白石水库建设运行对大凌河水文情势影响分析

李 玥

(辽宁省河库管理服务中心(辽宁省水文局)，辽宁 沈阳 110000)

河流生态可持续性受流量过程变化的影响较为显著，为满足河流生态功能的正常运行必须保证河流需要稳定的基本自然流量，即流量的整体模式，这主要涉及特定和季节性流量的持续期、时间、频率等。水库的建设运行会引起河流生态环境和水文情势的改变，且随着河流开发程度的增加将产生一系列的生态水文效应[1- 5]。北票市大凌河干流建设运行的白石水库，拦蓄大量的河水用于城市供水和农田灌溉，使得河流原有水文条件及河川径流量发生明显改变，河流水生态平衡受到严重破坏[6- 12]。所以，研究大凌河干流北票段水文情势受白石水库建设的影响，逐步形成生态系统与河道水量响应机制，为管理部门决策以及水库调度方案设计提供科学指导。

水文情势对河流能量传递、物理栖息地、物质循环过程以及水生物相互作用等影响显著，也是影响生态完整性和生物多样性的关键因素，国内外学者评价研究了河流水文情势。例如，Richter等[13]综合考虑改变率、历时、频率、流量和发生时间等内容提出了水文变异指标(IHA)，比较系统客观地描述河流水文情势；Suen等[14]揭示了淡水系统与水文改变度之间的潜在相互作用，通过分析水文站日流量数据评价了旱涝灾害程度；段唯鑫等[15]以长江宜昌站为例，将水文径流序列的显著性利用M-K秩次相关检验法分析，其中径流序列的划分依据为已建水库群的实况调度信息，然后对宜昌站水文情势改变程度应用IHA/RVA方法分析，结果发现达到中等改变水平，随着水库群的相继建成将进一步改变长江下游河道水文情势；薛联青等[16]运用改进RVA法分析了塔里木河水文情势，多浪水库的扩建高度改变了下游河道水生生物的产卵、洄游和栖息环境。

借鉴相关文献资料，现有对于水文改变度的研究仍存在一些不足：①大多数研究未单独分析高流量与基流量，主要从整体的角度分析径流过程，无法体现不同流量过程受水库建设的影响；②大多数研究未考虑水库建设对生态的影响，仅对河流改变度做简单的分析。针对以上不足，本文利用RVA方法定量分析大凌河水文情势受白石水库兴建的影响，为流域水资源综合利用和形成适宜的水文生态条件提供指导。

1 区域概况

大凌河流域有南、北、西3源，3源汇合后呈西南-东北流向，主要流经朝阳、北漂、义县、凌海等地区，全长398km，总面积2.35万km2。流域内分布有老虎山河、大定河、清河、细河、红台子河、凉水河、李二河、牤牛河、瓦子峪河等支流，年均径流量16.67亿m3，河床比降0.25%，为沿途生态环境保护、居民生产生活用水以及工农业发展提供重要水资源。白石水库地处锦州、阜新、朝阳的中心地带，坐落于北票市大凌河干流上，属于一座以排涝、供水、农田灌溉为主，兼具水产养殖、旅游观光、发电等功能的大型水利工程，总控制面积17649km2。水库总库容16.45亿m3，水面面积80km2，年均调节水量5.28亿m3，兴利和防洪库容8.7、3.89亿m3，按5000a一遇校核、500a一遇设计，承担着下游凌海、义县6.5万hm2耕地保护和城市供水任务，每年向辽河三角洲提供农业用水2.67亿m3，项锦州、阜新等城市用水2.02亿m3，库区养鱼面4533万hm2。

北票市大凌河段属于温带大陆性季风气候，日照充足、雨量充沛、气候温和，年均气温9.1℃，年均降水量886.2mm，其中60%以上集中于6—8月。植被类型为亚热带常绿阔叶林与针叶阔叶过渡型，植被类型近100多种，多达30多科，由于人类不合理开发和自然环境限制，人工植被较多而原生植被不断减少。

2 研究方法

2.1 数据来源

白石水库坐落于北票市大凌河干流，设置有凉水河子水文站，沿河无大型取水口，所以水文观测数据能够真实反映大凌河北票段水文情势受白石水库建设的影响。1990—2018年水文观测数据来源于辽河流域大凌河水系水文资料，将凉水河子站按照白石水库建设实施时间分为1990—2000年、2001—2018年2个时段。

2.2 水文改变指标法

目前，Richter等[17]提出的水文改变指标(IHA)为最常用的水文情势变化分析指标，以水文情势的改变率、频率、延时、时间和流量5种特征将水文指标划分为33个参数。各参数特征及其内容，见表1。

2.3 水文变化范围法

通过分析河道日径流数据受人类活动的前后影响，评价水文指标变化程度为水文变化范围法(RVA)的核心，IHA指标的上下限称为RVA目标边界，一般为频率75%和25%指标值或指标平均值加减标准差。

2.4 水文变化程度法

2.4.1水文变量偏离度

为定量分析水文变异程度引入水文变量偏离度的概念，即相对于自然状态水文指标水利工程建设引起的变化程度，偏离度(P)的计算公式为：

(1)

式中，Vpre、Vpost—人类活动影响前、后的IHA值。

2.4.2单个指标改变度

受影响后IHA的单指标改变度Di的量化公式为：

(2)

Ne=rNT

(3)

式中，Ne、N0—IHA指标值受人类活动影响后落入RVA目标范围的预测年数和实际年数；NT—水文序列受人类活动影响后的总年数；r—IHA受人类活动影响后落入RVA范围内的年数比例，取50%。

2.4.3整体水文改变度

河流水文情势受各项指标的改变程度利用整体改变度衡量，在河流改变度评价时可以有效融合32个水文指标综合表征。当前，Shiau等[18]提出的三等技法为计算整体水文改变度的主要方法，即：

(4)

表1 水文特征参数

为更加直观地描述人类活动对IHA的整体水文改变程度，定义高度改变、中度改变、低度或未改变时0≤D<33%、33≤D<67%、67≤D≤100%。

3 结果与分析

3.1 水文指标改变度比较

采用以上公式求解白石水库建设前、后凉水河子站32个水文指标的改变度，见表2。其中，下降率(上升率)代表较前一日流量某日流量的下降(上升)百分比；以水文“天”计出现低(高)流量、最大(最小)流量和断流天数；以“次”计逆转次数和低(高)流量次数；以“m2/s”计流量均值；从逐渐升高到突然降低或从逐渐降低突然升高的流量反转次数作为逆转次数。

表2 水文指标改变度

3.2 水量变化偏离度比较

3.2.1月平均径流量变化

从图1可知，下游河川月径流特性受白石水库建设运行的影响显著：①非汛期，凉水河子站月径流量下降幅度较为明显，其中减少量最大时段为3月，减少幅度达到21.6m3/s，白石水库承担着枯水期下游凌海、义县6.5万hm2耕地灌溉供水任务，所以3月灌区灌溉为平均径流量减少的主要原因。②汛期，水库的建设运行在不同程度上减少了月均径流量，其中受影响最大的时段为6—8月，从建库前的8月最高值651.20m3/s明显下降至502.46m3/s，可见对于汛期径流水库消峰拦洪措施发挥着明显成效。

图1 凉水河子站月均径流量变化

3.2.2日流量极值变化

根据表2的统计结果可知：①植物群落分布和河道地形受年极端流量的影响显著，最小流量在年极端流量中呈不断上升趋势，达到高度改变水平，其中最小30d流量平均变化率187.68%，从建库前的4.06m2/s快速增大至11.68m2/s，最小日流量增加为生物多样性、岸边植物生长需水提供可靠保障。②最大日流量在年极端流量中呈逐渐下降趋势，其中减少幅度最为明显的为最大7d流量，从建库前的533.12m2/s降低至300.15m2/s，达到高度改变水平。由此表明，河流原有的极值变化过程受水库建设运行的影响极大，能够减少极大流量而增大极小流量。

3.2.3年极端流量发生时间

从表2可知，建库后凉水河子站最小、最大流量出现时间提早24、17.04d，达到中度改变水平。水生物种的净化及鱼类繁衍栖息所处的环境受年极端流量发生时间的影响明显，河流生态系统的稳定性和河内生物的栖息环境受最小流量出现时间的体现影响显著；此外，汛期涨水时一般为大凌河北票段鱼类的产卵繁衍期，所以必须保持稳定的温度条件，而最大流量出现时间的提前改变了鱼类繁殖的行为过程和产卵时间，不利于水温敏感鱼类的生长。

3.2.4高低流量的频率及延时

针对河床结构、泥沙运输特征可以利用高低流量频率及延时衡量，凉水河子站低流量持续时间的缩短以及低流量次数的减少，会在一定程度上减低河滩干旱发生频率，而水库枯补的特性主要体现于河滩能否自然发展。建库前、后高流量次数为5.36、4.71次，下降0.65次，而持续时间的延长有利于泥沙运输，可在一定程度上补充下游河滩的新泥，提供足够的有机质供下游生物生长，维持下游生态稳定。

3.2.5流量变化改变率及频率

河流中水生生物种群在一定程度上受流量变化的改变率及频率的影响，所以在适当范围内保持二者变化率为最佳。流量上升率、下降率的变化率平均值为-34.18%和-36.53%，改变程度达到中度水平，如图2所示；较建库运行前，逆转次数增大至112.45，变化程度达到高度，逆转次数越高引起的水量波动就越大，同时对周边环境变化周期产生的影响越严重，频繁的逆转不利于河流有机物和原本脆弱的河岸带植物生长。

3.3 整体水文改变度分析

以凉水河子站为站点，利用IHA的RVA法研究大凌河北票段水文情势受白石水库建设的影响，结果显示水库的建设运行对凉水河子站的综合水文改变度达到72.46%，产生了较大的影响。研究表明，河流水文情势受水库建设运行的影响极大，高低流量频率及延时受水库蓄水影响出现相应的改变，并且电网中水库的调频和调峰作用又会增大流量和水位的逆转次数，从而对水文情势产生更大影响。白石水库兼具供水、防洪、发电、养鱼和灌溉等功能，逆转频率的增加以及流量的明显变化，使得水库建设运行对河流水文情势产生高度的改变。

图2 凉水河子站流量逆转次数变化

4 结论

(1)非汛期和汛期月径流量均呈一定幅度的下降趋势，这主要与灌区灌溉和水库消峰拦洪等相关；建库后最小、最大流量出现时间达到中度改变，对鱼类繁殖的行为过程和产卵时间产生一定影响；流量上升率、下降率达到中度改变，较建库前逆转次数达到高度改变，对周边环境变化周期产生的影响越严重。在尽量不改变原有水文情势的条件下应采取相应的措施加强水源管理，通过合理的生态调水保证系统的健康发展。

(2)由于监测数据的缺乏，未能深入探究水库建设前后水文情势与水文指标间的响应关系，为深入探究其响应机制仍需要考虑生态系统监测资料准确分析水文情势影响关系。