氣候變化和水利工程對丹江口大壩下游水文情勢的影響

班 璇，師崇文，郭 輝，舒 鵬

(1.中國科學院測量與地球物理研究所環境與災害監測評估湖北省重點實驗室，湖北 武漢 430077；2.中南民族大學資源與環境學院, 湖北 武漢 430074； 3.長江科學院水力學研究所，湖北 武漢 430010；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)

隨著社會經濟的快速發展，人類對水資源的開發程度不斷增大，修建了大量水利工程，如在河流上筑壩修建水庫、調水工程、抽水工程等[1]。水利工程建設在帶來經濟和社會效益的同時，也人為地改變了河流的水文循環格局及自然水文情勢，對河流及其周圍生態系統產生了深遠影響[2-7]。水文情勢是塑造河流生態系統結構和功能特征的關鍵性因子，影響著河流生態系統的各個方面[5,8-11]，其變化對生態環境的影響是長期的、緩慢的、潛在的[6]。南水北調中線工程的調水對漢江流域中下游水文情勢產生了重大影響[2,10]。此外，全球氣候變暖導致的降水量異常變化[12-13]對漢江流域的水資源和生態環境也產生了深刻影響[8,14-15]。漢江中下游同時受到梯級大壩、調水工程以及氣候變化的疊加影響，其水文情勢變化的驅動力非常復雜。各個影響因素如何影響丹江口下游漢江干流的水文情勢，水文情勢的改變又會引起哪些生態效應，這些是目前進行漢江下游水資源合理配置需要解決的首要科學問題。

本文以丹江口下游黃家港水文站的水文情勢變化為切入點，綜合分析了丹江口大壩、王甫洲大壩、氣候變化、南水北調中線工程疊加影響下的丹江口大壩下游水文情勢的變化趨勢與規律，以期能為漢江中下游流域生態環境保護和水資源合理配置提供科學依據。

1 研究區概況和研究方法

1.1 研究區域概況

漢江流域面積約為15.9萬km2，屬亞熱帶季風區，年降水量873 mm，水量較豐沛，但年內分配不均，年際豐枯變化懸殊，5—10月徑流量約占全年75%。漢江流域水能資源豐富，漢江中下游規劃了9級水利樞紐，依次為孤山、丹江口( 1973年建成)、王甫洲( 2001年建成)、新集、崔家營( 2010年建成)、雅口、碾盤山、華家灣、興隆( 2013年建成) (圖1)。9級水利樞紐、南水北調中線工程、引漢濟渭、引江濟漢等多重調水工程對漢江流域的水文情勢產生了極大影響。黃家港站作為丹江口水庫的出庫控制站，其流量和水位變化主要受丹江口水庫調蓄、南水北調調水以及王甫洲水庫回水等的影響，以及漢江中下游流域自1991年從多雨期轉入少雨期的氣候變化影響[16]。因此，該水文站的水文情勢變化主要受梯級大壩、氣候變化、水庫調水的疊加作用，其驅動機制非常復雜。

圖1 漢江流域示意圖

為分析各因素對黃家港站水文情勢的影響程度，筆者將該站的歷史水文情勢變化分為5個階段(圖2)：丹江口水庫蓄水前的時期為未受人類活動影響的基準期(1965—1973年)；1974年丹江口大壩蓄水后，氣候突變前的時期為影響Ⅰ期(1974—1990年)；1991年氣候突變后，修建王甫洲大壩前的時期為影響Ⅱ期(1991—2000年)；2001年修建王甫洲大壩后，南水北調之前的時期為影響Ⅲ期(2001—2013年)；南水北調之后的時期為影響Ⅳ期(2014—2017年)。將不同影響期的水文數據與基準期進行比較，分析不同影響期水文情勢的變化趨勢。

圖2 黃家港站1965—2017年均流量過程線

1.2 水文變化指標及變化范圍法簡介

1996年Richter等[17]提出了一系列能夠代表河流水文情勢與生態關系的指標，包括5組共33個描述流量過程的月均值、極值、極值出現時間、高/低流量脈沖的頻率和持續時間、水文條件變化的速率及頻率的水文變化指標(indicators of hydrology alteration, IHA)，IHA 指標具有一定的生態學含義，具體求法與含義參見文獻[17]。變化范圍法(range of variability approach, RVA)建立在IHA指標改變度的基礎上，其核心是將處于自然狀態下的長期水文資料作為定義水文變量變化范圍的基礎。郭文獻等[18-19]提出以各IHA指標計算結果的中值加減一個標準差作為RVA的目標范圍類別，將IHA指標排序后進行頻率計算，采用發生頻率為75%和25%的值作為各IHA指標參數的上限、下限，小于25%為低RVA類別，大于75%為高RVA類別，25%～75%為中RVA類別。

人類干擾前后河流水文變量的變化程度，可通過水文改變度D量化計算[20]。D的絕對值處于0～33%、33%～67%、67%～100% 區間時分別表示低改變度(L)、中改變度(M)、高改變度(H)，以此衡量水文變量相對基準值的偏離程度。

此外，用不同影響期IHA指標的中值與基準值相比較偏離的百分比和離散系數的偏移度檢驗IHA指標的變化相較于影響前是否有顯著差異以及變化趨勢。其顯著性分析可以檢驗IHA指標的偏移度差異在統計分析中是否顯著，其原理是隨機打亂所有年份的輸入數據，并重新計算影響前和影響后的中值和離散系數1 000次，顯著性計數是中值和離散系數的偏差值大于實測值的百分比。因此，低顯著性計數(最小值為0)代表影響前和影響后時期的差異非常顯著，而高顯著性計數(最大值為1)代表影響前和影響后時期的差異非常小[18]。

偏移度的計算公式為

P=(P影響后-P影響前)/P影響前

(1)

式中：P為 IHA指標的偏移度；P影響前為各IHA指標在影響前時期內的平均值；P影響后為各IHA指標在影響后時期內的平均值。

1.3 水文統計參數說明

表1 不同影響期水文指標中值偏移度

文中用到的其他參數：①年均流量[20-22]反映一年內斷面流量的中值狀況。②年均變異系數[23-24]：日均流量的標準偏差與年均流量之比，反映流量在一年內的波動程度。③流量的可預測性[25]：該值的范圍在0～1之間，可以反映流量的穩定性狀況。由測量流量時間不變性的穩定性參數C和測量流量周期性的偶然性參數M組成，具有非常穩定流量的河流可預測性主要由C確定，而具有固定周期的高度可變流量的河流可預測性主要由M決定。④60 d內的洪水最大發生率[26-27]：在有記錄的所有年份60 d內發生洪水的最大比例。洪水被定義為任何超過高脈沖閾值的水流。⑤無汛期長度[28]：所有水文年中流量達到或低于每年高脈沖閾值的最長周期天數。

2 結果分析

2.1 不同影響期水文指標變化及生態影響

不同影響期水文指標的中值偏移度見表1。

a. 月中值流量的變化(圖3(a))。與基準期相比，整體上是1—3月的流量增加，4—12月的流量減少。影響Ⅰ期受丹江口大壩影響，月中值流量枯水期增加(1—3月)，流量月均變化過程波動減少，流量峰值從7月推遲到9月。影響Ⅱ期疊加了氣候變化的影響，流量波動趨勢與影響I期類似，但量值大小大幅度降低。影響Ⅲ期疊加了梯級大壩回水的影響，流量有所增加，峰值出現在7月。影響Ⅳ期南水北調工程實施后，下游各月份流量顯著減少，流量波動趨勢消失。該結果說明丹江口大壩的修建使下游河道枯水期的流量增加，豐水期和平水期的流量減少。氣候變化降雨減少的影響使各月份流量整體減少。梯級大壩的回水使流量增加，峰值的出現時間提前。南水北調實施調水后，各月份流量大幅度減少，而且峰值和流量波動消失，沒有了流量波動多樣性的過程，下游水生態系統將會受到嚴重影響。

由于不同時期人類活動和氣候變化的影響，丹江口大壩下游河道月中值流量的變化趨勢處于一個波動調整的狀態，這種變化不利于穩定水生態系統的建成。流量變化幅度和年極大值的減小對水生生物的種群穩定性造成了較大影響，它的波動將使水生生物的生存空間和優勢種群都處于波動的過程中。據調查，漢江干流修建一系列梯級大壩后，漢江下游的底棲生物物種種群結構發生了變化，原有的優勢種鉤蝦、多距石蛾和紋石蛾等物種消亡或淪為稀有種，取而代之的是喜靜水的淡水殼菜、水絲蚓、蘇氏尾鰓蚓等耐污種[28]。

b. 年極端水文條件的大小變化(圖3(b))。與基準期相比，整體上是年極小值無明顯改變，年極大值流量從影響Ⅱ期起顯著減少。年極值流量變化結果說明丹江口大壩疊加降雨減少的氣候變化影響后使年極大值流量顯著減少，使得水生生物的生存空間也相應減少。

c. 年極端水文條件的出現時間(圖3(c))。與基準期相比，整體上是年極小值提前，年極大值發生的時間無明顯變化。梯級大壩使年極小值從以前的1月提前到12月，南水北調工程實施后使年極大值從7月提前到6月。

年極值發生時間往往是水生生物進行繁殖的信號，它的改變會影響水生生物的繁殖過程。研究發現在漢江干流修建一系列的梯級樞紐后，漢江中下游產漂流性卵魚類的產卵場萎縮退化、繁殖期縮短、產卵量明顯下降[29]。

d. 高、低流量脈沖的頻率和持續時間(圖3(d))。與基準期相比，整體上是低流量脈沖的次數增加，高流量脈沖次數減少，高/低流量脈沖持續時間減少。丹江口大壩的修建使下游河道高、低流量脈沖的次數增加，降雨減少增加了低流量脈沖次數，使高流量脈沖的次數從增加狀態轉為減少。梯級大壩的回水削弱了低流量脈沖次數增加的幅度，而調水又極大地加劇了低流量脈沖次數增加的幅度，并使高流量脈沖的次數從減少狀態轉為增加。

該水文指標主要影響河道與洪泛區間的營養與有機物的交換，它的減少對洪泛區水生生物棲息地的穩定性造成不利影響。調查顯示，梯級大壩修建后在漢江中游丹江口至襄樊江段,由于水流更緩,水生植物尤其是沉水植物如狐尾藻、穿葉眼子菜、竹葉眼子菜等和挺水植物分布面積擴大,生物量增加；調水后漢江下游水生植物分布面積萎縮,群落生物量將減少,生物多樣性下降,水生植物分布更趨于單一化和斑塊化[30]。

e. 水文條件改變的速率及頻率(圖3(e))。與基準期相比較，整體上是漲水率和退水率均增加，流量逆轉次數增加。丹江口大壩蓄水使下游流量的漲水率和退水率增加，隨著降雨減少，梯級大壩回水，以及調水的影響漲水率增加幅度逐漸減小。退水率的增加幅度在不同影響期呈現波動的狀態。該結果表明調水削弱了該組水文指標的變化幅度，這會影響漢江流域四大家魚的繁殖狀況，造成其產卵比重顯著下降[29]。此外，還對河濱帶植被造成干旱脅迫。

2.2 不同影響期水文指標離散系數的偏移度分析

離散系數反映了不同影響期水文指標的年際變化幅度。由圖4可知，除了退水率外，其他水文指標的離散系數整體上較基準期呈增加趨勢。年極大值，高、低流量脈沖的頻率與持續時間的離散系數的偏移度較大。該結果說明氣候變化使高流量持續時間的離散系數大幅度增加，年際變化幅度變大；梯級大壩的回水影響使年最大值流量的離散系數增加，年際變化幅度變大；調水使10月的月中值流量和年極大值的離散系數增加，年際變化幅度變大。

2.3 不同影響期水文指標的改變度分析

圖4 不同影響期水文指標離散系數的偏移度

圖5 不同影響期水文指標的改變度

由圖5可知，影響Ⅰ期受丹江口大壩的影響，月中值流量的改變度在8月和9月達到一個較大的峰值；連續30 d、90 d年最小流量以及高流量脈沖的持續時間、流量逆轉次數的綜合改變度較大。影響Ⅱ期受降雨減少的影響，月中值流量的改變度峰值延后到了10月，連續30 d、90 d年最小流量稍微增加，但年極大流量的改變度大幅增加。影響Ⅲ期，月中值流量改變度最大的月從10月推遲到12月，年極小值的流量改變度大幅增加。該結果說明大壩的修建改變了豐水期的流量，而降雨量的減少，使流量的改變延后到10月，梯級大壩的影響使受影響的流量月份再次延后到12月；年極小值的改變度較大，降雨量的減少和梯級大壩的修建都加劇了對年極小值的影響；高流量脈沖的持續時間和流量的逆轉次數改變度也較大，梯級大壩的修建加劇了這種影響。由于影響Ⅳ期的實測資料年數較少，在統計學上其代表性可能不佳，所以不對影響Ⅳ期進行分析。

2.4 不同影響期的其他水文指標的分析

表2的結果顯示降雨減少的氣候變化和大壩的修建使多年平均流量減少，流量的變異系數減少，流量的可預測性增加，非汛期的長度減少；梯級大壩的回水使多年平均流量增加，非汛期的長度減少；水庫調水使多年平均流量減少，變異系數增加，非汛期的長度增加。

3 結 語

通過分析氣候變化、梯級大壩、南水北調等水利工程對丹江口大壩下游黃家港站水文與水生態的影響，確定了不同時期水文變化的趨勢與可能引起的生態效應。1974年丹江口大壩的修建使下游河道枯水期的流量增加，豐水期和平水期的流量減少；年極小值和基流指數增加，發生時間提前；高、低流量脈沖的頻率增加，持續時間減小；流量逆轉次數增加。1991年漢江流域從多雨期轉入少雨期后，各月份的月中值流量和年極大值流量減少，低流量脈沖次數增加，高流量脈沖次數從增加狀態轉為減少。2001年丹江口下游梯級大壩的修建，黃家港水文站受到王甫洲大壩回水的影響，月中值流量和年極小值增加，發生時間提前。2013年開始實施南水北調后，月中值流量和年極小值大幅度減少，高/低流量脈沖次數增加，漲水率增加的幅度減小。不同時期不同的影響因素造成的水文情勢的波動不利于形成穩定的水生態系統，并且對魚類的產卵繁殖、底棲生物以及河濱帶植被都造成了一定的影響。后期針對各種群的生長特征和保護目標，建議開展生態調度，從而削弱對漢江中下游水生生物的影響。

表2 其他水文指標