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《資源科學雜志》2014年第六期

1研究區概況及數據來源

黃河發源于青藏高原的巴顏喀拉山脈北麓約古宗列盆地的瑪曲，最后于山東省流入渤海。流域面積79.5萬km2，干流全長5464km，是中國第二長河[11]。1960年至今，黃河干流建成了10多座水利樞紐，總庫容達到563億m3，幾乎接近天然徑流量[12]。其中具有重要調節作用的控制性水庫共4座，分別為上游的龍羊峽和劉家峽水庫、中游的三門峽和小浪底水庫（見圖1）。這些水利工程在防洪、灌溉、發電等方面發揮了重大作用和效益，但也正是由于水庫的大量蓄水，導致下游河道徑流量急劇減少，特別是進入20世紀90年代之后，黃河下游幾乎年年發生斷流，致使河流的水文情勢發生了重大改變，河流的生態平衡遭到嚴重破壞。花園口水文站距小浪底水庫下游128km，控制上游積水面積為73萬km2，占到黃河流域總面積的97%。它是黃河干流最重要的控制水文站，擔負著向國家防總、黃河防總等防汛指揮部門提供水文信息資料的重要任務，上游對其影響最大的水利工程分別為劉家峽、龍羊峽、三門峽和小浪底水庫。為了分析上述4座梯級水庫運行前后黃河下游生態系統水文要素的演變規律，本文根據花園口控制斷面1949-2010年（缺1966年、1967年、1968年）的日徑流資料，研究梯級水庫聯合運行對下游水文情勢的影響。

2研究方法

2.1水文改變指標法（IHA）河流水文情勢改變指標（IHA），IHA指標分為5組，分別從月流量大小、頻率、時間、歷時以及變化率等方面計算33個具有生態系統表征的水文特征值。IHA一般利用長系列日徑流資料計算受人類活動影響的河流，對影響前和影響后進行分析，具體指標及相應的生態系統表征見表1。

2.2變異范圍法（RVA）為了定量描述各個水文指標受影響后的改變程度，Richter等在IHA的基礎上提出變異范圍法[4]，通過對水庫運行前后河道日徑流數據進行分析研究，來量化各水文要素變化的程度，通常把受影響前各指標發生頻率的75%及25%作為滿足河流生態需求的變動范圍，即RVA閾值。若受影響后的流量特征值仍有大部分落在RVA閾值內，則說明建壩等人類活動對河流水文情勢的影響不大，是在可接受范圍之內；反之，若受影響后的流量特征值大部分落在RVA閾值外，則說明河流水文情勢改變度較大，將會對河流的生態環境產生嚴重的負面影響。為了定量描述各個水文指標受影響后的改變度，Richter等提出了水文改變度來量化，公式如下。式中Di為第i個指標的水文改變度；Ni為第i個指標受影響后仍落于RVA閾值范圍內的實際觀測年數；Ne=rNT為指標受影響后預期落于RVA閾值范圍內的年數；r為受影響前指標落于RVA閾值范圍內的比例，NT為指標受影響后的總年數。規定0%|D|i<33%為無或低度改變；33%|D|i<67%為中度改變；67%|D|i<100%為高度改變。Shiau和Wu[13]提出了整體水文改變度Do，即將各指標的水文改變度以權重平均的方式來計算水文情勢的綜合改變度，分為以下3種情況計算[5]：（1）如果各水文指標的改變值均小于33%，則整體改變度為33個Di值的平均值。式中Di為各個水文指標改的變化值；Nh為Di屬于高度改變的個數，顯然，計算得到的Do>67%，整體改變度將屬于高度改變。

2.3研究時段的劃分研究時段的劃分以水庫投入運行的時間為分界點。三門峽水庫1960年9月蓄水，其運用方式經歷了“蓄水攔沙”、“滯洪排沙”，之后1974年確定為“蓄清排渾”，所以三門峽水庫1974年開始正常運行；劉家峽水庫1974年最后一臺機組安裝完畢；龍羊峽水庫1986年建成；小浪底1997年截流，2001年底竣工，但考慮到初期蓄水期的影響，選取2006-2010年作為水庫影響時段。綜上分析，設定1974年以前為天然狀態，1974-1986年為劉家峽、三門峽水庫聯合運行階段，1987-1997年為龍羊峽、劉家峽、三門峽水庫聯合調度階段，2006年以后為龍羊峽、劉家峽、三門峽、小浪底水庫聯合運用時期，為方便起見，下文分別將龍羊峽、劉家峽、三門峽、小浪底水庫簡稱為龍、劉、三、小。

3研究結果

3.1水文指標改變度以1949-1973年為IHA影響前的日徑流序列，并以33個水文指標各發生機率的25%和75%作為RVA的上限和下限，即RVA閾值。根據公式（1）提出的水文指標改變度，可計算得到不同梯級水庫聯合運行模式下各指標的改變度，計算結果見表2。

3.2整體改變度由表2計算結果知，3種梯級水庫聯合調度模式均含有高度改變的水文指標，滿足Shiau和Wu[5]提出的整體水文改變度算法的第三種情況，由公式（4）可計算得到不同梯級水庫聯合運行下，黃河下游的整體水文改變情況，結果見表3。

4結果分析與討論

4.1月流量變化花園口站月平均流量的改變程度隨著梯級水庫數量的增加而增強，劉、三聯合運行，各月流量變化度均為中、低改變；劉、龍、三聯合運行后12個月中有5個月都呈高度改變；而小浪底的加入后，只有6月呈低度改變，其余各月均為中、高度改變，其中汛期變化度最為明顯。由此可以說明梯級聯合調度的水庫數量越多，對黃河下游的水文情勢影響就越大。龍羊峽水庫、劉家峽水庫、三門峽水庫、小浪底水庫不同組合模式運行前后，花園口斷面平均月流量變化趨勢如圖2所示。由圖2可知，天然狀態下，花園口站月平均流量分配極不均勻，呈現出明顯的季節變化，在汛期7-10月份平均流量為2143m3/s，非汛期平均流量為957m3/s。劉家峽和三門峽水庫聯合運行期間，由于三門峽水庫“蓄清排渾”的運行方式使花園口斷面汛期平均流量較天然狀態下變化不大。龍羊峽投入運行后，由于龍羊峽為多年調節水庫，其“蓄豐”作用明顯，致使花園口斷面汛期平均流量削減為1205m3/s，非汛期平均流量占到全年的53.2%。四庫聯調階段后，由于小浪底水庫自2001年起開始實施調水調沙，其防洪沖沙的任務更加凸顯，致使各月流量分配更加均勻平坦化，尤其是汛期變化較大，月平均流量速降至733m3/s，嚴重影響了水生物種的繁殖和生存，危害河流生態健康。

4.2年極端流量變化圖3為不同梯級水庫聯合運行模式下，年極端流量相對于天然狀況下的流量變化幅度。圖3顯示，劉、三水庫聯合運行給年流量極小值帶來明顯影響，年最小1天、3天、7天（1周）、30天（1月）、90天（1季）流量平均值均增大，增加幅度分別達到了166.25%、152.82%、163.54%、38.02%和5.04%。龍羊峽水庫加入后，對年流量極大值影響顯著，年不同歷時的最大流量平均值均明顯減小，且長歷時極大值較短歷時極大值變化明顯，年最大1天、3天、7天、30天、90天平均值較天然狀態下減小幅度分別為27.09%、35.34%、41.21%、35.78%、37.94%。小浪底水庫投入使用后，年流量極小值和年流量極大值均發生了顯著性改變，年流量極值指標中，年流量極小值較天然狀態下變化幅度分別為145.15%、134.89%、129.72%、11.52%和-13.38%，年流量極大值較天然狀態下變化幅度分別為-30.62%、-25.19%、-18.45%、-41.61%和-43.58%。綜上分析可知，梯級水庫聯合運行極大的改變了黃河流量的天然分配規律，特別是劉、三、龍、小四庫聯合運行之后，對黃河下游的調節作用更加明顯，雖然這種人為的水庫調節方式對水量的分配、河道泥沙的沖刷有所益處，但會使天然洪水和年內豐枯周期逐步消失，極大地危害黃河下游生態功能，破壞水生生物的生存環境的穩定性。

4.3年極端流量發生時間圖4為二庫、三庫、四庫聯合運行年極小值、極大值流量發生時間儒略日變化。由圖4看出，梯級水庫聯合運行之后，年最小1日流量發生時間均有所推遲，主要集中在7~10月；年最大1日流量發生時間均有所提前，主要集中在1~4月。由于水生生物尤其是魚類的繁殖和洄游產卵等行為一般發生在季節性洪峰時期，但是梯級水庫運行后，季節性洪峰期逐步喪失，尤其是四庫聯合運行后，最小1日與最大1日流量發生時間僅相差12天，這會嚴重阻礙魚類接近溺水和濕地區域，同時破壞了水生植物網結構的穩定性、延緩植被生長速度及再生率[13]。

4.4高、低流量頻率及歷時RVA規定高于影響前指標發生頻率的75%為高流量，低于25%屬低流量。由表2的計算結果知，年發生低流量次數都有所增加且歷時縮短，高流量次數都有所減少且歷時增加。二庫階段與三庫階段相比，高、低流量歷時改變度均由低度轉為中度；但與四庫聯合階段相比，低流量次數和高、低流量歷時均呈高度變化。可見，龍羊峽的加入對河道年高、低流量歷時影響較大；四庫聯合調度后，雖然下泄流量過程經小浪底水庫調節后，可最大限度地沖刷河道泥沙淤積[14]，排沙入海，但是對高低流量次數影響顯著，致使黃河下游小流量增大，大流量減小，將會降低河流對洪泛區水生生物的支持，逐步瓦解水生生物的多樣性。

4.5流量變化改變率及逆轉次數受人類活動影響后，不論二庫、三庫還是四庫聯合運行情況下，流量平均增加率和減少率都有所降低且波動范圍較大，尤其是三庫和四庫聯合運行下，水文改變度均為高度變化。3種聯合調度模式下，流量逆轉次數的改變度都為中度，波動范圍不大，而流量逆轉次數與河流生態環境的變化周期息息相關，頻繁的逆轉雖然對下游河道調水調沙有利，但是會破壞河流的自然水文周期，擾亂魚類等水生生物的生存環境，尤其是對河道內的鯰魚、鯉魚影響最為顯著，損失量最大[15]。

4.6整體改變由表3可知，二庫聯合運行階段的整體改變度為68.92%，三庫聯合運行階段的整體改變度為73.21%，四庫聯合運行階段的整體改變度為87.00%，均屬于高度改變。可見，整體水文改變度的大小與梯級水庫聯合運行的數量呈正相關，水庫聯合調度的數量越多，黃河下游水文情勢的改變度越大。不同數量的梯級水庫組合運行模式下，33個IHA指標改變度的分布差異也可證實這一觀點（如圖5所示），與受人類活動影響之前的各IHA指標相比，兩庫聯合運行時期出現了4個高度改變，占總數的12%；三庫聯合運行時期出現了11個高度改變，占總數的33%；四庫聯合運行階段出現了21個高度改變，達到兩庫運行階段的5倍，三庫運行階段的3倍，占到總數的64%。這是由于在三庫聯合運行期間，龍羊峽的加入，使水庫整體的調節能力加強，防洪調蓄的作用在汛期尤其突出，大流量（如洪水）的水流過程被攔蓄在水庫中，打斷了天然的水流程，從而引發相關水文指標的強烈變動。當小浪底投入運行即四庫聯合調度之后，黃河下游水文情勢改變最為嚴重，這主要是由于小浪底的調水調沙使得下游流量過程變動更加頻繁所導致的。

5結論

本文在IHA的基礎上，采用RVA方法對黃河花園口站的生態水文特征值進行了分析研究，通過對比分析33個IHA指標在二庫、三庫和四庫三種梯級聯合運行模式下的變化情況，深入剖析黃河干流控制性梯級水庫聯合調度對下游河道水文情勢的影響程度。主要結論如下：（1）受人類活動影響后，黃河下游的水文情勢發生了高度改變。其中，二庫聯合運行期間，黃河下游整體水文改變度為68.92%，三庫聯合運行期間，改變度為73.21%，四庫聯合運行后，改變度為87%。（2）梯級水庫的聯調作用隨著水庫數量的增加而增強，從而使得黃河下游水文情勢的改變程度愈演愈烈，特別四庫聯合調度后，雖然下泄流量過程經小浪底水庫調節后，可最大限度地沖刷河道泥沙淤積，排沙入海，但流量過程變得更加平坦均勻化，致使河道內的生物量和多樣性急劇下降，極大地危害河流生態健康。

作者：黎云云暢建霞涂歡金文婷單位：西安理工大學西北旱區生態水利工程國家重點實驗室