白龍江中上游徑流量對水電開發(fā)的響應研究

潘宏發(fā)，張德棟

(甘肅省水文水資源局，甘肅 蘭州 730000)

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白龍江中上游徑流量對水電開發(fā)的響應研究

潘宏發(fā)，張德棟

(甘肅省水文水資源局，甘肅 蘭州 730000)

以白龍江中上游水電裝機容量大幅增加的1999年作為時間節(jié)點，建立以上游斷面年徑流量和區(qū)間年降水量為輸入，下游斷面年徑流量為輸出線性回歸模型，以模型預測值與實測值的差值作為徑流量對水電開發(fā)的響應。通過分析計算徑流量對水電開發(fā)裝機容量的響應，發(fā)現(xiàn)舟曲斷面2000年至2015年的年徑流量模型預測均值25.12億 m3，實測均值22.55億 m3，絕對減少2.6億 m3，相對減少11.4%；武都斷面2000年至2015年的年徑流量模型預測均值40.25億 m3，實測值34.58億 m3，絕對減少5.7億 m3，相對減少16.5%，得出武都斷面徑流量對水電站建設裝機容量的增加具有顯著的減少響應。

白龍江；徑流量；水電開發(fā)；響應研究

近些年來，白龍江中上游年徑流量較多年平均年徑流量呈明顯的減少趨勢[2]，同期斷面上游水電站累計裝機容量大幅增加。在此背景下，研究白龍江中上游徑流量對水電開發(fā)裝機容量的響應，對于白龍江流域生態(tài)保護、水電合理開發(fā)、白龍江引水工程實施等具有重要意義。

1 水電開發(fā)概況

對白龍江流域武都斷面以上水電站建設規(guī)模和歷程從數(shù)量、裝機容量隨年份變化進行統(tǒng)計，結果見圖1。

圖1 白龍江流域水電站建設規(guī)模和歷程統(tǒng)計分析圖

據(jù)圖1，白龍江流域在2003年以后水電站建設步伐大大加快，在2003年至2014年的11年期間，水電站數(shù)量由17座增加至130座，年均約新建10座；裝機容量由6.8萬 kw增加至110.6萬 kw，年均約新增裝機容量10萬 kw。在2003年之前大致可以劃分為這樣幾個階段，截止1973年，裝機容量在0.5萬 kw；截止1978年，裝機容量2.7萬 kw；截止1992年，裝機容量在4.2萬 kw；截止2003年，裝機容量6.8萬 kw；因此水電站建設大致可分為1973年之前的建設停滯期，1973-2003年的建設平穩(wěn)期，2003年以后的建設提速期。

2 徑流響應分析

2.1 研究思路

將上游和下游控制斷面區(qū)間作為獨立系統(tǒng)單元，利用年徑流量、降水量序列，以單元出口徑流量為輸出，以單元入口徑流量和區(qū)間降水量為輸入，推算出口斷面徑流量[1]。基于此研究思路，以白龍江水電開發(fā)影響較小的實測上游斷面系列年徑流量和區(qū)間系列年降水量作為輸入，下游斷面年徑流量作為輸出，構建線性回歸模型，然后以模型預測水電規(guī)模開發(fā)后的年徑流量。通過水電規(guī)模開發(fā)后的預測值與實測值對比，分析徑流量對水電開發(fā)的響應。

2.2 研究單元劃分

白龍江中上游自上而下有白云、舟曲、武都水文站，3個控制水文站自有監(jiān)測資料以來的多年平均年來水量分別為5.57億 m3、24.01億 m3、39.77億 m3。白云、舟曲站來水量分別占武都以上的14.0%、60.4%。將白云、舟曲、武都水文站作為白龍江中上游的3個控制斷面，劃分三個單元，各單元流域面積及多年平均產(chǎn)流量統(tǒng)計見表1。

根據(jù)斷面的布設和實測徑流量情況及集水面積，白云以上單元來水量占武都斷面以上僅14.0%，考慮研究單元內(nèi)徑流、降水等系列資料可比性，故將水電站開發(fā)對徑流量影響研究確定為白云～舟曲、舟曲～武都2個研究單元。由于斷面實測徑流系列長度不一致，為了計算時段的一致，在分析徑流對水電開發(fā)響應時，統(tǒng)一將徑流、降水系列資料選取為1965-2015年。

表1 各單元流域面積及多年平均產(chǎn)流量統(tǒng)計表

2.3 構建模型

2.3.1 白云～舟曲研究單元

白云斷面以上建有19座水電站，總裝機容量22.48萬 kw；舟曲斷面以上建有47座水電站，總裝機容量63.70萬 kw。 研究單元內(nèi)1999年前建有水電站5座，裝機容量僅2.51萬 kw，占白云、舟曲控制斷面以上裝機容量的11.2%、3.9%。

為了方便模擬計算，忽略1999年之前水電站對徑流的影響，采用1999年之前白云和舟曲年徑流系列，以及區(qū)間年平均降水量(算術平均法計算)系列進行回歸分析，從R檢驗結果看出，相關關系顯著，回歸效果好。選定顯著性水平α=0.05，查F檢驗臨界值表，F(xiàn)2，35=3.28，從檢驗結果看出，F(xiàn)=181.293大于F臨界值，檢驗結果概率P<0.05，通過F值檢驗，說明方程回歸效果顯著。查t分布臨界值表， t0.05(35)=1.690，從t檢驗結果可以看出，白云斷面t=11.865，大于臨界值，表明白云斷面年徑流對舟曲斷面年徑流的影響顯著，線性回歸擬合程度高。

實測與擬合過程線見圖2，建立年徑流模型如下：

圖2 舟曲斷面實測和擬合徑流過程線

2.3.2 舟曲～武都研究單元

白龍江干流舟曲斷面以上產(chǎn)水量占武都斷面來水量的60.4%，區(qū)間降水對武都斷面徑流起著重要作用，因而在探求上下游徑流相關關系時，需要考慮區(qū)間降水的影響。截止2014年年底，舟曲斷面以上建有水電站47座，總裝機容量63.70萬 kw，武都斷面以上建有水電站130座，總裝機容量110.6萬 kw。舟曲斷面以上1999年前建有水電站5座，裝機容量僅2.51萬 kw，占總裝機容量的3.9%；武都斷面以上1999年前建有水電站14座，裝機容量僅6.43萬 kw，占總裝機容量的5.8%。

為了便于分析計算，對分析計算時段進行優(yōu)選，1999年之前忽略水電站對徑流的影響，采用1999年之前舟曲和武都斷面年徑流系列，以及區(qū)間年平均降水量(算術平均法計算)系列進行回歸分析，從檢驗結果看出，年徑流相關系數(shù)為0.974 2，決定系數(shù)為0.948 9，校正的決定系數(shù)為0.945 7，表明相關關系顯著，回歸效果好。選定顯著性水平α=0.05，查F檢驗臨界值表，F(xiàn)2，35=3.28，從檢驗結果看出，F(xiàn)=297.648大于F臨界值，檢驗結果概率P<0.05，通過F值檢驗，說明方程回歸效果顯著。查t分布臨界值表，t0.05(35)=1.690，從t檢驗結果可以看出，舟曲斷面t= 17.271，大于臨界值，表明舟曲斷面年徑流對武都斷面年徑流的影響顯著，線性回歸擬合程度高。

實測與擬合過程線見圖3，建立年徑流模型如下：

圖3 武都斷面實測和擬合徑流過程線

圖4 舟曲斷面徑流實測值與模型預測值對比分析圖

2.4 徑流響應

2.4.1 白云～舟曲研究單元

運用建立的白云與舟曲斷面年徑流模型推求水電站建設后(2000-2015年)舟曲水文站年徑流量系列，計算結果見表2，分析計算圖見圖4。。根據(jù)模型計算值與實測值對比分析，水電開發(fā)后，舟曲斷面控制斷面較之前(1999年以前)年平均徑流量減少了11.4%，在2010年之前減少幅度較小，年均減少在10%以下； 2011年至2015減少幅度較大，超過10%，說明舟曲斷面以上研究單元徑流量對水電站開發(fā)有明顯的響應，這也與流域區(qū)間降水減少相一致。

表2 舟曲斷面徑流實測值與模型預測值對比分析成果

對照白龍江舟曲斷面以上研究單元水電站建設規(guī)模和歷程，發(fā)現(xiàn)2006年至2014年累計新建水電站42座，裝機容量增加61.2萬 kw，在這期間年徑流量平均減幅達13.1%；2010～2011年兩年間建成水電站達8座，裝機容量22.27萬 kw，2011～2015年徑流量減少18.3%。說明舟曲斷面以上研究單元水電站建設的數(shù)量和裝機容量的增加與徑流量減少呈顯著的負相關關系。水電站建設迅速期時段之后，徑流出現(xiàn)減少期概率很大。

圖5 武都斷面徑流實測值與模型預測值對比分析圖

2.4.2 舟曲～武都研究單元

運用建立的舟曲與武都斷面年徑流模型推求水電站建設后武都斷面年徑流量系列，計算結果見表3，分析計算圖見圖5。根據(jù)推求計算值與實測值得對比分析，水電開發(fā)后，武都控制斷面較水電站開發(fā)之前年平均徑流量減少了16.5%，在2010年之前減少幅度較小，接近15%； 2010～2015年減少幅度較大，接近20%，說明白龍江流域舟曲～武都單元徑流量對水電站建設有明顯的響應，同時也與流域區(qū)間降水減少相一致。

表3 武都水文站徑流實測值與推求計算值分析

3 結語

(1)白龍江流域內(nèi)水電站建設大致可分為三個階段：1973年之前的建設停滯期、1973-2003年的建設平穩(wěn)期、2003年以后的建設提速期。經(jīng)分析確定1999年為水電站建設前后分界年。

(2) 以1999年為節(jié)點，舟曲斷面徑流量模型計算值25.12億 m3，實測值22.55億 m3，絕對減少2.6億 m3，相對減少11.4%；武都斷面徑流量模型計算值40.25億 m3，實測值34.58億 m3，絕對減少5.7億 m3，相對減少16.5%。因此，徑流量減少對水電站建設具有明顯的響應，且從上游至武都斷面徑流量減少趨于顯著。

(3)白云～武都單元2010～2011年的兩年間建成水電站達8座，裝機容量22.27萬 kw， 舟曲斷面2011～2015年徑流量減少18.3%；武都斷面2010年之前減少幅度較小，接近15%； 2010年至2015減少幅度較大，接近20%。因此，水電站時段建設規(guī)模較大的一段時間，徑流量銳減；徑流量的減少與水電站建設規(guī)模呈顯著負相關關系。

[1]鐘華平,王建生，等. 瀾滄江干流水電開發(fā)對徑流的影響分析[J]．水利水電技術.2010(3) ：72-74．

[2]馬正耀,胡興林，等. 1965—2010年白龍江上游徑流變化特征研究[J]．冰川凍土.2011(6)： 152-162．

2017-08-14

潘宏發(fā)(1959-)，男，上海人，高級工程師，主要從事站網(wǎng)測驗及水文水資源研究。

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