某區域生態水文情勢變化研究

富隋小慶,蔣超華

(1.山東省物化探勘查院,濟南 250013;2.山東省地質勘查工程技術研究中心,濟南 250013)

1 概 述

水資源直接關系到人們的生產生活及生態安全,隨著水域水利工程不斷的開發與應用,水域生態水文情勢發生了較大的改變,進而改變了水域水資源的流量及水資源生態系統平衡。

針對水利工程的建造對生態水文情勢的影響,國內外專家學者開展了相關研究。關于水文情勢的研究,始于Richter［1］在1997年提出的水文評價指標法(Indicators of Hydrologic Alteration,IHA),進而建立了一套較為完整的水資源生態管理系統。Galat［2］基于IHA理論,對密蘇里河生態水文情勢進行了分析。陳啟慧等［3］基于IHA理論,分析了葛洲壩建設對長江生態水文情勢的影響。基于1997年提出的IHA理論,Richter［4］又建立了水文變化范圍方法(Range of Variability Approach,RVA),在此之后,基于IHA-RVA結合理論不斷應用于生態水文評價。李舒等［5］分析了水土保持水利工程建設、礦產資源開發對窟野河生態水文情勢的影響。Mwedzi等［6］對Manyame河流流域在壩體建造后的水文情勢變化進行評價。胡娜等［7］基于龍川水文站監測數據,分析了東江流域在楓樹壩建造前后水文情勢變化。胡曉張等［8］以人工采砂為研究背景,分析了東江中下游河流的水文情勢變化。

綜合上述文獻研究成果,本文基于IHA-RVA理論,對某區域生態水文情勢指標在水庫修建前后的變化進行分析。

2 工程概況

本文所研究的某水域地處低山及丘陵地區,氣候區劃分為亞熱帶丘陵區濕潤季風氣候。受氣候條件影響,該地區降雨較多,年平均降雨量1 600mm,水域流域面積3 523.00km2,且年降雨受季節影響較大,汛期為4-9月份,一年中降雨極值與均值的比值為2.4。該水域主要包括兩條主要水系,即A水系和B水系,且分別配備有A水文站及B水文站,分別建造有A水庫及B水庫。A水庫建于1997年,水庫容量2.51×106m3,泄洪流量209.7m3/s ;B水庫建于2005年,水庫容量4.40×105m3,泄洪流量3 990m3/s。

3 研究方法

研究數據采用A水文站及B水文站在1980-2020年間的逐日平均流量實測數據,進而探究兩個水庫建造前后水溫情勢的變化情況。采用的研究方法為基于水文改變指標法(Indicators of Hydrologic Alteration,IHA)的變化范圍方法(Range of Variability Approach,RVA),使用IHA- RVA方法對A水庫及B水庫建造前后的水文情勢變化情況進行評價;對于該水域的整體水文情勢變化情況,采用IHA評價方法進行評價。

依據現場及文獻［9］的研究成果,RVA的閾值取值為:指標平均值法、以75%及25%作為目標邊界法。采用閾值法評價水文情勢變化的方法為:若水文變異后的流量值處于閾值范圍之外,表明生態水文情勢受水文變化的影響較大,易造成不良的后果;若水文變異后的流量值部分處于閾值范圍內,表明生態水文情勢受水文變化的基本無影響,水域自然流量保持較好的發展水平。

水文改變指標評價的分析方法主要有單個指標改變度、綜合指標改變度兩種計算方法［10］。

4 結果分析

4.1 研究時間分段

基于A水庫及B水庫的建造時間,將A水文站及B水文站監測得到的逐日平均流量實測數據劃分為兩個時間段:對于水文改變前的水流流量研究,分別選取1980-1997、1980-2005年的逐日平均流量時序數據作為研究對象;對于水文改變后的水流流量研究,分別選取1998-2020、2006-2020年的逐日平均流量時序數據作為研究對象,使用IHA-RVA方法進行分析,分別取75%及25%作為研究閾值限值。

4.2 水文改變度分析

4.2.1 月均值流量變化

圖1為水文變化前后月均徑流量、降雨量差值在不同月份的變化情況。在4-9月份的汛期,A水文站及B水文站月均徑流量是一年中最大的月份,采用水文改變指標計算得到的水文改變度分別為44.9%和43.8%。改變度D值的劃分依據為:當D∈［0,33%)時,水文改變度為低度改變;當D∈［33%,67%)時,水文改變度為中度改變;當D∈［67%,100%)時,水文改變度為高度改變。因此,4-9月份A水文站及B水文站為中度改變。

圖1 水文改變前后徑流量及降雨量差值

A水系一年中水域流量變化為:3-6月份流量不斷減少、11月至次年2月份流量不斷增加,其中5月份流量減少最多、次年1月份增加最多。A水系水文改變發生在1997年,水文改變后,流量減少月份主要集中在3-6月份,減少量為2～9.7m3,其它月份呈現不同程度增加,但增加量較少。在2-4月份降雨量相較于水文改變前減少50mm左右,這一變化直接引起A水系的流量變化,且兩者出現的時間呈現有明顯的滯后性。對比A水系的降雨量可以發現,春季的降雨量減少,水電站蓄水量增加,進而導致5月份水域流量明顯減少。

對于B水文站,一年中水域流量變化為:3、4、10月份流量不斷減少,其余月份有所增加。B水系水文改變發生在2005年,水文改變后,流量增加月份主要集中在5-8月份,減少量為3.5～7.5m3;在5-7月份,降雨量相較于水文改變前增加40mm左右。

A水系與B水系在水域流量及降雨量方面存在差別。基于春季降雨量減少的前提下,A水系流量明顯減少,B水系流量在3-4月份一定程度上減少、5月份明顯增加。兩水系流量出現這種變化的原因主要為:水電站調節管控能力、水系流域特性,表明相較于A水庫的蓄水能力,B水庫蓄水能力明顯較差。

4.2.2 年極值流量變化

圖2為兩水文站在1980-2020年的最小日流量及最大日流量隨時間變化圖。對比水文變化前后可以發現,變化后的兩水電站流量降低明顯,流量閾值差值減小,表明水庫的修建對水文條件的改善效果顯著。由圖2(a)和圖2(c)可知,A水文站在水文改變前后,一日內最小流量有所增加,一日內最大流量有所減少,其中部分月份的日流量超出閾值界限,且相較于水文改變前,閾值差值減小。表明水文改變后,低流量水平有所增加,高流量水平有所降低,水文條件大為改善,保證了該水系生態水文的穩定性。由圖2(b)和圖2(d)可知,對于B水文站,一日內最小流量變化較小,一日內最大流量有所減少,閾值的差值減小。表明水文改變后,低流量水平保持穩定,高流量水平有所降低,對生態水文情勢起到了一定的改善作用。

圖2 極值流量變化

4.2.3 年極端流量發生時間

表1為兩水文站最大、最小流量在水文改變前后出現的時間。由表1可知,A水庫最大、最小流量在水文改變后出現的時間均有所提前,最大、最小流量出現的時間均提前半個月左右,閾值改變度為4.35%,屬于低度改變。B水庫最小流量在水文改變后出現的時間有所提前,而最大流量在水文改變后出現的時間有所延遲,但變化幅度較小,表明水文變化對極端流量發生時間的影響較小,但流量閾值改變度較大,屬于高度改變,這一變化有可能引起生態水文情勢的失衡。

表1 兩水文站最大、最小流量在水文改變前后出現的時間

4.2.4 高低流量脈沖時頻特征分析

圖3為兩水文站在1980-2020年的高、低脈沖頻次隨時間變化圖。由圖3可知,該水域脈沖受上游水電站的影響較小,A水文站低脈沖改變度為中度,B水文站高低脈沖改變度為低度,且A、B水文站水文改變后高低脈沖次數均呈現不同程度增多、變化幅度增大。張文浩等［11］等研究表明,低脈沖次數增多、變化幅度增大會引起該水域在旱季水流量減小。B水文站脈沖值超過RVA的上限,張文浩等研究顯示,高脈沖次數增多會增大汛期洪澇災害的發生。對于高低脈沖的持續時間,當低脈沖持續時間逐漸縮短時,會促進區域水文情勢的穩定;當高脈沖持續時間逐漸縮短時,反而會引起區域水文情勢不確定性災害的發生。

圖3 高低脈沖次數變化

4.2.5 流量改變率及頻率

圖4為該區域A、B水文站流量逆轉頻次隨時間的變化圖。由圖4可以看出,對于A水文站的流量,漲水率呈現下降的趨勢、退水率呈現上升的趨勢、水文改變度D為56.4%,該水域流量總體變化為逐漸減小;對于B水文站的流量,漲水率、退水率均呈現為上升的趨勢、水文改變度D為21.2%,該水域流量總體變化為逐漸減小。流量頻次的變化會造成該水域生態系統的變化,尤其是流量逆轉頻次的變化對生態環境的影響巨大,會直接引起水生生物生存環境的惡化。

4.2.6 整體水文改變度

整體水文改變度可以有效反映水文變化對生態水文情勢的影響,對A、B水文站的32項水文指標進行分析得到統計圖,見圖5。由圖5及RVA目標分級可以看出,對于A水文站的32項指標水文改變度,其中前三項指標均達到100%,有18.7%的指標改變度為D∈［33%,100%),為高度改變;有40.5%的指標改變度為D∈［33%,67%),為中度改變;有46.9%的指標改變度為D∈［0,33%),為低度改變,整體上A水文站在水文改變前后出現較大變化。對于B水文站的32項指標水文改變度,有9.37%的指標改變度為D∈［33%,100%),為高度改變;有28.2%的指標改變度為D∈［33%,67%),為中度改變;有62.4%的指標改變度為D∈［0,33%),為低度改變,整體上B水文站在水文改變前后變化較小。該水域整體水文改變度為50.2%,為中度改變。

圖4 流量逆轉頻次變化

圖5 整體改變度圖

5 結 論

本文基于改進的RVA-IHA法,對某水域生態水文情勢進行了分析,并根據1980-2020年逐日流量監測時序數據,定量分析了水利工程對該水域A、B兩支流、水文站、水庫流量的影響。結論如下:

1)對于不同水文改變指標,高低流量的頻率及延時受水文改變的影響程度最低,水文改變度為26.2%;流量變化率及概率受水文改變的影響程度最高,水文改變度為61.4%。

2)該水域整體水文改變度為50.2%,為中度改變,且兩支流受水溫改變的影響大小為A支流大于B支流。

3)水文改變會引起水域不同指標的變化,要基于實際情況促進有利的指標,減小反面指標對該水域生態水文情勢的負面影響。