长江上游宜宾至朱沱河段水文要素变化及对河道和水生态影响

Changes in Hydrological Elements and Their Impacts on River Channel and Aquatic Ecology from Yibin to Zhutuo Section in the Upper Reaches of the Yangtze River

摘要: 为研究长江上游宜宾至朱沱河段水文要素变化及其影响，利用河段内朱沱水文站长系列实测流量、输沙量和水温资料，主要采用Mann-Kendall法分析变化的趋势性和突变性，结果表明：1) 枯水期流量有显著增加趋势；2) 输沙量显著减小；3) 平均水温和最低水温有显著的升高趋势，而最高水温则显著下降。2012年~2021年受采砂、航道整治等因素影响，宜宾–朱沱河段冲刷7929万m³，初步分析了对水生态的可能影响。

Abstract: In order to study the changes and the impacts of hydrological elements from Yibin to Zhutuo section in the upper reaches of the Yangtze River, the series of observed flow, sediment transport and water tempera-ture data at the Zhutuo hydrological station were analyzed. The Mann-Kendall method was used to analyze the trends and mutations of changes. The results show that: 1) There was a significant increase in flow during the dry season; 2) Significant reduction in sediment transport; 3) The average and minimum water temperatures showed a significant upward trend, but the highest water temperature significantly de-creased. From 2012 to 2021, this river reach was eroded by factors such as sand mining and waterway regulation, with a total scouring amount of 79.29 million m³. The impacts of the changes in hydrological characteristics on aquatic ecology were analyzed preliminarily.

1. 引言

长江上游宜宾至朱沱河段长约233 km，河段为长江上游珍稀特有鱼类国家级自然保护区(以下简称“保护区”)，主要保护对象有白鲟、长江鲟、胭脂鱼等珍稀濒危鱼类以及众多长江上游特有鱼类 [1] 。保护区在长江上游水域生态系统中具有代表性和典型性，是保存长江上游水生生物多样性不可或缺的栖息繁殖地 [1] [2] [3] [4] 。

2012年以来，金沙江下段乌东德、白鹤滩、溪洛渡、向家坝等水电站陆续投入运行发电 [5] 。受水库蓄水和下泄水量调控影响，下游保护区河道水文情势发生一定程度改变，可能对河道和水生态造成一定影响 [2] [3] [4] 。本文收集河段内朱沱水文站长系列实测流量、水温和输沙量资料，分析河段水文要素变化特点。并利用2012年10月~2021年10月宜宾–朱沱河段的实测河道地形资料分析河段冲淤情况，初步分析对水生态的可能影响，成果可为水库生态调度提供科学依据。

2. 资料与分析方法

2.1. 站点及资料

河段内有朱沱水文站，本次收集了朱沱站1954年~2021年逐月平均流量、1956年~2020年输沙量和含沙量、1960~2022年历年平均水温、最高水温和最低水温资料。另外还利用了2012年10月~2021年10月宜宾–朱沱河段的实测河道地形资料。水文、泥沙及河道观测资料均来源于长江水利委员会水文局长江上游水文水资源勘测局。

2.2. 分析方法

目前常用的水文变化分析方法有线性回归、累积距平、滑动平均、二次平滑以及Mann-Kendall法和Spearman法等。由于Mann-Kendall法计算简便，而且可以明确突变开始的时间，指出突变区域，因此得到了广泛的应用。本文研究应用Mann-Kendall方法分析水文要素变化的趋势性和突变性。其具体方法参见本文参考文献 [6] 。

3. 水文特性变化分析

3.1. 流量变化

采用Mann-Kendall法分析朱沱站逐月平均流量的趋势性和突变性，结果见表1。1至4月、枯水期(11~4月)平均流量、年最小流量有显著增加趋势，突变年份在2011年~2014年。而6月和8月的平均流量有显著减小趋势，突变年份为2007年、2008年。朱沱站平均流量变化见图1，由图可知年平均流量和汛期流量有下降趋势，枯水期平均流量则有显著增加趋势。枯水期平均流量突变分析见图2，由图可知在2014年发生向上的突变。

溪洛渡、向家坝水电站分别于2013年5月、2012年10月开始蓄水发电。根据朱沱站实测资料分阶段统计，2013~2021年与1954~2012年流量平均值相比(见表1)，在年平均流量变化很小情况下(增加1.28%)，枯水期(11~4月)流量有较大的增加，枯水期平均流量增加28.65%；3月平均流量增加53.47%；年最小流量平均值增加752 m³/s。而6~9月平均流量减少4.46%~14.25%，汛期平均流量减少6.2%。

Figure 1. Average flow changes at Zhutuo Station

图1. 朱沱站平均流量变化

Figure 2. Analysis of sudden change in average flow in dry season at Zhutuo Station

图2. 朱沱站枯水期平均流量突变分析

Table 1. Analysis results of flow changes at Zhutuo Station

表1. 朱沱站流量变化分析结果

3.2. 输沙量变化

根据朱沱站1956~2020年实测输沙量系列统计分析，最大年输沙量为48,400万t，年平均含沙量最大值为1.53 kg/m³，发生于1998年；最小年输沙量为2120万t，发生于2015年，年输沙量极值比为22.8。2013~2020年输沙量平均值为5070万t，仅为1956~2012年输沙量平均值28,207万t的17.8%，减少82.2%。从朱沱站历年输沙量和平均含沙量变化(图3)可见，年输沙量、平均含沙量系列存在显著的下降趋势。Mann-Kendall法分析年输沙量系列的突变年份为2009年。

Figure 3. Changes of annual sediment transport and average sediment concentration at Zhutuo Station

图3. 朱沱站历年输沙量和平均含沙量变化

3.3. 水温变化

利用朱沱站1960~2022年实测水温资料，分析年水温统计值变化的趋势性和突变性，结果见表2，年平均水温和最低水温有显著的升高趋势，突变年份分别为2015年、2014年；而年最高水温则出现显著下降趋势，突变年份为1995年。从朱沱站水温变化过程线(图4)可见，年平均水温和最低水温有显著的升高趋势，而年最高水温则出现显著下降趋势。2013~2022年与1960~2012年水温统计平均值相比(见表2)，年平均水温增加0.72℃、年最低水温平均增加2.95℃，而年最高水温平均降低0.87℃。

Table 2. Analysis results of water temperature changes at Zhutuo Station

表2. 朱沱站水温变化分析结果

Figure 4. Changes of water temperature at Zhutuo Station

图4. 朱沱站水温变化

4. 对河道与水生态的影响

4.1. 河段冲淤情况

2013~2020年朱沱站输沙量比1956~2012年输沙量平均值减少82.2%。来沙减少使该段的淤积速度减缓和冲刷强度增强。由于本河段为山区河流，河床可冲刷的沙质覆盖层极薄。根据2012年10月~2021年10月宜宾至朱沱河段的实测地形资料分析了河段冲淤情况，该河段2012~2021年间共冲刷7929万m³，其中冲刷主要发生在2016年以前，2012年10月至2016年11月河段累计冲刷8929万m³；2016年11月至2021年11月河床累积呈小幅度淤积的状态，淤积量1000万m³。一方面该段河道2016年以前采砂活动频繁，采砂量较大，分析表明2016年前冲刷主要受河道采砂影响。2016年开始河道全面禁止采砂。岷江和沱江仍然是长江上游重要的泥沙来源，特别是2020年遭遇强降雨过程，为宜宾至朱沱河段提供一定的泥沙来源，从而缓解该段河床冲刷 [5] 。

4.2. 对水生态的可能影响

分析表明朱沱站年平均水温增加0.72℃，年最低水温平均增加2.95℃，而年最高水温平均下降0.87℃。进一步分析朱沱站旬平均水温变化情况，溪洛渡、向家坝水库蓄水后，朱沱站4~7月水温平均降低1.8℃，9月至次年3月平均增温1.4℃，其中10月至次年2月增温显著，最大增幅3.2℃(12月下旬)。参考郝好鑫等对向家坝下游河段气温变化的影响因素分析 [7] ，本河段年内水温变化主要由上游梯级蓄水引起，年际变化主要由气候变化引起。

针对本河段鱼类繁殖期所需水温，高天珩等调查了长江干游宜宾、合江及江津段鱼类组成及其多样性 [8] ；任杰等对重要鱼类的水温、水质和水文水动力等生态需求进行了分析研究 [9] ；王康等研究了金沙江下游典型鱼类繁殖期 [10] ，郝好鑫等研究了长江干流宜宾重庆河段鱼类适宜产卵时间 [7] ，参考上述研究，本河段典型鱼类和繁殖时间见表3。表3中将繁殖时间对应的朱沱站2013年~2020年平均水温范围记为水温条件变化。河段内典型鱼类繁殖期自然状态下集中在3月上旬~7月下旬，繁殖水温主要分布在14℃~22℃；水温条件变化后其繁殖期集中在3月下旬~8月上旬，与原繁殖期相比始末时间推迟10 d~20 d。四大家鱼等部分鱼类在水温低于18℃时繁殖会受到影响。适宜产卵水温时间推迟不仅直接影响鱼类的产卵时间，由于“滞冷”效应降低了鱼类性腺发育期的积温，更造成了产卵期和性腺成熟期的时间不匹配。已有研究表明上述影响已使长江上游珍稀特有鱼类国家级自然保护区中铜鱼产卵率降低66% [11] 。该“滞冷”效应与溪洛渡和向家坝水库垂向水温分层有关，其中溪洛渡水库的低温水和高温水下泄对下游水温的影响高于向家坝 [12] 。

Table 3. Water temperature during spawning period of typical fishes

表3. 典型鱼类繁殖期水温条件

分层取水是国内目前改善水库下泄低温水不利影响的重要工程措施，为减少溪洛渡和向家坝梯级水库建成后低温水下泄对下游河段生态环境的不利影响，溪洛渡水电站设计采用4层叠梁门取水方案，叠梁门单层门叶高度12 m，最大挡水高度为48 m [13] 。而采取叠梁门取水方案，将会使得延迟效应和低温水程度减缓，在珍稀特有鱼类产卵生态修复上起到了一定的作用 [14] 。因此建议进一步优化溪洛渡水库的叠梁门运行调度方式，提升3~6月下泄水温 [13] 。

5. 结语

为研究长江上游宜宾–朱沱河段干流水文要素变化及其影响，利用河段内朱沱水文站长系列实测流量、水温和输沙量资料，采用Mann-Kendall法分析变化的趋势性和突变性：1) 流量方面，1至4月和枯水期(11~4月)平均流量有显著增加趋势，突变年份在2011年~2014年，而6月和8月的平均流量有显著减小趋势。2) 输沙量显著减小，突变年份为2009年。3) 水温方面，平均水温和最低水温有显著的升高趋势，突变年份分别为2015年、2014年；而最高水温则出现显著下降趋势。进一步分析朱沱站旬平均水温变化情况，朱沱站4~7月水温平均降低1.8℃，9月至次年3月平均增温1.4℃。

利用2012年10月~2021年10月宜宾–朱沱河段的实测地形资料分析了河段总体冲淤情况，受采砂、航道整治等人类活动因素影响，2012~2021年间宜宾–朱沱河段共冲刷7929万m³。

初步分析了对水生态的可能影响。水温变化对典型鱼类产卵繁殖产生一定的影响。建议进一步优化溪洛渡的叠梁门运行调度方式，提升下泄水温，建议进一步重视长江上游梯级电站开发运行引发的相关水生态问题。

基金项目

长江水利委员会水文局科技创新基金项目(SWJ-CJX23Z10)；长江水科学研究联合基金(U2240201)。