黄河上游梯级开发河段生态流量研究

作     者：吴嘉伟 

作者单位：烟台大学 

学位级别：硕士

导师姓名：易雨君

授予年度：2024年

学科分类：082802[工学-农业水土工程] 08[工学] 0828[工学-农业工程] 081501[工学-水文学及水资源] 0815[工学-水利工程] 

主      题：黄河上游 梯级开发 Mann-Kendall分析方法 IHA-RVA 生态流量 水文情势 

摘      要：水电是一种清洁可再生的能源形式,梯级水电开发在防洪、灌溉、航运等方面也具有多重综合效益、但梯级水利工程的建设往往需要蓄水形成水库,大规模改变天然河道的水文过程,这必然会对下游河流的生态系统带来一定的冲击,造成水生生物栖息地破坏、水环境质量下降、生态平衡被打破等一系列生态环境问题。因此,如何在水电开发的同时,合理调控水文情势、维系河流生态系统平衡,最大限度保护河流生态环境。黄河上游龙羊峡-刘家峡河段共计已建成15座梯级水库,维系整个上游流域的生态安全和经济社会可持续发展具有不可替代作用。然而大规模的水库蓄放活动必然会改变天然河道的水文过程,对河流生态环境造成一定影响,因此有必要阐明黄河上游梯级开发河段径流量时空分布规律,揭示水文改变度及驱动因素,明确黄河上游梯级大坝适宜生态流量,为制定合理的水资源调度方案提供科学依据,从而实现流域社会、经济和生态协调可持续发展。 本研究以黄河上游龙羊峡-刘家峡河段为研究区,收集了唐乃亥、贵德、循化、小川、上铨、兰州6座水文站1970-2020年的径流量数据,运用MannKendall(MK)方法进行黄河上游水文情势分析,在此基础上,利用IHA-RVA方法评价了研究河段水文改变度及驱动因素,并基于这一方法和最小月流量法核算了黄河上游适宜生态流量,以期为平衡水库兴利和生态环境之间的要求,实现经济社会目标和生态目标的协调提供科学依据。本研究主要结论如下: (1)黄河上游梯级开发河段径流量整体呈现微弱的下降趋势,并于1985年出现明显的突变点,不同时期的年内径流分配差异显著。1986-2011年是黄河上游梯级开发河段的第一个明显的枯水时期,这一时期的多年平均的径流量较常年偏少9%-13%,径流量的变差系数介于0.20-0.34之间,其中唐乃亥站枯水期的径流量变化幅度最为显著,高于其他水文站。黄河上游梯级开发河段流量脉冲与脉冲趋势主要集中在4-6月份,呈现出明显的季节性特征。通过对1970-2020年的汛期(7-10月)逐日平均流量过程进行分析,发现黄河上游梯级开发河段的高流量通常出现在7-8月,随后在9月回落,但在10月又会出现回升;汛期最大日均流量可达3350 m3/s,这些结果揭示了黄河上游径流量的变化规律,同时可以为后续水文情势评价和生态流量研究提供了基础数据和科学依据。 (2)黄河上游梯级开发河段水文改变度及驱动因素结果表明,黄河上游6座水文站发生不同程度的改变。其中高度变化:贵德站(73.48%)、循化站(72.04%);中度变化:唐乃亥站(35.69%)、小川站(38.7%);低度变化:上诠站(24.6%)、兰州站(12.2%)。造成水文改变度差异如此显著的原因,主要在于龙羊峡-刘家峡调度区间不仅受到气候变化的影响,还受到建坝和水库调度等人类活动的强烈干扰。径流变异后唐乃亥、贵德、循化、小川、上诠、兰州站的流量组成单一化,6座水文站变异后大洪水事件完全消失、小洪水事件出现次数明显降低,对河流物理形态的维持、水生生物和近岸植被的生存产生不利影响。因此,全面评估黄河上游梯级开发河段的水文改变度及驱动因素,对于确定适宜生态流量具有重要意义。 (3)采用最枯月均流量法和IHA-RVA法,黄河上游梯级开发河段最枯月份流量分别为150.71、140.14、197.84、286.20、336.48、624.52、612.06、479.13、569.74、614.65、350.00和183.71m3/s,最小生态流量340.89m3/s运用IHA-RVA计算黄河上游生态流量阈值,黄河上游梯级开发河段生态流量上限2289m3/s,结合生态基流,适宜生态流量区间为340.89-1890m3/s。这一生态流量目标的提出,可为流域管理部门优化水资源配置提供重要参考,有利于维系河流生态系统健康,促进黄河上游流域资源开发与生态保护的协调统一,最终实现流域的可持续发展。