胡巍巍
韩山师范学院旅游管理系, 广东 潮州 521041
HU Wei-wei
中图分类号: P933
文献标识码: A
文章编号: 1000-0690(2012)08-1013-07
收稿日期: 2011-04-1
修回日期: 2011-06-12
网络出版日期: 2012-08-20
版权声明: 2012 《地理科学》编辑部 本文是开放获取期刊文献，在以下情况下可以自由使用：学术研究、学术交流、科研教学等，但不允许用于商业目的.
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作者简介:
作者简介：胡巍巍（1970-）,男,安徽怀宁人,博士,副教授,主要研究方向为河流生态系统。E-mail:hz_f97@126.com
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摘要
淮河流域建设了许多闸坝,为揭示如此密集的闸坝对河流自然水文情势的影响,选取比较典型的淮河干流上的蚌埠闸作为控制节点,用成熟的IHA法和RVA法,研究蚌埠闸及其上游闸坝对水文情势的影响程度,同时通过蚌埠水文站水文情势变化的估算来分析闸坝对淮河河流生态水文条件的影响。结果显示,这些闸坝对河流水文情势的影响强烈,特别是在枯水季节。由此得出的淮河蚌埠段生态水文目标可为蚌埠闸开展生态系统管理、生态修复以及进行生态调控提供理论支持。
关键词：
Abstract
There are many dams constructed in the Huaihe River basin which are drastically altering the natural hydrologic regimes of the river. In order to demonstrate the influence on the natural hydrologic regimes of the river by such intensive dams, the Bengbu Sluice which lies on the mainstream of the Huaihe River as a typical control node was selected to study the influence of the Bengbu Sluice and all its upstream dams on the hydrologic regime. Using Indicators of Hydrologic Alteration and Range of Variability Approach methods, hydrologic alteration at the streamgauge site was assessed to demonstrate the influence of dams on ecohydrological conditions in the Huaihe River basin. The results show that dams profoundly affect the Huaihe River hydrology, primarily through changes in the timing, magnitude, and frequency of high and low flows, ultimately producing a hydrologic regime that differs significantly from the pre-impoundment natural flow regime. They reduce annual peak discharges, decrease the ratio of annual maximum/mean flow, decrease the range of daily discharges, increase the number of reversals in discharge, reduce the daily rates of ramping, alter the timing of high and low flows, and change the timing of the yearly maximum and minimum flows. Dams in the Huaihe River basin have more drastic impact on low-flow events. In the post-dam period, large-scale cease-to-flow events began to occur and last for long periods of time in the basin, which is seriously destructive to the riverine ecosystem. The elimination of floods following impoundment has extirpated native riparian forest communities, subsequently reducing biodiversity and causing major changes in river food webs. It has significantly disrupted aquatic life cycles and contributed to adjustments in the riparian community structure, ultimately promoting the dominance of invasive exotics. Other components of the hydrograph and flow duration curve also have corresponding ecological responses, especially those associated with changes in the timing and duration of flows and in the rates of change and frequency of hydrograph rises and falls. The river ecohydrological targets for the Bengbu section defined by this study can support ecosystem management and restoration plans, and provide ecological operations for the Bengbu Sluice.
Keywords：
在河流生态系统中,水文情势是最主要的驱动力[1,2]。径流控制着主要的生境参数,如水流深度、速度以及生境容量。径流常常与其它的环境条件,如温度、溶解氧、河道地形以及底层颗粒物大小等发生紧密的耦合作用[1,3]。一些具有生态重要性的径流特征组成自然水文情势,包括径流的季节变化格局,极端径流出现的时间,洪水发生的频率,可预见性和持续时间,干旱,断流,径流的日变化,季节变化以及年变化特征、变化速率[2]。对这些径流特征的评估对理解和预测自然和人为改变的径流水文情势对河流生物的生态影响是必不可少的[4]。相应地,研究者已建立应用了一些水文参数来描述由不同成分组成的径流特征[5,6]。
闸坝方便人们利用和控制河流,使水资源管理者将自然变化的水流转变为按人类的需要而控制下泄的水流。通过控制高水流以及完全控制下的水流,闸坝使水文循环发生变化,对淡水生态系统以及物种产生重大影响[7]。河道上的闸坝通过影响径流总量、水质、特征径流事件的规模、季节性以及变化的速率,改变了下游河道的水文情势[8]。闸坝导致水文破碎化,河流系统连续性被阻断,包括纵向上上下游河段、侧向上河道及其洪泛平原之间[1]。这些影响到洄游性鱼类以及河岸带的生态组成,给本地物种带来不利影响[9,10]。这里的闸坝泛指各种水闸和水库大坝。淮河流域总面积约为27×104 km2,在这样的面积上共建有各类水闸5 427座,其中大、中型水闸600多座,有大中小型水库5 378座[11]。为了探讨如此密集的闸坝将会对河流的自然水文情势产生怎样的影响,本文以比较典型的淮河干流上的蚌埠闸为例进行这方面的研究。
河流生态系统的结构和功能由水文、生物、地形、水质和连通性5部分组成。各个部分相互发生着作用,其中,水文是主动的、起决定性作用。河流水文的5个重要自然动态特征：河水流量、发生频率、持续时间、季节周期性、水文变化程度等,动态调节着河流生态系统的生态学过程。水文过程相当复杂,涉及大量信息和数据,通过建立指标体系来研究复杂的生态水文过程是一种有效的分析手段[12,13]。在建立生态水文指标体系方面,国内尚无成熟的方法,而国外已有一些研究成果。
用两种相互关联的方法来研究闸坝对淮河流域水文情势的影响,第一步：通过生态相关的水文参数描述水文情势的时间变化;第二步：通过比较建闸前后两个时间序列的水文情势来量化闸坝对水文改变的影响。
Richter[14,15]等建立一套评估生态水文变化过程的IHA 方法(Indicators of Hydrologic Alteration),其中包括33个指标,从流量大小幅度、时间、频率、持续期和变动率等方面评价河流水文状态改变。IHA指标共有5类,包括月流量指标、极限流量指标、时刻指标、高流量和低流量指标、涨水落水指标,这些指标共包括33个与生态相关的水文参数(表1)。IHA法的计算步骤是：① 收集靠近研究闸坝下游水文站在闸坝建成前后至少各20 a的逐日平均流量数据。② 分别计算2个时间系列的33个水文参数值。
表1 IHA法水文指标及其生态影响
Table 1 Summary of IHA Parameters and their ecological influence
| IHA指标 | 水文特征 | 水文参数 | 生态影响 |
|---|---|---|---|
| 1.月平均水量 变化 | 幅度、时间 | 各月平均流量 | 水生生物栖息可能性 |
| 植物土壤水分可得性 | |||
| 陆地动物水资源可得性 | |||
| 哺乳动物食物、庇护所可得性 | |||
| 陆地动物供水可靠性 | |||
| 肉食动物巢穴、通道 | |||
| 影响水温,溶解氧水平,水体光合作用 | |||
| 2.年均极值 变化 | 幅度、 持续期 | 年均1 d、3 d、7 d、30 d、90 d 最小流量 年均1 d、3 d、7 d、30 d、90 d 最大流量 年均断流天数 | 生物体竞争与忍耐的平衡 |
| 创造植物散布的地点 | |||
| 通过生物与非生物因素构建水生生态系统 | |||
| 构建河道地形与物理生境条件 | |||
| 植物土壤水分压力 | |||
| 动物脱水 | |||
| 植物缺氧压力 | |||
| 河道与洪泛平原之间的营养物质交换 | |||
| 紧迫条件持续时间,如水中的低溶解氧和高浓度的化学物质 | |||
| 湖泊、池塘、洪泛平原的植物群落分布 | |||
| 高流量持续时间对污染物消解,河道沉积物中产卵床的通风起作用 | |||
| 3.年极值出现 时间 | 时间 | 年最大流量出现日期(罗马日) 年最小流量出现日期(罗马日) | 相容性与生物生活周期 |
| 生物外界压力的可预见性/规避性 | |||
| 在繁殖期间或躲避天敌时特殊生境的可达性 | |||
| 洄游鱼类产卵信号 | |||
| 生物生活史对策进化,行为机制 | |||
| 4.高低流量频率 及持续时间 | 幅度、频率、 持续时间 | 年均低流量谷底数 年均低流量持续时间（d） 年均高流量洪峰数 年均高流量持续时间（d） | 植物土壤水分压力的频率和大小 |
| 植物缺氧压力的频率和持续时间 | |||
| 水生生物洪泛平原生境的可得性 | |||
| 河流与洪泛平原之间营养物质和有机质的交换 | |||
| 土壤矿物质可得性 | |||
| 水禽觅食、休息、繁殖场所的可达性 | |||
| 高流量影响河床物质的运输,河道沉积物结构和底层扰动 | |||
| 5.水流条件变化 速率与频率 | 频率、 变化率 | 上升速率: 连续日流量较均值 偏大的日均数 下降速率: 连续日流量较均值 偏小的日均数 流量年内上升次数 流量年内上升次数 | 植物干旱压力 |
| 在沙洲、洪泛平原上诱捕生物 | |||
| 低活动性的水滨生物的干旱压力 |
RVA(Range of Variability Approach) 变动范围法建立在IHA法的基础上[14]。采用RVA法来分析河流在人类活动干扰前后与生态相关的水文因子过程变化,确定河流生态环境管理目标。国际上许多研究成果采用该方法评价了河流修建大坝、分取水对河流生态水文特性的改变,确定相关河流的生态水文保护目标。RVA法确定河流生态水文目标的步骤是：① 给出自然(或人工干扰较小)状态下IHA各指标特征值,并以平均值(标准差)或25%~75%区间范围作为IHA指标的生态目标;② 计算受人工干扰河流的IHA各指标特征值,判断其是否落在生态目标区间,统计水文状况变化对自然状态的偏离程度;③ 通过各种措施调节受影响河流水文过程,使其变化尽量落在生态目标区间,以维持河流生物多样性,保护生态系统完整性。这样,每个水文指标在河流作为“自然河流”时期的变动范围就认为是河流生态环境管理目标,从而实现与生态关联的水文目标定量化[16]。
本研究选取蚌埠闸作为研究对象。蚌埠闸是淮河干流上唯一的一座闸,位于淮河中游（图1）,安徽省蚌埠市西郊,闸上淮河流域面积12.1×104km2。蚌埠水利枢纽工程由节制闸、船闸、水电站、分洪道等组成,具有防洪、灌溉、城镇供水、航运和发电等综合效益。当闸上水位超过19 m时即自然漫滩分洪[11]。蚌埠闸1959年建成,在此之前,上游地区闸坝很少。但20世纪60年代以后,上游干支流上陆续建起了许多闸坝（图1）,这些闸的主要功能都是灌溉和防洪。所以选取蚌埠闸作为控制节点研究蚌埠闸及其上游闸坝对下游水文情势的影响,并把1959年以前的时期作为未受影响的时期,1959年以后作为影响时期,分成2个时间序列。位于蚌埠闸下游的吴家渡水文站记录有建闸前后长时间连续的水文资料,能满足研究需要。
将收集到的蚌埠吴家渡水文站1930~1990年逐日流量数据以1959年为界,分为前后2个序列。首先计算1959年前30 a径流序列的33个水文参数年均值,统计各参数波动的上下范围;然后计算1959年后30 a水文序列的33个参数年均值,比较两序列均值的差别;最后采用RVA法,将前30 a水文序列各参数年均值的25%,75%百分点位值赋为RAV生态水文目标的下限和上限,统计后一序列对于生态水文目标区间的背离率与背离程度(表2)。
基于表2中计算结果,蚌埠闸对河流自然水文情势的影响概括如下：
1） 月平均水量中,1959年后,除1月、2月和9月的背离率较低外,其余月份普遍偏高,其中11月份最大,达68.5%,达到高的水平(图2,其他图略);6月和12月偏离也较大,超过40%,达到中等程度。另外,9~12月的平均值都大于建闸前,10月、11月和12月月平均流量上升但较少落在RVA区间,特别是10月和11月的前后均值差都超过1倍。然而,1~4月平均值在建闸后是减少的,原因可能是这段时间是枯水季节,流域内进行大规模地提水灌溉。
图1 蚌埠闸位置及其上游主要闸坝分布
Fig.1 The location of Bengbu Sluice and the distribution of main dams and sluices in the upstream of Huaihe River basin
表2 生态水文指标变化
Table 2 Alteration of the 33 Hydrologic Parameters
| IHA 指标 | 水文参数 | 1959年前 年均值 | 波动范围 | 生态水文目标 | 1959年后年均值 | 均值差 及比例（%） | 背离率(%) （程度） | ||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 最小值 | 最大值 | 下限 | 上限 | ||||||
| 月平均流量变化（m3/s） | 1月 | 289.8 | 34.0 | 1560 | 156.0 | 334.0 | 224.8 | -65/-22.4 | -15.1(L) |
| 2月 | 427.2 | 38.6 | 1636 | 158.0 | 571.5 | 217.5 | -209.7/-49.1 | -15.9(L) | |
| 3月 | 495.7 | 49.1 | 1950 | 165.0 | 742.5 | 253.4 | -242.3/-48.9 | -26.9(L) | |
| 4月 | 650.0 | 48.2 | 2110 | 235.0 | 831.0 | 431.1 | -218.9/-33.7 | -21.5(L) | |
| 5月 | 660.0 | 44.4 | 2360 | 232.0 | 1040.0 | 746.1 | 86.1/13 | -25.1(L) | |
| 6月 | 688.2 | 7.80 | 6710 | 192.0 | 786.0 | 776.8 | 88.6/12.9 | -55.6(M) | |
| 7月 | 1962.8 | 126 | 10300 | 639.0 | 2402.0 | 2023.2 | 60.4/3.1 | -24.0(L) | |
| 8月 | 2378.2 | 131 | 11600 | 807.8 | 2907.5 | 2230.1 | -148.1/-6.2 | -22.2(L) | |
| 9月 | 1391.2 | 71.7 | 5400 | 391.0 | 2020.0 | 1712.5 | 321.3/23.1 | -3.0(L) | |
| 10月 | 594.6 | 20.6 | 3460 | 152.8 | 873.5 | 1227.2 | 632.5/106.4 | -30.5(L) | |
| 11月 | 316.5 | 8.1 | 1335 | 118.5 | 397.5 | 754.2 | 437.7/138.3 | -68.5(H) | |
| 12月 | 255.1 | 95.7 | 1510 | 45.2 | 276.0 | 385 | 129.9/50.9 | -40.1(M) | |
| 平均极值 变化 | 年均1 d最小流量（m3/s） | 96.5 | 2.3 | 204.0 | 41.5 | 141.8 | 1.7 | -94.8/-98.2 | -100(H) |
| 年均3 d最小流量（m3/s） | 106.2 | 2.3 | 328.3 | 42.4 | 149 | 23.1 | -83.1/-78.2 | -100(H) | |
| 年均7 d最小流量（m3/s） | 110.0 | 2.5 | 349.1 | 44.1 | 150.5 | 32.7 | -77.3/-70.3 | -88.9(H) | |
| 年均30 d最小流量（m3/s） | 135.1 | 5.5 | 422.9 | 47.3 | 161.0 | 32.7 | -102.4/-75.8 | -11.1(L) | |
| 年均90 d最小流量（m3/s） | 216.8 | 40.4 | 660.4 | 83.5 | 267.0 | 180.6 | -36.2/-16.7 | 11.1(L) | |
| 年均1 d最大流量（m3/s） | 3772.8 | 996 | 11600.0 | 1477.5 | 3897.5 | 4216 | 443.2/11.7 | -33.3(M) | |
| 年均3 d最大流量（m3/s） | 3747.2 | 992.7 | 11466.7 | 1436.7 | 3858.0 | 4134.7 | 387.5/10.3 | 22.2(L) | |
| 年均7 d最大流量（m3/s） | 3625.7 | 946 | 11228.6 | 1347.5 | 3766.8 | 3960.9 | 335.2/9.2 | 22.2(L) | |
| 年均30 d最大流量（m3/s） | 3020.4 | 739.4 | 9551.3 | 1044.6 | 3389.7 | 3169.3 | 148.9/4.9 | 11.1(L) | |
| 年均90 d最大流量（m3/s） | 2045.7 | 492 | 6007.2 | 735.4 | 2283.1 | 2288.8 | 243.1/11.9 | 11.1(L) | |
| 年均断流天数（d） | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 42.5 | -42.5/0 | -66.7(M) | |
| 年极值出现 时间 | 年最小流量出现时间（罗马日） | 173.5 | 9 | 363 | 35.5 | 182.5 | 63.1 | -110.4/-63.6 | 22.2(L) |
| 年最大流量出现时间（罗马日） | 212.7 | 98 | 256 | 196.8 | 229.8 | 215.6 | 2.9/1.4 | 55.6(M) | |
| 高低流量频率 与持续时间 | 年低流量谷底数（个数） | 3.8 | 0 | 8 | 2.3 | 5.0 | 7.8 | 4/105 | -77.8(H) |
| 低流量平均持续时间（d） | 22.6 | 0 | 92 | 10.2 | 26.2 | 14.0 | -8.6/-38.1 | -11.1(L) | |
| 年高流量洪峰数（个数） | 3.1 | 0 | 9 | 2.0 | 4.0 | 4.1 | 1/32.3 | 0(L) | |
| 高流量平均持续时间（d） | 34.7 | 0 | 91 | 9.3 | 42.1 | 28.3 | -6.4/-18.4 | -22.2(L) | |
| 水流条件变化 速率与频率 | 上升速率[m3/(s·d)] | 115.2 | 78 | 182 | 90.5 | 124.8 | 134.5 | 19.3/16.8 | -55.6(M) |
| 下降速率[m3/(s·d)] | -77.6 | -126 | -35 | -89.8 | -57.3 | -73.8 | 3.8/-4.9 | -33.3(M) | |
| 上升次数（次） | 6.6 | 3 | 12 | 5.0 | 8.0 | 10.0 | 3.4/51.5 | -44.4(M) | |
| 下降次数（次） | 7.1 | 4 | 11 | 5.3 | 8.8 | 11.1 | 4/56.3 | -55.6(M) | |
2） 年均1 d、3 d、7 d、30 d最小流量的前后均值差都较大（图3）。除年均30 d、90 d年最小、最大流量背离率较低外,大部分指标的背离率都较高（图4,其他图略）,特别是与低流量有关的指标,背离率普遍达到高的水平,尤其是年均1 d和3 d最小流量指标的背离率达到100%,且为负值,意味着建闸后这2个指标值没有哪一年落在生态水文目标区,可以说,这种改变是剧烈的。
图2 蚌埠吴家渡水文站11月月平均流量在建闸前后的变化
Fig.2 Change of mean flow in Novermber of Wujiadu Gauging Station before and after the sluice construction
图3 年均7 d最小流量在建闸前后的变化
Fig. 3 Change of 7-day minimum discharge before and after the sluice construction
还有一个极端事件就是断流,断流直接导致河流连续体中断和水生态系统的破坏。建闸前没有断流现象,建闸后出现断流的年份占统计年份的90%,这一变化非常大。
3） 年最小流量出现日期提前,前后均值差较大;年最大流量出现日期退后,前后均值差较小（图5）,但背离率超过55%,达到中等程度。图4也能显示闸坝在洪水控制中的作用。
4） 1959年后水文序列中,年高流量洪峰数有50%落在RAV目标区内,故背离率为0,年低流量谷底数背离率是77.8%,达到高程度。建闸后低流量和洪峰（图6）流量持续时间都有下降,图6也显示由于闸坝调控,年平均洪峰流量多变性和持续时间均下降。
图4 年均1 d最大流量在建闸前后的变化
Fig. 4 Change of 1-day flood magnitudes before and after the sluice construction
图5 年均1 d最大(a)、最小(b)流量出现时间在建闸前后的变化
Fig.5 Changes in the timing of annual 1-day minimum and maximum discharge before and after the sluice construction
图6 年平均洪峰流量持续时间在建闸前后的变化
Fig.6 Change of annual high pulse duration before and after the sluice construction
5）本组参数的背离程度普遍较大,达到中等水平。同时,流量上升速率（图7）和下降速率在建闸前后都有明显变化。
图7 水流上升速率在建闸前后变化
Fig.7 Changes in the mean rise rate before and after the sluice construction
另外,各参数背离率绝大部分为负值,意味着1959年后这些参数落在目标区间数比期望值都低(<50%)。
本文基于蚌埠吴家渡水文站1930~1990年的日径流资料,以蚌埠闸建成的1959年为界,分成前后两个水文变动序列,应用生态水文变动指标体系(IHA)和变动范围法(RVA),计算前30 a的33个水文因子的25%~75%区间范围作为生态水文目标,然后统计1959年后30 a水文序列的各指标值的背离程度。从计算统计结果总体来看,蚌埠吴家渡水文站在蚌埠闸建闸前后水文情势变化明显,特别是与低流量有关的参数背离率普遍较高,水文年中对应的是枯水季节。在枯水季节,灌溉取水多,人为干扰强烈,容易使河流水文参数值背离生态水文目标。总之,蚌埠闸及其上游闸坝对河流水文情势的影响较大,特别是在枯水季节。据我们调查,现在许多比较小的支流闸下经常流量很小甚至断流,据此可以推断闸坝对淮河各级支流自然水文情势的影响更大。
淮河流域建有大规模的闸坝,分布在各级支流上。由以上的分析结果可以初步推断闸坝对淮河流域生态水文条件会产生很大的负面影响,应该引起重视。本研究得出的淮河蚌埠段生态水文目标可为蚌埠闸开展生态系统管理、生态修复以及进行生态调控提供理论支持。
The authors have declared that no competing interests exist.
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