黃河上游青銅峽水利樞紐對河川基流的影響

趙貴章，徐遠(yuǎn)志,王莉莉，王艷艷，張世英

(華北水利水電大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，河南 鄭州 450045)

基流是黃河水資源的重要組成部分，它不僅能夠反映流域地下水對河流的補給情況，同時在提高水資源利用率、保護(hù)生態(tài)環(huán)境以及計算生態(tài)需水量、河流輸沙量等方面具有重要意義。 20世紀(jì)60年代以來，由于修建水利樞紐等一系列人類活動因素的影響[1]，黃河徑流量大幅度減少[2]，改變了原有的地下水的時空分布規(guī)律，黃河基流量呈現(xiàn)明顯減少的趨勢，導(dǎo)致湖泊萎縮、濕地減少、草場退化、黃河斷流等一系列環(huán)境問題[3]，嚴(yán)重影響流域經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境安全[4]。因此，研究水利工程的修建對黃河基流的變化量以及變化趨勢的影響，有助于進(jìn)一步研究黃河地下水循環(huán)規(guī)律以及保護(hù)流域生態(tài)環(huán)境。

基于不同的理論和方法，國內(nèi)外學(xué)者提出了多種基流的分割方法，但由于缺乏試驗資料以及涉及氣候、水文、地質(zhì)等多種科學(xué)，無法驗證其結(jié)果的合理性，因此國內(nèi)外學(xué)者尚未找出一種普遍認(rèn)同的合理的基流分割方法[5-6]。圖解法是依據(jù)流量過程線的幾何特征，按照水文地質(zhì)學(xué)者的經(jīng)驗以及流域的水文地質(zhì)的特征來分割基流的傳統(tǒng)基流分割方法。該方法操作簡單，但計算結(jié)果粗略且只能對完整的波形進(jìn)行分割。劉昌明等[7]進(jìn)行基流劃分時將最小月份的月流量作為基流。水量平衡法通過計算流域各水均衡項的水量得出基流量[8-10]，其優(yōu)點是參數(shù)具有明確的物理意義，缺點是操作難度高且參數(shù)較多。熊立華等[11]通過對牧馬河流域進(jìn)行基流分割發(fā)現(xiàn)：非線性水庫法與數(shù)字濾波法得到的結(jié)果相差不大，認(rèn)為非線性水庫法可以客觀合理地反映實際退水過程。物理化學(xué)法主要應(yīng)用于圈閉性和單一性的山區(qū)流域，具有可操作性和可信度高的優(yōu)點，是未來基流分割方法研究的方向之一，但成本較高，目前只應(yīng)用于小流域。陳宗宇等[12]利用穩(wěn)定同位素及化學(xué)方法估算出張掖—正義峽河道段地下水向河道平均排泄量占該段河流徑流量的69%。數(shù)字濾波法[13-14]通過計算機自動實現(xiàn)，具有操作性強、可重復(fù)、普遍適用，且人為因素干擾等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于黃河流域等廣大地區(qū)。宋小圓等[5]運用4種數(shù)字濾波方法探究了不同濾波方法濾波次數(shù)、濾波參數(shù)變化對基流分割結(jié)果的影響，結(jié)果表明Lyne-Holick數(shù)字濾波法模擬效果較好，且省時高效。李瑞等[15]等通過研究黃河上游藥水河流域發(fā)現(xiàn)Lyne-Holick數(shù)字濾波法具有較好的應(yīng)用效果。黨素珍等[16]通過數(shù)字濾波法研究發(fā)現(xiàn)：黑河上游基流量年內(nèi)變化呈先增后減的趨勢，年際變化呈增加的趨勢。王雁林等[17]在探討黃河河川基流量演化規(guī)律及驅(qū)動因子時指出，水庫修建對河川基流量衰減影響不大。白樂等[18]在研究降水和人類活動對禿尾河流域基流的影響時發(fā)現(xiàn)，水利工程的建設(shè)在一定程度上削減了地下水對徑流的補給。王蕊等[19]分析了近40 a黃河中游徑流情勢變化，指出1970年以來黃河中游岔巴溝流域淤地壩的大量修建造成河流年徑流減少30%以上。林學(xué)鈺等[20]認(rèn)為在修建有大型水利工程的黃河干、支流的徑流資料，需要經(jīng)過人工還原后，方可進(jìn)行基流分割?？咭昂恿饔騼?nèi)現(xiàn)存壩庫約850處，總?cè)萘拷?5萬m3，這些大規(guī)模的水利工程改變了該流域原有的下墊面水循環(huán)規(guī)律，其水文效應(yīng)在20世紀(jì)80年代初期開始凸顯，對河川基流量的衰減有一定程度的影響[3]。前人對黃河基流量的研究中，研究水利工程的建設(shè)對河川基流量影響的較少。黃河是人類活動最為頻繁的流域之一，而青銅峽水利樞紐位于黃河上游東部季風(fēng)區(qū)與西部干旱區(qū)域的交匯地帶，此地區(qū)氣候干旱、降雨量少，該水利工程的修建改變了地表水與地下水的補排給關(guān)系[21]，因此，研究青銅峽水利樞紐建壩前后流域基流量的變化規(guī)律對維持該流域的生態(tài)平衡以及實現(xiàn)水資源優(yōu)化配置具有重要作用。

圖1 流域位置Fig.1 Location of catchment

本文采用Lyne-Holick單參數(shù)數(shù)字濾波法對黃河上游下河沿水文站、青銅峽水文站以及石嘴山水文站的流量過程進(jìn)行基流分割，運用Mann-Kendall非參數(shù)檢驗法分析基流的變化趨勢和突變點，分析青銅峽建壩前后基流的變化特征以及變化規(guī)律，揭示水利樞紐工程對河川基流量變化的影響程度，以期為該流域水資源優(yōu)化配置和水文模擬提供理論支持。

1 研究區(qū)概況

1.1 流域概況

研究區(qū)域?qū)儆邳S河上游寧夏段，從寧夏回族自治區(qū)中衛(wèi)市下河沿水文站到石嘴山市石嘴山水文站(圖1)。該流域位于36°0′N～39°23′N，104°17′E～107°39′E，南鄰甘肅省，西部、北部與內(nèi)蒙古自治區(qū)相連，東部結(jié)合陜西省。該流域地處中國地質(zhì)、地貌“南北中軸”的北端，地形結(jié)構(gòu)復(fù)雜，包含高原、山地、沙漠、平原等多種地形地貌。全流域從南向北表現(xiàn)出由流水地貌向風(fēng)蝕地貌過渡的特征，黃河上游寧夏段屬于大陸性半濕潤半干旱氣候，降水量少且年內(nèi)分布不均勻，蒸發(fā)強烈[22-23]。

1.2 水利工程及水文站概況

青銅峽水電站位于黃河上游寧夏回族自治區(qū)青銅峽市青銅峽峽谷出口處，是一座以灌溉、發(fā)電為主，兼有防洪、防凌、城市供水等效益的綜合性水利樞紐。壩址以上流域面積27.5萬km2，多年平均年徑流量324億m3,多年平均流量1 028 m3/s，水庫正常蓄水位1 156 m，相應(yīng)設(shè)計庫容為6.06億m3，水庫面積為113 km2，現(xiàn)存庫容0.56億m3。1958年8月青銅峽水電站正式開始動工，1967年12月投入使用，1968年2月第一臺機組(2號機組)正式發(fā)電，1978年8臺機組安裝完畢。黃河上游石嘴山水文站位于寧夏回族自治區(qū)與內(nèi)蒙古的交界處(106°47′E，39°15′N)，集水面積3 215.12 km2，是控制黃河水量從寧夏進(jìn)入內(nèi)蒙古的重要水文站。青銅峽水文站位于105°99′E，37°89′N，是青銅峽水電站的出水控制站。下河沿水文站是黃河寧夏段的入境站，位于105°05′E，37°15′N，集水面積為2 643.08 km2。

2 數(shù)據(jù)來源及研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

本文選取下河沿、青銅峽和石嘴山水文站1951—2000年共50 a的日徑流量時間序列作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，對實測徑流數(shù)據(jù)進(jìn)行水文頻率分析等處理，采用Lyne-Holick單參數(shù)數(shù)字濾波法對日徑流量進(jìn)行基流分割得到日基流量，對基流量進(jìn)行M-K檢驗以及趨勢分析。

2.2 研究方法

2.2.1 數(shù)字濾波法

本文采用數(shù)字濾波法中的Lyne-Holick數(shù)字濾波法，該方法是由Lyne和Holick于1979年首次提出，1990年Nathan等[24]將其改進(jìn)并首次應(yīng)用于水文研究中[25]。

濾波方程為

(1)

基流方程為

bt=Qt-qt

(2)

式中：qt——t時刻的地面徑流,m3/s；Qt——t時刻的總徑流，m3/s；qt-1——t-1時刻的地面徑流，m3/s;Qt-1——t-1時刻的總徑流，m3/s；bt——t時刻的基流；α——濾波參數(shù)。根據(jù)Nathan和McMahon等的研究以及結(jié)合該流域氣候、水文地質(zhì)條件，通過實際切割效果對比比較，得到0.95作為濾波參數(shù)[16]，采用第3次濾波所得的基流量[19]更符合實際情況。

2.2.2Mann-Kendall非參數(shù)檢驗法

Mann-Kendall非參數(shù)檢驗法是一種不需要樣本遵從一定的分布，也不受少數(shù)異常值干擾的非參數(shù)統(tǒng)計檢驗方法[26]，其能夠很好地描述時間序列的趨勢變化特征，具有適用范圍廣、定量化程度高、計算簡便等優(yōu)點。原假設(shè)H0為時間序列數(shù)據(jù)(x1，x2，…，xn)是n個獨立的、隨機變量同分布的樣本，備擇假設(shè)H1是雙邊檢驗[27]，對于所有的k，j≤n，且k≠j，xk和xj的分布是不相同的，檢驗的統(tǒng)計變量S為

(3)

其中

標(biāo)準(zhǔn)的正態(tài)統(tǒng)計變量計算公式為

(4)

其中

D(S)=n(n-1)(2n+5)/18

Z為正值表示增加趨勢，Z為負(fù)值表示減少趨勢，當(dāng)Z的絕對值在大于等于1.28、1.64、2.32時分別表示通過90%、95%、99%置信度顯著性檢驗[28]。

當(dāng)Mann-Kendall檢驗進(jìn)一步用于檢驗序列突變時，檢驗統(tǒng)計量與上述Z有所不同，通過構(gòu)造一秩序列[29-30]。

(5)

(6)

式中:E(Sk)、D(Sk)——Sk的均值、方差。

按時間序列x的逆序xn,xn-1,…，x1重復(fù)上述過程，獲得統(tǒng)計變量UBk(k=n,n-1,…，1)，同時使：UBk=-UFk。將UBk與UFk繪制成曲線，如果2條曲線出現(xiàn)交點,且該點處滿足UBk<1.96、UFk<1.96，則認(rèn)為該點為序列的突變點，檢驗置信水平為0.05[31]。

3 研 究 結(jié) 果

3.1 基流量和BFI的年際變化特征

在基流計算過程中，一般以年基流量以及基流量占總徑流量的比重(即基流指數(shù)，baseflow index,簡稱BFI)來量化基流與徑流之間的關(guān)系[26]。為了分析青銅峽水利樞紐工程對黃河基流的影響，繪制了下河沿、青銅峽以及石嘴山水文站的年際基流變化規(guī)律,如圖2、圖3所示。

圖2 基流年際變化Fig.2 Annual variations of baseflow

圖3 青銅峽徑流基流年際變化Fig.3 Annual variations of runoff and baseflow in Qingtongxia

人為自然條件下為青銅峽大壩建設(shè)以前，人類活動較少，自然和人為條件干預(yù)下為大壩建設(shè)期，人為干預(yù)條件下為大壩建設(shè)完成投入使用以后，人類活動影響顯著如圖2所示(圖中：Ⅰ為自然條件下，Ⅱ為自然和人為干預(yù)條件下，Ⅲ為人為干預(yù)條件下)。由圖2、圖3可知：3個站的河川基流量整體呈下降趨勢，其中青銅峽站下降幅度最為明顯。建壩前下河沿、青銅峽、石嘴山3個水文站多年平均基流量分別為214億m3、184億m3、192億m3，建壩后3站多年平均基流量分別為187億m3、111億m3、160億m3，相比于建壩前分別減少了12%、40%、17%，其中青銅峽站下降幅度最大。由以上數(shù)據(jù)可以看出，建壩前3個水文站的基流量相差不大，建壩施工期3個站的基流量開始出現(xiàn)差異，建壩后，青銅峽站基流量明顯小于其他2個站，其中上游的下河沿站基流量最大。Lyne-Holick數(shù)字濾波法分割出的年平均徑流與年平均基流的pearson相關(guān)系數(shù)均高達(dá)0.94，且都通過置信水平為0.01的顯著性檢驗。

圖4 BFI年際變化和建壩前后BFI對比Fig.4 Annual variations of BFI and comparison chart before and after dam construction

基流量從建壩施工期出現(xiàn)明顯的減少，說明水電站的修建影響了地下水的時空分布的規(guī)律。青銅峽水庫正常蓄水位1 156 m，水庫蓄水提高了流域地下水排泄基準(zhǔn)面，導(dǎo)致地下水排泄量減少，影響了地下水對河川徑流的補給，從而使河川基流量減少。降水是河川基流量的主要補給來源，青銅峽水利樞紐的修建使流域氣候發(fā)生了一定程度上的改變，從而使河川基流量呈現(xiàn)明顯減少趨勢。從圖4中可以看出：下河沿、青銅峽、石嘴山站多年平均基流指數(shù)分別為0.65、0.54、0.60，BFI的年際變化過程基本保持一致，在20世紀(jì)60年代青銅峽水利樞紐建設(shè)時期均出現(xiàn)大幅度下降，其中青銅峽站BFI下降幅度最為明顯，為13%，而石嘴山站總體BFI保持相對穩(wěn)定。

3.2 不同水平年基流量和BFI變化特征

運用P-Ⅲ型頻率曲線法對下河沿、青銅峽、石嘴山3個水文站1951—2000年的實測徑流資料進(jìn)行水文頻率分析，劃分出相應(yīng)的豐水年、平水年、枯水年。根據(jù)豐水年、平水年、枯水年的劃分標(biāo)準(zhǔn)(表1)，將3個站的年均基流和BFI按照建壩前和建壩后分別進(jìn)行計算統(tǒng)計。

表1 年徑流量豐水年、平水年、枯水年劃分標(biāo)準(zhǔn)Table 1 Standard for division of wet, ordinary and dry annual runoff level

結(jié)合圖5、圖6可以看出，下河沿、青銅峽、石嘴山3個站年均基流均為豐水年>平水年>枯水年，相比于建壩前，建壩后3個水文站在豐水年、平水年、枯水年3個水平年中平均基流量均小幅度減小，其中只有下河沿水文站在枯水年基流量小幅度上升。下河沿站和石嘴山站BFI建壩前后變化不大，且在建壩前3個站BFI相差不大。青銅峽站基流指數(shù)下降幅度最明顯，豐水年中下降13%、平水年下降20%，枯水年基流指數(shù)基本保持不變。豐水年降水量相對較大，徑流主要由流域內(nèi)的大氣降雨進(jìn)行補充，青銅峽水利樞紐的修建，改變了地表匯流的條件，減少了地下水對徑流的補給。

圖5 建壩前后基流量對比Fig.5 Baseflow comparison chart before and after dam construction

圖6 建壩前后BIF對比Fig.6 BFI comparison chart before and after dam construction

3.3 趨勢和突變分析

通過M-K非參數(shù)檢驗法進(jìn)一步分析得出：下河沿、青銅峽、石嘴山3個水文站的Z值分別為-1.95、-4.23、-2.73，都小于0，表明3個站的基流量呈減少趨勢，且青銅峽、石嘴山水文站Z值通過α=0.01的顯著性檢驗，下河沿水文站通過α=0.05的顯著性檢驗，由此可以看出青銅峽、石嘴山基流量減少趨勢明顯，且青銅峽減少趨勢遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于下河沿和石嘴山。由圖2可以看出，1967—1968年間青銅峽徑流量和基流量明顯減少。

突變即序列收到某種條件的變化或受某種因素的影響，數(shù)據(jù)從一種穩(wěn)定態(tài)(或穩(wěn)定持續(xù)的變化趨勢)跳躍式地轉(zhuǎn)變到另一種穩(wěn)定態(tài)(或穩(wěn)定持續(xù)的變化趨勢)[16]。本文采用M-K突變檢驗法確定青銅峽水文站基流數(shù)據(jù)的突變點。由圖7可以看出，青銅峽基流量數(shù)據(jù)的突變點出現(xiàn)在1962—1964年，此時段處于青銅峽水利樞紐工程的建設(shè)時期，表明青銅峽水利樞紐的施工是造成該河段基流量突變的主要原因。

圖7 青銅峽建壩前后基流突變分析Fig.7 Mutation analysis of baseflow of Qingtongxia dam before and after the construction

4 結(jié) 論

a. 下河沿、青銅峽、石嘴山水文站基流量總體上均呈減少趨勢，建壩前3個站基流量和基流指數(shù)相差不大，基流量和基流指數(shù)分別為214億m3、184億m3、192億m3和0.65、0.54、0.60，建壩后出現(xiàn)明顯差異，下河沿站基流量最多，石嘴山站次之，青銅峽站最少，且青銅峽站減少比例最大，基流量減少40%、BFI減少13%，受青銅峽水電站影響最為顯著。

b. 下河沿、青銅峽、石嘴山3個水文站的不同水平年的多年平均基流量由高到低依次為豐水年、平水年、枯水年，多年平均基流指數(shù)由高到低依次為平水年、豐水年、枯水年，但下河沿水文站多年平均基流指數(shù)為枯水年、平水年、豐水年。下河沿水文站位于青銅峽水電站的上游，受青銅峽水電站建設(shè)的影響較小。

c. 20世紀(jì)60年代以來，青銅峽水利樞紐的建設(shè)影響了該區(qū)域的水文地質(zhì)條件，使原有的河流和地下水的補排給關(guān)系發(fā)生改變，導(dǎo)致基流量出現(xiàn)明顯的減少趨勢。通過M-K突變檢驗發(fā)現(xiàn)，突變點出現(xiàn)在青銅峽水電站建設(shè)施工期，表明青銅峽水電站的建設(shè)和水庫蓄水，影響了當(dāng)?shù)氐叵滤臅r空分布規(guī)律，使河川基流量減少。