潑河水庫對潢河徑流過程及水文情勢的影響

張文浩，瞿思敏，徐 瑤,石 朋

(1.河海大學水文水資源學院，江蘇 南京 210098; 2.江蘇省水利科教中心，江蘇 南京 210003)

淮河流域是我國七大流域之一，處于我國南北氣候過渡帶，在我國經(jīng)濟社會發(fā)展全局中占有十分重要的地位。淮河流域水利工程建設在20世紀70—80年代達到了頂峰，但自20世紀70年代以來，流域內(nèi)出現(xiàn)了河流干涸、泥沙淤積、水污染事件頻發(fā)等問題[1-2]，且淮河干流的洪水發(fā)生時間、頻率、量級、過程、組合遭遇等特征都發(fā)生了明顯的變化。這些問題與水利工程調(diào)控作用的關(guān)系以及如何定量評估其影響，是淮河流域綜合治理中亟待解決的關(guān)鍵問題之一。

滑動平均法、Mann-Kendall檢驗方法[3-4]是當前年徑流趨勢變化分析較為成熟的方法，滑動平均法最為簡單、直觀，因而得到了廣泛的應用[5]。馬聰?shù)萚6]采用Mann-Kendall秩次相關(guān)法分析了漢江1970—2010年徑流變化，結(jié)果表明，安康水庫建成運行后徑流年最大、最小值以及多年平均徑流量均呈下降趨勢，徑流年內(nèi)、年際間差異減小，從而驗證了水庫建設對徑流過程均勻化的顯著影響。水利工程對年內(nèi)徑流分配的影響也是當前國內(nèi)外探討的一個熱點[7]，涂新軍等[8]使用集中系數(shù)法分析了東江流域的徑流年內(nèi)分配特征，得出了東江徑流的年內(nèi)分配不受時段長取值影響的結(jié)論；Richter等[9]提出IHA(indicators of hydrologic alteration)法用于研究人類活動對水文自然形勢的影響，陳啟慧等[10]采用該方法研究了葛洲壩的建設對長江徑流過程產(chǎn)生的影響，結(jié)果顯示葛洲壩對河流的徑流過程改變不大，但依然有一定的消峰坦化作用。

本文基于淮河流域支流潢河流域的潢川、干流的淮濱兩個水文站相關(guān)數(shù)據(jù)，采用集中度與集中期等多種指標判斷潑河水庫修建對潢河下游河道徑流年內(nèi)分配的影響，采用IHA法評價潑河水庫對其下游小流域生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生的影響，以期為潢河流域綜合治理提供參考。

1 研究區(qū)概況

潢河(又名小潢河)是淮河上游重要的支流，河段全長140 km，流域面積2 400 km2，屬亞熱帶濕潤季風氣候區(qū)。歷史上潢河流域內(nèi)的水旱災害頻繁，20世紀50年代開始對潢河干流進行了治理，1970年在其中游建了一座大型水庫——潑河水庫。

潑河水庫位于大別山北麓，坐落在淮河流域黃河支流潑陂河上，水庫控制流域面積222 km2。水庫以上多年平均降水量1 260 mm，降水主要集中在7—8月，汛期6—9月來水量占多年平均來水的51.8%。大量且集中的降水容易造成嚴重的洪水災害。水庫多年平均徑流深約為772 mm，實測最大入庫流量為10 200 m3/s(1969年7月)。

本文基于淮河水利委員會編撰的1952—2012年水文年鑒中潑河水庫下游潢川、淮濱兩個水文站的逐日降雨資料和逐日徑流資料，分析潑河水庫對下游徑流及水文情勢的影響。

2 研究方法

2.1 年際變化分析

采用滑動平均法和Mann-Kendall檢驗方法對潢川、淮濱兩個水文站1952—2012年的日平均徑流資料進行分析。

2.2 年內(nèi)變化分析

a. 集中程度指標。以“月”為控制時段，可將一年內(nèi)所有月份的徑流量看作向量，月徑流量的大小作為該月徑流矢量的模，即徑向距離；所在的月份(或日期)作為徑流矢量的方向，用圓周(將圓周的度數(shù)360°視作一年的365 d，1 d相當于0.986 3°)方位來表示，將一年中各月徑流矢量求和，合矢量模與年徑流的比值為年徑流集中度，合矢量方向為年徑流集中期。集中度很好地表達了徑流年內(nèi)的非均勻分布特性，集中期則客觀地反映了一年中最大徑流量出現(xiàn)的時間。

b. 不均勻性指標。常采用不均勻系數(shù)反映徑流年內(nèi)分配的不均勻性。不均勻系數(shù)為年內(nèi)各時段平均流量的均方差與年平均流量的比值，與水文學中常用的變差系數(shù)的內(nèi)涵相當。

c. 變幅指標。采用極值比來反映徑流年內(nèi)分配的相對變化幅度[11]。徑流年內(nèi)變化幅度的大小對于水利調(diào)節(jié)和水生生物的生長繁殖都有重要的影響。變化幅度越大表明水資源的開發(fā)利用難度相應越大，過于平穩(wěn)或者過于激烈的變化幅度均為不利的水生生物生境，威脅河流生態(tài)安全。

2.3 IHA法

IHA法根據(jù)河流的日水文資料，計算影響生態(tài)環(huán)境意義的關(guān)鍵水文特征值，并計算它們年際的集中指標(如中位數(shù)、平均值)和離散指標(如范圍、標準偏差、變異系數(shù))，以對人類活動干擾前、后的河流徑流模式進行描述。IHA法特別適用于有著長系列觀測資料的河流分析對比人類的影響[12]。

3 結(jié)果與分析

3.1 徑流年際變化

圖1為潢川站1965—2012年和淮濱站1952—2005年年平均流量及5年滑動平均曲線，表1為對兩站資料進行Mann-Kendall檢驗分析的結(jié)果。

(a) 潢川站

表1 潢河年徑流量Mann-Kendall檢驗結(jié)果

如圖1及表1所示，兩站年徑流變化趨勢相似，Mann-Kendall檢驗值均在0.6左右，年徑流總體上均呈現(xiàn)一定的上升趨勢，其中1958—1963年呈上升趨勢，1964—1970年呈下降趨勢，1971—1980年上升后總體上在較長一段時間內(nèi)保持了較為規(guī)律的趨勢波動。可見在潑河水庫修建(1970年)前后兩站徑流年際變化趨勢并未發(fā)生明顯的改變，說明潑河水庫并未對流域的年徑流產(chǎn)生較大影響。

3.2 徑流年內(nèi)變化

因淮濱站位于淮河干流，所測得的數(shù)據(jù)受到的擾動因素較多，本文僅對較具代表性的潢川站數(shù)據(jù)進行分析。潢川站1955—2012年徑流指標分析結(jié)果見圖2～4，其變化特征值見表2。

(a) 集中度

圖3 潢川站年徑流不均勻系數(shù)年際變化

圖4 潢川站年徑流極值比年際變化

表2 潢川站年徑流年內(nèi)變化特征值

由表2可知，潢川站年徑流集中度均值為5.81，最大值與最小值相差明顯，1952—2012年總體呈下降趨勢；集中期均值為169.56，極值差異同樣明顯，與集中度的下降趨勢相吻合；由圖3和圖4可直觀看出，潢川站年徑流不均勻系數(shù)和極值比多年下降趨勢均較為明顯。可見潢川站年徑流趨向于均勻化。

3.3 IHA法分析

為對比潑河水庫修建前后潢河徑流特性，以潑河水庫建成的1970年為分界點，將1955—2012年水文序列劃分為干擾前時段(1955—1970年)和干擾后時段(1971—2012年)。建庫前的資料系列長度為16 a，小于IHA法要求的20 a，但在此認為大體上能反映出修建水庫前的情況。

月均徑流量計算結(jié)果見圖5，潢川建庫后月均徑流量分布明顯趨于平滑，此變化將造成河道沿岸形態(tài)的轉(zhuǎn)變，進而對原有的河流生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生一定程度上的影響，宏觀上提高了該流域的生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性。

圖5 潑河水庫建庫前后潢川站月均徑流量變化

不同持續(xù)時間下極值計算結(jié)果見表3，潑河水庫建成后，潢川站流量的多年平均極大值均減小，下降了30%左右，但其變異系數(shù)變幅不明顯，體現(xiàn)了水庫的防洪效益；潢川站流量的多年平均極小值均有所增大，以1 d平均流量極小值最為明顯，增幅高達191.2%，且短歷時極小值變化較長歷時極小值變化更為顯著。由此可見，從潑河水庫至潢河出口的河道(潢河下游段)受潑河水庫調(diào)蓄影響巨大，尤其提升了下游河道低水位界限，提升了河岸生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

表3 不同持續(xù)時間下的流量極值計算結(jié)果

表4 日流量極值發(fā)生時間計算結(jié)果

表5 高低脈沖頻率及持續(xù)時間計算結(jié)果

表6 水情變化率及變化次數(shù)計算結(jié)果

日流量極值發(fā)生時間計算結(jié)果見表4，水庫運行后的極小值發(fā)生時間刻值從205.5下降到了164，提前了22.68%，而極大值發(fā)生時間刻值基本不變，該結(jié)果可能對生物棲息以及魚類的洄游產(chǎn)卵產(chǎn)生較大的影響。雖然極小值出現(xiàn)時間發(fā)生顯著變化，但結(jié)合表3極值結(jié)果，1 d平均流量極小值的增大削減了徑流極小值發(fā)生時所產(chǎn)生的負面影響。

高低脈沖計算結(jié)果見表5，扣除自然環(huán)境的影響因素外，潢川徑流的脈沖頻率受潑河水庫的調(diào)蓄影響是比較小的。高、低流量是河道徑流的重要特征，潢川站低脈沖次數(shù)的減少及其歷時變短使得河道、河灘情況趨于穩(wěn)定，有利于該區(qū)間生態(tài)的健康發(fā)展。但是高流量平均歷時的縮短又給河道及其沿岸的生態(tài)環(huán)境的發(fā)展注入了不確定性，總體而言，這種新的徑流機制下，也許會對沿岸的生物進化提供新的推動力。

水情變化率及變化次數(shù)計算結(jié)果見表6，可見建庫后潢川站的徑流上漲率年平均值小幅度下降，下降率小幅增大，變幅均在10%左右。

綜上分析，潑河水庫的建成對下游的徑流漲洪、落洪幅度及頻率產(chǎn)生了積極的影響，起著一定的削峰坦化作用，可能影響魚類的繁殖，優(yōu)化近岸水生植物的生存環(huán)境，在較大時間尺度上對沿岸的生物物種更迭及種群優(yōu)化提供了新的推動力。

4 結(jié) 論

a. 潑河水庫的運行對于潢河徑流量年際變化的趨勢性影響不大，但其運行對徑流年內(nèi)變化產(chǎn)生了較大的影響。

b. 在自然條件下，因為氣候等因素的變化，1955—2012年的潢河徑流量年內(nèi)分配是趨于不均勻的。但建庫后潢川站和淮濱站年徑流的集中度、不均勻系數(shù)以及極值比均減小，說明由于水庫對水資源的再分配作用使得下游徑流年內(nèi)分配均勻化。

c. 潑河水庫的運行使得下游徑流的上漲率與下降率、低脈沖次數(shù)以及平均歷時發(fā)生改變，對下游徑流起著一定的削峰坦化作用，同時水庫的建成較為顯著地改變了潢河徑流的年內(nèi)分配情況，可能對魚類繁殖過程產(chǎn)生一定的影響，而水庫發(fā)揮的坦化作用可能優(yōu)化近岸水生植物的生存環(huán)境，在較大時間尺度上對沿岸的生物物種更迭及種群優(yōu)化提供了新的推動力。