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)



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1，2*, 姜刘志1，2

(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)

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；沿程汉江支流的汇入，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.

环境流； 三峡工程； 蓄水； 长江中下游

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[2-5].

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种流量事件[6-7]，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.

表1 环境流量组分及其意义

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

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50百分位数值，反映计算时段河流流量的一般水平；偏差系数(DF)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(CD)反映与均值的偏离程度，计算公式为：

CD=(H-L)/M，

式中，H、L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，流量过程全部划入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.

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；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

续表3

3.2 城陵矶站

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，小洪水事件的发生次数明显减少，高流量脉冲事件的量值较蓄水前有所减少，特枯流量事件表现地更为集中化，且量值有所增加.大多数流量过程划入特枯流量事件、枯水流量事件、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，这与洞庭湖对长江干流流量的调蓄作用是分不开的.

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

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.大多数流量过程划入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.

图3 汉口站不同流量事件分布图Fig.3 Distribution of environment flow components at Hankou Station

表4 汉口、大通站环境流指标计算表

续表4

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10、11月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、小洪水和特枯流量事件.

3.4 大通站

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，高流量脉冲事件较蓄水前更加集中化.大多数流量过程划入特枯流量、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，受影响较大的流量事件是大洪水、小洪水和特枯流量事件.

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时、发生次数、上升率、下降率以及蓄水期的枯水流量等.

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势的调蓄作用在一定程度上缓解了三峡蓄水带来的影响.

[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 hydrologic alternation software in environmental flow setting[J]. American water resources association， 2007， 43(6): 1400-1413．

[3] Arthington A H， Bunn S E， Poff N L， et al. The challenge of providing environmental flow rules to sustain river ecosystems[J]. Ecological Applications， 2006， 16: 1311-1315．

[4] 付 超. 世界自然保护联盟关于环境流的认识[J].水利水电快报， 2006 (11): 1-4．

[5] 陈 进. 中国环境流研究与实践[M].北京：中国水利水电出版社，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：中国水利水电出版社，2010．

[7] Richter B D， Thomas G A. Restoring environmental flows by modifying dam operations [J]. Ecology and Society， 2007， 12(1): 12．

[8] Richter B D， Warner A T， Meyer J L， et al. A collaborative and adaptive process for developing environmental flow recommendations [J]. River Research and Applications， 2006， 22: 297-318．

Study on environmental flow change in the middle-lower Yangtze River before and after the impoundment of the Three Gorges Dam

WANG Xuelei1，2, JIANG Liuzhi1，2

(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)

Environmental flow is a hydrological regime process to ensure the development of river ecosystem and ecological restoration. The impoundment of the Three Gorges Dam (TGR) has resulted in profound impacts on the hydrological regimes of the middle-lower Yangtze River. In the present study， alterations in hydrological characteristics and environment flow of the middle-lower Yangtze River were analyzed based on IHA method. Results show that the environmental flow of Yichang， Chenglingji， Hankou 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 large and small flood events and low water flow event; The influence on indexes of IHA and EFC by the operation of TGR decreases with the distance from the dam and is relieved by the regulation of natural lakes (Dongting and Poyang lakes) and Hanjiang River．

environmental flow； Three Gorges Dam； impoundment； middle-lower Yangtze River

2015-06-10.

国家自然科学基金项目(41171426)；中国科学院测地所重要方向项目.

. 王学雷(1965- )，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.

1000-1190(2015)05-0797-08

TV213;TV

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