撓力河流域商住區(qū)得水通量對(duì)水文過程的影響

撓力河流域商住區(qū)得水通量對(duì)水文過程的影響

水庫建設(shè)是影響流域內(nèi)水流時(shí)空和水質(zhì)的重要方法。水庫對(duì)水流的阻斷作用使河道上、下游在縱向和橫向的連通性發(fā)生改變,也使季節(jié)性洪泛區(qū)域的生境發(fā)生改變,進(jìn)而影響其生物多樣性的維持。近幾年來,有關(guān)水庫對(duì)流域濕地水文和生態(tài)過程的影響研究在不斷開展[5,6,7,8,9,10,11,12,13,14]。由于河流的水文、水力特性,物理化學(xué)特性以及河流生態(tài)學(xué)特性的改變能嚴(yán)重影響河流生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能,因而在河流生態(tài)系統(tǒng)研究中備受關(guān)注。以灌溉和防洪為主要目的興建的水庫,對(duì)下游河道生態(tài)水文過程的干擾是相當(dāng)明顯的。龍頭橋水庫是一座以灌溉和防洪為主的水庫,并兼顧發(fā)電、養(yǎng)殖和發(fā)展水庫區(qū)旅游業(yè)的大型水利水電樞紐工程,是當(dāng)前撓力河第一座大型控制性工程1,也是三江平原最大的水庫。由于該水庫位于撓力河國(guó)家級(jí)濕地自然保護(hù)區(qū)和寶清縣東升省級(jí)濕地自然保護(hù)區(qū)的上游,自建設(shè)和運(yùn)行以來,作者對(duì)龍頭橋水庫影響下游濕地水文過程的研究工作一直給予了密切的關(guān)注,至今還未見龍頭橋水庫對(duì)下游濕地水文過程擾動(dòng)效應(yīng)的相關(guān)研究報(bào)道。本文對(duì)龍頭橋水庫運(yùn)行后,寶清水文站和菜咀子水文站之間的下游河道流量、水位、河道連底凍現(xiàn)象發(fā)生時(shí)間和幾率的變化,以及濕地水域食物鏈被破壞等進(jìn)行了研究,分析了龍頭橋水庫對(duì)壩址下游濕地水文過程的影響。研究結(jié)果能為改善水庫的運(yùn)行管理方式,尋求減小水庫對(duì)下游濕地負(fù)面影響的方法和途徑提供參考數(shù)據(jù)和建議。1龍頭橋儲(chǔ)水區(qū)1.1寶清縣部分包合河區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展現(xiàn)狀撓力河流域(46°N~48°N,131°E~134°E)位于黑龍江省東部地區(qū),流域總面積為24863km2,其中山區(qū)面積為8320km2,山丘面積為1197km2,平原面積為15346km2。龍頭橋水庫位于撓力河上游寶清縣西南,距寶清縣城52km。龍頭橋水庫淹沒區(qū)在七臺(tái)河市、密山市和寶清縣境內(nèi)。龍頭橋水庫樞紐工程位于寶清縣龍頭鄉(xiāng)境內(nèi),其壩址的中心位置為46°02′N,132°00′E。龍頭橋水庫在撓力河流域中所處的位置詳見圖1。1.2龍橋水庫的建設(shè)和運(yùn)營(yíng)時(shí)間龍頭橋水庫于1998年4月開工興建,1999年9月28日正式截流蓄水,2002年8月竣工。至今已有蓄水運(yùn)行了7a多的時(shí)間。1.3水庫水質(zhì)、水量龍頭橋水庫大壩高25.7m,壩頂長(zhǎng)度760m,死庫容0.255×108m3,興利庫容2.993×108m3,水庫總庫容6.146×108m3。淹沒區(qū)最小標(biāo)高125.35m,最大標(biāo)高128.17m,淹沒耕地3292.2hm2,其它用地105hm2,為大(Ⅱ)型水庫。水庫正常運(yùn)用(設(shè)計(jì))洪水標(biāo)準(zhǔn)P=1%所對(duì)應(yīng)的流量為1401m3/s;非常運(yùn)用(校核)洪水標(biāo)準(zhǔn)P=0.05%所對(duì)應(yīng)的流量2683m3/s。水庫集水面積為1730km2,龍頭橋至頭道崗區(qū)間面積為318km2,頭道崗至萬金山區(qū)間面積為1641km2,位置均在寶清水文站以上。水庫多年平均徑流深為157.0mm,變差系數(shù)Cv=0.76,偏差系數(shù)Cs=2.0Cv。水庫多年平均來水量為2.71×108m3,龍頭橋至頭道崗區(qū)間多年平均來水量為0.5×108m3,頭道崗至萬金山區(qū)間多年平均來水量為2.58×108m3。水庫設(shè)計(jì)灌溉面積4.24×108hm2,其中水田2.0×104hm2,旱田2.24×104hm2,年需水量2.84×108m3,其中水庫補(bǔ)償調(diào)節(jié)水量2.13×108m3,利有區(qū)間(指輸水渠集水區(qū))水量0.71×108m3。龍頭橋水庫與下游堤防聯(lián)合運(yùn)用,提高了撓力河干流的防洪標(biāo)準(zhǔn)。水庫提供防洪庫容1.75×108m3,壩址20年一遇洪峰流量為768m3/s,削減為120m3/s,使寶石河口以上堤防標(biāo)準(zhǔn)由10年提高到20年,寶清至七里沁河口堤防由現(xiàn)狀6~8年提高到7~13年,能保護(hù)耕地1.75×108hm2,村屯29個(gè)12。1.4不向下游釋放龍頭橋水庫在每年的5月初至8月底向下游泄水、灌溉和發(fā)電;在9~12月和翌年的1~4月期間,水庫關(guān)閉閘門,停止向下游放水;4月份主要蓄積冰雪融化水用于灌溉和發(fā)電。即一個(gè)水文年當(dāng)中有8個(gè)月不向下游放水,如果以非汛期作為計(jì)算時(shí)間跨度,根據(jù)多年水文數(shù)據(jù)分析,此8個(gè)月期間的平均流量為4.22m3/s,經(jīng)初步計(jì)算,與水庫修建前相比,約減少87×106m3水量下泄。這部分水量實(shí)際上是對(duì)下游生態(tài)用水的侵占。龍頭橋水庫洪水調(diào)度采用一級(jí)控制,砍平頭操作,即當(dāng)發(fā)生20年一遇洪水時(shí),水庫按下游防洪安全泄量(120m3/s)控制泄流,安全泄量與區(qū)間20年一遇洪峰流量疊加后不超過寶清站10年一遇洪峰流量,當(dāng)水庫水位超過20年一遇的防洪水位后,水庫將不再考慮下游防洪要求,打開閘門自由泄流,以確保水庫大壩的安全。2寶清水文站和菜咀子水文站之間將龍頭橋水庫壩址下游濕地的研究區(qū)設(shè)定在46°20′N~47°13′N,132°15′E~133°20′E范圍內(nèi),即寶清水文站和菜咀子水文站之間。利用了龍頭橋水庫壩址下游的寶清水文站和菜咀子水文站1956~2006年水情要素的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和水文現(xiàn)象記錄資料,以及龍頭橋水庫的所有設(shè)計(jì)參數(shù)數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)和資料來源于黑龍江省佳木斯市水文局和黑龍江農(nóng)墾勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院。3龍橋水庫對(duì)水庫下游濕地水文過程的影響龍頭橋水庫屬于多年調(diào)節(jié)水庫,水庫對(duì)壩址下游(寶清水文站和菜咀子水文站之間)濕地的水文過程有明顯影響。3.1流量對(duì)下游的影響龍頭橋水庫運(yùn)行前、后時(shí)期的寶清水文站各月平均流量變化情況如圖2所示。20世紀(jì)60年代至90年代,寶清站最大流量都出現(xiàn)在8月(洪水季節(jié)),而在2000~2006年期間,7~10月的流量減少特別明顯,8月并未出現(xiàn)全年最大的流量;在4~6月,寶清站出現(xiàn)了相對(duì)較大的流量,在前4個(gè)年代這可能與這期間有大量的積雪融化水和凍土層解凍形成壤中流匯水進(jìn)入河流有關(guān),而自2000年以來,還與水庫的下泄流量有關(guān)。總體看,2000年以來寶清站一年中各月平均流量的變化狀況與修建水庫以前明顯不同,缺少了春汛和夏汛帶來的起伏變化,而呈均勻化狀態(tài)。這是因?yàn)樵谒畮旆潘陂g,由于流量受控,其變化幅度很小,人為改變了河流天然狀況下的洪、枯水季節(jié)流量,從而減小了年平均徑流量和洪水頻率;在9~12月期間,因水庫關(guān)閘,停止泄水,還可能引起下游河流斷流。4月,龍頭橋水庫蓄積了大量來自上游的積雪融化水;5月,為了灌溉和發(fā)電的需求,水庫放水,這對(duì)下游濕地春汛過程影響明顯。這是因?yàn)?水庫修建前下游濕地能通過天然河流季節(jié)性脈沖(如春汛和夏汛)過程來補(bǔ)充水量和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),而水庫修建后,這樣的天然水文過程明顯減少,甚至消失。如果4月期間積雪融化水量較少,水庫還可能會(huì)推遲到5月中、下旬才開始放水,這將使下游一定河段明顯推遲或失去春汛過程。7~8月(夏汛),水庫蓄積了上游山區(qū)大量的徑流來水,由于向下游放水時(shí)控制流量,使得原來下游河漫灘濕地或閉合低洼濕地的洪泛過程機(jī)率減少,即使有洪泛過程,其作用強(qiáng)度也明顯減小了。另外,因?yàn)樗械哪嗌吃谒畮炖镆呀?jīng)沉積,所以水庫的泄水以清水為主,這對(duì)水庫下游一定區(qū)段河床有一定的淘刷作用,使河床容易變形,不如天然情況下穩(wěn)定。有研究認(rèn)為,1957~1999年,寶清和菜咀子的年平均流量呈波動(dòng)減少趨勢(shì),這與撓力河流域的年降水量變化趨勢(shì)相似;但是也有研究結(jié)果表明,1956~2000年,寶清和菜咀子水文站控制斷面上游區(qū)域降水量雖然有所減少,但徑流深的遞減變化量遠(yuǎn)大于降水量的減少量。龍頭橋水庫以上流域控制面積為1730km2,多年平均徑流深為157.0mm;寶清站以上流域控制面積為3689km2,多年平均徑流深為152.3mm;而寶清站至水庫壩址區(qū)間河段的多年平均徑流深只有148.1mm;所以除了降水量對(duì)寶清站流量的減少有貢獻(xiàn)外,水庫蓄水及其用于灌溉的耗水是寶清站流量減少的主要原因。3.2連底凍的現(xiàn)象根據(jù)寶清水文站資料統(tǒng)計(jì),1961~1998年期間,撓力河寶清站段沒有在4月出現(xiàn)過連底凍的現(xiàn)象,而從1999年開始,其在此期間出現(xiàn)了連底凍的現(xiàn)象;1961~1998年期間,有4a的12月此段河流出現(xiàn)了連底凍的現(xiàn)象,發(fā)生頻率為10.5%;1999~2006年期間則有7a的12月此段河流出現(xiàn)了連底凍的現(xiàn)象,發(fā)生頻率為87.5%。3.3減少陸面蒸散量據(jù)估算,水庫灌溉用水除了20%~30%的水量入滲地下,參與了撓力河流域地下水循環(huán)外,其余大部分灌溉用水消耗于水田蒸散。若從流域水循環(huán)的角度考慮,這相當(dāng)于增加了流域的陸面蒸散量。水田有寬10cm左右的田壟,它能使一部分降水蓄積起來,這可能會(huì)在同等降水條件下,使水田比旱田少產(chǎn)生一些徑流量。研究結(jié)果顯示,旱田改成水田至少能減少20%~30%的徑流量,有時(shí)甚至高達(dá)50%以上。這大大影響了流域下游濕地的來水量?？梢怨浪?除龍頭橋水庫本身對(duì)徑流蓄積影響以外,如果有2.0×104hm2的旱田改成水田,若以寶清水文站控制斷面以上區(qū)域多年平均徑流深152.3mm計(jì)算,則相當(dāng)于進(jìn)入濕地的徑流量大約減少了609~1523×104m3。3.4座水庫的庫容變化撓力河流域內(nèi)已建成的蓄水工程有龍頭橋、蛤螞通、清河、大索倫4座大、中型水庫和三環(huán)泡滯洪區(qū)。4座水庫建設(shè)、運(yùn)行后,撓力河下游河流地表水位明顯下降(圖3)。因?yàn)辇垬蛩畮斓膸烊菔瞧渌?座水庫庫容總量的3.2倍,所以龍頭橋水庫的影響是主要的。如圖3所示,1999~2002年期間,菜咀子水文站各月平均地表水位比1961~1998年期間降低了0.14~1.56m,6~12月期間月平均地表水位下降最明顯,降低幅度達(dá)0.50~1.56m。龍頭橋水庫運(yùn)行后,寶清水文站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;炮臺(tái)亮子斷面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地表水與地下水位的關(guān)系比較2001年和2002年菜咀子水文站河段的地表水位與地下水位的月平均值發(fā)現(xiàn)(圖4),其地表水位與地下水位呈現(xiàn)同步變化,經(jīng)計(jì)算和檢驗(yàn),2001年和2002年該河段地表水位與地下水位存在顯著的線性正相關(guān)關(guān)系(2001年,n=12,r=0.73,α=0.01;2002年,n=12,r=0.8707,α=0.001),即撓力河下游河流地表水與地下水聯(lián)系緊密。龍頭橋水庫蓄積洪水后,必然會(huì)減少下游濕地的洪泛幾率,而洪水在補(bǔ)充下游濕地地表水水量的同時(shí)也補(bǔ)充了其地下水水量,因此這將減少下游濕地的地下水補(bǔ)充量,也影響了其參與濕地水文過程的水量。3.6河流濕地生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀龍頭橋水庫作為撓力河流域最大的水庫,其水文過程變化必然帶來生態(tài)效應(yīng),并在流域空間尺度上表現(xiàn)在濕地生態(tài)過程的響應(yīng)上,如缺水濕地區(qū)的濕生植被向旱生植物演替。在龍頭橋水庫建壩后,壩址以下的撓力河區(qū)段水流流量明顯減小且水流趨于平緩,也使得河岸交錯(cuò)帶的水文過程不似天然狀態(tài)下的漲落頻繁而變得相對(duì)平緩,河流與河岸在橫向梯度上物質(zhì)的傳輸也隨之減少,水文過程的改變能明顯影響河岸交錯(cuò)帶沿河岸縱向與橫向的生物多樣性分布。龍頭橋水庫位于山區(qū),水庫蓄水后,在每年的5~9月期間向下游泄水,這使得其下游濕地來水水量、水質(zhì)和水溫都發(fā)生了較大的變化。龍頭橋水庫壩址下游濕地的水源除降水外,還有上游來水和淺層地下水。大壩對(duì)水流的阻隔和控制,削弱了春汛和夏汛洪峰過程,減少了閉合低洼濕地與外界的水量及物質(zhì)的交換。由于上游地表來水量明顯減少,使得補(bǔ)充濕地地下水的水量減少,加深了地下水位的埋深。有研究表明,地下水位的埋深對(duì)濕地植被的演替有明顯的影響。原來山區(qū)徑流中挾帶的適宜濕地生物食用的有機(jī)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),能隨地表徑流(如以桃花水的形式)進(jìn)入濕地,為濕地生物提供食物,水庫建成后,水中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)被大量截留,這對(duì)下游濕地生物的食物鏈有很大的負(fù)面影響。龍頭橋水庫所在區(qū)域平均凍土深度為1.79m,最大凍深可達(dá)2.53m,冬季水面結(jié)冰層厚度一般達(dá)0.9~1.1m。如果在凍結(jié)季節(jié)河流濕地水位下降,將導(dǎo)致凍土層內(nèi)含水量減少,這樣就會(huì)減少翌年補(bǔ)給濕地的融凍水,對(duì)濕地植被生長(zhǎng)不利;還會(huì)導(dǎo)致水深小于1.1m的河流濕地面積增大,從而增大了河流濕地冬季連底凍的范圍,減少了濕地生物越冬的水域空間,這將對(duì)在濕地中越冬的魚類等濕地生物造成災(zāi)難性的毀滅。例如,1999年為修建農(nóng)場(chǎng),在黑龍省西部哈拉哈爾濕地附近修建了排水工程,2000年開凍后,濕地水面漂浮了大量的死魚,這是因?yàn)榕潘畬?dǎo)致了濕地水位下降,而使?jié)竦刂械聂~被凍死造成的。4建立濕地水文監(jiān)測(cè)和生物多樣性監(jiān)測(cè)的長(zhǎng)效機(jī)制龍頭橋水庫的建設(shè)與運(yùn)行,加劇了下游濕地缺水的局勢(shì)。應(yīng)當(dāng)盡可能減少龍頭橋水庫對(duì)下游區(qū)域水文情勢(shì)的影響,使下游河道水文過程與天然狀況盡可能相似,增加向濕地下泄流量并延長(zhǎng)泄水時(shí)間。建議在每年的4月和10~12月期間,應(yīng)當(dāng)下泄不小于3m3/s流量的水量,防止下游河道斷流,同時(shí)提高濕地保護(hù)區(qū)凍結(jié)期水位深度,為濕地生物提供一個(gè)安全的越冬環(huán)境。撓力河流域濕地保護(hù)區(qū)(包括七星河和撓力河兩個(gè)國(guó)家