水利工程對漢江中下游水文生態的影響

胡安焱,張自英,王菊翠

(1.長安大學環境科學與工程學院,陜西 西安 710054;2.武漢大學水資源與水電工程科學國家重點實驗室,湖北 武漢430072)

水利工程對漢江中下游水文生態的影響

胡安焱1,2,張自英1,王菊翠1

(1.長安大學環境科學與工程學院,陜西 西安 710054;2.武漢大學水資源與水電工程科學國家重點實驗室,湖北 武漢430072)

主要采用1980年以前的數據資料,分析丹江口水庫建成后對漢江中下游徑流量、泥沙、水溫、水質、魚類等的影響。結果表明:水庫運行使漢江中下游水量減少,流量過程均化;防洪能力提高;泥沙大量減少;汛期水溫降低;魚類資源減少;水質沒有明顯的變化。漢江中下游水質惡化和發生水華的主要原因是污染增加。南水北調中線工程建成運行后,漢江中下游江段流量將比現狀大幅度減少,流速變緩,對水污染的稀釋自凈能力降低,生態環境可供水量不足,使水文生態朝著不利的方向發展。

水利工程;漢江;丹江口水庫;水文生態

水文生態把水在生態系統中的存在、分布與循環運動作為主體,來研究它在生態系統中的作用與功能,研究水與生態系統中生命要素和其他環境要素之間的相互作用、相互依存、相互聯系的關系。漢江中下游人口密集、經濟發達。武漢市和十堰汽車工業走廊沿江分布,配套形成了汽車、電子、化工、紡織等產業基地[1]。南水北調中線工程一期工程年均調水95億m3,后期調水120億～140億m3,后期調水占丹江口水庫多年平均入庫徑流量的1/3[2]。研究丹江口水庫建設和加高對漢江流域中下游水文生態的影響,對于合理配置水資源、滿足受水區和調水區的需水,盡量減少水利工程對中下游社會經濟發展和生態環境的影響具有現實意義。

1 丹江口水庫概況

丹江口水利樞紐的建設地點在湖北省均縣,控制流域面積95217km2,多年平均流量1230m3/s,設計洪水流量64900m3/s,設計灌溉面積23.3萬hm2,裝機容量90.0萬kW。主壩壩型為混凝土寬縫重力壩,最大壩高97.0m,壩頂長度2 461 m(混凝土壩1141m),壩基巖石為閃長巖,主要泄洪方式為壩頂溢流。工程由攔河大壩、水力發電廠、升船機及湖北、河南兩座灌溉引水渠等4個部分組成。工程于1958年9月1日破土動工,1968年10月1日第1臺機組發電,1973年竣工。這是一座具有防洪、發電、灌溉、航運、養殖等綜合效益的大型水利工程。水庫正常蓄水位157m,正常蓄水庫容174.5億m3。電廠裝機總容量90萬kW。單機6臺,年均發電量38萬kW?h,湖北清泉溝灌渠和河南陶岔灌渠,年灌溉引水總量共15億m3。

2 丹江口水庫初期工程的影響

2.1 對徑流量的影響

丹江口水庫建成前后對徑流量的影響見表1。表1中的統計數據均選自20世紀80年代以前受人類活動影響較小的年份,下文的數據分析資料也主要選在20世紀80年代以前。從表1中可以看出,丹江口水庫建成后,入庫的年水量、汛期(5～10月)水量和非汛期(11至次年4月)水量減少,汛期水量占76%、非汛期水量占24%的比例不變。出庫的年水量和汛期水量減少,但非汛期水量增加,汛期水量所占比例由77%減少至64%,非汛期水量由23%增加至36%。水庫建成后,在入庫和出庫水量均減少時,非汛期水量增加,表明水庫的調節作用使非汛期水量和所占比例增加。

表1 丹江口水庫對徑流量的影響

丹江口水庫建成后,受出庫水量變化的影響,漢江碾盤山站非汛期徑流明顯增加,由建庫前的117億m3,增加到建庫后的148億m3;汛期徑流明顯減少,由建庫前416億m3減少到建庫后341億m3。非汛期徑流占年內百分比由建庫前的21.9%增加到建庫后的30.0%,汛期徑流百分比由78.1%下降到建庫后的70%[3]。

2.2 對防洪的影響

漢江中下游洪水主要來自丹江口上游,漢江中下游河道受堤防約束,愈向下游愈狹窄,泄洪能力上大下小,泄洪矛盾十分突出。歷史上,漢江中下游洪災頻繁且嚴重,下游呈三年兩潰的局面。1956年興建杜家臺分洪工程后,下游防洪標準提高到5年一遇。丹江口水利樞紐建成以后,初步形成了以丹江口水庫蓄洪為主,兩岸干堤、杜家臺分洪工程及中下游臨時分蓄洪民垸為輔的防洪體系。丹江口水庫建成前后對洪水的影響見表2。水庫建成前入庫和出庫最大洪峰流量相差不大;建成后入庫和出庫最大洪峰流量相差較大。水庫建成后入庫洪峰流量多年平均增加3%,出庫則減少42%。可以看出水庫使下游最大洪峰流量大幅減少。但目前防洪標準仍不夠高,能防20年一遇的洪水,當遇超過20年一遇的洪水,就需新城以上民垸分洪蓄水;遇100年一遇的洪水時,中游14個民垸幾乎需要全部用于分洪,才能保證中游河道流量不超過允許安全泄量。中游14個民垸現共有5.87萬hm2耕地,人口83萬,固定資產65億元,其中有鐘祥、宜城兩座縣以上中等城市,由于分蓄洪區建設滯后,安全轉移極困難,運用民垸分洪損失很大,并且很難做到適時適量分洪[4]。

表2 丹江口水庫對洪水的影響

2.3 對泥沙的影響

表3 丹江口水庫對泥沙的影響

丹江口水庫建成運用前后,漢江中下游的輸沙過程、泥沙來源、水流含沙量及粒徑組成等有較大的差異。表3為丹江口水庫對泥沙的影響情況分析。丹江口水庫建成后,年入庫沙量、汛期和非汛期量分別減少33%、32%、43%;主要是由于泥沙輸移比偏小和上游干支流水庫層層攔截,使進入丹江口水庫的泥沙量減小。但丹江口水庫蓄水后,攔沙率達98%,遠遠大于入庫沙量的減少比例,表明水庫對漢江出庫沙量有重要的攔蓄作用。而水庫下游黃家港、襄陽、皇莊、沙洋和仙桃站的多年平均含沙量分別為 0.03kg/m3、0.19kg/m3、0.56kg/m3、0.60kg/m3和0.75kg/m3,分別占建庫前的 0.96%、7.1%、22.6%、29.3%和39.5%。由于長期下泄清水,下游河道發生同流量時水位下降,水深增加。壩下游河道由堆積性轉變為侵蝕性,沖槽淤灘,洲灘兼并,支汊淤塞、主汊發育以及切灘撇彎。建庫前,來沙集中程度很大,年內分配極不均勻,主汛期7～9月的來沙量占全年來沙量的80%以上。水庫蓄水運用后,沙峰削減程度很大,在輸沙率大大減少的同時,輸沙過程也變得較為均勻。

由于丹江口水庫的攔蓄淤積,漢江中下游的泥沙來源發生了變化。建庫前,漢江中下游的泥沙主要來自丹江口以上及中下游區間匯流;建庫后,漢江中下游河床發生嚴重沖刷,中下游的泥沙主要來自河床的沖刷補給和區間支流匯入。例如皇莊站的全年來沙僅有約4.6%來自丹江口水庫上游區域,區間匯流占33.0%,河床沖刷補給占62.4%。由于泥沙主要來自河床補給,建庫后泥沙組成發生了變化,懸移質泥沙粒徑增大,黃莊站中值粒徑由建庫前的0.024mm增加到0.049mm。建庫后下游河道的沖刷是由上往下發展的,因此,距壩愈近粒徑愈粗。懸移質含沙量的變化也與距壩的遠近有關。建庫前,從壩址往下游平均含沙量沿程遞減;建庫后,壩址處平均含沙量最小,隨著距壩距離的增加,含沙量增大。將來隨著河床逐漸粗化,沿程水流含沙量的變化將逐漸減少,河床粗化完成以后,沿程水流含沙量將較為接近[3]。

2.4 對大壩下游水溫的影響

水溫是生態系統中一個重要的物理因子。在天然河流中,水體相對較小,紊流摻混作用強,單位水體自由表面大,河水水溫隨氣溫變化而變化。在河道上修建水庫,特別是修建大型水庫以后,水深增加,流速銳減,流態改變,水庫形成一個熱容量極大的水體,水庫的水溫結構也發生顯著變化,不論在時間分布,還是空間分布方面,均不同于天然河道[5]。丹江口水庫建庫前后漢江干流水溫變化見表4。從表4可見,建庫前后水庫一年中的水溫變化主要是:①3～8月水溫降低,下游各測站的水溫比建庫前低;②9月至次年1月水溫升高,各測站的水溫比建庫前高。這種變化離壩址越近,變化越大;離壩址越遠,變化越小。在仙桃站,僅12月至次年1月比建庫前水溫高,其他月份基本恢復到天然狀況。

2.5 對水質的影響

丹江口水庫建成對水質的影響見表5。根據表5對照GB3838—2002《地表水環境質量標準》可知,水庫建成后,主要指標因子DO、COD 、NH3-N在漢江主要入庫站白河站沒有明顯變化,均為Ⅰ類;在出庫站黃家港站除了NH3-N在汛期為Ⅱ類外,其余均為Ⅰ類。說明水庫建成對漢江中下游水質沒有太大的影響。

表5 丹江口水庫對水質的影響 mg/L

表4 丹江口水庫對水溫的影響℃

丹江口水庫2000年和2002年水質類別見表6。2000年時入庫站白河站和出庫站黃家港站,主要污染因子 DO、COD 、NH3-N,年均、非汛期均為Ⅰ類 ,汛期主要是Ⅱ類。2002年時入庫站白河站和出庫站黃家港站,主要污染因子DO 、COD 、NH3-N,年均 、非汛期均以Ⅰ類為主,汛期主要是Ⅱ類。丹江口水庫入庫站和出庫站水質類別基本一致,表明水庫運行對漢江中下游水質沒有太大的影響。但2000年和2002年漢江下游均發生了“水華”現象。水體中營養鹽含量過高是水體富營養化、“水華”發生的根本條件,水文情勢則是影響污染物擴散的重要因子[6]。隨著沿江兩岸社會經濟的迅速發展和人口密度的增加,漢江接納了大量的工農業廢水和生活污水,這些污染物在漢江干流上形成了大小不等的污染帶20多條,長達10多km。盡管20世紀70年代丹江口水庫建成改變了漢江中下游水文情勢,但由于漢江水流量大,江水的自凈作用使水質惡變速度不是很大[7],水質惡化和藻類“水華”是近十幾年發生的,由此可見漢江水質惡化的最根本原因是沿江兩岸污染大量增加所致。水環境容量降低,生態系統已相當脆弱,很難再超負荷運轉下去,尤其是在枯水季節,有關水質參數遠遠高于富營養化指標[8]。

表6 丹江口水庫現狀水質類別

2.6 對魚類資源的影響

每年4～8月丹江口水庫水體呈明顯分層現象,在水深5～30m之間出現急變的溫躍層,庫表與庫底溫差達16℃。9～10月,上下層溫差減少,分層現象減弱。下泄水溫的變化,對丹江口壩下至襄樊江段沿程水溫及年內變幅都有影響。一方面,水溫的變化對壩下至襄樊江段的魚類繁殖帶來一定影響,滿足產卵最低溫度18℃的要求向后推遲約20d。另一方面,由于下游比中游水溫降低小,魚類產卵場下遷,襄樊一帶唐白河口附近,產卵場相對擴大。建庫后河水夏季變涼,冬季變暖,加上中下游水流變清和透明度變大,使部分水生植物數量增大,例如著生絲狀藻類及淡水殼菜形成優勢種群。攝食這些水生物的魚類種群不斷增加;冬季水庫下泄流量增加,對魚類越冬和催肥有利[9]。

四大家魚(青魚、草魚、鰱魚、鳙魚)和銅魚產卵主要發生在水位上漲的過程中,當流速降低、流量減少、水流動能不能形成漩滾,魚卵下沉,則無法孵化成幼魚。由于丹江口水庫對徑流的調節作用,洪峰削弱;特別是谷城以上江段,由于王甫洲大壩的興建和沒有大流量的支流補給,水位變化幅度很小,水文條件很難滿足四大家魚和銅魚產卵的需求;造成漢江中游四大家魚中草魚、鰱魚減少,青魚、鳙魚消失;銅魚消失。四大家魚產卵現主要依靠支流南河、唐白河、蠻河發水和局部地區強降雨引起,因而產卵江汛短促、規模小并且零散。泥沙中的有機物和無機物是部分魚類食物的重要來源,丹江口水庫建成后,中下游泥沙量銳減導致魚類資源減少。而流速降低、流量減少也使喜急流的魚類棲息環境變化,導致數量減少。

3 丹江口水庫加高后的影響

南水北調工程中線調水方案實施后,丹江口水庫加高,丹江口水庫大壩將由162m加高到176.6m,調水量增大,下泄總水量減少。從流量過程看,調水后干流的枯水流量加大,中水流量歷時減少,干流流量過程趨于均化。水庫正常蓄水位由157m提高到170m,相應庫容由174.5億m3增加到290.5億m3,其中防洪庫容由55億～77.2億m3提高到81億～110億m3,可從根本上提高漢江中下游地區的防洪標準。例如遇100年一遇的洪水時,經丹江口水庫調蓄削減洪峰,可控制黃莊-新城河段的洪峰流量不超過允許安全泄量,基本上不需要中游民垸分洪;杜家臺分洪幾率由5～10年一次提高到20年一次。

丹江口大壩加高調水后,壩下缺乏表層浮游生物的補充,襄樊以上河段浮游藻類及水庫占絕對優勢的浮游動物枝角類、橈足類等種類和數量將急劇減少;夏季下泄低溫水,加之沿途城鎮污水的排入,使河水中有機營養物質增加,使硅藻和綠藻等數量增加。挺水植物分布面積增大,生物多樣性下降;底棲動物將維持穩定并有上升趨勢,適應冷水生活的鉤蝦等將增加。襄樊以下河段,由于流量減少,水流變緩,水位穩定,河水透明度度高,硅藻和綠藻等浮游植物仍將占優勢,其生物量將大大提高。如遇春季氣溫偏高,河水污染重,水文情勢合適,浮游藻類可能爆發性生長繁殖而形成“水華”[10]。

丹江口大壩加高后,水庫由年調節水庫成為多年調節水庫,下泄水主要通過發電機組,一般離水面25m,該水層通常無浮游生物,常年水溫將在10～15℃。襄樊以上江段魚類將以攝食流水生物和底棲生物的小型魚類黃顙魚等為主;大型攝食浮游生物的鰱魚等將銳減或消失。襄樊以下中游河段攝食絲狀藻類的草魚、赤眼鱒等減少數量不大;下游魚類變化不大。大壩加高后中游河段水位變幅較小,5～6月魚類繁殖所需漲水過程消失,加之低溫影響,產卵所需的水文條件很難滿足,使皇家港至襄樊段產漂性卵的魚類產卵場大多消失;襄樊以下產卵期推遲并縮短,而下游魚類資源因主要靠長江魚苗補充而影響不大。此外,調水后中下游水質變差,也會使魚類種群數量減少。

4 結 語

丹江口水庫初期規模運行的實踐表明:水庫建成運行使漢江中下游水量減少和流量過程均化;防洪能力提高;泥沙由主要由丹江口水庫以上和區間入流補給變為主要由河床沖刷和區間入流補給;水溫3～8月降低、9月至次年1月升高;丹江口水庫建成后出庫水質沒有明顯的變化,漢江中下游水質惡化和發生“水華”的主要原因是污染增加,次要原因是水量減少;丹江口水庫建成后中下游泥沙量銳減導致魚類資源減少,而流速降低、流量減少也使喜急流的魚類棲息環境變化,導致數量減少。南水北調中線工程建成運行后必將對漢江中下游水文生態產生新的影響,漢江中下游江段流量將比現狀減少,流速變緩,對沿岸點源、面源污染的稀釋自凈能力降低,生態環境供水量不足,從而導致水質惡化,“水華”現象有可能進一步加重,魚類資源進一步減少。隨著漢江流域經濟的持續增長和人口的增加,從長遠來看,只有引江濟漢工程和漢江流域水污染控制工程的建成才能從根本上提高漢江的水環境容量,改善水質,減少“水華”的發生概率,滿足工農業發展對水資源的需求。

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Impact of hydraulic engineering on hydro-ecology in middle and lower reaches of Hanjiang River

HU An-yan1,2,ZHANG Zi-ying1,WANG Ju-cui1
(1.School of Environmental Science and Engineering,Chang'an University,Xi'an 710054,China;2.State Key Laboratory of Water Resources and Hydropower Engineering Science,Wuhan University,Wuhan 430072,China)

According to observed data before 1980,the impacts of the operation of Danjiangkou Reservoir on runoff,sediment,water temperature,water quality,and fish were studied.The results showed that the operation of the reservoir had reduced water quantity and homogenized annual runoff distribution,improved the flood control level,reduced sediment and water temperature during the flooding period,and reduced fish resources,and had no apparent influnce on water quality.The reason for worsening water quality and algal blooms in the middle and lower reaches of the Hanjiang River wasincreasing water pollution.After the South-to-North Water Transfer Project isbuilt and in operation,runoff will be reduced much more,aswill the water flow velocity.These will reduce the dilution and self-purification ability of water and the eco-environmental water supply,and lead the hydro-ecology in a negative direction.

hydraulic engineering;Hanjiang River;Danjiangkou Reservoir;hydro-ecology

TV213.4

A

1004-6933(2010)02-0005-05

陜西省自然科學基金(2006D16);水資源與水電工程科學國家重點實驗室開放基金(2006B022)。

胡安焱(1970—),男,四川瀘縣人,副教授,博士,主要從事水文水資源與環境研究。E-mail:huanyan97@163.com

(收稿日期:2008-11-26 編輯:徐 娟)