黃河上游唐乃亥水文站與龍羊峽水電站水量不平衡原因分析

沈延青，靳少波，白鈺

（黃河上游水電開發(fā)有限責(zé)任公司，青海西寧 810003）

黃河龍羊峽以上流域控制著黃河近一半的徑流量，自1986年10月龍羊峽水庫下閘蓄水后，已積累了20多年的水庫運(yùn)行資料，唐乃亥水文站位于龍羊峽壩址上游133 km，水電站的水情資料與黃河上游唐乃亥水文站資料一直在進(jìn)行對比和互相驗(yàn)證。唐乃亥水文站也一直作為龍羊峽水電站經(jīng)濟(jì)運(yùn)行及防洪調(diào)度的控制站，從歷史資料的對比情況看大部分時段唐乃亥水文站流量過程與龍羊峽水電站入庫流量過程水量是基本平衡的，但最近幾年，唐乃亥水文站與龍羊峽水電站入庫水量差值越來越大，針對出現(xiàn)的水量不平衡現(xiàn)象，本文通過對比分析，查找唐乃亥水文站與龍羊峽水電站水量不平衡的原因，為龍羊峽及龍劉梯級水庫調(diào)度工作提供更科學(xué)、更可靠的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)參考依據(jù)。

1 唐乃亥站與龍羊峽水量平衡對比

唐乃亥站與龍羊峽水庫之間有0.94萬km2的流域面積，占龍羊峽控制面積7.2%。正常情況下位于下游的龍羊峽水庫的入庫水量應(yīng)當(dāng)大于上游的唐乃亥站的水量，但2007年后唐乃亥年水量較龍羊峽年入庫水量明顯偏大，二站間出現(xiàn)了水量不平衡現(xiàn)象。

通過統(tǒng)計(jì)，唐乃亥2000—2007年龍羊峽年入庫水量相對于唐乃亥年水量平均偏大1.17%，基本平衡；而2008—2012年龍羊峽年入庫水量相對于唐乃亥年水量平均偏小5.26%，顯著水量不平衡。

圖1為2000年至2012年唐乃亥龍羊峽年水量相關(guān)關(guān)系圖，可以看出：2007年前后，兩條關(guān)系線的斜率和截距都發(fā)生了顯著變化，2007年之后龍羊峽年入庫水量顯著偏小。

就年水量而言，初步認(rèn)為從2007年后唐乃亥與龍羊峽年水量之間的相對關(guān)系發(fā)生了變異。

從月水量對比統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，2007年前，僅汛期個別月份出現(xiàn)龍羊峽入庫水量小于唐乃亥水量，而在2007年后，幾乎所有月份龍羊峽入庫水量均小于唐乃亥的水量。

圖1 唐乃亥年水量-龍羊峽年入庫水量相關(guān)關(guān)系圖Fig.1 The correlation diagram of the annual water at Tang Naihai and the water inflow to Longyangxia reservoir

通過對唐乃亥和龍羊峽水量過程的定性及定量分析，可以確定兩站水量過程在2007年前后發(fā)生了顯著變化。

2 唐乃亥站與龍羊峽水量不平衡原因分析

水文站與水庫產(chǎn)生水量不平衡的原因是多方面的，包括水務(wù)計(jì)算的各個環(huán)節(jié)、水文站測量誤差以及外界因素導(dǎo)致的系統(tǒng)誤差等，分析水量平衡常采用的分析思路大體有3個方面：首先是水務(wù)計(jì)算合理性分析；其次是上下游水電站水量平衡聯(lián)合分析；第三，水文站與水電站水量平衡聯(lián)合分析。

2.1 水務(wù)計(jì)算合理性分析

2.1.1 龍羊峽水電站水務(wù)計(jì)算方法

根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用情況，當(dāng)前真正滿足生產(chǎn)精度的出入庫流量大多是采用水量平衡反推法，其計(jì)算的基本依據(jù)就是水庫的水量平衡方程[1]：即

可見，電站入庫流量的計(jì)算精度取決于時段內(nèi)水庫蓄水量的變化ΔV、發(fā)電流量Q發(fā)、棄水流量Q棄、損失流量Q損的測量及計(jì)算精度。

1）發(fā)電流量計(jì)算。龍羊峽水電站發(fā)電流量的計(jì)算是通過時段平均出力利用設(shè)計(jì)的水輪發(fā)電機(jī)組HQN曲線求得平均流量。

2）泄洪（棄水）流量計(jì)算。龍羊峽水電站水庫泄流分溢洪道和泄洪孔流兩種，在泄洪建筑物型式、尺寸已定的情況下，因而溢洪道和孔閘的泄流量都是水位（或庫容）的單值函數(shù)，總下泄量必定也是水位（或庫容）的單值函數(shù)，所以在實(shí)際計(jì)算中利用水庫水位-閘門開度-泄流量的關(guān)系曲線，求得泄水流量。

3）水庫水量損失計(jì)算。水庫建成后，壩上形成很大水體，水庫的水面積遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于原來的河面。一部分原來是陸面蒸發(fā)的地方變成了水面蒸發(fā)，因而要考慮水庫建成后所增加的水量蒸發(fā)損失。另外水庫蓄水量經(jīng)過壩基、泄洪道船閘和庫底還有各種滲漏損失。

水庫滲漏損失包括壩基滲漏，閘門止水不嚴(yán)，庫底滲漏等，詳細(xì)的滲漏損失計(jì)算可利用滲漏理論[2-3]的達(dá)西公式[3]估算。對于已經(jīng)投入較長運(yùn)行時間的水庫壩基與庫底滲漏一般比較穩(wěn)定，一般研究時采用經(jīng)驗(yàn)值。

2.1.2 龍羊峽水電站水務(wù)計(jì)算的合理性及精度分析

目前國內(nèi)外水庫的水務(wù)計(jì)算基本上均采用水量平衡反推法，相關(guān)規(guī)范也規(guī)定了本計(jì)算辦法，從實(shí)際的應(yīng)用中看該計(jì)算辦法是科學(xué)合理的。龍羊峽水電站水務(wù)計(jì)算采用國內(nèi)外通用的水量平衡反推法，從計(jì)算的原理來講，計(jì)算遵循能量守恒原理，計(jì)算方法是合理可行的。從計(jì)算過程看，目前各類基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的采集，以及后期的計(jì)算過程均由自動化系統(tǒng)完成，可靠性較高。在計(jì)算過程中要采用相應(yīng)的設(shè)計(jì)曲線，由于這些設(shè)計(jì)曲線一般均是模型試驗(yàn)值，所以對計(jì)算精度可能會產(chǎn)生一定影響。

但電站的各種設(shè)計(jì)參數(shù)一般都是比較穩(wěn)定的，在計(jì)算中采用設(shè)計(jì)曲線值相對來說計(jì)算比較可靠，精度是能滿足要求的，而且延續(xù)性較好。

總之各種曲線，包括動庫容對于水務(wù)計(jì)算的精度是有一定影響的，從龍羊峽水電站長期序列資料分析來看，由于計(jì)算方法及應(yīng)用的曲線都沒有發(fā)生過變化，其序列資料的一致性比較好，短期資料中誤差影響比較突出?？傮w認(rèn)為其計(jì)算精度是滿足水庫管理規(guī)范要求的。

2.2 水量平衡多站聯(lián)合分析

軍功站位于唐乃亥上游，該地區(qū)受人類活動影響較小，流量過程較為可靠，可作為龍羊峽、唐乃亥水量平衡分析的參證站[4]。

分別選用2003—2012年軍功、唐乃亥水文站水量和龍羊峽水電站入庫水量資料，以2007年為分界點(diǎn)，分析軍功、唐乃亥和龍羊峽3站年水量的變化情況。圖2為2007年前后軍功、唐乃亥、龍羊峽水量對比圖。

圖2 2007年前后軍功、唐乃亥、龍羊峽水量對比圖Fig. 2 Comparison of water at Jun Gong and Tang Naihai and Longyangxia before and after 2007

由圖2可以看出2007年后3站水量均有不同程度的增長，但唐乃亥站水量增幅最為顯著，與上游軍功站及下游龍羊峽水電站的水量變化情況產(chǎn)生明顯差異。

以2003—2012年同期各月唐乃亥月實(shí)測水量、軍功月實(shí)測水量、龍羊峽月入庫水量為樣本，繪制唐乃亥-軍功月水量關(guān)系圖3；龍羊峽-軍功月水量關(guān)系圖4。從圖可以看出，龍羊峽與軍功站2007年前后月水量相關(guān)關(guān)系較一致，未發(fā)生明顯變化，而唐乃亥水文站與軍功站在2007年前后月水量相關(guān)關(guān)系相對發(fā)生了較大改變，2007年以后唐乃亥的月水量較軍功站增大。

圖3 唐乃亥、軍功2007年前后月水量相關(guān)關(guān)系圖Fig. 3 Comparison of the monthly water at Jun Gong and Tang Naihai before and after 2007

圖4 軍功、龍羊峽2007年前后月水量相關(guān)關(guān)系圖Fig. 4 Comparison of the monthly water at Jun Gong and Longyangxia before and after 2007

軍功、龍羊峽、唐乃亥3站位于同一氣候區(qū)，水量的變化趨勢應(yīng)該具有較好的一致性。采用Kendall秩次相關(guān)檢驗(yàn)法分析3站水量變化趨勢。取置信水平α=0.05，查表得Uα/2=1.96，對軍功實(shí)測流量序列、唐乃亥實(shí)測流量序列、龍羊峽水電站入庫流量序列進(jìn)行Kendall秩次相關(guān)檢驗(yàn)[5]。

由表1可以看出，軍功及龍羊峽的水量過程均通過檢驗(yàn)，表明其變化趨勢不明顯；而唐乃亥水量過程沒有通過檢驗(yàn)，呈現(xiàn)顯著增長的趨勢。由此可以認(rèn)為龍羊峽與軍功的水量過程的變化規(guī)律是更為接近的，而位于中間的唐乃亥水量過程變化與上下游不同。

表1 Kendall秩次相關(guān)檢驗(yàn)結(jié)果Tab. 1 Result of the Kendell order correlativity check

根據(jù)分析，從長序列資料分析來看，唐乃亥水文站與龍羊峽水電站水量平衡在2007年之前相關(guān)性比較好，認(rèn)為水量平衡一致。2007年之后出現(xiàn)了異常，兩者水量平衡出現(xiàn)不平衡現(xiàn)象，多站聯(lián)合分析認(rèn)為2007年以后出現(xiàn)兩者水量不平衡現(xiàn)象主要原因是唐乃亥測量水量異常增大。從客觀上看自2007年之后唐乃亥斷面測驗(yàn)方式和水沙條件發(fā)生了多次改變，這對測量影響比較大。龍羊峽水務(wù)計(jì)算的精度也是影響水量平衡的一個因素，但由于計(jì)算及引用基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的一致性，水務(wù)計(jì)算的誤差對水量平衡的趨勢不會造成影響。

3 結(jié)語

流域水文站及電站水量平衡一直是困擾流域水文計(jì)算及研究的突出問題。本文通過對龍羊峽水電站水務(wù)計(jì)算的合理性及唐乃亥水文站與多站的聯(lián)合分析，闡述了兩者水量不平衡的主要原因。

水量平衡的影響因素比較多，限于技術(shù)水平及調(diào)查資料的不完整，本文對于兩者的水量平衡問題只做了簡要分析，因此需要在以后的研究中進(jìn)一步充實(shí)成果。

[1] 徐正凡. 水力學(xué)[M]. 北京: 高等教育出版社，1986.

[2] 李欣. 滲流場反演計(jì)算及在水庫滲漏控制中的應(yīng)用究[D]. 長春：吉林大學(xué)，2004.

[3] 束龍倉，魯程鵬，李偉. 考慮參數(shù)不確定性的地表水與地下水交換量的計(jì)算方法[J]. 水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2008（5）: 68-71.SHU Longcang，LU Chengpeng，LI Wei.Calculation method of surface water and groundwater exchange capacity the uncertainties of the parameters[J]. Hydrogeology and Engineering Geology，2008（5）: 68-71（in Chinese）.

[4] 青海黃河上游水電開發(fā)有限責(zé)任公司，河海大學(xué). 黃河上游水文站、梯級水庫群水量平衡方法研究總報告[R].西寧：青海黃河上游水電開發(fā)有限責(zé)任公司，2007.

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