黄河刘家峡大坝运行对兰州河段水流情势的影响评价

9月
1448 2654 1875
1083
17
3 -0.82 H10 月1400 1882 1623 971.5
17
3 -0.82 H
11 月
675 1003 825.3 812.5
17
25 0.47 M
12 月
393.8 480.8 448.5 591.5
17
4 -0.76 H
1月
300.8 368.8
2 研究区域
兰州水文站位于中国西北地区黄河上游，上距刘家峡大坝约 100km（图 1）。兰州站以上 黄河集水面积约 22.3×104km2，多年平均天然径流量约为 334.5×108m3，占花园口站天然径流 量（567.50×108m3)的 58.9%[8]。
图例 • 水文站 • 大坝
千米
龙羊峡
兰州
1113
水电 2006 国际研讨会
Richter et al.研制了 IHA 法评价一个生态系统中由人类影响导致的水文变化的程度， 研制了“可变性范围法”（RVA）建立基于流量的河流管理目标，并针对 RVA 在水文变化评价 中的使用进行了示范[4][6][7]。
本文使用 RVA 法评价黄河上游刘家峡水电站调度运行对于水文情势的影响，揭示黄河上 游兰州段的水文变化情况。
时
频率
历时
小计 2 个参数 每一水文年年内低脉冲的次数 每一水文年年内低脉冲历时的平均值或中位数(d) 每一水文年年内高脉冲的次数 每一水文年年内高脉冲历时的平均值或中位数(d)
5．水条件变化的速率和 频率
频率
变化速率
小计 4 个参数 上涨率：连续的日流量值间所有正差异的平均值或中 位数 下落率：连续的日流量值间所有负差异的平均值或中 位数 水文逆转次数
图2 兰州站逐日平均流量过程线 3.2 水文情势变化
为了使用 RVA 法[6]评价兰州站与刘家峡大坝蓄水相关的水文变化，采用了 The Nature Conservancy 研发的水文变化指标模型(IHA)[13]。这一模型使用逐日平均流量计算 33 个指标 （见表 1）描述该站的水文变化。IHA 模型生成的 33 个指标分属为 5 个类别：（i）量级；（ii） 每年极端水流条件的量级和历时；（iii）每年极端水流条件的时间选择；（iv）高低脉冲的 频次和历时以及（v）水流条件变化的速率和频率。这 33 个水文特征值是 Richter et al.提 出的，原因是它们或是根据种群动态和捕食者～被捕食者的关系，或是根据物种竞争关系与 生态功能紧密联系[4]。在一特定的测站或一特定地区，并非所有的指标均会受到蓄水影响， 但是模型的开发要包含大多数的与潜在的生态影响相关联的水文变化类型。IHA 模型使用日 流量数据评价最小值、最大值的量级和变化情况，按照数个时间规模（1 日、3 日、7 日、30 日、90 日）合成这两类极值并进行分组，确定月平均流量。确定年最小值、最大值出现的儒 略日。模型计算日涨落速率，确定年平均涨落速率。连续涨水（或落水）的月平均流量序列 等同于涨水（或落水），计算每一年涨水（或落水）数。如果一个日平均流量在方向上不同 （涨水对落水），模型即计水文逆转一次，对逆转次数求和确定年逆转次数。第 4 组的 4 个 参数合在一起刻画年内环境变化的脉冲行为并给出这些环境脉冲形状的测度。脉冲是一个水 文期，流量（或日流量序列）在这个水文期中超过影响前的日平均流量有序队列中的第 75 百 分位数值或低于第 25 百分位数值。脉冲基本上描绘了大坝调度运行前流量历时曲线的两个尾 部（第 75 百分位和第 25 百分位）。模型计算每年的高低脉冲数量和平均历时[5]。在本文的 RVA 分析中，影响前和影响后阶段以 1967 年 7 月 1 日进行划分。
2661 4011 3287
2258
360 585.5
17
2 -0.88 H
2月
298.3 357.9 333.5 512.5
17
6 -0.65 M
3月
349.3 415 389.5 506.5 20.19
6 -0.70 H
4月
445.5 648.1
525 711.5
17
8 -0.53 M
5月
671.5 1028 829.5
1130
17
每年30-日最小流量
每年90-日最小流量
每年1-日最大流量
每年3-日最大流量
每年7-日最大流量
每年30-日最大流量
每年90-日最大流量
零流量天数
基流：年度7日最小流量除以平均流量
3．每年极端水条件的时 时间选择 间选择
小计12个参数 每年1-日最大流量出现的儒略日 每年 1-日最小流量出现的儒略日
4．高低脉冲的频率和历 量级
摘要：刘家峡水库运行后，黄河兰州段水文情势发生了变化。为了定量评价兰州段水文情势 变化程度，使用变化范围法(RVA)，对刘家峡水库影响前后兰州段逐日平均流量水文系列进 行分析，研究了与生态完整性相关的 33 个水文参数[水文改变指标(IHA)]的变化情况。基于 RVA 的水资源管理目标不是要每一年均达到目标范围，而是以与自然或开发前水流情势相同 的频率达到目标范围。分析中，以影响前的各水文参数的第 25 百分位和第 75 百分位的量值 作为 RVA 边界。将每一个水文参数变化范围划分为三个区：高端区、中间区(RVA 目标)、低 端区，中间区为管理目标，即，在 50%的年份内水文参数维持在 RVA 目标范围之内；计算影 响后各区各水文参数水文变化测度；根据变化测度评价影响后整体水文变化情况。评价结果 表明，黄河兰州段自然水流情势因刘家峡水库运行而受到严重影响，为整体高度变化。33 个水文改变指标中，8 月、9 月、10 月、12 月、1 月、3 月、6 月平均流量、90 日最小平均 流量、基流条件、低脉冲记数、低脉冲历时、涨水速率、落水速率、逆转次数（水流类型切 换次数）等有 14 个指标属高度改变。河流生态系统的生态完整性依赖于其自然动力学特征。 从维护黄河河流生态系统生态完整性角度考虑，大坝运行应以维持其下游天然水流情势变化 控制在其可变化范围之内作为其水管理目标，应当设计和实施自适应管理项目以有利于生态 意义上的长期的水资源可持续管理。 关键词：黄河上游；水文情势；大坝；调度运行；影响评价
使用 33 个 IHA 参数的水文变化测度定义整体变化度： ⑴整体低度变化：每一 IHA 水文变化度均属于低变化级别； ⑵整体中度变化：33 个 IHA 中至少有一个属于中等变化，但是没有一个属于高度变化； ⑶整体高度变化，至少有一个 IHA 属于高度变化[14]。 4 结果 RVA 分析结果列于表 3。在月平均值一组中，12 月～来年 5 月中位数增大，6 月～11 月中 位数减小（图 3）。在极端水流条件一组，水库蓄水后 1 日到 90 日最小流量值增大，1 日到 90 日最大流量值减小，基流增加显著。水库蓄水后，低脉冲数增加，但平均长度减少。过程 线涨落速率的中值显著增大。逆转次数增加。 在 33 个 IHA 参数中，有 14 参数受到显著影响，属高度变化；11 个参数受到中等影响， 属中度变化；8 个参数受影响较小，属小变化。在 14 个受到显著影响的参数中，1 月平均流 量、基流、逆转次数经受的水文变化测度分别为-88%（图 4）、-88%（图 5）和-100%（图 6）。 按照整体变化度定义[14]，受刘家峡水库调度运行影响兰州站水流情势变化属整体高度变化。
3 方法
3.1 水文资料 为了保证样品的代表性和一致性，我们使用兰州站 1935 年 7 月 1 日～2001 年 6 月 30 日
实测逐日平均流量资料进行分析，刘家峡大坝运行前后均具有多于 30 年的逐日流量资料。兰 州站逐日平均流量显示于图 2。
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日平均流量（m3/s）
水电 2006 国际研讨会
小计 3 个参数
总计 33 个参数
3.3 水文变化评价
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水电 2006 国际研讨会
Richter et al.将 RVA 目标未达到的程度定义为水文变化测度。水文变化测度，以百分 数表示，按下式计算：
[（观测到的次数-期望的出现次数）/期望的出现次数]×100 式中，“观测到的次数”是观测到的水文参数值落在目标范围的年数计数；“期望的出现次 数”是期望的水文参数值落在目标范围的年数计数。当观测到的开发后的年值落在 RVA 目标 范围内的次数与期望的出现次数相等时，水文变化等于零。正偏差表示年参数值落在 RVA 范 围内要比期望的多。负偏差表示年参数值落在 RVA 范围内要比期望的少。将水文变化度可能 平均值全距等距分为三级：⑴0—33%代表小或无变化；⑵34%—67%表示中等变化；⑶68%—100% 表示高度变化[7]。
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表1 IHA模型输出的参数（33个输出参数分为5组）[4][7][13]
水流情势特 水文变化指标参数组
征
水文参数
1．每月水条件的量级 量级
每一日历月的平均值或中位数
时间选择
小计12个参数
2．每年极端水条件及历 量级
每年1-日最小流量
时
历时
每年3-日最小流量
每年7-日最小流量
30-日最小
296.9 357.6 332.7 452.6
17
8 -0.53 M
90-日最小
312.7 374 352.9 517.5
17
3 -0.82 H
1-日最大
3005 4334 3471
2565
17
13 -0.24 L
3-日最大
2816 4235 3392
2488
17
13 -0.24 L
7-日最大
1 前言
大型水库在给人们带来了巨大的社会经济效益的同时，也通过改变大、小水出现时机、 量级和频次而深刻地影响了河流水文特征[1][2]，最终产生了与蓄水前天然水流情势显著不同的 水文情势[3]。 其生态影响或直接与水文情势的改变相联系或间接地通过河流系统的地貌改变 的间接影响与水文情势的改变相联系。与水流调节相关的水文情势改变由常与特定的生态响 应相关的过程线和流量历时曲线反映。大水的调节不是损害生态完整性的唯一原因。过程线 和流量历时曲线的其他组成部分也具有相关的生态效应，尤其是与各种流量出现的时机以及 过程线的变化速率和涨落频率相联系的那些组成部分[3][4]。为了减小这些对水岸生态的水文影 响，近来的关注集中于最好地模拟蓄水前情形的水流管理策略。这一策略，不是集中在单项 指标物种，而是试图提供很好地服务于多种多样的水生生物和水岸生态环境的可持续的水流 条件[5]。