三峽水庫對長江中下游河流水文情勢影響評估

郭文獻，李 越，卓志宇，張 陵

(1.華北水利水電大學，河南鄭州450045；2.湖南省水利水電勘測設計研究總院，湖南長沙410007)

河流自然水文情勢決定并影響著河流生態系統的物質循環、能量過程、物理棲息地狀況和生物相互作用等，水文情勢的變化在不同時空尺度上改變棲息地條件，從而影響物種的分布和豐度，進而影響生物群落的組成和多樣性[1-2]。水利工程建設人為改變了河流自然水文情勢，隨著水利工程開發程度的不斷提高，必將產生一系列生態水文效應，進而改變河流生態系統的物理、化學和生物過程。關于水利工程生態水文效應評估方面研究，國內外學者進行了大量研究。其中RICHTER等提出的變動范圍分析(range of variability approach，RVA)法已經被廣泛應用于水利工程對河流生態水文情勢影響以及河流生態恢復研究[3-5]。陳啟慧等采用RVA法對葛洲壩水利樞紐對長江下游河流水文影響進行了初步分析[6]；郭文獻等對丹江口水庫修建前后漢江下游河流生態水文效應進行了綜合評估[7]；楊志峰等綜合運用RVA法和直方圖匹配(HMA)法分析了黃河干流水電開發對下游河流水文情勢影響[8]。該方法是通過建立指標體系來研究復雜的生態水文過程，是評價人類活動對河流徑流過程影響的一種有效分析手段。該方法還可根據分析結果建立河流的生態流量管理模式，可滿足河流管理部門的需要[9-10]。

三峽水庫對生態與環境的影響一直是備受國內外各界廣泛爭論和密切關注的熱點和焦點問題[11]。本文以三峽水庫下游宜昌、漢口和大通水文站1952年～2014年日均流量序列為依據，采用Mann-Kendall(簡稱“M-K”)法分析長江中下游河流水文特征與變化趨勢，并應用生態水文指標變動范圍法(RVA)及水文改變度法綜合評估了三峽水庫運行對長江中下游河流生態水文指標改變程度及其生態影響，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了參考依據。

1 研究區域及數據

本研究區域為三峽水庫下游長江中下游區域，也是長江中下游河段，始自宜昌，經湖北、湖南、江西、安徽、江蘇、上海等六省市，入東海，全長1 893 km，其中宜昌～湖口段為中游，航道長955 km，集水面積約68萬km2；湖口以下為下游，航道長938 km，集水面積約12萬km2。其中宜昌、漢口及大通水文站是三峽水庫下游河道上最主要的3個控制站。其中宜昌水文站地處長江上游與中游的交界，位于三峽大壩下游44 km處，完整地控制了長江上游100.55萬km2的來水情況，約一半的河流水量來源于該站以上區域。漢口水文站地處漢江匯入長江以下約1.4 km，是漢江匯入長江后的重要控制水文站，控制流域面積達148.80萬km2。大通水文站是長江下游最后一個不受潮汐影響的控制站，通常被視為長江干流流量的總控制站，控制流域面積170.54萬km2，占長江流域面積的94.7%。根據三峽水庫下游水文站分布情況，選取宜昌站、漢口站和大通站1952年～2014年日流量數據進行評價。鑒于三峽水庫于2003年蓄水；故將1952年～2002年51年流量數據資料作為蓄水前序列，2003年～2014年12年流量數據資料作為蓄水后序列。

2 研究方法

2.1 Mann-Kendall趨勢檢驗法

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[12-14]。

2.2 變動范圍法(RVA)

為了定量分析三峽工程對下游河流水文情勢的變化程度，本研究運用Richter等提出的變動范圍法(RVA)進行分析。該法建立在水文變化指標(indictors of hydrologic alteration， IHA)法的基礎上，利用建立的生態水文指標來評價受水利工程影響的河流水文情勢[3-5]。為了量化水文指標受干擾后的變化程度，Richter等建議以水文改變度(degree of hydrological alteration)來評估，其定義為

Di=|(Noi-Ne)/Ne|×100%

(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，規定若式(1)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D0可以用以下方法計算：取33個IHA的水文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

(2)

式中，規定D0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。

3 結果與討論

3.1 年均流量變化特征

3.1.1年均流量趨勢性檢驗

圖1 長江中下游1952年～2014年均流量變化

為揭示長江中下游年均流量的變化趨勢，點繪出長江中下游宜昌、漢口、大通3個水文站點1952年～2014年的年均流量(見圖1)。

由圖1可以看出，在研究區間除了1954年、1998年和2006年、2011年(1954年和1998年為特大洪水年，2006年和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，其中宜昌水文站下降趨勢相對漢口和大通水文站較為明顯。

表1 三峽水庫運行前后下游各月流量中指統計

根據Mann-Kendall趨勢檢驗分析，3個水文站1952年～2014年多年平均流量的統計量均為負值，表示均有不同程度的下降趨勢，其中宜昌站的下降趨勢最為顯著，M-K檢驗值為-1.7，通過了90%的顯著性水平檢驗；漢口站和大通站的下降趨勢并不明顯，M-K檢驗值只有-0.5和-0.45。

3.2 河流生態水文指標變化

為了定量揭示三峽水庫的運行對下游河流流量的改變程度，將宜昌、漢口、大通3個站點的歷年日流量數據劃分為兩個時段：三峽水庫蓄水前(1952年～2002年)，三峽水庫蓄水后(2003年～2014年)。在此基礎上采用變化范圍法(RVA)計算三峽水庫運行前后長江中下游3個水文站32個水文指標的中值以及水文改變度等參數(見表1、2)。根據表1、2三峽水庫蓄水前后河流水文指標變化分析，分別分析5組水文指標改變程度。

3.2.1月中值流量變化

三峽水庫蓄水前后長江中下游月中值流量對比見圖2。

由圖2可見，三峽水庫蓄水后，宜昌站、漢口站和大通水文站在12月～3月流量不同程度增加，尤其是3月份增加流量最多；在7月～9月份流量不同程度減少，漢口站和大通站在7月份減少量最大，宜昌站在10月份減少量最多；其中宜昌站月中值水文改變度為59%，屬于中度改變，漢口站月中值水文改變度為68%，屬于高度改變，大通站水文改變度為23%，屬于低度改變。

表2 三峽水庫運行前后下游河流IHA指標統計

圖2 三峽蓄水前后中值流量變化

3.2.2年極值流量大小

根據表1，可以看出長江中下游3個水文站年均極小值流量三峽水庫蓄水后比蓄水前都有不同程度增加，而極大值流量蓄水后比蓄水前都有不同程度減少；其中極小值流量變異度均屬于高度改變，極大值流量改變度一般都屬于低度改變；宜昌站和漢口站年極值流量平均改變度為69%和73%，屬于高度改變，大通站水文改變度為56%，屬于中度改變；這也說明三峽水庫對宜昌和漢口站在極值流量影響方面相對大通站較為明顯，其原因是大通水文站距離三峽大壩較遠，受到洞庭湖水系、鄱陽湖水系以及其他支流調節等因素影響。

3.2.3年極端流量出現時間

根據表2，三峽水庫修建后宜昌、漢口、大通三站年最小流量出現時間變化明顯，年最大值流量出現時間變化不大。最小流量出現時間仍為1月～3月枯水期，但宜昌、漢口和大通的最小流量出現時間分別由2月下旬、2月上旬、1月下旬提前至1月上旬，甚至提前到12月份，變化范圍在一個月左右，表示了最小值出現時間與建庫前差異較大；年最大流量出現時間變化較小，推遲范圍在10 d之內。

3.2.4高低脈沖的頻率及歷時

由表2可以看出，宜昌水文站高、低脈沖出現的次數及歷時都有減少，其中低流量出現的次數變化最為明顯，水文改變度達到73%。漢口水文站低脈沖出現的頻率在建庫前后保持一致，高脈沖次數和歷時較建庫前略有減少，變化最大的為低脈沖歷時由建庫前的54天減少為21天，水文改變度為47%，為中度改變。大通水文站高、低脈沖出現的次數在建庫后沒有發生變化，高脈沖出現的歷時略有減少，低脈沖歷時變化最大。

3.2.5流量變化改變率及頻率

根據表1、2，宜昌水文站流量上升率減少，水文改變度為中度改變，下降率保持不變，但是逆轉次數較建庫前發生明顯改變，建庫后逆轉次數大幅度增加，超過RVA閾值上限。漢口水文站上升率和下降率均較少，上升率變化較下降率顯著，逆轉次數有所增加；大通水文站在建庫前后上升率和下降率均保持不變，逆轉次數略有增加。綜上所述，宜昌水文站的流量改變率和頻率變化最為顯著，表明三峽水庫在調峰和調頻的過程中對宜昌站下泄流量影響最大。

3.3 河流水文改變度評價

3.3.1蓄水前后水文指標變化度比較

圖3 宜昌站水文指標改變度排序

圖4 漢口站水文指標改變度排序

圖5 大通站水文指標改變度排序

根據宜昌、漢口和大通3個水文站三峽蓄水前后河流水文改變度絕對值進行排序，如圖3～圖5所示。可見，宜昌和漢口水文站32個水文指標大多發生高、中度改變，其中宜昌站2月份中值、年均1、3、7 d最小流量和逆轉次數，漢口站的1月、4月份中值、年均1、3、7 d最小流量和基流指數的水文改變度高達100%，大通水文站大多發生中、低度改變，水文改變度達到100%的只有基流指數。整體而言，長江中下游宜昌、漢口兩站的變化程度由高度變化主導，大通站的變化程度由低度變化主導。宜昌站為三峽水庫出庫水文站，宜昌水文情勢變化受其直接影響，而漢口水文站為漢江入長江后的重要控制水文站，不僅受三峽大壩出流影響，而且受到清江、漢江、洞庭湖水系等重要支流的人類活動影響，具有疊加效應，而大通水文站距離三峽水庫較遠，其影響也隨著距離增加，鄱陽湖等水系匯入，水文效應也逐漸減弱。

3.3.2整體水文改變度分析

分別計算出宜昌、漢口和大通3個水文站各組指標的整體水文改變度以及各水文站的整體水文改變度(見表3)。

表3 各水文站整體水文改變度

注：H表示高度改變；M表示中度改變；L表示低度改變。

由表3可知，宜昌站第2組和第5組屬于高度改變，其他3組指標均屬中度改變；漢口站第1組第2組屬于高度改變，第3組合第5組屬于中度改變，第4組屬于低度改變；大通站發生高度改變的只有第3組，第2組和第4組為中度改變， 第1組和第5組為低度改變。總體而言，三峽蓄水對長江中下游的宜昌和漢口兩站的影響最為顯著，對大通站的影響程度明顯小于其他兩站。由總體水文改變度計算結果得出，長江中下游3個水文站的流量特性都發生中度改變，宜昌站和漢口站的整體水文改變度接近于高度改變，大通站的整體水文改變度為42%，相對于宜昌站和漢口水文站水文改變度較小。

3.3.3河流水文情勢改變的生態學效應

根據三峽水庫調度運行方式，汛期利用水庫削減洪峰、調蓄洪水，以控制下泄流量和水位，確保下游防洪安全；非汛期調度運行中，利用水庫調節年內分布的豐枯不均，使下泄水流過程趨于均一化，極大改變了水庫下游河流自然水文情勢的年內豐枯周期變化規律，對枯水期的影響尤其明顯；還會導致與水流相關的含沙量、河流形態、河流水生生物群落等發生相應的變化，進而影響河流健康的生態過程，甚至會產生一系列廣泛、深刻，而且長期的生態效應。其中，三峽水庫7月～8月進行調洪削峰，使得下泄洪峰流量有一定削減。這在保障下游防洪安全同時，也降低了對下游河床泥沙的輸送能力和洪水大脈沖的作用；此外，三峽水庫本身對上游泥沙的攔蓄作用以及洪水沖刷能力的降低，使得下泄水體含沙量大幅度減少。然而，泥沙是河流生態系統中重要的非生物因子之一，對于水生生物的生長及生物的產卵、發育、覓食等多方面有顯著的影響，含沙量劇減，將增加水的透明度，有利于水生植物的生長；但同時一些浮游動物減少了庇護，增加了被捕食的幾率。三峽水庫清水下泄，長江中下游河段將發生長時間的沖刷，河床下降，沿岸地下水位也會下降，對沿岸濕地生境造成一定的影響；河床的沖刷還會使河床粗化，底棲生物的生境發生改變；江湖關系發生變化，進入洞庭湖的洪水減少，加速洞庭湖的退化；清水下泄對河岸也會產生侵蝕，江水與周邊濕地地下水交換將減少；長江口地區由于長期缺乏泥沙補給，河口自然演變規律和生境將發生變化[15]。

4 結 論

(1)長江中下游宜昌、漢口和大通3個水文站年均流量均呈下降趨勢，且宜昌水文站通過90%置信度檢驗。這表明宜昌水文站年均流量下降趨勢顯著，而漢口和大通水文站下降趨勢不顯著。

(2)根據對三峽水庫蓄水后生態水文指標變化情況分析，長江中下游非汛期12月～3月份流量增加，汛期7月～8月份流量減少；年極小流量和年極大流量分別表現為增加和減少趨勢；年極小流量發生時間提前，基本上提前1月～2月，年極大流量發生時間提前10 d左右；高低脈沖流量發生的頻率及持續時間均有不同程度的下降；流量上升率和下降率均有所下降，逆轉次數改變最為明顯，甚至達到100%。

(3)根據對三峽水庫蓄水后河流水文改變度評價分析，長江中下游宜昌、漢口和大通水文站整體水文改變度屬于中度改變，其中宜昌站和漢口站的整體水文改變度分別為61%和63%，接近于高度改變，大通站的整體水文改變度為42%，水文改變度相對較小。究其原因為，宜昌水文站受三峽水庫蓄水直接影響，漢口水文站除了受三峽水庫影響外，還受到漢江、清江以及洞庭湖等支流水電梯級開發影響；而大通水文站作為整個長江流域控制水文站，盡管受三峽水庫影響，但是相對較弱，其水文情勢改變反映了2003年以來長江流域整體水文改變度。