三峡水库对下游河流水沙情势影响评估

郭文献，李 越，王鸿翔，查胡飞

(华北水利水电大学，郑州 450045)

天然水沙情势是河流生态系统关键驱动因素，决定着河流形态、群落结构是否稳定，其运移机制对河流生态系统起着至关重要的作用[1]。水利工程建设人为改变了河流天然水沙情势，必将产生一系列生态水文效应，进而会使河流生态系统受到影响，如生态服务功能衰退、生物群落的组成和多样性降低、流域内重要物种受到胁迫等[2]。因此，研究水电工程对水沙情势变化以及生态影响已成为当前河流生态水文学研究的热点问题。

长江是中国第一大河，年径流量和年输沙量分别位于世界第三位和第四位[3]。长江上游水电工程开发，尤其是三峡水库修建，在带来巨大经济社会效益同时也将部分改变长江的水沙情势，势必会对水库下游的水沙特性及生态环境造成一定影响。关于三峡水库蓄水对水沙特性影响研究已经进行了相关研究，如班璇等[4]通过分析三峡水库蓄水后长江中下游水沙时空变化，对三峡水库下游不同江段水沙情势的改变程度进行评价；府人寿等[5]研究了三峡水库蓄水前宜昌站水沙变化趋势，预测了三峡水库及上游大型水电站建成后宜昌站的水沙变化趋势；王延贵等[6]分析了水库拦沙对长江水沙情势变化的影响，阐述了水沙变化的成因，特别是分析了三峡水库下游宜昌、汉口和大通站水沙变化及其影响。这些研究均表明水沙特性在三峡水库蓄水后发生了显著变化。

鉴于水沙特性变化的复杂性，相关研究所采用的数据较为陈旧，且研究方法多为传统数理统计方法。由此本文采用双累积曲线法、Mann-Kendall和RVA法分析宜昌站在三峡水库蓄水前后水沙特性变化，旨在为明确长江中下游河流生态恢复目标和开展三峡水库生态调度研究提供参考依据。

1 研究区域及数据

研究区域为三峡水库下游宜昌江段，多年平均径流量为13 590 m3/s，多年平均含沙量为0.509 kg/m3。其中宜昌水文站位于三峡大坝下游44 km处，完整地控制了长江上游100.6 万km2的来水来沙情况，能够直接反映三峡水库蓄水后下游河流水沙变化情况。鉴于三峡水库于2003年蓄水，故将宜昌站1952-2002年51年流量、含沙量数据资料作为蓄水前序列，2003-2015年13年流量、含沙量数据资料作为蓄水后序列。

2 研究方法

根据研究区内水文资料特点，采用双累积曲线法、Mann-Kendall趋势检验法和变动范围法(RVA)就三峡水库下游宜昌水文站径流量和含沙量的变化情势进行分析。

其中双累积曲线法主要利用水沙累积曲线的变化特点研究水沙情势的变化，若双累积曲线在某点发生明显转折，则表明水沙特性发生变化[7]。Mann-Kendall趋势检验法通过计算河道水沙系列的统计量Z，与某一置信水平(0.1、0.05和0.01)下的临界变量对比。当|Z|≥1.67、1.96、2.56时，分别表示通过置信度为90%、95%和99%的显著性检验，方法具体计算过程见参考文献[8-10]。

变动范围法(RVA)是Richter等于1997年提出，该法建立在水文变化指标(IHA)法的基础上，利用建立的生态水文指标(表1)评价受水利工程影响的河流水文情势[11-13]。为了量化指标受干扰后的变化程度，Richter等建议以改变度来评估，其定义如下：

(1)

式中：Di为第i个IHA指标的水文改变度；Noi为第i个IHA受干扰后的观测年数中落在RVA目标阈值内的年数；Ne为受干扰后IHA指标预期落入RVA目标内的年数，可以用r·NT来评估，其中，r为受干扰前IHA落入RVA目标阈值内的比例，若以各个IHA的75%及25%作为RVA目标，则r=50%，而NT为受干扰后流量时间序列记录的总年数。为对IHA指标的水文改变程度设定一个客观的判断标准，规定若(1)式Di值介于0～33%属于未改变或者低度改变；33%～67%之间属于中度改变；67%～100%属于高度改变。整体水文变化程度Do可以用以下方法计算：取32个IHA指标改变度的平均值来评估河流生态环境的整体变化情形，然而这样将体现不出各指标权重大小。为了体现各指标的权重大小，本文采用对较大的Di值赋予较大的权重，用下式计算Do：

(2)

式中；n为指标个数，同时也规定Do值介于0～33%属于未改变或者低度改变；33%～67%之间属于中度改变；67%～100%属于高度改变。

表1 IHA参数指标Tab.1 Indexes of IHA

注：①基流指数为年最小连续7 d流量(含沙量)与年均值的比值；②罗马日表示公历一年中第多少天；③低脉冲定义为低于干扰前25%频率的日均值，高脉冲定义为高于干扰前75%频率的日均值；④逆转次数指日流量或含沙量由增加变化为减少或由减少变化为增加的次数。表中单位说明：流量为m3/s，含沙量为kg/m3，上升率、下降率为m3/(s·d)，高脉冲频率、低脉冲频率、逆转次数为次，高脉冲历时、低脉冲历时、年极值历时、年极值发生时间为d。

3 结果与讨论

3.1 水沙特性年际变化

为揭示宜昌站多年水沙情势变化情况，绘出宜昌站年均流量、含沙量变化情况(图1)及年径流量和输沙量双累积曲线(图2)。在研究期间内除1954、1998年和2006、2011年(1954和1998年为特大洪水年，2006和2011年为枯水年)年均流量出现较大波动外，总体上年均流量呈下降趋势。年均含沙量呈阶段性变化，即50年代到80年代基本保持稳定，80年代到21世纪初呈微弱下降趋势，2002年后年均含沙量大幅下降(图1)。年径流量和年输沙量双累积曲线在2003年以前基本保持一条直线，2003年后双累积曲线发生明显转折(图2)。经计算可得，宜昌站在三峡水库蓄水前年均含沙量为0.624 kg/m3，双累积曲线斜率为5.02，蓄水后年均含沙量减少为0.043 kg/m3，双累积曲线斜率减少为0.36，表明三峡水库蓄水后宜昌站水沙关系发生显著变化。

图1 宜昌站水沙年际变化Fig.1 Annual variation of flow and sediment at Yichang station

图2 宜昌站水沙量双累积曲线Fig.2 Double cumulative curves of flow and sediment at Yichang station

为进一步分析宜昌站年际水沙变化趋势，采用Mann-Kendall趋势检验进行分析，结果见表2。宜昌站年均流量和含沙量序列的Mann-Kendall趋势检验统计量z值为-1.88和-7.72，分别通过90%和99%的显著性检验，表明三峡水库蓄水后流量、含沙量均呈显著下降趋势，其中含沙量下降趋势更为显著。

表2 宜昌站水沙变化趋势Mann-Kendall检验Tab.2 Mann-Kendall test for flow and sediment at Yichang station

3.2 水沙特性指标变化

为定量评价三峡水库蓄水后下游河流水沙情势的改变程度，将宜昌站流量、含沙量数据序列划分为两个时段：三峡水库蓄水前(1952-2002年)，三峡水库蓄水后(2003-2015)。在此基础上采用变动范围法(RVA)计算宜昌站流量、含沙量各指标的变化程度(表3、表4)，根据各指标的变化情况对水沙情势的改变程度进行分析。

表3 三峡水库蓄水前后下游河流水沙指标统计表Tab.3 Statistical table of flow and sediment indexes before and after impoundment of the Three Gorges Reservoir

表4 三峡水库蓄水前后下游河流水沙指标统计表Tab.4 Statistical table of flow and sediment indexes before and after impoundment of the Three Gorges Reservoir

3.2.1 月均值变化

图3为三峡水库蓄水前后宜昌站月均流量、含沙量变化图。由图3可以看出，三峡水库蓄水后宜昌站月均流量在12-翌年5月呈增加趋势，其中2月、3月份发生高度改变，改变度分别达到88.79%、74.69%；6-11月呈减少趋势，均发生中、低度改变。相较于流量，宜昌站月均含沙量在三峡水库蓄水后均呈显著下降趋势，1-12月月均含沙量改变度均为100%，其中12-翌年4月份含沙量已不足0.01 kg/m3。整体而言，流量年内变化与三峡水库调度运行方式相一致，即丰水期水库蓄水导致下泄流量减少，枯水期泄水导致下泄流量增加，而含沙量则在三峡水库蓄水后年内整体大幅降低。

图3 水沙特性月均值变化Fig.3 Comparison of monthly mean flow and sediment

3.2.2 年极值及其发生时间变化

根据表3可以看出三峡水库蓄水后，宜昌站年均极小值流量都有不同程度的增加，而极大值流量均有不同程度的减少，其中极小值流量改变度均属于高度改变，年均30日最小值[图4(a)]改变度最大，2003年后全部超出RVA上限，达到88.79%；年极小值流量发生时间除个别年份保持在RVA目标范围内，整体由蓄水前2～3月之间提前到1月中旬，个别年份提前到上一年11-12月份[图4(b)]。三峡水库蓄水后宜昌站年极值含沙量均发生高度改变，改变度达到100%，图5(a)为宜昌站年极值含沙量及其发生时间，年最小含沙量自1952年到2002年整体上呈下降趋势，但2003年后下降明显，均值只有0.002 kg/m3；年极小值发生时间改变度达到78.21%，由图5(b)可以看出年极小值含沙量发生时间在三峡水库蓄水后波动较大，只有个别年份位于RVA目标范围内，2011-2014年甚至提前至12月发生。

图4 年极值流量及其发生时间变化Fig.4 Annual extreme flow and its occurrence time

图5 年极值含沙量及其发生时间变化Fig.5 Annual extreme sediment and its occurrence time

3.2.3 水沙脉冲变化

三峡水库蓄水后，宜昌站流量低脉冲完全消失，相较于蓄水前的51年内只出现两次，蓄水后13年内无低脉冲发生并无明显变化；流量高脉冲出现次数及历时都略有下降，总体来说，流量脉冲变化不大，基本属于低度改变。三峡水库蓄水后含沙量低脉冲出现次数略有降低，属于低度改变，含沙量低脉冲平均历时明显增加，改变度达到62.64%接近高度改变；含沙量高脉冲出现次数及历时都明显减少(图6)，改变都达到100%。图6中可见三峡水库蓄水后仅在2004-2005年内出现含沙量高脉冲，且出现次数及历时都远远低于RVA下限，变化十分显著。

3.2.4 水沙变化改变率及频率

三峡水库蓄水后，宜昌站流量上升率下降，下降率均上升，改变度为低度改变，但逆转次数由蓄水前年均91.88次增加到137.5次[图7(a)]，改变度达到100%，由图6(a)可以看出，三峡水库蓄水后流量逆转次数明显增加，所有年份全部高于RVA上限。三峡水库蓄水后含沙量上升率下降[图7(b)]、下降率上升[图7(c)]和逆转次数下降[图7(d)]，改变度均属于高度改变。由图7(b)、图7(c)、图7(d)可以看出，三峡水库蓄水后含沙量上升率、下降率和逆转次数均明显偏离RVA目标阈值，可见三峡水库蓄水后对其影响十分显著。

图6 含沙量高脉冲变化Fig.6 High pulse duration of sediment

图7 水沙变化改变率及频率Fig.7 The changes of rate and frequency for flow and sediment

3.3 河流水沙情势改变度评价

根据表3、4所列出宜昌站流量、含沙量各指标改变度进行排序，如图8～图9所示。可见，三峡水库蓄水后流量指标以低度改变居多，发生高度改变的指标有低脉冲历时，逆转次数，2、3月均值和年均1、3、7、30、90日最小流量以及基流指数等指标，其中低脉冲历时、逆转次数改变度为100%。含沙量各指标在三峡蓄水后以高度改变主导，除年最大值出现时间、低脉冲次数发生低度改变，基流指数，低脉冲历时发生中度改变外，其余指标均发生高度改变，改变度为100%的指标达到26个。

图8 流量指标改变度排序Fig.8 Ranked absolute degree of flow indexes

图9 含沙量指标改变度排序Fig.9 Ranked absolute degree of sediment indexes

为进一步评价水库下游水沙情势改变程度，计算出流量、含沙量各指标的整体改变度以及各组指标的改变程度，计算结果如表5所示。根据结算结果可得，流量各组指标以中度改变主导，其中第二组指标的改变度为33%，接近中度改变，第五组指标为63%，接近高度改变，整体改变度达到54%，为中度改变。含沙量除第三组为中度改变外，其余各指标均为高度改变，整体改变度达到94%。整体而言，受水库调蓄影响，下游流量指标整体为中度改变，受水库拦沙影响，下游含沙量各指标与蓄水前相比已完全改变，表明三峡水库蓄水后下游河流水沙情势变化显著。

表5 宜昌站水沙整体改变度Tab.5 Total change in flow and sediment of Yichang station

3.4 水沙情势改变影响

河流水沙情势对于维持河流地貌系统、生态系统的结构和功能具有重要作用。河流水文中流量大小、变幅、发生时间、持续时间以及变化率等因素是塑造河床的直接动力，泥沙是改变河床形态的物质基础，不同的水沙特征决定了河床的平面形态、断面特征、河湾数量、蜿蜒度、植物结构等，此外，河流地貌形态决定了生物栖息地的分布和多样性，进而影响了河流水生生物多样性。三峡水库的修建，本质上改变了下游河流水沙情势，进而引起水沙输移特性、河道形态的调整以及河流生态系统的响应[14-16]。三峡水库下游分布有珍稀保护鱼类中华鲟唯一产卵场以及重要经济鱼类四大家鱼多处产卵场[17]。根据《长江三峡工程生态与环境监测公报》(1997-2014年)调查显示，中华鲟繁殖群体所要求的水文环境近年来受到严重危害，其繁殖群体不断减少，且在2013年以后并没有监测到产卵活动；四大家鱼鱼苗径流量在三峡蓄水后显著下降，由蓄水前的年均25.2亿尾减少到蓄水后的2.7亿尾，其中2007、2009年已不足1亿尾。究其原因与三峡水库蓄水后水沙情势改变导致鱼类适宜生境条件改变有一定联系，水沙变幅、脉冲及改变率等因素变化都会对鱼类等生物所适宜的生境条件产生不利影响。

4 结 语

(1)三峡水库蓄水后，宜昌站水沙量双累积曲线发生明显转折，且宜昌站年均流量及含沙量分别通过90%和99%的显著性检验，表明三峡水库蓄水后流量、含沙量下降趋势显著，水沙关系发生显著变化。

(2)三峡水库蓄水后，月均流量12-翌年5月增加，6-11月减少，月均含沙量年内大幅下降；年极值流量发生高度改变的指标主要集中在年最小1、3、7、30、90日流量，年极值含沙量全部发生高度改变，改变度达到100%；流量脉冲无明显变化，基本属于低度改变，含沙量高脉冲于2005年后消失，改变度达到100%；流量逆转次数明显增加，含沙量的上升率、下降率及逆转次数均发生高度改变。

(3)根据对三峡水库蓄水后下游水沙情势改变度评价分析，水库下游水沙情势发生严重改变，流量指标整体发生中度改变，含沙量指标相较于蓄水前已完全改变，该变化对河流鱼类等生物产生一系列不良影响，需要制定相应的生态补偿措施维护下游河流生态系统健康。

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