拉薩河干流梯級水庫庫容-徑流響應關系

黃 草,黃夢迪,胡鐵松,胡國華,李志威

(1.長沙理工大學水利工程學院,湖南 長沙 410114; 2.水沙科學與水災害防治湖南省重點實驗室,湖南 長沙 410114;3.洞庭湖水環境治理與生態修復湖南省重點實驗室,湖南 長沙 410114;4.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)

水庫的建設與運行為人類調控與優化水資源的時空分布,促進經濟社會可持續發展做出了重要貢獻[1-2],但也改變河流的自然流態,對河流生態系統產生了較多的負面影響[3-6]。河流徑流的大小及其時間過程是影響河流生態系統(包括河床河灘棲息地和水生生物群落)的主要驅動力[7]。因此,傳統的水庫-生態響應研究以水庫-徑流響應研究為基礎,以恢復筑壩前的自然徑流過程為理想目標,眾多學者圍繞水庫或水庫群系統對河流徑流改變的定量評價、補償技術與方法等開展了研究。Richter等[8-10]提出的水文變異指標法及變化范圍法(IHA-RVA)是應用最廣泛的水庫系統對河流水文情勢及生態影響的評價方法,它先建立一套評估生態水文變化過程的指標體系,包含月平均流量、極端流量和持續時間、極值出現時機、高低流量脈沖頻率和持續時間、漲水落水速率等5個方面32個指標,然后計算這些指標在水庫建設前后的均值及變差系數的變化,以此評價水庫運行前后水文情勢的改變情況。變化范圍法(IHA-RVA)在國內外有較多的應用與發展,如Magilligan等[3]采用IHA指標體系分析斷面的流量變化情況以研究大壩的修建對河流原有水文情勢的改變;Gao等[11]采用IHA指標分析了美國189處大壩河流水文改變情況,并指出IHA在指導水庫群調度中的不足,即需要找尋出一套簡單的IHA指標體系以取代常用的33個參數,以便設計出合乎邏輯的水庫運行指導規則;張洪波等[12-16]從實際問題著手,以變化范圍法為基礎分別提出了具有一定針對性的改進方法或生態水文指標體系。

現有研究在單水庫修建前后水文情勢的變化方面成果較多[17-18],但水庫群系統對河流生態系統的累積效應的研究方法與成果不足。水庫群系統對河流生態系統的影響與單水庫系統有所不同,甚至相反[19-20]。水庫群對河流生態系統存在修復和累積效應,單水庫對水文情勢及河流生態影響的線性疊加不等于水庫群對河流水文情勢和生態的綜合影響。同時,流域梯級開發及水庫群分期建設導致用于研究水庫群修建前后的水文序列長度不一致,特別是水庫群修建后的水文序列代表性不足。基于此,本文以拉薩河的梯級水庫開發為例,以1976—2016年長系列日流量系列為基礎,采用MODSIM-DSS構建拉薩河水庫群調度模型,模擬生成現狀年以及規劃年不同數目的水庫群運行條件下主要水文站的日流量過程;采用變化范圍法研究不同數目的水庫群系統對拉薩河徑流的累積影響與規律,建立流域庫容系數(水庫興利庫容與壩址處多年平均徑流量的比值,是反映水庫對徑流量調控能力的無量綱參數)與水文情勢綜合改變度的響應關系,為深入認識新建或待建水庫群的徑流與生態影響以及拉薩河庫容-徑流的互反饋機制提供科學基礎,也為開展拉薩河梯級水庫綜合優化生態調度提供參考。

1 研究區概況

拉薩河位于西藏中南部,全長568 km,流域面積3.18萬km2,是雅魯藏布江五大支流之一。目前,拉薩河干流已建成旁多和直孔兩座水電站,流域內尚有3座水庫處于規劃階段(圖1),已建和規劃水庫的總庫容為20.6 億m3(表1),占拉薩水文站多年平均徑流量的22.6%。

圖1 拉薩河流域水系及干流梯級電站分布

表1 拉薩河干流梯級水電站特征參數

拉薩河流域年平均降水量400～500 mm,拉薩水文站1956—2016年多年平均徑流量為90.9 億m3,占雅魯藏布江總徑流量的6.69%,天然徑流的年際變化相對穩定,不存在明顯的突變年份[21];年內天然徑流主要集中在夏季,6—9月徑流量約占全年徑流量的76%(圖2)。拉薩河干流現有旁多、唐加和拉薩3個水文站(表2)。

圖2 拉薩水文站1956—2016年徑流量過程及月平均徑流量

表2 拉薩河干流水文站基本情況

2 研究方法

2.1 水文情勢改變度評價方法

水庫群的建設與運行改變了河流的水文情勢,量化水文情勢的改變趨勢和改變程度,有利于調整現行的水庫調控措施和規則,盡量減小水文情勢的改變,從而減小對河流生態系統的負面影響。變化范圍法是通過分析河流受擾動前后32個水文因子的數值變化來確定河流生態情勢的改變,在我國黃河流域、長江流域、淮河流域均有應用[22-24]。變化范圍法的水文參數及其生態意義如表3所示。

表3 變化范圍法(IHA-RVA)中水文指標參數及生態意義

統計水庫建設前后變化范圍法(IHA-RVA)水文指標參數的均值和變差系數,共計64個特征參數,反映不同時間序列水文情勢的特征。均值和變差系數計算公式為

(1)

(2)

參數的改變度計算公式為

(3)

式中:dk為第k個參數的改變度,是指受影響后河流水文情勢第k個特征參數相對于受影響前的改變程度;PkA、PkB分別為第k個參數干擾前和干擾后的值;參數k=1～64,a=3。當|dk|<0.33時,參數k為輕度改變;0.33≤|dk|<0.67,參數k為中度改變;|dk|≥0.67,參數k為重度改變。

以所有特征參數改變程度的平均值,表示受影響后河流水文情勢的整體改變情況,即整體改變度DT:

(4)

同樣,當|DT|<0.33時,河流水文情勢整體為輕度改變;0.33≤|DT|<0.67,河流水文情勢整體為中度改變;|DT|≥0.67,河流水文情勢整體為重度改變。

2.2 徑流模擬與生成

2.2.1梯級電站調度規則

旁多水庫正常蓄水位為4 095 m,防洪限制水位4 093.5 m,死水位4 045 m,總庫容12.3億m3,兼具灌溉、防洪、發電等綜合效益,裝機容量160 MW,多年平均發電量為5.38億kW·h。旁多水庫每年6月初開始蓄水,在保證灌溉和供水水量基礎上,按保證出力進行發電調度,蓄至防洪限制水位后維持該水位至9—12月水庫維持正常蓄水位運行,從翌年1月初開始加大水庫出流,至5月末消落至水庫防洪限制水位以下。

直孔水庫正常蓄水位為3 888 m,汛限水位為3 885 m,死水位為3 878 m,總庫容為2.24億m3,主要任務為發電,兼具防洪作用,裝機容量為100 MW,多年平均發電量為4.11億kW·h。直孔水庫每年6月初開始蓄水,按保證出力進行發電調度,蓄至防洪限制水位后維持該水位至9月,9—12月水庫按照天然徑流發電出流,維持正常蓄水位運行,從翌年1月初開始加大水庫出流,至5月末消落至水庫死水位。

依據相關規劃卡多、布崗、格拉沃水庫正常蓄水位分別為4 030 m、3 988 m和3 944 m;死水位分別為4 015 m、3 973 m和3 929 m;裝機容量均為90 MW。規劃水庫的調度規則參考直孔水庫。

2.2.2調度模型構建及驗證

表4 拉薩河干流梯級電站建設前后徑流資料

拉薩河干流梯級電站修建之前的長系列日均流量資料(1976—2000年)較為完整,但梯級電站修建之后的流量系列(2008—2016年)較短,資料代表性不足;規劃水電站對河流水文情勢的影響尚無資料可用。為了分析不同工況下,水庫群調度對拉薩河水文情勢的累積影響,采用MODSIM-DSS構建拉薩河干流梯級電站調度模型(圖3),模擬生成不同工況下水庫群調度后的長系列逐日平均流量系列(表4)。MODSIM-DSS是由美國科羅拉多州立大學開發的水資源綜合管理與調度軟件,具有開源、可視化、大規模等特征,在國內外有較多應用實例[25-26]。

圖3 拉薩河干流梯級電站及水系概化

拉薩河干流梯級電站調度模型采用逐級模擬的方式,即先以旁多水文站1976—2000年實測日均流量數據作為模型的輸入數據,扣除城鎮和灌區引水量,依照旁多水庫調度規則進行模擬調度,旁多水庫出流數據作為下一級水庫的輸入數據。

為驗證MODSIM-DSS模擬徑流的有效性,采用2015—2016年的唐加水文站實測日均流量與工況2的唐加水文站模擬日均流量進行對比分析,結果表明模擬日均流量與實測日均流量存在良好的相關性,相關系數為0.975,納什效率系數為0.947,如圖4所示。

圖4 MODSIM-DSS模擬與實測日平均流量比較

3 結果分析

基于5種工況下模型輸出的1976—2000年逐日平均流量數據與梯級電站修建前的日平均流量數據,采用IHA-RVA計算唐加水文站的水文情勢改變度,結果如圖5所示。計算結果表明,工況2(現狀條件)時,唐加水文站水文情勢綜合改變度為0.21,64個生態水文指標中,5個指標為重度改變,7個指標為中度改變,52個指標為輕度改變,重度改變指標占總指標數量的7.8%,可見旁多和直孔電站的運行已經對拉薩河的水文情勢產生了一定的影響。工況5(剩余3座規劃水庫全部建成后)時,唐加水文站水文情勢綜合改變度為0.41,18個指標為重度改變,10個指標為中度改變,36個指標為輕度改變,重度改變指標占總指標數量28.1%。從工況1至工況5,唐加站水文情勢綜合改變度逐漸增大,重度改變的水文指標數目持續增加,輕度改變的水文指標數目減少(圖6)。綜合旁多、唐加和拉薩水文站的結果分析,隨著水庫數目的增加,多數指標的改變度逐漸增大,即水庫群對水文情勢的影響更顯著;沿著河流流向,下游唐加水文站的水文情勢綜合改變度大于上游旁多水文站;若兩站之間無水庫,區間入流對下游站的水文情勢改變有一定的補償作用,即拉薩水文站綜合改變度小于唐加水文站。

3.1 月平均流量變化

唐加水文站多年月平均徑流量變化表現為:全年徑流總量輕微減少(受城市供水和灌區灌溉用水影響),但年內徑流分布差異加大(圖5(a))。年內各月徑流均值改變度最大的是3月和10月,其中3月受水庫群放水影響,月流量均值和變差系數均大幅改變,改變度分別為0.97和0.91,屬于重度改變;10月受水庫群蓄水影響,月平均徑流量減少了27.4%(圖5(b))。隨著水庫數量增加,其累積影響越顯著,且非汛期的累積影響大于汛期。

圖5 不同工況下唐加水文站32項水文情勢指標均值及變差系數改變度

3.2 年水文極值變化

梯級水庫群對拉薩年水文極值的影響主要表現為1 d、3 d、7 d、90 d最大流量改變較小,1 d、3 d、7 d、90 d最小流量改變明顯;最大和最小流量的變差系數明顯增大(圖5(c)(d))。以1 d極值流量為例,水庫群對水文極值的累積影響逐漸增強。工況1最小1 d流量均值改變度為0.02,屬輕度改變;工況5最小1 d流量均值改變度為0.69,屬于重度改變。工況1最大1 d流量的變差系數為輕微改變,工況2至工況4最大1 d流量的變差系數屬中度改變,改變度分別為0.56、0.56和0.60,工況5最大1 d流量的變差系數為重度改變,改變度為0.70;工況1最小1 d流量變差系數為輕度改變,但工況3至工況5最小1 d流量變差系數為重度改變,改變度分別為0.95、1.0和1.0。唐加水文站3 d、7 d以及90 d的極值流量變化趨勢與1 d極值流量的變化趨勢一致,但變化幅度較小。

3.3 洪水脈沖頻率及漲落速率變化

水庫群的運行導致拉薩水文站洪水脈沖上升與下降的平均速率降低,但洪水上升和下降的變差系數以及發生次數變化沒有明顯規律(圖5(e)(f))。如在洪水脈沖上升與下降次數方面,唐加水文站5種工況的洪水脈沖次數均增加,但拉薩水文站工況1和工況2的洪水脈沖次數減少,工況3至工況5的洪水脈沖次數又增加,即水庫群運行可能導致洪水脈沖次數減少或增加,其影響與實時調度決策相關,存在一定的不確定性。

3.4 綜合改變度分析

對比不同工況下拉薩河干流各水文站的徑流改變度,水庫群的聯合調度對于拉薩河干流水文生態的干擾程度與水庫群總調節庫容大小有關,但兩者并不是單一的線性關系(圖7)。以唐加水文站為例,現狀條件下唐加水文站水文情勢綜合改變度為0.21,為輕度改變;規劃期唐加水文站的水文情勢綜合改變度為0.41,為中度改變。唐加水文站的綜合改變度隨上游水庫群的庫容系數增大而增大,但增大速率呈現“先小后大再小”的特征,即當庫容系數β≤0.1時(表示水庫群調節能力小于月調節能力),綜合改變度隨庫容系數增大緩慢增大;當0.1<β≤0.15時(表示水庫群具有季調節能力),綜合改變度隨庫容系數增大迅速增大;當β>0.15時(表示水庫群接近或具有不完全年調節能力),綜合改變度再次緩慢增大并逐漸逼近極限值。

4 結 論

利用MODSIM-DSS模擬了拉薩河干流不同數目水庫群條件下相同時間尺度的日徑流結果,采用IHA-RVA方法分析了拉薩河干流現狀和規劃水庫群運行對水文情勢的影響,提出了拉薩河干流梯級電站的庫容-徑流響應關系。

a. 現狀條件下,拉薩河唐家水文站水文情勢綜合改變度為0.21,發生了輕度改變,其中,枯季最大流量、汛期最大流量、年最小流量發生時間、洪水漲落次數和高低流量脈沖歷時較其他水文情勢指標改變明顯。

b. 隨著流域水庫數量的增加,水庫建設與運行對水文情勢的負效應增大。規劃期(5座電站全部建成),唐加水文站的水文情勢綜合改變度為0.41,為中度改變,但水庫數目的增加對于徑流特征變化的累積效應并不是線性疊加關系。

c. 從規劃期各站點水文情勢綜合改變度來看,流域水文情勢的綜合改變度隨著流域水庫群的庫容系數增大而增大,增大速率呈現“先小后大再小”的特征,當水庫群接近或具有不完全年調節能力(庫容系數β>0.15)時,水文情勢的綜合改變度逐漸逼近極限值。

本文為研究新建或待建水庫群對河流水文情勢的影響提供了思路和方法,分析了拉薩河干流梯級水庫對徑流的累積影響,為深入開展拉薩河梯級水庫綜合優化生態調度提供了有益參考。但本文僅討論了梯級電站運行對拉薩河水文情勢的影響,未考慮氣候變化、生產生活引水以及土地利用變化等因素的影響。