龍羊峽水庫調(diào)度對徑流的影響及蓄補水規(guī)律

尚文繡，許明一，尚弈，嚴(yán)登明

(1.黃河勘測規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司，鄭州 450003；2.華北水利水電大學(xué)，鄭州 450045)

徑流是河流的關(guān)鍵組成要素和河流生態(tài)服務(wù)功能的重要影響因素[1-3]。河流天然徑流過程一般隨時間表現(xiàn)出明顯的豐枯變化并具有周期性特征[4]，這些變化特征發(fā)揮著傳輸物質(zhì)、傳遞信息、塑造棲息地、維持生物生活史模式等作用[5-6]。受到人類活動影響，全球河長1 000 km以上的河流中約2/3處于非自然流動狀態(tài)[7]，很多河流的徑流過程已經(jīng)發(fā)生了顯著變化[8-9]。

水庫通過調(diào)蓄河川徑流實現(xiàn)供水、防洪、發(fā)電等功能，是改變河流天然徑流過程的主要原因之一[10-12]。隨著人類社會對供水安全保障和電力的需求不斷增長，水庫數(shù)量快速增長[13]，世界上已建在建壩高超過30 m的大壩已超過1.5萬座[14]。2019年我國已建成大中型水庫4 722 座，總庫容超過8 000 億m3。水庫建設(shè)運行直接改變了河流徑流過程，進(jìn)而改變物質(zhì)輸移、生物遷徙、水文循環(huán)等過程，對河流生態(tài)健康造成復(fù)雜影響[15-17]。量化水庫對徑流過程的影響是識別水庫生態(tài)影響、提升水庫生態(tài)保護(hù)功能的基礎(chǔ)。當(dāng)前研究[9,18-20]中，評價水庫對徑流過程影響的主要方法是量化水庫運行前和運行后兩個時段的徑流過程關(guān)鍵特征，將關(guān)鍵特征的差異作為水庫的影響。但是河流水文情勢受到氣候變化、工程調(diào)節(jié)、取水、退水等多因素的復(fù)合影響[21-23]，對比水庫運行前后的徑流過程變化反映的是多因素的共同作用，并不能得到水庫調(diào)度這單一因素發(fā)揮的作用。

位于黃河上游的龍羊峽水庫是黃河干流上唯一一座多年調(diào)節(jié)水庫，控制黃河天然徑流量的40%以上，調(diào)節(jié)庫容193.6 億m3，對黃河徑流具有很強的調(diào)節(jié)能力[24]。黃河天然徑流量和取用水已經(jīng)發(fā)生明顯變化，天然年徑流量從580 億m3(1919—1975年系列)衰減至490 億m3(1956—2016年系列)，進(jìn)入21世紀(jì)以來黃河取水量增長80 億m3以上，說明黃河徑流過程變化受到多因素影響。2000—2016年龍羊峽水庫入庫水文站實測年徑流量比20世紀(jì)60—90年代減少了16.24%，導(dǎo)致難以通過對比水庫運行前、后兩個時段徑流過程變化來準(zhǔn)確量化龍羊峽水庫的作用。本文對比龍羊峽水庫運行后同一時段內(nèi)入庫徑流過程和出庫徑流過程關(guān)鍵特征的差異，結(jié)合突變檢驗，量化龍羊峽水庫在黃河徑流過程變化中發(fā)揮的作用，并通過顯著性檢驗識別龍羊峽水庫蓄補水規(guī)律。

1 研究方法與數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)域

研究對象為位于青海省共和縣、貴南縣交界處的龍羊峽水庫。水庫壩址控制黃河流域面積13.1萬km2，占全流域面積的17.4%。龍羊峽水庫1978年開工建設(shè)，1986年開始蓄水。水庫的開發(fā)任務(wù)以發(fā)電為主，兼有防洪、灌溉、防凌、養(yǎng)殖、旅游等綜合效益。

通過對比同一時段內(nèi)龍羊峽水庫出庫徑流過程相對于入庫徑流過程的變化，可以揭示水庫調(diào)度這一因素對河流徑流過程的影響。選用的水文站監(jiān)測斷面和評價指標(biāo)見表1。1986—2016年唐乃亥斷面天然年徑流量186.53億m3，貴德斷面天然年徑流量187.71億m3，兩斷面天然年徑流量僅相差0.64%，說明兩斷面間的區(qū)間來水對徑流影響很小。

表1 情景設(shè)置Tab.1 Scenario setting

1.2 水文情勢變化評價方法

采用水文變化指標(biāo)(indicators of hydrologic alteration，IHA)[20]評價龍羊峽水庫出庫斷面水文情勢相對于入庫斷面水文情勢的變化情況，評價時段為1986—2016年。IHA指標(biāo)體系包含5組33個評價指標(biāo)(表2)，分別描述了流量、頻率、發(fā)生時機、持續(xù)時間和變化率等水文情勢關(guān)鍵特征。計算1986—2016年龍羊峽水庫出庫斷面各IHA指標(biāo)值相對于入庫斷面相應(yīng)IHA指標(biāo)值的變化幅度(即偏離度)。

表2 IHA評價指標(biāo)體系Tab.2 Indicators of Hydrologic Alteration

采用變化范圍法(range of variability approach，RVA)評價水文情勢變化程度[25]。將近天然時段各IHA指標(biāo)值的75%分位數(shù)至25%分位數(shù)作為RVA目標(biāo)區(qū)間[19]，水文改變度為

(1)

式中：Di是第i個IHA指標(biāo)的水文改變度；No是評價時段內(nèi)落到RVA目標(biāo)區(qū)間的年數(shù)；Ne是評價時段內(nèi)落到RVA目標(biāo)區(qū)間的預(yù)期年數(shù)，根據(jù)本文選擇的RVA目標(biāo)區(qū)間，預(yù)期年數(shù)為評價時段總年數(shù)的一半；i是IHA指標(biāo)編號，i=1,2,…,33。水文改變度分為3個等級：Di<33%時代表無改變或低度改變；33%≤Di≤67%時代表中度改變；Di>67%時代表高度改變。

基于IHA-RVA方法，Shiau等[26]提出了整體改變度為

(2)

式中：DA是整體改變度。

1.3 流量過程變異程度評價方法

通過流量過程變異程度表征1980—2016年龍羊峽水庫入庫斷面和出庫斷面實測月徑流相對于天然月徑流的變化程度

(3)

表3 流量過程變異程度賦分標(biāo)準(zhǔn)Tab.3 Flow deviation indicator scoring standard table

1.4 顯著性檢驗方法

采用t檢驗判斷龍羊峽水庫蓄補水量與黃河天然徑流量、黃河流域地表水耗水量占天然徑流量的比例之間是否存在顯著的線性關(guān)系。

提出原假設(shè)H0：β=0。β是因變量y與自變量x之間的線性回歸系數(shù)，β為0代表y與x之間沒有線性相關(guān)關(guān)系。構(gòu)造檢驗統(tǒng)計量

(4)

1.5 突變檢驗方法

采用Mann-Kendall(M-K)檢驗法[28]分析龍羊峽出庫斷面流量過程變異程度的突變點。對于一組序列長度為n的獨立序列yf(f=1,2,…,n)，構(gòu)造統(tǒng)計量df和Ff

(5)

(6)

式中：當(dāng)yi>yj時，ri=1，否則ri=0，j=1,2,…,i；E(df)和V(df)分別為df的均值和方差；令F1=0。給定顯著性水平α=0.05，當(dāng)|Ff|>Uα?xí)r，表明序列有顯著的趨勢變化。Uα為概率超過1-α/2時標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布的值。

將yf逆序排列，按照式(5)和式(6)得到一組新的Ff，再令統(tǒng)計量Bf=-Ff。如果Ff和Bf隨f的變化曲線有交點，且交點位于±Uα之間，那么交點為突變發(fā)生的時間。

1.6 數(shù)據(jù)來源

龍羊峽水庫1980—2016年入庫和出庫日徑流數(shù)據(jù)來自相應(yīng)水文站提供的監(jiān)測斷面實測日徑流資料。1980—2016年入庫和出庫天然月徑流數(shù)據(jù)采用水利部黃河水利委員會的徑流還原成果。黃河流域歷年地表水耗水量來自《黃河水資源公報》。

2 龍羊峽水庫調(diào)度對徑流的影響

2.1 對年際和年內(nèi)徑流過程的影響

1986—2016年，龍羊峽水庫入庫最大年徑流量327.74億m3，最小年徑流量105.77億m3，極值比3.10，年徑流量變異系數(shù)0.26。經(jīng)過水庫調(diào)蓄后，出庫最大年徑流量252.88億m3，最小年徑流量108.61億m3，極值比2.33，年徑流量變異系數(shù)0.19。這說明龍羊峽水庫調(diào)度減小了年徑流量的變化范圍和離散程度。

對于年內(nèi)徑流過程，1986—2016年龍羊峽水庫入庫與出庫月均流量見圖1。水庫調(diào)度后：6—10月的月均流量減小6.11億～14.73億m3；11月—次年5月的月均流量增加，其中11月和5月增幅較小，12月—次年4月的月均流量增加5.09億～8.58億m3。

圖1 1986—2016年龍羊峽水庫入庫與出庫月均流量對比Fig.1 Comparison of monthly average inflow and outflow of Longyangxia Reservoir from 1986 to 2016

2.2 對水文情勢的影響

對比1986—2016年龍羊峽水庫出庫徑流和入庫徑流的IHA指標(biāo)值，結(jié)果見圖2。指標(biāo)1～12顯示：與入庫徑流相比，出庫徑流6—10月的月均流量減小，降幅18.19%～43.15%；11—5月的月均流量增加，其中12—3月增幅超過100%。指標(biāo)13～21反映了極端高/低流量事件的變化：與入庫徑流相比，出庫徑流的最大1、3、7、30、90 d平均流量減小34.74%～47.30%；最小1、3、7、30、90 d平均流量均增大，且隨著天數(shù)增加，增幅從38.99%增加到144.43%。龍羊峽水庫入庫及出庫徑流均沒有發(fā)生過零流量(指標(biāo)23)。出庫徑流的基流指標(biāo)比入庫徑流增加80.24%(指標(biāo)24)。指標(biāo)25和26反映了與入庫徑流相比，出庫徑流的最大1 d平均流量發(fā)生日期略推遲，而最小1 d平均流量發(fā)生日期大幅提前。指標(biāo)27～30反映了高/低流量脈沖的變化:與入庫徑流相比，出庫徑流高流量脈沖發(fā)生次數(shù)增加，但平均持續(xù)時間縮短，總持續(xù)時間縮短約2/3；低流量脈沖的發(fā)生次數(shù)與平均持續(xù)時間均減小，總持續(xù)時間減小90%以上。指標(biāo)31～33反映了日流量的變化率，與入庫徑流相比，出庫徑流的平均上升速率和平均下降速率均顯著增大，流量翻轉(zhuǎn)次數(shù)大幅增加。

圖2 1986—2016年龍羊峽水庫出庫徑流相對于入庫徑流的IHA指標(biāo)值偏離度Fig.2 Deviation degree of IHA value of outflow runoff relative to inflow runoff of Longyangxia Reservoir from 1986 to 2016

與入庫徑流相比，出庫徑流的IHA指標(biāo)中有6個發(fā)生低度改變，分別為5、6、8、11月的月均流量，零流量天數(shù)和最大1 d平均流量發(fā)生日期；其他27個指標(biāo)均為高度改變。出庫徑流相對于入庫徑流的整體改變度為95.04%，屬于高度改變。

2.3 對流量過程變異程度的影響

1980—2016年龍羊峽水庫入庫及出庫流量過程變異程度見圖3。龍羊峽水庫入庫徑流的流量過程變異程度始終較低，變化范圍為0.02～0.06，除2002年外流量過程變異程度的賦分均為100。龍羊峽水庫以上河段用水很少，20世紀(jì)90年代以來龍羊峽水庫以上河段的地表水耗水量僅1.05億～2.82億m3，不足龍羊峽壩址處天然徑流量的2%，不足黃河流域地表水耗水量的1%，且龍羊峽以上黃河干流水庫少、調(diào)蓄能力弱，因此龍羊峽入庫徑流的流量變異程度很小。2002年黃河天然徑流量僅246.16億m3，比多年平均值偏低49.76%，是1956年以來黃河來水最枯的年份，因此，龍羊峽以上河段的人類活動對流量過程的干擾相對明顯，但這一年流量過程變異程度賦分仍高達(dá)97.10。

圖3 1980—2016年龍羊峽水庫入庫及出庫流量過程變異程度及賦分Fig.3 Flow deviation indicator value and its score of inflow and outflow of Longyangxia Reservoir from 1986 to 2016

1986年以前龍羊峽水庫出庫流量過程變異程度及賦分與入庫接近，但此后流量過程變異程度迅速大幅增加、賦分迅速大幅降低。1980—1985年龍羊峽水庫出庫流量過程變異程度均值0.05，賦分均值98.29。1987—2016年龍羊峽水庫出庫流量過程變異程度均值2.15，是1980—1985年均值的43倍；賦分均值20.14，比1980—1985年均值減小了79.51%。

M-K檢驗結(jié)果顯示，在顯著性水平0.05的情況下，龍羊峽水庫出庫流量過程變異程度的突變點為1986年。突變時間與龍羊峽水庫開始蓄水的年份一致。鑒于1986年前后龍羊峽以上河段取用水沒有發(fā)生明顯變化，上游也沒有大型水利工程投入運行，龍羊峽水庫投入運行是導(dǎo)致龍羊峽水庫出庫斷面流量過程變異程度突變的主要原因。

3 龍羊峽水庫蓄補水規(guī)律

3.1 水庫蓄補水與來水、耗水的關(guān)系

1986—2016年黃河天然徑流量及龍羊峽水庫補水量見圖4。龍羊峽水庫最大年蓄水量95.69 億m3，最大年補水量53.74 億m3，年均蓄水4.61 億m3。龍羊峽水庫補水量與黃河天然徑流量間呈現(xiàn)出反比的變化趨勢，表現(xiàn)為天然徑流量小的年份水庫補水、天然徑流量大的年份水庫蓄水。例如：2005年黃河天然徑流量為579.88億m3，比多年平均值(490.00 億m3，1956—2016年系列，下同)偏高18.34%，龍羊峽水庫年蓄水95.69億m3；2006年黃河天然徑流量407.16 億m3，比多年平均值偏低16.91%，龍羊峽水庫年補水51.83 億m3。對1986—2016年黃河天然徑流量和龍羊峽水庫年補水量進(jìn)行線性擬合，擬合公式的斜率為-0.25，相關(guān)系數(shù)為0.55。對相關(guān)關(guān)系進(jìn)行顯著性檢驗，t值為-3.52，絕對值高于顯著性水平0.05時的臨界值，說明黃河天然徑流量和龍羊峽水庫年補水量之間線性關(guān)系顯著，且為負(fù)相關(guān)關(guān)系。

圖4 1986—2016年黃河天然徑流量及龍羊峽水庫補水量Fig.4 Natural runoff of the Yellow River and replenishment of Longyangxia Reservoir from 1986 to 2016

1990—2016年黃河流域地表水耗水量占天然徑流量的比例見圖5?！饵S河水資源公報》缺少1996年和1997年地表水耗水量數(shù)據(jù)，因此不計算這2 a地表水耗水量占天然徑流量的比例，僅對25 a的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。對黃河流域地表水耗水量占天然徑流量的比例和龍羊峽水庫補水量之間的線性關(guān)系進(jìn)行顯著性檢驗，t值為2.91，高于顯著性水平0.05時的臨界值，說明兩者線性關(guān)系顯著，且為正相關(guān)關(guān)系。統(tǒng)計結(jié)果顯示，當(dāng)黃河流域地表水耗水量占天然徑流量的比例超過64%時，龍羊峽水庫以補水為主，否則以蓄水為主。25 a中有13 a龍羊峽水庫補水，其中11 a黃河流域地表水耗水量占天然徑流量的比例超過64%；有12 a龍羊峽水庫蓄水，其中9 a黃河流域地表水耗水量占天然徑流量的比例低于64%。

圖5 1990—2016年黃河流域地表水耗水量占天然徑流量的比例及龍羊峽水庫補水量Fig.5 Proportion of surface water consumption in natural runoff in the Yellow River basin and water replenishment of Longyangxia Reservoir from 1990 to 2016

3.2 水庫的蓄豐補枯作用

在多年間蓄豐補枯是多年調(diào)節(jié)水庫的重要任務(wù)，分析龍羊峽水庫在黃河流域年際蓄豐補枯中發(fā)揮的作用。分析時段為1990—2016年(不含1996年和1997年)，共計25 a。1990—2016年黃河流域年均地表水耗水量占年均天然徑流量的65.44%，但是部分年份占比極大。例如，2000—2002年連續(xù)枯水年占比高達(dá)94.88%，最枯的2002年天然徑流量僅246.16億m3，但地表水耗水量達(dá)到286.05億m3，是天然徑流量的116.20%。黃河除了供水外，還需要在河道內(nèi)分配大量水量用于輸沙和生態(tài)保護(hù)，年均入海水量154.80億m3，即使在最枯的2002年，入海水量也有41.90億m3。1990—2016年，有12 a黃河流域地表水耗水量與入海水量之和超過了天然徑流量，在這些年份必須通過水庫補水才能保障河道內(nèi)、外供水。在12 a中有11 a龍羊峽水庫補水，累計補水403.19億m3，年均補水36.65億m3。

2000—2002年的年均天然徑流量僅為289.31億m3，比多年平均值偏低40.96%；年均地表水耗水量274.51億m3，年均入海水量45.67億m3，天然徑流量與河道內(nèi)外耗水量間存在30.87億m3的缺口。龍羊峽水庫在3年間累計補水85.35億m3，年均補水28.45億m3。如果沒有龍羊峽水庫調(diào)蓄，且維持河道外地表水耗水量不變，那么2000年、2001年入海水量將分別從48.58億、46.53億m3減少到25.25億、28.98億m3，2002年入海水量將為0。黃河天然徑流量年際變化大，易發(fā)生連續(xù)枯水年，而受到河流含沙量大的影響，黃河干流中下游修建多年調(diào)節(jié)水庫的難度大，作為黃河干流唯一一座多年調(diào)節(jié)水庫，龍羊峽水庫的蓄豐補枯對保障流域供水安全和黃河健康生命意義重大。

4 結(jié) 論

本文研究了1986—2016年龍羊峽水庫出庫徑流的IHA、流量過程變異程度等指標(biāo)值相對于入庫徑流的變化，并識別了水庫蓄補水與來水、耗水等因素的相關(guān)關(guān)系。得到以下結(jié)論：

龍羊峽水庫顯著改變了出庫徑流過程，出庫徑流相對于入庫徑流的整體改變度達(dá)到高度改變，突出表現(xiàn)為流量波動范圍減小，包括年徑流量極值比減小24.84%、年徑流量變異系數(shù)減小26.92%、極端高流量事件的流量量級減小34.74%～47.30%、極端低流量事件的流量量級增大38.99%～144.43%等，但日流量的變化加快、波動加劇。

龍羊峽水庫蓄水導(dǎo)致出庫斷面徑流過程嚴(yán)重偏離天然情況。水庫出庫斷面的流量過程變異程度在水庫初次蓄水的1986年發(fā)生突變，1980—1985年和1987—2016年兩個時段出庫斷面流量過程變異程度分別為0.05和2.15，賦分分別為98.29和20.14。

龍羊峽水庫年補水量與黃河天然徑流量、黃河流域地表水耗水量占天然徑流量的比例之間均存在顯著的線性關(guān)系，其中水庫補水量與黃河天然徑流量間呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。在龍羊峽水庫補水的年份中，有84.62%的年份黃河流域地表水耗水量占天然徑流量的比例超過64%。在龍羊峽水庫蓄水的年份中，有75.00%的年份黃河流域地表水耗水量占天然徑流量的比例低于64%。