挠力河流域商住区得水通量对水文过程的影响

挠力河流域商住区得水通量对水文过程的影响

水库建设是影响流域内水流时空和水质的重要方法。水库对水流的阻断作用使河道上、下游在纵向和横向的连通性发生改变,也使季节性洪泛区域的生境发生改变,进而影响其生物多样性的维持。近几年来,有关水库对流域湿地水文和生态过程的影响研究在不断开展[5,6,7,8,9,10,11,12,13,14]。由于河流的水文、水力特性,物理化学特性以及河流生态学特性的改变能严重影响河流生态系统的结构和功能,因而在河流生态系统研究中备受关注。以灌溉和防洪为主要目的兴建的水库,对下游河道生态水文过程的干扰是相当明显的。龙头桥水库是一座以灌溉和防洪为主的水库,并兼顾发电、养殖和发展水库区旅游业的大型水利水电枢纽工程,是当前挠力河第一座大型控制性工程1,也是三江平原最大的水库。由于该水库位于挠力河国家级湿地自然保护区和宝清县东升省级湿地自然保护区的上游,自建设和运行以来,作者对龙头桥水库影响下游湿地水文过程的研究工作一直给予了密切的关注,至今还未见龙头桥水库对下游湿地水文过程扰动效应的相关研究报道。本文对龙头桥水库运行后,宝清水文站和菜咀子水文站之间的下游河道流量、水位、河道连底冻现象发生时间和几率的变化,以及湿地水域食物链被破坏等进行了研究,分析了龙头桥水库对坝址下游湿地水文过程的影响。研究结果能为改善水库的运行管理方式,寻求减小水库对下游湿地负面影响的方法和途径提供参考数据和建议。1龙头桥储水区1.1宝清县部分包合河区域经济发展现状挠力河流域(46°N~48°N,131°E~134°E)位于黑龙江省东部地区,流域总面积为24863km2,其中山区面积为8320km2,山丘面积为1197km2,平原面积为15346km2。龙头桥水库位于挠力河上游宝清县西南,距宝清县城52km。龙头桥水库淹没区在七台河市、密山市和宝清县境内。龙头桥水库枢纽工程位于宝清县龙头乡境内,其坝址的中心位置为46°02′N,132°00′E。龙头桥水库在挠力河流域中所处的位置详见图1。1.2龙桥水库的建设和运营时间龙头桥水库于1998年4月开工兴建,1999年9月28日正式截流蓄水,2002年8月竣工。至今已有蓄水运行了7a多的时间。1.3水库水质、水量龙头桥水库大坝高25.7m,坝顶长度760m,死库容0.255×108m3,兴利库容2.993×108m3,水库总库容6.146×108m3。淹没区最小标高125.35m,最大标高128.17m,淹没耕地3292.2hm2,其它用地105hm2,为大(Ⅱ)型水库。水库正常运用(设计)洪水标准P=1%所对应的流量为1401m3/s;非常运用(校核)洪水标准P=0.05%所对应的流量2683m3/s。水库集水面积为1730km2,龙头桥至头道岗区间面积为318km2,头道岗至万金山区间面积为1641km2,位置均在宝清水文站以上。水库多年平均径流深为157.0mm,变差系数Cv=0.76,偏差系数Cs=2.0Cv。水库多年平均来水量为2.71×108m3,龙头桥至头道岗区间多年平均来水量为0.5×108m3,头道岗至万金山区间多年平均来水量为2.58×108m3。水库设计灌溉面积4.24×108hm2,其中水田2.0×104hm2,旱田2.24×104hm2,年需水量2.84×108m3,其中水库补偿调节水量2.13×108m3,利有区间(指输水渠集水区)水量0.71×108m3。龙头桥水库与下游堤防联合运用,提高了挠力河干流的防洪标准。水库提供防洪库容1.75×108m3,坝址20年一遇洪峰流量为768m3/s,削减为120m3/s,使宝石河口以上堤防标准由10年提高到20年,宝清至七里沁河口堤防由现状6~8年提高到7~13年,能保护耕地1.75×108hm2,村屯29个12。1.4不向下游释放龙头桥水库在每年的5月初至8月底向下游泄水、灌溉和发电;在9~12月和翌年的1~4月期间,水库关闭闸门,停止向下游放水;4月份主要蓄积冰雪融化水用于灌溉和发电。即一个水文年当中有8个月不向下游放水,如果以非汛期作为计算时间跨度,根据多年水文数据分析,此8个月期间的平均流量为4.22m3/s,经初步计算,与水库修建前相比,约减少87×106m3水量下泄。这部分水量实际上是对下游生态用水的侵占。龙头桥水库洪水调度采用一级控制,砍平头操作,即当发生20年一遇洪水时,水库按下游防洪安全泄量(120m3/s)控制泄流,安全泄量与区间20年一遇洪峰流量叠加后不超过宝清站10年一遇洪峰流量,当水库水位超过20年一遇的防洪水位后,水库将不再考虑下游防洪要求,打开闸门自由泄流,以确保水库大坝的安全。2宝清水文站和菜咀子水文站之间将龙头桥水库坝址下游湿地的研究区设定在46°20′N~47°13′N,132°15′E~133°20′E范围内,即宝清水文站和菜咀子水文站之间。利用了龙头桥水库坝址下游的宝清水文站和菜咀子水文站1956~2006年水情要素的实测数据和水文现象记录资料,以及龙头桥水库的所有设计参数数据,数据和资料来源于黑龙江省佳木斯市水文局和黑龙江农垦勘测设计研究院。3龙桥水库对水库下游湿地水文过程的影响龙头桥水库属于多年调节水库,水库对坝址下游(宝清水文站和菜咀子水文站之间)湿地的水文过程有明显影响。3.1流量对下游的影响龙头桥水库运行前、后时期的宝清水文站各月平均流量变化情况如图2所示。20世纪60年代至90年代,宝清站最大流量都出现在8月(洪水季节),而在2000~2006年期间,7~10月的流量减少特别明显,8月并未出现全年最大的流量;在4~6月,宝清站出现了相对较大的流量,在前4个年代这可能与这期间有大量的积雪融化水和冻土层解冻形成壤中流汇水进入河流有关,而自2000年以来,还与水库的下泄流量有关。总体看,2000年以来宝清站一年中各月平均流量的变化状况与修建水库以前明显不同,缺少了春汛和夏汛带来的起伏变化,而呈均匀化状态。这是因为在水库放水期间,由于流量受控,其变化幅度很小,人为改变了河流天然状况下的洪、枯水季节流量,从而减小了年平均径流量和洪水频率;在9~12月期间,因水库关闸,停止泄水,还可能引起下游河流断流。4月,龙头桥水库蓄积了大量来自上游的积雪融化水;5月,为了灌溉和发电的需求,水库放水,这对下游湿地春汛过程影响明显。这是因为,水库修建前下游湿地能通过天然河流季节性脉冲(如春汛和夏汛)过程来补充水量和营养物质,而水库修建后,这样的天然水文过程明显减少,甚至消失。如果4月期间积雪融化水量较少,水库还可能会推迟到5月中、下旬才开始放水,这将使下游一定河段明显推迟或失去春汛过程。7~8月(夏汛),水库蓄积了上游山区大量的径流来水,由于向下游放水时控制流量,使得原来下游河漫滩湿地或闭合低洼湿地的洪泛过程机率减少,即使有洪泛过程,其作用强度也明显减小了。另外,因为水中的泥沙在水库里已经沉积,所以水库的泄水以清水为主,这对水库下游一定区段河床有一定的淘刷作用,使河床容易变形,不如天然情况下稳定。有研究认为,1957~1999年,宝清和菜咀子的年平均流量呈波动减少趋势,这与挠力河流域的年降水量变化趋势相似;但是也有研究结果表明,1956~2000年,宝清和菜咀子水文站控制断面上游区域降水量虽然有所减少,但径流深的递减变化量远大于降水量的减少量。龙头桥水库以上流域控制面积为1730km2,多年平均径流深为157.0mm;宝清站以上流域控制面积为3689km2,多年平均径流深为152.3mm;而宝清站至水库坝址区间河段的多年平均径流深只有148.1mm;所以除了降水量对宝清站流量的减少有贡献外,水库蓄水及其用于灌溉的耗水是宝清站流量减少的主要原因。3.2连底冻的现象根据宝清水文站资料统计,1961~1998年期间,挠力河宝清站段没有在4月出现过连底冻的现象,而从1999年开始,其在此期间出现了连底冻的现象;1961~1998年期间,有4a的12月此段河流出现了连底冻的现象,发生频率为10.5%;1999~2006年期间则有7a的12月此段河流出现了连底冻的现象,发生频率为87.5%。3.3减少陆面蒸散量据估算,水库灌溉用水除了20%~30%的水量入渗地下,参与了挠力河流域地下水循环外,其余大部分灌溉用水消耗于水田蒸散。若从流域水循环的角度考虑,这相当于增加了流域的陆面蒸散量。水田有宽10cm左右的田垄,它能使一部分降水蓄积起来,这可能会在同等降水条件下,使水田比旱田少产生一些径流量。研究结果显示,旱田改成水田至少能减少20%~30%的径流量,有时甚至高达50%以上。这大大影响了流域下游湿地的来水量。可以估算,除龙头桥水库本身对径流蓄积影响以外,如果有2.0×104hm2的旱田改成水田,若以宝清水文站控制断面以上区域多年平均径流深152.3mm计算,则相当于进入湿地的径流量大约减少了609~1523×104m3。3.4座水库的库容变化挠力河流域内已建成的蓄水工程有龙头桥、蛤蚂通、清河、大索伦4座大、中型水库和三环泡滞洪区。4座水库建设、运行后,挠力河下游河流地表水位明显下降(图3)。因为龙桥水库的库容是其它3座水库库容总量的3.2倍,所以龙头桥水库的影响是主要的。如图3所示,1999~2002年期间,菜咀子水文站各月平均地表水位比1961~1998年期间降低了0.14~1.56m,6~12月期间月平均地表水位下降最明显,降低幅度达0.50~1.56m。龙头桥水库运行后,宝清水文站5年一遇的洪水位降低了0.36m,3年一遇低的洪水位降低了0.03m;炮台亮子断面5年一遇洪水位降低了0.12m,3年一遇的洪水位降低了0.02m;菜咀子站5年一遇洪水位降低了0.06m。3.5地表水与地下水位的关系比较2001年和2002年菜咀子水文站河段的地表水位与地下水位的月平均值发现(图4),其地表水位与地下水位呈现同步变化,经计算和检验,2001年和2002年该河段地表水位与地下水位存在显著的线性正相关关系(2001年,n=12,r=0.73,α=0.01;2002年,n=12,r=0.8707,α=0.001),即挠力河下游河流地表水与地下水联系紧密。龙头桥水库蓄积洪水后,必然会减少下游湿地的洪泛几率,而洪水在补充下游湿地地表水水量的同时也补充了其地下水水量,因此这将减少下游湿地的地下水补充量,也影响了其参与湿地水文过程的水量。3.6河流湿地生态环境现状龙头桥水库作为挠力河流域最大的水库,其水文过程变化必然带来生态效应,并在流域空间尺度上表现在湿地生态过程的响应上,如缺水湿地区的湿生植被向旱生植物演替。在龙头桥水库建坝后,坝址以下的挠力河区段水流流量明显减小且水流趋于平缓,也使得河岸交错带的水文过程不似天然状态下的涨落频繁而变得相对平缓,河流与河岸在横向梯度上物质的传输也随之减少,水文过程的改变能明显影响河岸交错带沿河岸纵向与横向的生物多样性分布。龙头桥水库位于山区,水库蓄水后,在每年的5~9月期间向下游泄水,这使得其下游湿地来水水量、水质和水温都发生了较大的变化。龙头桥水库坝址下游湿地的水源除降水外,还有上游来水和浅层地下水。大坝对水流的阻隔和控制,削弱了春汛和夏汛洪峰过程,减少了闭合低洼湿地与外界的水量及物质的交换。由于上游地表来水量明显减少,使得补充湿地地下水的水量减少,加深了地下水位的埋深。有研究表明,地下水位的埋深对湿地植被的演替有明显的影响。原来山区径流中挟带的适宜湿地生物食用的有机营养物质,能随地表径流(如以桃花水的形式)进入湿地,为湿地生物提供食物,水库建成后,水中的营养物质被大量截留,这对下游湿地生物的食物链有很大的负面影响。龙头桥水库所在区域平均冻土深度为1.79m,最大冻深可达2.53m,冬季水面结冰层厚度一般达0.9~1.1m。如果在冻结季节河流湿地水位下降,将导致冻土层内含水量减少,这样就会减少翌年补给湿地的融冻水,对湿地植被生长不利;还会导致水深小于1.1m的河流湿地面积增大,从而增大了河流湿地冬季连底冻的范围,减少了湿地生物越冬的水域空间,这将对在湿地中越冬的鱼类等湿地生物造成灾难性的毁灭。例如,1999年为修建农场,在黑龙省西部哈拉哈尔湿地附近修建了排水工程,2000年开冻后,湿地水面漂浮了大量的死鱼,这是因为排水导致了湿地水位下降,而使湿地中的鱼被冻死造成的。4建立湿地水文监测和生物多样性监测的长效机制龙头桥水库的建设与运行,加剧了下游湿地缺水的局势。应当尽可能减少龙头桥水库对下游区域水文情势的影响,使下游河道水文过程与天然状况尽可能相似,增加向湿地下泄流量并延长泄水时间。建议在每年的4月和10~12月期间,应当下泄不小于3m3/s流量的水量,防止下游河道断流,同时提高湿地保护区冻结期水位深度,为湿地生物提供一个安全的越冬环境。挠力河流域湿地保护区(包括七星河和挠力河两个国家