水庫建設(shè)運行對三岔河流域徑流與洪水特征變化影響分析

許 浩，雷曉輝，宋萬禎,3，秦 韜，宋 巍，舒棟材(1.北京工業(yè)大學建筑工程學院，北京 1001；.中國水利水電科學研究院，北京 100038；3.天津大學建筑工程學院，天津 30007；.北京市南水北調(diào)團城湖管理處，北京 100089；.貴州省水文水資源局，貴陽 000)

人類活動和氣候變化對流域徑流的影響是當前全球變化領(lǐng)域的研究熱點，國內(nèi)外學者的相關(guān)研究表明人類活動和氣候變化對水文循環(huán)產(chǎn)生了重要的影響。最近幾十年隨著人類活動的加劇尤其是水庫的建設(shè)，使流域徑流和洪水特征發(fā)生了明顯的變化。杜軍[1]通過分析渭河流域人類活動和氣候變化與徑流的關(guān)系，顯示人類活動對流域徑流具有重要的影響。王隨繼[2]分析了20世紀80年代以來黃河流域各個年代人類活動對徑流增長的貢獻值，指出不僅在每個年代甚至所有年代人類活動對流域徑流的改變都起到至關(guān)重要的作用。從人類活動的主要類型來看，水庫建設(shè)對河流水文情勢的影響最為突出。近100 a來，世界各地興建了超過4.7萬座大型水庫和8萬座中小型水庫[3,4]，至2012年，僅長江流域已建有47 842座水庫。水庫的建設(shè)規(guī)模和目標已經(jīng)在不同程度上影響了下游河流的變化，這些變化也使生物的多樣性受到影響[5-8]。Tadanobu Nakayama[12]建立了National Integrated Catchment-based Eco-hydrology (NICE)模型來評估三峽水庫和引水工程的建設(shè)對長江洪水的影響，并預測在夏季季風初期，三峽大壩的洪水風險程度將增大。Ren[13]等的研究結(jié)果表明，水庫對流域月徑流分布規(guī)律具有很大影響。此外，研究表明在一些地區(qū)水庫的水位與地下水位具有很好的正相關(guān)。本文以三岔河流域為研究區(qū)域，探討該區(qū)域水庫建設(shè)與徑流的關(guān)系，以及探索水庫對徑流和洪水特征的影響。

1 研究區(qū)域概況

三岔河是烏江的支流，發(fā)源于貴州省西部烏蒙山東麓，全長325.6 km，最大落差1 339.8 m。三岔河流域面積為8 524 km2，占貴州省總面積的4.8% 。流域年降水量為700～900 mm，雨量分布不均，多集中在6、7、8月份，占全年降雨量的 56%。徑流多集中于6、7月份，占全年徑流量的40%。截止2012年，三岔河干流已建有69座水庫，其中20世紀80年代以前共興建50余座小型水庫，這與之后興建的水庫總庫容相比仍是很小的。在1991-2000年和2001-2010年，水庫庫容分別增加4.01和6.23 億m3，分別占三岔河流域水庫總庫容的36.7%和56.9%。1995和2003年分別建成了普定水庫(3.99 億m3)和引子渡水庫(5.29 億m3)2座大型水庫，因此1995和2003年是三岔河流域水庫庫容跳躍性變化的節(jié)點年。圖1為三岔河流域地理位置示意圖，圖2反映了流域水庫庫容隨年代變化的過程，表1為三岔河流域各類型水庫數(shù)目及庫容隨年代變化，表2為三岔河上游主要水庫的特征值及運行參數(shù)。

圖1 三岔河流域Fig.1 Map of Sanchahe River basin

圖2 三岔河上游流域和三岔河流域庫容變化過程Fig.2 Reservoir storage capacity at upstream and whole Sanchahe River basin

表1 三岔河流域各類型水庫數(shù)目及庫容隨年代變化 座Tab.1 The number and total capacity of reservoirs in different periods and different scales

表2 三岔河上游主要水庫特征Tab.2 Reservoir characteristics of upstream Sanchahe River

2 數(shù)據(jù)來源及方法介紹

2.1 數(shù)據(jù)來源

文章所采用的氣象水文及水庫數(shù)據(jù)均由貴州省水文水資源局提供，其中日降雨數(shù)據(jù)選取了位于三岔河流域內(nèi)30個雨量站1963-2012年的歷史數(shù)據(jù)。水文數(shù)據(jù)采用陽長水文站、鴨池河水文站和洪家渡水文站1963-2012年的歷史數(shù)據(jù)，其中陽長站位于三岔河中部，是三岔河上游徑流量的觀測站；洪家渡站位于六沖河，是六沖河流域徑流量的觀測站；鴨池河站位于三岔河流域下游，是六沖河和三岔河匯流后的觀測站。

2.2 方法介紹

文章主要采用M-K非參數(shù)檢驗和線性回歸對年徑流深等時間序列進行趨勢及顯著性分析。M-K非參數(shù)檢驗無視樣本值、分布類型的影響，是水文序列趨勢性和顯著性分析廣泛使用的方法，被世界水文氣象組織所推薦[14]。M-K檢驗的原理如下。

假設(shè)水文時間序列為xt,其對偶數(shù)p的計算公式為：

(1)

再根據(jù)p值確定t，進而求得Var(t)和U。公式如下：

(4)

當U≥U0.05=0.96時，表明該序列的趨勢變化顯著，反之|U|

通過Mann-Kendall 法原理可知，Mann-Kendall 法檢驗趨勢特征的途徑是通過U值與假設(shè)的置信水平的標準值進行比較，得出有無顯著趨勢特征。

線性回歸是利用數(shù)理統(tǒng)計中回歸分析，來確定2種或2種以上變量間相互依賴的定量關(guān)系的一種統(tǒng)計分析方法，運用十分廣泛。線性回歸模型T檢驗是分析序列數(shù)據(jù)顯著性的有效方法。

此外，為驗證水庫建設(shè)與洪水特征變化的關(guān)系，本文采用累計頻率曲線分析了陽長站和鴨池河站的最大洪峰流量變化。

2.3 指標選擇

雨水降落到地面后主要分為了3部分：形成流域徑流、自然損耗和非自然損耗。自然損耗主要是蒸發(fā)，非自然損耗指通過河道、水庫等直接或間接的人類活動用水以及水庫水面蒸發(fā)。因此河川徑流主要耗于人類活動用水，所以這部分耗水的變化是影響下游徑流量的主要因素。

徑流系數(shù)是一定匯水面積內(nèi)總徑流量與降水量的比值，是流域水資源規(guī)劃、調(diào)度的重要依據(jù)。徑流系數(shù)可以反映不同下墊面的水文特征。Parida[15]以徑流系數(shù)為指標應用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ANN)預測半干旱地區(qū)未來水文響應特征，結(jié)果顯示土地利用/植被覆蓋對徑流系數(shù)變化的貢獻值率達52%。由于水庫不是自然水體的一部分且水庫的建設(shè)代替了原有的土地利用類型，因此水庫可看作是一種特殊的土地利用。一般流域降雨最終歸于4部分：直接徑流(wr),流域蓄水(ws)，蒸發(fā)(we)和人類活動用水(wh)，因此徑流系數(shù)(cr)可表達為：

(5)

已有研究表明，水庫改變了河道水流特征，水庫蓄水自然也就影響流域出流量，從而改變了徑流系數(shù)。年徑流系數(shù)(ACRs)是年徑流量與年降雨量的比值，本文基于水文數(shù)據(jù)以及對年徑流系數(shù)的分析，探討年徑流與水庫的關(guān)系。

此外，為分析陽長站和鴨池河站的洪水變化特征，分別選取了最大洪峰流量(AMPF)、最大3 d洪量(AM3FV)和最大7 d洪量(AM7FV)作為分析指標。

3 結(jié)果與分析

3.1 年徑流深、降水和蒸發(fā)皿蒸發(fā)趨勢性分析

采用線性回歸分析陽長站和鴨池河站的年徑流深變化趨勢，結(jié)果如圖3所示。從圖3中可以看出，陽長站控制流域的年徑流深變化趨勢稍稍有所下降，在95%置信水平下沒有顯著變化，分析原因是由于陽長站位于三岔河上游，截至2012年三岔河上游共建有11座小型水庫和2座中型水庫，總庫容為0.4 億m3，僅是陽長站年平均徑流的3%，對流域上游的水文循環(huán)機制未產(chǎn)生影響。此外，三岔河流域上游的降水量的增長率為2.79 mm/a，在置信水平95%情況下，也沒有顯著變化。與陽長站不同，鴨池河站控制流域年徑流深的下降率為4.01 mm/a，在置信水平95%情況下，變化是顯著的，在一定程度上流域降水量的減少是引起這一變化的因素。從圖3中可以得出流域降水量的下降率為4mm/a，此外整個流域水庫的總庫容為10.95 億m3，占鴨池河占年徑流量的23.7%，由水庫蓄水造成的耗水是不可忽略的。水面蒸發(fā)也是影響流域徑流變化的重要因素。從圖3中看出，流域上游蒸發(fā)量的下降率為3.05 mm/a，相比于流域上游，整個流域的蒸發(fā)量的變化率更大為3.75 mm/a，在置信水平為95%情況下是顯著的，這一變化主要是由凈太陽輻射強度的減弱引起的[17]。

圖3 年徑流深、降水量和蒸發(fā)皿蒸發(fā)量的趨勢Fig.3 Trend of annual runoff depth, precipitation and pan evaporation

3.2 年徑流系數(shù)的變化趨勢

由年徑流深、降水量和蒸發(fā)量的變化趨勢可知，水庫是影響流域年徑流量變化最重要因素之一。由圖3可知，在三岔河上游流域，降水量的趨勢是增長的，蒸發(fā)量趨勢是下降的，正常情況下徑流量應該是增長的，數(shù)據(jù)結(jié)果顯示，徑流量反而是降低的，推測是由于人類活動對上游流域徑流變化產(chǎn)生了重要影響，以上游水庫建設(shè)來反映這一情況。對于整個流域，盡管年降水量和蒸發(fā)量的變化趨勢是減少的，但是年徑流深的下降率要高于理論值，這是不合理的，因此由于水庫建設(shè)而造成的耗水是必須考慮的。

地下水對產(chǎn)流也有較大的影響，從目前的研究發(fā)現(xiàn)，貴州地區(qū)地下水開采量較小[16]，地下水的減少對徑流的減少影響十分微弱。蒸發(fā)量是與氣溫和下墊面有關(guān)的，由于缺少實際蒸發(fā)資料，故以蒸發(fā)皿蒸發(fā)量的變化趨勢來反應流域的蒸發(fā)情況。盡管蒸發(fā)皿蒸發(fā)量不能代替實際蒸發(fā)，但是蒸發(fā)皿蒸發(fā)量與實際蒸發(fā)量的變化趨勢是一致的。由上文對整個三岔河流域蒸發(fā)量變化趨勢的分析結(jié)果可知蒸發(fā)量的變化趨勢是下降的，這與秦年秀等[17]對貴州中西部地區(qū)蒸發(fā)皿蒸發(fā)量的研究成果是一致的，因此可以說明三岔河流域的蒸發(fā)量下降趨勢是基本合理的。

水庫將上游來水攔截并用于農(nóng)業(yè)、工業(yè)以及生活等，這就會使原本該從流域出口流出的一部分水耗損掉。一些多年和年調(diào)節(jié)水庫也會改變部分河道水流的原有狀態(tài)，從而會間接的降低了流域出口的徑流量。

通過采用線性趨勢回歸和Mann-Kendall秩次相關(guān)檢驗法對年徑流系數(shù)趨勢進行分析，結(jié)果如圖4所示。在三岔河上游流域和整個三岔河流域的ARCs趨勢都是下降的。陽長站和鴨池河站的下降率分別為-0.002 /a和-0.001 /a。M-K的檢測結(jié)果顯示，陽長站在1984-2010年置信水平95%下的下降趨勢是不顯著的，盡管在1988和2000年出現(xiàn)了突變但是對整體的下降趨勢沒有較大的影響。鴨池河站的年徑流系數(shù)從1972年開始下降，并在1995年出現(xiàn)突變點，2003年之后下降趨勢比較明顯(sig<0.05)。通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)發(fā)生突變的年份與大規(guī)模水庫建設(shè)的時間是一致的。1981年，在三岔河上游干流落成了第1座中型水庫——板橋水庫，該水庫位于陽長水文站上游，而后陽長站的年徑流系數(shù)開始下降。1983-1998年，年徑流系數(shù)保持稍稍增長趨勢，1999之后，當1座中型水庫(庫容1 387 萬m3)和1座小型水庫(庫容270 萬m3)在三岔河上游干流建成后，陽長站的年徑流系數(shù)變化轉(zhuǎn)為下降趨勢。

對于整個三岔河流域，年徑流系數(shù)下降趨勢顯著，與水庫的建設(shè)更加緊密相關(guān)。自1971年之后，一系列中小型水庫開始建設(shè)，年徑流系數(shù)開始下降。1995年，普定水庫落成于三岔河干流，在之后幾年，年徑流系數(shù)變化趨勢出現(xiàn)跳躍但不明顯。2002年之后隨著引子渡水庫和阿朱水庫(中型)的建設(shè)完成，年徑流系數(shù)下降趨勢明顯。

為定量分析三岔河上游流域和整個流域的年徑流系數(shù)變化情況，分別將陽長站和鴨池河站各年代的年徑流系數(shù)列于表3。由表3可知，陽長站的年徑流系數(shù)逐年代下降，1981-1990年和2001-2010年的年徑流系數(shù)較于其他年代變化較大，這與M-K的檢驗結(jié)果是一致的。對于鴨池河站，1971-1980年的年徑流系數(shù)由0.42增加為0.43，而在1981-1990年又下降為0.42。在1991-2000和2001-2010年年徑流系數(shù)變化為-0.02，最終年徑流系數(shù)為0.38，這一結(jié)果與M-K的檢驗結(jié)果也是一致的。

圖4 陽長站和鴨池河站年徑流系數(shù)變化趨勢Fig.4 The M-K sequential trend test of annual runoff coefficients of Yangchang and Yachihe stations with forward (solid line) and backward (dash line)

表3 陽長站和鴨池河站各年代的年徑流系數(shù)Tab.3 Difference of average annual runoff coefficients between decades

3.3 洪水特征變化分析

如圖5所示，陽長站AMPF在1976年開始增加而后在2004年開始下降，整體變化趨勢在置信水平95%下不顯著(sig>0.005)，AM3FV和AM7FV的變化趨勢與AMPF相似。由于近50 a陽長站上游并未興建大中型水庫，因此三岔河上游小型水庫的建設(shè)并未對陽長站的洪水特征造成影響。通過線性回歸模型對鴨池河站洪水序列進行分析(見圖6)，結(jié)果顯示該站的洪水下降趨勢顯著。M-K檢驗結(jié)果顯示，在2000年之后，AMPF的變化趨勢持續(xù)下降，在2003年出現(xiàn)跳躍，但是跳躍點位于無關(guān)緊要的區(qū)域，意味著下降趨勢是不顯著的。2009年之后，AMPF在置信水平95%是顯著的。查證歷史，1995和2003年在三岔河下游干流分別建成了普定和引子渡2座大型水庫，其中引子渡水庫庫容為5.29億m3，距鴨池河站31 km，普定水庫庫容3.99億m3，距鴨池河站93 km。僅僅通過趨勢分析不能充分推測三岔河整個流域的洪水特征變化與普定、引子渡水庫的建設(shè)有關(guān)。

圖5 陽長站AMPF,AM3FV和AM7FV趨勢分析Fig.5 Trend analysis of AMPF, AM3FV and AM7FV at Yangchang station

圖6 鴨池河站AMPF,AM3FV和AM7FV趨勢分析Fig.6 Trend analysis of AMPF, AM3FV and AM7FV at Yachihe station

為驗證洪水特征變化與水庫建設(shè)的關(guān)系，分別繪制陽長站和鴨池河站AMPF增長曲線闡明這一推測。鴨池河站2003年明顯出現(xiàn)折點，而陽長站變化并不明顯，這個結(jié)果與圖5、圖6是一致的。通過表4可知，在普定水庫建成后平均AMPF、AM3FV、AM7FV是增長的，而在引子渡水庫建成之后是大幅減小的。

表4 水庫建設(shè)前后AMPF、AM3FV 和 AM7FV平均值Tab.4 Average AMPF、AM3FV and AM7FV before and after reservoir construction

本文基于AMPF長序列，將1963-2012在三岔河流域發(fā)生的洪水分為3個等級：特大洪水、大洪水和小洪水。

如表5所示，陽長站1963-1972年僅發(fā)生了1場小洪水，而在1973-1982年發(fā)生了3場小洪水、3場大洪水和1場特大洪水。1983-1992年、2003-2012年發(fā)生的洪水場次少于1973-1982年，但仍多于1963-1972年。結(jié)合三岔河上游流域水庫建設(shè)情況，在建成的13座水庫中僅有2座小型水庫具有蓄水能力，對汛期的洪水調(diào)節(jié)作用很小。盡管在1981和2007年分別建成2座中型水庫，但這2座水庫主要用于發(fā)電，而且其中一座是日調(diào)節(jié)水庫，調(diào)蓄作用不太明顯。

表5 1963-2012三岔河流域發(fā)生洪水場次 次Tab.5 Number of floods of the three grades at Sanchahe River basin during the period 1963-2012

鴨池河站2003-2012年發(fā)生洪水場次明顯減少，在之前40 a，發(fā)生洪水的頻率沒有太大變化。鴨池河站的匯水面積較陽長站大，因而發(fā)生洪水的概率更大。1963-2003年，每10 a至少發(fā)生2場小洪水和1場大洪水，每20 a發(fā)生一場特大洪水。然而2003年之后未發(fā)生洪水，而實際上自1993年流域洪水場次開始減少。盡管在1993-2002年發(fā)生了4場洪水，但分別是3場小洪水和1場大洪水。這一現(xiàn)象表明，流域內(nèi)的大型水庫的建設(shè)與運行削減了洪峰流量。由于普定水庫距鴨池河站較遠，可以在一定程度上削減洪峰流量，然而引子渡水庫距鴨池河站較近，且?guī)烊菀脖绕斩ㄋ畮齑?，考慮三岔河日平均徑流量0.157 億m3，表明引子渡水庫對洪峰的削減起到更重要作用。

4 結(jié) 語

(1)通過分析三岔河流域水庫的建設(shè)運行，可知在三岔河流域大中型水庫的建設(shè)尤其是大型水庫直接影響了三岔河流域水庫庫容，從而改變了流域的徑流過程。文章分析了陽長站和鴨池河站年徑流趨勢變化，陽長站以上降雨量稍稍增加且蒸發(fā)量有所減少，然而該站的徑流量是減小的，鴨池河站的年徑流的減小程度比預期的要大，說明水庫耗水可能改變了三岔河徑流過程。為探尋年徑流深的變化與水庫庫容之間的關(guān)系，對年徑流系數(shù)進行了大量統(tǒng)計分析，結(jié)果表明年徑流系數(shù)的變化趨勢與水庫的建設(shè)是同步的。

(2)修建較大庫容水庫會引起年徑流系數(shù)減小，在三岔河流域普定和引子渡水庫對流域年徑流系數(shù)具有更大的影響，同時也改變了洪水特征，降低了洪峰流量和洪量。

(3)水庫的運行機制尤其是多年調(diào)節(jié)和年調(diào)節(jié)水庫對徑流和洪水特征變化也具有較大的影響。

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