龍羊峽水庫對壩下河段生態水文情勢影響研究

林夢然　董增川　賈一飛

摘要：選取1988-2016年黃河唐乃亥水文站逐日平均流量和龍羊峽水庫逐日出庫流量數據進行水文變化指標（IHA）計算，采用水文變化范圍法（ RVA）并結合水庫運行特點及黃河上游生態特征，評估龍羊峽水庫運行對其壩下河段水文情勢的改變程度及生態影響。結果表明：龍羊峽水庫的運行對其壩下河段水文情勢的影響屬于高度改變，河流整體水文情勢改變度為68.3 10-10;指標體系中1-3月、12月平均流量，年最大l、3、7d平均流量，年最小7、30、90 d平均流量，最小流量發生時間，低流量發生次數及延時，流量改變率及頻率等指標改變顯著。

關鍵詞：水文變化范圍法：水文變化指標;水庫運行;生態水文情勢;龍羊峽水庫;黃河上游

中圖分類號：TV697.2+5;TV882.1

文獻標志碼：A

doi： 10.3969/j.issn.1000- 1379.2019.03.014

自然水文情勢是維持河流生態系統完整性和生物多樣性的基礎要素[1]。大型水利工程的建設與運行極大地改變了河流自然水文情勢，引起河流生態系統結構功能的變化[2]，對河流生態系統產生了深遠的影響。

黃河上游具有水資源豐富、徑流穩定、沿程峽谷落差集中等特點，是我國重點開發的水電基地之一。黃河上游生活著多種高原地區特有的土著魚類，常年分布有重要的產卵場、越冬場和索餌場，具有重要的生態保護價值[3]。然而，這些種群的再生能力相對脆弱，一旦種群數量受到外界因素影響而急劇下降，在短期內很難恢復[4]。因此，評估黃河上游水利工程對河流水文情勢的影響程度對保護上游生態系統至關重要。

目前，對于黃河流域水文情勢改變程度的定量評估多限于黃河中下游及河口地區，較少涉及上游河段。筆者采用水文變化范圍法（ RVA）評估龍羊峽水庫對其壩下河段水文情勢的改變程度并指出改變程度高的水文指標，分析水文情勢變化規律及其生態影響，以期為河流的生態管理和修復提供理論依據。

1 研究方法

1.1 水文變化指標法

為了定量評估人類活動對河流水文情勢的影響程度，1996年Richter等[5]提出了水文變化指標（IHA），具體包含33個指標，按流量、頻率、時間、延時以及變化率劃分為5類具有生態學意義的組分（見表1）。

1.2 水文變化范圍法

1997年Richter[6]在IHA指標體系的基礎上提出了水文變化范圍法（ RVA），該方法的核心是分別以受影響前各指標的平均值加減標準差或各指標發生頻率75%及25%的值作為各個指標的上下限構建RVA目標，以受影響后的各指標值落在RVA目標范圍內的比例與受影響前的差異來評估水文改變程度。水文改變度的計算公式為式中：D.為第i個IHA指標的水文改變度，D_i為正值表示受水庫影響后第i個指標落在RVA目標內，Di為負值表示受水庫影響后第i個指標落在RVA目標外;N_i。為受水庫影響后第i個指標仍落于RVA目標內的年數;N_ie為受水庫影響后第i個指標預期落在RVA目標內的年數：r為受水庫影響前第i個指標落于RVA目標內的比例;N_T為受水庫影響后水文系列的總年數。

為了客觀地評價IHA指標的水文改變程度，該方法將水文改變度分為3個等級：0≤|D_i|<330-/0為低度改變，33%≤| D_i|<67%為中度改變，67%≤|D_i|≤100%為高度改變。1.3 整體水文改變度計算方法

為了綜合評估河流水文情勢的改變程度，本文引入改進的熵權法對33個水文指標進行賦權。熵權法的核心思想是在多指標評價體系中，某一指標的變化程度越大，則其熵權越大，說明該指標對綜合評價越重要[7]。以熵權法確定各IHA指標的權重，既考慮了不同指標對整體改變度影響的差異性，又不會過于凸顯單一改變度大的指標的重要性，能夠更加客觀全面地反映各指標對于河流水文情勢的重要程度。熵權法在RVA法權重確定中的具體步驟如下。

2 研究區概況及資料選取

龍羊峽水庫是離黃河源區最近的一座具有多年調節能力的大型水庫，控制著上游65%的水量，被稱為黃河梯級水電站的“龍頭”水庫。該水庫于1986年10月下閘蓄水，1987年9月第一臺機組投入運行，總庫容為274億m³，以發電為主，兼有防洪、防凌、灌溉、旅游、養殖等綜合功能。

唐乃亥水文站是龍羊峽水庫的入庫流量控制站，其以上的黃河河道無大型水利工程，受人類活動干擾較小，可近似反映黃河上游來水的天然狀況。為了排除其他人類活動和氣候變化的影響，本文選取1988-2016年唐乃亥水文站實測逐日平均流量以及龍羊峽水庫同期逐日出庫流量序列反映受水庫影響前后的河流生態水文狀況并計算其IHA指標，采用RVA法定量評估龍羊峽水庫運行對其壩下河段水文情勢的影響程度。

3 計算結果及分析

3.1 月平均流量變化

河流的流量大小和季節性變化規律是維持河流生態系統穩定性和生物多樣性的重要因素。由表2與圖1可以看出，龍羊峽水庫的運行顯著改變了壩下河段的月均流量：1-5月及11-12月平均流量增大.6-10月平均流量減小，其中：1-3月、9月、12月月均流量發生了高度改變.4月、7月、10月月均流量發生了中度改變，5月、6月、8月、11月月均流量發生了低度改變。枯水期（12月一次年3月）徑流量占年徑流量的比例由天然的11%增大到29%，汛期（7-10月）徑流量占比由天然的58%降至36%。整體來看，龍羊峽水庫運行后，月均流量趨于均一化，季節性變化幅度減小。原因是水庫調度服從防洪、發電以及供水等要求，水庫發揮了“蓄豐補枯”的作用。徑流的季節性變化為不同生物不同生命周期提供了其所需要的水文條件，而龍羊峽水庫的運行造成壩下河段流量過程均一化，在一定程度上降低了生態環境的多樣性，改變了河流生態系統的種群結構，對生物的洄游、遷徙等產生一定影響;但從另一方面來看，水庫的“蓄豐補枯”作用使枯水期徑流量增大，為壩下河段用水提供了極為有利的徑流條件，保障了灌區用水和河道生態用水。

3.2 年極端流量變化

由表3、圖2、圖3可以看出：龍羊峽水庫運行后，壩下河段年最大流量顯著減小，除年最大90 d流量指標為低度改變外，其余最大流量指標均為高度改變，其中受水庫影響后年最大ld流量普遍小于目標下限值，且年際變化幅度較小（見圖2）。受水庫影響后的年最小ld流量顯著增大，除年最小ld流量指標為中度改變外，其余最小流量指標均為高度改變;受水庫影響后年最小ld平均流量普遍高于目標上限，且年際變化幅度較大（見圖3）。最小流量指標改變度整體大于最大流量指標改變度，說明龍羊峽水庫運行后對壩下河段的年最小流量的影響更明顯。極端流量的變化會影響河流生態系統的穩定性，不利于水生生物棲息地的構建，同時使河道與河岸間營養物質的交換受阻，影響水生生物和河岸植被的生長。

3.3 年極端流量發生時間

年極端流量發生時間對水生生物的生存和繁殖具有重大意義。從表4、圖4、圖5可知，受龍羊峽水庫運行影響前最大流量一般出現在6-10月，且集中發生于6月下旬至8月下旬，而龍羊峽水庫運行后最大流量發生時間范圍變寬，3-11月均有發生且多發生于5月上旬至8月上旬，年最大ld流量發生時間整體提前約1個月，水文改變度為低度改變，原因可能是4-6月寧蒙灌區進入春灌期，龍羊峽水庫需要加大出流來滿足農業灌溉用水需求。受龍羊峽水庫運行影響前年最小流量一般出現在12月至次年2月，而受龍羊峽水庫影響后最小流量發生時間范圍變寬，主要集中在2-3月，年最小1 d流量發生時間整體延后3-4個月，水文改變度為高度改變，原因可能是從12月到次年3月黃河上游進入凌汛期，凌汛前期水庫需要逐漸減小下泄流量以實現穩定封河，凌汛后期水庫需要進一步減小下泄流量以保證開河安全。黃河上游魚類一般在汛期漲水時產卵，且需要一定的水溫條件，年最大流量出現時間提前會改變魚類繁殖所需的水文條件，干擾魚類的正常產卵時間和繁殖行為，對種群規模及結構造成一定影響。

3.4 高、低流量的頻率及延時

河流的高、低流量是河流生態過程的直接驅動力，決定了不同物種的脅迫閾值與生存機會[8]。由表5可知：龍羊峽水庫運行后，年高、低流量發生頻率較受龍羊峽水庫影響前均顯著減小，且持續時間均縮短至不足7d。從整體上來看，低流量指標改變度大于高流量指標改變度，說明龍羊峽水庫運行對低流量的發生頻率及持續時間的影響程度更大。高流量持續時間過短會使龍羊峽壩下河段在魚類產卵期或育苗期無法為其提供足夠寬的水域及充足的營養物質，同時也會影響沿岸生態系統的發展[9]：而低流量出現次數減少、持續時間過短會導致部分低流量構造的生態環境消失，使一些適應低流量的生物生存受到威脅，同時也會使河流挾帶的營養物質不易被水生生物及周邊植物吸收。

3.5 流量改變率及頻率

由表6可知：受龍羊峽水庫運行影響后，壩下河段流量逆轉次數（變化頻率）顯著增加，由年均117次增加到206次，流量年平均增大率和減小率的波動范圍增大且流量改變率均顯著增大，原因主要是龍羊峽水庫電力負荷變化使得下泄流量具有“陡漲陡落”的變化特點，且變化頻繁，這會影響浮游生物以及部分植物的生長，破壞生物棲息環境的穩定性。

3.6 整體水文情勢改變度分析

綜合33個水文變化指標，利用改進的熵權法得到龍羊峽水庫壩下河段的整體水文情勢改變度為68.31%，屬于高度改變（見圖6）。33個水文變化指標中有21個指標（占64%）屬于高度改變，4個指標（占12%）屬于中度改變，8個指標（占24%）屬于低度改變。這表明龍羊峽水庫現行調度方式對水庫壩下河段的水文情勢改變程度較大。

馮慧[1O]對龍羊峽以下河段生態系統健康狀況進行了評價，認為該河段生態系統處于亞健康狀態，河岸帶植被覆蓋率較低，珍稀土著魚類數量急劇減少，浮游動植物密度較低。張建軍等[11]對龍羊峽至劉家峽河段水庫建設后魚類資源變化的研究表明，該河段土著魚類分布區域縮小，種群數量減少速度較快，部分土著魚類面臨著滅絕的風險，這與黃河上游水利工程的建設運行密切相關[11]。龍羊峽水庫的建設運行直接改變了其壩下河段的天然水文情勢，破壞了生物棲息環境的穩定性和多樣性，影響了水生生物的繁殖與生長，打破了原本就脆弱的河流生態系統平衡。這一現狀印證了本文評價結果中整體水文情勢改變度為高度改變的合理性。

4 結語

龍羊峽水庫壩下河段生態水文情勢發生了高度改變，受水庫運行影響后水文變化指標基本落在RVA目標之外，指標體系中1-3月、12月平均流量，年最大1、3、7d平均流量，年最小7、30、90 d平均流量，最小流量發生時間，低流量發生次數及延時，流量改變率及頻率等指標改變顯著。受水庫徑流調節作用的影響，壩下河段年內徑流過程趨于均一化，年最大流量顯著減小且出現時間提前，年最小流量顯著增大且出現時間延后，年高、低流量發生頻率顯著減小且持續時間縮短，流量具有“陡漲陡落”的變化特點，且變化頻繁。這些改變會對壩下河段的生物種群規模與結構、棲息地環境、河岸植被生長等產生較大影響。但是，水庫的建設對水文情勢的改變又具有一定的積極作用，水庫的“蓄豐補枯”作用保障了枯水期下游河道的生態用水，提高了水資源的利用效率，同時水庫的防凌防洪作用減輕了下游可能發生的災害，對保護生態環境具有重要意義。

對河流水文情勢改變程度進行定量評估，指出改變程度高的水文指標并分析其生態影響，對于中小尺度的生態調度具有科學指導意義和實踐價值。今后需要進一步研究水文情勢改變程度與生態響應的定量關系，確定生態承受閾值，通過水庫徑流調節能力模擬自然河流的水文特征，改善河流生態健康狀況，在生態系統可承受的水文情勢變化范圍內進行水庫的興利防洪調度，實現區域社會經濟與生態環境的協調發展。

參考文獻：

[1]董哲仁.論水生態系統五大生態要素特征[J].水利水電技術，2015，46（6）：42-47.

[2]董哲仁，張晶，趙進勇，環境流理論進展述評[J].水利學報，2017，48（6）：670-677.

[3] 陳燕琴，申志新，劉玉婷.黃河上游龍羊峽至積石峽段春秋季浮游植物群落結構及多樣性評價[J].水生態學雜志，2014，35（5）：52-59.

[4] 唐文家，申志新，簡生龍，青海省黃河珍稀瀕危魚類及保護對策[J].水利漁業，2006，26（1）：57-60.

[5]RICHTER B D， BAUMCARTNER J V， POWELL J，et al.A Method for Assessing Hydrologic Alteration Within Ecosys-tems[J].Conservation Biology， 1996， 10（4）：1163 - 1174.

[6] RICHTER B D， BAUMCARTNER J V， WIGINCTON R， eta1. How Much Water Does a River Need？ [J]. FreshwaterBiology， 1997， 37（2）：231-249.

[7] 周惠成，張改紅，王國利，基于熵權的水庫防洪調度多目標決策方法及應用[J].水利學報，2007，38（1）：100-106.

[8] 張洪波，黃河干流生態水文效應與水庫生態調度研究[D].西安：西安理工大學，2009：12-24.

[9] 張洪波，黃強，彭少明，等，黃河生態水文評估指標體系構建及案例研究[J].水利學報，2012，43（6）：675-683.

[10] 馮慧.黃河上游龍羊峽一劉家峽河段水生生物多樣性研究及生態系統健康評價[D].西安：西北大學，2009：51-57.

[11] 張建軍，馮慧，李科社，等，黃河上游龍羊峽至劉家峽河段梯級水電站建設后魚類資源變化[J].淡水漁業，2009，39（3）：40-45.