水库运行对河流水文情势影响分析——以龙羊峡、小浪底水库为例

陈秀秀，叶盛，潘海龙，王金，冉启华

（1.浙江大学建筑工程学院，浙江杭州 310058；2.河海大学水利水电学院，江苏南京 210098）

0 引言

河流的自然流态对维持生物多样性和河流生态系统的完整性至关重要［1］。水库大坝的修建虽然能够满足人们发电、灌溉、供水、防洪、抗旱、航运等多种需求，但同时也改变了河流的天然水文形态［2］。据国际大坝委员会统计，截至2020年4月，全球现有大坝数量为58 713座，其中中国23 841座，占40.6%［3］。这些水库大坝的修建运行带来的河流水文情势变化程度究竟如何，不同的水库带来的变化又有何不同。关于这方面的研究分析有助于加深对水库生态影响的了解，同时给水库调度的优化提供方向。

1996 年Richter 等提出了32 个水文变化指标（Index of Hydrologic Alternation，IHA），从流量的程度、时间、频率、历时和变化5 方面评估河流水文情势的改变［4］，在他们1998 年发表的关于河网水文变化的空间评估的论文中IHA 指标被补充到33个［5］。Olden等比较了171种水文指标，证实了IHA 指标的优越性［6］。变化范围法（Range of Variability Approach，RVA）是Richter等1997年提出的，通过计算受干扰后的IHA指标数值落在根据干扰前IHA 指标数值得到的目标范围内的数量，评估IHA指标变化程度的高低［7］。

Richter 提出的IHA 指标和变化范围法，被广泛的应用于人类活动，特别是水库的修建运行对河流水文情势的影响分析。Li等［8］基于变化范围法分析三门峡水库和小浪底水库不同运行方式对黄河下游水文情势的影响，发现不同运行方式下的生态水文特征存在明显差异；马超等［9］采用变化范围法分析了龙羊峡、刘家峡水库运行前后头道拐的水沙变化，发现径流量和含沙量均发生中度改变，但径流量整体改变度高于含沙量；Song等［10］利用水文变化指标和变化范围法分析了全国范围内水库蓄水对河流水文状况的影响，发现总体变化程度为中等，其中变化次数、变化率和极端最小流量这三个指标受到的影响最大。

过去的研究多选取水库下游某个站点，比较该站点的各项水文指标在水库修建前后的变动［11-15］。这样的比较方法能够有效反映出下游站点处水文情势的变动，但当其用于反映水库本身对下游的影响时，存在两点主要问题：①难以将水库的影响和其他人类活动以及气候变化分割开来以确定水库的实际影响。以黄河中游为例，近几十年大量的水土保持活动，如植树造林、淤地坝和梯田的修建等，使得进入下游的流量和沙量本身就发生了较大改变［16，17］。因此，若要研究三门峡和小浪底水库的修建对下游水文情势的影响，仅对下游站点在建库前后的水文数据做比较分析并不能得到水库的实际影响；②用建坝前后的水文数据做分析对数据本身的要求也较高，有些水库修建时间较早，下游站点的已有数据资料无法满足研究需求，使得相关研究被进一步限制。

本文提出了一个评估水库的修建及运行对下游河道带来的水文影响的新思路，即将出库流量与同时段的入库流量进行比较，时间序列一致，可排除气候和上游人类活动影响，且水库建成后的出入库径流资料相对齐全，能满足研究需求。后文为了简化起见，以方法1 代表常用比较方法，方法2 代表本文提出的新方法。选取了黄河干流2个多年调节水库——龙羊峡水库和小浪底水库，分别作为上游人类活动干扰少和干扰多的水库的代表，比较方法1 和方法2 计算结果的异同，以探究方法2 的可行性。然后进一步分析了方法2计算得出的两水库运行对下游河道水文情势的影响，以期为水库的优化运行提供一定的参考。

1 研究对象与方法

1.1 研究对象与研究数据

龙羊峡水库位于黄河上游青海省，是上游唯一一座具有多年调节性能的水利枢纽［18］，1986年10月下闸蓄水，1987年10月第一台机组开始发电。水库多年平均入库径流量186.5 亿m3［19］。我们选取唐乃亥站为入库站，贵德站为出库站，两个站点相距189 km，中间无较大支流汇入。将1985年及以前划分为水库影响前阶段，1988 年及以后为影响后阶段，选取了贵德站1962-1985 共24 年的水沙数据用于建库前数据分析，建库后数据的时间范围为1988-1997，2006-2013共18年。

小浪底水库位于河南省洛阳市与济源市之间，是黄河干流上最后一座拥有较大库容的控制性工程，于1999 年10 月投入使用。水库建成后多年平均入库径流量215.73 亿m3。入库水文站为三门峡站，出库水文站为小浪底站，两个站点相距129 km，中间无较大支流汇入。由于缺失小浪底水文站1988-1999年水文资料（这一时段小浪底水库尚未建成，但其上游所有多年调节水库都已投入使用，可以排除上游水库的影响），考虑到三门峡站和小浪底站距离较近，中间没有大支流汇入，径流情势比较接近，选取三门峡站1988-1999 年的径流资料代替小浪底站在水库影响前的径流数据，水库影响后的数据时长为2000-2017年共计18年的数据。

上述所有水文站径流数据和含沙量数据均来自黄河水利科学研究院，数据的时间尺度为日尺度。两个水库的具体位置及进出库水文站的位置见图1。

图1 研究水库位置示意图Fig.1 Location of research reservoirs

1.2 研究方法

1.2.1 IHA参数

IHA参数包括月流量状况、极端水文现象的大小和历时、极端水文现象的出现时间、高低脉冲流量的频率与历时以及流量涨落的变化情况5 组类型共计33 个指标，每个指标都与生态功能密切相关［19］。具体的参数及其对应的生态影响见表1。

表1 IHA参数及其生态影响Tab.1 IHA parameters and their impacts on ecosystem

1.2.2 RVA法

RVA 法是用来定量评估IHA 参数的变化程度的。首先需要根据未受干扰的参考数据得到目标范围。方法1中33个IHA参数的参考数据由水库建成前下游水文站多年来记录的日径流量分析处理得到，而方法2 中IHA 参数的参考数据则由水库建成后入库水文站记录的多年日径流量得到。

目标范围通常为参考数据的25%～75%，即将对应参数的参考数据由大到小排列，取中间50%的数据，这部分数据的最大值即为目标范围的上限，最小值即为目标范围的下限。那么分析数据在未受干扰的情况下，预期落在该范围内的数量也为一半。实际受干扰后的分析数据落在目标范围内的数量与预期数量越接近，说明干扰对河流的水文情势影响越小；二者的差距越大，说明河流水文情势被影响的越大，生态系统被破坏的越严重［5］。具体计算公式如下：

式中：n为指标的个数；ei为第i个指标的变化程度计算结果，取值范围为0～1；No，i是实际分析数据落在目标范围内的数量；Ne，i是预期数据落在目标范围内的数量。详细的计算方式可见Richter等1998年发表的关于河网水文变化评估的研究［5］。当ei值小于等于0.33时，说明干扰带来的生态影响较小；当值在0.33～0.67 之间，说明水库调度给生态带来了中等程度的影响；当值大于等于0.67时，说明水库调度带来的生态影响较大。D为ei的均值，用于表征综合变化程度。

1.2.3 配对t检验

t检验是对两组符合t分布的数据资料进行差异比较的统计学方法［20］。当这两组样本数据是配对设计得到，且存在明显正相关关系时，应该采用配对t检验进行分析［21］。本文中的配对t检验借助IBM SPSS statistics 22.0软件实现。

2 结果与分析

2.1 不同计算方法结果比较

2.1.1 龙羊峡水库

两个计算方法得到的龙羊峡水库IHA 参数变化程度的结果见表2。方法2 有8 个参数的计算结果大于方法1，有16 个参数的计算结果小于方法1，有9 个参数的计算结果与方法1 相同，综合变化程度方法2 略小于方法1，但二者均属于高度改变。

表2 龙羊峡水库两种方法水文情势影响计算结果Tab.2 Calculation results of two methods for hydrological regime impact of Longyangxia Reservoir

图2 为龙羊峡水库两个方法计算结果差值的直方图，能够更加直观地显示两个方法在计算结果上的差异。其中横坐标为指标编号，纵坐标为该指标通过两个方法计算得到的水文情势影响的差值。参考RVA 法的分类方式，以0.33 和0.67 为界，将差值分为三类。不难看出，绝大部分差值都在-0.33～0.33 之间，即区别较小；有6 个参数的差值属于中等区别，仅有1 个参数的差值属于高度差异，即10月平均流量。

图2 龙羊峡水库两种方法水文情势影响计算结果差值Fig.2 The difference between the calculation results of the hydrological regime impact of the two methods in Longyangxia Reservoir

为了进一步探究两个方法在10 月平均流量这一计算结果上出现高度差异的原因，我们将龙羊峡建库前后贵德站的10月平均流量及建库后唐乃亥站的10 月平均流量均绘制在图3中，并据此标注出两个方法对应的目标范围，分别以实线和虚线表示。从图中不难发现，由于气候变化等原因，龙羊峡水库的入库径流量本身就变少了（唐乃亥站建库前10 月平均流量1 174.41 m3/s，建库后仅为803.54 m3/s），水库的调度运行又进一步减少了10 月的下泄流量。方法1 比较贵德站建库前后的10月平均流量，涉及气候变化和水库调度两项变动，方法2比较建库后唐乃亥站和贵德站的10 月平均流量，仅涉及水库调度一项，因而得到的改变度小于方法1。

图3 龙羊峡水库两种方法对应站点10月平均流量及目标范围Fig.3 Average discharge in October in stations corresponding to the two methods and target range of Longyangxia Reservoir

经过配对t检验，两个方法在龙羊峡的计算结果并不存在显著差异（P=0.109），这主要是因为龙羊峡上游人类活动少，气候变化虽然在个别指标上表现明显，但总体差别不大，使得两种计算方式得到的结果相对一致。

2.1.2 小浪底水库

两个方法计算得到的小浪底水库IHA 参数变化程度的结果见表3。方法2 有17 个参数的计算结果大于方法1，有7 个参数的计算结果小于方法1，有9 个参数的计算结果与方法1 相同，综合变化程度方法2 略大于方法1，但二者均属于中度改变。

图4 为小浪底水库两个方法计算结果差值的直方图，能明显看出绝大部分差值均为正。从差异度上来说，与龙羊峡水库类似，大部分差值都落在-0.33～0.33 这一小差别的范围内，有5个参数的差值属于中等区别，仅有1 个参数的差值属于高度差异，即1 月平均流量。图5 展示了建库前小浪底站、建库后三门峡站和建库后小浪底站各自的1月平均流量及两种方法对应的目标范围。不难看出，建库后三门峡站的1 月平均流量数据波动范围相对较小，得到的目标范围的上限为391.4 m3/s，下限为299.9 m3/s，建库后小浪底站1 月平均流量的数据落在该范围内的仅有3 个；而根据建库前小浪底站的1 月平均流量数据得到的目标范围的上下限分别为529.9 m3/s 和284.5 m3/s，建库后小浪底站1月平均流量的数据正好有一半落在该范围内。因此尽管建库后小浪底站1 月平均流量的均值与建库后三门峡站1 月平均流量的均值更为接近（表3），方法2 计算得出的水文情势影响却远高于方法1。

图4 小浪底水库两种方法水文情势影响计算结果差值Fig.4 The difference between the calculation results of the hydrological regime impact of the two methods in Xiaolangdi Reservoir

图5 小浪底水库两种方法对应站点1月平均流量及目标范围Fig.5 Average discharge in January in stations corresponding to the two methods and target range of Xiaolangdi Reservoir

通过配对t检验分析，小浪底的计算结果差异显著（P=0.033）。黄土高原自1999 年以来大规模的植被恢复措施使得入黄水沙大量减少［22］，小浪底水库2000-2017 年的入库径流水文情势本就与1988-1999年的径流水文情势有明显不同。方法1计算得到的是综合了上游径流变化和水库影响的水文情势改变情况，而方法2 计算得到的是仅考虑水库本身影响的水文情势改变情况，因此二者差异明显。

综合龙羊峡水库和小浪底水库两种方法水文情势影响计算结果的比较分析，方法2的可靠性得到了验证，我们认为方法2 能够在水库上游有较明显人类活动或气候变化的时候，有效地将这些变化与水库本身带来的影响剥离开来，得到的结果能更真实地反映水库调度运行造成的下游水文情势改变情况。但需要特别说明的是，方法2对进出库站点的选择要求较高，两个站的距离必须非常近，河槽对水沙的调蓄作用几乎为零，此外，两站点间的支流和除水库调度外的其他人类活动都会影响计算结果的精度，因而适用性受限，需要和方法1视情况选用。

2.2 龙羊峡水库运行对下游水文情势影响

根据表2 中方法2 计算得到的水文情势影响结果，分析龙羊峡水库的调度运行对下游水文情势的影响。从月流量状况来看，改变主要集中在凌汛期（11 月-次年3 月）和春灌期（4-6月）。凌汛期入库径流量较小，但出于防凌考虑，需要控制下泄流量在500 m3/s 左右，因而与入库径流有较大差异。春灌期同样要保证一定的灌溉流量，但当入库径流量大于需要的下泄流量时，水库会把多余的水拦蓄在库区内以供后续使用，同时也可提高发电水头增加发电量。

从年极端流量状况来看，不同时间尺度的最小流量始终保持高度改变，最大流量随着考虑尺度的变大，改变程度略有下降：年最大日均流量改变度0.78，年最大90 日平均流量改变度0.5，但依然保持中高度的改变程度。

从年极端流量出现时间、高低流量的频率与历时，以及流量的变化率和变化频率来看，仅有年最大日流量出现时间和每年高脉冲发生次数为低改变，其余参数均为高度改变。

总体来看，龙羊峡水库的运行对下游水文情势的改变程度较高（综合改变度为0.71），有23个参数发生了高度改变，3个参数发生了中度改变，仅有7个参数的改变程度为低度，且低度改变的参数多表征高流量，如汛期的月均流量、年最大日流量出现时间、每年高脉冲发生次数等。龙羊峡水库以发电为主要开发目标，兼顾防洪、防凌、灌溉、供水等［23］，但自投运以来遇枯水年较多［24］，因此综合改变度高且对低流量的改变度要高于高流量。

2.3 小浪底水库运行对下游水文情势影响

根据表3 中方法2 计算得到的水文情势影响结果，分析小浪底水库的调度运行对下游水文情势的影响。总体来看，小浪底水库的运行对下游水文情势的改变属于中等程度（综合改变度为0.43），有16 个参数发生了中度改变，11 个参数为低度改变，仅有6 个参数的改变程度为高度。高度改变的6 个指标中，有3个尽管属于高度改变，但从数值来看，其实处于中度与高度的分界处，剩下3 个改变较为明显的指标分别是：8 月平均流量、年最小日均流量和年最小流量出现时间。

表3 小浪底水库两种方法水文情势影响计算结果Tab.3 Calculation results of two methods for hydrological regime impact of Xiaolangdi Reservoir

小浪底水库作为以防洪减淤为主要目标的水库［23］，通常在每年6月下旬和7月份相机进行调水调沙运用，8月份逐步将水位抬升至后汛期汛限水位［25，26］，因此大多时候8 月的平均出库流量小于入库流量（图6）。年最小日均流量和年最小流量出现时间这两个指标不论是在小浪底水库还是龙羊峡水库的水文情势改变度分析中都属于高度改变，这是因为水库在调度过程中，出于供水、灌溉之类的社会需求以及生态基流等各方面的考虑，当入库径流量很小的时候，会通过调用库区的蓄水增大下泄流量，减少小流量事件的发生，因而使得年最小日均流量和年最小流量出现时间均发生了明显改变。

图6 小浪底水库出入库站8月平均流量及目标范围Fig.6 Average discharge in August of stations upstream and downstream of Xiaolangdi Reservoir and the target range

2.4 小浪底水库运行对下游泥沙情势影响

当我们在探讨小浪底水库运行对下游河道水文情势的影响时，是离不开对泥沙的分析的。泥沙浓度过高在破坏水质、导致河道淤积的同时，也会影响水生生物的呼吸，而泥沙浓度过低又不利于河道和河口的维持［27］。考虑到目前对于含沙量的变化所导致的生态影响并不像流量一样有一套广泛使用的指标，本文参考IHA 参数的构建方法，提出了对应的33 个泥沙变化指标（Index of Sediment Alternation，ISA）。马超等在利用变化范围法分析龙羊峡、刘家峡水库运行前后头道拐水文站的水沙变化程度时也采用了同样的泥沙指标构建方法［9］。然后利用本文提出的计算方法对小浪底水库运行对下游泥沙情势的影响进行了计算，具体指标及计算结果见表4。

表4 小浪底水库运行对下游泥沙情势影响计算结果Tab.4 Calculation results for the downstream sediment regime impact of Xiaolangdi Reservoir

从月均含沙量来看，高度改变的指标均集中在汛期，即7-10月。汛期上游来沙量较大，小浪底水库将泥沙大多拦截在库区以缓解下游河道的淤积情况，使得月均出库含沙量远小于入库含沙量，变化显著。3、4 月份的平均含沙量出现了中度改变的情况，这或许是由于桃汛期径流量的增长，将淤积在上游河道的部分泥沙冲刷进入小浪底并被全部拦截在此。

从年极端含沙量来看，表征高含沙量事件的指标均为中度或高度改变，而表征低含沙量事件的指标均为低度改变，这一规律在高低含沙量事件的发生次数和平均历时上也有同样的体现，说明小浪底水库对年极端含沙量的影响主要集中在高含沙量事件上。但小浪底的调度虽然对高含沙量事件的含沙量大小、发生次数和平均历时均有高度改变，却不怎么改变其发生日期，这是因为小浪底水库面临的高含沙量事件通常伴随着高流量来到，而小浪底水库会在此时相机进行调水调沙，在减轻库区淤积的同时尽可能冲刷下游河道。

从含沙量的升降来看，平均增加率和平均减少率都是低度改变，即出入库含沙量的平均增减幅度变化不大，但含沙量升降的变化次数减少了，说明经过小浪底的调节单次含沙量上升或者下降的持续时间变长了。

总体来看，小浪底水库的运行对下游泥沙情势的影响为中等（综合改变度为0.35），有18个参数为低度改变，5个参数为中度改变，10个参数为高度改变。低度改变和高度改变的参数的数量都远多于水文情势，出现了两极分化的现象。

3 结论

本文提出的用建库后进出库水文站的数据代替建库前后下游站点的数据作为RVA方法比较对象的改进思路，在人类活动影响不明显的龙羊峡水库的水文情势改变度计算结果与常用方法无明显差异，在人类活动影响显著的小浪底水库与常用方法取得了明显不同的计算结果，证实了改进思路的可靠性和优越性。

通过改进方法的计算结果，发现龙羊峡水库的运行对下游河道的水文情势产生了高度改变，如何在保证水库发电效益的同时兼顾生态是亟待解决的问题；小浪底水库目前的运行方式对下游水文情势和泥沙情势的改变度均为中等，但仍有很大改进空间。研究制定能够更好地利用上游来水，把握调沙时机，兼顾水沙两方面的生态影响的调度方案，是小浪底水库优化研究的重点。此外，本文仅计算了两个水库，无法据此得出二者在水文情势改变度上的差异是否来自调度运行方式上的不同。通过加入更多水库的研究，总结出水库调度在水文情势影响上的规律，也是一个很有意义的研究方向。

最后，IHA 指标个数较多，Richter 等提出的方法将这些指标的重要性一视同仁，但对于不同的水库，这些指标的重要性可能有所不同，有学者在研究中仅选用了其中部分指标［28，29］，也有学者提出了赋予各指标不同权重的方法［30］。在使用RVA方法时，所用数据时间序列的长度不能太短，有研究认为最好不少于20年，以避免年际气候的变化等因素对计算结果的影响［1，31］。对于综合改变度的计算，一些学者并不认同直接求均值的方法，认为这样会忽略高度改变的指标所带来的影响，Shiau 等提出仅在所有指标均为低度改变时综合改变度才是低度，有不少于一个指标为中度改变且没有指标为高度改变时综合改变度应为中度，有不少于一个指标为高度改变时综合改变度应为高度［32］，后来又提出了先求各指标改变度平方和的均值再开根号的综合改变度计算方法［33］，均得到广泛使用［10，30，34］。我们在使用IHA指标和RVA方法量化评估水文情势的变化时，应当对上述问题做权衡考虑，与此同时也应当认识到，某个指标的高度改变并不绝对意味着生态的破坏，需结合实际情况考虑。