淮河流域閘壩對徑流量的影響分析

呂海深，丁 然, 朱永華

(1.河海大學(xué)水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點實驗室 全球變化與水循環(huán)國際合作聯(lián)合實驗室，南京 210098；2.河海大學(xué)水文水資源學(xué)院，南京 210098)

淮河流域地處黃河流域與長江流域之間，是中國的七大流域之一，同時，它也是我國人口最稠密的流域和主要種植區(qū)。20世紀中期，隨著全球經(jīng)濟的復(fù)蘇和人口的膨脹，人們致力于修建大量水利工程設(shè)施以抵御洪水的威脅，并用以滿足日益增長的水資源需求[1]。但大壩和防洪閘的過度建設(shè)也會引起徑流變化，導(dǎo)致更多河流干涸，并進一步加劇水環(huán)境的惡化。2005年中國環(huán)境公報表明，淮河流域水質(zhì)最差，且流域內(nèi)達不到國家標準的河流多達83%以上，目前，淮河流域正面臨著洪澇災(zāi)害、水資源匱乏、高調(diào)節(jié)、高污染、水生生態(tài)退化嚴重等水問題[2]。

水利工程建設(shè)對河流流量及河道生態(tài)環(huán)境造成的影響歷來都受到人們廣泛關(guān)注，而通過趨勢分析對流域水文特性進行調(diào)查的研究也屢見不鮮。Munoz[3]等人調(diào)查了桑托默拉大壩對河網(wǎng)的環(huán)境影響，旨在適當整合水庫和下游的水質(zhì)和水量要求；Albanakis[4]等人探討了希臘新形成的Thesaurus水庫儲層缺氧條件和硫化物形成的原因，發(fā)現(xiàn)硫化物形成是必然的，然而，大壩在運行過程中可以通過減少壩區(qū)的滯流而消除硫化物；Bednarek[5]回顧了過去幾年大壩拆除對泥沙量、生物多樣性和水產(chǎn)養(yǎng)殖等可能產(chǎn)生的生態(tài)影響，認為大壩拆除雖然有爭議，但卻是河流恢復(fù)原有生態(tài)的重要替代方案[6]。

在本文中，我們對淮河流域的徑流變化進行了趨勢分析。首先，根據(jù)淮河流域近60年的月徑流量資料，采用MK檢驗檢測分布于淮河干流、沙潁河、南部山區(qū)、洪汝河4個區(qū)域共15個水文站的徑流流態(tài)變化趨勢。其次，分別從站點性質(zhì)及時間尺度兩方面入手，對徑流趨勢進行深入研究，分析可能存在的對徑流的影響因素，并將1961-2000年近40年的分析結(jié)果與1961-2016年近60年的分析結(jié)果做比較，總結(jié)最近十多年徑流變化的原因。最后，我們將討論導(dǎo)致徑流變化的可能原因，包括降水量的變化、大壩和防洪閘的調(diào)節(jié)、大型水利工程的修建以及其他可能影響因素。本研究將有助于增加對淮河流域歷年來水文變化的認識，為淮河流域的水文模擬、水利工程調(diào)節(jié)對流態(tài)影響的定量評價、水資源綜合管理等提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)域和目的方法

1.1 研究區(qū)域

淮河流域(圖1)地處我國東部，面積為27 萬km2。流域西起桐柏山、伏牛山，東臨黃海，南以大別山、江淮丘陵、通揚運河及如泰運河南堤與長江分界，北以黃河南堤和泰山為界與黃河流域毗鄰，其總體地勢自西北向東南傾斜，丘陵、山地分布在流域的周圍，中央是面積廣闊、起伏平緩的平原。這種地勢格局在一定程度上使得淮河上游河道比降較大，下游河道比降較小，若遇暴雨，周圍丘陵山地的洪水迅速匯集到平原地帶，易造成洪澇災(zāi)害[7]。

圖1 研究區(qū)域圖

淮河流域位于我國季風(fēng)氣候南北過渡帶，北部為溫暖帶半濕潤區(qū)，南部為亞熱帶溫潤區(qū)。年平均氣溫13.2～16 ℃，呈南高北低、內(nèi)陸高于沿海的特點。年平均蒸發(fā)量900～1 500 mm，依次由北至南呈現(xiàn)遞減趨勢。年平均水資源量為835 億m3，日照時間1 990～2 650 h?；春恿饔蚨嗄昶骄邓考s為920 mm，由南向北遞減，山川多于平原，沿海多于內(nèi)陸，由于降雨多集中在夏季，因此在6-9月，流域降水量約占年均降水量的50%～80%，這就導(dǎo)致了淮河流域的暴雨洪水多發(fā)生在汛期的幾個月里[8]。

迄今為止，淮河流域上已經(jīng)建造了5 700多個水庫，其中36個大型水庫，控制著整個流域的1/3。攔河閘壩多達5 000 有余，大中型水壩約600 座。也就是說，每50 km2就有一座大壩，平均每個支流有近10座閘門或大壩。大壩和防洪閘的增多在一定程度上引起徑流的變化，導(dǎo)致徑流高度人為化，在枯水季節(jié)，河流被眾多閘壩分隔為段，形成一潭死水的景象；在洪水高發(fā)季，多年續(xù)存的污水傾瀉，極易引發(fā)流域性的突發(fā)水污染事故，進一步加劇水環(huán)境的惡化。

1.2 研究數(shù)據(jù)和站點

研究使用淮河干流的6個水文站(大坡嶺、長臺關(guān)、息縣、王家壩、魯臺子、蚌埠)、沙潁河的5個水文站(昭平臺、白龜山、漯河、周口、阜陽)、洪汝河的兩個水文站(廟灣、班臺)以及南部山區(qū)的兩個水文站(潢川、蔣家集)。此外，在沙潁河以及淮河干流選擇10座主壩和防洪閘(包括3座水庫和7座防洪閘)。所選水文站根據(jù)其位置和調(diào)節(jié)能力(庫容與年徑流的比值)分為3組。第一組為高調(diào)節(jié)站，包括位于白龜山水庫下游的白龜山水文站和位于潑河水庫下游的潢川水文站；第二組為中控站，包括漯河站、周口站、阜陽站、蚌埠站。第三組是昭平臺、大坡嶺、長臺關(guān)、息縣、王家壩、魯臺子、廟灣、班臺、蔣家集等無管制站。

所有的站點的徑流數(shù)據(jù)都是從1961年到2016年記錄的(表1和表2)。自2003年底南水北調(diào)中線工程開始之后，考慮到淮河流域徑流量、降水量、蒸發(fā)量等水文條件會發(fā)生一些改變，本文將對1961-2000年及1961-2016年的徑流數(shù)據(jù)分別進行分析，以研究近十多年人為因素是否會對淮河流域水文特征產(chǎn)生較大影響。

1.3 研究方法

1.3.1 Mann-Kendall檢驗

本文采用一種簡單且常用的非參數(shù)方法，即MK檢驗[9]。非參數(shù)檢驗方法亦稱無分布檢驗,其優(yōu)點是不需要樣本遵從一定的分布也不受少數(shù)異常值的干擾,更適用于類型變量和順序變量,計算也比較簡便。本文以月、季(10月至5月為旱季，6月至9月為雨季)及年尺度來檢測并分析徑流量變化趨勢。

1.3.2 趨勢檢驗方法過程

在MK檢驗中，零假設(shè)H0是:數(shù)據(jù)(X1,X2,…,Xn)是n個獨立同分布隨機變量的樣本[在本文中樣本Xi為徑流量，m3/s;n分別為40(1961-2000年)、56(1961-2016年)]，雙邊檢驗的另一個假設(shè)H1是:Xk和Xj的分布對于所有的k,j≤n以及k≠j是不相同的，檢驗數(shù)據(jù)s的計算方法是：

(1)

(2)

當n≥8時，統(tǒng)計量S近似正態(tài)分布，其均值E(S)和方差Var(S)如下:

表1 淮河流域15個水文站詳細情況

表2 淮河流域15個水文站附近7座主壩及水閘詳細情況

E(S)=0

(3)

(4)

式中：ti為第i個程度的聯(lián)系數(shù)。

標準化統(tǒng)計量(Z)表示為:

(5)

標準化的MK統(tǒng)計量Z遵循均值為0、方差為1的標準正態(tài)分布。樣本數(shù)據(jù)MK統(tǒng)計量S的概率值P可以用累積正態(tài)分布函數(shù)估計：

(6)

如果P值足夠小，這種趨勢就不太可能是由隨機抽樣引起的。正Z值和負Z值分別表示徑流增加和減少的趨勢[10]。在0.05的顯著性水平上，如果p≤0.05，則認為歷年來徑流變化存在的趨勢具有統(tǒng)計學(xué)意義。這種判別方式在本研究中表現(xiàn)為在α的顯著性水平上，如果|Z|>Z1-α/2，則徑流變化趨勢具有統(tǒng)計學(xué)意義，本研究設(shè)α為0.05和0.10，即在95%和90%的顯著水平上對應(yīng)的Z1-α/2分別為1.96和1.65(查Z值正態(tài)分布表可得)。

1.3.3 平均值求月徑流量

為了更加簡明扼要的分析徑流量變化趨勢，本文對1961-2016年每月徑流量采用平均值計算法。分別統(tǒng)計出56年1月份至12月份及季度、年均徑流量，并采用逐差遞減的方式，計算出兩年同月之間的差值，并對這些差值取平均，得出的平均值通過：

(7)

通過公式計算出的值為mm，因徑流逐年一記，故與1相比將其轉(zhuǎn)換為mm/a，此外，對于季尺度及年尺度，應(yīng)在mm/a的基礎(chǔ)上除以月數(shù)[11]。

2 結(jié)果分析

2.1 不同站點的徑流變化趨勢結(jié)果分析

1961-2000年(左)和1961-2016年(右)淮河干流、沙潁河、洪汝河及南部山區(qū)上下游15個水文站的月、季(雨季和旱季)、年徑流量演變趨勢結(jié)果如表3所示。

表3 1961-2000年及1961-2016年徑流趨勢分析結(jié)果

注：NS表示在顯著水平上不顯著；粗體文本表示雨季的結(jié)果；表內(nèi)文本表示年變化趨勢(mm/a)，負值表示減少，正值表示增加。

2.1.1 高調(diào)節(jié)水文站

高調(diào)節(jié)性水文站是指地理海拔位置相對較高，且受水庫調(diào)節(jié)作用影響較大的水文站點，一般位于河流的源頭附近。本研究中高調(diào)節(jié)水文站有兩個，分別為沙潁河上受白龜山水庫調(diào)節(jié)的白龜山水文站和南部山區(qū)受潑河水庫調(diào)節(jié)的潢川水文站。

白龜山站位于白龜山水庫的下游，其水庫調(diào)節(jié)量約為白龜山流域年徑流量的1.75倍，分析結(jié)果表明2000年之前在水庫的嚴格調(diào)節(jié)下，白龜山站的徑流除了1月和11月之外的絕大多數(shù)月份都具有顯著變化的趨勢，尤其是在雨季，徑流受降水影響呈現(xiàn)較為顯著的增加趨勢(6月MK=1.90)；2004年之后盡管徑流在很大程度上受到降水等水文因素的影響，但經(jīng)過南水北調(diào)等大型水利工程影響及水庫的嚴格調(diào)節(jié)作用，除1月、5月、7月之外的其他月份白龜山站的徑流均顯著減少：①水庫在旱季蓄水灌溉和雨季防洪安全時，對徑流進行了嚴格的調(diào)節(jié)，水庫的供水功能比防洪功能更為突出(圖2和圖3)；②雨季水庫難以蓄存的降水通過南水北調(diào)工程蓄積至北方缺水地區(qū)，從而增加了雨季徑流的下降趨勢。因此，水庫的調(diào)節(jié)以及南水北調(diào)工程對該站徑流的改變是非常明顯的。

圖2 1961-2000年白龜山流域徑流趨勢分析結(jié)果

圖3 1961-2016年白龜山流域徑流趨勢分析結(jié)果

2.1.2 中控水文站

本研究中中控站共有4個，分別為位于馬灣閘下游的漯河站、位于漯河閘下游的周口站、位于周口閘下游的阜陽站、位于蚌埠閘下游的蚌埠站。根據(jù)水閘蓄水量和調(diào)節(jié)能力，水庫附近的水流流態(tài)比閘門下游的流態(tài)得到了更適度的調(diào)節(jié)(見表2)。調(diào)壓最大的站是阜陽站，調(diào)壓最小的站是馬灣閘下游的漯河站，調(diào)壓能力分別為2.45%和0.52%，均遠低于水庫庫容。

在對這4個站的徑流分析中，發(fā)現(xiàn)蚌埠、周口、阜陽三四月徑流出現(xiàn)明顯減少。從趨勢顯著的月份數(shù)來看，蚌埠站有4個月趨勢遞減，周口站有3個月的趨勢遞減，阜陽站有2個月的趨勢遞減，漯河站為零，這些結(jié)果與這4個水閘的庫容與調(diào)節(jié)能力相一致，而且均處于旱季，由此可見，泄洪閘的調(diào)節(jié)對減少月徑流具有重要意義，特別是在枯水期(圖4和圖5)。雖然泄洪閘的功能與水庫大體相同，但由于泄洪閘調(diào)節(jié)能力小，其調(diào)節(jié)徑流的趨勢幅度也較小。

圖4 1961-2000年漯河、周口、阜陽、蚌埠流域徑流趨勢分析結(jié)果

圖5 1961-2016年漯河、周口、阜陽、蚌埠流域徑流趨勢分析結(jié)果

2.1.3 無管制水文站

本文中無管制水文站共有9個，分別為昭平臺、大坡嶺、長臺關(guān)、息縣、王家壩、魯臺子、廟灣、班臺、蔣家集。本文以代表性較高的昭平臺水文站為例進行分析。昭平臺水文站位于昭平臺水庫上游，徑流過程不受水庫調(diào)節(jié)的影響，但所處地理位置較高，且因與南水北調(diào)工程距離相差不遠，因此徑流在2004年之后很可能受其影響。從分析結(jié)果來看，對于2000年之前的徑流趨勢，除少數(shù)月有下降趨勢之外，其余月份均有較為明顯的增加或不顯著，但在2000年之后，昭平臺水文站徑流有下降趨勢的月份顯著增加，且有兩個月是在易發(fā)生洪水的雨季(圖6和圖7)。出現(xiàn)這種情況的可能原因主要有兩個，一是南水北調(diào)工程的建成在一定程度上影響了區(qū)域蒸發(fā)，進而導(dǎo)致徑流下降趨勢增大；二是降水的減少使得下游居民需水量增加，通過徑流補充水庫蓄水以滿足沿岸居民生存需求。

圖6 1961-2000年昭平臺流域徑流趨勢分析結(jié)果

圖7 1961-2016年昭平臺流域徑流趨勢分析結(jié)果

2.2 不同時間尺度的徑流變化趨勢分析

2.2.1 月變化趨勢

研究發(fā)現(xiàn)1961-2000年的徑流趨勢分析結(jié)果表明，在3月份以及4月份，除去漯河、廟灣、班臺站之外，其余12個站的徑流均或多或少地出現(xiàn)下降趨勢。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，淮河流域三四月份正值農(nóng)作物播種(春小麥、水稻等)，灌溉用水需求量增大，因此大多數(shù)大壩及水閘都需要對徑流做出一定的調(diào)節(jié)以滿足農(nóng)業(yè)灌溉的需要，特別是在高控制水文站以及中控站，閘壩的調(diào)節(jié)作用使得徑流在一定程度上呈下降趨勢。此外，在降水較少的春季，降雨量不足也是影響徑流量的一大原因，此時應(yīng)注意蓄水以降低旱災(zāi)發(fā)生的可能性。

對于1961-2016年的徑流趨勢分析結(jié)果表明，雖然三四月份很多站點的徑流趨勢不顯著，但仍受春季灌溉需求影響，徑流在整體趨勢上有下降趨勢。而相較于1961-2000年六七月份徑流趨勢過于顯著的增加來說，雖然1961-2016年部分站點六七月份徑流存在下降趨勢，但整體徑流仍處于一個較高的增加水平，因此，應(yīng)注意這兩個月的防洪工作，提高沿岸居民的防洪意識，并通過水利工程設(shè)施做好徑流的調(diào)節(jié)。

2.2.2 雨季及旱季變化趨勢

1961-2000年研究表明，在所有15個觀測點的雨季尺度上除了南部山區(qū)的蔣家集站，其余站點徑流均未發(fā)現(xiàn)明顯的下降趨勢，且增加趨勢較為明顯，可能的原因是蔣家集上游海拔比較高的地方有調(diào)節(jié)能力和庫容均比較大的梅山水庫，兩者距離雖然較遠，但水庫強大的調(diào)節(jié)能力保障了蔣家集流域雨季的防洪安全。而同樣可能受降雨及調(diào)節(jié)能力影響，旱季徑流除了受水庫調(diào)節(jié)較強的高控制水文站白龜山站和潢川站有略微下降趨勢之外，中控站漯河、周口、阜陽徑流變化均不顯著，而其余站點絕大部分均有增加趨勢，這與水庫和防洪閘的調(diào)節(jié)能力相一致。

從1961-2016年15個站點徑流趨勢分析結(jié)果來看，在雨季尺度上，除了高控制站白龜山站以及中控站漯河站、周口站、阜陽站的徑流有較為顯著的下降趨勢之外，其余站點徑流均顯著增加；而在旱季尺度上，也是只有白龜山、潢川受水庫調(diào)節(jié)較高的水文站和昭平臺、漯河受防洪閘調(diào)節(jié)的水文站徑流有顯著下降趨勢之外，其余站點徑流均有所增加或變化不顯著，同樣的與水庫和防洪閘的調(diào)節(jié)能力相一致。但其趨勢僅限于與大壩和水閘的調(diào)節(jié)能力存在相關(guān)性，阜陽、蚌埠這兩個防洪閘的調(diào)節(jié)能力較弱，因此徑流沒有下降趨勢。此外，從整體上看，枯水期(即旱季)的下降趨勢比豐水期(即雨季)的下降趨勢更為明顯，因為大壩和防洪閘在枯水期總是關(guān)閉蓄水，在豐水期則開放防洪。

2.2.3 年均變化趨勢

結(jié)合兩種分析結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，整個研究區(qū)的徑流無明顯下降趨勢，但受閘壩調(diào)節(jié)作用影響，相較于無管制站來說，高控制站和中控站的徑流增加趨勢不會過于明顯，且部分受調(diào)節(jié)站點徑流仍會出現(xiàn)下降趨勢，這種下降趨勢與這些壩、閘的調(diào)節(jié)能力密切相關(guān)，顯而易見，水庫及防洪閘容量越大，下降趨勢越明顯。此外，分析可見1961-2000年所有月份徑流均無下降趨勢，由此可以推斷除去降水影響之外，大型水利工程(如南水北調(diào)工程)的建設(shè)也會在一定程度上對徑流產(chǎn)生影響。

3 結(jié) 論

趨勢分析作為一種簡單而有力的檢驗方法，被用來定性分析水文或氣象要素在時間序列上的變化，特別是在受人為因素影響很大的流域，典型的水文模型很難通過分析得出令人滿意的結(jié)果。本文通過Mann-Kendall非參數(shù)檢驗法，對淮河流域徑流變化趨勢進行檢測，根據(jù)檢驗結(jié)果分別從站點(高調(diào)節(jié)站、中控站、無管制站)及不同時間尺度(月、季、年)分析，可以總結(jié)出以下結(jié)論：

(1)從不同站點受到的調(diào)節(jié)程度不同方面來看，淮河干流中上游流域部分不受大壩及防洪閘調(diào)節(jié)的無管制站點徑流均無明顯下降趨勢；沙潁河流域及南部山區(qū)流域除不受管制的昭平臺站之外，其余站點均徑流均有顯著下降趨勢，尤其是在旱季，且上游水庫或防洪閘調(diào)節(jié)能力越強，徑流下降趨勢越明顯。從不同時間尺度來看，整個研究區(qū)域中只有3月份、4月份的徑流趨勢是顯著下降的，原因多在于春季是小麥、水稻等農(nóng)作物播種的重要時節(jié)，為滿足農(nóng)業(yè)灌溉的需求，水壩及防洪閘多要求在此時關(guān)閘蓄水，以保障農(nóng)業(yè)灌溉及居民用水。

(2)研究結(jié)果表明，水庫及防洪閘的調(diào)節(jié)能力是與徑流的下降趨勢成正相關(guān)的，沙潁河徑流減少的主要原因是大壩和水閘的調(diào)節(jié)作用，水庫下游的徑流減少趨勢比水閘附近的更為明顯，因為水庫的調(diào)節(jié)能力大于水閘。所以白龜山、潢川、周口、阜陽等受閘壩高度調(diào)節(jié)的水文站流域徑流下降趨勢較其他無管制站及閘壩調(diào)節(jié)能力較小的站徑流下降趨勢更為明顯。此外，閘壩對流域徑流枯水期的調(diào)節(jié)高于豐水期，因此旱季的徑流下降趨勢比雨季更為顯著。

(3)通過將1961-2000年徑流趨勢分析結(jié)果與1961-2016年結(jié)果作比較，發(fā)現(xiàn)大型水利工程的修建(如南水北調(diào)工程)會在一定程度上對區(qū)域徑流產(chǎn)生影響，研究結(jié)果表明，相較于1961-2000年徑流變化趨勢來說，1961-2016年的徑流下降趨勢更為明顯，雨季徑流增長趨勢也更不顯著，由此可以看出，忽略降水因素的影響，南水北調(diào)工程在近十幾年的徑流調(diào)節(jié)中起到一定的作用。但不可否認的是，水壩和防洪閘的調(diào)節(jié)作用才是影響徑流變化不可忽視的主要原因。

綜上所述，大壩和水閘對河流流態(tài)的調(diào)整具有重要意義，因此，有關(guān)部門應(yīng)采取有效措施以在最大程度上保證流域水資源利用的可持續(xù)性與生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。一方面，應(yīng)加強不同地區(qū)閘、壩的聯(lián)合調(diào)度，以滿足流域防洪抗旱的需要，另一方面，應(yīng)保持生態(tài)及環(huán)境排放以避免零流量，并盡量滿足下游特別是旱季用水需求。

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