陳偉東 包為民，2 張 乾 沈丹丹 龔婷婷

（1.河海大學 水文水資源學院，南京 210098；2.河海大學 水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室，南京 210098）

水流是水生環(huán)境的主要決定因素，水流的改變會 在不同程度上改變生物棲息地條件，從而影響生態(tài)系統結構［1］.人類的水資源開發(fā)利用活動，如修建大壩、跨流域調水等工程會改變河流的天然徑流過程，對河流生 態(tài) 系 統 健 康 產 生 重 要 影 響［2－3］.Brian D Richter等［4］于1996年提出了IHA（Indicator of Hydrologic Alteration）法用于評價水利工程對河川徑流過程的影響，并可根據評價結果建立河流的生態(tài)流量管理模式［5］.陳啟慧等［6］將該方法用于評價葛洲壩對長江徑流過程的影響，效果良好；王銀麗等［7］采用IHA法分析港口灣水庫下游的流量資料，并在此基礎上用水流脈沖的評價體系分析日水位資料，以此更加細致地反映港口灣水庫對下游徑流過程的影響.鑒此，本文采用水文變化指標法（IHA）計算了仁化、長壩兩站的流量變化，同時用滑動平均法與M－K檢驗法分析了錦江流域的降水情況，從而評價錦江水庫對下游徑流過程的影響.

1 研究區(qū)域概況及分析方法

1.1 研究流域概況

錦江屬珠江流域北江水系，是北江上游主源湞江的一級支流，發(fā)源于江西省崇義縣竹洞，流經仁化縣的長江、雙合水、恩口、小水口、仁化縣城等地區(qū)，于芒壩江口匯入湞江［8］.錦江水庫（圖1）建于錦江中游段，壩址位于廣東省韶關市仁化縣境內，于1990年6月1日開始施工，在1993年8月一號機組并網發(fā)電，同年12月30日二號機組并網發(fā)電.錦江水庫總庫容1.89億 m3，興利庫容0.68億 m3，調洪庫容0.45億m3，屬于季調節(jié)型水庫.作為仁化縣最大的水利工程，錦江水庫是以防洪、發(fā)電為主，兼顧旅游、供水、養(yǎng)殖等多種效益的大（二）型水庫［9］.本次分析采用仁化、長壩兩站1958～2009年共52年的日徑流資料.其中仁化站1995年后不再進行徑流測量，采用錦江水庫出庫流量代替，且水庫大壩至原仁化站之間無區(qū)間入流.

圖1 錦江流域水系及站網分布

1.2 滑動平均法

對序列x1，x2，…，xn的幾個前期值和后期值取平均，求出新的序列yt，使原序列光滑化，這就是滑動平均法［10］.數學式表示為：

式中，yt為新序列，k為滑動平均尺度，xt＋i為參與此次生成新序列的舊序列值.當k＝2時為5點滑動平均.若x有趨勢性，選擇合適的k，yt即可將此趨勢清晰地展示出來.滑動平均法因其簡單、直觀而在水文學中得到了廣泛的應用［11］.

1.3 M－K檢驗法

M－K檢驗法是被世界氣象組織所推薦并廣泛應用于實際研究的非參數檢驗方法，是一種實用的時間序列趨勢分析方法［12－13］.假設有一組時間序列x1，x2，…，xn，其趨勢檢驗統計量S如下：

式中：

當n＞10時，S收斂于標準正態(tài)分布，其均值為0，方差D（S）＝n（n－1）（2n＋5）／18，其標準正態(tài)統計量通過下式計算：

對于統計變量Z，大于0時，表征序列是呈上升趨勢；小于0時，則為下降趨勢.Z的絕對值若大于等于1.64，表示通過了信度90%顯著性檢驗.

1.4 IHA法

IHA法（水文變化指標法）依據測得的每日河流水文資料，可算得表征生態(tài)環(huán)境含義的32個特征參數值，再計算它們工程前后的多年平均值以及年際間的變異系數，則可評價工程對河流水文情勢的干擾.如表1所示，32個IHA參數可分為5組，可反映數量大小、發(fā)生時間、持續(xù)時間、頻率以及變化率等水文特征.Poff N L［14］認為當計算分析的水文數據的時間序列大于20年時，年際氣候變化條件的改變對水文指標計算結果的影響基本上能夠減少或消除［15］.本文中，為增加資料長度，不舍棄建庫的時間，將1958～1993年劃為建庫前研究時段，1994～2009年則為建庫后分析時段.

表1 水文變化指標法的水文參數及其特征

2 結果與分析

2.1 錦江流域1958～2009年降水年際變化

采用滑動平均法對錦江流域上的降水資料作處理，結果見圖2.由圖2中的5年滑動平均趨勢線可知，在1965～1974年、1978～1983年、1989～1995年3個時段錦江流域年降水量呈上升趨勢，其余時段呈下降趨勢.建庫前后兩個時段（1958～1993年，1994～2009年）的年平均降水量分別為1 614mm、1 708 mm.研究流域1958～2009年降水量的M－K檢驗Z值為0.497，表明降水序列呈上升趨勢，但未通過90%的顯著性檢驗.考慮到1958～1993年降水資料可能存在缺測、漏測的情況，所以此降水分析結果作為IHA分析徑流過程變化的一個參照.

圖2 錦江流域年降水趨勢變化圖

2.2 建庫對錦江下游徑流過程的影響

選取錦江水庫壩下的仁化站和湞江長壩站1958～2009年的日平均流量資料，采用IHA法計算錦江水庫修建前后兩站流量的特征值，用以評價錦江水庫對錦江下游以及湞江的影響程度.

1）月徑流量

錦江水庫修建前后仁化、長壩兩站的各月多年平均流量見圖3，月平均流量偏離量及其變異系數偏離量見表2.偏離量（%）＝［（P建庫后－P建庫前）／P建庫前］＊100%，其中P為IHA法參數值.由圖3（a）知，錦江水庫運行后，仁化站枯期的第2、10、12月份和汛期的第4、5、7、8月的月平均流量變化明顯，主要是由于水庫以防洪、發(fā)電為目標的蓄峰補枯調度操作.3、4、5月份水庫重新蓄水導致下游徑流量減少，而此時正值春季，萬物生長的起始點，必然會給水生物以及沿岸生物的繁衍帶來難以估量的影響.而2、10、12月份的徑流量增加表明水庫的運行改變了徑流年內的分配.這種改變將會造成河道形態(tài)的轉變，進而會改變原有河流生態(tài)系統.

圖3 仁化、長壩站各月建庫前后多年平均流量

由表2中的變異系數仁化站部分，可知年際變異系數在汛期以減小為主，而8月、11月、12月則有不同程度的增大.由圖3（b）及表2知，以6月份為例，長壩站的徑流量在水庫運行后下降了46m3／s，占建庫前徑流量的10.51%，而其支流錦江上的仁化站徑流量比之前下降了12m3／s，占其建庫前徑流量的12.27%.對此，可認為錦江仁化站多減少的1.76%的徑流量是由于錦江水庫在汛期調蓄造成的.由此也反映出自然狀態(tài)的湞江長壩站的6月徑流減少量是要小于10.51%，說明長壩站的徑流也受到錦江水庫的影響.

表2 月均流量偏離量與變異系數偏離量

2）不同持續(xù)時間下的水文極值

錦江水庫建成后使得仁化站流量極大值有所減小，其中最大1日平均流量減小的絕對流量最大，見表3.

表3 流量極值計算結果 （單位：m3／s）

建庫后，仁化站流量的極小值變化巨大，其中多年平均斷流天數由原來的0.67d上升至52.06d，而長壩站的流量極小值變化受錦江水庫調蓄作用則要小很多，表明錦江水庫大壩至錦江和湞江交匯點之間的河道（錦江下游段）受錦江水庫調蓄影響巨大，尤其是低水情況，長時間的斷流使得此段河道的生態(tài)系統穩(wěn)定性變差，對河道內及其沿岸的生物棲息地的破壞是極大的.最大一日流量的下降削弱了河流自身的沖淤能力，可能會使河道產生淤積.

3）年極值發(fā)生時間

由表4知，建庫后仁化站年最大日流量發(fā)生時間延后約26d，年最小一日流量發(fā)生時間大幅度提前；長壩站年最大日流量發(fā)生時間延后約33d，而其年最小一日流量發(fā)生時間基本未變.一般而言，極端流量是一些生物尤其是某些魚類的洄游產卵與繁殖等活動的前提條件.錦江下游段徑流極大值發(fā)生時間的延后，在一定程度上會改變生物繁殖期內的行為過程，甚至改變魚類產卵的時間；而極小值發(fā)生時間的大幅度提前及其發(fā)生時間在年際間的不穩(wěn)定性則會嚴重威脅到生物的棲息環(huán)境，影響生態(tài)系統的穩(wěn)定性.

表4 流量極值出現時間 （單位：d）

4）高低脈沖頻率及持續(xù)時間

將建庫前的所有年份的日流量值由小到大依此排序，分別選取位于75%和25%的流量值作為高低脈沖流量的閾值，仁化站分別為47.9、17m3／s，長壩站分別為206、59.5m3／s.兩個站點流量高低脈沖頻率及持續(xù)時間的計算結果見表5.

表5 高低脈沖發(fā)生次數及其持續(xù)時間（單位：d）

仁化站的高脈沖次數基本不變，但平均歷時增加了4.27d，其偏離量為64.75%；長壩站高脈沖次數減少了10%，平均歷時延長了18.75%.仁化站的低脈沖發(fā)生次數由9.89增加至16.06，而平均歷時由10.02d縮減為4.99d.高、低流量是河道徑流的重要特征，仁化與長壩兩站的低脈沖次數增加及其歷時變短會導致部分河道、河灘呈干濕反復交替現象，這將會影響此區(qū)間生態(tài)的健康發(fā)展.但是高流量平均歷時的延長又給河道及其沿岸的生態(tài)環(huán)境的發(fā)展前景注入了不確定性，因為高流量歷時的延長給水生物及周邊植物帶來了足夠的養(yǎng)分.這種新的徑流機制下，也許會對沿岸的生物的進化提供新的推動力.

5）流量變化速率及頻率

錦江水庫修建后，仁化站上漲次數由69.36上升至87.31，上漲率大幅下降，見表6及圖4；長壩站的上漲次數由54.36增至76.69，但其上漲率下降至54.79m3／（s·d），見表6.

表6 徑流上漲及下降情況變化結果

圖4 建庫前后仁化站年內上漲率對比示意圖

建庫后仁化站徑流下降次數增加了5.44，其下降率基本不變，長壩站徑流的下降次數從63.64次增至81.19次，其下降率減小了6.77m3／（s·d）.表明錦江水庫的建成不僅影響錦江下游段的水情變化，同時對干流湞江亦有重要影響.徑流上漲下降次數及其速率對構建河流生態(tài)環(huán)境有著重要作用，建庫后水流情勢的變化可能會給下游水生物繁殖帶來一定阻礙.

3 結 論

1）M－K檢驗表明錦江流域1958～2009年期間的年降水量呈上升趨勢，1994～2009年的多年平均降水量要大于之前的平均值，但建庫后錦江下游多年平均徑流下降了2.67%.

2）建庫后，錦江下游主汛期徑流減少，年內徑流分配較之前均勻；最大一日平均流量的下降消弱了河道沖淤能力，但建庫后錦江下游段的平均斷流天數由原來的0.67上升至52.06，這種改變給河流生態(tài)系統帶來的影響是致命的；仁化與長壩兩站的低脈沖次數增加及其歷時變短會導致部分河道、河灘呈干濕反復交替現象；其上漲率年平均值均為大幅度下降.依據IHA法的計算結果，錦江水庫應采用結合生態(tài)因素的調蓄制度，以使得下游河流能和諧發(fā)展.

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