太子河流域大型水库建设对生态水文指标的影响

张志斌

(辽宁省本溪水文局 辽宁 本溪 117000)

随着辽宁省对太子河流域水资源开发与利用的重视程度不断加大，相继投资兴建了几座大型水库工程项目。水库建设在实现供水、防洪、灌溉、水力发电等功能的同时，对太子河流域内主要河段的水文情势和河流生态系统的发展变化产生了一定程度的影响。为此，本文以建立生态水文指标为前提，就太子河流域大型水库建设对生态水文指标的影响进行研究。

1 项目概况

太子河流域处于辽宁省中部地区，位于东经 122°26'～124°53'，北纬 40°29'～41°39'之间，呈东西向，是浑太流域的子流域。太子河东侧为鸭绿江支流浑江，南临大洋河，西北接浑河，流经本溪市、辽阳市、鞍山市等城市，流域面积为13883km2，流域内农业、工业较为发达。为加强太子河流域的水资源开发与利用，在该流域修建了多个水库，其中最为主要的大型水库分别为1969年建成的汤河水库、1973年建成的葠窝水库以及2000年建成的观音阁水库，这三大水库总库容分别为7.07×108m3、7.9×108m3、21.68×108m3。

2 研究方法

2.1 生态水文指标的确定

从上世纪90年代开始，国内外的生态水文学家建立了一系列的生态水文指标，用以研究河流水库建设的生态水文效应，包括IHA指标体系、EFC指标体系、FSA指标体系、Growns指标体系等。但是，这些指标体系存在共同的弊端，主要体现在：指标体系中的指标数目较多，难以将其转化为可供水库水量调度使用的实用参数；大部分指标体系集中于分析整个径流过程，而缺少对基流量和暴雨径流的独立分析，使得分析结果无法准确反映河流水库建设对这两种流量的影响。

为弥补以上研究缺陷，笔者提出一种新的生态水文指标体系，该指标体系既能够体现河流的自然水文情势特性，又能够将水文过程划分为具有直接生态意义的不同流量组分进行分析，具体包括以下三个生态水文指标：

2.1.1 基流量指标

基流量是指河流流域内常年出现并基本稳定的水流流量，主要由地下水进行补给，决定着河流生态系统中水生生物群落的结构和数量。采取数字滤波递归法对基流进行连续分离，其滤波函数为：

式中，fk表示k时过滤出的暴雨径流；

qk表示k时的河流总径流；

α表示滤波参数。

笔者在考虑基流量季节变化特征的情况下，将滤波参数选定为0.925，过滤次数确定为3，并利用AQUAPAK软件过滤掉暴雨径流。当基流与总径流的比值≥0.9时，将该时期认定为基流时期，按月排列这一时期的日流量数据，选取中值作为该月的基流值。当基流值确定之后，便可用下式对河道基流量进行计算：

根据现场勘察钻探及室内试验数据，参考相关规范取值，并结合工程经验，该滑坡治理工程的土层物理力学参数及支挡结构参数见表1所示.

式中，QL代表河道基流量；

ξ1代表河道基流量的保证系数；

Qn代表多年平均（月）的天然径流量。

2.1.2 暴雨径流指标

暴雨径流是指降水（暴雨）在短时间内汇入河流，形成的特大径流。在本文研究中，笔者利用MSEXCELTM软件实施时段分析法，用以描述不同年段、各个季节在不同流量阈值之上的流量事件发生的频率和历时。其中，流量事件的发生频率用平均值表示，流量事件的历时用中值表示。必须注意的是，采取时段分析法进行分析之前，必须确定流量事件的独立性，即两个相邻流量事件应间隔7天以上，且两个洪峰之间的流量过程不超过较低洪峰流量的75%。

2.1.3 断流指标

断流是指河流某一河段出现河水停止流动的水文状况，能够对水生生物和水质产生重大影响。尤其在长期断流的情况下，甚至会造成水生生态系统崩溃。在计算断流指标时，可选用IHA软件计算每月断流天数以及每年累计断流天数，选用AQUAPAK软件分析得出每年最大断流的历时。

2.2 研究河段的选取

本文将太子河流域划分为3个研究河段（如图1所示），即本溪河段、辽阳河段、小林子河段，选取本溪水文站、辽阳水文站、小林子水文站1955年～2007年的水文观测数据，研究分析汤河水库、葠窝水库、观音阁水库建设对这三个河段的生态水文指标的影响。在图1中，①河段为本溪河段，其生态水文指标受观音阁水库建设的影响较大；②河段为辽阳河段，其生态水文指标受三大水库建设的综合影响；③河段为小林子河段，其生态水文指标主要受葠窝水库和汤河水库的影响较大。

图1 太子河流域的河段划分

图2 观音阁水库修建前后对本溪河段基流量的影响

3 结果分析

3.1 对基流量的影响

按照上文中提出的河道基流量计算方法，结合相关资料，对太子河流域当中三个主要河段在修建水库大坝前、后的逐月基流量进行了计算，得出如下结果：

（1）在本溪河段当中，受到观音阁水库运行的影响，使得除汛期以外的其它月份的基流均出现了不同程度的增加，而在水库流量调节功能的作用下，大坝修建之后的冬季基流约为大坝修建前的3倍左右，如图2所示。

（2）在辽阳河段内，受水库群的影响，造成了汛期来临前5月和6月的基流量增加，而汛期及其后各个月份的基流量却有所减少，其中汤河水库与葠窝水库的投入运行，使得该河段6月份基流量增加为最大值，但在观音阁水库修建完毕并投入运行后，因受到该水库的影响，导致5月份的基流量增至最大。

（3）水库大坝修建对小林子河段内基流量的影响呈现出与辽阳河段相同的态势。为此，不再进行重复介绍。

3.2 对暴雨径流的影响

（1）在本溪河段当中，观音阁水库的投运对该河段暴雨径流过程的主要影响出现在夏季。该时间段内，所有流量事件的发生频率均大幅度减少，由此可以判断水库投运后的削峰填谷以及洪水截流措施对河段暴雨径流有着极大的消减作用。由于水库在秋季主要是以蓄水发电为主，从而导致了＜35m3/s的流量事件发生频率有所增加，＞35m3/s的大幅度减少。在冬季时，所有的流量事件全部消失。春季流量事件的发生频率减少，但历时却有所增加。

（2）通过对水库大坝修建前后进行对比分析后发现，辽阳河段在汤河水库与葠窝水库投运后的暴雨径流过程的频率和历时均出现了较大程度的变化，同时，观音阁水库的投运在一定程度上加剧了这种变化。其中，主要的影响仍然出现在夏季，＜100m3/s的流量事件发生频率有明显的增长趋势，但历时却显著减少，由此说明水库在防洪截流方面发挥了作用。在秋季时，＞100m3/s的流量事件在观音阁水库投运前较少发生，水库投运后基本未再发生，这充分说明水库发挥出了蓄水发电及调丰补枯的作用。在冬季时，大坝的修建对洪水径流的频率并未带来太大的影响。在春季时，＜200m3/s的流量事件的发生频率及历时均略有增加。

（3）小林子河段在汤河水库与葠窝水库投运后的暴雨径流过程的出现频率及历时也均发生了较大的变化，并且随着观音阁水库的投运，使这种变化显著加剧。

3.3 对断流的影响

由相关资料可知，在太子河流域的各个河段当中，仅有一个河段曾经出现过断流，即辽阳河段。而在汤河水库与葠窝水库修建期间也发生过至少一次的断流，但在观音阁水库建成并投入使用之后，便再未出现过断流。

此外，在大坝修建之前，辽阳河段断流的发生几率较小，而水库工程的建设导致了断流频次的增加，并且很多断流均出现在一个连续的时间段当中。

4 结论

本文建立了一种新的生态水文指标体系，用以研究太子河流域大型水库建设对水文情势的影响，得出以下结论：

(1）汤河水库、葠窝水库、观音阁水库的投运进一步减少了太子河流域内本溪河段、辽阳河段以及小林子河段的汛期基流量，汛前基流量却随之增加。

(2）在整个太子河流域当中，只有辽阳河段出现断流，水库建设前的断流发生较少，随着汤河水库、葠窝水库的投运，断流频次增加，并且观音阁水库的投运进一步加剧了这种情况。

(3）汤河水库、葠窝水库、观音阁水库的建设，对本溪河段、辽阳河段以及小林子河段的暴雨径流过程的量级、频率、历时等方面具有一定程度的影响，其中最为主要的影响是，水库建设减少了汛期的洪水发生次数。

(4）太子河流域内的本溪与辽阳河段的年基流量均为3.38，小林子河段的年基流量为3.43，以上结果符合太子河流域对生态基流量的要求。陕西水利

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