水库对河流径流过程的影响分析

水库对河流径流过程的影响分析——以故县水库为例史艳华邹鹰丰华丽（南京水利科学研究院水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，江苏南京210029）摘要:水流情势是河流生境的主要决定因素之一，影响水生生物群落的组成和多样性。水利工程会改变河流的天然水流情势。本文基于Richter提出的生态水文指标体系，分析了洛河流域长水站的生态水文特征变化。结果显示总体上故县水利枢纽对河流天然径流的影响程度较大。关键词:水利工程；IHA法；水文特征值近几十年来,随着河流开发利用程度的不断加大,河流的自然水文情势由于人类活动的干扰或调节,面临不同程度改变,并影响到河流生态系统,致使河流生态系统退化。如何保护和修复河流生态系统成为被关注的焦点与研究的热点。研究表明,河流水文过程与生态系统之间有着十分密切的关系,LeroyPoff等阐述水流情势在支撑河流生物多样性和生态系统完整性方面起着决定性的作用[1]；Stanford等认为水流是河流生态的驱动力[2],控制着生物栖息的关键因素如水深、流速和栖息空间等。因此,可以借助传统的水文分析方法,通过研究与生物习性相关的河流生态水文因子(要素)的变动,来确定河流生态保护与修复的目标。BrianDRichter等于1997年提出IHA[3](IndicatorsofHydrologicAlteration)法用于评价人类活动对河流径流过程的影响,分析河流在人类活动干扰前后与生态相关的水文因子过程变化。国际上许多研究成果采用该方法评价了河流修建大坝、分取水对河流生态水文特性的改变,确定相关河流的生态水文保护目标[4～6]。本文主要应用IHA法对故县水库的河流径流过程影响进行评价。故县水库位于黄河支流洛河中游河南省洛宁县境内，水库的开发目标是以防洪为主，兼顾灌溉、供水、发电等综合利用。水库的调蓄作用改变了大坝上下游水文情势，影响了洛河中下游的水生态系统。研究洛河生态水文特征变化，确定并量化生态水文保护目标，可为故县水库的生态调度提供依据。因此，本研究在收集整理长水站1971~2005年共29年的日径流资料的基础上，基于Richter提出的生态水文变动指标体系(IHA)，分析了洛河流域长水站的生态水文特征变化。1IHAIHA指标体系采用32个水文指标变量来评价生态水文状态改变,并将这些指标划归为流量大小、发生时间、频率、持续时间和变化率等具有生态意义的五大类(表1)。表1IHA法的水文参数及其生态影响基金项目：国家自然科学基金面上项目--科学基金项目（50509017）第一作者简介：史艳华(1981—),女(汉族),河南焦作人,硕士研究生,主要从事水文水资源及生态水利研究。E-mail:[e-mail]统计组特征水文参数生态系统影响*月水文值大小数量,时间月平均值1.水生生物栖息可能性2.水滨植物供水可得性3.水资源的可获性4.野生生物饮水易获性5.影响水温与溶解氧年水文极值的大小和持续时间数量,持续时间年最小、最大1天平均值;年最小、最大3天平均值;年最小、最大7天平均值;年最小、最大30天平均值;年最小、最大90天平均值;1.生物体竞争与忍耐的平衡2.创造植物散布的条件3.河渠地形塑造与栖息地物理条件培养4.植物土壤含水紧张5.野生生物脱水6.水紧张持续期7.植物群落分布年水文极值的发生时间时间年最大1天发生日期;年最小1天发生日期1.对生物体压力的预测与规避2.迁徙鱼产卵信号高、低流量脉冲的频率和持续时间数量、频率和持续时间每年高流量脉冲、低流量脉冲次数,平均持续时间1.植物土壤含水紧张的频率与尺度2.洪泛区水生生物栖息可能性3.影响床沙分布水文值的变化率和频率频率,变化率涨幅年平均值,降幅年平均值,上涨次数,下降次数1.植物干旱压力2.非游动性河浜生物体干燥压力注:*源自SteveSwanson,resourcenotesNo.58().2改进的IHA法在故县水库的应用Poff[7]认为当分析的数据的时间序列至少为20年时,由年际气候变化等因素对IHA计算结果的影响,基本上会减少或消除。因此,对于IHA分析数据的时间序列通常不应少于20年。但本文由于资料限制，不适宜采用传统的IHA法计算，而应采用改进的IHA法。改进的IHA法可以选择一个或一组不受人类影响的测站作为气候控制手段，例如水库上游的水文站，“前期”先建立研究站和水库上游站的同步流量之间的统计学关系，然后由此关系推出研究站在没有水库情况下的“后期”流量过程，就可以用IHA法和实际的（有水库在的情况下）“后期”流量进行比较。长水水文站是洛河上游干流出口控制站，位于故县水库的下游。以故县水库建库前1971～1989年长水站和卢氏站的同步观测资料建立两站日平均流量的回归关系，用此回归关系预测长水站在建库后1994～2005（缺2000、2004）年的日平均流量，作为水库影响前的数据，以实测的1994～2005（缺2000、2004）年的日平均流量作为水库影响后的数据，进行IHA参数计算。根据IHA法,需要确定高低流量脉冲的阈值:将长水站建坝前的所有年份日流量值由小到大依次排序,分别取位于75%和25%的流量值为高低脉冲流量的阈值,分别为36.5m3/s和11.8m3/s。将水库建造后的水文序列的32个参数进行统计,比较两序列值的差别，见表2。表2洛河长水站IHA参数统计表IHA参数组平均变差系数CV流量(m3/s)偏离量(%)水库影响前水库影响后偏离量(%)水库影响前水库影响后第一组：月流量1月平均流量2月平均流量3月平均流量4月平均流量5月平均流量6月平均流量7月平均流量8月平均流量9月平均流量10月平均流量11月平均流量12月平均流量6.344.245.1310.114.112.035.049.044.838.314.16.776.944.328.8810.913.632.627.724.729.432.511.88.2692738-4172-21-50-34-15-16220.150.140.571.371.421.041.111.261.741.631.380.750.690.820.590.890.801.381.090.972.311.851.000.693604864-35-44-33-2-233313.5-28-8组平均值12%66%第二组：：年水文极值大小及持续时间最小1日平均流量最大1日平均流量最小3日平均流量最大3日平均流量最小7日平均流量最大7日平均流量最小30日平均流量最大30日平均流量最小90日平均流量最大90日平均流量3.746063.764023.792543.841094.1656.50.8193710.8762830.9711841.7473.63.7644.0-78-39-77-30-74-28-55-32-10-220.090.870.080.900.081.010.080.970.130.990.721.090.661.170.611.130.651.020.640.977002572530663127135392-2组平均值-44%326%第三组：年水文极值发生时间年最大日流量发生时间年最小日流量发生时间226.9164.8189.8139.5-16-150.190.680.450.9313737组平均值-16%87%第四组：高低脉冲频率及持续时间年高流量脉冲发生次数年低流量脉冲发生次数高流量脉冲平均历时(d)低流量脉冲平均历时(d)4.807.506.2340.557.2021.704.5213.4850189-27-670.440.190.900.330.540.360.560.442389-3833组平均值36%27%第五组：水情变化率及变化频率上涨率年平均值下降率年平均值上涨次数下降次数24.44-11.6631.2034.807.43-6.4591.9093.10-70-451951680.89-0.790.160.150.74-0.710.080.07-17-10-50-53组平均值62%-33%由表2计算结果可看出,由于故县水库的修建,下游水情变化有以下几点特征:①第一组参数计算结果说明,建坝后月流量均值冬季平均增加40.3％，夏季平均减小27.2％，造成年内流量分配过程趋均匀；②第二组参数计算结果说明,水文极值有较大程度的减小，其中年最大一日平均流量减小78％，年最小一日平均流量减小39％；③第三组参数计算结果说明,水文极值发生时间也有变化,建坝后最大日流量发生时间比建坝前平均提前37天；④第四组参数计算结果说明,建坝后高水流量发生次数和平均历时无太大变化，但低水流量发生次数平均增加14次,平均历时减少27天；⑤第五组参数计算结果说明,建坝后上涨率平均减小70％，年上涨次数平均增加61次，下降率平均减小45％，年下降次数平均增加58次。如下图所示，图中直线分别是水库影响前和水库影响后各相应参数的平均值。一月二月三月四月五月六月七月八月九月十月十一月十二月01020304050流量(m3/s)月份无水库影响的月平均流量有水库影响的月平均流量图1水库影响前后长水站月平均流量变化图199419961998200020022004200602004006008001000120014001600年最大日平均流量(m3/s)年份无水库影响系列值无水库影响平均值有水库影响系列值有水库影响平均值图2水库影响前后年最大日平均流量比较1994199619982000200220042006123456789101112月份年份无水库影响系列值无水库影响平均值有水库影响系列值有水库影响平均值图3水库影响前后年最大日流量发生时间1994199619982000200220042006010203040506070上涨率(m3/s/day)年份无水库影响系列值无水库影响平均值有水库影响系列值有水库影响平均值图4水库影响前后上涨率年平均值比较19941996199820002002200420062030405060708090100110上涨次数年份无水库影响系列值无水库影响平均值有水库影响系列值有水库影响平均值图5水库影响前后上涨次数年平均值比较199419961998200020022004200605101520历时(d)年份无水库影响系列值无水库影响平均值有水库影响系列值有水库影响平均值图6水库影响前后年高流量脉冲平均历时比较分析以上故县水库修建造成的水情变化特征,一方面，由于故县水库是年调节式水电站,其拦蓄和调节洪水能力造成故县水利枢纽对河流天然径流有一定程度地改变，是形成年内流量分配过程趋均匀且年最大日流量发生时间提前的原因；另一方面,由于大坝的修建形成水库,使上游水位略有提升,其削峰坦化作用是建坝后上涨率和下降率很大程度上趋于平缓的原因；第三个方面，由于水库发电供水运行的需要，使得下游水位涨落急剧变化，是形成上涨次数和下降次数明显增多的原因。3建坝前后典型年的径流情况比较为了进一步验证所得结论的正确性，特选取了建坝前后几个丰、平、枯的典型年份进行分析比较，如图7、图8、图9。选择1996年为建坝后的平水年，1979年为建坝前的平水年，2001年为建坝后的枯水年，1977年为建坝前的枯水年，2003年为建坝后的丰水年，1983年为建坝前的丰水年。平水年的比较：一月二月三月四月五月六月七月八月九月十月十一月十二月0102030405060流量(m3/s)月份建坝前建坝后图7平水年份建坝前后月平均流量比较丰水年的比较：一月二月三月四月五月六月七月八月九月十月十一月十二月050100150200250300流量(m3/s)月份建坝前建坝后图8丰水年份建坝前后月平均流量比较枯水年的比较：一月二月三月四月五月六月七月八月九月十月十一月十二月01020304050流量(m3/s)月份建坝前建坝后图9枯水年份建坝前后月平均流量比较各典型年份径流过程的详细变化情况见表3。由图7、图8、图9及表3