三峽水庫對下游河流水沙情勢影響評估

郭文獻，李 越，王鴻翔，查胡飛

(華北水利水電大學，鄭州 450045)

天然水沙情勢是河流生態系統關鍵驅動因素，決定著河流形態、群落結構是否穩定，其運移機制對河流生態系統起著至關重要的作用[1]。水利工程建設人為改變了河流天然水沙情勢，必將產生一系列生態水文效應，進而會使河流生態系統受到影響，如生態服務功能衰退、生物群落的組成和多樣性降低、流域內重要物種受到脅迫等[2]。因此，研究水電工程對水沙情勢變化以及生態影響已成為當前河流生態水文學研究的熱點問題。

長江是中國第一大河，年徑流量和年輸沙量分別位于世界第三位和第四位[3]。長江上游水電工程開發，尤其是三峽水庫修建，在帶來巨大經濟社會效益同時也將部分改變長江的水沙情勢，勢必會對水庫下游的水沙特性及生態環境造成一定影響。關于三峽水庫蓄水對水沙特性影響研究已經進行了相關研究，如班璇等[4]通過分析三峽水庫蓄水后長江中下游水沙時空變化，對三峽水庫下游不同江段水沙情勢的改變程度進行評價；府人壽等[5]研究了三峽水庫蓄水前宜昌站水沙變化趨勢，預測了三峽水庫及上游大型水電站建成后宜昌站的水沙變化趨勢；王延貴等[6]分析了水庫攔沙對長江水沙情勢變化的影響，闡述了水沙變化的成因，特別是分析了三峽水庫下游宜昌、漢口和大通站水沙變化及其影響。這些研究均表明水沙特性在三峽水庫蓄水后發生了顯著變化。

鑒于水沙特性變化的復雜性，相關研究所采用的數據較為陳舊，且研究方法多為傳統數理統計方法。由此本文采用雙累積曲線法、Mann-Kendall和RVA法分析宜昌站在三峽水庫蓄水前后水沙特性變化，旨在為明確長江中下游河流生態恢復目標和開展三峽水庫生態調度研究提供參考依據。

1 研究區域及數據

研究區域為三峽水庫下游宜昌江段，多年平均徑流量為13 590 m3/s，多年平均含沙量為0.509 kg/m3。其中宜昌水文站位于三峽大壩下游44 km處，完整地控制了長江上游100.6 萬km2的來水來沙情況，能夠直接反映三峽水庫蓄水后下游河流水沙變化情況。鑒于三峽水庫于2003年蓄水，故將宜昌站1952-2002年51年流量、含沙量數據資料作為蓄水前序列，2003-2015年13年流量、含沙量數據資料作為蓄水后序列。

2 研究方法

根據研究區內水文資料特點，采用雙累積曲線法、Mann-Kendall趨勢檢驗法和變動范圍法(RVA)就三峽水庫下游宜昌水文站徑流量和含沙量的變化情勢進行分析。

其中雙累積曲線法主要利用水沙累積曲線的變化特點研究水沙情勢的變化，若雙累積曲線在某點發生明顯轉折，則表明水沙特性發生變化[7]。Mann-Kendall趨勢檢驗法通過計算河道水沙系列的統計量Z，與某一置信水平(0.1、0.05和0.01)下的臨界變量對比。當|Z|≥1.67、1.96、2.56時，分別表示通過置信度為90%、95%和99%的顯著性檢驗，方法具體計算過程見參考文獻[8-10]。

變動范圍法(RVA)是Richter等于1997年提出，該法建立在水文變化指標(IHA)法的基礎上，利用建立的生態水文指標(表1)評價受水利工程影響的河流水文情勢[11-13]。為了量化指標受干擾后的變化程度，Richter等建議以改變度來評估，其定義如下：

(1)

式中：Di為第i個IHA指標的水文改變度；Noi為第i個IHA受干擾后的觀測年數中落在RVA目標閾值內的年數；Ne為受干擾后IHA指標預期落入RVA目標內的年數，可以用r·NT來評估，其中，r為受干擾前IHA落入RVA目標閾值內的比例，若以各個IHA的75%及25%作為RVA目標，則r=50%，而NT為受干擾后流量時間序列記錄的總年數。為對IHA指標的水文改變程度設定一個客觀的判斷標準，規定若(1)式Di值介于0～33%屬于未改變或者低度改變；33%～67%之間屬于中度改變；67%～100%屬于高度改變。整體水文變化程度Do可以用以下方法計算：取32個IHA指標改變度的平均值來評估河流生態環境的整體變化情形，然而這樣將體現不出各指標權重大小。為了體現各指標的權重大小，本文采用對較大的Di值賦予較大的權重，用下式計算Do：

(2)

式中；n為指標個數，同時也規定Do值介于0～33%屬于未改變或者低度改變；33%～67%之間屬于中度改變；67%～100%屬于高度改變。

表1 IHA參數指標Tab.1 Indexes of IHA

注：①基流指數為年最小連續7 d流量(含沙量)與年均值的比值；②羅馬日表示公歷一年中第多少天；③低脈沖定義為低于干擾前25%頻率的日均值，高脈沖定義為高于干擾前75%頻率的日均值；④逆轉次數指日流量或含沙量由增加變化為減少或由減少變化為增加的次數。表中單位說明：流量為m3/s，含沙量為kg/m3，上升率、下降率為m3/(s·d)，高脈沖頻率、低脈沖頻率、逆轉次數為次，高脈沖歷時、低脈沖歷時、年極值歷時、年極值發生時間為d。

3 結果與討論

3.1 水沙特性年際變化

為揭示宜昌站多年水沙情勢變化情況，繪出宜昌站年均流量、含沙量變化情況(圖1)及年徑流量和輸沙量雙累積曲線(圖2)。在研究期間內除1954、1998年和2006、2011年(1954和1998年為特大洪水年，2006和2011年為枯水年)年均流量出現較大波動外，總體上年均流量呈下降趨勢。年均含沙量呈階段性變化，即50年代到80年代基本保持穩定，80年代到21世紀初呈微弱下降趨勢，2002年后年均含沙量大幅下降(圖1)。年徑流量和年輸沙量雙累積曲線在2003年以前基本保持一條直線，2003年后雙累積曲線發生明顯轉折(圖2)。經計算可得，宜昌站在三峽水庫蓄水前年均含沙量為0.624 kg/m3，雙累積曲線斜率為5.02，蓄水后年均含沙量減少為0.043 kg/m3，雙累積曲線斜率減少為0.36，表明三峽水庫蓄水后宜昌站水沙關系發生顯著變化。

圖1 宜昌站水沙年際變化Fig.1 Annual variation of flow and sediment at Yichang station

圖2 宜昌站水沙量雙累積曲線Fig.2 Double cumulative curves of flow and sediment at Yichang station

為進一步分析宜昌站年際水沙變化趨勢，采用Mann-Kendall趨勢檢驗進行分析，結果見表2。宜昌站年均流量和含沙量序列的Mann-Kendall趨勢檢驗統計量z值為-1.88和-7.72，分別通過90%和99%的顯著性檢驗，表明三峽水庫蓄水后流量、含沙量均呈顯著下降趨勢，其中含沙量下降趨勢更為顯著。

表2 宜昌站水沙變化趨勢Mann-Kendall檢驗Tab.2 Mann-Kendall test for flow and sediment at Yichang station

3.2 水沙特性指標變化

為定量評價三峽水庫蓄水后下游河流水沙情勢的改變程度，將宜昌站流量、含沙量數據序列劃分為兩個時段：三峽水庫蓄水前(1952-2002年)，三峽水庫蓄水后(2003-2015)。在此基礎上采用變動范圍法(RVA)計算宜昌站流量、含沙量各指標的變化程度(表3、表4)，根據各指標的變化情況對水沙情勢的改變程度進行分析。

表3 三峽水庫蓄水前后下游河流水沙指標統計表Tab.3 Statistical table of flow and sediment indexes before and after impoundment of the Three Gorges Reservoir

表4 三峽水庫蓄水前后下游河流水沙指標統計表Tab.4 Statistical table of flow and sediment indexes before and after impoundment of the Three Gorges Reservoir

3.2.1 月均值變化

圖3為三峽水庫蓄水前后宜昌站月均流量、含沙量變化圖。由圖3可以看出，三峽水庫蓄水后宜昌站月均流量在12-翌年5月呈增加趨勢，其中2月、3月份發生高度改變，改變度分別達到88.79%、74.69%；6-11月呈減少趨勢，均發生中、低度改變。相較于流量，宜昌站月均含沙量在三峽水庫蓄水后均呈顯著下降趨勢，1-12月月均含沙量改變度均為100%，其中12-翌年4月份含沙量已不足0.01 kg/m3。整體而言，流量年內變化與三峽水庫調度運行方式相一致，即豐水期水庫蓄水導致下泄流量減少，枯水期泄水導致下泄流量增加，而含沙量則在三峽水庫蓄水后年內整體大幅降低。

圖3 水沙特性月均值變化Fig.3 Comparison of monthly mean flow and sediment

3.2.2 年極值及其發生時間變化

根據表3可以看出三峽水庫蓄水后，宜昌站年均極小值流量都有不同程度的增加，而極大值流量均有不同程度的減少，其中極小值流量改變度均屬于高度改變，年均30日最小值[圖4(a)]改變度最大，2003年后全部超出RVA上限，達到88.79%；年極小值流量發生時間除個別年份保持在RVA目標范圍內，整體由蓄水前2～3月之間提前到1月中旬，個別年份提前到上一年11-12月份[圖4(b)]。三峽水庫蓄水后宜昌站年極值含沙量均發生高度改變，改變度達到100%，圖5(a)為宜昌站年極值含沙量及其發生時間，年最小含沙量自1952年到2002年整體上呈下降趨勢，但2003年后下降明顯，均值只有0.002 kg/m3；年極小值發生時間改變度達到78.21%，由圖5(b)可以看出年極小值含沙量發生時間在三峽水庫蓄水后波動較大，只有個別年份位于RVA目標范圍內，2011-2014年甚至提前至12月發生。

圖4 年極值流量及其發生時間變化Fig.4 Annual extreme flow and its occurrence time

圖5 年極值含沙量及其發生時間變化Fig.5 Annual extreme sediment and its occurrence time

3.2.3 水沙脈沖變化

三峽水庫蓄水后，宜昌站流量低脈沖完全消失，相較于蓄水前的51年內只出現兩次，蓄水后13年內無低脈沖發生并無明顯變化；流量高脈沖出現次數及歷時都略有下降，總體來說，流量脈沖變化不大，基本屬于低度改變。三峽水庫蓄水后含沙量低脈沖出現次數略有降低，屬于低度改變，含沙量低脈沖平均歷時明顯增加，改變度達到62.64%接近高度改變；含沙量高脈沖出現次數及歷時都明顯減少(圖6)，改變都達到100%。圖6中可見三峽水庫蓄水后僅在2004-2005年內出現含沙量高脈沖，且出現次數及歷時都遠遠低于RVA下限，變化十分顯著。

3.2.4 水沙變化改變率及頻率

三峽水庫蓄水后，宜昌站流量上升率下降，下降率均上升，改變度為低度改變，但逆轉次數由蓄水前年均91.88次增加到137.5次[圖7(a)]，改變度達到100%，由圖6(a)可以看出，三峽水庫蓄水后流量逆轉次數明顯增加，所有年份全部高于RVA上限。三峽水庫蓄水后含沙量上升率下降[圖7(b)]、下降率上升[圖7(c)]和逆轉次數下降[圖7(d)]，改變度均屬于高度改變。由圖7(b)、圖7(c)、圖7(d)可以看出，三峽水庫蓄水后含沙量上升率、下降率和逆轉次數均明顯偏離RVA目標閾值，可見三峽水庫蓄水后對其影響十分顯著。

圖6 含沙量高脈沖變化Fig.6 High pulse duration of sediment

圖7 水沙變化改變率及頻率Fig.7 The changes of rate and frequency for flow and sediment

3.3 河流水沙情勢改變度評價

根據表3、4所列出宜昌站流量、含沙量各指標改變度進行排序，如圖8～圖9所示。可見，三峽水庫蓄水后流量指標以低度改變居多，發生高度改變的指標有低脈沖歷時，逆轉次數，2、3月均值和年均1、3、7、30、90日最小流量以及基流指數等指標，其中低脈沖歷時、逆轉次數改變度為100%。含沙量各指標在三峽蓄水后以高度改變主導，除年最大值出現時間、低脈沖次數發生低度改變，基流指數，低脈沖歷時發生中度改變外，其余指標均發生高度改變，改變度為100%的指標達到26個。

圖8 流量指標改變度排序Fig.8 Ranked absolute degree of flow indexes

圖9 含沙量指標改變度排序Fig.9 Ranked absolute degree of sediment indexes

為進一步評價水庫下游水沙情勢改變程度，計算出流量、含沙量各指標的整體改變度以及各組指標的改變程度，計算結果如表5所示。根據結算結果可得，流量各組指標以中度改變主導，其中第二組指標的改變度為33%，接近中度改變，第五組指標為63%，接近高度改變，整體改變度達到54%，為中度改變。含沙量除第三組為中度改變外，其余各指標均為高度改變，整體改變度達到94%。整體而言，受水庫調蓄影響，下游流量指標整體為中度改變，受水庫攔沙影響，下游含沙量各指標與蓄水前相比已完全改變，表明三峽水庫蓄水后下游河流水沙情勢變化顯著。

表5 宜昌站水沙整體改變度Tab.5 Total change in flow and sediment of Yichang station

3.4 水沙情勢改變影響

河流水沙情勢對于維持河流地貌系統、生態系統的結構和功能具有重要作用。河流水文中流量大小、變幅、發生時間、持續時間以及變化率等因素是塑造河床的直接動力，泥沙是改變河床形態的物質基礎，不同的水沙特征決定了河床的平面形態、斷面特征、河灣數量、蜿蜒度、植物結構等，此外，河流地貌形態決定了生物棲息地的分布和多樣性，進而影響了河流水生生物多樣性。三峽水庫的修建，本質上改變了下游河流水沙情勢，進而引起水沙輸移特性、河道形態的調整以及河流生態系統的響應[14-16]。三峽水庫下游分布有珍稀保護魚類中華鱘唯一產卵場以及重要經濟魚類四大家魚多處產卵場[17]。根據《長江三峽工程生態與環境監測公報》(1997-2014年)調查顯示，中華鱘繁殖群體所要求的水文環境近年來受到嚴重危害，其繁殖群體不斷減少，且在2013年以后并沒有監測到產卵活動；四大家魚魚苗徑流量在三峽蓄水后顯著下降，由蓄水前的年均25.2億尾減少到蓄水后的2.7億尾，其中2007、2009年已不足1億尾。究其原因與三峽水庫蓄水后水沙情勢改變導致魚類適宜生境條件改變有一定聯系，水沙變幅、脈沖及改變率等因素變化都會對魚類等生物所適宜的生境條件產生不利影響。

4 結 語

(1)三峽水庫蓄水后，宜昌站水沙量雙累積曲線發生明顯轉折，且宜昌站年均流量及含沙量分別通過90%和99%的顯著性檢驗，表明三峽水庫蓄水后流量、含沙量下降趨勢顯著，水沙關系發生顯著變化。

(2)三峽水庫蓄水后，月均流量12-翌年5月增加，6-11月減少，月均含沙量年內大幅下降；年極值流量發生高度改變的指標主要集中在年最小1、3、7、30、90日流量，年極值含沙量全部發生高度改變，改變度達到100%；流量脈沖無明顯變化，基本屬于低度改變，含沙量高脈沖于2005年后消失，改變度達到100%；流量逆轉次數明顯增加，含沙量的上升率、下降率及逆轉次數均發生高度改變。

(3)根據對三峽水庫蓄水后下游水沙情勢改變度評價分析，水庫下游水沙情勢發生嚴重改變，流量指標整體發生中度改變，含沙量指標相較于蓄水前已完全改變，該變化對河流魚類等生物產生一系列不良影響，需要制定相應的生態補償措施維護下游河流生態系統健康。

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