基于IHA-RVA法的東江源區生態水文情勢變化分析

曾金鳳, 劉祖文, 劉友存, 鄒杰平, 仝興慶, 劉星根, 謝水石

(1.江西理工大學 土木與測繪工程學院, 江西 贛州 341000; 2.江西省贛江上游水文水資源監測中心,江西 贛州 341000; 3.嘉應學院地理科學與旅游學院, 廣東 梅州 514015; 4.江西理工大學 資源與環境工程學院, 江西 贛州 341000)

東江是粵港奧大灣區的重要飲用水源，直接關系到包括港深在內的流域內7 000多萬人民生活用水和生態安全[1]。近年來，隨著東江源區河流水利的頻繁開發及程度的逐步加深，對東江源區水文情勢帶來較大改變。水利工程集中泄水影響了天然水文過程，直接或間接地改變了流域內重要物種的生境，影響物種的分布和群落結構[2]，進而對東江流域生態系統產生深遠影響[3-4]。

當前，有關水利工程建設產生的生態水文效應的研究，國內外學者進行了一系列的研究工作。自從Richter[5]1997年首次提出水文改變指標法(indicators of hydrologic alteration, IHA)的概念以來，并將它應用于人類活動對河流徑流過程的影響的評價，構建了河流的生態流量管理模式。隨后，Galat等[6]和陳啟慧等[7]分別應用IHA方法對密蘇里河徑流水文情勢的變化和葛洲壩的建設對長江徑流過程產生的影響進行分析。不久，Richter等[8]又提出了河流生態恢復研究的變動范圍法RVA(range of variability approach)，認為該方法能夠有效地評估筑壩對河流生態水文情勢的影響。Irwin等[9]將RVA法運用于1924—1980年和1984—1996年Tallapoos河流量特征的變化的評價中。此后，學者們將IHA和RVA進行有機地結合，形成生態水文指標變化范圍(IHA-RVA)法，并進行廣泛的應用，如李舒等[10]針對窟野河受水土保持、煤礦開采影響的水文情勢指標變化情況，Mwedzi等[11]針對津巴布韋境內Manyame流域建壩后不同斷面的水文指標改變程度分別進行分析評價。近年來，針對東江流域水文特征及環境變化的研究，國內有學者也開展相關工作，例如胡娜等[12]人分析了楓樹壩水庫建設對東江干流中上游龍川站水文情勢影響，胡曉張等[13]人從近30 a來東江大規模人工采砂而引起的河床下切視角分析東江中下游河道近期洪水水文情勢變化。總之，無論是IHA法、RVA法，還是目前逐步廣泛運用的IHA-RVA法，在探討人類活動尤其是水利工程對水文情勢影響的研究方面都取得了可喜的成果，為水資源承載力和生態水文情形研究提供了科學依據。然而，針對亞熱帶典型山地丘陵、水量豐沛流域的水文生態過程受水利工程影響的分析研究還不多見。為此，本文以江西省境內東江源為例，重點探討流域水電工程修建前后對流域水生態水文指標變化的影響，并以魚類資源變化加以佐證，不僅為明確流域生態修復目標和采取生態修復措施提供參考依據，也為水利部水環境水生態監測試點工作開展提供經驗。

1 區域概況

東江源區位于武夷山南端余脈與南嶺余脈的綿延地帶，屬亞熱帶南緣，地形以低山和丘陵為主，地勢為東、北、西面高，南面低。流域面積約3 524.0 km2，占東江流域面積的13.0%。源區屬于典型的亞熱帶丘陵區濕潤季風氣候，水量豐沛，年均降水量1 615.00 mm，年際變化較大，極值比約為2.5，豐—枯年交替出現，且降水年內差異顯著，在汛期(4—9月)部分地區洪澇災害頻發。降水是流域徑流的主要補給來源，徑流的年內分配與降水的年內分配基本一致。源區主要包括干流尋烏水和一級支流定南水兩條水系，分別設有控制性水文站尋烏水背水文站和定南勝前水文站。干流水背水文站上游的南龍水庫為引水式電站，2005年建成投入使用，總庫容4.50×105m3，最大泄洪流量為3 991 m3/s，兼顧防洪、發電、供水、灌溉。支流定南勝前水文站上游的黎屋電站為日調節水庫，1997年建成運行，總庫容為2.52×106m3，最大泄洪流量為209.8 m3/s，兼顧防洪、發電。

2 數據與方法

研究選取尋烏水背水文站、定南勝前水文站1980—2020年實測逐日平均流量分析建庫前后水文情勢變化。日平均流量數據是以該站的水位過程線為基礎，通過該站的水位—流量關系轉化成流量過程線，再用面積包圍法計算所得，其資料來源于贛江上游水文水資源監測中心水文年鑒。基于水文改變指標法(IHA)的變化范圍法(RVA)進行尋烏水背水文站和定南勝前水文站突變前后的水文改變程度評價，以IHA指標計算的結果分析東江源區水文突變前后整體水文情勢變化。

2.1 水文改變指標

Richter等[14]提出的IHA，包含33個水文參數，并依據水文情勢的5種基本特征劃分水文指標，綜合流量、時間、頻率、延時和改變率等方面評價河流水文狀態的改變。因東江源區未出現斷流情況，不考慮零流量天數，調整后的IHA參數詳見表1。

表1 水文改變指標法(IHA)流量參數指標

2.2 變化范圍

Richter等[15-16]提出水文變化范圍(RVA)，以各指標的平均值±δ(標準差)或者以頻率75%和25%作為RVA的目標邊界。若水文變異后受影響的流量記錄仍有部分落在RVA目標內，則說明水文變異對河流有輕微影響，仍屬于自然流量的變化范圍；若受影響的流量記錄落在RVA目標范圍外，則表明水文變異給河流的生態系統帶來嚴重的負面影響[4,14-15]。

2.3 水文改變指標

(1) 單個指標改變度。運用Richter等以水文改變度來量化評估水文指標受干擾后的變化程度，計算公式為：

(1)

Ne=r·NT

(2)

式中：Di為第i個IHA的水文改變度;Noi為第i個IHA的實際觀測年數,指標變異后IHA仍落于RVA目標范圍內的實際觀測年數;Ne預期年數,指標變異后IHA預期落于RVA目標范圍內的預測年數;r為變異前IHA落于RVA目標范圍內的比例；NT為變異后受影響的徑流量記錄總年數[17]。

(2) 綜合指標改變度。基于每個指標的變異程度Di，變異后序列總的水文變異程度D計算公式為：

(3)

式中：D為流域整體的水文改變度，0≤D<33%屬于未改變或者低度改變；33%≤D<67%屬于中度改變；67%≤D≤100 %屬于高度改變[18-19]。

3 結果與討論

3.1 研究階段的劃分

為了定量評估東江源區水文改變程度，以兩個水電站建成時間1997和2005年為分界，將水背水文站和定南勝前水文站的歷年逐日數據劃分為兩個時段，1980—1997年、1980—2005年為水文突變前自然狀態下的基準流量研究時段。1998—2020年、2006—2020年作為水文突變后的流量改變序列研究時段。運用IHA和RVA法計算水文突變前后的水文改變程度。在此基礎上，以指標參數頻率75%和25%作為生態水文目標的上、下限閾值。

3.2 水文突變前后水文改變度分析

3.2.1 月均值流量變化 從圖1可知，尋烏水背水文站和定南勝前水文站的月均值流量變化最大均發生汛期4—9月，月均流量值水文改變度分別為45.0%和43.9%，呈中度改變。尋烏水背水文站在11月至次年的2月流量有不同程度的增加，3—6月有不同程度的減少，5月減少最大。尋烏水流域水文突變年份為1997年，突變后3—6月流量比突變前減少2～10 m3/s，其他月份不同程度增加。2—4月降雨量比突變前減少40～60 mm，可能是月均流量改變的重要因素，兩者的時間差異表明尋烏水流域降雨徑流的時滯特性；同時，與突變前相比，尋烏水流域春季降雨偏少，水電站增加蓄水，從而導致春末夏初(5月)流量顯著減少。定南勝前水文站3月、4月、10月有所減少，其他月份有不程度地增加。定南水水文突變年份為2005年，突變后5—8月流量比突變前增加4～8 m3/s，其他月份呈現不同程度增加或減少，5—7月降雨量比突變前增加20～60 mm。尋烏水和定南水月均流量及降雨量的變化略有不同，主要表現在春季降雨(2—4月)顯著減少條件下，尋烏水春季流量顯著減少，定南水3—4月流量呈現一定程度減少，而5月流量顯著增加。兩者變化差異可能與流域下墊面產流特性、水電站調節運行能力有關，間接表明尋烏水流域水庫塘壩的水量調蓄能力可能比定南水流域的調蓄能力更強。

圖1 突變前后月均徑流量及降雨量差值

3.2.2 年極值流量變化 圖2分別為水文站最大1 d，最小1 d流量變化圖。兩個站的平均極大值有所減小，閾值范圍有所收縮，體現了水庫的防洪效益。尋烏水背水文站年均1 d最小流量在水文突變的影響下呈上升趨勢，而最大流量在突變影響下呈下降趨勢，部分超出RVA閾值，且波動范圍收緊，這表明水文突變使得年內低流量增加，大流量減小，水文突變后的極端流量事件處于一個穩定的范圍，提升了河岸生態系統的穩定性；定南勝前水文站年均1 d最小流量變化不明顯，而1 d最大流量增大，且波動范圍略有縮減，表明水文突變后的低流量事件范圍相對穩定。

圖2 東江源區各水文站極值流量變化

3.2.3 年極端流量發生時間 表2為研究區各水文站極端流量發生時間。

由表2可知，尋烏水背水文站最小、最大流量出現時間的均值在突變后發生了提前，最小流量由2月的中上旬提前到1月中下旬，最大流量由5月中上旬提前到4月中下旬，變化范圍在半個月內，改變度小，證明受流域內水利工程調度的影響很小。徑流式或不完全日調節水庫對洪水調節能力小，這由其水庫性能決定；自然流態下的河道最低流量出現時間因氣候的變化具有不穩定性，定南水最小流量時間提前，出現時間閾值范圍收緊，表示水文變異維持了最小流量發生時間的穩定性。最大流量時間推后，改變度90.67%屬于嚴重改變，極大值的改變可能對生物棲息地以及魚類洄卵生產較大的影響[20]。

表2 東江源區各水文站極端流量發生時間

3.2.4 高、低流量脈沖的頻率及歷時 除自然環境因素影響外，東江源區脈沖受上游水電站的影響比較小。尋烏水背水文站低脈沖改變度為中度，其他3個指標及定南勝前水文站的4個指標均為低改變度。突變后尋烏水背水文站和定南勝前水文站的高、低脈沖次數均增多，歷時變短。低脈沖次數以及歷時的變短將使流域旱季水量減少。定南勝前水文站超出高脈沖RVA上限的部分增多，高脈沖的發生次數的增加，將不利于汛期過度(圖3)。低脈沖時間的縮短則使得河道、河灘的受水情況趨于穩定，有利于該區間生態平衡的健康發展，但是高流量平均時間的縮短又給河道及沿岸的生態環境的發展前景注入了不確定性[21]。

圖3 東江源區各水文站突變前后高低脈沖次數變化

3.2.5 流量改變率及頻率 圖4為突變前后流量逆轉次數變化情況。由圖4可知，尋烏水背水文站的流量平均漲水率下降，退水率上升，水文改變較顯著為56.5%，說明流量總體呈減少趨勢，水文站下泄流量變化較大；定南勝前水文站的流量平均退水速率和漲水速率均有所上升，漲水速率呈低度改變，為21.3%。流量逆轉水文改變較顯著，為65.3%，為中度改變。反映突變過程在調峰和調頻過程對下泄流量造成較大影響。流量變化改變率及頻率的增加或減少將給河流生物群落帶來一定的影響。由于生態系統對外界環境變化的承載能力有限，河流生態系統穩定將受到流量變化及頻率的影響。特別是流量逆轉次數的改變，會直接影響水生動植物的生存環境，阻礙水生動植物的生長[22]。

圖4 東江源區各水文站流量逆轉頻次變化

3.2.6 整體水文改變度 分析水文改變程度的不同，反映了河流水文突變對水文情勢的影響程度。計算出尋烏水背水文站和定南勝前水文站在突變前后32個水文指標絕對值的改變度，并繪制3等級的水文改變度。

由圖5可知，受突變的影響，尋烏水背水文站32個水文指標中。最大1 d流量、1月均值流量出現時間、變換次數的水文改變度達到100%，高度改變占比18.8%；中度改變占40.6%，低度改變占46.8%，表明尋烏水流量在整個突變前后的改變較大。定南勝前水文站的多數指標為低改變度，占比62.5%為最高，中度改變占比28.1%次之，高度改變占比僅9.38%，5月平均流量改變度達到100%。表明定南勝前水文站流量在整個突變前后的改變比較小，并有向好趨勢。從表3分析，整個東江源區變化度為中度改變50.1%，除高低流量的頻率及延時低改變度26.3%外，其他4組均為中度改變。在空間上，水電工程對尋烏水水文情勢的影響比定南水大。

圖5 東江源區水文情勢整體改變度

表3 東江源區流量系列整體水文改變度

3.2.7 水文改變度與魚類資源的響應分析 東江源區域的河床多碎石，水流變化急緩結合，深潭與淺灘交錯，為不同生態類型的魚類提供良好的棲息場所。根據上文分析，水電站蓄水對東江源河流生態水文情勢受產生一定程度的影響。水庫蓄水后，相比天然河道狀態下，庫區及壩址以上回水區域內流速均減緩。庫區流速由急流向緩流的轉變，對庫區魚類種群結構及魚類繁殖都有一定影響[23]。利用水電站調節年內分布的豐枯水量不均，使下泄流量過程趨向于均一化，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，進而還會導致與水文相關的含沙量、河流形態、河流水生生物群落等發生相應的變化，從而影響到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[24]。水電站不同調度運行方式對下游河流生態水文情勢的影響時間及其程度存在一定差異。4—6月為東江源區主汛期，水庫防洪泄水，使壩下游的漲水過程發生變化，均衡地下泄水量，一定程度上使得下游河流的漲水過程坦化，水位變幅減小，使魚類第一次產卵的信號減弱或消失。洪水過程單一的漲落過程，且持續時間變短，連續日流量上漲率減小，洪峰最高流量降低，魚類繁殖活動受到抑制，產卵規模也會由繁殖季節漲水過程的改變逐年下降[24]。鄒多錄[25]于1983—1984年對尋烏水項山至留車河段進行了漁業資源調查，共調查到57種魚類，隸屬于6目14科31屬。鄧風云等[26]在2010—2011年對整個東江源區的魚類進行了調查，共計采到魚類7目18科56屬74種。2019—2020年，本研究調查東江源區魚類種類，數量存在著明顯下降。與歷史數據相比，本次調查的數據與范圍、頻次、捕撈方式有關，但社會經濟發展與人為活動對魚類的影響不容忽視，該區域自然環境變化，流域內修建水電站導致魚群孵化區受淹，“四大家魚”產卵場逐漸消失，梯級水壩嚴重影響洄游性魚類(如日本鰻鱺)正常的生活史，進一步驗證水利工程對水文生態的影響。

4 結 論

(1) 以IHA指標體系為基礎，采用改進的RVA法分析水利工程對東江源區兩條主要河流的生態水文情勢的影響，上游水電站建設運行后對河流的控制程度較大，水文改變度50.1%，對東江源河流徑流產生較大影響：極值流量增加，歷時提前，流量總體呈減少，低脈沖次數增加等，這些水文節律的變化對下游河道水生生物的棲息環境、洄游及產卵等產生影響，魚類資源減少。

(2) 因本次研究僅有魚類的前后對比資料，使得水文指標和生態系統其他指標如浮游動植物、底棲動物、水生植物等的響應關系定量實證分析不足，應進一步搜集水文情勢變化前后的生態資料，更為深入地分析其間的響應機理。