梯級水電站對黑河出山口徑流及洪水過程的影響

任小虎，朱 詠，鄭 洋，王啟優(yōu)

(甘肅省水文站，蘭州 730030)

1 研究背景

近年來，我國生態(tài)文明建設(shè)理念、理論不斷形成、建立和發(fā)展，已出臺許多明確規(guī)定，促進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)加速發(fā)展。社會對水電站工程建設(shè)影響河道徑流過程和水文情勢變化的關(guān)注度也在提高。目前，關(guān)于水電站工程建設(shè)對下游徑流影響的研究有很多。顧穎等[1]通過對瀾滄江梯級電站的研究，發(fā)現(xiàn)梯級電站的興建對出境處徑流有調(diào)節(jié)作用，且這種調(diào)節(jié)作用在小灣水電站和糯扎渡水電站建成后，將更加明顯；郭文獻(xiàn)等[2]以梯級水庫下游宜昌水文站流量資料為研究對象，得出三峽水庫蓄水后在較大程度上改變了河流水文情勢，其改變必將影響長江中下游河流水生生物生態(tài)安全；黃維東等[3-4]分析了大通河流域水能水資源開發(fā)利用現(xiàn)狀及其對河流水文過程與生態(tài)環(huán)境的影響，結(jié)果表明梯級水電站群無序蓄放水使洪水過程由天然的平穩(wěn)狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槿斯じ深A(yù)的劇烈變化狀態(tài)，上下游洪峰不對應(yīng)，對下游地區(qū)的防洪安全產(chǎn)生極大威脅；賈鳳[5]對豐滿電站、白山、紅石徑流分段進(jìn)行還原分析，結(jié)果表明，豐滿水電站的運行改變了河流天然狀態(tài)年際徑流量和徑流量分布，而且人工控制對下游徑流量年內(nèi)分配具有很大的影響；紀(jì)道斌等[6]研究我國梯級水庫對水環(huán)境的累積影響，得出亟需建立統(tǒng)一的評價標(biāo)準(zhǔn)，系統(tǒng)地認(rèn)識梯級水庫建設(shè)的環(huán)境效應(yīng)。以上文獻(xiàn)，采用不同方法從不同角度研究梯級水電站對水生態(tài)或水文情勢的影響。

本文基于黑河鶯落峽水文站徑流、洪水過程及上游流域內(nèi)降水等資料，運用雙累積曲線法、MK檢驗法、基尼系數(shù)法等方法，重點分析梯級水電站對黑河上游出山口鶯落峽水文站徑流年內(nèi)、年際變化及洪水過程的影響。

2 資料與研究方法

2.1 研究區(qū)概況

黑河是我國第二大內(nèi)陸河，位于西北干旱地區(qū)，發(fā)源于祁連山北麓，由36條大小河流組成，主要由野牛溝和八寶河兩大河源匯入，與干流一起形成“兩源一干”的整體格局，流經(jīng)青海、甘肅、內(nèi)蒙古三省(區(qū))后注入尾閭東居延海、西居延海。黑河干流出山口控制站鶯落峽水文站為上中游分界點，斷面多年平均流量49.3 m3/s，年徑流總量15.96億m3，近來多年徑流量呈增加趨勢；上游主河道長約313 km，流域面積約10 009 km2，約占總流域面積的16.1%，是黑河的產(chǎn)流區(qū)。流域內(nèi)地形山高谷深，河床陡峻，氣候陰濕，植被較好，多年平均降水量350 mm左右，經(jīng)濟(jì)活動以牧業(yè)為主[7]。梯級水電開發(fā)河段系黑河上游大峽谷段，長95 km，首尾落差近1 000 m，平均比降0.91%，水力資源理論蘊藏量453 MW，單位河長出力4.77 MW/km，具備良好的水能開發(fā)條件[8]。

目前，黑河干流自上游至出山口鶯落峽水文站斷面，已建成運行的水電站依次為寶瓶河、三道灣、二龍山、大孤山、小孤山、龍首二級、龍匯、龍首一級8座水電站；正在建設(shè)的黃藏寺水利樞紐工程(黃藏寺水庫正常蓄水位2 628 m，最大壩高123 m，總庫容4.03億m3，水庫死水位2 580 m，屬大(2)型)位于東西岔交匯后下游11 km處，控制黑河上游來水量的65%～84%，形成黑河干流梯級水電開發(fā)結(jié)構(gòu)[9]，詳見表1和圖1。梯級水電站工程的建設(shè)和運行，對出山口徑流量及洪水過程產(chǎn)生一定影響。

表1 梯級水電站基本信息

2.2 資料來源

本研究采用黑河出山口鶯落峽水文站月、年徑流量、歷年最大洪峰流量、洪水過程等系列資料，共76 a(1945—2020年)，資料來源于水文局監(jiān)測資料整編刊印成果(年鑒)，資料數(shù)據(jù)可靠。降水量數(shù)據(jù)資料采用祁連、札馬什克、鶯落峽3個水文站及14個氣象站系列監(jiān)測資料，共17站、系列65 a(1956—2020年)，共計1 105站·年的數(shù)據(jù)資料，采用泰森多邊形法計算流域內(nèi)面平均降水量。水文站和主要雨量站分布位置見圖1。

圖1 黑河上游流域水系和水電站分布示意圖Fig.1 Distribution of water system and hydropower stations in upstream Heihe River Basin

2.3 研究方法

2.3.1 雙累積曲線法

雙累積曲線是檢驗具有因果關(guān)系的兩個變量間關(guān)系一致性及其變化的常用方法，可用于檢驗水文氣象要素的一致性、趨勢性。雙累積曲線是在直角坐標(biāo)系中繪制同期內(nèi)一個變量的連續(xù)累積值與另一個變量連續(xù)累積值的關(guān)系線。

梯級水電站工程主要影響和改變河道徑流演變過程，對流域下墊面條件和產(chǎn)匯流影響不大。在區(qū)域徑流量變化歸因分析中，降水-徑流雙累積曲線可定量衡量氣候變化對徑流量的影響程度，降水-徑流雙累積曲線表現(xiàn)為線性關(guān)系，即徑流量隨降水量同步變化，說明歷史時期降水量是影響徑流量的主要因素[10-11]，同時也說明下墊面的變化對徑流變化影響不大。

2.3.2 MK檢驗法

MK檢驗法是一種非參數(shù)統(tǒng)計檢驗法，可用于檢驗時間序列的突變點，已被世界氣象組織推薦并廣泛使用，其優(yōu)點是不需要樣本遵從一定的分布、不受少數(shù)異常值的干擾、計算簡便、檢驗范圍寬、定量化程度高[12]，適用水文、氣象等非正態(tài)分布的數(shù)據(jù)。對于具有n個樣本量的時間序列xi，構(gòu)造一個秩序列，即

(1)

其中，

(2)

式中sk是第i時刻數(shù)值大于j時刻數(shù)值個數(shù)的累計數(shù)。

定義統(tǒng)計變量如下：

(3)

E(sk)=n(n+1)/4 ；

(4)

Var(sk)=n(n-1)(2n+5)/72 。

(5)

式中：E(sk)、Var(sk)分別是累計數(shù)sk的均值和方差；UFk為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布統(tǒng)計量，給定顯著性水平α，若|UFk|>Uα/2，則表明序列存在明顯的趨勢變化。將時間序列xi按逆序排列，再按照上述方法計算，同時使：

(6)

式中UBk為反序列統(tǒng)計量。

繪制UFk和UBk的變化過程，若UFk>0，表明序列呈上升趨勢；UFk<0，表明呈下降趨勢，當(dāng)它們超過臨界置信水平直線時(檢驗置信水平α=0.05時，置信水平線為±1.96)，表明上升或下降趨勢顯著。如果UFk和UBk兩條曲線出現(xiàn)交點，且交點在臨界線之間，那么交點對應(yīng)的時刻就是突變開始的時間。

2.3.3 基尼系數(shù)法

基尼系數(shù)是20世紀(jì)初意大利經(jīng)濟(jì)學(xué)家基尼根據(jù)洛倫茲曲線提出的判斷國民收入分配平等程度的指標(biāo)，其實質(zhì)是對分布均勻度的量化分析，可將其應(yīng)用到其他與均勻度分析相關(guān)的各方面[13-16]。鑒于基尼系數(shù)在不均勻度量化中的優(yōu)勢，本文按照基尼系數(shù)的求值方法，參考文獻(xiàn)[13]河流水文要素年內(nèi)分布均勻度模型，計算鶯落峽水文站1945—2020年每年月徑流量年內(nèi)分配均勻度。為便于理解，本研究分配均勻度的量化值等于1減去經(jīng)濟(jì)學(xué)中所求出的基尼系數(shù)GI，該值越大，則表示年內(nèi)分配均勻度越大，即越均勻；反之則均勻度越小，越不均勻。分配均勻度的量化值公式為

uf=1-GI=SB/(SA+SB) 。

(7)

式中：uf為月徑流量年內(nèi)分配均勻度；SA為月徑流量年內(nèi)分配洛倫茲曲線上半部面積；SB為月徑流量年內(nèi)分配洛倫茲曲線下半部面積(見圖2)。

圖2 月徑流量年內(nèi)分配洛倫茲曲線Fig.2 Lorentz curve of annual distribution of monthly runoff

2.3.4 洪水漲落頻次及變化率

在一場連續(xù)的洪水過程中，洪水漲落變化的頻繁程度可用流量的漲落頻次N表示。根據(jù)文獻(xiàn)[8]，一次洪峰過程即流量從上漲到回落，漲落變化頻次N為1，如果有k次洪峰過程，漲落頻次N=2k-1。單位時間內(nèi)洪水流量的變化量表示洪水的漲落率，其表達(dá)式為

(8)

式中：q為漲落率；Qi、Qi-1分別為時間ti、ti-1對應(yīng)的流量；ΔQ為流量差；Δt為時間差。

3 結(jié)果與分析

3.1 對徑流的影響分析

3.1.1 年徑流量變化分析

繪制鶯落峽站1945—2020年年徑流量過程線和距平累積曲線(圖3)，從圖3可以得出：年徑流量呈線性增加趨勢，線性回歸系數(shù)T檢驗的P值為7.81×10-7，小于顯著性水平0.01，故增加趨勢顯著。按照曲線出現(xiàn)連續(xù)5 a以上變化趨勢一致的原則，可將鶯落峽歷年徑流量變化劃分為3個階段：1980年以前為枯水期，1981—2001年為平水期，2002年以后為豐水期。各階段徑流量統(tǒng)計特征見表2。由表2可知，豐水期的徑流量多年平均值相對平水期和枯水期分別增加了19.4%和30.8%；變差系數(shù)為0.10，相對平水期和枯水期分別減小41.2%和33.3%。

圖3 年徑流量過程線和距平累積變化Fig.3 Annual runoff hydrograph and cumulative change of annual runoff anomaly

表2 黑河干流上游徑流量階段性特征

采用MK檢驗法分析鶯落峽站1945—2020年歷年徑流量變化趨勢和突變點，MK趨勢變化見圖4。由圖4可得2005年發(fā)生突變，并于2008年突破置信水平線表現(xiàn)為顯著增加趨勢。

圖4 年徑流量系列MK統(tǒng)計量變化過程Fig.4 Changes of MK statistics of annual runoff series

繪制鶯落峽水文站斷面以上1956—2020年面降雨和年徑流量的雙累積曲線，見圖5。根據(jù)年徑流MK檢驗結(jié)果，以2005年為轉(zhuǎn)折點，繪制1956—2004年和2005—2020年線性趨勢線，線性回歸系數(shù)T檢驗的P值分別為3.44×10-9、8.22×10-8，均小于顯著性水平0.01，故線性關(guān)系顯著，且前后斜率變化不大，說明流域內(nèi)降水是徑流量增加的主要因素之一。由此也可得出，鶯落峽站斷面以上黑河干流梯級水電站庫容調(diào)節(jié)能力不大，對徑流量的影響不大，徑流量的增加主要受降水或其他氣候因素的影響。

圖5 徑流與降水量的雙累積曲線Fig.5 Double cumulative curve of runoff and precipitation

3.1.2 年內(nèi)分配變化分析

黑河干流梯級水電站的運行改變了徑流年內(nèi)分配特征。根據(jù)《黑河干流2019—2020年度水量調(diào)度工作總結(jié)》，2020年鶯落峽斷面全年來水呈兩頭豐、中間枯的特征。目前徑流量年內(nèi)分配不均勻度的定量指標(biāo)多為年內(nèi)豐、枯水期或季節(jié)性等某些特定時段內(nèi)徑流量占年徑流量的比例，難以全面反映年徑流年內(nèi)分配的不均勻度。本文采用基尼系數(shù)法計算鶯落峽1945—2020年歷年月徑流量年內(nèi)分配均勻度，歷年分配均勻度變化見圖6。由圖6可得UF線性回歸系數(shù)T檢驗的P值0.003 4，小于顯著性水平0.01，故增加趨勢顯著。

圖6 年內(nèi)分配均勻度變化過程Fig.6 Change of distribution uniformity in a year

采用MK趨勢檢驗法對歷年月徑流量年內(nèi)分配均勻度趨勢及突變點檢驗分析，MK趨勢變化過程見圖7。由圖7可得，在2001年年內(nèi)分配均勻度的統(tǒng)計量UFk值開始上升，到2009年突破置信水平線達(dá)到最大值，2009—2016年在置信水平線附近變動，2017年再次突破置信水平線并發(fā)生突變，2017—2020年年內(nèi)分配均勻度呈顯著增加趨勢。

圖7 年內(nèi)分配均勻度系列MK統(tǒng)計量變化過程Fig.7 Change of MK statistics of distribution uniformity series

3.2 對洪水過程的影響分析

3.2.1 年最大洪峰流量變化分析

繪制1948—2020年歷年最大洪峰流量變化過程(圖8)，線性回歸系數(shù)T檢驗的P值為0.87，大于顯著性水平0.01，故增加趨勢不顯著。采有MK檢驗最大洪峰流量的變化趨勢和突變情況，結(jié)果見圖9。由圖9可知，最大洪峰流量在2002年發(fā)生轉(zhuǎn)折，這與龍首一級水電站建成2001年7月建成投入運行密切相關(guān)(該電站距鶯落峽水文站斷面最近，對最大洪峰流量的影響亦最大，其調(diào)度運行方案直接影響鶯落峽水文站徑流過程的平穩(wěn)、漲落變化等特征)，UFk值在2011年開始為正，呈增長趨勢，但未突破置信水平，故增長趨勢不顯著。轉(zhuǎn)折點前最大洪峰流量均值為510 m3/s，轉(zhuǎn)折點后均值為512 m3/s，增加0.39%。

圖8 年最大洪峰流量過程線Fig.8 Hydrograph of annual maximum peak discharge over years

圖9 年最大洪峰流量MK統(tǒng)計量變化過程Fig.9 MK test results of annual maximum peak discharge over years

采用P-Ⅲ型曲線適線法，對鶯落峽站歷年最大洪峰流量序列進(jìn)行頻率分析，該站最大洪峰流量為1 280 m3/s，變差系數(shù)CV為0.41，偏差系數(shù)CS與變差系數(shù)CV的比值CS/CV為3.50，不同頻率和重現(xiàn)期的最大洪峰流量見表3。

表3 歷年最大洪峰流量頻率分析結(jié)果 Table 3 Frequency analysis results of annual maximum peak discharge

3.2.2 洪水過程漲落率變化分析

以水電站(龍首一級)開始建設(shè)時間2001年為分界點，點繪水電站建設(shè)之前的4場洪峰流量較大的洪水過程線，包括1960年、1974年、1980年、1996年；點繪水電站建設(shè)以后6場洪峰流量較大的洪水過程線，包括2002年、2008年、2014年、2016年、2018年、2020年，見圖10。由圖10可知，水電站建設(shè)以前，天然洪水過程呈陡漲緩落特點；水電站建設(shè)以后，受水電站(群)蓄放水影響，呈明顯的陡漲直落特點。

梯級水電站在調(diào)度運行中，依據(jù)河道上游來水量大小和電網(wǎng)調(diào)度需要，頻繁蓄放水，致使洪水過程由“陡漲緩落”的形態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)椤岸笣q直落、直漲直落或平直過程”，平緩變化的天然退水過程形態(tài)消失。主要表現(xiàn)為洪峰時間推遲、峰值變小、洪水過程拉長。隨著水電站的增多及黃藏寺水庫的建成運行，這種影響更加明顯。

經(jīng)分析，以上10場洪水過程的最大上漲率、最大回落率、變化頻次及水電站數(shù)量見表4。由表4可知，受梯級水電站閘門頻繁升降的影響，洪水過程的漲落率和變化頻次明顯增加。

4 結(jié)語與建議

4.1 結(jié) 語

黑河干流梯級水電站水能開發(fā)始于2001年，至2012年已建成梯級電站8座，水電站(群)人為蓄放水對天然徑流過程的干擾增大，進(jìn)而對鶯落峽水文站徑流年內(nèi)分配、年最大洪峰流量及洪水過程漲落變化產(chǎn)生一定影響，正在興建的黃藏寺水利樞紐工程(黃藏寺水庫屬大(2)型，系年調(diào)節(jié)水庫)對這些變化的影響尤為顯著。

黑河干流梯級水電站庫容調(diào)節(jié)能力不大，電站聯(lián)合調(diào)度運行對鶯落峽水文站年徑流量變化趨勢影響不大(在黃藏寺水庫建成蓄水之前)；徑流年內(nèi)分配均勻度在2001年發(fā)生轉(zhuǎn)折，這與水電站開始建設(shè)

圖10 鶯落峽站不同時段典型洪水過程線Fig.10 Typical flood hydrograph at Yingluoxia station in different periods

表4 洪水過程特征變化情況

時間基本吻合，2017—2020年呈顯著增加趨勢，亦是8座水電站建成投入聯(lián)合調(diào)度運行后，改變了天然徑流過程，對徑流年內(nèi)分配產(chǎn)生顯著影響；年最大洪峰流量多年平均值由突變點前510 m3/s增加到突變點后512 m3/s，增加0.39%，增加趨勢不顯著；受人為頻繁調(diào)節(jié)閘門的影響，水位呈直上直下臺階狀變化，漲落率和變化頻次增加，洪水過程呈明顯陡漲直落形態(tài)。

4.2 建 議

(1)科學(xué)制定黃藏寺水利樞紐工程調(diào)度運行方案，科學(xué)調(diào)度，嚴(yán)格管理，有效控制上游來水過程，保障中游區(qū)用水需求，保證下游生態(tài)關(guān)鍵期用水量。

(2)合理分配黃藏寺水庫下泄水量和過程，減少中游灌區(qū)閉口時間，既能緩解中下游用水矛盾，又能提升水庫和下游梯級電站發(fā)電效益，避免人為造峰頻繁發(fā)生，威脅下游平原(走廊)區(qū)防洪安全。