丹江口水庫對漢江中下游徑流的影響研究

□鄒 磊 □楊惠敏（鄭州大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院）

20世紀(jì)中期以來，水資源開發(fā)程度的加大對河川徑流產(chǎn)生顯著影響。徑流過程對河流水利工程的建設(shè)具有一定的敏感性，特別是對工程下游地區(qū)的影響是研究的重點，對當(dāng)?shù)氐陌l(fā)展、規(guī)劃等有重要意義。本文從定性及定量方面，分析研究了丹江口水庫對漢江中下游徑流量的影響，對開發(fā)利用漢江、調(diào)度丹江口水庫具有一定的指導(dǎo)作用，對生產(chǎn)、生活、生態(tài)具有重要意義。

1.研究區(qū)情況

漢江是長江的最大支流，全長1557km，流域面積達(dá)15.1萬km2。此流域?qū)儆趤啛釒Ъ撅L(fēng)區(qū)，氣候溫和濕潤，多年平均降水量873mm，多年平均徑流量517億m3。

在漢江中游，建設(shè)了丹江口水庫，于1958年始建，1973年竣工，地跨豫鄂兩省，水域面積8.4萬km2，蓄水總量達(dá)81億m3。漢江中游丹江口水庫的建設(shè),在促進(jìn)社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時,改變了河流原有的水文情勢,對徑流產(chǎn)生顯著的徑流調(diào)節(jié)作用。因此，研究丹江口水庫對漢江中下游徑流的影響具有重要意義。

圖1 研究區(qū)位置圖

2.資料來源與研究方法

水文時間序列變異分析是水文統(tǒng)計分析的一項重要內(nèi)容。本文對謝平等提出的水文變異診斷系統(tǒng)進(jìn)行簡化，對漢江中下游年徑流量序列進(jìn)行診斷，并分析汛期、非汛期徑流量在建庫前后的變化情況，初步探討興建丹江口水庫對漢江中下游徑流量的影響。

2.1 資料來源

選擇丹江口水庫下游黃家港水文站1956—1997年的徑流數(shù)據(jù)。同時，選取丹江口水庫上游白河水文站1956—1990年數(shù)據(jù)為對比資料，對黃家港水文站徑流數(shù)據(jù)進(jìn)行跳躍性檢驗。

2.2 研究方法

對年徑流量滑動平均法進(jìn)行初步診斷。進(jìn)而詳細(xì)診斷，進(jìn)行趨勢判斷，選用Kendall秩次相關(guān)檢驗、spearman秩次相關(guān)檢驗等。同時對跳躍成分進(jìn)行識別，選用有序聚類分析法、跳躍顯著性檢驗等方法。

2.2.1 初步診斷

利用滑動平均法，對序列x1,x2,…,xn取5年平均，求出新的序列yi，使趨勢清晰地顯示出來。

2.2.2 詳細(xì)診斷

（1）趨勢分析方法

在Kendall秩次相關(guān)檢驗中，對于序列x1,x2,…,xn，先確定所有對偶值（xi,xj）(j＞i)中xi＜xj出現(xiàn)的個數(shù)k,構(gòu)造統(tǒng)計量

假設(shè)原序列無趨勢。給定顯著性水平α后，查算Uα/2。當(dāng)時，接受原假設(shè)，即趨勢不顯著；反之，拒絕原假設(shè)，即趨勢顯著。

（2）跳躍分析方法

在有序聚類分析法[2]中，對水文序列x1,x2,…,xn，實行最優(yōu)二分割法。設(shè)可能的突變點為τ，則突變前后的離差平方和分別為式中分別為τ前后兩部分的均值。

這樣總離差平方和為Sn(τ)=Vτ+Vn-t

2.2.3 綜合診斷

（1）趨勢綜合診斷

在趨勢綜合診斷中，取顯著性為1，反之為-1，對各種方法的顯著性求和，若其和大于1，則趨勢顯著，反之，趨勢不顯著。

（2）跳躍綜合診斷

本文利用文中對水文序列變異點檢驗方法的性能比較結(jié)果，對本文中所用方法結(jié)論進(jìn)行綜合分析。

3.結(jié)果分析

3.1 年徑流量變化情況分析

3.1.1 初步診斷

利用黃家港水文站42年年徑流系列做出年徑流量過程圖，并繪制5年滑動平均曲線，如圖2。

圖2 黃家港水文站年徑流過程及5a滑動平均曲線圖

由圖2中年徑流量過程線及5a滑動平均曲線可知，在42年中，徑流量具有一定的減少趨勢，在1990年后減少趨勢明顯。

3.1.2 詳細(xì)診斷

對黃家港水文站42年徑流量序列進(jìn)行趨勢分析及跳躍分析，計算結(jié)果如表1所示。

表1 黃家港水文站年徑流量變化情況分析表

表1中顯示，在趨勢分析中，Kendall法得出U=-2.2，給定顯著性水平α后，查算Uα/2,年徑流量具有顯著的減少趨勢成分。同時利用spearman秩次相關(guān)檢驗，得T=-7.1，給定顯著性水平α，得出減少顯著的結(jié)論。

在跳躍成分檢驗中，利用有序聚類分析法分析得1990年為最優(yōu)分割點，并通過游程檢驗，k=8，U=-2.7，對于給定顯著性水平α=5%后，查的∣U∣＞Uα/2,得1990年的年徑流量具有跳躍成分。利用Lee-Heghinian檢驗法對黃家港測站年徑流量系列進(jìn)行檢驗，得1996年為突變點。

按照成因分析，假定1967年為突變點，按照水庫建成時間進(jìn)行游程檢驗，k=18，U=-0.055，對于給定顯著性水平α=5%后，∣U∣＜Uα/2,不具有顯著跳躍成分。

利用時序累計值相關(guān)曲線法，點繪出黃家港年徑流量與白河年徑流量的關(guān)系圖。先對白河站水文數(shù)據(jù)利用kendall秩次相關(guān)法進(jìn)行檢驗，得出U=-0.64，∣U∣＜Uα/2,變化平緩；利用Lee-Heghinian檢驗法得出變異年份為1992年；有序聚類分析法得出變異年份為1990年。由圖可知，黃家港年徑流量與白河年徑流量時序累計值相關(guān)曲線較為平滑，說明黃家港水文站1990年前無明顯突變，如圖3。

圖3 黃家港白河年徑流量時序累計值相關(guān)曲線圖

3.1.3 綜合分析

由各方法得出結(jié)論進(jìn)行顯著性求和，結(jié)果為2，綜合顯著性大于1，可認(rèn)為該年徑流序列具有顯著性趨勢。

設(shè)計含有變異點的P-Ⅲ水文時間序列生成器，用生成的序列測試各種方法對變異點得檢驗效果，通過檢驗效率定量描述各種方法的性能?？傻贸鼋Y(jié)論：有序聚類檢驗法和Lee—Heghinian檢驗法比較適合于檢驗均值發(fā)生變異的情況,檢驗效果較好，其中有序聚類檢驗法的結(jié)論最具代表性。游程檢驗法中，當(dāng)n1或n2＜20時成果不可靠。結(jié)合時序累計值相關(guān)曲線法得出結(jié)論綜合分析，黃家港水文站年徑流序列于1990年發(fā)生了突變。

對有序聚類分析法得出的1990年為黃家港年徑流量突變點的結(jié)論進(jìn)行成因分析，發(fā)現(xiàn)漢江上游距丹江口水電站260km處有一安康水電站，其1989年12月下閘蓄水后對漢江中下游年徑流量也有一定影響，導(dǎo)致漢江中下游年徑流過程發(fā)生突變。

3.1.4 汛期非汛期變化情況分析

漢江流域5月到10月為汛期，11月到次年4月為非汛期，對42年黃家港水文站徑流量進(jìn)行分析，做出年汛期、非汛期徑流量過程線，如圖4。

圖4 黃家港水文站年汛期、非汛期徑流量變化過程線圖

同時，經(jīng)過計算，得到建庫前后，黃家港水文站汛期、非汛期徑流量平均值及占年內(nèi)總徑流量比率情況，如表2。

表2 黃家港水文站汛期非汛期徑流量占年內(nèi)比率變化表表

表中顯示，建庫前后，漢江中下游的徑流量的年內(nèi)分配發(fā)生了較大的改變，汛期減少11.0%，非汛期增加11%。說明丹江口水庫的調(diào)節(jié)作用對漢江中下游年內(nèi)汛期、非汛期的徑流情況產(chǎn)生了較大影響。

4.結(jié)語

利用水文變異診斷等方法研究了丹江口水庫對漢江中下游徑流的影響。丹江口水庫的修建對漢江中下游年徑流量具有減少的作用。同時，丹江口水庫的調(diào)蓄作用對漢江中下游年內(nèi)徑流量分配影響較大，使汛期水量減少，非汛期水量增多。這對于中下游生產(chǎn)生活具有興利作用，蓄洪補(bǔ)枯，使天然來水能在時間和空間上較好地滿足用水部門的要求。