三峽水庫運行對荊江三口水文情勢變異程度分析

代 穩，呂殿青，王金鳳，仝雙梅

(1.六盤水師范學院旅游與歷史文化學院，貴州六盤水553004；2.湖南師范大學資源與環境科學學院，湖南長沙410081)

三峽水庫運行對荊江三口水文情勢變異程度分析

代 穩1，2，呂殿青2，王金鳳1，仝雙梅1

(1.六盤水師范學院旅游與歷史文化學院，貴州六盤水553004；2.湖南師范大學資源與環境科學學院，湖南長沙410081)

根據三峽水庫蓄水運行時間，運用變化范圍法(RVA)和整體改變度對荊江三口水文情勢變異程度進行評價。結果表明，三峽水庫運行對荊江三口流域水文情勢產生一定影響，其水文綜合改變度為62.07%，屬于中度改變，主要影響表現在1月～5月、7月、8月、10月月均流量、年均1、3、7、30、90 d最小流量、低流量的谷底數、低流量平均持續時間等方面。三峽水庫運行對荊江三口河流的削峰填谷作用明顯。

水文情勢；RVA；局部改變度；荊江三口；三峽水庫

荊江三口作為連接長江中游和洞庭湖的重要紐帶，三口分流變化對荊江干流河道和洞庭湖區產生明顯的影響，多年以來一直是國內學者普遍關注的焦點[1- 4]。在氣候變化和人類活動雙重因素驅動下，變化環境下荊江三口分流分沙變化研究，更引起了水利學界和地理學界的高度重視，已成為目前研究者共同關注的熱點問題[4- 8]。目前，研究的內容主要集中體現在水沙動態變化、江湖水體交換關系及三峽工程運行對荊江三口分流分沙的影響等方面，尤其是三峽工程運用對荊江三口水沙情勢變化的影響，已取得了一定的研究成果。有些學者[4，7，9]認為三峽工程運用后導致荊江三口分流比變化不大；而也有學者[6，10-12]認為三峽工程運行后使荊江三口分流能力減弱。除此之外，三峽工程運用后對荊江三口水文情勢變化的影響程度到底如何(輕度、中度或高度)亟需進一步探討。為此，本文根據三峽水庫調度方式，并結合水文情勢變動指標(IHA)，運用水文變化范圍法(RVA)對三峽水庫運行對荊江三口的水文情勢變化程度進行研究，以期為三口分流的變化規律研究及三峽水庫運行調度提供依據。

1 數據來源及研究方法

1.1 數據來源

長江干流枝城至城陵磯河段稱為荊江，其南岸松滋、虎渡、藕池三口(調弦口閘于1958年堵口建閘)分流進入洞庭湖。荊江三口的主要控制站為新江口站(松滋河)、沙道觀站(松滋河)、彌陀寺站(虎渡河)、管家鋪站(藕池河)及康家港站(藕池河)，于是選取歷年三口5站水文數據(來源于湖南省水文水資源勘測局和湖南省水利廳網站水情日報表)。由于下荊江裁彎、葛洲壩截流等工程均對荊江三口分流變化造成影響，為了有效準確地分析三峽水庫運行前后的水文情勢變化，三峽水庫運行前的數據需提供受水利工程影響較小的時間序列；故，本文采集三口5站1990年～2014年實測逐日徑流量。

1.2 研究方法

變動范圍法(Range of Variability Approach，RVA)由Richter等[13]于1997年提出，主要是在水文變化指標法(Indictors of Hydrologic Alteration，IHA)的基礎上建立起來的。其用流量時間序列數據來評估水文變化程度，即以變異前的逐日流量數據為基礎，甄別變異后人類活動(本文特指三峽水庫運行)對流量系列的影響程度。IHA包括5個方面33個指標(起初為32個)，分別用流量、時間、頻率、延時和變化率等描述河流水文特征[13-14](見表1)。其中，基流指數是指7 d最小流量與年均流量之比；低流量谷底數被定義為低于受干擾前流量25%頻率的日均流量；高流量洪峰數被定義為高于受干擾前流量75%頻率的日均流量；流量平均增加率(減少率)是指相鄰日流量的平均增加率(減少率)；逆轉次數是指河流日流量由增加(減少)變為減少(增加)的次數。

表1 IHA法的水文參數

RVA法通過對不同時間河流水文條件(用IHA法的水文指標描述)進行比較分析，進而揭示水利工程建設等人類活動對河流水文情勢的影響。首先，設定RVA目標(RVA閾值)，即以受影響前各指標的平均值、標準差或發生頻率的75%和25%作為各指標的上下限；然后，根據受影響后的流量特征值Ri來判別水利工程建設等人類活動是否對河流的水文情勢產生影響：若Ri落在RVA閾值的個數越多，受影響的程度越??；反之，受影響程度就越大。為了能定量評估受影響后的變化程度，Richter等[14]提出建議采用水文改變度(Degree of Hydrological Alteration，DHA)來定量化描述，公式如下

(1)

(2)

式(2)主要用于計算IHA法的33個水文參數所引起的河流整體改變度。由于IHA法的33個水文參數分為5組，不同組內指標反映出不同的水文情勢變化規律及影響(見表2)。為了能評價各組內河流的部分改變度，文中通過變化河流的整體改變度Do來求出河流的局部改變度

(3)

式中，n為IHA法中各組水文指標的總數，如第1組n=12；j為指標序號，1≤j≤33；m為各組最大序號，m∈{12，24，26，30，33}。

1.3 研究時段的劃分

以三峽水庫建成、蓄水運行節點為界劃分研究時段。三峽水庫自2003年6月1日開始蓄水，10天時間其蓄水水位達到135 m。為了消除下荊江裁彎、葛洲壩截流等工程對荊江三口水文情勢變化的影響，最終確定1990年～2002年作為三峽水庫運行前的階段，即天然狀態，2003年～2014年作為三峽水庫運行后的階段，即三峽水庫影響時段。

表2 荊江三口水文指標RRVA值

2 結果與分析

2.1 月平均流量變化

由三峽水庫蓄水運行前后月均流量變化趨勢可知，三峽工程建設運行對荊江三口年內水文情勢產生一定的影響(見圖1)。與1990年～2002年相比，2003年～2014年1月～5月月均流量表現為增加，1月、2月水庫運行后月均流量是運行前的2.5倍多，3月、4月、5月的增長率分別為83%、62%、29%，6月、9月月均流量起伏不大，7月、8月、10月呈減少趨勢，減少率分別為12%、10%、40%。經水文改變度計算結果及水文變化度規定范圍的對比分析，三峽水庫運行后月均流量水文變化度表現為7個月份低度改變、4個月份中度改變、1個月份高度改變，月均流量總體改變度計算值為49%，屬于中度改變。總體上來看，三峽水庫蓄水運行對荊江三口的月均流量特性產生了微弱的改變，使冬、春季月均流量增加，夏季月均流量有所減少；這將有利于荊江三口地區枯季水資源的開發利用及減緩洪災發生的概率。這主要是因為三峽水庫5月、6月為防洪泄水期，水庫水位需從155 m減至145 m；7月、8月為調洪錯峰期，將水庫水位控制在145 m；9月、10月為汛末蓄水期，蓄水位達到175 m；11月至翌年2月為枯水發電期，三峽水庫以5 800 m3/s的出力流量下泄；3月、4月為發電消落期，增加下泄流量，加大泄流發電[17]。由此可見，三峽水庫運行具有削峰填谷的作用。

圖1 三峽水庫運行前后月均流量

2.2 年均極值變化

三峽水庫運行前后年均1、3、7、30、90 d最小流量和最大流量柱狀圖(見圖2)的高低表明：三峽水庫運行后年均1、3、7、30、90 d最小流量增多，而最大流量減少，尤其是年均30、90 d最小和最大流量。三峽水庫運行后荊江三口年均30 d最小流量是運行前的2.86倍，年均90 d最小流量運行前后為1∶2.26，年均30、90 d最大流量較運行前分別減少了25%、18%。其進一步說明三峽水庫運行對河流具有削峰填谷的作用，這意味著三峽水庫運行在一定程度上有利于抗旱防澇及水資源的開發利用。從零流量天數和基流指數看，三峽水庫運行前后荊江三口5站同時出現零流量的天數為0；故此，對該水文參數無影響，基流指數由水庫運行前的0.002 6增加至0.004 7，增加率為81%。這說明三峽水庫運行對荊江三口流量的填谷作用表現較為顯著，主要是7 d最小流量增加的緣故。由水文改變度計算結果可知，年均1、3、7、30、90 d最小流量均為高度改變，年均1、3、7 d最大流量均為中度改變，年均30、90 d最大流量均為低度改變，零流量天數為無改變，基流指數為高度改變，月均流量總體改變度計算值為74%，屬于高度改變?？梢?，三峽水利工程的建設對荊江三口斷面河流影響較大，主要是荊江三口5站分泄長江干流入洞庭湖，干流水文情勢發生改變固然對其產生明顯影響。

圖2 三峽水庫運行前后年均最小流量、最大流量對比

2.3 年極值流量出現的時間變化

水庫運行后年最大流量出現的時間變化較大，由運行前的56 d左右下降到29 d左右，偏離率為49%，水文改變度為83%，其變異程度達到高度改變；相反，年最小流量出現的時間無明顯變化，運行前后均在215 d左右，為無或低水文改變。由此表明，三峽水庫的調節作用，使荊江三口流量震蕩次數呈現減弱趨勢。

2.4 年高低流量頻率與歷時變化

水庫運行后低流量頻率與歷時均發生明顯下降變化趨勢，年低流量的谷底數減少，低流量平均持續時間縮短；高流量頻率與歷時變化不顯著，年高流量的洪峰數由運行前的5.1次上升至6.1次；高流量平均持續時間由運行前8 d變為運行后的6 d，呈輕微下降趨勢。對其水文改變度分析發現，年低流量的谷底數、低流量平均持續時間均為高度改變；年高流量的洪峰數、高流量平均持續時間均為中度改變；高低流量頻率與歷時總體改變度計算值為72%，屬于高度改變。這意味著三峽水庫運行消減洪峰、蓄豐補枯等調節作用使得季節性流量發生改變，流量向單一化方向轉化?？梢?，三峽水庫運行下荊江三口流域水文情勢特征與天然狀態下有所不同，這將對三口地區水資源開發利用與生態環境產生重要的影響。

2.5 流量變化率與頻率變化

水庫運行后流量變化率與頻率變化均不大，流量平均增加率及減少率、每年流量逆轉次數較運行前均稍有增加，且運行后所觀測年份3項水文改變指標參數大部分位于RRVA閾值之內，流量平均增加率和流量平均減少率的水文改變度為中度改變，每年流量逆轉次數為低度改變。這說明三峽水庫運行后其削峰效應與填谷效應有所增強，但對荊江三口河流生態系統影響與運行前差不多，無明顯變化。

據式(1)計算出33項水文指標Di值，將該值帶入式(2)，求出三峽水庫運行后荊江三口水文情勢綜合改變度為62.07%，屬于中度改變。這意味著三峽水庫運行在一定程度上影響了荊江三口水文條件，也打破了該地區原有的河流生態環境。由5組局部改變度Ds計算結果可知，第2組年均極值、第4組高低流量頻率與歷時的局部改變度分別為73.76%、71.73%，均為高度改變。因此，三峽水庫運行對荊江三口水文情勢影響最大的主要是年均1、3、7、30、90 d最小流量、低流量谷底數、低流量平均持續時間，年均30、90 d最小流量分別由6.69、10.46 m3/s增加至19.1、23.59 m3/s(見表3)。

表3 荊江三口水文情勢整體改變度與局部改變度計算結果

3 結 論

(1)33個IHA指標中，10個指標為高度改變，8個為中度改變，12個為低度改變，3個無改變，其荊江三口水文綜合改變度屬于中度改變，三峽水庫運行對荊江三口流域水文情勢產生一定影響。

(2)長江三峽水庫運行對荊江三口水文情勢的影響主要表現為：1月～ 5月月均流量稍有增加，7、8、10等3個月月均流量有所減少；年均1、3、7、30、90 d最小流量呈增加趨勢，填谷作用明顯，低流量的谷底數減少，低流量平均持續時間縮短。

(3)5類33個IHA指標中，高度改變指標分布在不同的組，有單個或幾個高度指標，并不意味著該組的影響貢獻率就大。為了更加明確探索水文情勢的影響因素，本文試著從局部改變度的角度評價5組IHA指標對水文情勢改變度的影響，第2組年均極值、第4組高低流量頻率與歷時的局部改變度為高度改變。

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(責任編輯 陳 萍)

Analysis of Hydrological Regime Variation in Three Outlets of Jingjiang River after the Impoundment of Three Gorges Reservoir

DAI Wen1,2, Lü Dianqing2, WANG Jinfeng1, TONG Shuangmei1
(1. College of Tourism and Historical Culture, Liupanshui Normal University, Liupanshui 553004, Guizhou, China;2. College of Resources and Environment Science, Hunan Normal University, Hunan 410081, Changsha, China)

According to the storage operation time of Three Gorges Reservoir,the RVA method and the total degree of change are used to evaluate the variation degree of hydrological regime of three outlets in Jingjiang River. The results show that the operation of Three Gorges Reservoir has certain impacts on Jingjiang three hydrological regimes, and its hydrological comprehensive change degree is 62.07%. It is shown that the impacts include monthly average flow rate in January to May, July, August and October, annual average minimum flow rate of 1, 3, 7, 30 and 90 d, and the valley bottom number and duration time of low flow. The operation of Three Gorges Reservoir has an obvious flood peak reducing effect on Jingjiang three outlets．

hydrological regime; RVA, local degree of change; three outlets of Jingjiang River; Three Gorges Reservoir

2016- 11- 15

國家自然科學基金資助項目(41571100)；貴州省科學技術基金項目 (黔科合LH字[2015]7632號)；貴州省教育廳自然科學研究項目(黔教合KY字[2015]445號)

代穩(1982—),男,貴州六盤水人, 副教授，博士研究生，從事水文生態與環境變化的研究；呂殿青(通訊作者)．

TV213.4

A

0559- 9342(2017)08- 0026- 05