基于RVA的水库工程对下游水文情势的影响分析

田伊池，郭彩银

(辽宁省大伙房水库管理局，辽宁 抚顺 113007)



基于RVA的水库工程对下游水文情势的影响分析

田伊池，郭彩银

(辽宁省大伙房水库管理局，辽宁 抚顺 113007)

摘要：为分析水库调度对生态系统的影响，采用变化范围法(RVA)评价水库调节对天然径流的改变程度，并以牛路岭水库为对象，进行了实例分析。结果表明，水库的调节作用使天然径流发生了显著的改变，尤其是增加拟建电站后，径流的天然状态发生较大改变，有损于河流生态系统的健康发展。建议将生态因素考虑到水库优化调度中，以减轻水库调度对生态的负面影响。

关键词：RVA法；水文变化指标；水文情势；牛路岭水库;水库调度；河流生态系统；负面影响

在河流生态系统的长期演化过程中，水生生物已经适应了河流的自然变化过程，河流生态系统的完整性很大程度上取决于天然河流的动态变化过程。然而，人类对自然改造和征服同时，严重破坏了河流生态系统，使得河流流量变化不完全依赖于季节性降水，部分河流生态环境发生根本性变化，对河流生态系统造成了极其深远的影响。基于此，文章采用变化范围法，评价水库调度对天然径流的改变程度及其对生态系统的影响[1]。

1研究方法

1.1　水文变化指标(IHA)

IHA 一般用于分析水文系列的变化情况，通过水文指标系列来评价水文系统的变化程度及其对生态系统产生的影响，尤其适用于受人类活动影响较大的河流。IHA指标包括5组特征值共32个参数，分别从月均流量状况、年极端流量大小、年极端流量发生时间、高低流量频率及延时、日流量改变量及逆转次数五个方面描绘河流年内的流量变化特征。

1.2　RVA评估方法

变化范围法(RVA 法，Range of Variability Approach)最初是由 Richter 等于1997年提出，该方法建立在IHA指标基础上，一般以日流量数据为基础，以建库前的自然流量变化状态为基准，统计32个IHA指标受人类干扰前后的变化情况，分析建库前后河流的改变程度。IHA指标受影响的程度一般以生态数据为依据，而由于生态资料缺乏，实际研究中多数成果将各指标排序后进行频率计算，采用发生几率为75%和25%的值作为各指标的上下限，称为RVA阈值[2]。

1.3　水文改变度的计算

为量化受建库前后IHA的变化程度，Richter等提出水文改变度这一概念，定义如下：

(1)

式中：Di为第i个IHA值的水文改变度；N0、Ne分别为建库后第i个IHA值实际、预期落于RVA阈值内的年数Ne可用r×NT来计算，r为建库前IHA指标落于RVA 阈值内的比例，NT为建库后流量记录的总年数。若设置IHA指标发生频率75%和25%的值确定阈值范围，则r可取50%。若Di值落在0%~33%区间为无或低度改变，落在33%~67%区间为中度改变，落在67%~100%区间为高度改变[3]。

萧正宗、吴富春提出以权重平均的方式来表征整体水文改变度，以D0来表示：

1)情形一：32个IHA指标均为低度改变，即D值都小于33%，则整体改变度取D值的平均值，如下式表示为：

(2)

式中：D0值小于33%，表示整体低度改变。

2)情形二：32个IHA指标中至少有一个指标为中度改变，而无任何指标为高度改变，如下式表示为：

(3)

式中：Nm表示IHA指标为中度改变的个数，则D0值将介于33%与67%之间，表示整体中度改变。

3)情形三：32个IHA指标中至少有一个指标为高度改变，如下式表示为：

(4)

式中：Nh表示IHA指标为高度改变的个数；D0的数值将高于67%，表示整体高度改变。

2实例

2.1　研究区域概况

牛路岭水库位于海南省琼海市会山乡境内，是一座兼发电和防洪的大型水库，年均来水量为22.44 亿 m3，年均流量为71.1 m3/s。牛路岭电站单机容量为2 万 kW，总装机容量为8 万 kW，以发电生产经营为主。海南省无论是对电力、电量，还是调峰，都存在着迫切的需求，并经初步分析，牛路岭水库电站仍有开发扩容的潜力。因此，拟在牛路岭水库下游约10 km处修建一引水式电站(称拟建电站)，其水头差较现状牛路岭电站要提高12~13 m，水头提高率约为20%左右，单位水资源量的发电效率会明显提高，但同时会对牛路岭水库下游河道生态系统造成一定影响[4]。基于此，本文采用RVA法分别评价水库现状和增加拟建电站后，下游河道的天然径流改变程度。电站工程布置简图见图1。

图1　牛路岭水库电站工程布置简图

2.2　资料处理

利用RVA法评价水库运行对下游河道生态的影响，流量资料需尽可能选取充分体现天然河流条件和仅受水库运行影响的数据。但在有关研究中，实际资料收取时，气候因素对流量资料影响较大[7]。为保证建库前后的对比分析建立在同步的基础上，选取牛路岭水库实际入库径流作为下游河道的天然流量，水库下泄至河道的流量作为仅受水库影响的流量，从而减小了气候等因素的影响，进而使评价结果更加合理，资料系列为1991—2011年。

增加拟建电站后，对牛路岭水库出库径流资料进行模拟分流，由于拟建电站水头大，发电效率高，优先供给拟建电站，若满足拟建电站发电需水后有剩余时，将剩余水量供给牛路岭电站发电。此时，经牛路岭电站下泄的水量即为下游河道实际水量。

2.3　RVA法评价建库前后径流改变程度

采用RVA法，计算整体水文改变度，结果为：现状出库流量水文指标的整体改变度为41.67%，属于中度改变，增加拟建电站后出库流量水文指标的整体改变度为83.04%，属于高度改变[5]。

利用RVA法对牛路岭水库现状出库流量及增加拟建电站后出库流量的IHA各指标进行统计分析，结果如表1所示。可以看出，32个水文变化指标中，现状出库流量有10个指标属于低度改变，15个指标属于中度改变，7个指标属于高度改变；增加拟建电站后，其中，1个指标属于低度改变，6个指标属于中度改变，25个指标属于高度改变。

经分析，得到月均值流量、年极端流量、年极端流量发生时间、高低流量频率及延时、日流量改变量及逆转次数的变化过程，限于篇幅，文章仅列出几种典型的变化过程，如图2~图8所示。

表1　牛路岭水库下游水文变化指标统计分析表

图2　牛路岭水库入库及出库月均值流量

图3　路岭水库最大7d流量

图4　牛路岭水库最小90d流量

图5　牛路岭水库高流量脉冲次数

图6　牛路岭水库高流量延时

图7　牛路岭水库日流量年均增加值

图8　牛路岭水库日流量逆转次数

2.4　结果分析

通过RVA法评价水库运行对下游天然径流的改变程度，结果表明，牛路岭水库现状电站出库流量水文指标整体发生中度改变，增加拟建电站导致下游河道水文指标整体发生高度改变，破坏了原有的河流生境，对生态系统造成胁迫作用。简要概括各类指标改变产生的影响如下：

1)月流量均值：现状出库流量指标以低度改变为主，增加拟建电站后，指标以高度改变为主，丰枯变化的改变可能破坏生物的自然产卵、迁徙周期等发生紊乱。

2)年极端流量：现状出库流量指标以中度改变为主，增加拟建电站后，指标以高度改变为主，蓄丰补枯的水量明显减少，可能导致河道与滞洪区的养分交换不畅，影响滞洪区的生物生长。

3)年极端流量发生时间：现状出库流量指标属于低度改变，增加拟建电站后，最小1 d流量发生时间指标属于高度改变。年极端流量发生时间可能影响水生生物洄游产卵、繁殖等行为的发生，水库调节后，发生时间变得不稳定，可能会破坏生物原有的繁殖期行为过程。

4)高、低流量频率及延时：现状出库流量，年高流量脉冲次数和低流量延时水文指标为高度改变，低流量脉冲次数和高流量延时水文指标为中度改变，增加拟建电站后，所有指标发生高度改变。高低流量频率及延时的变化影响泛洪区岸边植物的栖息地环境，对河流生态系统产生胁迫作用。水库调节后，该组指标仅有两个值发生中度改变，其余均发生高度改变，该变化破坏了泛洪区岸边植物的栖息地环境、各种水生生物原有的繁殖期行为过程及栖息地条件等自然特征。

5)日流量改变值及逆转次数：现状出库流量，日流量年均增加值和减少值指标属于中度改变，逆转次数属于高度改变，增加拟建电站后，所有指标发生高度改变。该组指标同水生生态环境的变化周期有着密切联系，高频的流量变化将对某些植物、低速生物体的生长产生较大的影响。

3结语

文章引入了变化范围法(RVA)，对建库前后水文指标的改变度进行分析，并以牛路岭水库为实例，进行了研究。结果表明：

1)水库运行使得水文指标发生不同程度的变化，对生态系统产生影响。

2)增加拟建电站后，进一步增大水文指标的改变度，势必对下游生态系统的破坏更为严重。

3)为减小水库运行对下游河道生态系统的影响，可开展水库生态~发电调度，即在水库发电调度的同时，满足河道内生态需水量是水库调度运行的主要任务。

参考文献：

[1]武会先,王万战,宋学东译.河流生命:为人类和自然管理水[M].郑州：黄河水利出版社,2005：25.

[2]蔡文君,殷峻暹,王浩.三峡水库运行对长江中下游水文情势的影响[J].人民长江,2012(05):22-25.

[3]李兴拼,郑江丽,贺新春,等.东江流域水文变异及其对生态环境的影响[J].人民珠江,2009(05):32-34+75.

[4]于茜,黄强,张洪波.不同水库运行模式对黄河兰州站生态水文特征变异的影响[J].干旱区地理,2010(05)：747-755.

[5]杨扬.考虑生态需水分析的水库调度研究[D].大连:大连理工大学,2012.

Analysis of Reservoir Project's Impact on Lower Hydrology Based on RVA

TIAN Yi-chi and GUO Cai-yin

(Liaoning Provincial Dahuofang Reservoir Administration Bureau，Fushun 113007,China)

Abstract：In order to analyze the reservoir operation's impact on ecological system，the changing scope method (RVA) is adopted to evaluate the degree of natural runoff changed due to reservoir regulation，and at Nululing reservoir as the research object，has carried on an example analysis.The results show that reservoir regulation has changed obviously natural runoff，especially after the completion of proposed power station，natural state of runoff has changed greatly，damaging the healthy development of river ecosystem.It is suggested that ecological factors be considered in optimal operation of reservoir so as to reduce the negative impact on ecology due to reservoir operation.

Key words：RVA；index of hydrological change；hydrological regime；Niululing reservoir；ecological system of rivers；negative impact

[作者简介]田伊池(1987-)，女，辽宁沈阳人，助理工程师，从事水情调度工作；郭彩银(1982-)，女，山西定襄人，工程师，从事工程管理工作。

[收稿日期]2015-06-28

中图分类号：P333.5

文献标识码：B

文章编号：1007-7596(2015)08-0004-05