彭少明，尚文繡，王 煜，魯 俊，鄭小康

（黃河勘測規(guī)劃設(shè)計有限公司，河南 鄭州 450003）

1 研究背景

河流生態(tài)系統(tǒng)為人類社會提供了水資源、水能、航運(yùn)、氣候調(diào)節(jié)等豐富的生態(tài)服務(wù)，是人類社會發(fā)展的重要支撐［1-2］。然而，河流自身也需要資源與能量來維持生態(tài)過程與服務(wù)。在人類社會長期的發(fā)展中，河流的生態(tài)需求并未得到充分重視，導(dǎo)致河流生態(tài)系統(tǒng)遭到嚴(yán)重破壞［3］。修建水庫是人類對河流的主要干預(yù)手段之一。自20世紀(jì)末起，定量分析水庫運(yùn)行的生態(tài)影響成為了研究熱點。1996年Richter等建立了IHA（Indicators of Hydrologic Alteration）指標(biāo)體系，為量化水庫運(yùn)行引起的水文情勢變化提供了方法［4］?；贗HA指標(biāo)，張颯等［5］發(fā)現(xiàn)丹江口水庫的運(yùn)行顯著改變了漢江中游水文情勢。Xu等［6］研究了黃河梯級水庫調(diào)水調(diào)沙對河口的地貌形態(tài)、水動力條件與營養(yǎng)物質(zhì)的改變。Bednarek等［7］研究了水庫運(yùn)行對水流流速和溶解氧的影響。目前已有諸多研究定量分析了水庫運(yùn)行模式對魚類、無脊椎動物等水生生物的物種結(jié)構(gòu)、種群數(shù)量、繁殖行為等的影響［8-10］。水庫運(yùn)行會引起水文、水化學(xué)、泥沙、水生生物、濱岸植被等多種河流生態(tài)要素發(fā)生變化［11］，但已有的研究主要集中于水庫運(yùn)行對某一類生態(tài)要素的影響，對水庫運(yùn)行綜合影響的反映不足。此外，河流的不同生態(tài)要素間密切關(guān)聯(lián)，水庫運(yùn)行會引起不同生態(tài)要素的連鎖變化［12］，但總體卻鮮見在定量分析水庫運(yùn)行造成的不同生態(tài)要素變化間的內(nèi)在聯(lián)系方面的研究。

黃河上游河段占全河總長的68%，是主要的產(chǎn)水區(qū)和水電開發(fā)區(qū)［13］。1969年投入運(yùn)行的劉家峽水庫是一座年調(diào)節(jié)水庫，1987年投入運(yùn)行的龍羊峽水庫具有多年調(diào)節(jié)能力，截至2014年，黃河干流上游龍羊峽水庫以下已建成水庫20座，在建水庫4座，調(diào)節(jié)庫容235億m3。黃河是典型的多沙河流，多年平均含沙量達(dá)35 kg/m3，水、沙變化密切相關(guān)，梯級水庫聯(lián)合運(yùn)行改變了徑流過程，必然會影響黃河上游生態(tài)健康。本文評估了黃河上游水文情勢和泥沙運(yùn)動的變化并量化了不同影響因子的貢獻(xiàn)率，研究了水沙變化的內(nèi)在關(guān)聯(lián)，提出了水庫生態(tài)調(diào)度策略，為科學(xué)評估水庫運(yùn)行的影響、改善黃河上游生態(tài)健康提供了支撐。

2 研究區(qū)域、方法與數(shù)據(jù)

2.1 水庫運(yùn)行對河流生態(tài)系統(tǒng)的影響根據(jù)Petts等［14］的研究成果，水庫運(yùn)行對河流生態(tài)系統(tǒng)的影響可以劃分為3個層次：第1層次為水文、泥沙等非生物要素的變化；第2層次為在第1層次的影響下地形地貌和初級生物的變化；第3層次為在前兩個層次的共同作用下以高級生物為主的生物群落的變化。水庫運(yùn)行生態(tài)影響的3個層次間存在遞進(jìn)的關(guān)系，其中非生物要素變化是河流生態(tài)系統(tǒng)變化的根本原因，而生物群落變化則是最終結(jié)果。

鑒于第1層次影響會隨著水庫運(yùn)行改變向下游的物質(zhì)和能量傳輸而立刻產(chǎn)生，而第2、3層次影響可能存在較長的時間滯后，加上對數(shù)據(jù)獲取難度的考慮，本文重點研究水庫運(yùn)行對河流生態(tài)系統(tǒng)的第1層次影響，即水庫不同運(yùn)行階段下游河道水文情勢和泥沙運(yùn)動的變化。

2.2 研究區(qū)域本文研究區(qū)域為黃河上游龍羊峽水庫至頭道拐斷面（圖1）。龍羊峽水庫與劉家峽水庫的調(diào)節(jié)庫容分別為193.5億m3和35億m3，占上游水庫總調(diào)節(jié)庫容的97%，在水資源配置中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。因此，本文著重分析龍羊峽水庫與劉家峽水庫（后文簡稱龍、劉兩水庫）聯(lián)合運(yùn)行對黃河上游生態(tài)健康的影響。

圖1 研究區(qū)域與水文站分布示意圖

2.3 研究方法

2.3.1 生態(tài)變化量化方法 本文通過IHA指標(biāo)的均值來量化黃河上游的水文情勢變化。IHA指標(biāo)體系描述了水文情勢5個基本組成要素（流量、頻率、發(fā)生時機(jī)、持續(xù)時間和變化率）［4，15］的特征，包含33個評價指標(biāo)，各指標(biāo)的內(nèi)涵與生態(tài)作用如表1所示。對于泥沙運(yùn)動，一方面通過實測數(shù)據(jù)統(tǒng)計主要斷面的輸沙量和淤積情況，另一方面通過水文站和區(qū)間實測沙量資料采用輸沙率法計算河道沖淤量。

2.3.2 水文情勢變化成因分析方法 水文情勢變化受到多種因素影響，但I(xiàn)HA評價結(jié)果無法直觀反映各影響因子對水文情勢變化的影響程度，即貢獻(xiàn)率。本文提出了一種多系列貢獻(xiàn)率分割法：每種影響因子組合（自變量）對應(yīng)一個數(shù)據(jù)系列（徑流系列）和一種水文情勢（因變量）；不同數(shù)據(jù)系列對應(yīng)的水文情勢之間的差異反映了不同影響因子組合對水文情勢影響的差異；設(shè)計不同的影響因子組合，通過對比不同數(shù)據(jù)系列對應(yīng)的水文情勢之間差異區(qū)分每個影響因子對水文情勢的影響。

表1 IHA指標(biāo)體系組成與生態(tài)作用［16］

對水文情勢變化的影響因子進(jìn)行分析，如圖2所示，假設(shè)水文站上游僅有2個水庫，且水庫上游無取水與調(diào)蓄工程，水文站實測徑流量Q可以表示為：

式中：I為分析時段內(nèi)水庫上游來水；ΔS1、ΔS2分別為分析時段內(nèi)水庫1和水庫2的蓄變量；ΔW為分析時段內(nèi)河道內(nèi)引水量與退水量之差；L為分析時段內(nèi)河道蒸發(fā)與滲漏損失量；N為水文站處的天然徑流量，這里假設(shè)水庫運(yùn)行與引水退水過程沒有顯著改變河道蒸發(fā)滲漏損失；ΔS為水庫總蓄變量。

從式（1）可知，河流水文情勢變化主要受到3類因子的影響：天然徑流變化、區(qū)間引水退水和水庫運(yùn)行。氣候變化導(dǎo)致不同時段內(nèi)天然徑流特征存在差異；水庫通過蓄泄調(diào)節(jié)水量改變了河川徑流的時空分布；區(qū)間引水與退水分別減少和增加了河道內(nèi)徑流量。

圖2 水文情勢變化影響因子示意圖

為了區(qū)分3類因子的貢獻(xiàn)率，多系列貢獻(xiàn)率分割法使用4個日徑流系列：①實測系列，即評價時段實測日徑流系列；②還原系列，即評價時段經(jīng)過還原的天然日徑流系列；③還原引水系列，即在還原系列的基礎(chǔ)上減去ΔW；④基準(zhǔn)系列，即水庫運(yùn)行前近似天然狀態(tài)的日徑流系列。分割方法如下：

式中：Fi，1、Fi，2、Fi，3、Fi，4分別為實測系列、還原系列、還原引水系列和基準(zhǔn)系列對應(yīng)的第 i個 IHA指標(biāo)值；Vi，1、Vi，2、Vi，3分別為實測系列、還原系列、還原引水系列第i個IHA指標(biāo)值相對于基準(zhǔn)系列第i個IHA指標(biāo)值的變化幅度；n為IHA指標(biāo)的數(shù)量；Cn、Cw、Cr分別為天然徑流變化、區(qū)間引水退水、水庫運(yùn)行對IHA指標(biāo)值變化的貢獻(xiàn)率。為了避免Vi，1過小引起影響因子在部分指標(biāo)上的貢獻(xiàn)率過大，當(dāng)Vi，1的絕對值不超過10%時認(rèn)為該指標(biāo)與基準(zhǔn)系列基本相同，不統(tǒng)計影響因子對該指標(biāo)的貢獻(xiàn)率。

2.3.3 貢獻(xiàn)率分割方法與部分常用方法的對比 如表2所示，累積量斜率變化率比較法和通過自變量因變量回歸關(guān)系分割貢獻(xiàn)率均依賴于回歸分析，不適用于本研究。首先，以上兩種方法均使用單一指標(biāo)表征因變量以便于建立回歸方程，而本文用33個IHA指標(biāo)表征水文情勢（因變量）；其次，IHA指標(biāo)被用于表征水文情勢在長時間段內(nèi)的總體特征，導(dǎo)致IHA指標(biāo)值數(shù)量過少不能進(jìn)行回歸分析，例如在Richter等［4］的研究案例中，每一個IHA指標(biāo)僅有2個指標(biāo)值，分別反映水庫運(yùn)行前、后（1913—1949年、1956—1991年）的水文情勢。針對IHA評價指標(biāo)的特征，本文建立多系列貢獻(xiàn)率分割法，通過設(shè)計自變量組合區(qū)分每一個自變量的影響。

表2 貢獻(xiàn)率分割方法計算原理對比

2.4 數(shù)據(jù)來源為了區(qū)分單水庫運(yùn)行和梯級水庫聯(lián)合運(yùn)行的影響，本文將研究時段劃分成3個時段：劉家峽水庫運(yùn)行前（1968年前）、劉家峽水庫運(yùn)行后（1969—1986年）和龍羊峽水庫運(yùn)行后（1987—2010年）。由于劉家峽水庫運(yùn)行前人類活動對黃河的干擾強(qiáng)度相對較低，將這一時段的水文情勢和泥沙運(yùn)動近似視為天然情況。數(shù)據(jù)來源為黃河上游主要水文站1950—2010年的實測水沙數(shù)據(jù)與1969—2010年還原水沙數(shù)據(jù)，其中泥沙數(shù)據(jù)來自小川、蘭州、下河沿和頭道拐，徑流數(shù)據(jù)來自蘭州、石嘴山和頭道拐。此外，通過寧蒙河段1960—2010年輸沙率資料和巴彥高勒斷面歷年實測河底高程來反映河道沖淤演變。

3 黃河上游生態(tài)變化

3.1 黃河上游水沙變化小川、下河沿和頭道拐3個水文站的實測水量與沙量如表3所示。結(jié)果顯示劉家峽水庫運(yùn)行后水量變化較小，但輸沙量顯著降低，小川沙量降幅高達(dá)80.5%。龍羊峽水庫運(yùn)行后，各水文站水量減少20%～40%，小川的沙量與劉家峽水庫運(yùn)行后的情況接近，但下河沿和頭道拐沙量顯著降低。劉家峽水庫單獨運(yùn)行時，水庫的年均淤積量（0.74億t）與小川年均減沙量（0.66億t）基本持平，這一時段劉家峽上游無大型水庫，入庫沙量可被視為天然來沙，因此這一時段小川以上天然來沙未發(fā)生顯著變化，水庫攔蓄是小川沙量減少的主要原因。龍羊峽水庫運(yùn)行后，盡管龍、劉兩水庫的總年均淤積量（0.71億t）與小川年均減沙量（0.66億t）基本持平，但龍羊峽上游天然來沙和龍、劉兩水庫區(qū)間來沙與河道淤積未知，難以判斷水庫運(yùn)行與小川沙量變化的關(guān)系。下河沿與頭道拐沙量變化與小川并不一致，說明兩水文站沙量變化的影響因素并不局限于水庫運(yùn)行，且相關(guān)研究

表明下墊面變化、氣候變化與區(qū)間引水引沙均是引起黃河上游沙量變化的重要原因［18-20］。

表3 黃河干流上游主要水文站實測水量與沙量變化

圖3 劉家峽與龍羊峽水庫運(yùn)行后黃河上游主要水文站IHA指標(biāo)值變化幅度

3.2 黃河上游水文情勢變化將蘭州、石嘴山、頭道拐水文站在劉家峽水庫運(yùn)行后、龍羊峽水庫運(yùn)行后的IHA指標(biāo)均值與劉家峽水庫運(yùn)行前的IHA指標(biāo)均值作對比，結(jié)果如圖3所示。月均流量指標(biāo)顯示（圖3（a）），劉家峽水庫運(yùn)行后3個水文站6—11月平均流量均下降，降幅一般低于25%；1—4月及12月的平均流量均顯著增大，1月、2月平均流量增幅超過55%。龍羊峽水庫運(yùn)行后，3個水文站6—11月平均流量進(jìn)一步降低，且降幅沿程增大，石嘴山7月、10月平均流量降幅達(dá)70%；3個水文站1—4月及12月的平均流量與劉家峽水庫單獨運(yùn)行時的情況接近。

極端流量事件的變化如圖3（b）所示。對于極端高流量事件，劉家峽水庫運(yùn)行后，除頭道拐水文站最大1、3 d平均流量外，其它水文站各極端高流量事件平均流量均降低，但降幅低于20%；龍羊峽水庫運(yùn)行后，3個水文站各極端高流量事件平均流量降幅達(dá)29%～55%。對于極端低流量事件，兩水庫聯(lián)合運(yùn)行與劉家峽水庫單獨運(yùn)行的情況接近，蘭州與石嘴山各極端低流量事件平均流量升高約40%，而頭道拐水文站除1969—1986年最小90 d平均流量外，其余極端低流量事件平均流量下降20%～36%。1950—2012年間3個水文站均未斷流。水庫運(yùn)行后蘭州與石嘴山基流比例升高，而頭道拐基流比例下降。各水文站最大1 d平均流量發(fā)生日期基本不變，僅頭道拐在龍羊峽水庫運(yùn)行后該日期顯著提前；各水文站最小1 d平均流量發(fā)生日期提前（圖3（c））。

脈沖與水文過程線變化情況如圖3（c）所示。劉家峽水庫運(yùn)行后，高流量脈沖發(fā)生次數(shù)增加4%～16%，但單個脈沖的平均持續(xù)時間降低約50%；龍羊峽水庫運(yùn)行后，高流量脈沖的發(fā)生次數(shù)降幅超過27%，平均持續(xù)時間降幅超過75%。水庫運(yùn)行后低流量脈沖的持續(xù)時間縮短，發(fā)生次數(shù)變化規(guī)律不明顯。劉家峽水庫運(yùn)行后各水文站日流量平均上升/下降速率以增大為主；龍羊峽水庫運(yùn)行后，各水文站日流量平均上升/下降速率以降低為主。水庫運(yùn)行后蘭州與石嘴山日流量變化翻轉(zhuǎn)次數(shù)均顯著增加，頭道拐沒有明顯變化。

3.3 黃河上游河道沖淤演變以寧蒙河段為例進(jìn)行定量分析，水庫運(yùn)行后上游河段的泥沙沖淤狀態(tài)發(fā)生了顯著改變，如圖4所示。劉家峽水庫運(yùn)行后，寧蒙河段汛期從沖刷轉(zhuǎn)變?yōu)檩p微淤積。龍羊峽水庫運(yùn)行后，汛期泥沙淤積加劇，1987—2010年間汛期泥沙淤積量已占全年淤積量的78%。劉家峽水庫運(yùn)行前，寧蒙河段年均沖刷量0.33億t；劉家峽水庫運(yùn)行后轉(zhuǎn)為淤積，年均淤積量0.21億t；龍羊峽水庫運(yùn)行后年均淤積量增至0.65億t。

泥沙淤積導(dǎo)致部分河段的斷面形態(tài)發(fā)生了顯著變化。圖5為內(nèi)蒙古巴彥高勒斷面形態(tài)變化。劉家峽水庫運(yùn)行初期，巴彥高勒斷面相對窄深，隨后主槽急劇萎縮，斷面逐漸變寬變淺。龍羊峽水庫運(yùn)行后，泥沙淤積進(jìn)一步加劇，2000年已經(jīng)形成寬淺的河道形態(tài)。泥沙淤積改變了河道的主槽過流能力。1970年代至龍羊峽水庫運(yùn)行前，巴彥高勒斷面的平灘流量一般為4000～5000 m3/s，隨后主槽過流能力迅速下降，2000年該斷面平灘流量僅約1700 m3/s。

圖4 水庫運(yùn)行前后寧蒙河段沖淤量變化

圖5 內(nèi)蒙古巴彥高勒斷面歷年河道大斷面套繪圖

河道沖淤演變對黃河水生生物狀況產(chǎn)生了復(fù)雜的影響，例如，蔣曉輝等［21］對比了1980年代和2008年黃河干流水生生物調(diào)查結(jié)果，發(fā)現(xiàn)水庫運(yùn)行使底棲動物的棲息地類型更多樣和穩(wěn)定，底棲動物的種類數(shù)明顯增多，寡毛類、軟體動物、搖蚊和其他昆蟲的種類數(shù)分別從3、2、16和3種增加至17、4、28和18種；而李麗英等［22］的研究顯示黃河三角洲魚類產(chǎn)卵場泥沙淤積降低了河流流速，減小了泥沙的自然沖刷并降低了滲透率，減少了魚類產(chǎn)卵量。

4 生態(tài)變化成因與應(yīng)對策略

4.1 水文情勢變化成因IHA的12個月均流量指標(biāo)（F1～F12）需基于月尺度數(shù)據(jù)進(jìn)行量化，其它指標(biāo)（F13～F33）需基于日尺度數(shù)據(jù)進(jìn)行量化。由于僅能獲取黃河上游月尺度的引水及天然徑流數(shù)據(jù)，本文僅對IHA的12個月均流量指標(biāo)的變化進(jìn)行貢獻(xiàn)率分割。通過式（4）—式（9）計算各影響因素的貢獻(xiàn)率，基準(zhǔn)系列采用1950—1968年月徑流數(shù)據(jù)，實測系列、還原系列和還原引水系列采用1969—1986年和1987—2010年的月徑流數(shù)據(jù)。表4顯示了1987—2010年間各數(shù)據(jù)系列對應(yīng)的IHA指標(biāo)值相對于基準(zhǔn)系列的變化。與基準(zhǔn)系列的IHA指標(biāo)值相比，實測系列IHA指標(biāo)值在5—11月以減小為主，其它月份增加；還原系列IHA指標(biāo)值在3—6月以增加為主，其它月份以減小為主；還原引水系列在所有月份均以減小為主。圖6顯示了各影響因素在全年和灌溉期（4—11月）的貢獻(xiàn)率。除蘭州外，其它水文站天然徑流變化均與實測情況相反，貢獻(xiàn)率為負(fù)值。區(qū)間引水退水對月均流量變化的貢獻(xiàn)率沿程增加，且在灌溉期的貢獻(xiàn)率高于全年，是石嘴山和頭道拐灌溉期月均流量變化的最主要原因。在蘭州水文站，水庫運(yùn)行在全年和灌溉期均具有最高的貢獻(xiàn)率。對于石嘴山和頭道拐，水庫運(yùn)行僅在1969—1986年全年尺度上對石嘴山的貢獻(xiàn)率最高，在1987—2010年全年尺度上對頭道拐的貢獻(xiàn)率最高。龍羊峽水庫運(yùn)行后，在全年尺度上水庫運(yùn)行對蘭州和頭道拐水文情勢變化的貢獻(xiàn)率升高了約20%，石嘴山基本不變。

鑒于蘭州以上引水量較小，且區(qū)間引水退水對蘭州月均流量變化的貢獻(xiàn)率很小，在不考慮區(qū)間引水退水的情況下對天然日徑流進(jìn)行還原。蘭州水文站還原月徑流系列包含了對區(qū)間引水退水的還原，還原日徑流系列忽略了區(qū)間引水退水。用還原日徑流系列計算不同影響因子對月均流量變化的貢獻(xiàn)率，與使用還原月徑流系列的計算結(jié)果（圖6）相比，天然徑流變化與水庫運(yùn)行的貢獻(xiàn)率發(fā)生了1%～11%的變化。鑒于水庫運(yùn)行的貢獻(xiàn)率比天然徑流變化的貢獻(xiàn)率高50%～100%（圖6），因此1%～11%的貢獻(xiàn)率變化不會引起兩種影響因子貢獻(xiàn)率相對大小的顯著改變，說明在蘭州水文站忽略區(qū)間引水退水的影響較小。因此，使用不考慮區(qū)間引水退水的還原日徑流系列分割天然徑流變化和水庫運(yùn)行對蘭州不同時期總體水文情勢和6項關(guān)鍵水文特征變化的貢獻(xiàn)率，結(jié)果如表5所示。水庫運(yùn)行是引起總體水文情變化的主導(dǎo)因素，且龍羊峽水庫運(yùn)行后水庫運(yùn)行的貢獻(xiàn)率進(jìn)一步加強(qiáng)，而天然徑流變化的貢獻(xiàn)為負(fù)值。兩種影響因素對關(guān)鍵水文特征變化的貢獻(xiàn)率顯示，除高流量脈沖平均持續(xù)時間外，其它關(guān)鍵水文特征的變化均主要受到水庫運(yùn)行的影響；天然情況下非汛期月均流量與極端低流量事件平均流量均降低，但在水庫運(yùn)行的影響下兩項均增大；天然徑流變化和水庫運(yùn)行均對汛期月均流量的減少有正貢獻(xiàn)。

表4 不同數(shù)據(jù)系列（1987—2010年）對應(yīng)的IHA指標(biāo)值相對于基準(zhǔn)系列的變化

圖6 不同影響因子對月均流量變化的貢獻(xiàn)率

表5 天然來水變化與水庫運(yùn)行對蘭州水文站水文情勢變化的貢獻(xiàn)率（單位：%）

4.2 水沙變化內(nèi)在關(guān)聯(lián)河流水文情勢的變化與泥沙淤積密切相關(guān)［23］。為了研究水沙變化的關(guān)聯(lián)性，在忽略區(qū)間引水的前提下以蘭州為例對比了實測與還原水沙數(shù)據(jù)（表6）。劉家峽水庫運(yùn)行后與龍羊峽水庫運(yùn)行后，蘭州實測年均沙量分別比還原后的年均沙量減少51%和35%。水庫運(yùn)行是引起蘭州天然與實測沙量差異的主要原因：首先，龍羊峽與劉家峽水庫攔蓄了大量泥沙；其次，水庫運(yùn)行改變了水文情勢，改變了水流輸沙能力。受到來水來沙時空不一致的影響，蘭州1987—2012年實測3000 m3/s以上流量級平均含沙量較低，但表6中其它數(shù)據(jù)均顯示平均含沙量隨著流量級的增大而增大。但與還原后的天然徑流相比，劉家峽運(yùn)行后2000～3000 m3/s流量級和3000 m3/s以上流量級的年均實際發(fā)生天數(shù)分別減少了11 d和3 d，龍羊峽水庫運(yùn)行后兩流量級的實際發(fā)生天數(shù)分別減少了21 d和4 d。高流量發(fā)生天數(shù)的減少降低了蘭州斷面水流的輸沙能力。

高流量事件的減少不僅發(fā)生于蘭州水文站。龍、劉兩水庫聯(lián)合運(yùn)行后，黃河上游主要斷面汛期流量下降40%～75%，最大1、3、7 d平均流量下降30%～55%，高流量脈沖發(fā)生次數(shù)下降27%～53%，單個高流量脈沖的平均持續(xù)時間下降77%～90%（圖3）。高流量事件的減少降低了黃河上游輸沙能力，是造成寧蒙河段泥沙淤積的重要原因。

黃河輸沙變化受到諸多因素的影響，例如降水變化會引起產(chǎn)沙動力變化；林草植被變化、梯田運(yùn)用、淤地壩運(yùn)用等水土保持措施會減少入河泥沙；大型灌區(qū)引水的同時也會引沙。盡管各因素的貢獻(xiàn)率存在爭議，很多研究表明下墊面變化是近幾十年來造成黃河輸沙量銳減的主導(dǎo)因素，例如，冉大川等［18］的研究成果顯示1969—2010年氣候因子和下墊面因子對頭道拐年輸沙模數(shù)變化的貢獻(xiàn)率比例約為2∶8，李曉宇等［19］的研究成果顯示2005—2014年黃河主要產(chǎn)沙區(qū)下墊面因素的總減沙量為13.87～15.45億t/a。

表6 蘭州水文站還原前后不同流量級水沙量對比

4.3 水庫生態(tài)調(diào)度需求龍、劉兩水庫當(dāng)前的運(yùn)行使黃河上游水沙情勢發(fā)生了變化，影響了河流生態(tài)狀況。通過蒙大拿法初步評估上游棲息地狀態(tài)，結(jié)合水沙研究成果，初步提出龍、劉兩水庫的生態(tài)調(diào)度策略。

蒙大拿法是最常用的生態(tài)流量計算方法［24］，這一方法基于實測數(shù)據(jù)統(tǒng)計了棲息地狀態(tài)和流量的關(guān)系（表7），適用于北溫帶常年性河流［25］。蒙大拿法認(rèn)為瞬時流量低于天然年均流量的10%會引起水生棲息地嚴(yán)重退化，水生生物喪失生存空間；30%～60%的天然年均流量可以保證大部分淺灘被水淹沒，為水生生物提供產(chǎn)卵與育幼的棲息環(huán)境；60%～100%的天然年均流量可以維持豐富的物種多樣性。龍羊峽水庫運(yùn)行后，黃河上游蘭州水文站日流量對蒙大拿法評價標(biāo)準(zhǔn)的滿足情況如表8所示。結(jié)果顯示，黃河上游蘭州與石嘴山水文站生態(tài)流量較充足，多數(shù)時段棲息地狀態(tài)為好；頭道拐水文站10月—次年3月生態(tài)流量較充足，但4—9月生態(tài)流量偏少，需要上游水庫加大下泄流量。

蒙大拿法無法反映短時間尺度的流量事件。黃河年內(nèi)可以劃分為漲水期（4—6月）、洪水期（7—10月）和枯水期（11月—次年3月）3個時段，漲水期內(nèi)發(fā)生的高流量脈沖具有觸發(fā)繁殖、凈化水質(zhì)等作用；洪水期內(nèi)發(fā)生的洪水具有維持連通性、塑造棲息地、塑造河流形態(tài)等作用；枯水期內(nèi)發(fā)生的極端小流量具有清除外來物種、維持洪泛平原植被等作用［26-28］。作為多沙河流，黃河還需要提供輸沙水量以減少泥沙淤積、塑造河床形態(tài)。因此，應(yīng)當(dāng)在蒙大拿法的基礎(chǔ)上，根據(jù)生物節(jié)律、連通性維持、泥沙輸移等需求將關(guān)鍵時期生態(tài)需水細(xì)化至旬或日尺度。黃河上游河道沖淤演變與水沙變化的關(guān)聯(lián)性顯示，龍、劉兩水庫需要塑造高流量事件以減輕寧蒙河段泥沙淤積。天然情況下高流量事件多發(fā)生于漲水期和洪水期，在該時段內(nèi)制造高流量有利于刺激水生生物完成生命周期。水庫調(diào)度中高流量事件流量與頻率的設(shè)計一方面需要考慮輸沙能力、生物產(chǎn)卵與洄游等生態(tài)需求，另一方面需要考慮下游河道防洪能力和社會經(jīng)濟(jì)需水，在生態(tài)與社會經(jīng)濟(jì)間尋求平衡。

表7 蒙大拿法對棲息地狀態(tài)和流量關(guān)系的描述

表8 龍羊峽水庫運(yùn)行后（1987—2010年）各水文站滿足蒙大拿法評價標(biāo)準(zhǔn)的天數(shù)比例

5 結(jié)論

黃河上游龍羊峽水庫和劉家峽水庫的聯(lián)合運(yùn)行在取得社會經(jīng)濟(jì)效益的同時，也對河流生態(tài)健康造成了負(fù)面影響。本文建立了多系列貢獻(xiàn)率分割法，基于長系列實測資料分析，得到以下結(jié)論：

（1）從水文情勢和泥沙運(yùn)動兩方面分析了水庫運(yùn)行的綜合影響，發(fā)現(xiàn)水庫運(yùn)行后黃河上游流量過程趨于平坦，汛期月均流量降低，非汛期多數(shù)時段月均流量升高，極端高流量事件的流量降低，極端低流量事件的流量升高，高流量脈沖的發(fā)生次數(shù)減少，高/低流量脈沖的持續(xù)時間縮短；龍、劉兩水庫聯(lián)合運(yùn)行時水文情勢的改變高于劉家峽水庫單獨運(yùn)行；貢獻(xiàn)率分割結(jié)果揭示了水庫運(yùn)行是造成蘭州水文情勢變化的主要原因，以及石嘴山、頭道拐水文情勢變化的重要原因；水庫運(yùn)行后上游河段沙量減小幅度遠(yuǎn)高于水量減小幅度；隨著水庫運(yùn)行，寧蒙河段汛期從沖刷轉(zhuǎn)變?yōu)橛俜e，巴彥高勒斷面形態(tài)從窄深轉(zhuǎn)變?yōu)閷挏\。

（2）分析了水沙變化的內(nèi)在關(guān)聯(lián)，通過蘭州水文站水沙還原數(shù)據(jù)揭示了高流量事件的減少是上游泥沙淤積的重要原因。

（3）龍、劉兩水庫現(xiàn)狀的運(yùn)行使黃河上游水沙發(fā)生了變化，影響了河流生態(tài)狀況。為了改善黃河上游生態(tài)狀況，龍、劉兩水庫有必要實施生態(tài)調(diào)度，增加漲水期和洪水期下泄流量，并在社會經(jīng)濟(jì)允許范圍內(nèi)塑造高流量事件。

本研究中僅使用蒙大拿法初步評估了棲息地狀態(tài)，對生物狀態(tài)的反映不足?；陉P(guān)鍵物種洄游、產(chǎn)卵、育幼等關(guān)鍵階段所需的水文條件設(shè)計生態(tài)流量過程是未來深入開展研究的方向。此外，本研究將關(guān)注流域供水、輸沙、發(fā)電、生態(tài)用水等多目標(biāo)之間以流量過程為紐帶的競爭協(xié)同關(guān)系與互饋作用，研究梯級水庫群多維協(xié)同調(diào)度模型與求解方法。