Influence of cascade reservoirs on spatiotemporal variations of hydrogeochemistry in Jinsha River

River hydrogeochemistry offers necessary guidance for effective water environmental management.However,the influence of cascade reservoirs on river hydrogeochemistry remains unknown.In this study,the Jinsha River,the headwaters of the Yangtze River of China,was selected to investigate the spatiotemporal variations of hydrogeochemistry after the construction of six cascade reservoirs.Major ions,total dissolved solids,electrical conductivity,and pH values of sampled water in the upper natural reaches and lower reservoir-regulated reaches were analyzed in both flood and dry seasons.The results of Piper diagram and Gibbs plots showed that the hydrogeochemistry of the Jinsha River was naturally controlled by both evaporation-crystallization and carbonate weathering processes,but it was also artificially affected by reservoirs.The impoundment of cascade reservoirs affected the hydrodynamic condition of the river.The river flow in the flood season was reduced by approximately 24.5%,altering the proportions of water sources and leading to notable hydrogeochemical alterations in reservoir-regulated reaches.Conversely,river hydrogeochemistry generally remained unchanged in the dry season,owing to the insignificant effect of cascade reservoirs on river flow.In contrast to what has been observed in previous studies of individual reservoirs,the cumulative influence of cascade reservoirs on the Jinsha River flow regime did not cause abrupt hydrogeochemical changes between the upstream and downstream areas of each reservoir.Moreover,the water quality assessments revealed that the impoundment of cascade reservoirs improved downstream irrigational water quality,with lower Naþratio values in the flood season.This study provides the earliest evaluation of cascade reservoir influence on the hydrogeochemistry of the Jinsha River.The findings of this study can be used as a reference for scientific guidelines for future environmental management of cascade reservoirs in large rivers.

Cumulative impact of dam constructions on streamflow and sediment regime in lower reaches of the Jinsha River, China

The cumulative effect of cascade hydropower stations on river ecological environment has been widely concerned because of the significant streamflow hydrology change induced by dam constructions. The characteristics of the change in the lower reaches of the Jinsha River, China are analyzed based on long-term(1952–2015) hydrological and sedimentological data. The averaging coefficient, reservoir regulation coefficient(RRC), incoming sediment coefficient(ISC), and sediment transport modulus(STM), which reflect the variation of streamflow and sediment regimes, are defined and calculated. The results show that the construction and regulation of reservoirs reduces flow in flood season, increases flow in dry season, significantly altering the monthly discharge regimes. These alterations also led directly to changes in the timing of extreme flows at Pingshan Station. The monthly flow records at the basin outlet are reconstructed using stepwise regression, to reduce reservoir impacts. Comparisons of observed and reconstructed monthly flows demonstrate that the previous studies overestimated the cumulative effects of cascade reservoirs on flow processes. Furthermore, this study clearly illustrates that the reduction in sediment trapping and sediment transportation capacity together lead to the sharp reduction in annual sediment yield at the Pingshan Station. The earlier constructed reservoirs have more obvious effects on the ISC and STM than the more recent reservoirs and the effect of sediment trapping is related to reservoir location, on the main stream versus tributaries.

Spatio-temporal trends and causes of variations in runoff and sediment load of the Jinsha River in China

The Jinsha River Basin is an important basin for hydropower in China and it is also the main runoff and sediment source area for the Yangtze River,which greatly influence the runoff and sediment in the Three Gorges Reservoir.This study aims to characterize the spatial distribution,inter-annual variation of runoff and sediment load in the Jinsha River Basin,and to analyze the contribution of rainfall and human activities to the runoff and sediment load changes.The monitoring data on runoff,sediment load and precipitation were collected from 11hydrological stations in the Jinsha River Basin from1966 to 2016.The data observed at the outlet of the basin showed that 71.4%of the runoff is from the upper reaches of the Jinsha River Basin and the Yalong River,while 63.3%of the sediment is from the lower reaches(excluding the Yalong River).There is no significant increase in runoff on temporal scale in the Jinsha River Basin,while it has an abrupt change in runoff in both upstream and midstream in 1985,and an abrupt change in downstream in 1980 and2013.The sediment load demonstrated a significantincreasing trend in the upstream,no significant reducing trend in the midstream,but significant reducing trend in the downstream.The sediment load in upstream showed abrupt change in 1987,in midstream in 1978 and 2014,in downstream in 2012.Rainfall dominated runoff variation,contributing more than 59.0%of the total variation,while human activity,including reservoirs construction,the implementation of soil and water conservation projects,is the major factor to sediment load variation,contributing more than 87.0%of the total variation.

Landslide and Rockfall Distribution by Reservior of Stepped Hydropower Station in the Jinsha River

The landslides and rockfalls were studied in this paper from Xiangjiaba to Baihetan in the lower reach of Jinsha river. Their volume, distribution density and landslide index were studied which indicated that there existed close relationships between landslides and rockfalls and geological structure, stratum. The fold and faultage influenced on the stability of slope and offered the geological condition to landslides and rockfalls. The physiognomy controlled their distribution. Slope angles of landslides were 10 °-50°and slope angles of rockfalls were mainly 35°-50° in the valley in the studied area. The results indicated the geology and physiognomy of distribution area of the landslides and rockfalls in the studied area. They offered the theoretical foundation to prevent and cure geological disaster and protect the water power engineering.

金沙江下游向家坝库区鱼类群落结构空间格局

探究鱼类群落结构空间分布特征及其对梯级水电开发的响应,为水电开发生态环境影响评价及鱼类保护提供依据,为长江“十年禁渔”效果评估提供本底资料。2016-2018年采用复合刺网和地笼对向家坝库区库首邵女坪、库中绥江和库尾桧溪的鱼类群落进行了7次调查,探究了建坝后的鱼类种类组成、个体大小、生态类群及其空间分布特征。调查共采集到鱼类59种,隶属于6目16科49属,其中长江上游特有鱼类5种,外来鱼类12种。在邵女坪、绥江和桧溪江段分别采集到鱼类39、40和39种,Jaccard相似性指数分析表明,3个江段鱼类群落物种组成为中等相似。相对重要性指数(IRI)分析显示,邵女坪江段鱼类群落的优势种为中华倒刺鲃(Spinibarbus sinensis)和䱗(Hemiculter leucisclus),绥江江段优势种为䱗、鲢(Hypophthalmichthys molitrix)、瓦氏黄颡鱼(Pseudobagrus vachelli)和鳙(Aristichthys nobilis),桧溪江段优势种为瓦氏黄颡鱼、镜鲤(Cyprinus carpio var.specularis)、鲤(Cyprinus carpio)、䱗、草鱼(Ctenopharyngodon idellus)和鲫(Carassius auratus)。NMDS分析显示,库首邵女坪和库尾桧溪江段鱼类群落差异相对较大,Bray-Curtis相异指数为0.59;库中绥江与库首邵女坪鱼类群落更为相似,Bray-Curtis相异指数为0.41;库中绥江和库尾桧溪的Bray-Curtis相异指数为0.46。广适性鱼类是向家坝库区各江段的优势类群,分别占鱼类种类、数量和重量的57.7%±5.9%、65.2%±20.7%和47.7%±16.1%;从库首至库尾江段其数量比分别为43.3%、67.8%和84.5%,呈现逐渐增加趋势。向家坝库区渔获群体体长为29~655 mm,平均体长为(128±65)mm,体重为0.1~5408 g,平均体重为(70±218)g,主要种类(鲤和镜鲤除外)在不同江段间个体大小差异显著(P<0.05)。与蓄水前(2011年)相比,金沙江下游鱼类群落发生了显著变化,流水性的特有鱼类减少,外来鱼类增多。

金沙江下游梯级水电工程库区生态系统服务价值演化及权衡协同关系

基于生态系统服务变化指数、相关分析及空间自相关等方法,对金沙江下游梯级水电工程库区2005—2018年生态系统服务价值进行定量分析,探索库区生态系统服务权衡协同关系的时空演变规律。结果表明:(1)2018年库区生态系统服务价值达到940亿元,研究期间生态系统服务价值总量增加42亿元。(2)库区生态系统服务价值空间分布较为稳定,呈现南高北低格局,空间相关类型均为正相关,生态系统服务价值增益地区集聚于金沙江沿岸。(3)库区生态系统支持服务与供给、调节、文化服务之间表现为权衡关系,供给、调节、文化服务两两之间表现为协同关系,各乡镇生态系统服务的相关关系以协同关系为主。研究结果进一步证明水电工程的实施能改善库区生态系统服务功能,为库区环境保护和土地资源可持续利用提供技术支撑。

金沙江梯级库区生态系统服务供需耦合协调度及驱动因素

[目的]探索金沙江梯级水电工程库区生态系统服务供需关系的时空演变规律及其驱动因素,为水电工程库区生态管理提供决策支撑。[方法]基于金沙江梯级水电工程库区土地利用、人口、国内生产总值、归一化植被指数和降水量等数据,采用市场价值法、耦合协调度模型和地理加权回归模型等方法,开展库区生态系统服务供需耦合协调度及其驱动因素研究。[结果]2005—2019年期间库区生态系统服务价值增加了6.8亿元,总量达到了917亿元。生态系统服务供需严重失调和重度失调的区域,主要分布于金沙江北岸的四川省境内,勉强协调和良好协调的区域主要分布于金沙江南岸的云南省境内。植被覆盖对库区生态系统服务供需耦合度呈现正向驱动关系,人口和地形起伏度为负向驱动关系,降水量对库区北部局部地区为正向驱动关系,其余地区为负向驱动关系。[结论]库区生态系统服务供需耦合协调度呈现南高北低的空间分布特征,且受多重因素影响,未来应加强水电工程库区生态系统服务研究。

金下-三峡-葛洲坝梯级水库联合优化调度方案比较研究

依据水库调度图进行模拟调度,以检验设计值的合理性并作为方案比较的基准。分别建立金沙江下游和三峡-葛洲坝6座梯级水库联合调度和多目标优化调度模型,采用基于Gaussian径向基函数的“参数化-模拟-优化”框架和Borg算法求解优化模型的Pareto前沿。对比研究结果表明:6库设计年发电量合理可靠,联合调度需考虑回水顶托影响;联合(优化)调度方案与单库调度方案对比,6库年均弃水量分别降低20.38%(30.44%),增发电量4.01%(5.45%),其中溪洛渡、向家坝和葛洲坝水库增发电量最大;发电量与蓄满率互相制约,三峡水库9月10日起蓄面临着枯水年难以蓄满的问题,建议进一步优化三峡水库汛期运行水位并考虑提前蓄水。

基于变权重非线性安全度的梯级防洪库容分配方法研究

梯级水库群防洪库容的合理分配与有效利用对汛期水库群防洪减灾和综合效益的发挥起到至关重要的作用。针对梯级水库在防洪库容分配过程中,各水库对整体防洪安全影响的重要程度差异性缺乏有效区分方法,进而导致防洪库容分配不合理的问题,将水库非线性安全度与兼顾水库入库流量、设计防洪库容大小、泄流至防洪控制站传播时间等特征的变权重相结合,提出基于变权重非线性安全度的水库防洪安全度计算方法,同时,考虑梯级各水库和下游防洪控制站的安全,以梯级整体防洪安全度最大和下游防洪控制站超标洪量最小为目标,构建基于安全度的梯级防洪库容优化分配模型,采用差分进化算法对模型进行求解,实现防洪库容的最优分配。将该方法应用于金沙江下游乌东德、白鹤滩、溪洛渡、向家坝四库梯级防洪库容分配实例,结果表明该方法相较于其他方法,可在不降低梯级整体防洪效果的前提下,描述各水库权重的动态变化过程,通过增加乌东德和白鹤滩水库防洪库容的使用,以减小溪洛渡和向家坝水库防洪库容的使用,使梯级整体在调度期的防洪安全度达到最大。该方法可反映各水库在梯级防洪中重要程度的差异性,实现水库间防洪库容的科学管理与合理分配,为水库防洪优化调度科学决策提供依据。

金沙江下游水库拦沙效应研究

随着众多水库建成运用,水库拦沙成为了金沙江下游减沙的主要原因。1956—2021年金沙江干流及下游支流共修建10万m^(3)以上的水库504座,总库容为687.63亿m^(3)。水库运用后,金沙江下游年径流量不存在明显变化,而年输沙量显著减小。金沙江下游出口含沙量在1998年、2013年以后大幅减小,1956—1997年平均含沙量为1.75 kg/m^(3),1998—2012年平均含沙量减小为1.22 kg/m^(3),2013—2021年平均含沙量减小为0.01 kg/m^(3)。采用双累积曲线法及水库拦沙率公式,分析水库拦沙与水土保持工程对金沙江下游减沙贡献度,结果表明:金沙江下游减沙主要由水库拦沙造成,其中1998—2012年金沙江下游年均减沙0.97亿t,水库拦沙的减沙贡献度为0.67,水土保持工程等措施的减沙贡献度为0.33;2013—2021年下游年均减沙2.43亿t,水库拦沙贡献度为0.97,水土保持工程等措施减沙贡献度为0.03。

金沙江下游某水电站坝区降水特征分析

金沙江流域极端小时降水过程局地性强、短时雨量大,了解该区域极端小时降水特征,有助流域水电站应对强降水事件。利用该区域6套自动气象站2011—2022年观测数据集,通过质量控制、特征值提取、分类统计分析等方法,对极端小时降水时空变化特征进行分析。研究发现:①该水电站区域日降水分布的夜雨特征明显,短时强降水在夜间和凌晨出现频率较高;②月际变化方面峰值分别出现在7月和9月,7月降水高发于后半夜,9月的占比高于7月;③选取3个极端小时降水阈值指标,极端小时降水强度由上游向下游、由西北向东南逐渐减小。极端降水事件平均持续时长6.04 h,且前期发展迅速,平均于1.66 h时降水达到峰值;④极端小时降水事件的过程雨量占年平均降水量的24%~33%。将以上结果与近10年实际数据相比对,证明降水特征对蓄水调度和风险管控有一定的应用价值。

兼顾生态的梯级水电站优化调度模型研究与应用

随着生态环境保护意识的提高,国家对水库开展生态调度的要求也不断提高。针对金沙江下游梯级电站复杂多样的生态调度需求,以经济效益最大为目标,建立针对产粘沉性卵鱼类生态调度和促进产漂流性卵鱼类繁殖生态调度的梯级水电站中长期优化调度模型;通过生态调度与电站运行目标的整体优化,得到生态调度开展时机的优化方案,实现兼顾生态调度和电站发电。在此基础上,选取丰、平、枯共30个典型年进行分析。结果表明:不同典型年下考虑生态调度后梯级发电量减少0.01%~0.27%,来水越丰,生态调度的影响越大。就整个消落期来看,生态调度与兴利调度没有明显的冲突,但会影响梯级电站的消落进度,导致上游两座电站消落提前1旬左右,对下游两座电站影响较小。

三峡水库对城陵矶防洪补偿控制水位研究Ⅰ——需求分析与优化条件

城陵矶地区是长江中下游洪灾最频发的区域之一,是长江水库群防洪的重点保护对象。金沙江下游乌东德、白鹤滩、溪洛渡、向家坝4座梯级水库与三峡水库组成的巨型水库群防洪能力巨大,显著改变了流域防洪调度格局。在概括分析城陵矶地区防洪需求,回顾三峡水库对城陵矶地区防洪补偿控制水位不同阶段成果的基础上,剖析了优化防洪补偿控制水位的研究要点,研究了金沙江下游梯级防洪库容投入情况,进而明确了提高防洪补偿控制水位的有利条件。研究结果表明:在三峡水库水位达到城陵矶防洪补偿控制水位158.00 m后,金沙江下游梯级水库在预留40.93亿m^(3)防洪库容的基础上,尚有30亿~60亿m^(3)富余防洪库容可配合运用,为进一步提高三峡水库对城陵矶防洪补偿控制水位创造了良好条件。

梯级水库中长期仿天然水文情势的生态流量多目标调度

针对现有研究较少从水文情势角度开展梯级水库中长期生态流量调度的现状,基于场景缩减(SBR)技术推求的仿天然水文情势生态流量过程,以梯级水库下泄流量与生态流量的动态时间规整(DTW)距离最小为生态目标,以梯级水库发电量最大为发电目标,构建梯级水库多目标生态流量调度模型,并采用“参数模拟−优化”思路求解,选择金沙江中游梨园、阿海、金安桥、龙开口、鲁地拉和观音岩6座梯级水库,对1953-2015年的旬径流资料开展分析研究,为梯级水库中长期生态流量调度提供参考。结果表明,推求的仿天然水文情势生态流量具有明显的季节性波动和上下游断面量级差异特征;相较梯级水库原调度方案,优化调度方案可通过径流调节,改善梯级水库中长期生态和发电效益,在不影响生态目标的状态下,可增加511亿kW·h的发电量,相应增幅为1.35%;在不影响发电目标的情况下,可减少134253的DTW距离,相应降幅为3.85%。

金沙江下游三堆子河段卵石推移质输沙率公式研究

金沙江上中游梯级水库运用后,进入下游的悬移质输沙量大幅减少,水沙条件显著变化;同时,卵石推移质输沙量在总输沙量中的比重明显增加,对水库淤积进程影响显著,开展变化水沙条件下金沙江下游卵石推移质输移规律研究具有重要意义。基于下游入口三堆子水文站2008—2021年卵石推移质实测资料,对经典起动流速公式和推移质输沙率公式进行了检验与修正。结果表明:与经典起动流速公式计算结果相比,通过引入以卵石粒径为变量的系数,所得到的不同粒径范围的卵石推移质起动流速修正公式,计算精度显著提高;经典推移质输沙公式的计算结果在输沙强度较低时与实测值偏差很大,通过建立输沙强度与水流强度的关系,并引入隐暴参数对公式进行修正,明显提升了其在低输沙率情况下的计算精度。修正后的起动流速公式和推移质输沙率公式能更有效地反映三堆子河段卵石推移质的输移规律。

三峡水库对城陵矶防洪补偿控制水位研究Ⅱ——风险分析与运用方案

乌东德、白鹤滩水库投运后,长江上游水库群联合防洪调度为进一步提高三峡水库对城陵矶防洪补偿控制水位创造了有利条件。为提高三峡水库对城陵矶防洪补偿控制水位,针对金沙江下游梯级防洪库容投入运用条件,基于三峡坝址不同典型年的不同频率设计洪水,开展了荆江防洪和库区回水风险分析,提出了金沙江下游梯级配合三峡水库的等比例分级拦蓄方式,在确保荆江及库区防洪安全的前提下,提出了三峡水库对城陵矶防洪补偿控制水位优化运用方案,给出了金下梯级预留防洪库容与三峡水库对荆江防洪库容的等效关系。研究结果表明:提出的等比例分级拦蓄方式综合了拦量和削峰两种模式,有效利用了金下梯级防洪库容,调度效果最好;提出的水位优化运用方案具备较好的防洪减灾效果,丰富完善了长江上游水库群联合防洪调度方案,可进一步减少中下游超额洪量。研究成果可为长江水库群实际洪水调度提供技术支撑和决策参考。

金沙江下游梯级联合调度对川渝河段防洪效果评价

金沙江下游四级梯级水库联合调度为长江川渝河段提供了防洪安全保障,对其防洪调度效果进行评价,可以科学衡量与评估川渝河段防洪调度效果,促进流域洪水资源化利用。基于金下四级联合防洪调度方案,建立防洪、发电、生态和航运4个准则下的评价指标体系,采用改进的层次分析法和熵权法,构建川渝河段梯级水库防洪调度效果评价模型,综合考虑防洪和兴利效益,评估不同来水频率和不同起调水位的梯级水库防洪调度效果;对比溪-向两库联合调度与金下四级联合调度效果,分析乌东德、白鹤滩水库建成投产对于川渝河段防洪调度及洪水资源化利用的综合效果。结果表明:①随着乌-白两库起调水位升高,金下四级防洪调度效果系数呈现先升高后降低的趋势。②对于20,30,50 a一遇和100 a一遇洪水,乌东德和白鹤滩水库分别从(965 m和795 m)、(975 m和790 m)、(955 m和790 m)、(952 m和795 m)起调时,金下四级防洪调度效果系数最大,梯级水库联合防洪调度方案最优。③乌东德、白鹤滩水库建成投产后,川渝河段洪水资源化利用效果提升。研究成果可用于多功能、多保护对象的梯级水库防洪调度效果评价,为地区防洪调度决策提供依据。

金沙江下游-三峡梯级水库2023年联合调度实践

金沙江下游-三峡梯级水库是治理和保护长江的关键性工程。为了进一步提高梯级水库应对持续枯水的能力,保障水资源综合利用效益全面发挥,结合2023年长江上游水雨情特点,全面分析了梯级水库应对持续枯水所实施的联合补水、汛期水位动态控制、联合蓄水等优化调度措施,总结提炼了梯级水库联合调度的成效和经验。实践结果表明:枯水期梯级水库累计向下游补水约243亿m^(3),有效保障了长江中下游供水安全以及航运、生态等综合效益;通过汛期抬水位、蓄水期精细化预报调度,有效提升了水资源利用效率,保障了梯级水库实现蓄满目标。提出的调度措施和经验可为今后流域控制性水库群联合调度方式优化提供重要参考。

金沙江下游梯级水库人造洪峰生态调度综合效益影响分析

5~6月的人造洪峰生态调度是促进金沙江下游产漂流性卵鱼类繁殖的重要手段。为探究人造洪峰生态调度对梯级水库综合效益的影响,拟定了梯级水库不同开展时段的生态调度方案,以发电量、弃水量、供水保障率为评价指标,选取丰(25%)、平(50%)、枯(75%)典型来水对各方案进行效益分析。结果表明:典型来水条件下,向家坝在不同时段开展生态调度对梯级水库效益无明显影响,白鹤滩、乌东德分别在6月上旬、6月中旬开展生态调度时梯级水库效益最大。

金沙江下游梯级水库提前蓄水策略

随着长江上游水库群汛末集中蓄水问题日益突出,在确保防洪安全的前提下,提前抬升水库运行水位,有序衔接防洪与蓄水调度显得尤为重要。以金沙江下游乌东德、白鹤滩、溪洛渡、向家坝梯级水库为研究对象,选取发电量和水资源利用率为评价指标,探究汛期7—8月份梯级水库提前蓄水策略。研究结果表明:①平水(50%频率)、枯水(75%频率)和特枯(90%频率)来水条件下,乌东德、白鹤滩梯级水库应尽可能提前抬升运行水位,且优先抬升乌东德库水位。②7月份平水、8月份平水或枯水条件下,应优先将乌东德库水位抬升至960 m以上;7月份枯水、8月份平水或枯水条件下,应优先将乌东德库水位抬升至954 m以上。③不同来水条件下,溪洛渡水库应尽可能抬升库水位,但最高不超过585 m。