果没有小浪底水库，利津断面年均断流81.15 d，远高于花园口断面。情景2 下利津断面27 个指标高度改变、4个指标中度改变、2个指标低度改变。

3 讨论

3.1 传统IHA方法存在的问题

如果采用传统IHA 方法，对比水库运行前后两个时段IHA指标值的变化，得出的结论为：小浪底水库调度减小了除3月和6 月外其他10 个月的月均流量，降低了最大和最小1、3、7、30、90 d 平均流量，减小了高流量脉冲的平均持续时间。但情景2与情景1 的IHA 指标偏离度对比结果显示：小浪底水库调度增大了1月和3-7月的月均流量，增大了除最大1、3 d平均流量之外的其他极端流量事件的流量，延长了高流量脉冲的平均持续时间。

两种方法下结果差异的原因在于黄河来水、取用水、工程条件等因素也在随时间变化，而传统的IHA 方法不能排除这些因素的影响。花园口断面1949-1959 年实测年径流量496 亿m3，2000-2019 年实测年径流量降至268 亿m3，降幅高达45.97%。由于小浪底水库不具备多年调节能力，花园口断面水量减少的主要原因是天然径流量的衰减和用水量的增长。20世纪50 年代黄河年均天然径流量610 亿m3，2000-2019 年年均天然径流量降至475 亿m3。20 世纪50 年代黄河年均地表水耗水量不足100 亿m3，2000-2019 年黄河年均地表水耗水量已经超过300 亿m3。此外，20 世纪50 年代黄河干流尚未建成水库，当前黄河干流上中游已建成水库30 余座。来水和取用水的变化及水库群调度都对黄河下游水文情势产生影响，因此通过传统IHA 方法不能反映小浪底水库调度单一因素对水文情势的影响。而本文建立的情景对比法通过对比同一时段内有小浪底水库和没有小浪底水库两种情景下IHA 指标值的差异，将小浪底水库调度的作用从多因素复合作用分离出来，能够科学反映小浪底水库调度对水文情势的影响。

3.2 小浪底水库调度方式与水文情势变化的一致性分析

小浪底水库对水文情势的影响与水库调度任务密切相关。3-5 月是黄河下游引黄灌区用水高峰期，因此小浪底水库增大了3-5月流量；小浪底水库调水调沙集中于6月中下旬至7月上旬，因此这一时段情景1 花园口断面和利津断面月均流量高于情景2，且6 月增幅显著；8-10 月水库防洪并于汛末蓄水，因此下游流量降低；水库在防洪调度中发挥削峰作用，因此小浪底水库导致下游最大1、3 d 平均流量降低；出于防断流和生态保护目标，小浪底水库增大了下游最小1、3、7、30、90 d 平均流量，但是随着天数的增加，流量增幅逐渐减小。

3.3 黄河下游水文情势修复建议

天然水文情势对于河流生态系统具有重要影响，径流的丰枯变化塑造了多样的栖息环境、深刻影响了生物的生活史模式，是土著生物的种类和群落结构的重要决定因素［21］。同时，水是人类社会生存和发展的基本要素，在人口密集的区域，人类活动已经显著改变了河流水文情势。虽然河流生态保护正在得到越来越多的关注，但在人口密集的区域，完全恢复天然水文情势是不可行的，需要探索人水和谐的河流保护模式［23，24］。

黄河流域人口密集、产业发达，人类活动对河流生态系统干扰剧烈。为了维护黄河下游河流健康生命，一方面需要完善水文情势修复的控制指标，统筹河流生态系统保护需求和人类社会发展需求，考虑区域水资源承载能力和径流的丰枯变化，因地制宜设置分区、分时、分层次的水文情势修复目标；另一方面，小浪底水库是不完全年调节水库，对连续枯水年的应对能力不足，需要提升黄河梯级水库群联合调度技术水平，通过优化调度协调多水库、多目标，在连续枯水年通过梯级水库群联合调度增加河流生态水量，增强梯级水库群的生态保护功能。

4 结论

采用IHA-RVA 法评价了小浪底水库运行后水文情势发生的变化，对比2000-2019 年有小浪底水库和无小浪底水库两种情景下的水文情势差异，量化了小浪底水库调度对黄河下游水文情势的影响。得到以下结论。

（1）传统的IHA-RVA 法反映了水文、取用水、工程条件等多因素变化对水文情势的复合影响，无法科学量化水库调度单一因素的作用。本文提出的情景对比法量化了小浪底水库调度单一因素对黄河下游水文情势的影响。

（2）与近天然时段相比，2000-2019年黄河下游花园口断面和利津断面水文情势发生了显著变化。IHA指标以高度变化和中度变化为主，月均流量减小的趋势沿程增大，极端高、低流量事件的平均流量均减小，高流量脉冲发生次数与平均持续时间减小，水文过程线变化的变化率降低，径流过程趋于坦化。

（3）小浪底水库对黄河下游水文情势的影响与水文情势的实际变化情况并不完全一致。2000-2019年小浪底水库增加了下游1 月和3-7 月的月均流量，降低了其他6 个月的月均流量；减小了最大1、3 d 平均流量，增大了极端低流量；保障了黄河下游连续不断流；减少了高、低流量脉冲的年均发生次数，延长了单个高、低流量脉冲的平均持续时间；减小了连续日流量的变化速率和逆转次数；减小了高度和中度改变的指标数量。