小浪底水利樞紐對黃河下游生態(tài)的影響分析

尚文繡，彭少明，王 煜，嚴登明，鄭小康，方洪斌

(黃河勘測規(guī)劃設計研究院有限公司，河南 鄭州 450003)

水庫建設運行是河流開發(fā)的重要方式，為人類帶來了巨大的經濟和社會效益，同時又對河流生態(tài)系統(tǒng)造成了不同程度的影響[1-2]。截至2020年4月全球已有超過5.8萬座大壩(壩高大于15 m，或壩高大于5 m且?guī)烊荽笥?00萬 m3的水壩)[3]。水庫提供了30%～40%的灌溉用水和約17%的電力[2]，同時，水庫造成的河道阻隔、徑流變化等引發(fā)了復雜的生態(tài)問題[4-5]。在水庫等工程影響下，河長 1 000 km 以上的河流中約2/3處于非自然流動狀態(tài)[6]。近年來，水庫的生態(tài)保護作用得到了越來越多的重視，下泄生態(tài)流量、塑造人工洪水等改善生態(tài)的措施在很多水庫中得到應用和研究[7-10]。

改變徑流過程是水庫調度對河流生態(tài)最直接的影響，進而引發(fā)其他環(huán)境要素和生物資源的連鎖變化[11-12]。水庫對徑流的影響的定量分析是長期的研究熱點，已經形成了大量評價指標體系和方法，其中應用最廣泛的是IHA指標體系及RVA方法(IHA-RVA)[13-14]，眾多研究采用該方法評價了水庫運行前后河流徑流過程的變化，以此反映水庫對徑流的影響[15-18]。然而河流徑流演變還受到氣候變化、取用水等多因素復合影響，水庫運行前后兩個時段的徑流變化反映了多因素對徑流的復合作用，但難以厘清水庫在其中發(fā)揮的作用[19]，定量分析水庫對徑流變化的影響和貢獻率是當前研究的難點。

小浪底水利樞紐是控制黃河下游水沙的關鍵工程，對下游河流生態(tài)產生了重要影響。相關研究主要集中在小浪底水利樞紐水沙調控對下游泥沙沖淤、河道形態(tài)、水質、浮游生物等的影響[20-22]，以及對黃河三角洲濕地修復及近海水生態(tài)的影響[23-25]，但鮮有研究量化小浪底水利樞紐對黃河下游徑流變化和生態(tài)流量保障的作用與貢獻，也缺少以水為紐帶解析水庫對黃河下游生態(tài)影響的研究。本文提出水庫生態(tài)影響與貢獻率定量分析方法，量化小浪底水利樞紐對黃河下游徑流狀態(tài)變化的影響，明確小浪底水利樞紐在防斷流、生態(tài)流量保障等方面的貢獻率，分析水庫建設運行對黃河下游生態(tài)的影響。

1 研究方法與數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)域

研究區(qū)域為小浪底水庫壩下至黃河入海口(圖1)。小浪底水利樞紐于1999年底投入運行，總庫容126.5億m3，控制92%的流域面積、87%的天然徑流量和近100%的輸沙量。水庫工程以防洪(包括防凌)、減淤為主，兼顧供水、灌溉、發(fā)電，近年來新增了生態(tài)調度任務。

1.2 水庫生態(tài)影響定量分析方法

河流徑流演變受到水庫運行、氣候變化、取用水等多因素復合影響，本文提出基于情景對比的水庫生態(tài)影響定量分析方法。將分析時段定為2000—2019年，情景1代表了有小浪底水利樞紐調蓄時該時段下游的實測徑流狀態(tài)；情景2代表了沒有小浪底水利樞紐時的評價時段內下游日徑流的模擬狀態(tài)(表1)。與情景1對比，情景2僅改變了小浪底水利樞紐這一個影響因素，天然來水、取用水、上游工程運行等條件均與情景1保持一致。

圖1 研究區(qū)域Fig.1 Study area

表1 情景設置Table 1 Scenario setting

兩種情景下的徑流狀態(tài)指標表達為

FA={fA,1,fA,2,…,fA,n}

(1)

FS={fS,1,fS,2,…,fS,n}

(2)

式中：FA、FS分別為情景1和情景2對應的小浪底水利樞紐下游的徑流狀態(tài)指標集；fA,i、fS,i分別為情景1和情景2下第i個徑流狀態(tài)指標，i=1,2,…,n。

小浪底水利樞紐對徑流過程的影響E表示為

E={e1,e2,…,en}

(3)

其中

ei=fA,i-fS,i

式中：ei為小浪底水利樞紐對第i個徑流狀態(tài)指標的影響。

情景2需要對小浪底水利樞紐的調蓄作用進行還原，得到沒有水庫運行情景下的徑流。水庫的入庫徑流代表了尚未經過該水庫調蓄的徑流狀況，用入庫徑流代替出庫徑流就實現(xiàn)了對水庫調蓄作用的還原，然后考慮水庫至評價斷面區(qū)間的來水、取水與蒸發(fā)滲漏損失，得到無小浪底水利樞紐情景下的徑流過程：

QS,t=QI,t-t1+QB,t-t2-QW,t-t3-QL

(4)

式中：QS,t為沒有小浪底水利樞紐運行的情況下評價斷面第t天的平均流量，m3/s；QI,t-t1為小浪底水利樞紐第t-t1天的實測入庫流量，m3/s；QB,t-t2為第t-t2天的區(qū)間來水流量，m3/s；QW,t-t3為第t-t3天的區(qū)間取水流量，m3/s；QL為區(qū)間日均蒸發(fā)滲漏損失流量，m3/s；t1、t2、t3分別為小浪底水利樞紐、支流匯入地點和取水地點到評價斷面的水流傳播時間，d。

1.3 水庫貢獻率定量分析方法

將情景1與1980—1999年實測日徑流過程對比，得到多因素影響下徑流過程發(fā)生的實際變化。1980—1999年實測日徑流狀態(tài)指標集FC表達為

FC={fC,1,fC,2,…,fC,n}

(5)

式中fC,i為1980—1999年第i個徑流狀態(tài)指標，i=1,2,…,n。

相對于1980—1999年，2000—2019年徑流狀態(tài)指標發(fā)生的變化V表示為

V={v1,v2,…,vn}

(6)

其中

vi=fA,i-fC,i

式中vi為2000—2019年第i個徑流狀態(tài)指標值相對于1980—1999年徑流狀態(tài)指標值的變化。

小浪底水利樞紐運行對徑流狀態(tài)指標變化V的貢獻率P表示為

P={p1,p2,…,pn}

(7)

其中

式中pi為小浪底水利樞紐對第i個徑流狀態(tài)指標值變化vi的貢獻率。

1.4 指標與數(shù)據(jù)來源

選擇斷流天數(shù)、預警天數(shù)、生態(tài)基流不達標天數(shù)、關鍵期最小生態(tài)流量不達標天數(shù)、關鍵期適宜生態(tài)流量不達標天數(shù)和關鍵期入海水量作為徑流狀態(tài)指標反映水庫的生態(tài)影響。歷史上黃河下游頻繁斷流，1980—1999年利津斷面有16年斷流，1997年斷流天數(shù)長達202 d，年均斷流43.20 d。斷流給河流生態(tài)造成了嚴重破壞，保障黃河不斷流是黃河生態(tài)保護的重要任務。預警流量是黃河斷流的預警信號，低于預警流量會觸發(fā)紅色預警，啟動相應的抗旱應急調度預案。生態(tài)基流是為維護河湖等水生態(tài)系統(tǒng)功能不喪失，需要保留的低限流量過程中的最小值。流量長期低于生態(tài)基流會給水生態(tài)系統(tǒng)造成嚴重破壞，生態(tài)基流保證率原則上應不小于90%。4—6月是黃河下游和黃河口近海海域魚類繁殖的關鍵期，保障這一時段的生態(tài)流量和入海水量十分重要。預警流量、生態(tài)基流和關鍵期生態(tài)流量來自國務院批復實施的《黃河流域綜合規(guī)劃(2012—2030年)》和水利部頒布實施的《第一批重點河湖生態(tài)流量保障目標(試行)》(表2)。

選擇高村斷面和利津斷面分析徑流變化。利津斷面臨近黃河入海口，是歷史上黃河干流下游斷流時間最長的斷面，能夠反映下游終點處的徑流變化和入海水量變化；高村斷面臨近小浪底水利樞紐與入海口的中間位置，能夠反映徑流沿程變化。小浪底水庫入庫和出庫斷面、高村斷面、利津斷面實測日徑流數(shù)據(jù)來自黃河水利委員會水文局相關水文站實測數(shù)據(jù)，根據(jù)實測徑流數(shù)據(jù)及水資源公報數(shù)據(jù)計算區(qū)間來水、取用水和蒸發(fā)滲漏水量數(shù)據(jù)。

表2 高村斷面和利津斷面特征流量 單位：m3/s

2 結果與分析

2.1 徑流還原結果

小浪底水利樞紐的調蓄對長系列徑流量沒有明顯影響，利津斷面2000—2019年實測年均徑流量168.93億m3，還原年均徑流量169.05億m3，情景2部分時段下游取水條件差，因此利津斷面還原徑流量略高于實測徑流量。小浪底水利樞紐是不完全年調節(jié)水庫，對徑流量年際變化影響較小，主要改變徑流過程的年內分布。小浪底水利樞紐的調蓄作用對高村斷面和利津斷面年內徑流過程的影響趨勢一致，以利津斷面為例，2000—2019年利津斷面4—7月的月均流量實測值高于還原值，8—11月的月均流量實測值低于還原值，還原前后12—3月的月均流量變化不大(圖2)。

圖2 2000—2019年利津斷面實測與還原月均徑流量Fig.2 Measured and restored average monthlyrunoff in Lijin Section in 2000—2019

2.2 對斷流的影響

在情景1中，2000—2019年持續(xù)不斷流，情景2的斷流天數(shù)如圖3所示。情景2中，徑流模擬結果顯示：2000—2019年高村斷面年均斷流10.90 d，年最長斷流天數(shù)50 d；利津斷面年均斷流81.15 d，年最長斷流天數(shù)176 d。

情景1和情景2的斷流預警天數(shù)如圖4和表3所示。情景1顯示小浪底水利樞紐運行初期黃河下游仍有預警情況發(fā)生，但自2004年以來高村斷面和利津斷面都沒有再發(fā)生過預警情況。情景2模擬結果顯示，2000—2019年高村斷面和利津斷面每年都會發(fā)生預警情況，其中高村斷面年均預警天數(shù)26.70 d，最長預警天數(shù)71 d；利津斷面年均預警天數(shù)91.60 d，最長預警天數(shù)195 d。小浪底水利樞紐年均減少高村斷面預警天數(shù)25.00 d，減少利津斷面預警天數(shù)86.25 d。

圖3 情景2斷面斷流天數(shù)Fig.3 Days of zero-flow under scenario 2

圖4 兩種情景下斷面預警天數(shù)Fig.4 Days of warning under two scenarios

表3 不同情景下高村和利津斷面徑流狀態(tài)指標值及變化情況Table 3 Values and variations of ecological indices in Gaocun and Lijin sections under different scenarios

2.3 對生態(tài)基流的影響

情景1和情景2的生態(tài)基流不達標天數(shù)如圖5和表3所示。情景1中，2000—2019年高村斷面和利津斷面生態(tài)基流保證率分別為98.63%和94.16%，2004年以來很少有低于生態(tài)基流的情況發(fā)生。在情景2中，2000—2019年高村斷面年均34.00 d流量小于生態(tài)基流，生態(tài)基流保證率90.68%；利津斷面年均96.55 d流量小于生態(tài)基流，生態(tài)基流保證率僅73.55%，遠低于生態(tài)基流目標保證率。小浪底水利樞紐年均減少高村斷面生態(tài)基流不達標29.00 d，減少利津斷面生態(tài)基流不達標75.25 d。

圖5 兩種情景下斷面生態(tài)基流不達標天數(shù)Fig.5 Substandard days of ecological baseflowunder two scenarios

2.4 對關鍵期生態(tài)需水的影響

情景1和情景2的關鍵期生態(tài)流量不達標天數(shù)如圖6和表3所示。情景1中，2000—2019年利津斷面關鍵期最小生態(tài)流量年均不達標24.20 d，保證率73.41%；適宜生態(tài)流量年均不達標34.50 d，保證率62.09%。情景2模擬結果顯示，沒有小浪底水利樞紐將導致關鍵期生態(tài)流量不達標的問題更加嚴重，2000—2019年利津斷面關鍵期最小生態(tài)流量最小生態(tài)流量年均不達標55.55 d，保證率僅38.96%；適宜生態(tài)流量年均不達標61.60 d，保證率僅32.31%。小浪底水利樞紐年均減少利津斷面關鍵期最小生態(tài)流量不達標31.35 d，減少關鍵期適宜生態(tài)流量不達標27.10 d。

圖6 兩種情景下利津斷面關鍵期最小生態(tài)流量不達標天數(shù)Fig.6 Substandard days of minimum ecological flowin critical period in Lijin Section under two scenarios

情景1和情景2的關鍵期入海水量如圖7和表3所示。情景1中，年均關鍵期入海水量38.48億m3，65%的年份關鍵期入海水量超過30億m3。在情景2中，年均關鍵期入海水量下降至14.77億m3，僅10%的年份關鍵期入海水量超過30億m3。小浪底水利樞紐年均增加關鍵期入海水量23.71億m3。

圖7 兩種情景下關鍵期入海水量Fig.7 Water into sea in critical period under two scenarios

3 討 論

3.1 小浪底水利樞紐的貢獻率

不同時段高村和利津斷面徑流狀態(tài)指標值及變化情況如表4所示。與1980—1999年相比，2000—2019年黃河下游徑流狀態(tài)向有利于河流健康的方向轉變：高村斷面年均斷流天數(shù)減少2.15 d、斷流預警天數(shù)減少16.55 d、生態(tài)基流不達標天數(shù)減少17.25 d，利津斷面年均斷流天數(shù)減少43.20 d、斷流預警天數(shù)減少59.10 d、生態(tài)基流不達標天數(shù)減少54.80 d、關鍵期最小生態(tài)流量不達標天數(shù)減少25.75 d、關鍵期適宜生態(tài)流量不達標天數(shù)減少22.90 d，關鍵期入海水量增加18.84億m3。

表4 不同時段高村和利津斷面實測徑流狀態(tài)指標值及變化情況Table 4 Values and variations of ecological indices in Gaocun and Lijin sections in different periods

表5 黃河來水與取水變化情況 單位：億m3Table 5 Change of flow and water withdrawal in the Yellow River unit: 108 m3

與1980—1999年相比，2000—2019年黃河下游徑流受到工程條件、天然徑流、取用水等多因素的復合影響。小浪底水利樞紐對高村斷面和利津斷面減少斷流天數(shù)的貢獻率分別為506.98%和187.85%；對高村斷面和利津斷面減少預警天數(shù)的貢獻率分別為151.06%和145.94%；對高村斷面和利津斷面減少生態(tài)基流不達標天數(shù)的貢獻率分別為168.12%和137.32%；對減少利津斷面關鍵期最小生態(tài)流量不達標天數(shù)和適宜生態(tài)流量不達標天數(shù)的貢獻率分別為121.75%和118.34%；對增加關鍵期入海水量的貢獻率為125.83%。

3.2 來水與取水的影響

小浪底水利樞紐對高村斷面和利津斷面徑流狀態(tài)指標變化的貢獻率均超過100%，說明影響黃河下游徑流的其他因素的總貢獻率為負值，即其他因素的復合作用會對黃河下游生態(tài)流量保障產生負面影響。

對來水和取水兩個因素分析，天然徑流量與取水量來自黃河流域水資源公報，三門峽斷面實測徑流量采用水文站實測數(shù)據(jù)，結果如表5所示。與1980—1999年相比，2000—2019年黃河天然年徑流量減少56.33億m3，衰減10.59%。三門峽斷面2000—2019年實測年徑流量比1980—1999年減少66.59億m3，降幅22.15%，說明進入黃河下游的水量大幅減少；關鍵期來水減少的現(xiàn)象更加突出，三門峽斷面2000—2019年4—6月實測徑流量比1980—1999年減少28.70%。在天然徑流量與下游實測來水均減少的同時，三門峽斷面以下的引黃水量卻在增加，2000—2019年年均引黃水量較1980—1999年增加3.19億m3。分析結果表明，黃河天然徑流量、下游實際來水量和下游引黃水量都在向不利于生態(tài)流量保障的方向發(fā)展。結合小浪底水利樞紐對生態(tài)的貢獻率，說明小浪底水利樞紐消除了來水與取水的不利影響，并保障了下游生態(tài)持續(xù)好轉。

在情景1下，2000—2003年高村和利津斷面徑流指標值相對較差，這一現(xiàn)象主要受到來水的影響。2000—2002年黃河來水偏枯，年均天然徑流量僅296.77億m3，比2000—2019年均值偏小179.04億m3；三門峽斷面年均實測徑流量151.04億m3，比2000—2019年均值偏小82.94億m3。2003年黃河天然徑流量和三門峽斷面實測徑流量均略高于2000—2019年均值，但來水集中于汛期，1—5月三門峽斷面實測徑流量僅44.46億m3，比2000—2019年均值偏低28.97億m3，導致1—5月預警和生態(tài)基流不達標頻發(fā)；在4—6月，三門峽斷面實測徑流量僅23.99億m3，比2000—2019年均值偏低 19.71億m3，導致關鍵期利津斷面最小生態(tài)流量和適宜生態(tài)流量不達標天數(shù)較多，關鍵期入海水量僅3.31億m3。

3.3 對生物資源的影響

小浪底水利樞紐對黃河下游生物資源具有多種影響。小浪底水利樞紐保障了下游不斷流、提高了生態(tài)流量保證率，同時水庫攔沙和調水調沙運用及天然來沙減少等因素使下游河道持續(xù)沖刷，根據(jù)水文站提供的斷面形態(tài)實測數(shù)據(jù)，干流主要斷面主槽最低高程較20世紀90年代降低2 m以上，平灘流量增加，河道形態(tài)趨于穩(wěn)定，為生物提供了更加穩(wěn)定的棲息環(huán)境。但相關研究顯示，調水調沙期間高含沙水流導致水體溶解氧含量降低，且泥沙附著在魚的腮絲上，造成魚類大量窒息死亡[26]。在水庫調度、污染治理、增殖放流等因素的共同影響下，不同時期魚類調查結果顯示黃河下游魚類資源呈改善趨勢：20世紀80年代初黃河下游調查到魚類81種[27]，2008年僅調查到魚類41種[28]，2018—2020年下游河南段發(fā)現(xiàn)魚類62種、山東段發(fā)現(xiàn)魚類53種[23]；黃河水資源保護科學研究院對黃河下游鯉魚的持續(xù)采樣結果顯示鯉魚逐漸擺脫了低齡化、小型化趨勢。

自2008年以來，小浪底水利樞紐通過塑造大流量向黃河三角洲淡水濕地恢復區(qū)生態(tài)補水，截至2020年累計補水5.79億m3，有效修復了黃河三角洲退化濕地，遙感影像解譯結果顯示，黃河三角洲蘆葦沼澤面積已經從21世紀初的1.15萬hm2增加到2020年的1.73萬hm2；隨著濕地修復和其他保護措施的實施，山東黃河三角洲國家級自然保護區(qū)鳥類多樣性增加，2019年保護區(qū)鳥類種類比1992年增加85種[23,29]。

3.4 小浪底水利樞紐生態(tài)調度優(yōu)化建議

小浪底水利樞紐使下游防斷流和生態(tài)基流都得到了較好的保障，但關鍵期生態(tài)流量的保證率較低。相關研究顯示，小浪底水利樞紐運行后下游生態(tài)水量較充足，因此需要進一步強化生態(tài)調度，調節(jié)年內徑流過程，增加關鍵期河道內生態(tài)供水[23]。

近30年來黃河天然來水量呈顯著減少趨勢，用水需求卻在不斷增加，此外人民對優(yōu)美生態(tài)環(huán)境的需求日益增長，小浪底水利樞紐未來將面臨更加嚴峻的水資源供需矛盾，調度難度進一步加大。需要探索不同調度任務間的耦合機制與協(xié)調方法，實現(xiàn)一水多用，解決缺水區(qū)域多目標調度難題。

4 結 語

本文提出了一種水庫生態(tài)影響與貢獻率定量分析方法，研究了小浪底水利樞紐對黃河下游生態(tài)的影響，結果表明：小浪底水利樞紐的運行保障了黃河下游連續(xù)20年不斷流，顯著減少了預警天數(shù)，提高了生態(tài)基流、關鍵期最小生態(tài)流量和關鍵期適宜生態(tài)流量的保障程度，增加了關鍵期入海水量，在改善黃河下游及三角洲生物棲息環(huán)境、提升生物數(shù)量和多樣性上發(fā)揮了重要作用；小浪底水利樞紐扭轉了近20年天然來水減少、河道外取水增加等不利影響，保障了徑流過程向有利于河流生態(tài)健康的方向轉變，在高村斷面和利津斷面生態(tài)維持的貢獻率均超過100%。

IHA-RVA等采用建庫前后時段對比的分析方法難以從多因素復合作用中分離出水庫單一因素的作用，本文方法能夠量化水庫單一因素在徑流變化中發(fā)揮的作用與貢獻率，對于科學解析水庫的生態(tài)作用具有重要價值。但是，本文沒有建立水庫與生物資源的直接聯(lián)系，而是以水為紐帶進行了間接分析，如何量化水庫對生物資源的影響是未來需要研究的重點問題。