基于RVA的水庫(kù)工程對(duì)下游水文情勢(shì)的影響分析

田伊池，郭彩銀

(遼寧省大伙房水庫(kù)管理局，遼寧 撫順 113007)

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基于RVA的水庫(kù)工程對(duì)下游水文情勢(shì)的影響分析

田伊池，郭彩銀

(遼寧省大伙房水庫(kù)管理局，遼寧 撫順 113007)

摘要：為分析水庫(kù)調(diào)度對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的影響，采用變化范圍法(RVA)評(píng)價(jià)水庫(kù)調(diào)節(jié)對(duì)天然徑流的改變程度，并以牛路嶺水庫(kù)為對(duì)象，進(jìn)行了實(shí)例分析。結(jié)果表明，水庫(kù)的調(diào)節(jié)作用使天然徑流發(fā)生了顯著的改變，尤其是增加擬建電站后，徑流的天然狀態(tài)發(fā)生較大改變，有損于河流生態(tài)系統(tǒng)的健康發(fā)展。建議將生態(tài)因素考慮到水庫(kù)優(yōu)化調(diào)度中，以減輕水庫(kù)調(diào)度對(duì)生態(tài)的負(fù)面影響。

關(guān)鍵詞：RVA法；水文變化指標(biāo)；水文情勢(shì)；牛路嶺水庫(kù);水庫(kù)調(diào)度；河流生態(tài)系統(tǒng)；負(fù)面影響

在河流生態(tài)系統(tǒng)的長(zhǎng)期演化過程中，水生生物已經(jīng)適應(yīng)了河流的自然變化過程，河流生態(tài)系統(tǒng)的完整性很大程度上取決于天然河流的動(dòng)態(tài)變化過程。然而，人類對(duì)自然改造和征服同時(shí)，嚴(yán)重破壞了河流生態(tài)系統(tǒng)，使得河流流量變化不完全依賴于季節(jié)性降水，部分河流生態(tài)環(huán)境發(fā)生根本性變化，對(duì)河流生態(tài)系統(tǒng)造成了極其深遠(yuǎn)的影響。基于此，文章采用變化范圍法，評(píng)價(jià)水庫(kù)調(diào)度對(duì)天然徑流的改變程度及其對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的影響[1]。

1研究方法

1.1　水文變化指標(biāo)(IHA)

IHA 一般用于分析水文系列的變化情況，通過水文指標(biāo)系列來評(píng)價(jià)水文系統(tǒng)的變化程度及其對(duì)生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生的影響，尤其適用于受人類活動(dòng)影響較大的河流。IHA指標(biāo)包括5組特征值共32個(gè)參數(shù)，分別從月均流量狀況、年極端流量大小、年極端流量發(fā)生時(shí)間、高低流量頻率及延時(shí)、日流量改變量及逆轉(zhuǎn)次數(shù)五個(gè)方面描繪河流年內(nèi)的流量變化特征。

1.2　RVA評(píng)估方法

變化范圍法(RVA 法，Range of Variability Approach)最初是由 Richter 等于1997年提出，該方法建立在IHA指標(biāo)基礎(chǔ)上，一般以日流量數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，以建庫(kù)前的自然流量變化狀態(tài)為基準(zhǔn)，統(tǒng)計(jì)32個(gè)IHA指標(biāo)受人類干擾前后的變化情況，分析建庫(kù)前后河流的改變程度。IHA指標(biāo)受影響的程度一般以生態(tài)數(shù)據(jù)為依據(jù)，而由于生態(tài)資料缺乏，實(shí)際研究中多數(shù)成果將各指標(biāo)排序后進(jìn)行頻率計(jì)算，采用發(fā)生幾率為75%和25%的值作為各指標(biāo)的上下限，稱為RVA閾值[2]。

1.3　水文改變度的計(jì)算

為量化受建庫(kù)前后IHA的變化程度，Richter等提出水文改變度這一概念，定義如下：

(1)

式中：Di為第i個(gè)IHA值的水文改變度；N0、Ne分別為建庫(kù)后第i個(gè)IHA值實(shí)際、預(yù)期落于RVA閾值內(nèi)的年數(shù)Ne可用r×NT來計(jì)算，r為建庫(kù)前IHA指標(biāo)落于RVA 閾值內(nèi)的比例，NT為建庫(kù)后流量記錄的總年數(shù)。若設(shè)置IHA指標(biāo)發(fā)生頻率75%和25%的值確定閾值范圍，則r可取50%。若Di值落在0%~33%區(qū)間為無或低度改變，落在33%~67%區(qū)間為中度改變，落在67%~100%區(qū)間為高度改變[3]。

蕭正宗、吳富春提出以權(quán)重平均的方式來表征整體水文改變度，以D0來表示：

1)情形一：32個(gè)IHA指標(biāo)均為低度改變，即D值都小于33%，則整體改變度取D值的平均值，如下式表示為：

(2)

式中：D0值小于33%，表示整體低度改變。

2)情形二：32個(gè)IHA指標(biāo)中至少有一個(gè)指標(biāo)為中度改變，而無任何指標(biāo)為高度改變，如下式表示為：

(3)

式中：Nm表示IHA指標(biāo)為中度改變的個(gè)數(shù)，則D0值將介于33%與67%之間，表示整體中度改變。

3)情形三：32個(gè)IHA指標(biāo)中至少有一個(gè)指標(biāo)為高度改變，如下式表示為：

(4)

式中：Nh表示IHA指標(biāo)為高度改變的個(gè)數(shù)；D0的數(shù)值將高于67%，表示整體高度改變。

2實(shí)例

2.1　研究區(qū)域概況

牛路嶺水庫(kù)位于海南省瓊海市會(huì)山鄉(xiāng)境內(nèi)，是一座兼發(fā)電和防洪的大型水庫(kù)，年均來水量為22.44 億 m3，年均流量為71.1 m3/s。牛路嶺電站單機(jī)容量為2 萬(wàn) kW，總裝機(jī)容量為8 萬(wàn) kW，以發(fā)電生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)為主。海南省無論是對(duì)電力、電量，還是調(diào)峰，都存在著迫切的需求，并經(jīng)初步分析，牛路嶺水庫(kù)電站仍有開發(fā)擴(kuò)容的潛力。因此，擬在牛路嶺水庫(kù)下游約10 km處修建一引水式電站(稱擬建電站)，其水頭差較現(xiàn)狀牛路嶺電站要提高12~13 m，水頭提高率約為20%左右，單位水資源量的發(fā)電效率會(huì)明顯提高，但同時(shí)會(huì)對(duì)牛路嶺水庫(kù)下游河道生態(tài)系統(tǒng)造成一定影響[4]。基于此，本文采用RVA法分別評(píng)價(jià)水庫(kù)現(xiàn)狀和增加擬建電站后，下游河道的天然徑流改變程度。電站工程布置簡(jiǎn)圖見圖1。

圖1　牛路嶺水庫(kù)電站工程布置簡(jiǎn)圖

2.2　資料處理

利用RVA法評(píng)價(jià)水庫(kù)運(yùn)行對(duì)下游河道生態(tài)的影響，流量資料需盡可能選取充分體現(xiàn)天然河流條件和僅受水庫(kù)運(yùn)行影響的數(shù)據(jù)。但在有關(guān)研究中，實(shí)際資料收取時(shí)，氣候因素對(duì)流量資料影響較大[7]。為保證建庫(kù)前后的對(duì)比分析建立在同步的基礎(chǔ)上，選取牛路嶺水庫(kù)實(shí)際入庫(kù)徑流作為下游河道的天然流量，水庫(kù)下泄至河道的流量作為僅受水庫(kù)影響的流量，從而減小了氣候等因素的影響，進(jìn)而使評(píng)價(jià)結(jié)果更加合理，資料系列為1991—2011年。

增加擬建電站后，對(duì)牛路嶺水庫(kù)出庫(kù)徑流資料進(jìn)行模擬分流，由于擬建電站水頭大，發(fā)電效率高，優(yōu)先供給擬建電站，若滿足擬建電站發(fā)電需水后有剩余時(shí)，將剩余水量供給牛路嶺電站發(fā)電。此時(shí)，經(jīng)牛路嶺電站下泄的水量即為下游河道實(shí)際水量。

2.3　RVA法評(píng)價(jià)建庫(kù)前后徑流改變程度

采用RVA法，計(jì)算整體水文改變度，結(jié)果為：現(xiàn)狀出庫(kù)流量水文指標(biāo)的整體改變度為41.67%，屬于中度改變，增加擬建電站后出庫(kù)流量水文指標(biāo)的整體改變度為83.04%，屬于高度改變[5]。

利用RVA法對(duì)牛路嶺水庫(kù)現(xiàn)狀出庫(kù)流量及增加擬建電站后出庫(kù)流量的IHA各指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果如表1所示。可以看出，32個(gè)水文變化指標(biāo)中，現(xiàn)狀出庫(kù)流量有10個(gè)指標(biāo)屬于低度改變，15個(gè)指標(biāo)屬于中度改變，7個(gè)指標(biāo)屬于高度改變；增加擬建電站后，其中，1個(gè)指標(biāo)屬于低度改變，6個(gè)指標(biāo)屬于中度改變，25個(gè)指標(biāo)屬于高度改變。

經(jīng)分析，得到月均值流量、年極端流量、年極端流量發(fā)生時(shí)間、高低流量頻率及延時(shí)、日流量改變量及逆轉(zhuǎn)次數(shù)的變化過程，限于篇幅，文章僅列出幾種典型的變化過程，如圖2~圖8所示。

表1　牛路嶺水庫(kù)下游水文變化指標(biāo)統(tǒng)計(jì)分析表

圖2　牛路嶺水庫(kù)入庫(kù)及出庫(kù)月均值流量

圖3　路嶺水庫(kù)最大7d流量

圖4　牛路嶺水庫(kù)最小90d流量

圖5　牛路嶺水庫(kù)高流量脈沖次數(shù)

圖6　牛路嶺水庫(kù)高流量延時(shí)

圖7　牛路嶺水庫(kù)日流量年均增加值

圖8　牛路嶺水庫(kù)日流量逆轉(zhuǎn)次數(shù)

2.4　結(jié)果分析

通過RVA法評(píng)價(jià)水庫(kù)運(yùn)行對(duì)下游天然徑流的改變程度，結(jié)果表明，牛路嶺水庫(kù)現(xiàn)狀電站出庫(kù)流量水文指標(biāo)整體發(fā)生中度改變，增加擬建電站導(dǎo)致下游河道水文指標(biāo)整體發(fā)生高度改變，破壞了原有的河流生境，對(duì)生態(tài)系統(tǒng)造成脅迫作用。簡(jiǎn)要概括各類指標(biāo)改變產(chǎn)生的影響如下：

1)月流量均值：現(xiàn)狀出庫(kù)流量指標(biāo)以低度改變?yōu)橹鳎黾訑M建電站后，指標(biāo)以高度改變?yōu)橹鳎S枯變化的改變可能破壞生物的自然產(chǎn)卵、遷徙周期等發(fā)生紊亂。

2)年極端流量：現(xiàn)狀出庫(kù)流量指標(biāo)以中度改變?yōu)橹鳎黾訑M建電站后，指標(biāo)以高度改變?yōu)橹鳎钬S補(bǔ)枯的水量明顯減少，可能導(dǎo)致河道與滯洪區(qū)的養(yǎng)分交換不暢，影響滯洪區(qū)的生物生長(zhǎng)。

3)年極端流量發(fā)生時(shí)間：現(xiàn)狀出庫(kù)流量指標(biāo)屬于低度改變，增加擬建電站后，最小1 d流量發(fā)生時(shí)間指標(biāo)屬于高度改變。年極端流量發(fā)生時(shí)間可能影響水生生物洄游產(chǎn)卵、繁殖等行為的發(fā)生，水庫(kù)調(diào)節(jié)后，發(fā)生時(shí)間變得不穩(wěn)定，可能會(huì)破壞生物原有的繁殖期行為過程。

4)高、低流量頻率及延時(shí)：現(xiàn)狀出庫(kù)流量，年高流量脈沖次數(shù)和低流量延時(shí)水文指標(biāo)為高度改變，低流量脈沖次數(shù)和高流量延時(shí)水文指標(biāo)為中度改變，增加擬建電站后，所有指標(biāo)發(fā)生高度改變。高低流量頻率及延時(shí)的變化影響泛洪區(qū)岸邊植物的棲息地環(huán)境，對(duì)河流生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生脅迫作用。水庫(kù)調(diào)節(jié)后，該組指標(biāo)僅有兩個(gè)值發(fā)生中度改變，其余均發(fā)生高度改變，該變化破壞了泛洪區(qū)岸邊植物的棲息地環(huán)境、各種水生生物原有的繁殖期行為過程及棲息地條件等自然特征。

5)日流量改變值及逆轉(zhuǎn)次數(shù)：現(xiàn)狀出庫(kù)流量，日流量年均增加值和減少值指標(biāo)屬于中度改變，逆轉(zhuǎn)次數(shù)屬于高度改變，增加擬建電站后，所有指標(biāo)發(fā)生高度改變。該組指標(biāo)同水生生態(tài)環(huán)境的變化周期有著密切聯(lián)系，高頻的流量變化將對(duì)某些植物、低速生物體的生長(zhǎng)產(chǎn)生較大的影響。

3結(jié)語(yǔ)

文章引入了變化范圍法(RVA)，對(duì)建庫(kù)前后水文指標(biāo)的改變度進(jìn)行分析，并以牛路嶺水庫(kù)為實(shí)例，進(jìn)行了研究。結(jié)果表明：

1)水庫(kù)運(yùn)行使得水文指標(biāo)發(fā)生不同程度的變化，對(duì)生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生影響。

2)增加擬建電站后，進(jìn)一步增大水文指標(biāo)的改變度，勢(shì)必對(duì)下游生態(tài)系統(tǒng)的破壞更為嚴(yán)重。

3)為減小水庫(kù)運(yùn)行對(duì)下游河道生態(tài)系統(tǒng)的影響，可開展水庫(kù)生態(tài)~發(fā)電調(diào)度，即在水庫(kù)發(fā)電調(diào)度的同時(shí)，滿足河道內(nèi)生態(tài)需水量是水庫(kù)調(diào)度運(yùn)行的主要任務(wù)。

參考文獻(xiàn)：

[1]武會(huì)先,王萬(wàn)戰(zhàn),宋學(xué)東譯.河流生命:為人類和自然管理水[M].鄭州：黃河水利出版社,2005：25.

[2]蔡文君,殷峻暹,王浩.三峽水庫(kù)運(yùn)行對(duì)長(zhǎng)江中下游水文情勢(shì)的影響[J].人民長(zhǎng)江,2012(05):22-25.

[3]李興拼,鄭江麗,賀新春,等.東江流域水文變異及其對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響[J].人民珠江,2009(05):32-34+75.

[4]于茜,黃強(qiáng),張洪波.不同水庫(kù)運(yùn)行模式對(duì)黃河蘭州站生態(tài)水文特征變異的影響[J].干旱區(qū)地理,2010(05)：747-755.

[5]楊揚(yáng).考慮生態(tài)需水分析的水庫(kù)調(diào)度研究[D].大連:大連理工大學(xué),2012.

Analysis of Reservoir Project's Impact on Lower Hydrology Based on RVA

TIAN Yi-chi and GUO Cai-yin

(Liaoning Provincial Dahuofang Reservoir Administration Bureau，F(xiàn)ushun 113007,China)

Abstract：In order to analyze the reservoir operation's impact on ecological system，the changing scope method (RVA) is adopted to evaluate the degree of natural runoff changed due to reservoir regulation，and at Nululing reservoir as the research object，has carried on an example analysis.The results show that reservoir regulation has changed obviously natural runoff，especially after the completion of proposed power station，natural state of runoff has changed greatly，damaging the healthy development of river ecosystem.It is suggested that ecological factors be considered in optimal operation of reservoir so as to reduce the negative impact on ecology due to reservoir operation.

Key words：RVA；index of hydrological change；hydrological regime；Niululing reservoir；ecological system of rivers；negative impact

[作者簡(jiǎn)介]田伊池(1987-)，女，遼寧沈陽(yáng)人，助理工程師，從事水情調(diào)度工作；郭彩銀(1982-)，女，山西定襄人，工程師，從事工程管理工作。

[收稿日期]2015-06-28

中圖分類號(hào)：P333.5

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1007-7596(2015)08-0004-05