龙羊峡水库对坝下河段生态水文情势影响研究

林梦然　董增川　贾一飞

摘要：选取1988-2016年黄河唐乃亥水文站逐日平均流量和龙羊峡水库逐日出库流量数据进行水文变化指标（IHA）计算，采用水文变化范围法（ RVA）并结合水库运行特点及黄河上游生态特征，评估龙羊峡水库运行对其坝下河段水文情势的改变程度及生态影响。结果表明：龙羊峡水库的运行对其坝下河段水文情势的影响属于高度改变，河流整体水文情势改变度为68.3 10-10;指标体系中1-3月、12月平均流量，年最大l、3、7d平均流量，年最小7、30、90 d平均流量，最小流量发生时间，低流量发生次数及延时，流量改变率及频率等指标改变显著。

关键词：水文变化范围法：水文变化指标;水库运行;生态水文情势;龙羊峡水库;黄河上游

中图分类号：TV697.2+5;TV882.1

文献标志码：A

doi： 10.3969/j.issn.1000- 1379.2019.03.014

自然水文情势是维持河流生态系统完整性和生物多样性的基础要素[1]。大型水利工程的建设与运行极大地改变了河流自然水文情势，引起河流生态系统结构功能的变化[2]，对河流生态系统产生了深远的影响。

黄河上游具有水资源丰富、径流稳定、沿程峡谷落差集中等特点，是我国重点开发的水电基地之一。黄河上游生活着多种高原地区特有的土著鱼类，常年分布有重要的产卵场、越冬场和索饵场，具有重要的生态保护价值[3]。然而，这些种群的再生能力相对脆弱，一旦种群数量受到外界因素影响而急剧下降，在短期内很难恢复[4]。因此，评估黄河上游水利工程对河流水文情势的影响程度对保护上游生态系统至关重要。

目前，对于黄河流域水文情势改变程度的定量评估多限于黄河中下游及河口地区，较少涉及上游河段。笔者采用水文变化范围法（ RVA）评估龙羊峡水库对其坝下河段水文情势的改变程度并指出改变程度高的水文指标，分析水文情势变化规律及其生态影响，以期为河流的生态管理和修复提供理论依据。

1 研究方法

1.1 水文变化指标法

为了定量评估人类活动对河流水文情势的影响程度，1996年Richter等[5]提出了水文变化指标（IHA），具体包含33个指标，按流量、频率、时间、延时以及变化率划分为5类具有生态学意义的组分（见表1）。

1.2 水文变化范围法

1997年Richter[6]在IHA指标体系的基础上提出了水文变化范围法（ RVA），该方法的核心是分别以受影响前各指标的平均值加减标准差或各指标发生频率75%及25%的值作为各个指标的上下限构建RVA目标，以受影响后的各指标值落在RVA目标范围内的比例与受影响前的差异来评估水文改变程度。水文改变度的计算公式为式中：D.为第i个IHA指标的水文改变度，D_i为正值表示受水库影响后第i个指标落在RVA目标内，Di为负值表示受水库影响后第i个指标落在RVA目标外;N_i。为受水库影响后第i个指标仍落于RVA目标内的年数;N_ie为受水库影响后第i个指标预期落在RVA目标内的年数：r为受水库影响前第i个指标落于RVA目标内的比例;N_T为受水库影响后水文系列的总年数。

为了客观地评价IHA指标的水文改变程度，该方法将水文改变度分为3个等级：0≤|D_i|<330-/0为低度改变，33%≤| D_i|<67%为中度改变，67%≤|D_i|≤100%为高度改变。1.3 整体水文改变度计算方法

为了综合评估河流水文情势的改变程度，本文引入改进的熵权法对33个水文指标进行赋权。熵权法的核心思想是在多指标评价体系中，某一指标的变化程度越大，則其熵权越大，说明该指标对综合评价越重要[7]。以熵权法确定各IHA指标的权重，既考虑了不同指标对整体改变度影响的差异性，又不会过于凸显单一改变度大的指标的重要性，能够更加客观全面地反映各指标对于河流水文情势的重要程度。熵权法在RVA法权重确定中的具体步骤如下。

2 研究区概况及资料选取

龙羊峡水库是离黄河源区最近的一座具有多年调节能力的大型水库，控制着上游65%的水量，被称为黄河梯级水电站的“龙头”水库。该水库于1986年10月下闸蓄水，1987年9月第一台机组投入运行，总库容为274亿m³，以发电为主，兼有防洪、防凌、灌溉、旅游、养殖等综合功能。

唐乃亥水文站是龙羊峡水库的入库流量控制站，其以上的黄河河道无大型水利工程，受人类活动干扰较小，可近似反映黄河上游来水的天然状况。为了排除其他人类活动和气候变化的影响，本文选取1988-2016年唐乃亥水文站实测逐日平均流量以及龙羊峡水库同期逐日出库流量序列反映受水库影响前后的河流生态水文状况并计算其IHA指标，采用RVA法定量评估龙羊峡水库运行对其坝下河段水文情势的影响程度。

3 计算结果及分析

3.1 月平均流量变化

河流的流量大小和季节性变化规律是维持河流生态系统稳定性和生物多样性的重要因素。由表2与图1可以看出，龙羊峡水库的运行显著改变了坝下河段的月均流量：1-5月及11-12月平均流量增大.6-10月平均流量减小，其中：1-3月、9月、12月月均流量发生了高度改变.4月、7月、10月月均流量发生了中度改变，5月、6月、8月、11月月均流量发生了低度改变。枯水期（12月一次年3月）径流量占年径流量的比例由天然的11%增大到29%，汛期（7-10月）径流量占比由天然的58%降至36%。整体来看，龙羊峡水库运行后，月均流量趋于均一化，季节性变化幅度减小。原因是水库调度服从防洪、发电以及供水等要求，水库发挥了“蓄丰补枯”的作用。径流的季节性变化为不同生物不同生命周期提供了其所需要的水文条件，而龙羊峡水库的运行造成坝下河段流量过程均一化，在一定程度上降低了生态环境的多样性，改变了河流生态系统的种群结构，对生物的洄游、迁徙等产生一定影响;但从另一方面来看，水库的“蓄丰补枯”作用使枯水期径流量增大，为坝下河段用水提供了极为有利的径流条件，保障了灌区用水和河道生态用水。

3.2 年极端流量变化

由表3、图2、图3可以看出：龙羊峡水库运行后，坝下河段年最大流量显著减小，除年最大90 d流量指标为低度改变外，其余最大流量指标均为高度改变，其中受水库影响后年最大ld流量普遍小于目标下限值，且年际变化幅度较小（见图2）。受水库影响后的年最小ld流量显著增大，除年最小ld流量指标为中度改变外，其余最小流量指标均为高度改变;受水库影响后年最小ld平均流量普遍高于目标上限，且年际变化幅度较大（见图3）。最小流量指标改变度整体大于最大流量指标改变度，说明龙羊峡水库运行后对坝下河段的年最小流量的影响更明显。极端流量的变化会影响河流生态系统的稳定性，不利于水生生物栖息地的构建，同时使河道与河岸间营养物质的交换受阻，影响水生生物和河岸植被的生长。

3.3 年极端流量发生时间

年极端流量发生时间对水生生物的生存和繁殖具有重大意义。从表4、图4、图5可知，受龙羊峡水库运行影响前最大流量一般出现在6-10月，且集中发生于6月下旬至8月下旬，而龙羊峡水库运行后最大流量发生时间范围变宽，3-11月均有发生且多发生于5月上旬至8月上旬，年最大ld流量发生时间整体提前约1个月，水文改变度为低度改变，原因可能是4-6月宁蒙灌区进入春灌期，龙羊峡水库需要加大出流来满足农业灌溉用水需求。受龙羊峡水库运行影响前年最小流量一般出现在12月至次年2月，而受龙羊峡水库影响后最小流量发生时间范围变宽，主要集中在2-3月，年最小1 d流量发生时间整体延后3-4个月，水文改变度为高度改变，原因可能是从12月到次年3月黄河上游进入凌汛期，凌汛前期水库需要逐渐减小下泄流量以实现稳定封河，凌汛后期水库需要进一步减小下泄流量以保证开河安全。黄河上游鱼类一般在汛期涨水时产卵，且需要一定的水温条件，年最大流量出现时间提前会改变鱼类繁殖所需的水文条件，干扰鱼类的正常产卵时间和繁殖行为，对种群规模及结构造成一定影响。

3.4 高、低流量的频率及延时

河流的高、低流量是河流生态过程的直接驱动力，决定了不同物种的胁迫阈值与生存机会[8]。由表5可知：龙羊峡水库运行后，年高、低流量发生频率较受龙羊峡水库影响前均显著减小，且持续时间均缩短至不足7d。从整体上来看，低流量指标改变度大于高流量指标改变度，说明龙羊峡水库运行对低流量的发生频率及持续时间的影响程度更大。高流量持续时间过短会使龙羊峡坝下河段在鱼类产卵期或育苗期无法为其提供足够宽的水域及充足的营养物质，同时也会影响沿岸生态系统的发展[9]：而低流量出现次数减少、持续时间过短会导致部分低流量构造的生态环境消失，使一些适应低流量的生物生存受到威胁，同时也会使河流挟带的营养物质不易被水生生物及周边植物吸收。

3.5 流量改变率及频率

由表6可知：受龙羊峡水库运行影响后，坝下河段流量逆转次数（变化频率）显著增加，由年均117次增加到206次，流量年平均增大率和减小率的波动范围增大且流量改变率均显著增大，原因主要是龙羊峡水库电力负荷变化使得下泄流量具有“陡涨陡落”的变化特点，且变化频繁，这会影响浮游生物以及部分植物的生长，破坏生物栖息环境的稳定性。

3.6 整体水文情势改变度分析

综合33个水文变化指标，利用改进的熵权法得到龙羊峡水库坝下河段的整体水文情势改变度为68.31%，属于高度改变（见图6）。33个水文变化指标中有21个指标（占64%）属于高度改变，4个指标（占12%）属于中度改变，8个指标（占24%）属于低度改变。这表明龙羊峡水库现行调度方式对水库坝下河段的水文情势改变程度较大。

冯慧[1O]对龙羊峡以下河段生态系统健康状况进行了评价，认为该河段生态系统处于亚健康状态，河岸带植被覆盖率较低，珍稀土著鱼类数量急剧减少，浮游动植物密度较低。张建军等[11]对龙羊峡至刘家峡河段水库建设后鱼类资源变化的研究表明，该河段土著鱼类分布区域缩小，种群数量减少速度较快，部分土著鱼类面临着灭绝的风险，这与黄河上游水利工程的建设运行密切相关[11]。龙羊峡水库的建设运行直接改变了其坝下河段的天然水文情势，破坏了生物栖息环境的稳定性和多样性，影响了水生生物的繁殖与生长，打破了原本就脆弱的河流生态系统平衡。这一现状印证了本文评价结果中整体水文情势改变度为高度改变的合理性。

4 结语

龙羊峡水库坝下河段生态水文情势发生了高度改变，受水库运行影响后水文变化指标基本落在RVA目标之外，指标体系中1-3月、12月平均流量，年最大1、3、7d平均流量，年最小7、30、90 d平均流量，最小流量发生时间，低流量发生次数及延时，流量改变率及频率等指标改变显著。受水库径流调节作用的影响，坝下河段年内径流过程趋于均一化，年最大流量显著减小且出现时间提前，年最小流量显著增大且出现时间延后，年高、低流量发生频率显著减小且持续时间缩短，流量具有“陡漲陡落”的变化特点，且变化频繁。这些改变会对坝下河段的生物种群规模与结构、栖息地环境、河岸植被生长等产生较大影响。但是，水库的建设对水文情势的改变又具有一定的积极作用，水库的“蓄丰补枯”作用保障了枯水期下游河道的生态用水，提高了水资源的利用效率，同时水库的防凌防洪作用减轻了下游可能发生的灾害，对保护生态环境具有重要意义。

对河流水文情势改变程度进行定量评估，指出改变程度高的水文指标并分析其生态影响，对于中小尺度的生态调度具有科学指导意义和实践价值。今后需要进一步研究水文情势改变程度与生态响应的定量关系，确定生态承受阈值，通过水库径流调节能力模拟自然河流的水文特征，改善河流生态健康状况，在生态系统可承受的水文情势变化范围内进行水库的兴利防洪调度，实现区域社会经济与生态环境的协调发展。

参考文献：

[1]董哲仁.论水生态系统五大生态要素特征[J].水利水电技术，2015，46（6）：42-47.

[2]董哲仁，张晶，赵进勇，环境流理论进展述评[J].水利学报，2017，48（6）：670-677.

[3] 陈燕琴，申志新，刘玉婷.黄河上游龙羊峡至积石峡段春秋季浮游植物群落结构及多样性评价[J].水生态学杂志，2014，35（5）：52-59.

[4] 唐文家，申志新，简生龙，青海省黄河珍稀濒危鱼类及保护对策[J].水利渔业，2006，26（1）：57-60.

[5]RICHTER B D， BAUMCARTNER J V， POWELL J，et al.A Method for Assessing Hydrologic Alteration Within Ecosys-tems[J].Conservation Biology， 1996， 10（4）：1163 - 1174.

[6] RICHTER B D， BAUMCARTNER J V， WIGINCTON R， eta1. How Much Water Does a River Need？ [J]. FreshwaterBiology， 1997， 37（2）：231-249.

[7] 周惠成，张改红，王国利，基于熵权的水库防洪调度多目标决策方法及应用[J].水利学报，2007，38（1）：100-106.

[8] 张洪波，黄河干流生态水文效应与水库生态调度研究[D].西安：西安理工大学，2009：12-24.

[9] 张洪波，黄强，彭少明，等，黄河生态水文评估指标体系构建及案例研究[J].水利学报，2012，43（6）：675-683.

[10] 冯慧.黄河上游龙羊峡一刘家峡河段水生生物多样性研究及生态系统健康评价[D].西安：西北大学，2009：51-57.

[11] 张建军，冯慧，李科社，等，黄河上游龙羊峡至刘家峡河段梯级水电站建设后鱼类资源变化[J].淡水渔业，2009，39（3）：40-45.