大宁河巫溪段水文变异归因及其环境流量组分变化分析.pdf

水利水电技术(中英文)第 54 卷 2023 年第 9 期Water Resources and Hydropower Engineering Vol.54 No.9彭娟莹,于子铖,付意成.大宁河巫溪段水文变异归因及其环境流量组分变化分析J.水利水电技术(中英文),2023,54(9):86-98.PENG Juanying,YU Zicheng,FU Yicheng.Attribution of hydrological variability in the Wuxi section of the Daning River and analysis of its environmental flow component changesJ.Water Resources and Hydropower Engineering,2023,54(9):86-98.大宁河巫溪段水文变异归因及其环境流量组分变化分析彭娟莹1,于子铖2,3,付意成3(1.长沙环境保护职业技术学院,湖南 长沙 410004;2.河北工程大学,河北 邯郸 056038;3.中国水利水电科学研究院,北京 100038)收稿日期:2023-01-04;修回日期:2023-04-17;录用日期:2023-04-24;网络出版日期:2023-05-08基金项目:湖南省科技重大专项(2018SK1010);国家重点研发计划(2016YFC0401606,2016YFC0401408)作者简介:彭娟莹(1981),女,高级工程师,硕士,主要研究环境污染物检测与治理。E-mail:1761174976 通信作者:于子铖(1993),男,讲师,博士,主要从事于河湖生态保护与修复的研究。E-mail:761014057 Editorial Department of Water Resources and Hydropower Engineering.This is an open access article under the CC BY-NC-ND license.摘 要:【目的】为科学探究流域水文情势变化驱动因子,识别受损河流生态退化驱动机制,【方法】以长江一级支流大宁河为研究区域,基于巫溪水文站 19722016 年长序列水文、土地利用、水利工程建设等数据,利用过程线、一维动态豪斯道夫分维数、Mann-Kendall 检验、有序聚类、滑动 T 检验、滑动秩和检验等数理统计方法进行变异点分析及确定,结合实地调研、查阅当地县志等资料,通过对降雨径流关系、土地利用类型时空变化、小水电建设特征要素的分析论证。【结果】明确了区域水文一致性在 1983 年、2005 年发生变异,区域水文变异驱动因子为小水电的兴建及运行,2005 年后新建的小水电可占区域小水电数量的 68.23%;基于 IHA 软件定量分析变异前后环境流量组分变化,发现大洪水组分变化最为剧烈,现状(变异后)大洪水出现次数为 0,月低流量组分变化较小,改变度均为超过 25,【结论】从而为后续变化环境下水文-生态响应关系、以河湖生态复苏为导向的水资源调配与管理的相关研究提供理论支撑。关键词:水文变异;驱动因子;流量组分;大宁河;小水电;土地利用DOI:10.13928/ki.wrahe.2023.09.008开放科学(资源服务)标志码(OSID):中图分类号:P333文献标志码:A文章编号:1000-0860(2023)09-0086-13Attribution of hydrological variability in the Wuxi section of the Daning River and analysis of its environmental flow component changesPENG Juanying1,YU Zicheng2,3,FU Yicheng3(1.Changsha Institute of Environmental Protection Technology,Changsha 410004,Hunan,China;2.Hebei Engineering University,Handan 056038,Hebei,China;3.China Institute of Water Resources and Hydropower Research,Beijing 100038,China)Abstract:ObjectiveTo scientifically explore the driving factors of hydrological regime change in the basin and identify the driving mechanism of ecological degradation of damaged rivers.MethodsThis paper takes the Daning River,a first-class tribu-68彭娟莹,等/大宁河巫溪段水文变异归因及其环境流量组分变化分析水利水电技术(中英文)第 54 卷 2023 年第 9 期tary of the Yangtze River,as the study area,based on the long series hydrology,land use,and water conservancy construction data from 1972 to 2016 at Wuxi hydrological station,and uses mathematical and statistical method such as process line,sliding t-test,one-dimensional dynamic Hausdorff fractional dimension,Mann-Kendall test,ordered clustering,and sliding rank sum test to analyze and determine the variation points,combined with field research.Through the analysis of rainfall-runoff relation-ships,spatial and temporal changes in land use types,and the characteristics of small hydropower construction.ResultsIt is clear that the variation of regional hydrological consistency occurred in 1983 and 2005,and the driving factor of regional hydrolog-ical variation was the construction and operation of small hydropower.After 2005,the newly built small hydropower accounts for 68.23%of the total number of small hydropower in the region.Based on the quantitative analysis of environmental flow compo-nents before and after the variation,it is found that the major flood component has the most drastic change.The occurrence times of major flood in the current situation(after the variation)is 0,and the monthly low-flow component has little change,and the variation degree is more than 25%.ConclusionTherefore,it provides theoretical support for the research on the relationship between hydrology and ecological response under the subsequent changing environment and the allocation and management of water resources guided by the ecological recovery of rivers and lakes.Keywords:hydrologic variability;drivers;flow components;Daning River;small hydropower;land use0 0 引引 言言 我国幅员辽阔,区域水文水资源问题复杂多样。在变化环境下,水文系统的变化一般是由自然(气候、自然地理条件)变化、人类扰动共同作用而导致,近些年随着社会经济的快速发展,人类扰动通常被认为是引起变异的主要驱动因子1。天然的水文循环受到人类扰动,原有的自然规律被破坏,从而致使水文系统发生改变,其中一个最大的表现就是天然水文时间序列的一致性被破坏。水文时间序列在某个时间节点前后,统计规律会发生显著的变异,这一变化时刻称为水文过程变异点2-3。关于变异点诊断的方法很多,如 Mann-Kendall 检验法、有序聚类法、滑动秩和检验法、Brown-Forsythe 检验法、游程检验法、滑动 T 检验法、累积距平法、滑动 F 检验法、Pettitt 法、Lee-Heghinan 法、Bayesian 变点分析法、R/S 分析法与 Hurst 指数等2-7。为避免单一方法的局限性,谢平对水文时间序列展开了初步、详细、综合的变异分析,初步分析是对水文序列的随机性进行分析,详细分析为采取多种方法推求可能存在的变异点,最后通过综合对分析进行确定7;孔波等4采用 Mann-Kendall 变异诊断法和有序聚类法,诊断了北洛河流域枯汛交替期、汛期、汛枯交替期、枯期等分期径流系列变异点并划分了变异等级;陈隆吉等5借用信息熵构建洪水过程均匀度模型,然后采用水文变异诊断系统分析洪水过程均匀度序列的变异规律;徐淑琴等2利用水文变异诊断分析水文时间序列,确定人类不同扰动下的时间节点,并考虑东北地区具有冰封期的特点,推求了混合时间尺度下的天然、次天然及现状生态径流过程;为增加变异检验的可信程度,刘剑宇等8采用有序聚类、Mann-Kendall检验、累积距平等 8 种方法对水文变异点进行分析。总体上,关于水文变异诊断方法的研究呈现多元化与多样化的趋势。水文过程在人类、生态系统之间起着至关重要的连载作用,人类扰动水文过程,进而影响生态系统。反之,生态系统的变异也会影响水文情势的变化,进而使水文规律发生变异,偏离天然水文状态,从而影响人类社会。要实现人水和谐以及平衡三者之间的互馈关系,需了解其作用机理,明确其水文变异原因9-10。引起水文变异的因子一般包括气象条件、水利工程、社会总耗水量、水土保持、土地利用等,不同区域需具体分析9-11。流量组分是联系水文过程和生态过程的重要概念,描述了水文情势的不同部分与生态系统的相关性12。常俊超等13基于 IHA/RVA方法,探究变化环境下黄河中游环境流量组分与水文情势变化情况;管新建等14利用 IHA/RVA 方法进行了环境流量组分与水文生态特征分析,揭示了在水文变异后流量年平均值有所增加,低流量和高脉冲环境流量成分占比较大;张远等15利用 FLOWS 法,以鱼类为保护目标,构建了流量组分与鱼类生态需求关系模型,计算了包含基流、脉冲流、平滩流和漫滩流4 种组分在内的河流环境流量。本文以大宁河巫溪水文站控制流域为研究区域,以长序列水文数据为基础,依据初步、详细、综合分析的路径,利用过程线法、Mann-Kendall 检验法、有序聚类、滑动秩和检验等数理统计方法,科学确定水文变异点,结合区域降雨、土地利用、水利工程建设等数据,统筹考虑降雨-径流关系、土地利用时空分78彭娟莹,等/大宁河巫溪段水文变异归因及其环境流量组分变化分析水利水电技术(中英文)第 54 卷 2023 年第 9 期 图 1 研究区域Fig.1 Study area map布变化、小水电数量与累积装机容量变化趋势,利用定性与定量相结合的手段探究水文变异的主要驱动因子,基于 IHA 软件定量分析变异前后环境流量组分变化。以期为区域水资源规划及管理、水生态系统恢复、水环境持续改善、水文预测等提供相关依据。1 1 研研究究区区域域概概况况大宁河地处东经 108 4410959,北纬 30143144之间,位于重庆市巫溪、巫山两县境内,全长为 162.0 km,流域面积为 4 181.0 km2。本次研究区域为大宁河巫溪段(见图 1)。巫溪县位于长江上游,属重庆市管辖,在其 东 北 部。据 统 计,从 每 年3 月的中下旬开始,降雨量会逐渐增加,径流也随之呈增大的趋势,4 月是汛前过渡期,在 59 月会进入主汛期,径流量会出现大幅增加。本文依据向当地相关部门收集到的巫溪水文站19722016 年水文径流、降雨数据,诊断分析大宁河巫溪段水文变异状况。巫溪水文站于 1972 年设站运行,位于巫溪县的城厢镇、大宁河干流,是大宁河中上游来水的重要控制站,控制区域面积约为2 440.15 km2,水 系 包 括 东 溪 河、西 溪 河、后 溪河等。2 2 研研究究方方法法2.1 水文变异分析方法2.1.1 初步分析初步分析采用过程线法与一维动态豪斯道夫分维数法。过程线法依据目估,从而定性观察水文序列随时间变化的波动状况,以此初步判断序列的随机性;一维动态豪斯道夫分维数法源自分形理论,分形理论主要研究自然界的不规则现象及其内在规律,水文过程具有非线性与随机性,随机的径流流量过程表现出非线性的分形理论特征16-17。2.1.2 详细分析推求水文变异的方法有很多,考虑单一检测方法存在局限性,本文基于对研究数据的初步分析,结合水文时间序列趋势与突变分析系统18,筛选出Mann-Kendall 检验法、有序聚类法、滑动 T 检验法、滑动秩和检验法进行巫溪水文站上游水文变异点进行详细分析。其中 Mann-Kendall 检验法为非参数检验方法,不需要样本遵从一定的分布,也不受少数异常值的干扰;有序聚类法旨在寻求左右分割点,需进一步对分割样本进行检验;滑动 T 检验法计算简单,考察两组样本均值的差异显著性;滑动秩和检验法不需要推求总体参数,对总体分布也没有特别要求。所选方法判断核心均为跳跃检验,对水文序列要求不高,具有较强的适用性19-21。Mann-Kendall(以下简称 M-K 法)检验法是一种非参数统计检验方法,对于具有 n 个样本量的时间序列 x,构造一组秩序列22,秩序列 Sk表示的是第 i时刻的数值大于 j 时刻的累计数。在时间序列随机独立的假定下,定义统计量 UFk。UFi代表标准正态分布,在按照时间序列 x 的顺序 x1,x2,xn下,推求统计量序列,结合显著性水平 下,查阅正态分布表,如果 UFiU,则表明序列存在显著变化。按x 逆序 xn,xn-1,x1,再次重复上述过程,与此同时令 UBk=-UFk(k=n,n-1,1),UB1=0。如果 UFk或 UBk的值均大于 0,那么可以说明序列呈上升的趋势,反之则说明呈现下降的趋势,超过临界直线(如=0.5,则临界值为 u0.05)时,说明变化趋势明显。超过临界曲线的范围确定为出现突变的时间范围,UFk和 UBk两曲线的交点(在临界值内)为序列突变点;有序聚类法的实质为寻求序列的最优分割点,原则是保证同类型之间的离差平方和较小23-24;88彭娟莹,等/大宁河巫溪段水文变异归因及其环境流量组分变化分析水利水电技术(中英文)第 54 卷 2023 年第 9 期滑动 T 检验法通过查验两组样本均值的差异是否显著来判定突变点,设 x 为具有 n 样本量的时间序列,基于实际分析,人为设置一个基准点,将 x 分为具有样本 n1的 x1、n2的 x2,从而定义统计量 T24;滑动秩和检验法是水文序列变异诊断的主要方法25,首先设定一个分割点 0,建立 0前后两个序列的分布函数 F1(x)、F2(x),然后从两个序列中依次抽取样本,样本容量为 n1、n2,令检验的原假设 F1(x)=F2(x),再次确定 n1、n2样本中的秩,最后,令 n1、n2的秩和为 T,然后对统计量 T 进行检验,当 n1、n2-n1超出查表范围,可以用近似 U 检验。2.2 变异归因分析 大宁河位于三峡库区,但大宁河巫溪段,尤其是巫溪水文站上游流域,水文情势受到三峡电站调节运行的影响可以忽略,不作为该流域水文变异考虑因素26-27。结合 20182021 年对研究区域的实地调研、询问当地相关人员、查询当地县志等相关资料,研究区域气温、社会总耗水量、水土保持近些年均为发生较大改变,因而以下从降雨、水利工程、土地利用 3 方面进行水文变异驱动因子分析。径流量受流域降雨与下垫面的共同影响,通常在无人为影响的阶段,径流量与降雨的变化趋势一致,具有较好的相关性。因此,首先对降雨数据进行突变检验;其次,建立区域降雨径流关系,明晰是否存在人为影响;最后,分析土地利用、水利工程建设变化是否与水文变异点一致,从而确定区域水文变异主要驱动因子。2.3 环境流量组分变化分析 IHA 将环境流组分分为 34 个指标(EFC),其释义与生态学意义如表 1 所列。利用 IHA 软对所有日流量数据按升序排频,取前 50%为低流量事件,最小的 20%被划分为月枯水流量,75%以后的流量为高流量,结合我国对洪水量级的划分,按不同重现期分别划分为小洪水、大洪水13。结合不同指标对应的生态学意义,对不同阶段的环境流量组分进行分析,进而定量研究变异驱动因子对其的影响28。3 3 结结果果分分析析与与讨讨论论3.1 水文变异点分析3.1.1 水文变异初步分析基于 19722016 年长序列水文数据,形成平均流量变化趋势图(见图 2)。平均流量随时间变化整体呈减少趋势,在 1983 年取得该序列的最大值,为 129.45 m3/s,在 2006 年取得最小值,为 34.36 m3/s,从而初步判断 1983 年、2006 年可能为水文序列发生变异的年份。图 2 平均流量变化趋势Fig.2 Trend of average flow依据基础数据结合相关公式,生成年径流量的一维动态豪斯道夫分维数趋势变化(见图 3),起伏变化的趋势初步可以判断水文情势发生了突变。自 1997年后 Dft出现多出高值,初步分析可能在 1997 年前后发生了突变。图 3 年径流量的一维动态豪斯道夫分维数 Dft趋势变化Fig.3 One-dimensional dynamic Hausdorff fractional dimension Dft trend of annual runoff3.1.2 水文变异详细分析基于 1972 2016 年径流量数据,生成巫溪水文站控制流域 M-K 曲线(见图 4)。由 UF 曲线可见,自1985 年前后,年径流量呈现整体下降的趋势,曲线大都在临界线之间,表明下降趋势不太显著。依据UFk和 UBk两曲线的交点,结合 UF 曲线整体趋势,确定 1977 年、1997 年、1998 年、2001 年、2003 年、2005 年、2007 年、2009 年为可能变异点。依据有序聚类法计算公式得到巫溪水文站年径流量有序聚类结果变化趋势(见图 5)。由图 5 知,1983年离差平方和最小,故而判定 1983 年为水文可能变异点。98彭娟莹,等/大宁河巫溪段水文变异归因及其环境流量组分变化分析水利水电技术(中英文)第 54 卷 2023 年第 9 期表 1 各 EFC 指标及其生态学意义28Table 1 Each EFC index and its ecological significanceEFC 指标组别水文指标生态学意义月枯水流量(12 个)各月最低平均流量(E1E12)为水生生物提供足够的栖息地保持适当的水温、溶解氧和水的化学性质保持河漫滩有一定的水位,为植物提供土壤湿度为陆生动物提供饮用水保持鱼和两栖动物的卵悬浮 使鱼类能够移动到索饵、产卵区域支持低流生物(生活在饱和的沉积物中)特枯流量(4 个)极小值(E13)持续时间(E14)发生时间(E15)频次(E16)平衡竞争性、杂草性和耐受性的生物为植物创造适宜场所构建生物和非生物组成的水生生态系统塑造河道形态结构和自然栖息地条件植物土壤水分胁迫动物脱水植物厌氧胁迫河流和漫滩之间的养分交换量水生环境下的胁迫耐受力(比如低氧和化学物质浓缩)湖泊、池塘、河漫滩植物群落的分布河道沉积物中废弃物处置、产卵河床的曝气高流量脉冲(6 个)极大值(E17)持续时间(E18)发生时间(E19)频次(E20)上升率(E21)下降率(E22)塑造河道的物理特征,包括深潭、浅滩影响河床底质级配(沙子、砾石、鹅卵石)防止河岸植被侵占河道在长期的低流量之后恢复正常的水质状况给砂砾产卵场的卵充气,防止淤积保持河口地区适当的盐度条件 小洪水(6 个)峰值(E23)持续时间(E24)发生时间(E25)频次(E26)上升率(E27)下降率(E28)为鱼类提供迁徙和产卵的信号触发生命周期的新阶段(即昆虫)。使鱼类能够在河漫滩产卵,为幼鱼提供育苗区为鱼类、水禽提供新的索饵场补给河漫滩地下水位保持河漫滩森林类型的多样性(即不同的植物种类有不同的耐受性)控制河漫滩植物的分布和丰度在河漫滩沉积营养物质大洪水(6 个)峰值(E29)持续时间(E30)发生时间(E31)频次(E32)上升率(E33)下降率(E34)维持水生和河岸区域的物种平衡 为植物的繁殖创造场所塑造河漫滩物理生境在产卵区沉积砾石和鹅卵石将有机物(食物)和木质碎屑(生境结构)冲入河道。清除从水生和河岸群落引进的入侵物种分散河岸植物的种子和果实推动河道横向运动,形成新的栖息地(次级河道、牛轭湖)为植物幼苗提供长期接触土壤水分的机会表 2 滑动秩和检验结果表Table 2 Table of sliding rank sum test results序 列秩和检验统计量 U概率值 P序 列秩和检验统计量 U概率值 P19721982 年19832016 年2.0180.04319722004 年20052016 年2.1390.032 依据滑动 T 检验法的计算公式,得到统计量 T的变化趋势,最大值在 2012 年取得(见图 6)。此外,在 1984 年、1994 年、2006 年存在局部最大值,因为判定 1984 年、1994 年、2006 年、2012 年为可能变异点。依据滑动秩和检验的相关公式对长序列各点进行检验,结合巫溪水文站 19722016 年径流数据,得到表 2,确定 1983 年、2005 年为可能变异点。09彭娟莹,等/大宁河巫溪段水文变异归因及其环境流量组分变化分析水利水电技术(中英文)第 54 卷 2023 年第 9 期图 4 巫溪水文站上游年径流量 M-K 统计量曲线Fig.4 M-K statistics curve of annual runoff upstream of Wuxi hydrological station图 5 有序聚类结果趋势Fig.5 Trend graph of ordered clustering results图 6 滑动 T 检验方法结果趋势Fig.6 Sliding t-test method result trend3.1.3 水文变异点确定将详细分析结果进行汇总(见表 3),综合确定巫溪水文站上游水文变异点。由表 3 可以直观看出,2005 年出现次数最多,可以判断为水文变异点;1983 年、1984 年出现次数相同,结合水文变异初步分析结果、累积径流量变化趋势,确定 1983 年为水文变异点,因而将水文序列分为 19721982 年、19832004 年、20052016 年三个序列。表 3 分析结果汇总Table 3 Analysis of test results方 法可能变异点M-K 法1977 年、1997 年、1998 年、2001 年、2003 年、2005 年、2007 年、2009 年有序聚类法1983 年滑动 T 检验法1984 年、1994 年、2006 年、2012 年滑动秩和检验法1983 年、2005 年3.2 变异驱动因子分析3.2.1 基于降雨径流关系的驱动因子分析以巫溪县 19722016 年巫溪气象站(测站编码57345)逐月降雨数据作为依据,分析自然变化对水文情势变异的影响,测站来源于中国气象数据网。结合图 7,发现随着时间的变化,降雨整体呈现下降趋势,在 1983 年取得最大值,2001 年取得最小值。图 7 年降雨变化趋势Fig.7 Annual rainfall trends基于降雨资料,结合 M-K 法相关计算公式,得到 UF、UB 统计量变化趋势(见图 8)。由图 8 知,两统计量曲线存在交点,但其均未超过临界曲线,因而认为降雨未发生显著突变。结合多年径流量数据,得到多年径流深。在降雨无显著突变的背景下,建立降雨-径流双累积曲线,分别为 y=1.154 7x+94.108 0(R2=0.998 5)、y=1.147 5x+1 793.800 0(R2=0.999 5)、y=1.005 1x+6 901.300 0(R2=0.996 6),具体如图 9 所示。由图 9 知,在 1983 年、2005 年前后,曲线两次发生了偏离,以 19721982 年作为基准期,时间节点与上述所求变异点一致,从而也说明了两个阶段的水文变异均受到人类活动的影响。结合图 8 知,降雨未发生显著突变,由此可以判断两个阶段的水文变异驱动因子主要源自人为影响。依据研究19彭娟莹,等/大宁河巫溪段水文变异归因及其环境流量组分变化分析水利水电技术(中英文)第 54 卷 2023 年第 9 期区域 实 测 19721982 年、19832004 年、20052016 年径流资料,得到三个时间段年径流深均值R1、R2、R3为 1 497.2 mm、1 443.1 mm、1 224.3 mm,由此可以算出与第一阶段径流深的差值 R2-1、R3-1为-54.1 mm、-272.9 mm,20052016 年径流变化明显强于前一个序列。图 8 M-K 降雨突变检验Fig.8 M-K rainfall mutation test图 9 降雨-径流累积双曲线Fig.9 Rainfall-runoff accumulation hyperbola3.2.2 土地利用时空分析结合研究区域概况,人类活动影响主要从土地利用和水利工程两个方面进行研究与分析。大宁河流域巫溪段 1980 年(20 世纪 70 年代末)、1990 年(20 世纪 80 年代末期)、2000 年(20 世纪 90 年代末期)、2010 年(21 世纪初)、2015 年的 5 期土地利用数据(30 m)从中国科学院资源环境科学数据中心(ht-tp:/ Arcgis 进行巫溪县土地利用类型处理与分析。结合图 10 可以看出:(1)19802015 年土地利用/植被覆盖整体变化不太明显;(2)发现林地占比最大,主要集中在东北部,其次为耕地,主要集中在南部;(3)草地变化较为明显,西北部分区域由最初林地、耕地转化为草地;(4)城乡、工矿、居民用地主要集中在巫溪县城附近;(5)水域面积有所提升,主要表现在西溪河中上游区域。由表 4 和图 11 可以直观看出:(1)5 个时期土地利用面积占比大小一致,依次为林地、耕地、草地、水域、建设用地(城乡、工矿、居民用地)、未利用土地,林地占比均在 58.00%以上,未利用土地较少,占比均在 0.01%以下;(2)耕地面积逐年下降,由最初的 27.90%下降至 26.53%,下降了 1.37%;(3)林地整体变化较小,呈现先下降后上升的趋势,变化了 0.79%;(4)水域在 2010 年后有所增加,增加了 0.05%;(5)随着社会经济的快速发展,城乡、工矿、居民用地 20002010 年期间变化较大,变为原来 2 倍;(6)19801990 年,各土地利用类型变化均不大,由此可以判断,1983 年的变异点与土地利用类型变化无相关关系;(7)以 2000 年土地利用类型占比为基础,2010 年林地、耕地、草地等 6 个类型 的 变 化 率 依 次 为 3.43%、1.25%、0.65%、5.78%、92.06%、71.43%,占比较大的耕地、林地(两者相加占 85%以上)变化较小,城乡、工矿、居民用地变化较大主要表现在巫溪县城附近用地的变化,且柏杨河汇入口在巫溪水文站下游,故认为此阶段土地利用类型变化可能会引起局部区域水文的变异,但对于确定的巫溪水文站上游 2005 年水文变异点无显著贡献。3.2.3 水利工程建设巫溪县地形以山地为主,山地占 93%,属于典型的中深切割中山地形,最低海拔 139.4 m,最高海拔 2 796.8 m。起伏变化的地貌使其在水电站建设上具有得天独厚的优势,据调研统计,截止到 2020 年,巫溪县有 130 座小水电,1 座中型水电站。为研究小水电对水文情势变化的影响,梳理统计了水文站控制流域内小水电(均为引水式)空间位置、建站时间、装机容量等相关信息。针对小水电空间位置而言(见图 12),大宁河(两河口巫溪水文站)共建有 11 座,挡水坝均在支流上;西溪河流域共建有 30 座(其中中梁一级电站为中型电站),挡水坝 8 座在干流,其余均在支流;东溪河流域共建有 26 座,挡水坝 9 座在干流,其余均在支流;后溪河流域建有 19 座,挡水坝 8 座在干流,其余均在支流,巫溪水文站控制流域内共计小水电 85 座,中型水电站 1 座,其开发方式均为引水式。29彭娟莹,等/大宁河巫溪段水文变异归因及其环境流量组分变化分析水利水电技术(中英文)第 54 卷 2023 年第 9 期图 10 2015 年大宁河流域巫溪段土地利用类型分布Fig.10 Distribution of land use types in the Wuxi section of the Daning River Basin in 2015表 4 19802015 年土地利用类型汇总%Table 4 Summary of land use types from 1980 to 2015%土地利用类型时 间1980 年1990 年2000 年2010 年2015 年耕 地27.9027.9027.5126.5726.53林 地60.2660.2658.8059.5359.47草 地11.4511.4613.2813.3713.33水 域0.280.280.280.290.34城乡、居民用地0.100.100.130.240.33未利用土地0.010.010.010.0020.002 注:%代表土地利用占巫溪全域面积的百分比。结合图 13 与图 14,发现随着时间的变化,巫溪水文站控制流域内小水电数量、累积装机容量呈现一个明显递增趋势,在 1977 年、1983 年、2004 年存在拐点,尤其是 2004 年前后,有较大变动。19721977 年,修建小水电 6 座,累积装机容量为 6 505 kW;19781983 年,修建小水电 11 座,累积装机容量新增 19 575 kW;19842004 年,修建小水电 10座,累积装机容量新增 13 810 kW;20052016 年,修建小水电 58 座,占区域小水电总和的 68.23%,累积装机容量新增 304 065 kW,占区域累积装机容量的 88.40%,该阶段小水电得到快速的发展。随时间变化小水电数量、累积装机容量与确定的水文变异39彭娟莹,等/大宁河巫溪段水文变异归因及其环境流量组分变化分析水利水电技术(中英文)第 54 卷 2023 年第 9 期 图 12 小水电空间分布示意Fig.12 Schematic spatial distribution of small hydropower图 11 19802005 年大宁河流域巫溪段土地利用类型对比Fig.11 Comparison of land use types in Wuxi Section of Daning River Basin from 1980 to 2005点吻合,结合 2018 年、2019 年、2021 年在研究区域的实地勘察与梳理当地相关资料,可确定引起该流域水文变异的主要驱动因素是小水电的兴建及运行。从而将 19721982 年、19832004 年、20052016 年三阶段分为天然状态、弱干扰阶段、强干扰阶段。3.3 环境流量组分变化分析 利用 IHA 软件进行计算分析,具体结果如表 5所列。表中所提改变度为(弱干扰/强干扰阶段数值天然状态数值)/天然状态数值,结合表 5,发现大洪水组变化最为剧烈,月低流量组变化较小。对比天然状态(19721982 年)、弱干扰阶段(19832004 年)环境流量组分差异,由图 15 知,变化程度前五的分别为 E34(大洪水下降率)、E33(大洪水上升率)、E29(大洪水极大值)、E32(大洪水频次)、E16(特枯流量频次),主要影响组别为大洪水、特枯流量,对河岸区域的物种平衡、河漫滩的物理生境、河道的自然形态结构以及自然栖息地条件形成一定的影响。利用 IHA 计算天然状态(19721982 年)、强干扰阶段(20052016 年)环境流量组分差异,具体结果如表 5 所列、如图 16 所示。对比天然状态,强干扰阶段不存在大洪水,猜测原因是小水电的修建及调蓄。不考虑大洪水的情况下,改变程度前五的指标分 49彭娟莹,等/大宁河巫溪段水文变异归因及其环境流量组分变化分析水利水电技术(中英文)第 54 卷 2023 年第 9 期图 13 随时间小水电个数变化Fig.13 Change in the number of small hydropower plants over time图 14 随时间小水电累积装机容量Fig.14 Cumulative installed capacity of small hydropower over time表 5 不同阶段各 EFC 指标汇总Table 5 Summary of each EFC indicator at different stagesEFC 指标19721982 年(天然状态)19832004 年(弱干扰阶段)20052016 年(强干扰阶段)天然状态弱干扰阶段改变度/%天然状态强干扰阶段改变度/%E116.0715.9715.99-0.62-0.50E218.7020.1116.067.54-14.12E323.4525.0821.96.95-6.61E432.4327.7728.17-14.37-13.14E537.4037.0830.79-0.86-17.67E636.0537.0935.972.88-0.22E746.8046.3940.96-0.88-12.48E839.2840.3838.592.80-1.76E941.1338.6034.45-6.15-16.24E1040.9933.5132.30-18.25-21.20E1132.8028.4529.37-13.26-10.46E1219.3919.5821.500.9810.88E1310.4710.6611.181.816.78E1425.7422.2311.08-