黃 草,黃夢(mèng)迪,胡鐵松,胡國(guó)華,李志威

(1.長(zhǎng)沙理工大學(xué)水利工程學(xué)院,湖南 長(zhǎng)沙 410114; 2.水沙科學(xué)與水災(zāi)害防治湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖南 長(zhǎng)沙 410114;3.洞庭湖水環(huán)境治理與生態(tài)修復(fù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖南 長(zhǎng)沙 410114;4.武漢大學(xué)水資源與水電工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北 武漢 430072)

水庫(kù)的建設(shè)與運(yùn)行為人類(lèi)調(diào)控與優(yōu)化水資源的時(shí)空分布,促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展做出了重要貢獻(xiàn)[1-2],但也改變河流的自然流態(tài),對(duì)河流生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生了較多的負(fù)面影響[3-6]。河流徑流的大小及其時(shí)間過(guò)程是影響河流生態(tài)系統(tǒng)(包括河床河灘棲息地和水生生物群落)的主要驅(qū)動(dòng)力[7]。因此,傳統(tǒng)的水庫(kù)-生態(tài)響應(yīng)研究以水庫(kù)-徑流響應(yīng)研究為基礎(chǔ),以恢復(fù)筑壩前的自然徑流過(guò)程為理想目標(biāo),眾多學(xué)者圍繞水庫(kù)或水庫(kù)群系統(tǒng)對(duì)河流徑流改變的定量評(píng)價(jià)、補(bǔ)償技術(shù)與方法等開(kāi)展了研究。Richter等[8-10]提出的水文變異指標(biāo)法及變化范圍法(IHA-RVA)是應(yīng)用最廣泛的水庫(kù)系統(tǒng)對(duì)河流水文情勢(shì)及生態(tài)影響的評(píng)價(jià)方法,它先建立一套評(píng)估生態(tài)水文變化過(guò)程的指標(biāo)體系,包含月平均流量、極端流量和持續(xù)時(shí)間、極值出現(xiàn)時(shí)機(jī)、高低流量脈沖頻率和持續(xù)時(shí)間、漲水落水速率等5個(gè)方面32個(gè)指標(biāo),然后計(jì)算這些指標(biāo)在水庫(kù)建設(shè)前后的均值及變差系數(shù)的變化,以此評(píng)價(jià)水庫(kù)運(yùn)行前后水文情勢(shì)的改變情況。變化范圍法(IHA-RVA)在國(guó)內(nèi)外有較多的應(yīng)用與發(fā)展,如Magilligan等[3]采用IHA指標(biāo)體系分析斷面的流量變化情況以研究大壩的修建對(duì)河流原有水文情勢(shì)的改變;Gao等[11]采用IHA指標(biāo)分析了美國(guó)189處大壩河流水文改變情況,并指出IHA在指導(dǎo)水庫(kù)群調(diào)度中的不足,即需要找尋出一套簡(jiǎn)單的IHA指標(biāo)體系以取代常用的33個(gè)參數(shù),以便設(shè)計(jì)出合乎邏輯的水庫(kù)運(yùn)行指導(dǎo)規(guī)則;張洪波等[12-16]從實(shí)際問(wèn)題著手,以變化范圍法為基礎(chǔ)分別提出了具有一定針對(duì)性的改進(jìn)方法或生態(tài)水文指標(biāo)體系。

現(xiàn)有研究在單水庫(kù)修建前后水文情勢(shì)的變化方面成果較多[17-18],但水庫(kù)群系統(tǒng)對(duì)河流生態(tài)系統(tǒng)的累積效應(yīng)的研究方法與成果不足。水庫(kù)群系統(tǒng)對(duì)河流生態(tài)系統(tǒng)的影響與單水庫(kù)系統(tǒng)有所不同,甚至相反[19-20]。水庫(kù)群對(duì)河流生態(tài)系統(tǒng)存在修復(fù)和累積效應(yīng),單水庫(kù)對(duì)水文情勢(shì)及河流生態(tài)影響的線(xiàn)性疊加不等于水庫(kù)群對(duì)河流水文情勢(shì)和生態(tài)的綜合影響。同時(shí),流域梯級(jí)開(kāi)發(fā)及水庫(kù)群分期建設(shè)導(dǎo)致用于研究水庫(kù)群修建前后的水文序列長(zhǎng)度不一致,特別是水庫(kù)群修建后的水文序列代表性不足。基于此,本文以拉薩河的梯級(jí)水庫(kù)開(kāi)發(fā)為例,以1976—2016年長(zhǎng)系列日流量系列為基礎(chǔ),采用MODSIM-DSS構(gòu)建拉薩河水庫(kù)群調(diào)度模型,模擬生成現(xiàn)狀年以及規(guī)劃年不同數(shù)目的水庫(kù)群運(yùn)行條件下主要水文站的日流量過(guò)程;采用變化范圍法研究不同數(shù)目的水庫(kù)群系統(tǒng)對(duì)拉薩河徑流的累積影響與規(guī)律,建立流域庫(kù)容系數(shù)(水庫(kù)興利庫(kù)容與壩址處多年平均徑流量的比值,是反映水庫(kù)對(duì)徑流量調(diào)控能力的無(wú)量綱參數(shù))與水文情勢(shì)綜合改變度的響應(yīng)關(guān)系,為深入認(rèn)識(shí)新建或待建水庫(kù)群的徑流與生態(tài)影響以及拉薩河庫(kù)容-徑流的互反饋機(jī)制提供科學(xué)基礎(chǔ),也為開(kāi)展拉薩河梯級(jí)水庫(kù)綜合優(yōu)化生態(tài)調(diào)度提供參考。

1 研究區(qū)概況

拉薩河位于西藏中南部,全長(zhǎng)568 km,流域面積3.18萬(wàn)km2,是雅魯藏布江五大支流之一。目前,拉薩河干流已建成旁多和直孔兩座水電站,流域內(nèi)尚有3座水庫(kù)處于規(guī)劃階段(圖1),已建和規(guī)劃水庫(kù)的總庫(kù)容為20.6 億m3(表1),占拉薩水文站多年平均徑流量的22.6%。

圖1 拉薩河流域水系及干流梯級(jí)電站分布

表1 拉薩河干流梯級(jí)水電站特征參數(shù)

拉薩河流域年平均降水量400～500 mm,拉薩水文站1956—2016年多年平均徑流量為90.9 億m3,占雅魯藏布江總徑流量的6.69%,天然徑流的年際變化相對(duì)穩(wěn)定,不存在明顯的突變年份[21];年內(nèi)天然徑流主要集中在夏季,6—9月徑流量約占全年徑流量的76%(圖2)。拉薩河干流現(xiàn)有旁多、唐加和拉薩3個(gè)水文站(表2)。

圖2 拉薩水文站1956—2016年徑流量過(guò)程及月平均徑流量

表2 拉薩河干流水文站基本情況

2 研究方法

2.1 水文情勢(shì)改變度評(píng)價(jià)方法

水庫(kù)群的建設(shè)與運(yùn)行改變了河流的水文情勢(shì),量化水文情勢(shì)的改變趨勢(shì)和改變程度,有利于調(diào)整現(xiàn)行的水庫(kù)調(diào)控措施和規(guī)則,盡量減小水文情勢(shì)的改變,從而減小對(duì)河流生態(tài)系統(tǒng)的負(fù)面影響。變化范圍法是通過(guò)分析河流受擾動(dòng)前后32個(gè)水文因子的數(shù)值變化來(lái)確定河流生態(tài)情勢(shì)的改變,在我國(guó)黃河流域、長(zhǎng)江流域、淮河流域均有應(yīng)用[22-24]。變化范圍法的水文參數(shù)及其生態(tài)意義如表3所示。

表3 變化范圍法(IHA-RVA)中水文指標(biāo)參數(shù)及生態(tài)意義

統(tǒng)計(jì)水庫(kù)建設(shè)前后變化范圍法(IHA-RVA)水文指標(biāo)參數(shù)的均值和變差系數(shù),共計(jì)64個(gè)特征參數(shù),反映不同時(shí)間序列水文情勢(shì)的特征。均值和變差系數(shù)計(jì)算公式為

(1)

(2)

參數(shù)的改變度計(jì)算公式為

(3)

式中:dk為第k個(gè)參數(shù)的改變度,是指受影響后河流水文情勢(shì)第k個(gè)特征參數(shù)相對(duì)于受影響前的改變程度;PkA、PkB分別為第k個(gè)參數(shù)干擾前和干擾后的值;參數(shù)k=1～64,a=3。當(dāng)|dk|<0.33時(shí),參數(shù)k為輕度改變;0.33≤|dk|<0.67,參數(shù)k為中度改變;|dk|≥0.67,參數(shù)k為重度改變。

以所有特征參數(shù)改變程度的平均值,表示受影響后河流水文情勢(shì)的整體改變情況,即整體改變度DT:

(4)

同樣,當(dāng)|DT|<0.33時(shí),河流水文情勢(shì)整體為輕度改變;0.33≤|DT|<0.67,河流水文情勢(shì)整體為中度改變;|DT|≥0.67,河流水文情勢(shì)整體為重度改變。

2.2 徑流模擬與生成

2.2.1梯級(jí)電站調(diào)度規(guī)則

旁多水庫(kù)正常蓄水位為4 095 m,防洪限制水位4 093.5 m,死水位4 045 m,總庫(kù)容12.3億m3,兼具灌溉、防洪、發(fā)電等綜合效益,裝機(jī)容量160 MW,多年平均發(fā)電量為5.38億kW·h。旁多水庫(kù)每年6月初開(kāi)始蓄水,在保證灌溉和供水水量基礎(chǔ)上,按保證出力進(jìn)行發(fā)電調(diào)度,蓄至防洪限制水位后維持該水位至9—12月水庫(kù)維持正常蓄水位運(yùn)行,從翌年1月初開(kāi)始加大水庫(kù)出流,至5月末消落至水庫(kù)防洪限制水位以下。

直孔水庫(kù)正常蓄水位為3 888 m,汛限水位為3 885 m,死水位為3 878 m,總庫(kù)容為2.24億m3,主要任務(wù)為發(fā)電,兼具防洪作用,裝機(jī)容量為100 MW,多年平均發(fā)電量為4.11億kW·h。直孔水庫(kù)每年6月初開(kāi)始蓄水,按保證出力進(jìn)行發(fā)電調(diào)度,蓄至防洪限制水位后維持該水位至9月,9—12月水庫(kù)按照天然徑流發(fā)電出流,維持正常蓄水位運(yùn)行,從翌年1月初開(kāi)始加大水庫(kù)出流,至5月末消落至水庫(kù)死水位。

依據(jù)相關(guān)規(guī)劃卡多、布崗、格拉沃水庫(kù)正常蓄水位分別為4 030 m、3 988 m和3 944 m;死水位分別為4 015 m、3 973 m和3 929 m;裝機(jī)容量均為90 MW。規(guī)劃水庫(kù)的調(diào)度規(guī)則參考直孔水庫(kù)。

2.2.2調(diào)度模型構(gòu)建及驗(yàn)證

表4 拉薩河干流梯級(jí)電站建設(shè)前后徑流資料

拉薩河干流梯級(jí)電站修建之前的長(zhǎng)系列日均流量資料(1976—2000年)較為完整,但梯級(jí)電站修建之后的流量系列(2008—2016年)較短,資料代表性不足;規(guī)劃水電站對(duì)河流水文情勢(shì)的影響尚無(wú)資料可用。為了分析不同工況下,水庫(kù)群調(diào)度對(duì)拉薩河水文情勢(shì)的累積影響,采用MODSIM-DSS構(gòu)建拉薩河干流梯級(jí)電站調(diào)度模型(圖3),模擬生成不同工況下水庫(kù)群調(diào)度后的長(zhǎng)系列逐日平均流量系列(表4)。MODSIM-DSS是由美國(guó)科羅拉多州立大學(xué)開(kāi)發(fā)的水資源綜合管理與調(diào)度軟件,具有開(kāi)源、可視化、大規(guī)模等特征,在國(guó)內(nèi)外有較多應(yīng)用實(shí)例[25-26]。

圖3 拉薩河干流梯級(jí)電站及水系概化

拉薩河干流梯級(jí)電站調(diào)度模型采用逐級(jí)模擬的方式,即先以旁多水文站1976—2000年實(shí)測(cè)日均流量數(shù)據(jù)作為模型的輸入數(shù)據(jù),扣除城鎮(zhèn)和灌區(qū)引水量,依照旁多水庫(kù)調(diào)度規(guī)則進(jìn)行模擬調(diào)度,旁多水庫(kù)出流數(shù)據(jù)作為下一級(jí)水庫(kù)的輸入數(shù)據(jù)。

為驗(yàn)證MODSIM-DSS模擬徑流的有效性,采用2015—2016年的唐加水文站實(shí)測(cè)日均流量與工況2的唐加水文站模擬日均流量進(jìn)行對(duì)比分析,結(jié)果表明模擬日均流量與實(shí)測(cè)日均流量存在良好的相關(guān)性,相關(guān)系數(shù)為0.975,納什效率系數(shù)為0.947,如圖4所示。

圖4 MODSIM-DSS模擬與實(shí)測(cè)日平均流量比較

3 結(jié)果分析

基于5種工況下模型輸出的1976—2000年逐日平均流量數(shù)據(jù)與梯級(jí)電站修建前的日平均流量數(shù)據(jù),采用IHA-RVA計(jì)算唐加水文站的水文情勢(shì)改變度,結(jié)果如圖5所示。計(jì)算結(jié)果表明,工況2(現(xiàn)狀條件)時(shí),唐加水文站水文情勢(shì)綜合改變度為0.21,64個(gè)生態(tài)水文指標(biāo)中,5個(gè)指標(biāo)為重度改變,7個(gè)指標(biāo)為中度改變,52個(gè)指標(biāo)為輕度改變,重度改變指標(biāo)占總指標(biāo)數(shù)量的7.8%,可見(jiàn)旁多和直孔電站的運(yùn)行已經(jīng)對(duì)拉薩河的水文情勢(shì)產(chǎn)生了一定的影響。工況5(剩余3座規(guī)劃水庫(kù)全部建成后)時(shí),唐加水文站水文情勢(shì)綜合改變度為0.41,18個(gè)指標(biāo)為重度改變,10個(gè)指標(biāo)為中度改變,36個(gè)指標(biāo)為輕度改變,重度改變指標(biāo)占總指標(biāo)數(shù)量28.1%。從工況1至工況5,唐加站水文情勢(shì)綜合改變度逐漸增大,重度改變的水文指標(biāo)數(shù)目持續(xù)增加,輕度改變的水文指標(biāo)數(shù)目減少(圖6)。綜合旁多、唐加和拉薩水文站的結(jié)果分析,隨著水庫(kù)數(shù)目的增加,多數(shù)指標(biāo)的改變度逐漸增大,即水庫(kù)群對(duì)水文情勢(shì)的影響更顯著;沿著河流流向,下游唐加水文站的水文情勢(shì)綜合改變度大于上游旁多水文站;若兩站之間無(wú)水庫(kù),區(qū)間入流對(duì)下游站的水文情勢(shì)改變有一定的補(bǔ)償作用,即拉薩水文站綜合改變度小于唐加水文站。

3.1 月平均流量變化

唐加水文站多年月平均徑流量變化表現(xiàn)為:全年徑流總量輕微減少(受城市供水和灌區(qū)灌溉用水影響),但年內(nèi)徑流分布差異加大(圖5(a))。年內(nèi)各月徑流均值改變度最大的是3月和10月,其中3月受水庫(kù)群放水影響,月流量均值和變差系數(shù)均大幅改變,改變度分別為0.97和0.91,屬于重度改變;10月受水庫(kù)群蓄水影響,月平均徑流量減少了27.4%(圖5(b))。隨著水庫(kù)數(shù)量增加,其累積影響越顯著,且非汛期的累積影響大于汛期。

圖5 不同工況下唐加水文站32項(xiàng)水文情勢(shì)指標(biāo)均值及變差系數(shù)改變度

3.2 年水文極值變化

梯級(jí)水庫(kù)群對(duì)拉薩年水文極值的影響主要表現(xiàn)為1 d、3 d、7 d、90 d最大流量改變較小,1 d、3 d、7 d、90 d最小流量改變明顯;最大和最小流量的變差系數(shù)明顯增大(圖5(c)(d))。以1 d極值流量為例,水庫(kù)群對(duì)水文極值的累積影響逐漸增強(qiáng)。工況1最小1 d流量均值改變度為0.02,屬輕度改變;工況5最小1 d流量均值改變度為0.69,屬于重度改變。工況1最大1 d流量的變差系數(shù)為輕微改變,工況2至工況4最大1 d流量的變差系數(shù)屬中度改變,改變度分別為0.56、0.56和0.60,工況5最大1 d流量的變差系數(shù)為重度改變,改變度為0.70;工況1最小1 d流量變差系數(shù)為輕度改變,但工況3至工況5最小1 d流量變差系數(shù)為重度改變,改變度分別為0.95、1.0和1.0。唐加水文站3 d、7 d以及90 d的極值流量變化趨勢(shì)與1 d極值流量的變化趨勢(shì)一致,但變化幅度較小。

3.3 洪水脈沖頻率及漲落速率變化

水庫(kù)群的運(yùn)行導(dǎo)致拉薩水文站洪水脈沖上升與下降的平均速率降低,但洪水上升和下降的變差系數(shù)以及發(fā)生次數(shù)變化沒(méi)有明顯規(guī)律(圖5(e)(f))。如在洪水脈沖上升與下降次數(shù)方面,唐加水文站5種工況的洪水脈沖次數(shù)均增加,但拉薩水文站工況1和工況2的洪水脈沖次數(shù)減少,工況3至工況5的洪水脈沖次數(shù)又增加,即水庫(kù)群運(yùn)行可能導(dǎo)致洪水脈沖次數(shù)減少或增加,其影響與實(shí)時(shí)調(diào)度決策相關(guān),存在一定的不確定性。

3.4 綜合改變度分析

對(duì)比不同工況下拉薩河干流各水文站的徑流改變度,水庫(kù)群的聯(lián)合調(diào)度對(duì)于拉薩河干流水文生態(tài)的干擾程度與水庫(kù)群總調(diào)節(jié)庫(kù)容大小有關(guān),但兩者并不是單一的線(xiàn)性關(guān)系(圖7)。以唐加水文站為例,現(xiàn)狀條件下唐加水文站水文情勢(shì)綜合改變度為0.21,為輕度改變;規(guī)劃期唐加水文站的水文情勢(shì)綜合改變度為0.41,為中度改變。唐加水文站的綜合改變度隨上游水庫(kù)群的庫(kù)容系數(shù)增大而增大,但增大速率呈現(xiàn)“先小后大再小”的特征,即當(dāng)庫(kù)容系數(shù)β≤0.1時(shí)(表示水庫(kù)群調(diào)節(jié)能力小于月調(diào)節(jié)能力),綜合改變度隨庫(kù)容系數(shù)增大緩慢增大;當(dāng)0.1<β≤0.15時(shí)(表示水庫(kù)群具有季調(diào)節(jié)能力),綜合改變度隨庫(kù)容系數(shù)增大迅速增大;當(dāng)β>0.15時(shí)(表示水庫(kù)群接近或具有不完全年調(diào)節(jié)能力),綜合改變度再次緩慢增大并逐漸逼近極限值。

4 結(jié) 論

利用MODSIM-DSS模擬了拉薩河干流不同數(shù)目水庫(kù)群條件下相同時(shí)間尺度的日徑流結(jié)果,采用IHA-RVA方法分析了拉薩河干流現(xiàn)狀和規(guī)劃水庫(kù)群運(yùn)行對(duì)水文情勢(shì)的影響,提出了拉薩河干流梯級(jí)電站的庫(kù)容-徑流響應(yīng)關(guān)系。

a. 現(xiàn)狀條件下,拉薩河唐家水文站水文情勢(shì)綜合改變度為0.21,發(fā)生了輕度改變,其中,枯季最大流量、汛期最大流量、年最小流量發(fā)生時(shí)間、洪水漲落次數(shù)和高低流量脈沖歷時(shí)較其他水文情勢(shì)指標(biāo)改變明顯。

b. 隨著流域水庫(kù)數(shù)量的增加,水庫(kù)建設(shè)與運(yùn)行對(duì)水文情勢(shì)的負(fù)效應(yīng)增大。規(guī)劃期(5座電站全部建成),唐加水文站的水文情勢(shì)綜合改變度為0.41,為中度改變,但水庫(kù)數(shù)目的增加對(duì)于徑流特征變化的累積效應(yīng)并不是線(xiàn)性疊加關(guān)系。

c. 從規(guī)劃期各站點(diǎn)水文情勢(shì)綜合改變度來(lái)看,流域水文情勢(shì)的綜合改變度隨著流域水庫(kù)群的庫(kù)容系數(shù)增大而增大,增大速率呈現(xiàn)“先小后大再小”的特征,當(dāng)水庫(kù)群接近或具有不完全年調(diào)節(jié)能力(庫(kù)容系數(shù)β>0.15)時(shí),水文情勢(shì)的綜合改變度逐漸逼近極限值。

本文為研究新建或待建水庫(kù)群對(duì)河流水文情勢(shì)的影響提供了思路和方法,分析了拉薩河干流梯級(jí)水庫(kù)對(duì)徑流的累積影響,為深入開(kāi)展拉薩河梯級(jí)水庫(kù)綜合優(yōu)化生態(tài)調(diào)度提供了有益參考。但本文僅討論了梯級(jí)電站運(yùn)行對(duì)拉薩河水文情勢(shì)的影響,未考慮氣候變化、生產(chǎn)生活引水以及土地利用變化等因素的影響。