水庫建設對河流水文情勢的影響分析

孫晶　路祥

摘要：水庫建設對河流水文情勢有著重要影響，也關系著河流生態系統的正常運行。當前水庫建設是實現水資源合理調配的重要途徑，而水庫建設也將引發河流水文情勢改變，可能導致河流生態系統失衡。現階段在水文改變度的研究還存在不足，主要體現在單獨分析高流量與基流量，而整體性的分析難以體現水庫建設對不同流量的影響，并且多數的研究沒有分析對生態環境的影響，通過分析河流水文指標生態學，根據斷流、基流量、高流量、退水率、漲水率等指標可以掌握水庫建設前后水文指標變化，進而分析水庫建設對河流水文情勢和周邊生態系統的影響，為后續制定生態系統改善措施提供支持。基于此，以黑泉水庫為例，概述了黑泉水庫流水文情勢，之后進行壩址生態流量保障性分析，提出水庫建設對河流水文情勢的影響，希望對相關研究帶來幫助。

關鍵詞：水庫建設? 河流? 水文情勢? 生態系統

Analysis of the Impact of Reservoir Construction on the Hydrological Regime of Rivers

SUN Jing LU Xiang

（1.Water Resources Dispatching Service Center of Water Transfer Project from Datong River to Huangshui River in Qinghai Province; 2.Zhongyan Construction Group Co.， Ltd.， Xining， Qinghai Province， 810001 China）

Abstract： Reservoir construction has an important impact on the hydrological regime of rivers and is also related to the normal operation of river ecosystems. At present， reservoir construction is an important way to achieve the rational allocation of water resources， and reservoir construction will also cause the changes of the hydrological regime of rivers， which may lead to imbalances in river ecosystems. At present， there are still shortcomings in the research on the degree of hydrological alteration， which are mainly reflected in the separate analysis of high flow and base flow， while overall analysis is difficult to reflect the impact of reservoir construction on different flows， and most studies have not analyzed the impact on the ecological environment. By analyzing the ecology of river hydrological indicators， according to indicators such as cutoff， base flow， high flow， retreat rate and rise rate， the changes of hydrological indicators before and after reservoir construction can be grasped， and then the impact of reservoir construction on the hydrological regime of rivers and surrounding ecosystems can be analyzed， so as to provide support for the subsequent formulation of improvement measures for ecosystems. Based on this， this article takes the Heiquan Reservoir as an example， summarizes the hydrological regime of water flow in the Heiquan Reservoir， then analyzes the ecological flow guarantee of the dam site， and proposes the impact of reservoir construction on the hydrological regime of rivers， hoping to provide help for relevant research.

Key Words： Reservoir construction; River; Hydrological regime; Ecosystem

河流生態是目前環境保護中的重要內容，其會受到流量變化的影響。因此，維持河流生態功能的前提，即是確保河流具有穩定的自然流量，并科學把握流量變化趨勢。水庫建設后會改變河流生態環境和水文情勢，隨著河流開發程度加強繼續帶來生態水文效應。青海省大通縣境內的黑泉水庫攔蓄大量的河水，主要用途在于城市供水和農田灌溉，進而改變河流原有水文條件、河川徑流量，也破壞了河流水生態平衡，因此需要對黑泉水庫以及下游的水文情勢進分析，并且建立生態系統以及河道水量響應機制，為后續設計水庫調度方案以及管理部門決策提供科學指導^[1]。

1? 研究背景

水文情勢主要影響河流能量傳遞、水生物相互作用、物理棲息地、物質循環過程，也是影響生態完整性、生物多樣性的關鍵因素。國內外關于水文情勢的研究主要體現在以下方面。

1.1國外分析

諸多國外學者分析了河流水文情勢，有研究人員分析了考慮發生時間、歷時、改變率、頻率、流量等水文變異指標（IHA），對河流水文情勢進行了客觀的描述，還有研究人員分析了淡水系統和水文改變度的潛在影響，根據水文站日流量數據分析旱澇災害程度。在計算機技術不斷發展的背景下，工程領域開始使用數值模擬軟件，其中有學者借助荷蘭Delft水力研究所研發的Sobek軟件建立數學模型，研究了紅山水庫工程對金溝河水文情勢的影響，還有一項關于通過Mike11模型研究鄂北調水工程對漢江中下游水文情勢影響的研究，并且計算結果和實測值較吻合。不過一維數值模擬只反映了河道斷面的平均水力要素，未能體現流速、水位等水力要素^[2]。

1.2國內分析

國內研究人員分析了長江宜昌站，利用米-K檢驗、Spearman秩次相關檢驗法等分析水文徑流序列的顯著性，根據已建水庫群的實況調度信息劃分徑流序列，之后借助應用IHA/RVA方法分析了水文情勢改變達到中等水平，隨著相繼建成水庫群，長江下游河道水文情勢也出現了變化，還有學者分析了塔里木河水文情勢，通過改進變化范圍法（RVA）掌握多浪水庫的擴建高度改變對下游河道水生生物的產卵、洄游等方面的影響。當前水庫建設對下游水文情勢影響主要研究方面集中在測量水文站實測流量過程、來水來沙條件，還有研究人員用RVA統計分析，或者根據徑流量和相關氣象資料，采用線性傾向估計分析。本文對河流水文情勢的影響進行了更加深入的分析。

2? 黑泉水庫水文情勢概述

青海省大通縣境內的黑泉水庫位于湟水河支流北川河上游寶庫河上，距離西寧市75 km。黑泉水庫是“引大濟湟”工程一期工程的重要組成部分，工程總投資7.76億元，于1996年開工建設，2001年下閘蓄水，2006年竣工驗收，水庫總庫容1.82億m³，興利庫容1.32億m³，這一水利樞紐工程綜合效益明顯，作用在于灌溉、城市供水、防洪、發電。工程主要建筑物包括大壩、溢洪道、導流放水洞、灌溉發電洞、壩后電站、供水工程。水庫大壩主要材料為砼面板堆砂礫石，大壩右側布置開敞式岸邊溢洪道；導流洞和龍抬頭形式的放水洞分布在右岸山體內，灌溉發電洞分布在左岸山體內，水電站廠房布置于壩后左岸，供水工程位于壩后左岸臺地^[3]。黑泉水庫已進入運行管理期，蓄水安全鑒定、大壩性狀分析、黑泉水庫大壩安全鑒定及歷年工程觀測資料分析結論表明，目前工程運行狀況良好 。

寶庫河屬典型的山區型河流，北川河洪水大多來自寶庫河，洪水由暴雨形成，多出現在7—8月，一次洪水歷時一天左右，具有洪峰高，洪量不大的特性。根據多年水文資料顯示，寶庫河流域來水特點為年降水量較少（400～600mm），年蒸發量較大（1 273 mm），多年平均流量為10.1 m³/s，多年平均來水量為3.2億m³，寶庫河河床平均比降8.41‰，流域形狀呈羽毛狀。壩址位于寶庫河下游峽谷段（東經101°34′11.1″、北緯37°04′27.7″），河谷為橫向谷呈“U”字形，谷底寬240～250 m，兩岸山體相對高差大于1 000 m，地形較陡，岸坡坡度40°～60°，地震基本烈度為7度。

3? 壩址生態流量保障性分析

結合黑泉水庫的流域地形地貌特征、水庫年調節能力，建成后會改變下游河道的徑流狀態，所以水庫壩址需要下泄一定的流量才能滿足壩下河道內用水需求。根據國家頒布的相關規定，為維持和保護河段水生生態系統穩定，在水庫建設的過程中需要保證下泄一定的生態流量，進而實現水資源的合理調配。生態流量主要考慮的問題如下：其一，工農業生產和生活需水；其二，維持水生生態系統穩定用水；其三，維持河道水質的最小稀釋凈化用水；其四，維持地下水位動態平衡補給用水，黑泉水庫建設期間主要是考慮生活需水量、維持水生生態系統穩定所需水量等因素，結合水庫下游河道用水情況對用水情況進行分析，其中為了所需水量并取最大值，主要選擇方法為Tennant法、最小月平均徑流法和90%保證率法^[4]。

4? 水庫建設對河流水文情勢的影響

由于黑泉水庫為季節調節型水庫，在運行期間可以起到調蓄作用，進而實現庫區及壩下河段水文狀況變化，根據工程搜集的資料和數據顯示，這一水庫的正常蓄水位為50 m，水庫容量為1.82億m³，結合水庫調度運行方式，每年8—9月的汛期為下游預留防洪庫容，將水位控制在2 887.75 m左右，而非汛期設計洪水位控制在2 894.12 m，在庫區河段平均水位較核洪水位2 894.12 m時平均流速大幅減緩，說明水庫對徑流的調節能力下降，通過對比工程前壩址斷面平水年和枯水年的季度徑流變化，證實枯水年和平水年的季度徑流變化基本一致，不過豐水期徑流略少于平水期，枯水期出現小幅度增加情況，平水期和枯水期的季度徑流穩定，通過分析該水利工程項目季度徑流變化可看到水庫修建后起到調節壩下徑流的作用，有效增加了壩下河道的枯水流量，讓下段河道水環境穩定性提升，有利于保護下游的水體功能，讓生態系統更加穩定。對河流水文情勢的影響具體表現在以下方面。

4.1 對初期蓄水的影響

結合本工程的整體設計情況，10天的蓄水量水位達到2 876.50 m，蓄水早期主要采用導流以及泄洪沖沙洞向下游供水。結合水庫壩址斷面下泄水量計算結果，在蓄水早期平均流量每秒下降6.14 m³，并且蓄水早期壩址斷面下泄流量較為穩定，數值在每秒1.86 m³，達到下泄生態基流要求，同時滿足灌溉區域用水要求^[5]。

4.2 對施工期的影響

本工程采取上下游圍堰擋水的方法，并且對河床一次性截斷，主要的導流方法為導流洞、泄洪沖沙洞。根據施工組織設計，截流施工在8月底進行。截流時的技術難點在于截流龍口寬度大小不同，龍口泄流期間逐漸轉變成導流和泄洪沖沙洞泄流，下泄流量為河道天然來流量，所以截流過程未對下游水文情勢帶來影響，截流完成后主要采用導流以及泄洪沖沙洞方法，下泄流量為河道帶來更多的天然來水量，未影響對下游水文情勢。

4.3 對工程運行的影響

4.3.1對壩址下游河段泥沙情勢的影響

黑泉水庫的主要作用在于攔蓄泥沙，水庫正常工作后流水也會沖刷壩址下游河道，這一過程中下泄清水導致壩址區段向下游推進，不過沖刷強度隨著距離增加開始下降。在水庫內泥沙淤積逐漸平衡后，水庫清水下泄逐漸減輕了對壩下河段的沖刷程度，隨著時間的延長河道沖淤再次恢復平衡。在水庫建成后，下泄水流中的平均含沙量明顯減少，并且泥沙粒徑相比建設初期粒徑更細，有效避免下游河道出現泥沙淤積的情況，起到改善下游河道運行環境的作用.

4.3.2對水庫庫區泥沙情勢的影響

水庫位于湟水河支流北川河上游寶庫河上，庫區河段天然河床比降穩定在17.1%，水流挾沙能力較強，并且來水懸移質泥沙粒徑較細，中粗砂占比下降，并且為水流挾沙和排沙帶來便利。結合泥沙淤積計算結果，水庫汛期在2 886.60 m工作環境下，約65%的懸移質泥沙流進死庫容，估計淤滿需要30年并且達到沖淤平衡，估算殘余死庫容10萬m³，殘余調節庫容3 271萬m³，可以保證調節庫容^[6]。

4.4 對運行期的影響

4.4.1對下游河段水文情勢的影響

在工程完成后改變了下游灌區需水過程和需水量，下游河段引水過程也出現了變化，進而影響了工程建設前的河道徑流過程，通過分析黑泉水庫壩址斷面，根據P=75%來水頻率計算發現相比現狀年壩址斷面年下泄徑流量減少接近500萬m³，減少幅度接近2.8%，其中每年1月、2月、5月、11月大的下泄流量減少幅度0.5%～78.8%，8月減幅最大；其他月份的下泄流量不同程度增加，增加幅度為10.6%～210.2%，4月和6月增幅相對較高；根據在P=50%來水頻率計算發現相比現狀年，壩址斷面年下泄徑流量減少接近500萬m³，減少幅度接近2.8%；其中每年1月、2月、3月、6月、10月下泄流量不同程度增加，增加幅度為2.8%～323.8%，3—5月增幅較高；除了2月份其他月份下泄流量不同程度減少，減少幅度為1.2%～63.4%，并且8月份減少幅度最大。

4.4.2對庫區水文情勢的影響

黑泉水庫完工后開始蓄水，水庫壩前距離庫區回水尾端5 km處的天然河段形成水庫形態，并且水深、流動速度、水面面積出現變化。庫區回水區域相比庫區建成前的水面面積和水深會都有提升，由回水尾端到壩前水深的增幅出現提升，最高水深幅度可達70 m；庫區內由庫區回水末端到壩前流速減緩，在壩前斷面減速最為明顯。水庫穩定工作時水位在2 864 m～2 886 m范圍內不斷變化，水深變幅接近32 m。

4.5 對考核斷面生態流量的影響

黑泉水庫位于湟水河支流北川河上游寶庫河的上游，與下游的大壩斷面距離為56 km、與潢河口斷面距離為98 km，水庫建成運行后可以進一步滿足生活用水、工業用水和農業灌溉用水，并且對河道徑流豐枯起到調節作用。根據統計數據進一步分析，建庫后90%保證率大壩考核1斷面每秒流量為1.99 m³，大于技術方案規定的生態流量每秒流量為1.11 m³，并且考核2斷面每秒流量為2.08 m³，滿足生態流量調查評價及閘壩聯合調度方案的每秒流量為1.25 m³規定，在水庫建設后兩個考核斷面多年平均徑流量分別減少7.2%、6.3%，并且憑借對下游枯水期徑流的調節作用可以保障下游河道生態流量。

4.6 對下游河道水質的影響

在施工結束后庫區的河段水位逐漸升高，并且過水斷面和水深都會升高，而水流速度相對變慢。這一過程中水體中的污染物稀釋和擴散能力開始下降，在一定程度上對水生態環境造成影響，對下游河道水質的影響主要在于下泄水的水質狀況和徑流的調節能力，需要在施工結束后增加枯水流量，讓過水流量趨于穩定，進而有助于壩下河段水質的保持。

4.7 對壩下類生態資源的影響

黑泉水庫建成后需要分析水庫的調度與調節作用，由于河流水位、流量、流速都出現不同程度的下降，所以壩下自然水位變動幅度下降直接導致了河流沿岸地帶的生態環境層次沒有原來豐富，破壞了部分流水性魚類生存環境，其中波峰型產卵魚類的繁殖環境受到嚴重破壞，因難以適應環境變化出現數量減少的問題。因此在黑泉水庫運營期間充分考慮了調水方式的科學性，最大程度的營造魚類漂流性繁殖環境，結合水文水力學條件形成人造洪峰，避免了水庫下游出現減水與脫水河段。再如水庫供水增加的情況下也為下游的河段增加水量，進而降低水庫在干燥地區發生洪水泛濫的概率。此外，要合理確定河段的最小生態流量，進而滿足水生動物的生存需要。

4.8 對水量變化偏離度的影響

4.8.1月平均徑流量變化

黑泉水庫建成后下游處于非汛期月徑流量下降幅度較大，在3月減少幅度為每秒21.6 m³，而水庫建設運行時汛期在不同程度降低月均徑流量，對6月、7月、8月影響最大。

4.8.2年極端流量發生時間

水庫建成后相較上一年度最小流量、最大流量出現時間分別提前24 d、17 d。水生物種的凈化和魚類繁衍棲息環境明顯受到年極端流量發生時間影響，并且汛期漲水時一般為魚類產卵繁衍期，通過提前最大流量出現時間改變了魚類繁殖的行為過程。

4.8.3高低流量的頻率

分析了河床結構、泥沙運輸特征，之后通過高低流量頻率減少低流量持續時間和次數，在一定程度上減少河灘干旱出現情況，水庫枯補主要體現在河灘自然發展情況，黑泉水庫建庫前、后高流量次數為5.35、4.72次，下降0.63次。

4.8.4流量變化改變率及頻率

河流中水生生物種群受到流量變化的改變率影響，所以需要在適當范圍保持二者變化率，逆轉次數越高導致水量波動越大，對周邊環境變化周期影響越嚴重，調查發現黑泉水庫建庫運行后逆轉次數多達112.45次，具有積極影響。

5? 結語

綜上所述，水庫的建設與運行直接影響河道的水文情勢，主要影響要素包括水資源量、流量、流速、水深、泥沙含量，而水庫的建設在提高防洪能力、改善河道水生生境方面也有重要影響，需要在建設前期分析壩址、考核斷面的生態流量，全面考慮水庫建設對水文情勢的影響因素，之后合理調度，進而逐步改善潢河生態系統平衡狀態，實現水利工程與生態環境的平衡發展，為后代造福。

參考文獻

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