黃河干流蘭州斷面不同時期徑流指標(biāo)變化及成因分析

金雙彥，高 源，張 萍，馬志瑾

（黃河水利委員會 水文局，河南 鄭州 450004）

蘭州斷面以上流域是黃河的主要產(chǎn)流區(qū)，充分利用和合理配置流域水資源、保護流域生態(tài)環(huán)境是推動黃河流域生態(tài)保護和高質(zhì)量發(fā)展的重要方向。 相關(guān)學(xué)者針對黃河徑流變化已得出大量研究成果，其中對于蘭州斷面年徑流量變化得出的主要結(jié)論是其呈現(xiàn)逐年代減少或顯著減少趨勢［1-5］，但這些學(xué)者多是針對月、年尺度的徑流量進(jìn)行分析，研究尺度較長。 本文針對1950—1968年、1969—1986年和1987—2005年3 個時期蘭州斷面徑流量呈現(xiàn)階段性減少、2006—2018年逐漸回升的現(xiàn)象，采用水文分析方法和流量過程變異程度指標(biāo)計算方法深入分析1950—2018年蘭州斷面年最大日平均流量、極端流量等水文指標(biāo)的變化特性及成因，以期為流域水資源管理提供技術(shù)支撐。

1 蘭州斷面以上流域概況

蘭州水文站是黃河上游干流的重要水文站和水量標(biāo)志站，蘭州斷面以上流域面積約占黃河流域總面積的28%。 1950—2018年黃河干流蘭州斷面年徑流量過程線見圖1，可得1950—1968年、1969—1986年、1987—2005年和2006—2018年蘭州斷面的多年平均徑流量分別為351.7 億、345.9 億、294.9 億、333.5 億m3，表明前3 個時期其多年平均徑流量呈現(xiàn)逐階段減少趨勢，第4 個時期其多年平均徑流量呈現(xiàn)回升趨勢。

圖1 1950—2018年蘭州斷面年徑流量過程線

2 數(shù)據(jù)來源和研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

1950—2018年蘭州斷面的日平均流量、極端流量、月平均流量等水文數(shù)據(jù)均源自《中華人民共和國水文年鑒》。

2.2 研究方法

采用水文分析方法和流量過程變異程度指標(biāo)計算方法研究蘭州斷面水文要素的演變趨勢，分析蘭州斷面不同時間尺度的徑流變化特點。 流量過程變異程度是現(xiàn)狀開發(fā)狀態(tài)下水文斷面的歷年逐月實測徑流量與天然徑流量的平均偏離程度，流量過程變異程度指標(biāo)FD計算公式為

式中：qm、Qm分別為歷年逐月實測徑流量和天然徑流量；為歷年1—12月天然月徑流量均值。

3 徑流變化特性分析

3.1 不同時期蘭州斷面的洪水變化

（1）年最大日平均流量。 1950—2018年蘭州斷面歷年最大日平均流量過程線見圖2，可知1950—1968年蘭州斷面年最大日平均流量均值為3630 m3／s；1969—1986年蘭州斷面年最大日平均流量均值為3209 m3／s，與1950—1968年蘭州斷面年最大日平均流量均值相比，削減了11.6%；1987—2018年蘭州斷面年最大日平均流量均值為1810 m3／s，與1969—1986年蘭州斷面最大日平均流量均值相比，削減了43.6%。 劉家峽水庫于1968年10月開始蓄水，1968—1969年蘭州斷面年最大日平均流量從3820 m3／s 陡降為1590 m3／s；龍羊峽水庫于1986年10月投入運行，1986—1987年蘭州斷面年最大日平均流量從3610 m3／s陡降為1480 m3／s。

圖2 1950—2018年蘭州斷面歷年最大日平均流量過程線

（2）平均洪水頻次和歷時。 1950—2018年6—10月蘭州斷面不同日平均流量量級對應(yīng)的平均洪水頻次統(tǒng)計見表1，可以看出，1000 ～2000 m3／s 小流量洪水時，1950—2018年蘭州斷面的平均洪水頻次逐漸增加；流量大于2000 m3／s 時，蘭州斷面的平均洪水頻次明顯減少，尤其流量大于4000 m3／s 的洪水在1987—2018年沒有出現(xiàn)。

表1 1950—2018年6—10月蘭州斷面不同日平均流量量級對應(yīng)的平均洪水頻次次／a

1950—2018年6—10月蘭州斷面不同日平均流量量級對應(yīng)的平均洪水歷時統(tǒng)計見表2，可以看出，1000～2000 m3／s 小流量洪水時，1950—2018年蘭州斷面的平均洪水歷時逐漸增長；流量大于2000 m3／s 時，1950—2018年蘭州斷面的平均洪水歷時逐漸縮短。

表2 1950—2018年6—10月蘭州斷面不同日平均流量量級對應(yīng)的平均洪水歷時 d

（3）洪水年均出現(xiàn)天數(shù)。 1950—2018年6—10月蘭州斷面不同日平均流量量級對應(yīng)的洪水年均出現(xiàn)天數(shù)統(tǒng)計見表3，可以看出，在1950—1968年、1969—1986年、1987—2005年3 個時期內(nèi)，隨著蘭州斷面日平均流量量級提高，洪水年均出現(xiàn)天數(shù)整體呈現(xiàn)減少趨勢；與1987—2005年相比，除流量大于4000 m3／s外，其他流量量級的2006—2018年蘭州斷面的洪水年均出現(xiàn)天數(shù)均有所回升。

表3 1950—2018年6—10月蘭州斷面不同日平均流量量級對應(yīng)的洪水年均出現(xiàn)天數(shù) d

3.2年最小日流量變化

1950—2018年蘭州斷面的年最小日流量過程線見圖3。

圖3 1950—2018年蘭州斷面的年最小日流量過程線

以年最小日流量200、300、400 m3／s 為界限，分析各時期不同年最小日流量量級對應(yīng)的年均出現(xiàn)天數(shù)，結(jié)果見表4，可知劉家峽水庫運行后，由于水庫調(diào)蓄，無論在全年還是在4—6月生態(tài)敏感期，1969—1986年蘭州斷面的小流量年均出現(xiàn)天數(shù)整體明顯減少。

表4 蘭州斷面不同年最小日流量量級對應(yīng)的年均出現(xiàn)天數(shù)d

3.3 極端流量變化

1956—2018年蘭州斷面的極端流量統(tǒng)計見表5，可知1956—2018年蘭州斷面最小化指標(biāo)的極端流量隨時間變化整體呈現(xiàn)上升趨勢，這是由于劉家峽和龍羊峽水庫運行后削峰作用明顯，極端小流量情況顯著改善。 1987—2005年龍劉水庫聯(lián)合運行期間，蘭州斷面最大化指標(biāo)的極端流量下降比較明顯，而《黃河水量調(diào)度條例》（國務(wù)院令第472 號）自2006年8月1 日起實施以后，2006—2018年蘭州斷面最大化指標(biāo)的極端流量又開始回升。

表5 1956—2018年蘭州斷面的極端流量 m3／s

3.4 流量過程變異程度變化

1956—2017年蘭州斷面流量過程變異程度變化情況見圖4，可以看出，該變化情況明顯分為3 個階段：1956—1967年劉家峽水庫運行之前，F(xiàn)D值在0.09～0.17之間；1968—1986年僅劉家峽水庫運行期間，F(xiàn)D值在0.49 ～1.30 之間；1987—2017年龍劉水庫聯(lián)合運行以來，F(xiàn)D值在0.98～2.32 之間。

圖4 1956—2017年蘭州斷面的FD 值變化情況

3.5 月平均流量變化

1956—2018年蘭州斷面的月平均流量統(tǒng)計見圖5。 1968年10月劉家峽水庫運行后，6—10月為豐水期蓄水時期，12月至次年4月為枯水期補水時期，與1956—1968年相比，1969—1986年6—10月蘭州斷面的月平均流量明顯減小，12月至次年4月月平均流量增大。 1986年10月龍劉水庫聯(lián)合運行后，對水量的調(diào)蓄和補償能力增強，1987—2005年6—10月蘭州斷面的月平均流量較劉家峽水庫單庫運行時期明顯減小。 2006年全河水量統(tǒng)一調(diào)度后，蘭州斷面的月平均流量較龍劉水庫聯(lián)合運行時期整體有所回升，尤其是4—10月回升現(xiàn)象比較明顯，除受1987—2005年龍羊峽以上來水偏少的影響之外，全河水量統(tǒng)一調(diào)度對蘭州斷面的徑流年內(nèi)分配也有一定影響［6］。

圖5 1956—2018年蘭州斷面的月平均流量

4 徑流變化影響因素分析

4.1 劉家峽和龍羊峽水庫蓄水運行

劉家峽水庫于1968年10月開始蓄水，龍羊峽水庫于1986年10月投入運行，為具體分析蘭州斷面徑流變化的影響因素，以龍羊峽水庫運行時間為界劃分為劉家峽單庫運行和龍劉水庫聯(lián)合運行兩個時期［7-9］。 1969—1986年劉家峽水庫單庫運行時期，除1977年末劉家峽水庫蓄水量為25.14 億m3外，其他年份年末水庫蓄水量在40.00 億～45.00 億m3之間，1969—1986年水庫多年平均年末蓄水量為40.37 億m3；1986年龍劉水庫聯(lián)合運行以后，1987年末劉家峽水庫蓄水量為16.26 億m3，其他年份年末水庫蓄水量維持在30.00 億m3左右，1986—2018年水庫多年平均年末蓄水量為30.78 億m3。

1968—2018年龍劉水庫總蓄水量變化過程見圖6，1990年以后黃河用水緊張，龍劉水庫3次向下游加大泄流量，形成3次蓄水低谷，分別為1991年末的112.22億m3、1996年末的109.43 億m3和2002年末的96.86 億m3。 在1987—2005年龍劉水庫聯(lián)合運行時期至2006—2018年全河水量統(tǒng)一調(diào)度時期，龍劉水庫形成4次蓄水高峰，分別為1989年末的189.94 億m3、1993年末的184.82 億m3、1999年末的198.18 億m3和2005年末的264.26 億m3，其中龍羊峽水庫4次蓄水高峰分別為156.89 億、154.00 億、168.04 億、231.02 億m3。 2006—2018年龍劉水庫的多年平均總蓄水量為224.59 億m3，2018年總蓄水量達(dá)272.03 億m3，其中龍羊峽水庫蓄水量維持在190 億m3左右，多年平均年末蓄水量為196.48 億m3。

圖6 1968—2018年龍劉水庫總蓄水量變化過程

4.2 工農(nóng)業(yè)耗水影響

分別計算1969—1986年劉家峽水庫單庫運行時期和1987—2018年龍劉水庫聯(lián)合運行時期龍劉水庫總蓄變量和沿黃工農(nóng)業(yè)耗水量，見表6。 1969—1986年汛期劉家峽水庫總蓄變量和工農(nóng)業(yè)耗水量占還原徑流量的比例分別為79.7%和20.3%，非汛期劉家峽水庫總蓄變量和工農(nóng)業(yè)耗水量所占比例分別為73.3%和26.7%；1987—2018年龍劉水庫運行時期，汛期龍劉水庫總蓄變量和工農(nóng)業(yè)耗水量所占比例分別為86.2%和13.8%，非汛期龍劉水庫總蓄變量和工農(nóng)業(yè)耗水量所占比例分別為76.1%和23.9%。

表6 1969—2018年龍劉水庫總蓄變量和工農(nóng)業(yè)耗水量

5 結(jié)論

在1950—1968年、1969—1986年和1987—2018年這3 個時期，蘭州斷面的小流量洪水頻次增加，中大流量洪水頻次減少，小流量洪水歷時增長，中大流量洪水歷時縮短，流量過程變異程度逐階段下降；隨著蘭州斷面日平均流量量級提高，洪水年均出現(xiàn)天數(shù)整體呈現(xiàn)減少趨勢。 與1950—1968年相比，1969—1986年劉家峽水庫單庫運行時期，蘭州斷面年最大日平均流量、不同年最小日流量量級對應(yīng)的年均出現(xiàn)天數(shù)、最大化指標(biāo)的極端流量、6—10月月平均流量均明顯減小。經(jīng)分析，1950—2018年蘭州斷面各項徑流指標(biāo)呈階段性變化的主要原因是龍羊峽和劉家峽水庫的蓄水運行、沿黃工農(nóng)業(yè)耗水以及全河水量統(tǒng)一調(diào)度的實施。