三峡工程蓄水前后长江中下游环境流特征变化研究
2023-12-21
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第49卷第5期 2015年1O月 华中师范大学学报(自然科学版) JOURNAL OF CENTRAL CHINA N0RMAL UNIVERSITY(Nat.Sci.) Vo1.49 No.5 Oct.2O15 文章编号:1000—1190(2015)05 0797—08 三峡工程蓄水前后长江中下游环境流特征变化研究 王学雷 ,姜刘志 (1.中国科学院测量与地球物理研究所,武汉430077;2.环境与灾害监测评估湖北省重点实验室,武汉430077) 摘要:环境流是为保障河流生态系统健康发展、河流生态功能得以恢复的一种水文情势过程.三 峡水利工程的建设,也改变了长江的天然水文情势,也直接或间接影响该流域重要生物资源,改变 生物群落的结构组成分布等,从而对长江中下游一定范围内的生态与环境带来深远影响.基于 IHA分析法,研究三峡蓄水前后长江中下游的生态水文特征变化及环境流指标变化.结果表明:长 江中下游4个水文站的环境流组成在三峡蓄水前后呈不同程度的变化;环境流组成也逐渐趋于单 一化,各水文站的流量事件以枯水流量事件和高脉冲流量事件为主;三峡蓄水对大、小洪水事件和 特枯流量事件的影响较为显著;三峡工程运行对长江中下游生态水文指标和环境流指标的影响, 整体上表现出随着离三峡大坝距离的增加而有不同程度减弱的趋势;沿程汉江支流的汇人,以及 洞庭湖、鄱阳湖对长江干流水文情势的调蓄作用在一定程度上缓解了三峡蓄水带来的影响. 关键词:环境流;三峡工程;蓄水;长江中下游 中图分类号:TV213;TV 文献标识码:A 环境流是河流、湿地或沿海区在用水矛盾的情 况下为维持不同用水部门及生态系统之间利益的 平衡,保证河流生态系统健康发展、河流生态功能 得以恢复的一种水文情势过程_1].环境流旨在对河 流及湖泊盆地的水资源进行重新分配,以维系其生 态系统和人类的利益(IUCN,2003).环境流组成 (Environment Flow Components,EFC)的各个流 量事件形式均涉及不同的生态影响,河流生物体的 生命与这些事件的发生时间、频率、量、持续时间及 它们之间的变化率紧密相关.基于环境流组成的研 究主要是与其他生态模型相结合,应用于河流水库 的生态调度和水资源管理配置 ]. 价值,以期为长江中下游流域水资源合理配置提供 科学依据. 1环境流组成界定 环境流的提出,其最初目的是为了维护河流的 生态健康,核心在于寻求最优的方法使人类、河流 和其他生物种群能够共享有限的水资源.环境流是 维持河流生态环境所需的流量及其过程.基于河流 水文过程线可分为一系列与生态有关的水位图模 式这一新的生态假设,河流流量过程被划分为枯水 流量、特枯流量、高流量脉冲、小洪水和大洪水5种 流量模式,即环境流组成(EFC)的5种流量事 随着社会经济的发展,长江流域的水资源开发 利用程度逐步加大,尤其是三峡水利工程的建设, 也改变了河流的天然水文情势,也直接或间接影响 件[6 ],包括枯水流量、特枯流量、高流量脉冲、小洪 水和大洪水等;这5种流量事件对维持河流生态系 统完整性是十分重要的,不仅体现在枯季时需满足 一该流域重要生物资源的栖息水域和生活习性,改变 生物群落的结构组成、分布特征等,从而对长江中 下游一定范围内的生态与环境带来深远影响.因 此,研究三峡蓄水前后长江中下游的生态水文特征 变化及环境流指标变化,对认识流域水文情势及环 定的水量,更重要的是一定规模的洪水,甚至极 端枯水流量都发挥着重要的生态功能. 环境流组成包括的5种流量事件形式可划分 为34个环境流指标参数(表1).EFC的各个流量 事件形式均涉及不同的生态影响,河流生物体的生 境流组成的演变规律、保障长江中下游河流生态系 统健康的可持续发展具有重要的科学意义和实践 命与这些事件的发生时间、频率、量、持续时间及它 们之间的变化率紧密相关. 收稿日期:2015 06—10. 基金项目:国家自然科学基金项目(41l71426);中国科学院测地所重要方向项目. *作者简介.王学雷(1 9 65一),博士,研究员,博士生导师,主要研究领域为湿地演变过程及生态修复技术及应 用.E—mail:xlwang@whigg.ac.cn. 华中师范大学学报(自然科学版) 第49卷 表l 环境流量组分及其意义 Tab.1 The environmental flow components and their significance 水文参数 枯水流量 年内各月份枯水流量的平均值或中值 特枯流量 年内特枯流量的峰值、历时、发生时间及频率 高流量脉冲兰内高竺!流量的峰值、率及下降率 历时、发生时间、频率、上升 小洪水 小洪水的峰值流量、历时、发生时间、频率、上升率及 降率 大洪水 大洪水的峰值流量、历时、发生时间、频率、上升率及 对于如何界定这5类流量事件,Richter等[8] 提出了一套分类算法,算法首先将流量序列对应各 日按相关阈值划分为两类水文日:高流量日和低流 量日(包括上升分支日和下降分支日),然后根据相 关阈值参数划分枯水流量、特枯流量、高流量脉冲、 小洪水和大洪水事件.算法包括7个主要阈值参 数,具体界定如表2.完成各阈值参数的设定后即 可对环境流组成的5种流量事件进行划分. 表2 主要阈值参数具体界定方法 Tab.2 The main threshold parameters and their defin d methodS 阈值参数 具体界定 高流量日上 序列的流量值按由小到大排序后的第75百分位 限百分位阈 数值,流量值高于该阈值的流量日被划分为高流 值(Thi h) 量日 高流量日下 序列的流量值按由小到大排序后的第5O百分位 限百分位阈 数值,流量值低于该闽值的流量151被划分为低流 值( ) 量日 25 ,当流量值介于高流量日上限百分位阈值和 高流量日起 高流量日下限百分位阈值之间时,该阈值控制着 始百分位阂 高流量脉冲过程的开始日,也控制着高流量日在 值(丁 ) 一个下降分支日后是否开始一个新的上升分 支日 lO ,当流量值介于高流量日上限百分位阀值和 高流量日结 高流量日下限百分位阈值之间时,该阈值控制着 束百分比阈 值(T ) 高流量脉冲过程的结束日,也控制着高流量日在 F降分支日和上升分支151的切换 小洪水重观 期年份阈值 2年,该阈值控制着高流量脉冲事件是否被划分 为小洪水 (T I1flc  ̄d) 大洪水重现 10年,该阈值控制着高流量脉冲事件是否被划分 期年份阈值 为大洪水 (Tj flo ̄ ̄d) 特枯流量白 序列的流量值按由小到大排序后的第1O百分位 分比阈值 (TXI ) 数值,该阈值控制着特枯流量事件的划分 2数据来源与计算方法 2.1数据来源 环境流指标研究主要选取了位于长江中下游 干流的选取宜昌、汉口、大通(为流量控制站),以及 城陵矶(反映湖泊调蓄的影响)4个水文站的逐日 流量资料,依据三峡工程开始蓄水运行的发生时间 (2003年),将4个水文站的水文序列分别划分为 1980年 ̄2002年和2003年~2012年两个变动水 文序列. 2.2环境流指标计算方法 1)依据水文序列划分方法,将宜昌、城陵矶、 汉口和大通四个水文站逐日流量水文序列分为蓄 水前和蓄水后两个变动水文序列. 2)采用水文变化指标分析(IHA)软件,对水 文站逐日流量水文序列分阶段统计34个环境流指 标,包括蓄水前后的中值、离散系数和偏差系数.中 值指的是一定水文序列计算长度下,序列流量值按 由小到大排序后的第5O百分位数值,反映计算 时段河流流量的一般水平;偏差系数(D,)是指蓄 水后各指标数值相对于蓄水前各指标数值的偏 差;离散系数(C。)反映与均值的偏离程度,计算 公式为: CD一(H—L)/M, 式中,H、I 和M分别指蓄水前后各水文序列的 第75百分位数、第25百位数和第50百分位数. 3)对比蓄水前后各环境流指标的统计结果, 分析三峡蓄水前后长江中下游环境流的变化 情况. 3计算结果与分析 3.1宜昌站 从不同流量事件的分布情况来看(图1),三峡 蓄水后,大洪水事件完全消失,小洪水事件和特枯 流量事件的发生次数明显减少,尤其是三峡水库第 二期蓄水运行(2006年)后,小洪水事件和特枯流 量事件也完全消失,流量过程全部划人枯水流量事 件和高流量脉冲事件的模式,表明流量的变化范围 变窄,环境流组成趋向于单一化.这一变化主要是 由于三峡水库“蓄丰补枯”的调度方式导致的,在汛 期削减洪峰流量,使得大、小洪水事件的发生次数 减少甚至消失,在非汛期通过泄水,增加下游河道 的枯水流量,使得特枯流量事件消失. 第5期 王学雷等:三峡1二程蓄水前后长江中下游环境流特征变化研究 799 19 ̄Yl/I 1臻£ l984 ,l 19 ̄VI1/5, l嗵 l 1991/8/5 1994/1/1 1996/5/1 19g ̄,/W720011111 麒 l X l,l2010/5]1 2012/9/l 图1 宜昌站不同流量事件分布图 Fig.1 Distribution of environment flow components at Yichang Station 从环境流指标的中值变化来看(表3),大洪水 特枯流量时间出现次数明显减少,高流量脉冲事件 出现次数增加;高流量脉冲和小洪水事件的上升率 和下降率均明显增加.受影响较大的环境流指标包 事件的变化最大,在三峡蓄水后该流量过程完全消 失;枯水流量事件变化较小,其量值在蓄水期和洪 水期略有下降,在其他月份略有增加;特枯流量和 高流量脉冲事件出现时间均有所提前,小洪水事件 出现时间明显推后;特枯流量事件的平均历时加 长,而高流量脉冲和小洪水事件的平均历时缩短; 括小洪水事件的上升率、下降率、平均历时,高流量 脉冲事件的上升率、下降率,特枯流量出现次数和 10月份枯水流量等7个指标,受影响较大的流量 事件是大洪水、小洪水以及特枯流量事件. 表3宜昌、城陵矶站环境流指标计算表 Tab.3 Statistics of environment flow parameters at Yichang and Chenglingj i Stations 宜昌站 流量事件 环境流指标 蓄水前 1月 2月 3月 4月 4 385 4 235 4 430 5 930 9 840 15 400 l7 95O 17 700 18 700 15 600 9 050 5 700 3 753 5.25 50.75 4 城陵矶站 偏差系数 O.O5 0.15 0.1 7 0.01 0.05 蓄水后 4 615 蓄水前 3 000 4 050 5 230 蓄水后 2 9OO 3 22O 5 330 偏差系数 4 853 5 l90 5 975 i0 350 14 200 l7 45O l7 950 15 700 8 228 9 100 9 688 9 155 8 385 8 345 7 15O 5 070 2 753 6 515 8 573 9 355 9 020 9 338 9 09O 4 910 2 793 2 365 5月 6月 0.08 0.03 各月枯水流量 7月 8月 9月 10月 11月 0.01 0.16 12 000 8 045 5 375 3 773 6 43.5 O 0.23 0.11 0.06 12月 极小值 0.01 O.14 0.14 1.OO 1 785 7 5 1 72O 4 平均历时 特枯流量 极小值出现时间 337.5 3.5 极小值出现次数 2 800 华中师范大学学报(自然科学版) 第49卷 3.2城陵矶站 所减少,特枯流量事件表现地更为集中化,且量值 有所增加.大多数流量过程划人特枯流量事件、枯 从不同流量事件的分布情况来看(图2),城陵 矶站的环境流组成在三峡蓄水前后变化不大.三峡 蓄水后,大洪水事件完全消失,小洪水事件的发生 水流量事件、高流量脉冲事件和小洪水事件模式, 相比宜昌站而言,环境流组成较为多样化,这与洞 次数明显减少,高流量脉冲事件的量值较蓄水前有 庭湖对长江干流流量的调蓄作用是分不开的. f ∽ ● g 蠲 毽 图2城陵矶站不同流量事件分布图 Fig.2 Distribution of environment flow components at Chenglingji Station 第5期 王学雷等:三峡工程蓄水前后长江中下游环境流特征变化研究 8O1 从环境流指标中值变化来看(表3),大洪水事 件的变化最大,在三峡蓄水后该流量过程完全消 失;枯水流量事件变化较小,只有10、11月份枯水 流量下降趋势较为明显;特枯流量事件和高流量脉 冲事件的平均历时缩短,而小洪水事件的平均历时 水平均历时和上升率等6个指标,受影响较大的流 量事件是大洪水和小洪水事件. 3.3汉口站 从不同流量事件的分布情况来看(图3),三峡 蓄水后,大洪水事件完全消失,小洪水事件和特枯 流量事件的发生次数明显减少,高流量脉冲事件和 枯水流量事件没有明显变化.大多数流量过程划人 枯水流量事件和高流量脉冲事件模式,流量的变化 范围逐渐变窄,环境流组成的单一化趋势也逐渐明 显.2006年以后,流量过程只有高流量脉冲和枯水 流量事件两种流量模式. 加长;特枯流量事件和小洪水事件的出现时间有不 同程度的提前,而高流量脉冲事件的出现时间略有 延迟;特枯流量事件的发生次数明显增加,这也是 洞庭湖流域在三峡蓄水后水位降低,湖泊面积减小 的原因之一.受影响较大的环境流指标包括特枯流 量出现次数、平均历时,10、11月份枯水流量,小洪 f ∞ ● 昌 出l 翅 图3汉口站不同流量事件分布图 表4汉口、大通站环境流指标计算表 Tab.4 Statistics of environment flow parameters at Hankou and Datong Stations 802 华中师范大学学报(自然科学版) 第49卷 极小值 平均历时 特枯流量 极小值出现时间 极小值出现次数 极大值 平均历时 极大值出现时间 高流量脉冲 极大值出现次数 上升率 下降率 极大值 平均历时 一 一 Ⅲ 3 一 一 一 ∞ 拟 。 一 一 一 一 。 一 一 极大值出现时间 小洪水 极大值出现次数 上升率 下降率 极大值 平均历时 极大值出现时间 大洪水 极大值出现次数 上升率 下降率 从环境流指标的中值变化来看(表4),大洪水 事件的变化最大,在三峡蓄水后该流量过程完全消 失;枯水流量事件整体上变化很小,只有l0、l1月 流量脉冲事件发生次数明显减少,由此也可以看 出,大通站的流量过程变化受三峡蓄水的影响较 小,受气候变化的影响较大.另外,高流量脉冲事件 份枯水流量略显下降;特枯流量事件和小洪水事 件的平均历时明显缩短,而高流量脉冲事件的平 均历时则显著延长;特枯流量事件的极小值出现 较蓄水前更加集中化.大多数流量过程划人特枯流 量、枯水流量和高流量脉冲事件模式,流量变化范 围逐渐变窄,环境流组成逐渐单一化. 从环境流指标的中值变化来看(表4),大洪水 事件的变化最大,在三峡蓄水后该流量过程完全消 时间略有延迟,出现次数明显减少;小洪水事件 的上升率和下降率较蓄水前增加.受影响较大的 环境流指标包括小洪水上升率、下降率和平均历 时,高流量脉冲事件的平均历时和上升率,特枯 流量事件的平均历时和极小值出现次数等7个 指标,受影响较大的流量事件是大洪水、小洪水 失;枯水流量事件整体上变化很小,只有11月份的 枯水流量明显下降;特枯流量事件的平均历时明显 缩短,而高流量脉冲事件和小洪水事件的平均历时 则有所延长;高流量脉冲事件的极大值出现次数增 加,而小洪水事件的极大值出现次数明显减少;小 和特枯流量事件. 3.4大通站 洪水事件的上升率和下降率均显著减少.受影响较 大的环境流指标包括小洪水上升率、下降率、极大 值出现次数和平均历时,高流量脉冲事件的极大值 出现次数和上升率,特枯流量事件的平均历时和 11月份的枯水流量等8个指标,受影响较大的流 从不同流量事件的分布情况来看(图4),大通 站的流量过程以枯水流量事件为主.三峡蓄水后, 大洪水事件完全消失,小洪水事件和特枯流量事件 的发生次数明显减少,且小洪水事件在蓄水后只发 生在2010年,2010年为典型丰水年,在这一年高 量事件是大洪水、小洪水和特枯流量事件. 第5期 王学雷等:三峡工程蓄水前后长江中下游环境流特征变化研究 803 图4大通站不同流量事件分布图 Fig.4 Distribution of environment flow components at Datong Station 4结论与讨论 宜昌、城陵矶、汉口和大通4个水文站的环境 参考文献: [1]Dyson M,Bergkamp G,Scanlon J.Flow:the essential of environmental flow[M].Gland:IUCN,2003(6-7):25 30. [2] Ruth M,Richter B D.Application of the indicators of hydro logic alternation software in environmental flow setting[J]. American water resources association, 2007,43(6): 1400—1413. 流组成在三峡蓄水前后呈不同程度的变化.总体而 言,流量变化范围在逐渐变窄,环境流组成也逐渐 趋于单一化,各水文站的流量事件以枯水流量事件 和高脉冲流量事件为主;三峡蓄水对大、小洪水事 件和特枯流量事件的影响较为显著,主要表现在: 大洪水事件的完全消失,小洪水事件和特枯流量事 件的发生次数明显减少;受影响较大的环境流指标 主要集中在小洪水事件和特枯流量事件的平均历 [3]Arthington A H,Bunn S E,Poff N L,et a1.The challenge of providing environmental flow rules to sustain river eeosys— tems[J].Ecological Applications,2006,16:131i-1315. [4] 付超.世界自然保护联盟关于环境流的认识ⅢJ].水利水电 快报,2006(11):卜4. E5]陈进.中国环境流研究与实践[M].北京:中国水利水电出 时、发生次数、上升率、下降率以及蓄水期的枯水流 量等. 版社,2011:3-9,39 58. [6]王西琴,刘斌,张远.环境流量界定与管理[M].北京: 三峡工程运行对长江中下游生态水文指标和 环境流指标的影响,整体上表现出随着离三峡大坝 距离的增加而有不同程度减弱的趋势;沿程汉江支 流的汇入,以及洞庭湖、鄱阳湖对长江干流水文情 中国水利水电出版社,2010. E7]Richter B D,Thomas G A.Restoring environmental flows by modifying dam operations[J].Ecology and Society, 2007,12(1):12. 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Study on environmental flow change in the middle—lower Yangtze River before and after the impoundment of the Three Gorges Dam WANG Xuelei ~,JIANG Liuzhi ’ (1.Institute of Geodesy and Geophysics,Chinese Academy of Sciences,Wuhan 430077: 2.Key Laboratory of Hubei for Environment and Disaster Monitoring and Evaluation,Wuhan 430077) Abstract:Environmental flow is a hydrological regime process to ensure the develop— 804 华中师范大学学报(自然科学版) 第49卷 ment of river ecosystem and ecological restoration.The impoundment of the Three Gor— ges Dam(TGR)has resulted in profound impacts on the hydrological regimes of the middle—lower Yangtze River.In the present study,alterations in hydrological character— istics and environment flow of the middle—lower Yangtze River were analyzed based on IHA method.Results show that the environmental flow of Yichang,Chenglingji,Ha— nkou and Datong changes in different degrees;The structure of environment flow is gradually tending more simplified;The flow events of all the hydrologic stations are mainly low—flow and high pulse flow;The impounding of TGR has a significant effect on 1arge and sma11 flood events and low water flow event;The influence on indexes of IHA and EFC bv the operation of TGR decreases with the distance from the dam and is re lieved by the regulation of natural lakes(Dongting and Poyang lakes)and Hanjiang Riv— er. Key words:environmental flow;Three Gorges Dam;impoundment;middle—lower Yan— gtze River (上接第796页) Study on influence factors of land use patterns in Hubei Province ZHANG Yi ~.XIE Sheng。 Earth Science。China University of Geoseiences,Wuhan 430074 (1.School of Environmental Science,Central China Normal University,Wuhan 430079) 2.School of Urban and Abstract:The characters of land use patterns in Huber Province were revealed using spatia1 and landscape ecology analysis of geographic information systems.The land use maD of Hubei Province in 2009 was combined with DEM,meteorological,hydrological and socio—economic data. Based on this,the main factors influencing the land use pat— terns were analyzed.The results show that the main influence factors varied with the tvDe of land. For farm1and,the most relevant factor with the plaque numbers is eleva— tion.followed sequentially by GDP,slope,population density,precipitation,tempera— ture,road network densitv,distance to water, which are all significantly correlated. For woodland,the significance of different factors correlated with the plaque numbers are ranked in descending order as elevation,population density,GDP,latitude,aspect, longitude,temperature,precipitation,road density,and the distance from the river. With resDect to the water area,the order changed into:road network density,slope,el evation,GDP,latitude,rainfall,population density,latitude,slope and temperature. Besides,the descending order for construction land presents as temperatures,road den— sitv。etevation,distance from the river,slope,latitude,longitude,GDP,population density,slope and rainfal1. Key words:land use patterns;influence factors;Hubei Province