摘要
梯级水库运行已成为人类活动中的主要影响因素，为定量评估水库（群）运行导致的下游河道水文情势的变化，本文基于传统RVA法提出了改进的水文改变度评价方法，并以受梯级水库群影响较大的长江宜昌至大通河段为典型研究区域，对同一时段水库运行前后各站点水文情势变化进行了分析。结果表明：与传统RVA法对比，宜昌站整体改变度增高了8%，为高变化度；大通站整体改变度降低了12%，为低变化度；宜昌-大通站整体改变度符合水库影响沿程逐渐减弱的规律；水库(群)影响主要表现为蓄丰补枯，改进水文改变度法中18个指标改变度较传统RVA法变幅更大，能够更好地反映梯级水库运行对下游水文情势的影响。该研究可为后续研究受水库运行影响下流域水文情势分析以及流域水库生态调度提供技术支撑。
Abstract
Operation of cascade reservoirs has become a main factor in human activities. In order to quantitatively evaluate the change of hydrological situation in downstream rivers caused by the operation of reservoirs (groups), based on the traditional RVA method, a modified evaluation method of hydrological change was proposed. The Yichang-Datong reach of the Yangtze River, which was greatly affected by cascade reservoirs, was taken as a typical research area, and hydrological situation at each station before and after the operation of reservoirs was analyzed. The results showed that the overall change degree of hydrological situation at Yichang Station increased by 8%, which was a high change degree, and that of Datong Station decreased by 12%, which was a low change degree, comparing with the traditional RVA method. The change occurred at the Yichang-Datong station was accorded with the law of gradually weaken influences by the reservoirs. The influence of reservoirs (groups) was mainly manifested in the accumulation of abundant water and the replenishment of dry water. Comparing with the traditional RVA method, values of 18 indexes produced by the modified hydrological change degree method was larger, which could better reflect the influence of cascade reservoir operation on the downstream hydrological situation. This study could provide technical supports for the follow-up study on the hydrological situation analysis of the basin affected by reservoir operation and the ecological operation of the basin reservoirs.
水文要素变化一直是水文水资源领域的热点研究方向，对水资源管理、水文预报、水生态环境等方面均具有重要意义。随着大规模水利水电工程的建设投运、气候变化背景下的极端水文气象事件频发使得流域内水文要素、水生态环境指标均发生相应的改变，大大加剧了研究的复杂程度[1-2]。Richter等[3]于1997年首次提出变化范围法（range of variability approach，RVA），该方法采用水文变化指标（indicators of hydrologic alteration，IHA）对河流水文情势进行分析，已被广泛应用于研究水利水电工程建设对流域水生态情势的影响。国内大量学者使用RVA法评估水库建设、运行对水文情势的影响[4-8]。蔡文君等[9]、陈春玲[10]以三峡水库运行为时间节点，采用RVA法对长江中下游水文情势进行评估，结果表明三峡水库运行对长江中下游的径流影响属于中度改变。马梦梦等[11]研究了葛洲坝、三峡大坝运行对宜昌站生态水文指标的影响，结果表明葛洲坝运行对下游水文情势的影响度较小，而三峡-葛洲坝梯级水库联合运行后为中变化度，极大程度影响了河流生态系统。Guo等[12]分别对长江支流岷江水系长系列径流量和输沙量的变化程度进行了分析，结果表明径流总变化为中变化度，且人类活动是影响岷江流域径流变化的主导因素；董玉婷等[13]、Li等[14]、许明一等[15]对黄河流域渭河支流北洛河上游、大汶河、若尔盖湿地的径流演变成因进行分析，改变度基本均为中变化度；Zuo等[16]评估了界首站上游水闸和大坝对淮河流域沙颍河水文情势的作用，结果表明水坝对水文情势影响显著；陈栋为等[17]、高敏华[18]分别以珠江流域东江、西江流域为研究对象，采用RVA法评估水利工程不同开发程度、上游水利工程投产运行对河流水文情势的作用，表明流域水文情势变化随水利工程开发程度的提高而逐渐减弱，且其径流变化主要受到上游水利工程运行的影响。以往学者使用RVA法常以长序列时段为研究时段，以水库投运为突变节点研究水库运行前后实测序列的变化特征，评价结果往往由人类活动和气候变化等多种因素共同影响，无法消除水文周期、气候变化等因素对水文情势的影响[19-20]。梯级水库运行已逐渐成为人类活动中的主要影响因素，如何将该因素剥离出来单独考虑，定量评估梯级水库运行导致下游河道水文情势的变化，是当前亟需解决的一个关键技术问题。
本文针对同一时段的实测和天然流量系列，提出量化水库运行影响的水文改变度评价方法，分别计算IHA指标，定量评估梯级水库运行对主要控制站的水文情势改变程度。该研究成果可为长江流域梯级水库生态调度、水环境保护以及水生态修护提供可靠的技术支撑，本研究的技术路线和方法对其他河流也具有一定的适用性。
1 研究区域与数据
1.1 研究区域
本次研究区域为长江干流宜昌至大通河段。宜昌站为长江上游控制水文站，且宜昌以上流域已建成大型水库117座，总调节库容为842亿m3，预留防洪库容为501亿m3，分别占长江流域已建大型水库总调节库容的56%和预留防洪库容的63%[21]，对中下游干流的水文情势影响较大。研究区域内有枝城、螺山、汉口、九江、大通等水文站，各站点水文数据见表1。
表1水文数据
Tab.1 Hydrological data
*由于九江站建库前（2003年）实测数据系列不足20年，本次不采用该站进行对比。
研究区域干流河道长1095 km，支流包括清江、湘江、资水、沅江、澧水、洞庭湖区、汉江、鄱阳湖区、赣江、抚河、饶河、信江、修水、昌江等一级重要支流及沮漳河、陆水、滠水、倒水、举水、巴水、浠水、蕲水、富水9条支流，还包括荆南三口松滋河、虎渡河、藕池河等分流口及其二级支流，河网水系概化见图1。
图1长江中下游河网水系概化示意
Fig.1Schematic overview of the river network in the middle and lower reaches of the Yangtze River
1.2 数据来源
三峡水库于2008年汛后进行首次175 m试验性蓄水，因此本文以2008—2021年为研究时段，运用Mike模型以宜昌站的天然流量作为输入模拟其下游控制站点天然状态下的日流量过程[22-27]，其中天然流量根据水库实际调度运行资料采用水量平衡法推求。干流的宜昌、枝城、螺山、汉口、九江和大通等水文站建站至2021年实测日平均流量资料来自长江水利委员会水文局。断面及干流水位资料来自长江水利委员会水文局，支流流量资料和部分降雨、蒸发资料来自湖北、湖南、江西等水文部门。
2 改进的水文改变度评价方法
2.1 RVA法
河流的水文变化过程较为复杂，往往通过建立指标体系来研究水文过程的变化特征。以往研究中较为常见的指标体系为IHA指标，含33个参数。考虑到研究区域无零流量情景，本文采用5组32个参数，各参数含义见表2。
Tab.2 Classification of IHA indicators[28]
RVA法[29]在IHA水文指标改变度的基础上，通常以各指标的平均值±标准差或频率为25%、75%作为指标的上、下限，计算受人工干扰后河流的各指标特征是否落在目标区间内，从而评估水利工程对河流水文情势的影响程度。计算公式如下：
(1)
式中，Di为第i个水文指标改变度；Ni为第i个水文指标受人工干扰后的观测年数落在目标范围内的年数；Ne为受人工干扰后水文指标预期落在目标范围内的年数，公式如下：
(2)
式中，r为受人工干扰前水文指标落入RVA目标内的比例，若以各水文指标的25%和75%频率作为RVA目标，则r=50%，Nt为受人工干扰后的观测年数。
2.2 改进的水文改变度
为了将水库因素从多个因素中剥离，本文提出了量化水库运行影响的水文改变度评价方法，即改进的水文改变度Dn：将研究区域水文站的流量还原至天然状态下（即未受水库运行影响），建立天然和受人工干扰后两种状态的25%和75%频率下两套阈值体系（I25%、I75%、I′25%、I′75%），通过对比同时段受人工干扰后的阈值范围占天然状态下的阈值范围情况来研究仅受水库运行影响对河流水文情势的作用。分析受人工干扰前后25%和75%频率值组成的区间范围，两个区间范围存在部分交叉关系、不包含关系以及相对包含关系（合计6种），6种关系的计算公式为：
(3)
式中，Dn为改进的水文改变度，Nu为实测IHA指标未落入天然状态下IHA指标的阈值差，Nt为实测IHA指标的阈值差，I25%、I75%和I′25%、I′75%分别为在天然状态下和受人工干扰后不同指标25%和75%频率下的流量值。
另外，为比较改进的水文改变度法与传统RVA法所得结果的差异性，改进的水文改变度法仍采用传统RVA法中的IHA指标及等级划分法，定义Dn处于[0~33%）、[33%~67%）、[67%~100%]区间分别表示IHA不同组指标的低、中、高变化度[28]。计算流程图见附图Ⅰ。
另外，为综合表征河流水文情势的总体变化程度，选用整体水文改变度指标，将IHA中32个水文指标的Di值平均赋重推求整体水文改变度Do[30]，计算公式为：
(4)
式中，Di表示不同指标的水文改变度，Do改变程度的划分范围同Dn。
3 结果与分析
3.1 水文情势变化
采用改进的水文改变度法计算宜昌-大通6站IHA水文指标的改变度（表3），本文仅列出距梯级水库最近的宜昌站和最远的大通站的水文改变度。总体而言，水库运行对宜昌-大通站的改变度作用表现为随着河道距离的增加而逐站降低，距离梯级水库越远的水文站，其变化程度越小。
第1组（月均（中值）流量）指标总体表现出各站流量非汛期增大、汛期减小的现象，这表明梯级水库对于长江中下游流量起到蓄丰补枯的作用，径流年内分配过程差异更小。其中5月流量增长显著、9—10月流量减小最显著，原因为5月上游梯级水库群为腾库度汛而快速消落，9—10月水库群汛末集中蓄水。受河道调蓄影响，距梯级水库越远的水文站，其流量改变程度越低。
第2组（年均极值）指标可以看出各站的流量特征均表现为年均最小值系列较天然状态下有所增加，年均最大值系列较天然状态有所降低，且随着指标统计时段的不断加长，其变化幅度也逐渐变小。这表明梯级水库群运行对长江中下游各站的流量极值起到了一定的调节作用，基流指数也较天然情况有所增加。
表3各站水文改变度变化情况
Tab.3 Changes in hydrological change degree at each station
表中括号内H、M、L分别代表高、中、低变化度，加粗表示该水文变异指标两种方法计算结果差异较大。
第3组（年极值流量出现时间）指标可以看出由于梯级水库群非汛期补水效果，各站年最小值出现时间基本由天然情况的1—2月提前至11月末-12月，总体而言，梯级水库运行导致各站年最小值出现时间平均提前一个月以内。各站年最大值的出现时间只有个别年份较天然状态下有小幅度提前，其余年份影响不大，原因是长江流域洪量较大，汛期水库防洪调度主要表现为削峰滞洪，不易剧烈改变天然洪水过程，对峰值出现时间影响较小。
第4组（高低脉冲频率及历时）指标同第2组指标，梯级水库枯期补水导致各站点的低脉冲次数及历时较天然情况均有明显减少，高脉冲次数和历时的变化相对来说较小。这表明在枯水期梯级水库通过向下游补水使得下游站点的低值流量得到有效补充。
第5组（流量变化幅度及频率）指标总体表现为各站的流量上升幅度较天然状态下均有所减少，下降幅度较天然状态下有所增加，宜昌和枝城站的逆转次数较天然状态下有所增加，而螺山-大通站则有不同程度的减少。这表明梯级水库运行对长江中下游的流量过程均化作用显著，使得持续性逐日流量上升（下降）的频率降低。
3.2 水库影响的水文改变度
除了螺山站，宜昌-大通总体上水文改变度表现为逐渐降低，其中宜昌站表现为高变化度，改变度为70%；枝城、螺山、汉口、九江站均为中变化度，分别为66%、46%、55%和51%；大通站表现为低变化度，改变度为30%（图2）。与梯级水库对水文情势的影响沿程坦化并随着流域面积的增加而逐渐减少的规律是一致的。各站不同等级改变度在各站所占比例（各等级改变度数量占IHA指标总数的比例）的变化趋势也比较明显，其中，低变化度沿程基本保持逐渐上升，所占比例为28%~75%；高变化度沿程表现为逐渐降低趋势，所占比例为47%~3%；中变化度所占比例范围为19%~38%（图3）。
图2各站整体改变度
Fig.2Each station's overall change degree
图3各站不同改变度所占比例
Fig.3Proportion of each station with different change degree
另外，从图2和图3可以看出螺山站为一个特例，该站的低变化度较下游的汉口和九江站大，但低于最下游的大通站，原因可能是由于螺山站受到洞庭湖区调蓄影响，使得该站一些水文指标的改变度有所降低，从而改变度表现为低变化度较多，且整体改变度略低于下游汉口、九江两站。
图4选取了距梯级水库较近的宜昌站和枝城站，受洞庭湖区调蓄作用影响显著的螺山站以及距离较远的大通站为研究对象，可以看出不同组指标在各水文站的改变度总体上表现为随着距梯级水库距离的增加而逐渐降低的趋势。宜昌站5组指标高改变度所占比例均较高，分别为42%、55%、50%、50%和33%；枝城站5组指标高变化度所占比例分别为42%、55%、50%、25%、33%；螺山站中只有第1、2组指标存在高变化度，所占比例分别为8%和36%，其余3组指标变化度均以低、中变化度为主；大通站仅第2组有9%的高变化度，其余均以低、中变化度为主，各站高变化度所占比例逐渐降低。
图5为不同水文指标对各站受梯级水库前后流量的改变程度。可以看出，梯级水库群对长江中下游的水文情势影响较为显著，32个指标中1、2、3、4、5月月均流量、9、10月月均流量、12月月均流量、年均最小流量系列、基流指数、年最小值出现时间、低脉冲次数及历时、流量上升幅度等18个指标各站均表现为随着梯级水库距离增加而降低，均由宜昌站的高、中变化度过渡至大通站的低变化度，受水库运行影响较大；年均最大流量系列除宜昌站出现中变化度，其余均为低变化度，受梯级水库运行次之；6、7、8月月均流量、11月月均流量、年最大值出现时间、高脉冲次数及历时、下降幅度及逆转次数9个指标受水库运行较小，除个别站出现特例情况基本表现为低变化度。
图4不同改变度在各组指标所占比例
Fig.4Proportion of different change degree in each group of indicators
3.3 改进效果分析
采用传统RVA法分析了2003年前后宜昌、枝城、螺山、汉口和大通站水文改变度，并与改进的水文改变度法进行对比，见图6~8。图6为各站IHA指标改变度对比图（序号对应指标详见表2），可以看出对于梯级水库影响较大的指标，改进的水文改变度法所得指标改变度高于传统RVA法，如第1组指标中5月（水库汛前消落）、9、10月（水库汛末蓄水）、12月—翌年3月（水库向下游补水）月均流量以及第2组指标中年均最小系列、第3组年最小值出现时间、第4组低脉冲次数及历时、第5组流量上升幅度等水库作用较大的指标，改进成果均等于或高于传统RVA法；对于梯级水库作用较小的指标如第1组6月和7月月均流量、11月月均流量、第2组年均最大流量系列、第3组年极大值出现时间、第4组高脉冲次数及历时、第5组流量下降幅度等，改进的水文改变度法所得结果近似或略低于传统RVA法。与水库调蓄相关的指标因子改变度变幅增大，受水库调蓄作用较小的指标因子改变度变幅与传统RVA法一致或略微减小，表明仅考虑受水库运行影响的改进的水文改变度法能够较好地凸显水库蓄丰补枯作用。
传统RVA法得到的宜昌-大通站均表现为中变化度，改变度分别为62%、64%、53%、59%和42%（图7）。距梯级水库最近的宜昌站的改变度小于下游49 km的枝城站，甚至与下游667 km且流域面积、平均流量相差甚大的汉口站接近，是不合理的。而改进结果除洞庭湖入汇后的螺山站外，其改变度逐渐减小，且宜昌站整体改变度提高了8%，由中变化度转为高变化度，符合上游已建大型水库调节库容约占年径流总量20%的事实。大通站整体改变度降低了12%，由中变化度转为低变化度，与宜昌站改变度过渡更大，能够更好地凸显梯级水库作用随距离向下游逐渐减弱这一特征。
图8为不同等级改变度在各站所占比例对比图，可以看出，采用传统RVA法计算各站的低变化度基本沿程保持逐渐上升趋势，所占比例为34%~59%；高变化度表现为沿程逐渐降低趋势，所占比例为47%~16%；中变化度所占比例范围为13%~31%。与传统RVA法相比，改进的水文改变度法中宜昌站高变化度所占比例增大，其下游各站高变化度所占比例逐渐减小。
图5各站对各指标水文改变度结果
Fig.5Hydrological change degree results of each index at each station
可以认为，本文提出的改进的水文改变度评价方法较传统RVA法更能客观反映水库运行对中下游水文情势的影响。
4 结论
为定量研究梯级水库运行对下游流域水文过程的影响，本文提出改进的水文改变度法，并以长江宜昌-大通河段为研究对象，研究了梯级水库运行对长江中下游水文情势改变度，得到以下结论：
1）传统RVA法针对水库（群）运行前后的实测水文系列进行分析，而运行后的实测系列既受水库群调蓄影响，也包含水文周期甚至天气变化影响，难以厘清；本文考虑水库调蓄影响还原出天然流量，针对同一时段的实测（受影响的）和天然流量系列，提出改进的水文改变度法，避免了水库运行以外的其他因素干扰。研究区域分析结果表明，消除了传统RVA法的沿程改变度不协调的现象，改进的水文改变度法评价结果更客观，更适用于评价水库运行因素对流域水文情势的影响。
2）改进的水文改变度法更能客观反映出上游水库蓄丰补枯的调蓄特征，与最小流量和水库运行调蓄相关的指标因子改变度更符合客观实际；改进的水文改变度法所得宜昌站的改变度为70%，大通站改变度为30%，中间水文站改变度在33%~67%中变化度范围之间，实现沿程由高至低变化度转变，上下游水文站改变度过渡范围变大，更符合上游水库运行影响沿程逐渐减弱的规律。
图6不同方法计算结果对比
Fig.6Comparison of results calculated by different methods
图7各站整体改变度
Fig.7Each station's overall change degree
图8不同方法不同变化度所占比例
Fig.8Proportion of different methods with different change degree
5 附录
附图Ⅰ见电子版（DOI： 10.18307/2025.0244）。
