下岸水库对永安溪水文情势的影响分析

沈凯琦，赵 超，张翔宇，黄志强

(1.厦门理工学院环境科学与工程学院，福建 厦门 361024；2.厦门市水资源利用与保护重点实验室，福建 厦门 361024；3.台州市黄岩区永宁江事务中心，浙江 台州 318020)

河流水文情势是维系水域生态系统完整性及本地生物多样性的关键所在[1-3]。河流在满足人类日常用水需求的同时，也为周遭依赖河流生态系统的动植物提供了最佳栖息地。然而，气候变化和人类活动的干预使河流径流量、水位和汛期等水文状况不断改变，这可能会扰乱水生生物的生长过程[4-10]。建库筑坝是人类活动中改变河流水文情势最强烈的方式，一定程度上会导致河流水动力条件产生变动，从而影响河流的健康[11-14]。因此，评估水库建设引起的水文特征的变化，对水资源综合管理和生态环境保护至关重要。目前国内对于水库建设引起的河流水文情势变化展开了较多研究，张飒等[15]针对丹江口水库的建设，应用变异范围法(range of variability approach，RVA)评估了汉江中游水文情势变化；王鸿翔等[16]为评价三峡水库对坝下河流水文情势的影响，采用Mann-Kendall法分析流量变化趋势，并基于水文改变指标(indicator of hydrological alteration, IHA)和RVA法计算水文改变度；林梦然等[17]结合龙羊峡水库运行特点和黄河上游生态特征，运用RVA法评估水库运行对其坝下河段水文情势的影响程度。

永安溪位于浙江省椒江水系中上游，是我国东南沿海地区山溪性河流的典型代表，沿溪两岸湿地资源丰富，是不可多得的天然渔仓。当地的工农业生产总值都集中在永安溪两岸，生产生活资源也基本来源于此。受地形和降雨等因素的影响，永安溪历史上洪涝灾害频发，使人民生命财产安全遭到了严重威胁，因此当地人民和政府集资修建了下岸水库用以拦蓄洪水。虽然水库运行后防洪效果有所提高，但也对流域水文情势造成了潜在影响，加之近年来永安溪防护林和湿地资源加速减少，鱼类自然繁殖能力不断降低，渔业资源的品质和产量随之逐年下降，严重影响当地经济建设及生态发展。鉴于此，本文利用多种水文指标对比下岸水库运行前后永安溪流域水文特征变化情况，并采用RVA法评估流域水文情势的总体变化程度，以期为下岸水库的生态调度和永安溪流域综合治理提供科学依据。

1 研究区概况

永安溪位于浙江省台州市境内，是浙江省第三大水系椒江的源头，自西向东横贯仙居盆地(图1)。永安溪全长约141 km，流域面积为2 704 km2，地处亚热带湿润季风气候区，全年降雨主要集中在3—9月，枯水期为每年的10月至次年2月[18]。下岸水库是永安溪上游唯一的控制性工程，坝址位于仙居县曹店村下游680 m处的峡口，于2003年建成并开闸蓄水，总库容1.35亿m3，防洪库容3 574万m3，正常蓄水位208 m，为多年调节水库，是一座以防洪、供水为主，结合蓄能发电、养鱼为一体的综合性大型水利工程。柏枝岙水文站位于浙江省临海市白水洋镇柏枝岙村，属国家重要水文站，距永安溪河口95 km，集水面积为2 475 km2，占永安溪流域面积的91.53%，是其出口控制断面，多年平均径流量为23.00亿m3，建库后的年平均径流量由建库前的23.57亿m3下降至22.27亿m3。

图1 研究区域

本文基于柏枝岙站1980—2020年的逐日径流资料，将下岸水库蓄水年份(2003年)作为水文改变年，则1980—2002年的径流数据代表水库运行前的天然水文情势，2003—2020年的径流数据为水库运行后的水文情势，据此分析下岸水库对永安溪流域水文情势的影响。

2 研究方法

2.1 不均匀性

气温、降水等气象要素存在显著的季节性变化，很大程度上导致了径流年内分配的不均匀性。为衡量流域径流年内分配的不均匀性，本文采用径流年内分配不均匀系数Cv和径流年内分配完全调节系数Cr[19]，从不同角度进行分析。以月为时间尺度，Cv和Cr的计算公式[20-23]为

(1)

(2)

其中

2.2 集中度

在月尺度下，将一年中各月径流量看作向量，月径流量的大小对应向量的长度，所处的月份为径流向量的方向，合成后的矢量模占年径流的比例即年径流集中度Cd[24]，计算公式为

(3)

式中rx、ry分别为一年中各月径流在x和y两个方向上的分量之和。

2.3 RVA法

为定量评估河流水文情势受人类活动(如水库、大坝等水利工程的建设)干扰的程度，在具有长序列日径流观测数据的流域，Richer等[25-26]提出了RVA法。利用自然水文情势下的日径流序列，计算影响生态环境的32个关键水文特征值及分布范围(RVA范围)[27]，用以评估水库运行后水文特征值偏离分布范围的概率，从而衡量水文整体改变度，具体计算方法为

(4)

其中

Ne=RNt

式中:Di为第i个水文特征值改变度；D为流域水文整体改变度；Np,i为第i个水文特征值受干扰后落在RVA范围内的年数；Ne为期望年数；R为IHA指标受干扰前落在RVA目标范围内的比例，本文取50%；Nt为受干扰后时间序列的总年数。

为客观评定水文指标的改变程度，Richter 等[26]对Di及D做出如下分级规定：绝对值介于0～33%为未改变或低度改变(L)，33%～67%为中度改变(M)，67%～100%为高度改变(H)。

3 结果与分析

3.1 径流年内分配

图2为水库运行前后年内月径流量分配情况。永安溪径流年内分布不均，径流量主要集中在汛期3—9月，其中6月径流量最丰沛，枯水期10月至次年2月径流量较少。下岸水库运行前，受梅雨及台风雨影响，6、7、8、9月径流量分别占全年径流量的17.44%、11.94%、12.21%、11.93%；水库运行后，3—4月的径流量占全年径流的比例由20.85%下降至15.34%，6月和7月的径流量也下降明显，月径流量降幅分别为8.53%和4.85%，10月及12月至次年2月的径流量有所上升，反映了水库调节的蓄丰补枯作用。值得一提的是，水库运行后8月径流量不降反升，月径流量占全年径流量的17.19%。分析8月径流量上升的原因，发现水库运行后8月的极值流量为586.21 m3/s，发生在8月10日，主要由2009年台风“莫拉克”、2015年台风“苏迪罗”和2019年超强台风“利马奇”均在8月初登陆浙江带来强降水所致。若无水库的调节作用，台风期间的径流量会更加难以控制，极可能造成洪涝灾害，威胁流域内生物及周边居民的生命财产安全。

图2 径流量年内分配

柏枝岙站1980—2020年Cv、Cr和Cd变化过程见图3和图4。水库运行前，1980—2002年Cv和Cr的平均值分别为0.88、0.35，Cv值上升趋势明显，表明径流年内分配不均匀增强，Cr值相对稳定，呈微弱上升趋势。水库运行后，2003—2020年Cv值则呈现出下降趋势，均值降低至0.87，Cr值也缓慢减小，均值下降至0.34。水库运行前Cd呈现上升趋势，运行后Cd趋势下降。综上，水库运行后Cv、Cr和Cd变化一致，均呈下降趋势。由此可见，水库的调蓄运行使得永安溪径流年内分配趋于均匀，流域对径流的调节能力有所提升。

图3 1980—2020年不均匀系数和完全调节系数变化趋势

图4 1980—2020年集中度变化趋势

3.2 RVA法分析

下岸水库运行前后的水文特征指标计算结果见表1。第1组水文特征指标月中值流量的整体改变度为30.03%，呈低度改变，其中改变度最高的是4月，改变度高达-74.44%。图5为1980—2020年4月流量，可见水库运行后的4月流量大多低于RVA阈值的下限，属于高度改变月。而每年的4—5月正值永安溪流域内溪鱼的产卵繁殖期，因此该时段内流量的减少将直接影响水生生物的繁殖与生存。同时，流量的大幅降低也不利于沿溪两侧植被保持所需的土壤湿度，甚至难以保障陆生动物的供水需求。

表1 下岸水库运行前后水文特征指标统计结果

图5 4月流量

由表1中第2组水文参数在水库运行前后的对比中可以看出，水库运行前后，除年最大、最小90 d流量减少外，其余指标均呈上升趋势，其中年最大1 d流量变化最显著，由运行前1 160.00 m3/s增长到运行后1 720.00 m3/s，变化幅度高达48.28%，其他最小流量的增加表示水库的补枯作用有所成效。第2组指标年极端流量的整体改变度为35.39%，达到中度改变标准，其中年最大3 d流量、年最大30 d流量和年最大90 d流量这3个指标属于中度改变，其他指标均为低度改变，说明水库的运行对天然状态下流量的极值变化影响并不大。

年极端流量的出现时间可以很好地表征径流的季节性变化。通过表1第3组参数计算结果可以看出，年最小流量出现时间由每年1月初变为12月初，整体分布范围无明显变化(图6)，年最小值出现时间的改变将会影响鱼类的迁移和产卵，不利于生物栖息环境的稳定；年最大流量出现时间较水库运行前提前10 d左右，发生时间的范围由原本的3月下旬至11月中旬集中到6月下旬至10月上旬(图7)，属于高度改变(改变度为70.37%)，同时出现时间的提前很可能向水生生物传递不符合其生长规律的产卵和生长信号。

图6 年最小流量出现时间

图7 年最大流量出现时间

高流量发生次数和历时无明显变化，但低流量发生次数及历时均产生高度改变，水文改变度分别为-85.80%和-87.22%，其中低流量发生次数呈增加趋势，由水库运行前的5次增加至运行后的9次，发生次数的变化范围也增大，尤其是2017年出现了异常状况，低流量发生次数高达29次(图8)，远多于其他年份，这可能是因为2017年降雨偏少，水库蓄水不足加剧了当地枯水期的旱情。若无法保证干旱时期的各项用水需求，干旱频发将会影响当地农作物及水生生物的生长。而低流量历时时间从9 d减短到了4.5 d，可见低流量次数虽然没有减少，但下岸水库的调节作用能减少低流量的持续时间。

图8 低流量发生次数

由表1计算结果可知，流量上升率减少了39.51%，下降率增大了38.82%。流量逆转次数由99次增加至124次，水库运行后增大趋势显著，多个年份逆转次数超过RVA阈值(图9)，改变度达-100.00%，是所有指标中最高的，但是在体现水库电站配合电网调峰、填谷和调频任务的同时，频繁的流量波动会影响该流域内生物承受外界变化的能力，使其赖以生存的栖息地遭到破坏，不利于生物的稳定生长。

图9 流量逆转次数

3.3 水文整体改变度

由表1可知，高度改变指标和中度改变指标各有5个，低度改变指标有22个，分别占比15.63%、15.63%和68.74%。为进一步清晰各指标改变度的分布情况，绘制水文改变度落区(图10)，1～32的序号与32个水文特征指标一一对应，从内而外3个区域分别代表低、中、高度改变，从图10中可以明显看出，低改变度指标虽多，但大多都逼近中度改变的临界线，第4组和第5组水文特征指标的改变度最高，其中低流量发生次数、低流量历时和流量逆转次数占主导。因此综合计算后的水文整体改变度仍能达到42.82%，属于中度改变，说明下岸水库的运行对永安溪流域的水文情势影响较大。

图10 水文改变度落区

4 结 论

a.下岸水库的建成和运行对径流产生了较大影响，具体表现在水库的蓄丰补枯作用。

b.受水库调节作用的影响，径流年内分配趋于均匀化，不均匀系数Cv、完全调节系数Cr及集中度Cd变化规律一致，均在水库运行后由原本的上升趋势转变为下降趋势。

c.经过RVA法分析，下岸水库运行后，4月流量显著减少，年最大流量出现时间提前10 d，低流量发生次数增加、历时减少，流量逆转次数由99次增加至124次且改变度最高。这些指标的变动均会影响鱼类的洄游与繁殖。总体而言，下岸水库对永安溪水文情势产生了中度改变，水文整体改变度为42.82%。

d.下岸水库虽然具有防洪减灾的效益，但是同时也改变了坝下径流的特性，造成的水文情势波动不利于水生生物的生长繁衍，影响生物群落的多样性，进而威胁河流生态环境的稳定。建议开展生态保护修复措施，如人工增殖、生态调度等，将水库运行对生态系统的不利影响降到最低。