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1、 J. Lake Sci.(湖泊科学), 2009, 21(1): 135-142 http:/www.jlakes.org. E-mail: 2009 by Journal of Lake Sciences 复杂环境下华南东江中上游流域筑坝导致的水文变异* 杨 涛1, 陈永勤2, 陈 喜1, 杨红卫3, 陈晓宏4, 江 涛4 (1: 河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室, 南京 210098) (2: 香港中文大学地理与资源管理学系与空间与地球信息科学研究所, 香港沙田) (3: 南京市水利规划设计院有限责任公司, 南京 210006) (4: 中山大学水资源与环境管理系, 广州
2、 510275) 摘 要: 采用可视化分析软件包XmdvTool来评价复杂环境下东江中上游流域(1952-2002)水文变异以克服常规RVA方法的限制, 在分离了气候变化对水文变异影响后, 结合 RVA 方法系统地研究了华南东江中上游流域由于筑坝等人类活动引起的河流水文变异时空演化规律. 结果表明: (1)1952-2002 间由筑坝导致的最显著的东江中上游流域水文变异是最小 3d 流量, 低流量持续时间、1 月平均流量和 7 月平均流量等 3 个 IHA 因子; (2)在河源和岭下两站水文变异 9 个 IHA 因子相关图中, 1 月和 2月平均流量, 1 月平均流量和最小 90d流量相关图中
3、各存在一个较为明显的线性回归趋势, 表明上述因子存在较明显的相关关系; (3)东江中上游综合水文变异强度由大至小分别为: 河源、龙川和岭下. 运用高维水文数据可视化分析技术结合 RVA 方法可有效用于天然河流水文变异时空变化研究. 研究结果对于东江河流生态环境管理、生态恢复和水资源一体化管理具有重要意义, 可为流域水文变异的理论与方法研究提供借鉴. 关键词: 水文变异评价; RVA; IHA; 复杂环境; 筑坝影响; 气候变化; 东江流域 Evaluating hydrologic alternation along the East River basin, southern China,
4、under the changing environment YANG Tao1, CHEN Yongqin2, CHEN Xi1, YANG Hongwei3, CHEN Xiaohong4 2) The 6 most remarkable indicators of hydrologic alternation induced by dam-construction were the rise rate, 3-day maximum, Low pulse duration, January and July of the East River during 1952-2002; 3) Th
5、e spatio-temporal hydrologic alternations were different among 3 stations. Under the influences of 2 large multi-purpose dams, the rank of the overall degree of hydrologic change were Lingxia, Heyuan and Longchuan station along the middle and upper reaches of East River. Visualization techniques for
6、 the high-dimensional hydrological datasets, together with RVA approach, might be useful to detect the spatio-temporal hydrologic changes. The unique way of integrating spatial, temporal and multi-element hydrological components provided visually-enhanced insights that were not possible with traditi
7、onal analysis tools for water resources management.* 教育部重大科技项目(308012)、香港特别行政区研究基金会项目(CUHK4627/05H)和国家自然科学基金项目(50679025) 联合资助. 2008-04-07 收稿; 2008-06-02 收修改稿. 杨涛, 男, 1974 年生, 博士, 副教授; E-mail: Enigama2000 . J. Lake Sci.(湖泊科学), 2009, 21(1) 136 Keywords: Evaluation; Range of Variability Approach (RVA);
8、 Indicators of Hydrologic Alternation (IHA); visual; climate change; dam construction; the upper and middle East River 过去数千年间为满足防洪、航运、供水、发电和娱乐等诸多需求, 人类活动不同程度地改变了河流天然来水的水文情势1. 这些改变在造福人类的同时, 不可避免也带来很多负面影响. 环境、生态与水文学家建立了很多指标来研究人类活动对径流特征改变的不同影响, 早期的研究局限于平均流量、偏度、洪峰、频率、径流季节分配、枯水和洪水历时曲线. 以后的研究则逐渐扩展到研究运用水文指
9、针的不同组合和多变量方法等来定义水文变异(Hughes 等2; Richter 等3-5; Clausen 等6; Extence 等7, Poff 等8)以支持流域生态系统管理和恢复. Richter 等3提出一种评价大坝和水库等水利工程对天然径流水文变异影响的指标体系, 即水文变异指标(Indicators of Hydrological Alteration: IHA), 该方法立足于实测水文数据或者模拟数据. Richter 等4提出将水文变异幅度作为河流生态管理目标, 其中包括表征径流量、出现时间、频率、持续时间和变化速率等 5 类 33 个水文指标用于河流水文变异研究. 研究表明,
10、 径流变化的幅度是影响河流生态系统的主要驱动力, 同时也是水生物环境可持续发展的主要因素. Richter 等5采用RVA(Range of Variability Approach)方法对美国Utah州Colorado河下游两条主要河流筑坝导致的水文变异进行了评价, 得到了研究区流域尺度的水文变异分布图. Galat 和 Lipkin9采用 IHA 方法分析研究了Missouri 河筑坝导致的水文变异. Shiau 等10采用 RVA 来分析台湾 Chou-Shui 溪调水工程带来的水文变异及影响, 其研究结果表明: 天然河流恢复能够提高天然河流的生态环境条件. Yang 等11采用 IHA
11、 和 RVA方法分析对比了黄河三花区间(三门峡-花园口)流域由于修建众多大型水库引起的各干支流水文时空变异, 并讨论了其对黄河下游环境生态的可能影响. 以上研究结果表明, RVA 及 IHA 是河流生态环境管理与生态恢复研究的一种有效方法, 但是目前该方法在分析水文时空高维多元可视化方面还有所欠缺, 另外水文变异影响因素复杂多样, 在具体评价某因素对水文变异影响时, 势必要对其进行分离或分割. 本文采用一种基于 RVA 的可视化方法来评价复杂环境下东江中上游流域水文变异以克服常规RVA+IHA方法的限制. 本文的研究目标是: (1)分离气候变化对东江中上游流域水文变异造成的影响; (2)采用研
12、究区三个水文站筑坝前后近50年分离降雨变化影响后的日径流平水期资料, 结合可视化 RVA 方法评价筑坝前后 33 个 IHA 因子水文变异时空特征; (3)定量评价东江中上游流域枫树坝及新丰江水库对天然径流改变的影响, 为东江流域水资源管理与生态环境恢复提供科学依据. 研究区域概况 东江(图 1)和西江、 北江等干支流水系合称为珠江, 是全国第三大河流, 发源于江西省, 主要流经广东省, 总河长 562km, 流域面积 27040km2. 为实现防洪、供水、 水利发电、 航运、 灌溉和控制盐水入侵等目标, 过去 40 年来东江流域水资源得到了高强度开发, 使东江 流 域 天 然 径 流 强 烈
13、 地 受 到 人 类 活 动 的 影 响 . 1958-1984 年间东江中上游流域修建了众多的水库和大坝, 其中最主要的大型水库是枫树坝和新丰江水库(图 1 和表 1). 枫树坝水库位于东江上游, 总库容19.4108m3, 是目前广东省第三大水库. 新丰江水库是东江流域最早和最重要的多功能水利枢纽, 总库容139.8108m3, 是目前广东省第一大水库. 东江下游人类活动非常复杂, 影响因素非常众多, 导致评价筑坝对该区的水文变异影响极其困难, 因此选择人类活动较为单一(主要以筑坝为主)东江中上游为研究对象, 图 1 东江中上游流域水系示意图 Fig.1 Location map of t
14、he Dongjiang basin 杨 涛等: 复杂环境下华南东江中上游流域筑坝导致的水文变异 137来评价筑坝对径流水文变异的影响. 近年来, 国内众多学者运用不同研究方法探讨东江流域水文水资源时空变化基本规律12-16, 计算并讨论了东江流域未来相应期内不同保证率径流量可能发生的变化, 分析土地利用和气候变化对东江径流的影响. 但是, 目前对于东江流域由于上游筑坝等人类活动导致的水文变异等的研究尚未见报道. 因此, 本文将主要研究东江中上游流域由于筑坝等人类活动引起的流域水文变异并进行可视化的分析, 以期得到新的研究结果. 表 1 东江中上游流域主要水库及筑坝时间* Tab.1 Majo
15、r reservoirs in East River basin and construction period of each reservoir 水库 筑坝时间 枫树坝 水库 新丰江 水库 * 条状框表示筑坝前时期, 白色表示筑坝时期, 黑色表示筑坝后时期. 3 研究方法 3.1 基于 RVA 水文变异评价 RVA(Range of Variability Approach)方法采用 5 类(包括径流总量、 出现时间、 频率、 持续时间和变率)33个水文指标(表 2)来评价河流水文变异3-5,10-11. 表 2 RVA 指标及对应特征 Tab.2 Hydrologic parameter
16、s used in the RVA 类别 描述特征 指标 第一类: 月平均径流总量 径流总量和出现日期月平均径流 第二类: 年径流极值径流总量与持续时间 径流总量和持续时间 年最小(1, 3, 7, 30, 90d)径流量 年最大(1, 3, 7, 30, 90d)径流量 第三类: 年径流极值出现日期 出现日期 年最小1d径流出现日期、年最大1d径流出现日期 第四类: 径流极值的频率和持续时间 径流总量、 频率和持续时间 年高流量数量、年低流量数量、年高流量持续时间、年低流量持续时间 第五类: 径流变化程度和频率 频率和变化程度 上涨数量、下降数量 RVA 方法由于其重要的环境与生态学意义而普遍用于河流与湖泊生态环境研究, 每个因子的平均值、标准差和幅度均采用筑坝前后的日平均径流计算得到. 对 RVA 方法而言, 河流管理目标不是每年都保持同样的径流变幅, 而是保证其变化幅度保持筑坝前后同样的出现频率. 一般采用第25分位
