水库建设对河流水文情势的影响分析

孙晶　路祥

摘要：水库建设对河流水文情势有着重要影响，也关系着河流生态系统的正常运行。当前水库建设是实现水资源合理调配的重要途径，而水库建设也将引发河流水文情势改变，可能导致河流生态系统失衡。现阶段在水文改变度的研究还存在不足，主要体现在单独分析高流量与基流量，而整体性的分析难以体现水库建设对不同流量的影响，并且多数的研究没有分析对生态环境的影响，通过分析河流水文指标生态学，根据断流、基流量、高流量、退水率、涨水率等指标可以掌握水库建设前后水文指标变化，进而分析水库建设对河流水文情势和周边生态系统的影响，为后续制定生态系统改善措施提供支持。基于此，以黑泉水库为例，概述了黑泉水库流水文情势，之后进行坝址生态流量保障性分析，提出水库建设对河流水文情势的影响，希望对相关研究带来帮助。

关键词：水库建设  河流  水文情势  生态系统

Analysis of the Impact of Reservoir Construction on the Hydrological Regime of Rivers

SUN Jing LU Xiang

（1.Water Resources Dispatching Service Center of Water Transfer Project from Datong River to Huangshui River in Qinghai Province; 2.Zhongyan Construction Group Co.， Ltd.， Xining， Qinghai Province， 810001 China）

Abstract： Reservoir construction has an important impact on the hydrological regime of rivers and is also related to the normal operation of river ecosystems. At present， reservoir construction is an important way to achieve the rational allocation of water resources， and reservoir construction will also cause the changes of the hydrological regime of rivers， which may lead to imbalances in river ecosystems. At present， there are still shortcomings in the research on the degree of hydrological alteration， which are mainly reflected in the separate analysis of high flow and base flow， while overall analysis is difficult to reflect the impact of reservoir construction on different flows， and most studies have not analyzed the impact on the ecological environment. By analyzing the ecology of river hydrological indicators， according to indicators such as cutoff， base flow， high flow， retreat rate and rise rate， the changes of hydrological indicators before and after reservoir construction can be grasped， and then the impact of reservoir construction on the hydrological regime of rivers and surrounding ecosystems can be analyzed， so as to provide support for the subsequent formulation of improvement measures for ecosystems. Based on this， this article takes the Heiquan Reservoir as an example， summarizes the hydrological regime of water flow in the Heiquan Reservoir， then analyzes the ecological flow guarantee of the dam site， and proposes the impact of reservoir construction on the hydrological regime of rivers， hoping to provide help for relevant research.

Key Words： Reservoir construction; River; Hydrological regime; Ecosystem

河流生態是目前环境保护中的重要内容，其会受到流量变化的影响。因此，维持河流生态功能的前提，即是确保河流具有稳定的自然流量，并科学把握流量变化趋势。水库建设后会改变河流生态环境和水文情势，随着河流开发程度加强继续带来生态水文效应。青海省大通县境内的黑泉水库拦蓄大量的河水，主要用途在于城市供水和农田灌溉，进而改变河流原有水文条件、河川径流量，也破坏了河流水生态平衡，因此需要对黑泉水库以及下游的水文情势进分析，并且建立生态系统以及河道水量响应机制，为后续设计水库调度方案以及管理部门决策提供科学指导^[1]。

1  研究背景

水文情势主要影响河流能量传递、水生物相互作用、物理栖息地、物质循环过程，也是影响生态完整性、生物多样性的关键因素。国内外关于水文情势的研究主要体现在以下方面。

1.1国外分析

诸多国外学者分析了河流水文情势，有研究人员分析了考虑发生时间、历时、改变率、频率、流量等水文变异指标（IHA），对河流水文情势进行了客观的描述，还有研究人员分析了淡水系统和水文改变度的潜在影响，根据水文站日流量数据分析旱涝灾害程度。在计算机技术不断发展的背景下，工程领域开始使用数值模拟软件，其中有学者借助荷兰Delft水力研究所研发的Sobek软件建立数学模型，研究了红山水库工程对金沟河水文情势的影响，还有一项关于通过Mike11模型研究鄂北调水工程对汉江中下游水文情势影响的研究，并且计算结果和实测值较吻合。不过一维数值模拟只反映了河道断面的平均水力要素，未能体现流速、水位等水力要素^[2]。

1.2国内分析

国内研究人员分析了长江宜昌站，利用米-K检验、Spearman秩次相关检验法等分析水文径流序列的显著性，根据已建水库群的实况调度信息划分径流序列，之后借助应用IHA/RVA方法分析了水文情势改变达到中等水平，随着相继建成水库群，长江下游河道水文情势也出现了变化，还有学者分析了塔里木河水文情势，通过改进变化范围法（RVA）掌握多浪水库的扩建高度改变对下游河道水生生物的产卵、洄游等方面的影响。当前水库建设对下游水文情势影响主要研究方面集中在测量水文站实测流量过程、来水来沙条件，还有研究人员用RVA统计分析，或者根据径流量和相关气象资料，采用线性倾向估计分析。本文对河流水文情势的影响进行了更加深入的分析。

2  黑泉水库水文情势概述

青海省大通县境内的黑泉水库位于湟水河支流北川河上游宝库河上，距离西宁市75 km。黑泉水库是“引大济湟”工程一期工程的重要组成部分，工程总投资7.76亿元，于1996年开工建设，2001年下闸蓄水，2006年竣工验收，水库总库容1.82亿m³，兴利库容1.32亿m³，这一水利枢纽工程综合效益明显，作用在于灌溉、城市供水、防洪、发电。工程主要建筑物包括大坝、溢洪道、导流放水洞、灌溉发电洞、坝后电站、供水工程。水库大坝主要材料为砼面板堆砂砾石，大坝右侧布置开敞式岸边溢洪道；导流洞和龙抬头形式的放水洞分布在右岸山体内，灌溉发电洞分布在左岸山体内，水电站厂房布置于坝后左岸，供水工程位于坝后左岸台地^[3]。黑泉水库已进入运行管理期，蓄水安全鉴定、大坝性状分析、黑泉水库大坝安全鉴定及历年工程观测资料分析结论表明，目前工程运行状况良好 。

宝库河属典型的山区型河流，北川河洪水大多来自宝库河，洪水由暴雨形成，多出现在7—8月，一次洪水历时一天左右，具有洪峰高，洪量不大的特性。根据多年水文资料显示，宝库河流域来水特点为年降水量较少（400～600mm），年蒸发量较大（1 273 mm），多年平均流量为10.1 m³/s，多年平均来水量为3.2亿m³，宝库河河床平均比降8.41‰，流域形状呈羽毛状。坝址位于宝库河下游峡谷段（东经101°34′11.1″、北纬37°04′27.7″），河谷为横向谷呈“U”字形，谷底宽240～250 m，两岸山体相对高差大于1 000 m，地形较陡，岸坡坡度40°～60°，地震基本烈度為7度。

3  坝址生态流量保障性分析

结合黑泉水库的流域地形地貌特征、水库年调节能力，建成后会改变下游河道的径流状态，所以水库坝址需要下泄一定的流量才能满足坝下河道内用水需求。根据国家颁布的相关规定，为维持和保护河段水生生态系统稳定，在水库建设的过程中需要保证下泄一定的生态流量，进而实现水资源的合理调配。生态流量主要考虑的问题如下：其一，工农业生产和生活需水；其二，维持水生生态系统稳定用水；其三，维持河道水质的最小稀释净化用水；其四，维持地下水位动态平衡补给用水，黑泉水库建设期间主要是考虑生活需水量、维持水生生态系统稳定所需水量等因素，结合水库下游河道用水情况对用水情况进行分析，其中为了所需水量并取最大值，主要选择方法为Tennant法、最小月平均径流法和90%保证率法^[4]。

4  水库建设对河流水文情势的影响

由于黑泉水库为季节调节型水库，在运行期间可以起到调蓄作用，进而实现库区及坝下河段水文状况变化，根据工程搜集的资料和数据显示，这一水库的正常蓄水位为50 m，水库容量为1.82亿m³，结合水库调度运行方式，每年8—9月的汛期为下游预留防洪库容，将水位控制在2 887.75 m左右，而非汛期设计洪水位控制在2 894.12 m，在库区河段平均水位较核洪水位2 894.12 m时平均流速大幅减缓，说明水库对径流的调节能力下降，通过对比工程前坝址断面平水年和枯水年的季度径流变化，证实枯水年和平水年的季度径流变化基本一致，不过丰水期径流略少于平水期，枯水期出现小幅度增加情况，平水期和枯水期的季度径流稳定，通过分析该水利工程项目季度径流变化可看到水库修建后起到调节坝下径流的作用，有效增加了坝下河道的枯水流量，让下段河道水环境稳定性提升，有利于保护下游的水体功能，让生态系统更加稳定。对河流水文情势的影响具体表现在以下方面。

4.1 对初期蓄水的影响

结合本工程的整体设计情况，10天的蓄水量水位达到2 876.50 m，蓄水早期主要采用导流以及泄洪冲沙洞向下游供水。结合水库坝址断面下泄水量计算结果，在蓄水早期平均流量每秒下降6.14 m³，并且蓄水早期坝址断面下泄流量较为稳定，数值在每秒1.86 m³，达到下泄生态基流要求，同时满足灌溉区域用水要求^[5]。

4.2 对施工期的影响

本工程采取上下游围堰挡水的方法，并且对河床一次性截断，主要的导流方法为导流洞、泄洪冲沙洞。根据施工组织设计，截流施工在8月底进行。截流时的技术难点在于截流龙口宽度大小不同，龙口泄流期间逐渐转变成导流和泄洪冲沙洞泄流，下泄流量为河道天然来流量，所以截流过程未对下游水文情势带来影响，截流完成后主要采用导流以及泄洪冲沙洞方法，下泄流量为河道带来更多的天然来水量，未影响对下游水文情势。

4.3 对工程运行的影响

4.3.1对坝址下游河段泥沙情势的影响

黑泉水库的主要作用在于拦蓄泥沙，水库正常工作后流水也会冲刷坝址下游河道，这一过程中下泄清水导致坝址区段向下游推进，不过冲刷强度随着距离增加开始下降。在水库内泥沙淤积逐渐平衡后，水库清水下泄逐渐减轻了对坝下河段的冲刷程度，随着时间的延长河道冲淤再次恢复平衡。在水库建成后，下泄水流中的平均含沙量明显减少，并且泥沙粒径相比建设初期粒径更细，有效避免下游河道出现泥沙淤积的情况，起到改善下游河道运行环境的作用.

4.3.2对水库库区泥沙情势的影响

水库位于湟水河支流北川河上游宝库河上，库区河段天然河床比降稳定在17.1%，水流挟沙能力较强，并且来水悬移质泥沙粒径较细，中粗砂占比下降，并且为水流挟沙和排沙带来便利。结合泥沙淤积计算结果，水库汛期在2 886.60 m工作环境下，约65%的悬移质泥沙流进死库容，估计淤满需要30年并且达到冲淤平衡，估算残余死库容10万m³，残余调节库容3 271万m³，可以保证调节库容^[6]。

4.4 对运行期的影响

4.4.1对下游河段水文情势的影响

在工程完成后改变了下游灌区需水过程和需水量，下游河段引水过程也出现了变化，进而影响了工程建设前的河道径流过程，通过分析黑泉水库坝址断面，根据P=75%来水频率计算发现相比现状年坝址断面年下泄径流量减少接近500万m³，减少幅度接近2.8%，其中每年1月、2月、5月、11月大的下泄流量减少幅度0.5%～78.8%，8月减幅最大；其他月份的下泄流量不同程度增加，增加幅度为10.6%～210.2%，4月和6月增幅相对较高；根据在P=50%来水频率计算发现相比现状年，坝址断面年下泄径流量减少接近500万m³，减少幅度接近2.8%；其中每年1月、2月、3月、6月、10月下泄流量不同程度增加，增加幅度为2.8%～323.8%，3—5月增幅较高；除了2月份其他月份下泄流量不同程度减少，减少幅度为1.2%～63.4%，并且8月份减少幅度最大。

4.4.2对库区水文情势的影响

黑泉水库完工后开始蓄水，水库坝前距离库区回水尾端5 km处的天然河段形成水库形态，并且水深、流动速度、水面面积出现变化。库区回水区域相比库区建成前的水面面积和水深会都有提升，由回水尾端到坝前水深的增幅出现提升，最高水深幅度可达70 m；库区内由库区回水末端到坝前流速减缓，在坝前断面减速最为明显。水库稳定工作时水位在2 864 m～2 886 m范围内不断变化，水深变幅接近32 m。

4.5 对考核断面生态流量的影响

黑泉水库位于湟水河支流北川河上游宝库河的上游，与下游的大坝断面距离为56 km、与潢河口断面距离为98 km，水库建成运行后可以进一步满足生活用水、工业用水和农业灌溉用水，并且对河道径流丰枯起到调节作用。根据统计数据进一步分析，建库后90%保证率大坝考核1断面每秒流量为1.99 m³，大于技术方案规定的生态流量每秒流量为1.11 m³，并且考核2断面每秒流量为2.08 m³，满足生态流量调查评价及闸坝联合调度方案的每秒流量为1.25 m³规定，在水库建设后两个考核断面多年平均径流量分别减少7.2%、6.3%，并且凭借对下游枯水期径流的调节作用可以保障下游河道生态流量。

4.6 对下游河道水质的影响

在施工结束后库区的河段水位逐渐升高，并且过水断面和水深都会升高，而水流速度相对变慢。这一过程中水体中的污染物稀释和扩散能力开始下降，在一定程度上对水生态环境造成影响，对下游河道水质的影响主要在于下泄水的水质状况和径流的调节能力，需要在施工结束后增加枯水流量，让过水流量趋于稳定，进而有助于坝下河段水质的保持。

4.7 对坝下类生态资源的影响

黑泉水库建成后需要分析水库的调度与调节作用，由于河流水位、流量、流速都出現不同程度的下降，所以坝下自然水位变动幅度下降直接导致了河流沿岸地带的生态环境层次没有原来丰富，破坏了部分流水性鱼类生存环境，其中波峰型产卵鱼类的繁殖环境受到严重破坏，因难以适应环境变化出现数量减少的问题。因此在黑泉水库运营期间充分考虑了调水方式的科学性，最大程度的营造鱼类漂流性繁殖环境，结合水文水力学条件形成人造洪峰，避免了水库下游出现减水与脱水河段。再如水库供水增加的情况下也为下游的河段增加水量，进而降低水库在干燥地区发生洪水泛滥的概率。此外，要合理确定河段的最小生态流量，进而满足水生动物的生存需要。

4.8 对水量变化偏离度的影响

4.8.1月平均径流量变化

黑泉水库建成后下游处于非汛期月径流量下降幅度较大，在3月减少幅度为每秒21.6 m³，而水库建设运行时汛期在不同程度降低月均径流量，对6月、7月、8月影响最大。

4.8.2年极端流量发生时间

水库建成后相较上一年度最小流量、最大流量出现时间分别提前24 d、17 d。水生物种的净化和鱼类繁衍栖息环境明显受到年极端流量发生时间影响，并且汛期涨水时一般为鱼类产卵繁衍期，通过提前最大流量出现时间改变了鱼类繁殖的行为过程。

4.8.3高低流量的频率

分析了河床结构、泥沙运输特征，之后通过高低流量频率减少低流量持续时间和次数，在一定程度上减少河滩干旱出现情况，水库枯补主要体现在河滩自然发展情况，黑泉水库建库前、后高流量次数为5.35、4.72次，下降0.63次。

4.8.4流量变化改变率及频率

河流中水生生物种群受到流量变化的改变率影响，所以需要在适当范围保持二者变化率，逆转次数越高导致水量波动越大，对周边环境变化周期影响越严重，调查发现黑泉水库建库运行后逆转次数多达112.45次，具有积极影响。

5  结语

综上所述，水库的建设与运行直接影响河道的水文情势，主要影响要素包括水资源量、流量、流速、水深、泥沙含量，而水库的建设在提高防洪能力、改善河道水生生境方面也有重要影响，需要在建设前期分析坝址、考核断面的生态流量，全面考虑水库建设对水文情势的影响因素，之后合理调度，进而逐步改善潢河生态系统平衡状态，实现水利工程与生态环境的平衡发展，为后代造福。

参考文献

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[6]李辉. 江西省水库淤积分析及典型水库淤积影响评价[D].南昌：南昌大学，2022.