陳秀秀，葉盛，潘海龍，王金，冉啟華

（1.浙江大學建筑工程學院，浙江杭州 310058；2.河海大學水利水電學院，江蘇南京 210098）

0 引言

河流的自然流態(tài)對維持生物多樣性和河流生態(tài)系統(tǒng)的完整性至關重要［1］。水庫大壩的修建雖然能夠滿足人們發(fā)電、灌溉、供水、防洪、抗旱、航運等多種需求，但同時也改變了河流的天然水文形態(tài)［2］。據國際大壩委員會統(tǒng)計，截至2020年4月，全球現(xiàn)有大壩數量為58 713座，其中中國23 841座，占40.6%［3］。這些水庫大壩的修建運行帶來的河流水文情勢變化程度究竟如何，不同的水庫帶來的變化又有何不同。關于這方面的研究分析有助于加深對水庫生態(tài)影響的了解，同時給水庫調度的優(yōu)化提供方向。

1996 年Richter 等提出了32 個水文變化指標（Index of Hydrologic Alternation，IHA），從流量的程度、時間、頻率、歷時和變化5 方面評估河流水文情勢的改變［4］，在他們1998 年發(fā)表的關于河網水文變化的空間評估的論文中IHA 指標被補充到33個［5］。Olden等比較了171種水文指標，證實了IHA 指標的優(yōu)越性［6］。變化范圍法（Range of Variability Approach，RVA）是Richter等1997年提出的，通過計算受干擾后的IHA指標數值落在根據干擾前IHA 指標數值得到的目標范圍內的數量，評估IHA指標變化程度的高低［7］。

Richter 提出的IHA 指標和變化范圍法，被廣泛的應用于人類活動，特別是水庫的修建運行對河流水文情勢的影響分析。Li等［8］基于變化范圍法分析三門峽水庫和小浪底水庫不同運行方式對黃河下游水文情勢的影響，發(fā)現(xiàn)不同運行方式下的生態(tài)水文特征存在明顯差異；馬超等［9］采用變化范圍法分析了龍羊峽、劉家峽水庫運行前后頭道拐的水沙變化，發(fā)現(xiàn)徑流量和含沙量均發(fā)生中度改變，但徑流量整體改變度高于含沙量；Song等［10］利用水文變化指標和變化范圍法分析了全國范圍內水庫蓄水對河流水文狀況的影響，發(fā)現(xiàn)總體變化程度為中等，其中變化次數、變化率和極端最小流量這三個指標受到的影響最大。

過去的研究多選取水庫下游某個站點，比較該站點的各項水文指標在水庫修建前后的變動［11-15］。這樣的比較方法能夠有效反映出下游站點處水文情勢的變動，但當其用于反映水庫本身對下游的影響時，存在兩點主要問題：①難以將水庫的影響和其他人類活動以及氣候變化分割開來以確定水庫的實際影響。以黃河中游為例，近幾十年大量的水土保持活動，如植樹造林、淤地壩和梯田的修建等，使得進入下游的流量和沙量本身就發(fā)生了較大改變［16，17］。因此，若要研究三門峽和小浪底水庫的修建對下游水文情勢的影響，僅對下游站點在建庫前后的水文數據做比較分析并不能得到水庫的實際影響；②用建壩前后的水文數據做分析對數據本身的要求也較高，有些水庫修建時間較早，下游站點的已有數據資料無法滿足研究需求，使得相關研究被進一步限制。

本文提出了一個評估水庫的修建及運行對下游河道帶來的水文影響的新思路，即將出庫流量與同時段的入庫流量進行比較，時間序列一致，可排除氣候和上游人類活動影響，且水庫建成后的出入庫徑流資料相對齊全，能滿足研究需求。后文為了簡化起見，以方法1 代表常用比較方法，方法2 代表本文提出的新方法。選取了黃河干流2個多年調節(jié)水庫——龍羊峽水庫和小浪底水庫，分別作為上游人類活動干擾少和干擾多的水庫的代表，比較方法1 和方法2 計算結果的異同，以探究方法2 的可行性。然后進一步分析了方法2計算得出的兩水庫運行對下游河道水文情勢的影響，以期為水庫的優(yōu)化運行提供一定的參考。

1 研究對象與方法

1.1 研究對象與研究數據

龍羊峽水庫位于黃河上游青海省，是上游唯一一座具有多年調節(jié)性能的水利樞紐［18］，1986年10月下閘蓄水，1987年10月第一臺機組開始發(fā)電。水庫多年平均入庫徑流量186.5 億m3［19］。我們選取唐乃亥站為入庫站，貴德站為出庫站，兩個站點相距189 km，中間無較大支流匯入。將1985年及以前劃分為水庫影響前階段，1988 年及以后為影響后階段，選取了貴德站1962-1985 共24 年的水沙數據用于建庫前數據分析，建庫后數據的時間范圍為1988-1997，2006-2013共18年。

小浪底水庫位于河南省洛陽市與濟源市之間，是黃河干流上最后一座擁有較大庫容的控制性工程，于1999 年10 月投入使用。水庫建成后多年平均入庫徑流量215.73 億m3。入庫水文站為三門峽站，出庫水文站為小浪底站，兩個站點相距129 km，中間無較大支流匯入。由于缺失小浪底水文站1988-1999年水文資料（這一時段小浪底水庫尚未建成，但其上游所有多年調節(jié)水庫都已投入使用，可以排除上游水庫的影響），考慮到三門峽站和小浪底站距離較近，中間沒有大支流匯入，徑流情勢比較接近，選取三門峽站1988-1999 年的徑流資料代替小浪底站在水庫影響前的徑流數據，水庫影響后的數據時長為2000-2017年共計18年的數據。

上述所有水文站徑流數據和含沙量數據均來自黃河水利科學研究院，數據的時間尺度為日尺度。兩個水庫的具體位置及進出庫水文站的位置見圖1。

圖1 研究水庫位置示意圖Fig.1 Location of research reservoirs

1.2 研究方法

1.2.1 IHA參數

IHA參數包括月流量狀況、極端水文現(xiàn)象的大小和歷時、極端水文現(xiàn)象的出現(xiàn)時間、高低脈沖流量的頻率與歷時以及流量漲落的變化情況5 組類型共計33 個指標，每個指標都與生態(tài)功能密切相關［19］。具體的參數及其對應的生態(tài)影響見表1。

表1 IHA參數及其生態(tài)影響Tab.1 IHA parameters and their impacts on ecosystem

1.2.2 RVA法

RVA 法是用來定量評估IHA 參數的變化程度的。首先需要根據未受干擾的參考數據得到目標范圍。方法1中33個IHA參數的參考數據由水庫建成前下游水文站多年來記錄的日徑流量分析處理得到，而方法2 中IHA 參數的參考數據則由水庫建成后入庫水文站記錄的多年日徑流量得到。

目標范圍通常為參考數據的25%～75%，即將對應參數的參考數據由大到小排列，取中間50%的數據，這部分數據的最大值即為目標范圍的上限，最小值即為目標范圍的下限。那么分析數據在未受干擾的情況下，預期落在該范圍內的數量也為一半。實際受干擾后的分析數據落在目標范圍內的數量與預期數量越接近，說明干擾對河流的水文情勢影響越?。欢叩牟罹嘣酱?，說明河流水文情勢被影響的越大，生態(tài)系統(tǒng)被破壞的越嚴重［5］。具體計算公式如下：

式中：n為指標的個數；ei為第i個指標的變化程度計算結果，取值范圍為0～1；No，i是實際分析數據落在目標范圍內的數量；Ne，i是預期數據落在目標范圍內的數量。詳細的計算方式可見Richter等1998年發(fā)表的關于河網水文變化評估的研究［5］。當ei值小于等于0.33時，說明干擾帶來的生態(tài)影響較小；當值在0.33～0.67 之間，說明水庫調度給生態(tài)帶來了中等程度的影響；當值大于等于0.67時，說明水庫調度帶來的生態(tài)影響較大。D為ei的均值，用于表征綜合變化程度。

1.2.3 配對t檢驗

t檢驗是對兩組符合t分布的數據資料進行差異比較的統(tǒng)計學方法［20］。當這兩組樣本數據是配對設計得到，且存在明顯正相關關系時，應該采用配對t檢驗進行分析［21］。本文中的配對t檢驗借助IBM SPSS statistics 22.0軟件實現(xiàn)。

2 結果與分析

2.1 不同計算方法結果比較

2.1.1 龍羊峽水庫

兩個計算方法得到的龍羊峽水庫IHA 參數變化程度的結果見表2。方法2 有8 個參數的計算結果大于方法1，有16 個參數的計算結果小于方法1，有9 個參數的計算結果與方法1 相同，綜合變化程度方法2 略小于方法1，但二者均屬于高度改變。

表2 龍羊峽水庫兩種方法水文情勢影響計算結果Tab.2 Calculation results of two methods for hydrological regime impact of Longyangxia Reservoir

圖2 為龍羊峽水庫兩個方法計算結果差值的直方圖，能夠更加直觀地顯示兩個方法在計算結果上的差異。其中橫坐標為指標編號，縱坐標為該指標通過兩個方法計算得到的水文情勢影響的差值。參考RVA 法的分類方式，以0.33 和0.67 為界，將差值分為三類。不難看出，絕大部分差值都在-0.33～0.33 之間，即區(qū)別較?。挥? 個參數的差值屬于中等區(qū)別，僅有1 個參數的差值屬于高度差異，即10月平均流量。

圖2 龍羊峽水庫兩種方法水文情勢影響計算結果差值Fig.2 The difference between the calculation results of the hydrological regime impact of the two methods in Longyangxia Reservoir

為了進一步探究兩個方法在10 月平均流量這一計算結果上出現(xiàn)高度差異的原因，我們將龍羊峽建庫前后貴德站的10月平均流量及建庫后唐乃亥站的10 月平均流量均繪制在圖3中，并據此標注出兩個方法對應的目標范圍，分別以實線和虛線表示。從圖中不難發(fā)現(xiàn)，由于氣候變化等原因，龍羊峽水庫的入庫徑流量本身就變少了（唐乃亥站建庫前10 月平均流量1 174.41 m3/s，建庫后僅為803.54 m3/s），水庫的調度運行又進一步減少了10 月的下泄流量。方法1 比較貴德站建庫前后的10月平均流量，涉及氣候變化和水庫調度兩項變動，方法2比較建庫后唐乃亥站和貴德站的10 月平均流量，僅涉及水庫調度一項，因而得到的改變度小于方法1。

圖3 龍羊峽水庫兩種方法對應站點10月平均流量及目標范圍Fig.3 Average discharge in October in stations corresponding to the two methods and target range of Longyangxia Reservoir

經過配對t檢驗，兩個方法在龍羊峽的計算結果并不存在顯著差異（P=0.109），這主要是因為龍羊峽上游人類活動少，氣候變化雖然在個別指標上表現(xiàn)明顯，但總體差別不大，使得兩種計算方式得到的結果相對一致。

2.1.2 小浪底水庫

兩個方法計算得到的小浪底水庫IHA 參數變化程度的結果見表3。方法2 有17 個參數的計算結果大于方法1，有7 個參數的計算結果小于方法1，有9 個參數的計算結果與方法1 相同，綜合變化程度方法2 略大于方法1，但二者均屬于中度改變。

圖4 為小浪底水庫兩個方法計算結果差值的直方圖，能明顯看出絕大部分差值均為正。從差異度上來說，與龍羊峽水庫類似，大部分差值都落在-0.33～0.33 這一小差別的范圍內，有5個參數的差值屬于中等區(qū)別，僅有1 個參數的差值屬于高度差異，即1 月平均流量。圖5 展示了建庫前小浪底站、建庫后三門峽站和建庫后小浪底站各自的1月平均流量及兩種方法對應的目標范圍。不難看出，建庫后三門峽站的1 月平均流量數據波動范圍相對較小，得到的目標范圍的上限為391.4 m3/s，下限為299.9 m3/s，建庫后小浪底站1 月平均流量的數據落在該范圍內的僅有3 個；而根據建庫前小浪底站的1 月平均流量數據得到的目標范圍的上下限分別為529.9 m3/s 和284.5 m3/s，建庫后小浪底站1月平均流量的數據正好有一半落在該范圍內。因此盡管建庫后小浪底站1 月平均流量的均值與建庫后三門峽站1 月平均流量的均值更為接近（表3），方法2 計算得出的水文情勢影響卻遠高于方法1。

圖4 小浪底水庫兩種方法水文情勢影響計算結果差值Fig.4 The difference between the calculation results of the hydrological regime impact of the two methods in Xiaolangdi Reservoir

圖5 小浪底水庫兩種方法對應站點1月平均流量及目標范圍Fig.5 Average discharge in January in stations corresponding to the two methods and target range of Xiaolangdi Reservoir

通過配對t檢驗分析，小浪底的計算結果差異顯著（P=0.033）。黃土高原自1999 年以來大規(guī)模的植被恢復措施使得入黃水沙大量減少［22］，小浪底水庫2000-2017 年的入庫徑流水文情勢本就與1988-1999年的徑流水文情勢有明顯不同。方法1計算得到的是綜合了上游徑流變化和水庫影響的水文情勢改變情況，而方法2 計算得到的是僅考慮水庫本身影響的水文情勢改變情況，因此二者差異明顯。

綜合龍羊峽水庫和小浪底水庫兩種方法水文情勢影響計算結果的比較分析，方法2的可靠性得到了驗證，我們認為方法2 能夠在水庫上游有較明顯人類活動或氣候變化的時候，有效地將這些變化與水庫本身帶來的影響剝離開來，得到的結果能更真實地反映水庫調度運行造成的下游水文情勢改變情況。但需要特別說明的是，方法2對進出庫站點的選擇要求較高，兩個站的距離必須非常近，河槽對水沙的調蓄作用幾乎為零，此外，兩站點間的支流和除水庫調度外的其他人類活動都會影響計算結果的精度，因而適用性受限，需要和方法1視情況選用。

2.2 龍羊峽水庫運行對下游水文情勢影響

根據表2 中方法2 計算得到的水文情勢影響結果，分析龍羊峽水庫的調度運行對下游水文情勢的影響。從月流量狀況來看，改變主要集中在凌汛期（11 月-次年3 月）和春灌期（4-6月）。凌汛期入庫徑流量較小，但出于防凌考慮，需要控制下泄流量在500 m3/s 左右，因而與入庫徑流有較大差異。春灌期同樣要保證一定的灌溉流量，但當入庫徑流量大于需要的下泄流量時，水庫會把多余的水攔蓄在庫區(qū)內以供后續(xù)使用，同時也可提高發(fā)電水頭增加發(fā)電量。

從年極端流量狀況來看，不同時間尺度的最小流量始終保持高度改變，最大流量隨著考慮尺度的變大，改變程度略有下降：年最大日均流量改變度0.78，年最大90 日平均流量改變度0.5，但依然保持中高度的改變程度。

從年極端流量出現(xiàn)時間、高低流量的頻率與歷時，以及流量的變化率和變化頻率來看，僅有年最大日流量出現(xiàn)時間和每年高脈沖發(fā)生次數為低改變，其余參數均為高度改變。

總體來看，龍羊峽水庫的運行對下游水文情勢的改變程度較高（綜合改變度為0.71），有23個參數發(fā)生了高度改變，3個參數發(fā)生了中度改變，僅有7個參數的改變程度為低度，且低度改變的參數多表征高流量，如汛期的月均流量、年最大日流量出現(xiàn)時間、每年高脈沖發(fā)生次數等。龍羊峽水庫以發(fā)電為主要開發(fā)目標，兼顧防洪、防凌、灌溉、供水等［23］，但自投運以來遇枯水年較多［24］，因此綜合改變度高且對低流量的改變度要高于高流量。

2.3 小浪底水庫運行對下游水文情勢影響

根據表3 中方法2 計算得到的水文情勢影響結果，分析小浪底水庫的調度運行對下游水文情勢的影響?？傮w來看，小浪底水庫的運行對下游水文情勢的改變屬于中等程度（綜合改變度為0.43），有16 個參數發(fā)生了中度改變，11 個參數為低度改變，僅有6 個參數的改變程度為高度。高度改變的6 個指標中，有3個盡管屬于高度改變，但從數值來看，其實處于中度與高度的分界處，剩下3 個改變較為明顯的指標分別是：8 月平均流量、年最小日均流量和年最小流量出現(xiàn)時間。

表3 小浪底水庫兩種方法水文情勢影響計算結果Tab.3 Calculation results of two methods for hydrological regime impact of Xiaolangdi Reservoir

小浪底水庫作為以防洪減淤為主要目標的水庫［23］，通常在每年6月下旬和7月份相機進行調水調沙運用，8月份逐步將水位抬升至后汛期汛限水位［25，26］，因此大多時候8 月的平均出庫流量小于入庫流量（圖6）。年最小日均流量和年最小流量出現(xiàn)時間這兩個指標不論是在小浪底水庫還是龍羊峽水庫的水文情勢改變度分析中都屬于高度改變，這是因為水庫在調度過程中，出于供水、灌溉之類的社會需求以及生態(tài)基流等各方面的考慮，當入庫徑流量很小的時候，會通過調用庫區(qū)的蓄水增大下泄流量，減少小流量事件的發(fā)生，因而使得年最小日均流量和年最小流量出現(xiàn)時間均發(fā)生了明顯改變。

圖6 小浪底水庫出入庫站8月平均流量及目標范圍Fig.6 Average discharge in August of stations upstream and downstream of Xiaolangdi Reservoir and the target range

2.4 小浪底水庫運行對下游泥沙情勢影響

當我們在探討小浪底水庫運行對下游河道水文情勢的影響時，是離不開對泥沙的分析的。泥沙濃度過高在破壞水質、導致河道淤積的同時，也會影響水生生物的呼吸，而泥沙濃度過低又不利于河道和河口的維持［27］?？紤]到目前對于含沙量的變化所導致的生態(tài)影響并不像流量一樣有一套廣泛使用的指標，本文參考IHA 參數的構建方法，提出了對應的33 個泥沙變化指標（Index of Sediment Alternation，ISA）。馬超等在利用變化范圍法分析龍羊峽、劉家峽水庫運行前后頭道拐水文站的水沙變化程度時也采用了同樣的泥沙指標構建方法［9］。然后利用本文提出的計算方法對小浪底水庫運行對下游泥沙情勢的影響進行了計算，具體指標及計算結果見表4。

表4 小浪底水庫運行對下游泥沙情勢影響計算結果Tab.4 Calculation results for the downstream sediment regime impact of Xiaolangdi Reservoir

從月均含沙量來看，高度改變的指標均集中在汛期，即7-10月。汛期上游來沙量較大，小浪底水庫將泥沙大多攔截在庫區(qū)以緩解下游河道的淤積情況，使得月均出庫含沙量遠小于入庫含沙量，變化顯著。3、4 月份的平均含沙量出現(xiàn)了中度改變的情況，這或許是由于桃汛期徑流量的增長，將淤積在上游河道的部分泥沙沖刷進入小浪底并被全部攔截在此。

從年極端含沙量來看，表征高含沙量事件的指標均為中度或高度改變，而表征低含沙量事件的指標均為低度改變，這一規(guī)律在高低含沙量事件的發(fā)生次數和平均歷時上也有同樣的體現(xiàn)，說明小浪底水庫對年極端含沙量的影響主要集中在高含沙量事件上。但小浪底的調度雖然對高含沙量事件的含沙量大小、發(fā)生次數和平均歷時均有高度改變，卻不怎么改變其發(fā)生日期，這是因為小浪底水庫面臨的高含沙量事件通常伴隨著高流量來到，而小浪底水庫會在此時相機進行調水調沙，在減輕庫區(qū)淤積的同時盡可能沖刷下游河道。

從含沙量的升降來看，平均增加率和平均減少率都是低度改變，即出入庫含沙量的平均增減幅度變化不大，但含沙量升降的變化次數減少了，說明經過小浪底的調節(jié)單次含沙量上升或者下降的持續(xù)時間變長了。

總體來看，小浪底水庫的運行對下游泥沙情勢的影響為中等（綜合改變度為0.35），有18個參數為低度改變，5個參數為中度改變，10個參數為高度改變。低度改變和高度改變的參數的數量都遠多于水文情勢，出現(xiàn)了兩極分化的現(xiàn)象。

3 結論

本文提出的用建庫后進出庫水文站的數據代替建庫前后下游站點的數據作為RVA方法比較對象的改進思路，在人類活動影響不明顯的龍羊峽水庫的水文情勢改變度計算結果與常用方法無明顯差異，在人類活動影響顯著的小浪底水庫與常用方法取得了明顯不同的計算結果，證實了改進思路的可靠性和優(yōu)越性。

通過改進方法的計算結果，發(fā)現(xiàn)龍羊峽水庫的運行對下游河道的水文情勢產生了高度改變，如何在保證水庫發(fā)電效益的同時兼顧生態(tài)是亟待解決的問題；小浪底水庫目前的運行方式對下游水文情勢和泥沙情勢的改變度均為中等，但仍有很大改進空間。研究制定能夠更好地利用上游來水，把握調沙時機，兼顧水沙兩方面的生態(tài)影響的調度方案，是小浪底水庫優(yōu)化研究的重點。此外，本文僅計算了兩個水庫，無法據此得出二者在水文情勢改變度上的差異是否來自調度運行方式上的不同。通過加入更多水庫的研究，總結出水庫調度在水文情勢影響上的規(guī)律，也是一個很有意義的研究方向。

最后，IHA 指標個數較多，Richter 等提出的方法將這些指標的重要性一視同仁，但對于不同的水庫，這些指標的重要性可能有所不同，有學者在研究中僅選用了其中部分指標［28，29］，也有學者提出了賦予各指標不同權重的方法［30］。在使用RVA方法時，所用數據時間序列的長度不能太短，有研究認為最好不少于20年，以避免年際氣候的變化等因素對計算結果的影響［1，31］。對于綜合改變度的計算，一些學者并不認同直接求均值的方法，認為這樣會忽略高度改變的指標所帶來的影響，Shiau 等提出僅在所有指標均為低度改變時綜合改變度才是低度，有不少于一個指標為中度改變且沒有指標為高度改變時綜合改變度應為中度，有不少于一個指標為高度改變時綜合改變度應為高度［32］，后來又提出了先求各指標改變度平方和的均值再開根號的綜合改變度計算方法［33］，均得到廣泛使用［10，30，34］。我們在使用IHA指標和RVA方法量化評估水文情勢的變化時，應當對上述問題做權衡考慮，與此同時也應當認識到，某個指標的高度改變并不絕對意味著生態(tài)的破壞，需結合實際情況考慮。