水利枢纽运行对下游河道影响研究综述

水利工程与其它工程一样, 在除害兴利、造福于民的同时, 也难免会造成一些负面影响, 水利枢纽对下游河道的水文要素、河道水位涨落、泥沙堆积等都有较大影响, 如:拦河筑坝, 使河流下游流量骤减甚至干涸, 河水稀释作用减弱, 导致水质恶化, 这是水库河流水质的普遍问题。

目前, 河流生态需水量研究也逐渐成为国内外关注的热点问题, 目前主要计算方法包括:Tennant法、河道湿周法、IFIM法、R2CROSS法和CASIMIR法等[1,2]。

1 水利工程对水文要素的影响

河流的水文过程与生态系统之间有着密切的关系, 而由于水利工程的开发和运行, 天然的河流水文形式受到人工的干扰和调节, 水库蓄水意味着河道的原始水流将发生改变, 根据大坝和水库的修建目的, 通常会在水量充沛时将大量的水滞留, 而在枯水期放出弥补用水不足, 以此来调节河流水流量。

水利工程的修建对下游河道径流和泥沙均有较大影响, 由于水库为季调节, 对径流影响不大, 但对河道含沙量和输沙量的改变最为明显, 相同径流条件下水库拦截了大量泥沙, 水沙相关性出现明显减小, 泥沙的季节分配和年内分配规律受水库运行影响明显。值得注意的是漫湾水库的调节作用, 使建坝后下游非汛期径流变化增大, 径流年内分配变平坦;径流年极值与建坝前相比有不同程度的增大, 流量极小值在枯期电站关闸时候造成短时间内的流量减小;极值流量的出现时间较建坝前趋于集中;高、低脉冲每年出现次数均较建库前明显增加, 高洪历时变化不显著, 低水持续时间减少;下游河道的洪水涨落次数增加, 洪水的涨落速率增大, 尤以关闸蓄水时的落水速率变化更为显著。

2 水利工程对洪水的影响

2007年嫩江流域发生了严重干旱, 刚刚建成的尼尔基水库对缓解嫩江旱情发挥了重要作用。宁方贵、姚国军等通过对嫩江流域旱情分析, 尼尔基水利枢纽蓄泄变化及对下游的影响分析, 说明了尼尔基水利枢纽在嫩江水资源调控中的关键作用[3]。

因为洪水本身量较大, 即使较小的影响比例也能带来较大的影响量, 而小洪水本身量小, 就算有再大影响比例也不会有太大的影响量:另一方面是非工程措施发挥的作用也越来越重要[4,5,6]。在水库实际控制运行中, 基于经济利益的考虑, 工程管理人员会尽可能的多蓄水, 以达到其发电或灌溉等的经济效益, 但同时还要考虑水利工程以及流域本身的防洪安全。因此对蓄—泄水量的控制、出入库流量的调节必须要找到一个边际经济效益最低的动态平衡点, 如皂市水利枢纽是以防洪为主的年调节水库, 水库的作用主要是削减洪峰流量[7,8]。但因水库采取“蓄清排浑”的调度运行方式, 如在汛期冲沙运行, 因沉淀在水库底泥中污染物质较多, 可能在短期内会对枢纽下游水质产生一定的不利影响。

3 水利工程对泥沙的影响

水利工程的修建, 会改变下游河道的水沙关系, 影响河流挟沙的因素很多, 综合起来可以概括为气候因素及下垫面因素。气候因素中影响最大的是降水和下垫面因素, 如土壤、植被和地形的差异及水利工程的建设等, 都会影响河流泥沙含量的多少。河流泥沙带来诸多危害, 如何消除河流泥沙带来的负面影响是当前水利工作面临的一项重要课题。

沙颍河位于淮河左岸, 是淮河最大的支流, 但在沙颍河全线复航的关键性工程枢纽建成后, 引航道都发生了大量的泥沙淤积, 严重影响了沙颍河的全线复航工程, 制约了经济的发展[9,10]。筑坝后, 水利工程上游的水流条件发生了巨大的改变, 在回流影响的区域, 流速明显减慢, 水流输沙能力也随之降低, 大量随水流进入库区的泥沙也被拦截沉积在水库中。

拦截的泥沙淤积量与水库拦沙效率有关, 而拦沙效率则可通过多种方式来计算。大坝泄流, 携沙量己大为减少, 或完全消除了泥沙, 水流需从河床卷起新的物质来弥补挟沙能力的空缺, 结果即河床开始逐渐下降, 且慢慢向下游推进。

4 水利工程对水位的影响

从理想状态来讲, 水位变化规律必然与降水量变化存在密切联系, 水位高低与降水量大小成正比。在现代水利工程影响下河道水位的变化主要与气候特点、降水量和水利工程影响有关, 随着我国修建的水工结构越来越多, 城市水利工程对水位的影响越来越突出。

5 水利工程对河道生态系统的影响

水利工程建设项目对河流生态系统的威胁逐渐增大, 开始破坏稳定的生态系统, 主要体现在部分水利工程在建设施工的过程中使得河流形态趋向均一、不连续化的方向改变, 从而削弱了当代生物群落的多样化性质。

5.1 河流形态的变化倾向逐渐削弱了生物群落的多样化

跨流域调水发电工程, 会造成下游河段生态环境、水量和水质变化等环境问题。傅铁[10]等结合工程所在地的自然地理环境, 通过对宝坛水利枢纽下游河段环境影响的分析, 认为工程对下游河段的影响是有限的。并对工程对下游河段环境影响进行分析, 水库在施工期均采取隧洞导流和大坝缺口渡汛, 故不形成断流, 对下游影响不大。运行期, 在汛期水库蓄水, 只有当蓄水到正常高水位以后, 并且来水超过发电流量时, 才利用泄水建筑物泄洪, 因此, 在工程运行期间, 将会对坝址下游一定河段的水量、水温、水质、生态环境等产生影响。

河流形态逐渐倾向于均一、不连续化的方向, 以上的两点特征都在不同程度上影响作用生物群落的多样化。所谓河流形态倾向于均一化即是指现代天然河流逐渐变为渠道化, 或者人工河网化, 主要体现在如下四个方面:1) 处于水平面上, 河流形态倾向于直线型变化, 是指建设工程把天然、弯曲的自然河流改变为直线型或者折线型的河流形态。2) 处于架道的横截面上河流形状呈现几何形状, 是指把形状万千的天然河流改造成长方形、正方形、梯形等几何形状的断面。3) 河道建设材料趋向于硬质化, 现代建设的河床与边坡都开始选择使用一些硬的材料进行建造, 例如混凝土, 一些防洪工程中的堤坝都是使用这样的建设材料。4) 河流改造工程趋向于“舍弯取直”。而所谓河流形态倾向于不连续化即是河流筑造堤坝水库, 从而使得河流不连续, 甚至有些河流实施梯级发展, 进而使许多河流形成多级不连续的现象。

5.2 逐渐改变的河流形态削弱了生物种群的多样化性质

李亚伟[11]等对皂市水利枢纽的建设改变枢纽下游河流水文情势进行研究, 通过对皂市水利枢纽常规调度运行方式及其对下游河道生态环境的影响分析, 采用TENNANT法对皂市水利枢纽下游河道枯水期及丰水期的生态需水量进行了综合分析, 提出了利枢纽下游生态基流量。综合定量分析皂市下游河道的生态基流量, 确保枢纽河道下游生态需水, 从而为皂市水利枢纽生态调度提供参考和依据。

众所周知, 现今许多河流的渠道化与“舍弯取直”改造工程完全转变河流蜿蜒曲折的状态, 以往急缓相夹的河流己经慢慢减少, 且逐渐出现的几何断面也开始转变深潭浅滩的河流形态, 动植物赖以生存的环境条件出现变化, 河流形态、水质以及河流生态系统的构造与性能也随之而改变, 尤其是生物群落的多样性逐渐减弱, 更严重时会使得淡水生态系统消失。主要体现在减少的河流两岸的植被、水域植物所覆盖的面积, 减少生物种类, 逐渐改变的鱼类产卵的环境因素, 河流两岸的动物赖以生存的生活空间逐渐减少, 使得生存在河流周围的生物种类与数量开始减少, 甚至有些生物出现灭绝的态势。

水利枢纽下游天然来水条件发生较大变化, 对局部生态环境存在一定的不利影响。水库下泄的低温水对下游水生生物、灌溉的农作物将产生轻微的不利影响。国内对水利枢纽下游河流泥沙淤积普遍进行深入研究, 针对不同水利枢纽地理位置条件进行针对性的研究, 为以后水利枢纽建设对下游河道影响分析提供一些参考。

6 结论

水利工程是人类活动对洪水影响极其重要的因子之一, 近些年随着全国各地水利工程的大规模建设, 其影响尤为明显与突出, 且在小同地区对小同类型洪水具有小同的效果。水利枢纽的建设对下游航道水文要素、洪水涨落、泥沙堆积、水位变化和水利生态等情况起到一定的影响作用, 在江河上修建水工建筑物, 不但意味着对江河的干扰, 周边环境也会发生巨大的变化, 大型水电工程对水环境、生态环境、社会环境及地区经济发展都会产生巨大影响, 我们在工程规划设计阶段必须要缜密考虑, 科学预计, 扩大正面效应, 减少负面效应, 实现既开发利用水资源, 又能改善、协调人类发展与水环境间的和谐关系, 维持河流、湖泊的健康生命。

摘要：本文针对水利枢纽运行对下游河道的影响进行研究综述, 举例说明水利枢纽运行对个别地区下游河道水位变化、水文要素、泥沙淤积、生态保护等问题进行分析, 水利枢纽的建设对下游河道的影响既有正面效应, 也有负面效应, 需要全面分析, 正确评价。

关键词：水利工程,河道,水利枢纽

参考文献

[1] 边玮, 郭海晋, 胡玉林.皂市水利枢纽设计洪水研究[J].人民长江, 2000, 31 (12) :15-17.

[2] Denis A H.A desktop model used to provide an initial estimate of the ecological instream flow requirements of rivers in South Africa[J].Journal of Hydrology, 2003, 270 (324) :167-181.

[3] 曹辉, 刘新.郑埠口船闸下游口门区及连接段航道泥沙淤积原因研究[J].中国水运, 2016.

[4] 交通部三峡办公室.长江三峡工程泥沙和航运问题研究成果汇编[R].北京:交通部三峡办公室, 1997.

[5] 中国长江三峡工程开发总公司技术委员会, 国务院三峡工程建设委员会办公室泥沙课题专家组.长江三峡工程坝区泥沙研究报告集[R].专利文献出版社, 1997.

[6] 胡向阳, 姚仕明.三峡工程二期临时船闸引航道泥沙淤积研究[J].长江科学院院报, 2001.

[7] 方春明, 谭良.三峡工程临时引航道泥沙淤积数值模拟[J].水利学报, 2006.

[8] 边志华.大坝下游河道变化分析方法[J].测绘与空间地理信息, 2011 (05) .

[9] 宁方贵.2007年尼尔基水利枢纽对下游旱情影响分析[J].东北水利水电, 2008 (2) .

[10] 傅铁.宝坛水利枢纽对下游河段的环境影响评价[J].广西水利水电, 2005 (2) .

[11] 李亚伟, 卫东山, 等.皂市水利枢纽下游河道生态基流量研究[J].南水北调与水利科技, 2010 (1) .