南水北调中线工程运行对汉江丹-襄区间水文情势变化的影响研究

黄朝君 王栋 秦赫

摘要：南水北调中线工程运行后，给汉江中下游水文过程带来一定影响。根据实测水文水质资料，分析了一期工程运行后对汉江丹-襄（丹江口大坝-襄阳）区间流量、水位、水质和生态水量的影响。结果表明：丹-襄区间干流河段非汛期流量和水位有所减小，水质类别没有显著变化，水质指标值有所下降，生态基流量达标率均为100%，最小下泄流量的达标率有所降低。针对上述影响，提出了相应的对策和措施。论文研究成果可为南水北调中线工程的健康运行提供参考。

关键词：水文情势变化;对策措施;丹-襄区间;南水北调中线工程

中图法分类号：P333 文献标志码：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2021.12.005

文章编号：1006 - 0081（2021）12 - 0031 - 07

0 引 言

中国水资源总量丰富，但人均水资源量较少，水资源时空分布极不均匀，其空间分布特点是东多西少、南多北少，時间分布特点是汛期多非汛期少，且年际间变化也很大，有连续枯水年和丰水年交替出现的情况。中国华北地区缺水严重，为了缓解华北地区水资源短缺危机，实现水资源的战略配置与空间的合理调度和利用，兴建了南水北调这一跨世纪、跨流域的宏伟工程。丹江口水库为南水北调中线工程的水源地，随着年调水量的逐步增加，给汉江中下游水文过程带来了一定程度的影响，而研究水文情势变化对深刻理解水库工程和调水工程对汉江的影响具有重要意义，可为流域水资源规划管理和优化配置提供技术参考。

近年来分析水利工程的兴建对下游水文情势的影响已成为当前的研究热点。目前，综合现有相关研究，主要采用单个指标、IHA法、变动范围分析法（RVA）定量分析水利工程建设运行下河道水文情势的变化[1-4]。Lu等[5]根据汉江干流白河、皇庄、仙桃实测资料，分析水库蓄水前后各站输沙量的变化，定量评价丹江口水库对汉江泥沙淤积的影响。Song等[6]采用水文变异指标法（IHA）和变动范围分析法（RVA）定量分析丹江口水库及下游梯级水库群对皇庄站水文情势的影响。结果表明：丹江口水库对下游的流量变化影响相对较小，总体改变度为40.6%，在下游王甫洲、崔家营水库联合影响下，总体改变度分别提高到46.7%和63.5%。邹振华等[7]根据实测资料，采用IHA法分析丹江口水库工程对下游河流径流情势的影响。结果表明，丹江口水库的修建显著改变汉江下游水文情势。郭文献等[8]采用变动范围分析法分析了丹江口水库修建前后汉江中下游水文情势特征变化，定量评价了水文情势改变程度。孔祥林等[9]分析了南水北调中线工程运行对汉江中下游水文特性、河道演变、水质情况，以及对工农业生产和生态环境产生的影响，并提出了相应的治理对策。史芳芳等[10]采用变动范围法定量评估丹江口水库对汉江中下游水文情势的影响，并进一步分析了丹江口水库的修建对汉江中下游生态水文的影响。陆国宾等[11]以白河、皇庄、仙桃站为研究对象，利用3站实测日流量资料对比分析丹江口水库的修建对汉江中下游径流特性的影响。胡安焱等[12]采用1980年前的数据资料，定量分析丹江口水库建成后对汉江中下游径流量、泥沙、水温、水质、鱼类等影响。黄金凤等[13]采用汉江中下游水文站实测流量资料分析丹江口水库的建设对汉江下游水文过程的影响，同时也利用Flow Health软件分析汉江下游水文过程的时空变化。王学雷等[14]采用水文指标法和变动范围法评价了丹江口、王甫洲、崔家营梯级水库联合运行蓄水前后对汉江中下游水文情势及其水文改变度的耦合影响。结果表明：中下游梯级水库群数量增加时，流量整体改变度有所增加。班璇等[15]采用变动范围法评估不同影响期下丹江口水库下游黄家港站水文情势的变化趋势。结果表明：丹江口水库蓄水使得下游河道枯水期的流量增加，丰水期和平水期的流量减少。

上述研究大多集中于南水北调中线工程没有实施时，以丹江口水库为主的梯级水库群建成前后汉江中下游水文情势的变化，而在南水北调中线工程正常运行的情况下，汉江中下游水文过程可能会发生新的变化，然而目前关于这方面的研究还相对较少。因此，本文根据丹江口水库以下丹-襄区间汉江干流河段水文水质资料，分析了南水北调中线工程运行调水后对丹-襄区间干流河段水文生态过程的影响，同时针对上述可能出现的不利影响，提出了相应的对策和措施，可为南水北调中线工程健康运行以及汉江中下游水文生态综合整治提供借鉴。

1 研究区概况

汉江为长江最大的支流，干流全长1 577 km，流域面积约15.9万km2。流域地势西高东低，由西部的中低山区向东逐渐降至丘陵平原区。丹江口水库位于汉江流域上游，是南水北调中线工程的水源地，具有防洪、供水、发电、灌溉、航运、养殖等综合功能，为增加南水北调中线工程的供水能力，丹江口水库加高工程于2005年9月开工，丹江口水库加高后水库总库容为290.5亿m3，水库具有不完全多年调节能力，同时肩负着南水北调中线工程的供水任务。流域气候湿润温和，每年9～10月，当丹江口水库以上流域出现持续阴雨天气，易形成秋汛，给流域防洪及南水北调中线工程的安全运行带来威胁。

南水北调中线工程于2003年9月正式启动，丹江口水库为其水源区，中线工程主要由水源地工程和输水工程组成，水源地工程主要是指丹江口水库加高工程，是中线工程的核心。工程设计以2010年为近期规划水平年，多年平均调水量为95亿m3，2030年为远景规划水平年，多年平均调水量为130亿m3。一线工程已于2014年9月全线通水验收，2014年12月正式向北方通水。2014年12月12日正式通水后，调水量逐年增大，惠及沿线河南、河北、北京、天津四省，有效缓解了华北地区水资源短缺危机。

2 数据和研究方法

2.1 研究数据

考虑到南水北调中线工程运行后仅有4 a实测水文资料，为分析调水工程运行前后丹-襄区间干流河段水文生态过程的变化特性，对于调水前，本次仅选取近4 a水文水质资料进行统计分析。收集了黄家港站、襄阳站2011～2018年逐日平均流量及水位资料，庙岗站、沈湾站、白家湾站2011～2018年逐日平均水位资料，数据来源于长江流域水文年鉴。收集了丹江口坝下、白家湾站、襄阳站2011～2017年逐月水温、pH值、溶解氧、高锰酸盐指数、五日生化需氧量、氨氮资料，由长江水利委员会水文局汉江水文水资源勘测局汇编。

2.2 研究方法

根据月平均水位和流量资料，计算并分析南水北调中线工程运行前后水位和流量的变化特性;根据月平均水温、pH值、溶解氧、高锰酸盐指数、五日生化需氧量、氨氮资料，计算并分析中线工程运行前后水质变化特性;根据《汉江流域水量分配方案》及水资源[2016]262号《水利部关于汉江流域水量分配方案的批复》中主要控制断面生态基流和最小下泄流量成果，分析了调水工程运行前后日平均流量的生态基流和最小下泄流量达标率的变化情况。

3 水文情势影响分析

南水北调中线工程于2014年12月正式通水，分别以2011～2014年和2015～2018年两个时段代表调水工程运行前后。根据实测流量资料结合丹江口水库调度运行情况，分析得出：2011，2017年为丰水年，其余年份均为枯水年。从来水特性来看，所选资料时段有一定的代表性，可用于本次分析计算。

分别统计分析2011～2014年和2015～2018年两个时段内丹-襄区间汉江干流河段流量、水位、水质指标（水温、pH值、溶解氧、高锰酸盐指数、五日生化需氧量、氨氮，调水后时段为2015～2017年）、生态基流和最小下泄流量达标率的变化情况，据此分析调水工程对丹-襄区间汉江干流河段水文生态过程的影响。

3.1 流量影响分析

根据2011～2014年和2015～2018年黄家港站和襄阳站逐月平均流量，分别统计其在上述两个时段内多年平均年月特征，分析其在调水前后的变化特性，丹-襄区间河段流量变化见图1。

由图1可知，调水工程运行后黄家港站和襄阳站5～7月、10月平均流量有所增加，主要集中于汛期，而其余月平均流量有所减少。在枯季时，水库来水量较小，当南水北调中线工程向北方地区供水时，丹江口水库的下泄流量会有所减小，致使丹-襄区间河段流量呈减小状态;而在汛期，水库来水量较大，中线工程的调水量不会对水库下泄水量带来较大的影响，水库的下泄水量主要与流量汛期内分配情况有关。从年尺度来看，调水工程的运行会使水库的下泄水量有所减少，故丹-襄区间河段流量呈减少态势。

3.2 水位影响分析

根据2011～2014年和2015～2018年黄家港站、沈湾站、庙岗站、白家湾站和襄阳站逐月平均水位，分别统计其在上述两个时段内多年平均年月特征，分析其在调水前后的变化特性，丹-襄区间河段水位变化见图2。

由图2可知，调水工程运行后黄家港站、沈湾站、庙岗站4～7月、10月平均水位有所上升，主要集中在汛期，而其余月平均水位有所降低;白家湾站和襄阳站除少数月平均水位有所降低，其余均有所上升。结合丹-襄区间河段流量变化特性，在枯季时，流量有所减少，则相应水位会有所降低;而在汛期，流量有所增加，相应的水位有所上升;对于白家湾站和襄阳站，月平均水位相比于调水前基本均有所上升，这主要是由于2017年唐白河来水较大，受支流来水顶托的影响，白家湾站和襄阳站的水位有所上升，越接近支流汇口处水位上升越明显，因此襄阳站的水位上升幅度要略高于白家湾站。从年尺度来看，黄家港站、沈湾站、庙岗站年平均水位变幅较小，而白家湾站和襄阳站受支流来水顶托的影响，年平均水位有一定上升，且襄阳站上升幅度略高。

3.3 水质影响分析

根据2011～2014年和2015～2017年丹江口坝下、白家湾站和襄阳站逐月平均水质指标（水温、pH值、溶解氧、高锰酸盐指数、五日生化需氧量、氨氮）系列，分别统计其在上述两个时段内多年平均年月特征，分析其在调水前后的变化特性。

从水温指标来看，调水工程运行后，丹江口坝下、白家湾站和襄阳站汛期水温有所减小，非汛期水温有所增加;从pH值指标来看，调水工程运行后上述3站绝大部分月平均pH值有所减小。从年尺度来看，调水工程运行后丹-襄区间河段内水温和pH值均有所减小。

根据GB 3828-2002《地表水环境质量标准》，从溶解氧、高锰酸盐指数、五日生化需氧量指标来看，调水工程运行前后丹江口坝下、白家湾站和襄阳站各月水质基本均为Ⅰ类，从氨氮指标来看，调水工程运行前后上述3站各月水质基本均为Ⅱ类。从水质类别来看，调水工程的运行对丹-襄区间河段水质影响较小;从水质指标值来看，在调水工程运行后，冬春季部分月份高锰酸盐指数、五日生化需氧量、氨氮指标略有增加，其余月份略有减小，总体变化幅度较小;从溶解氧指标来看，调水工程运行后冬春季部分月份有所减小，其余月份有所增加。限于篇幅，以溶解氧指标为例，分析结果见图3。

以图3中溶解氧指标为例，可进一步认为调水工程的运行对丹-襄区间河段水质类别无明显影响，但对水质指标值有一定影响，在冬春季部分月份有所减小，其余月份有所增加，這可能与枯期丹江口水库下泄水量有所减小有关。因此，从未来南水北调中期调水工程的长期运行来看，为保障汉江中下游河道生态环境质量，应适当提高丹江口水库在枯期的下泄流量。

3.4 生态水量影响分析

根据《汉江流域水量分配方案》及水资源[2016]262号《水利部关于汉江流域水量分配方案的批复》，黄家港控制断面的生态基流为174 m3/s，最小下泄流量为490 m3/s，皇庄控制断面的生态基流为200 m3/s，最小下泄流量为500 m3/s。根据襄阳站的天然月平均流量系列，分析得襄阳控制断面生态基流为181 m3/s;近年来，汉江下游河段常有“水华”现象发生，为控制汉江下游春季“水华”的发生，控制断面应保持流量不小于500 m3/s，安全起见，襄阳控制断面最小下泄流量定为500 m3/s。

根据2011～2014年和2015～2018年丹江口坝下、白家湾站和襄阳站逐月平均流量系列，分别统计上述两个时段内黄家港站和襄阳站生态基流及最小下泄流量的达标日数，分析其在调水前后的变化特性，丹-襄区间河段生态水量达标日数的变化见图4。

由图4可知，从生态基流来看，不论是月尺度还是年尺度，在调水工程运行前后黄家港站和襄阳站的生态基流达标率均为100%;从最小下泄流量指标来看，在调水工程运行后，黄家港站和襄阳站最小下泄流量达标率有所降低，特别是在枯水年份，从月尺度来看，汛期最小下泄流量的达标率要高于非汛期，特别是在枯水年份，且调水前的各月最小下泄流量的达标率基本高于调水后的，这与前文分析的调水工程运行后丹江口水库非汛期下泄水量有所减小的结论一致。因此，在今后南水北调中线工程运行时，也要适当提高丹江口水库非汛期最小下泄流量。

4 对策与措施

针对上述调水工程运行对丹-襄区间汉江干流河段水文生态过程的影响，提出了相应的对策和措施，尽可能减小南水北调中线工程调水造成的影响，为调水工程的良性运行和丹江口水库的调度奠定基础。

4.1 科学调度以保障水库下泄流量

目前，汉江流域已建成了以丹江口水库为核心的梯级水库群防洪体系，防洪库容约10.6亿m3。因此，应开展汉江上游丹江口水库为主的水库群科学调度方案研究，在保证汉江上游水库自身安全和南水北调中线工程供水需求的情况下，还应该满足汉江中下游防洪、供水、航运、灌溉及生态环境等需求。

在科学调度方案下，上游稳定的来水量能保障水库中线工程的调水量和丹江口水库的下泄流量。汉江上游水库群的蓄水时间几乎与丹江口水库一致，因此在研究上游梯级水库群科学调度时，应让水库群错时蓄水、联合调度，保障上游各水库有水可蓄。另外，应开展流域内节水措施研究，减小损耗的同时尽可能保证来水稳定。汉江流域来水年内分配极不均匀，丹江口水库面临着难以蓄满和洪水资源因防洪需要成为弃水的两种现象，造成洪水资源的极度浪费，在研究科学调度方案时，应制定大洪水下蓄水方案，提高水库的有效蓄水能力，最大限度减小弃水，充分利用洪水资源。通过上游水库群的科学调度，能满足南水北调中线工程的供水量以及下游河道最小下泄流量需求，保障汉江中下游河段生态环境健康发展[16]。

4.2 建立汉江流域中长期预测机制

丹江口水库为南水北调中线工程的水源地，肩负着向北方地区供水的任务。为保障调水工程的调水量和水库最小下泄流量，应开展汉江流域中长期来水量预测研究，构建相应的预测系统平台。主要根据国内外已有的中长期预测方法，对汉江流域未来一段时间内（通常为1 a）的降水量和主要控制断面的径流量进行预测，随着实测资料的更新，对预测成果进行相应的滚动修正，尽可能地保证成果的准确性;针对多种方法的预测成果，进行多模型集合预测研究，以降低中长期预测的不确定性，最后提供汉江流域未来逐月多模型集合的降水量和径流量预测成果。通过构建汉江流域中长期預测平台，能为丹江口水库的科学调度提供参考，在满足水库最小下泄流量的情况下保障了南水北调中线工程的供水需求。

4.3 加强中下游河段水环境治理

南水北调中线工程的兴建对汉江流域的水质提出了更高的要求，对汉江中下游点源和面源水污染治理均采取了相应措施，实施城市污水收集和农村生态工程建设。汉江中下游水污染治理力度相对较高，干流水质维持较好，基本以Ⅱ类水为主，部分断面的个别水质指标可能有超标现象。在调水工程实施后，特别是在远景水平年年调水量增至130亿m3的情况下，汉江中下游干流在非汛期的污染物浓度可能会有所增加，因此要加强河段水环境治理，提高城市污水收集和处理工艺，对汉江中下游两岸污水排放进行提标改造处理;对于农业面源污染应该要调整农业产业结构，优化农业布局，使用高效污染低的农药和化肥，尽最大可能减低面源污染[17]。

4.4 开展中下游两岸生态修复治理

南水北调中线工程调水实施后，丹江口水库下泄水量有所减少，相比调水前，中下游河道内裸露滩地面积会有所增加，如果滩地植被在短期内没有及时的恢复，会影响河道两岸河势稳定。因此，需要制定相应的生态修复治理工程措施。对汉江中下游河道两岸岸坡稳定性进行排查，在常水位下要保证河道岸坡的稳定性，对于存在问题亟需整治的河段采用非生物的网笼结构或生物混凝土进行岸坡防护治理;在水位变动区和河岸滩地上种植一些耐水淹或具有水质净化和景观功能的植物，形成能调蓄洪水、净化水质、保障河道动植物健康发展的生态河道[17]。

5 结 论

（1）根据实测水文水质资料，分析了南水北调中线工程运行前后丹-襄区间汉江干流河段水文情势变化特性。调水工程运行后，丹-襄区间干流河段非汛期流量和水位有所减小，水质类别没有变化，水质指标值有所变差，生态基流量达标率均为100%，最小下泄流量的达标率有所降低。

（2）基于调水工程对汉江中下游干流河段水位生态过程的影响，提出了一定的对策和措施，主要包括科学调度以保障水库下泄水量，建立汉江流域中长期来水量预测机制，加强中下游河段水环境治理，开展中下游两岸生态修复治理，以此减缓调水工程给汉江中下游河段带来的不利影响，为南水北调中线工程的健康运行提供依据。

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（编辑：唐湘茜）

Research on operation impact of Middle Route Project of South-to-North

Water Diversion on hydrological regime in Danjiangkou-Xiangyang reach

of Hanjiang River

HUANG Chaojun1， WANG Dong2， QIN He1

（1. Mid-route Source of South-to-North Water Transfer Corp.， Ltd.， Shiyan 442700， China;   2. Bureau of Hydrology， Changjiang Water Resources Commission， Wuhan 430010， China）

Abstract： The operation of Middle Route Project of South-to-North Water Diversion has solved the water shortage crisis in water service are， but also impacted the hydrologic process in the downstream area of the Hanjiang riiver. In this paper， according to the measured hydrologic and water quality data， the project induced impacts on discharge， water level， water quality and ecological water flow in the downstream Danjiangkou-Xiangyang reach of the Hanjiang River are analyzed. The results show that the project operation reduced the discharge and water level of the Danjiangkou-Xiangyang reach somewhat in non-flood season; there was no significant change in water quality categories;the water quality index values declined somewhat in non-flood season; the up-to-standard rates of ecological base flow were all 100%. The up-to-standard rates of the minimum discharge decreased somewhat. Based on the above analysis， the relevant countermeasures are proposed. The results can be used as a reference for healthy operations of Middle Route Project of South-to-North Water Diversion.

Keywords： hydrological regime variation; countermeasures; Danjiangkou-Xiangyang reach of Hanjiang River;Middle Route Project of South-to-North Water Diversion