金沙江下游梯级水库运行后水文情势变化分析―基于流量历时曲线的生态流量指标

JournalofWaterResourcesResearch水资源研究,2014,3,378-385PublishedOnlineOctober2014inHans.://dx.doi.org/10.12677/jwrr.2014.35046378FlowRegimeAlterationintheLowerJinshaRiveraftertheOperationofCascadeReservoirs—ByEco-FlowMetricsBasedonFlowDurationCurveJieLi,JinChen,ZhengjieYinWaterResourcesDepartment,ChangjiangRiverScientificResearchInstitute,WuhanEmail:[e-mail]:Sep.26th,2014;revised:Sep.30th,2014;accepted:Oct.6th,2014Copyright©2014byauthorsandHansPublishersInc.ThisworkislicensedundertheCreativeCommonsAttributionInternationalLicense(CCBY).(RVA).TheresultsshowthattheoperationofcascadereservoirswillleadtoasignificantchangeinflowregimeatPingshanhydrologicalstation,whichismainlyreflectedinlowflowandchangesinlowflowperiod.Theresultsofflowregimeobtainedbyusingeco-flowmetricsandRVAhaveacertaindegreeofsimilarity.Therefore,combinationofthetwogroupsofmetricsprovidesasufficientmeasureofthechangesintheflowregime.KeywordsFlowRegime,FlowDurationCurve,Eco-FlowMetrics,CascadeReservoirs金沙江下游梯级水库运行后水文情势变化分析—基于流量历时曲线的生态流量指标作者简介：李杰(1989-)，男，湖北安陆人，硕士研究生，主要研究方向生态水文。金沙江下游梯级水库运行后水文情势变化分析379李杰，陈进，尹正杰长江科学院水资源研究所，武汉Email:[e-mail]收稿日期：2014年9月26日；修回日期：2014年9月30日；录用日期：2014年10月6日摘要为评价金沙江梯级水库联合调度对下游的影响，以屏山水文站1951~2011年的实测逐日流量序列为基础，通过梯级水库联合调度运行模拟得到模拟调度逐日流量数据，采用基于流量历时曲线的生态流量指标法(eco-flowmetrics)对比调度前后水文情势变化特征，分析金沙江梯级水库联合调度在长系列、丰平枯典型年以及自然四季中对生态水文过程的影响。同时对比通过变动范围法(RangeofVariabilityApproach,RVA)分析水文情势得到的结果，讨论生态流量指标法的适用性。结果表明，金沙江梯级水库运行会对水库下游水文情势的产生较为显著的影响，主要体现在低流量以及枯水期的变化之上；生态流量指标和RVA在水文情势分析结果上具有一定的相似性，两者结合一起可以更好地分析水文情势的变化。关键词水文情势，流量历时曲线，生态流量指标，梯级水库1.引言为刻画河流水文情势特征和评价水文变化，自上世纪90年代起，国内外学者提出了多种量化水文过程的水文指标体系，如美国Richter等[1]提出的5类33个水文变化指标(IndicatorsofHydrologicAlteration,IHA)，澳大利亚Crowns等[2]提出的7类91个指标，张洪波等[3]提出包含7类50个生态水文指标的黄河生态水文指标体系。此外，Olden等[4]在总结已有171个水文指标基础上，对这些指标进行冗余分析，研究表明IHA指标基本能反映171个生态水文指标的信息，加上其内嵌RVA方法开发出相应的应用软件(Richteretal.,1997)，被广泛用于评价人类活动(如建坝、引调水等)引起的河流水文变化。但随后Gao等[5]研究表明，IHA等水文指标存在内部联系，会造成信息冗余，并期望能用少数关键指标描述水文情势的主要变化特征，以最小化信息冗余，并减少水库生态调度或其他调控措施设计的复杂性。为此，Vogel等[6]基于流量历时曲线提出一种无量纲的生态流量指标评价水文情势的变化，减少了水文情势的评价指标。Gao等[7]也利用生态流量指标并结合降水距平，研究降水和水文情势改变之间的关系，并分析水文变化指标IHA和生态流量指标之间的关系，认为生态流量指标和IHA指标具有一定的相关性，可以相互补充使用。生态流量指标(Eco-flowmetrics)分为Ecodeficit和Ecosurplus，分别描述影响后的流量相对影响前出现的不足和过剩情况，相对比于其他水文指标，生态流量指标不要求历史流量资料的连续性，避免了因流量数据缺失而进行插补所带来的误差，同时指标的数量更少，不存在指标之间的信息冗余，能够更加合理的指示水文情势的变化，为水库的生态调度提供依据。金沙江上游水能资源丰富，自2005年金沙江下游四个梯级水电站—向家坝、溪洛渡、白鹤滩、乌东德相继开工建成，大坝修建后，随着水电站开始相继运行，距离向家坝坝址只有1.8km的长江上游珍稀特有鱼类国家级保护区的水文情势势必会发生变化。因此有必要研究金沙江梯级水库调度运行对下游水文情势的影响程度从而有助于协调河流水电开发利用和生态环境保护关系。本文采用基于流量历时曲线金沙江下游梯级水库运行后水文情势变化分析380的生态流量指标方法分析金沙江下游梯级水库四库联合模拟调度运行在长系列、丰平枯水平年以及自然四季中对生态水文过程的影响程度大小，旨在以少量的参数指标，更加合理简练地分析水文情势的变化情况，为梯级水库生态调度研究提供参考依据。2.数据与方法2.1.数据来源为评价金沙江梯级水库运行调度对坝下水文情势的影响，采用位于向家坝坝下的屏山水文站1951~2011年的实测逐日数据，并通过建立金沙江下游梯级水库联合调度模型，以屏山站1951~2011年逐日水文资料作为梯级水库调度的来水，对金沙江下游4个梯级水库进行长系列的联合优化调度，得到同样长度的调度后的向家坝水库下泄流量过程，即为屏山站调度后的水文过程(假设为2031~2091年)。对比调度前后的流量系列，分析调度对水文情势产生的影响。2.2.研究方法1)生态流量指标法研究采用的是基于流量历时曲线的生态流量指标——Ecosurplus/Ecodeficit和基于IHA的RVA法。对于生态流量指标，首先明确流量历时曲线的定义是在某个时段内某个流量与大于等于该流量所对应的时间之间的相关关系，然后根据其的定义，分别计算水库调度前后的水文要素统计特征，绘制频率曲线图。以水库调度前的频率曲线为基准，当水库调度后的水文要素频率曲线位于调度前的频率曲线之下时，两条频率曲线之间的面积占水库调节前频率曲线的投影到频率横坐标的面积的比值称为Ecodeficit，即生态不足，该值代表的意义为该水文要素低于河流生态系统对该要素的需求值。反之，当水库调度后的水文要素频率曲线位于调节前的频率曲线之上时，两条频率曲线之间的面积占水库调度前频率曲线的投影到频率横坐标的面积的比值称为Ecosurplus，即生态过剩，该值代表的意义为该水文要素超过河流生态系统对该要素的需求值，如图1所示，两者之和称为Ecochange，即生态变化总值，表示整个时间段之内的水文变化情况[8]。采用的时间段不同，生态不足和生态过剩两项指标代表的时间范围不同。注：Ecochange=Ecodeficit+Ecosurplus，其中Ecosurplus=S2/(S1+S3)，Ecodeficit=S1/(S1+S3)，S代表该区域的面积。Figure1.Thedefinitionofeco-flowmetrics图1.生态流量指标定义金沙江下游梯级水库运行后水文情势变化分析3812)变动范围法RVA方法是将水文系列划分为影响前和影响后两个部分，用影响前的水文系列建立每个IHA指标的变动目标范围，如一般采用25%~75%的频率区间作为目标范围，若影响后水文系列的某个IHA指标落入目标区间的频率低于或超出50%，则说明水文系列的针对该IHA指标的水文特征发生了变化。水文变化度的计算公式为0,100%ieieNNDN−=×(1)eTNrN=×(2)式中：Di为第i个IHA指标的变化度；N0,i为影响后水文系列IHA指标值落入RVA目标范围内的年数；Ne为影响后IHA指标值落入RVA目标范围内的期望年数；r为影响前IHA指标落入目标范围内的年数的比例，对于25%~75%频率区间的目标范围，r=50%；NT为影响后水文系列的总年数，一般要求大于20年。为评价总体水文变化程度，将32个IHA指标的水文变化度进行加权平均，得到综合水文变化度[9]。3.结果与讨论本文以屏山站水文站1951~2011年和模拟调度后2031~2091年的日均流量为研究对象，对长系列、丰水年、平水年、枯水年4种类型进行分析，同时按自然四季建立流量历时曲线进行分析。最后为验证该结果的适用性，采用RVA法进行对比。3.1.水文情势年变化根据生态流量指标的定义，以屏山站1951~2011年为梯级水库运行调度前的近自然状态河流，模拟运行后的2031~2091年的为干扰状态河流，进行对比分析，得到结果如图2和图3所示。从图2可知，对比近自然状态和模拟调度的长系列年，水文情势的变化在生态不足和生态过剩两方面的值相差不大，均为0.1左右，结合图3的流量历时曲线可知，金沙江梯级水库的调度运行后对向家坝坝下屏山站高流量的消减和低流量的提升作用较为明显，流量改变情况主要集中在5%~15%的高流量部分和30%~50%的中流量部分。Figure2.Thechangeofeco-flowmetricsatPingshanhydrologicalstationbeforeandaftertheoperationofcascadereservoirs图2.梯级水库调度运行前后屏山水文站生态流量指标变化金沙江下游梯级水库运行后水文情势变化分析382为更详细的分析梯级