梯級(jí)水庫(kù)建設(shè)運(yùn)行對(duì)河流徑流影響定量化分析

陳 瑜 彬，張 瀟，楊 文 發(fā)，楊 雁 飛

(長(zhǎng)江水利委員會(huì) 水文局，湖北 武漢 430010)

1 研究背景

受梯級(jí)水庫(kù)群的建設(shè)和調(diào)節(jié)影響，下游斷面的洪水量級(jí)和時(shí)空分配發(fā)生改變的同時(shí)[1-2]，也對(duì)維系河流生態(tài)健康的徑流過(guò)程產(chǎn)生了影響[3-4]。掌握好河流徑流特性、開(kāi)展水庫(kù)對(duì)徑流影響的定量化分析，是做好流域規(guī)劃[5]、指導(dǎo)水庫(kù)調(diào)度[6]以及保護(hù)河流生態(tài)[7]的前提和基礎(chǔ)。金沙江中游梯級(jí)水電開(kāi)發(fā)是長(zhǎng)江流域一項(xiàng)較大的系統(tǒng)工程，隨著流域梯級(jí)電站相繼建成投產(chǎn)，不同調(diào)節(jié)性能的電站之間相互影響的同時(shí)，也會(huì)對(duì)河流徑流的變化規(guī)律、分配特性產(chǎn)生影響。金沙江中游河段按照一庫(kù)八級(jí)開(kāi)發(fā)方案執(zhí)行，8座巨型梯級(jí)水電站將共同承擔(dān)流域發(fā)電、供水、防洪、水土保持、航運(yùn)和旅游等綜合開(kāi)發(fā)的治理任務(wù)[8]。在金沙江中游梯級(jí)水庫(kù)建設(shè)運(yùn)行前，已有學(xué)者對(duì)金沙江流域的徑流變化規(guī)律[9-11]以及時(shí)空演變特性[12-13]開(kāi)展了相關(guān)研究，但自2010年金沙江中游梯級(jí)相繼蓄水、投產(chǎn)發(fā)電以來(lái)，已形成了梨園、阿海、金安橋、龍開(kāi)口、魯?shù)乩陀^音巖六級(jí)聯(lián)調(diào)的格局，梯級(jí)總裝機(jī)達(dá)13 760 MW、總調(diào)節(jié)庫(kù)容達(dá)17.96億m3，具有較強(qiáng)的調(diào)節(jié)性能。而現(xiàn)階段，關(guān)于金沙江中游梯級(jí)水庫(kù)對(duì)于金沙江中游河段的徑流特性影響的相關(guān)研究較少，隨著梯級(jí)水庫(kù)的相繼投產(chǎn)運(yùn)行，準(zhǔn)確掌握徑流的年際變化規(guī)律和年內(nèi)分布特性，對(duì)徑流特性進(jìn)行定量化分析，是指導(dǎo)電站調(diào)度管理運(yùn)行、提升流域水資源開(kāi)發(fā)利用水平，以及開(kāi)展流域水生態(tài)建設(shè)的基礎(chǔ)。

為了探討金沙江中游六級(jí)電站建設(shè)和運(yùn)行期對(duì)下游徑流的影響程度，本文擬采用流域干流控制站石鼓、攀枝花兩站的長(zhǎng)序列徑流資料，并以石鼓站為參照站，來(lái)分析梯級(jí)水庫(kù)建設(shè)運(yùn)行前后對(duì)河流的年際變化、年內(nèi)分配、月內(nèi)分配等多個(gè)時(shí)間尺度徑流特性的影響，以期為梯級(jí)電站綜合調(diào)度、流域水資源的可持續(xù)發(fā)展與利用以及河流生態(tài)的治理提供參考。

2 研究資料及方法

2.1 研究資料

金沙江石鼓至雅礱江匯口處稱為金沙江中游江段，該段河長(zhǎng)為563.5 km。該河段河道狹窄，水流湍急，落差達(dá)到838 m。河段的上游石鼓江段有石鼓站控制，下游的攀枝花江段有攀枝花水文站控制。其中，石鼓站以上為金沙江上游，目前金沙江上游雖有在建梯級(jí)工程，但均未投產(chǎn)蓄水，對(duì)徑流影響相對(duì)有限，其來(lái)水特性基本可視為天然來(lái)水；攀枝花站位于已建金沙江六級(jí)水電站最后一級(jí)觀音巖水電站下游約39 km處，該站所處江段受梯級(jí)水庫(kù)調(diào)節(jié)影響明顯。流域水系及其梯級(jí)電站分布情況如圖1所示。

圖1 金沙江中游水系及梯級(jí)水庫(kù)分布Fig.1 Distribution of rivers and cascade reservoirs at the middle reaches of Jinsha river

本次研究選取金沙江中游干流控制站石鼓、攀枝花兩站1971～2018年逐年、月、日徑流資料開(kāi)展分析。由表1可以看出：金沙江中游六級(jí)水電站自2010年起相繼蓄水投產(chǎn)發(fā)電，逐步由建設(shè)期過(guò)渡至運(yùn)行期。因此，本文將以2010年作為時(shí)間節(jié)點(diǎn)，劃分梯級(jí)水電站建設(shè)運(yùn)行期前和建設(shè)運(yùn)行期后2個(gè)時(shí)段開(kāi)展分析。

表1 金沙江中游河段六級(jí)水電站特征參數(shù)Tab.1 Characteristic parameters of reservoirs at the middle reaches of Jinsha river

2.2 研究方法

(1) 不均勻系數(shù)(變差系數(shù))[14]。不均勻系數(shù)實(shí)質(zhì)上就是水文統(tǒng)計(jì)中常用的變差系數(shù)，它描述了各時(shí)段平均流量距離總時(shí)段平均流量的離散程度，即反映了時(shí)段內(nèi)徑流量分配的不均勻程度。

(1)

(2)

(3)

本文運(yùn)用該指標(biāo)描述不同時(shí)間尺度的時(shí)間序列分配特性，對(duì)年際變化過(guò)程的描述則采用年平均流量序列統(tǒng)計(jì)；對(duì)年內(nèi)分配不均勻程度的統(tǒng)計(jì)，采用逐月流量資料計(jì)算的方法，此時(shí)n=12；對(duì)月內(nèi)分配不均勻程度的統(tǒng)計(jì)，采用逐日流量資料計(jì)算的方法，此時(shí)n取相應(yīng)月份對(duì)應(yīng)的天數(shù)。

(4)

其中

(5)

(6)

通常，在H0成立的條件下，F(xiàn)服從自由度為(n1-1，n2-1)的F分布。由給定的α=0.05，通過(guò)F分布表即可求得滿足下列關(guān)系式的F1-α/2和Fα/2：

P=(F

(7)

P=(F>Fα/2)=α/2

(8)

若推算F值滿足FFα/2，則拒絕原假設(shè)H0，即表明2組樣本的方差具有顯著差異；反之，則接受H0，即表明2組樣本的方差具有無(wú)顯著差異。

(9)

在時(shí)間序列隨機(jī)獨(dú)立的假設(shè)條件下，定義統(tǒng)計(jì)量，公式為

(10)

在給定顯著性水平(α=0.05，U0.05=±1.96)條件下，當(dāng)|UFk|>Uα?xí)r，表明序列存在明顯的增加或減少趨勢(shì)。同時(shí)，將同樣的方法應(yīng)用到反序列中，可得到曲線UBk。若UF大于0，表明序列呈上升的趨勢(shì)，反之則為下降趨勢(shì)。當(dāng)統(tǒng)計(jì)量的曲線超過(guò)臨界線時(shí)，則表明上升或下降趨勢(shì)顯著。如果UF和UB曲線相交，而且交點(diǎn)在臨界線之間，則交點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的時(shí)間變?yōu)橥蛔冮_(kāi)始的時(shí)間。

(4) 流量歷時(shí)曲線[17-18]。流量歷時(shí)曲線(Flow Duration Curve)，主要是用于定義某一時(shí)段內(nèi)某一流量大于等于該流量在歷時(shí)資料序列中的時(shí)間比例，它能充分反映從低流量至高流量之間各流量級(jí)狀態(tài)下的徑流特性。

3 各時(shí)間尺度徑流特性分析

3.1 徑流年代際變化規(guī)律

石鼓站、攀枝花站的徑流年代際變化特征分別列于表2和示于圖2。由表1和圖2可以看出：

(1) 1971～2018年，石鼓站和攀枝花站多年平均流量分別為1 334 m3/s和1 801 m3/s，變差系數(shù)分別為0.15和0.16；其中，21世紀(jì)頭10 a徑流偏豐程度最大，石鼓站和攀枝花站距平分別為5.7%、8.6%；20世紀(jì)90年代的徑流年際波動(dòng)最顯著，變差系數(shù)分別為0.18和0.20。

表2 石鼓站、攀枝花站年代年際徑流變化特征值統(tǒng)計(jì)Tab.2 Statistical characteristics of inter-annual runoff variation in Shigu and Panzhihua

圖2 石鼓、攀枝花站年際徑流變化過(guò)程線Fig.2 Annual runoff process of Shigu and Panzhihua

(2) 在2010年以前，石鼓站與攀枝花站豐枯特性的年代變化基本同步，其中20世紀(jì)70年代和80年代處于偏枯或略偏枯態(tài)勢(shì)，90年代、21世紀(jì)00年代偏豐或略偏豐，但2010～2018年其距平值偏差不大，可是趨勢(shì)卻相反。

(3) 1971～2009年(梯級(jí)水庫(kù)建設(shè)運(yùn)行前)，石鼓站和攀枝花站多年均值分別為1 331 m3/s和1 805 m3/s，石鼓站較2010～2018年(梯級(jí)水庫(kù)建設(shè)運(yùn)行后)的年均值1 346 m3/s略偏小，攀枝花站較梯級(jí)水庫(kù)建設(shè)運(yùn)行后的均值1 784 m3/s略偏大，但兩者的變差系數(shù)在梯級(jí)水庫(kù)建設(shè)運(yùn)行期前后的趨勢(shì)均為減小。

(4) 石鼓站各年代的來(lái)水占攀枝花站的來(lái)水比重在72%～76%左右，該比例在年際變化過(guò)程中保持相對(duì)穩(wěn)定。

考慮到攀枝花站的年代際徑流序列在2010年以后存在著趨勢(shì)與石鼓站不一致的現(xiàn)象，基于F檢驗(yàn)分析，對(duì)梯級(jí)水庫(kù)建設(shè)運(yùn)行前后攀枝花站和石鼓站多年平均流量差異性進(jìn)行檢驗(yàn)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表3所列。由表3可以看出，梯級(jí)水庫(kù)建設(shè)運(yùn)行前后，攀枝花站不存在顯著差異。說(shuō)明水庫(kù)在梯級(jí)水庫(kù)建設(shè)運(yùn)行期(2010～2018年)，攀枝花站與石鼓站雖然多年均值流量距平趨勢(shì)相反，但并不顯著；同時(shí)也表明，梯級(jí)水庫(kù)對(duì)金沙江中游江段的徑流年際變化過(guò)程影響有限。

表3 石鼓、攀枝花站方差檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果Tab.3 Statistical results of variance test of Shigu and Panzhihua

3.2 徑流年內(nèi)分配特性

按照1971～2009，2010～2018年和1971～2018年3個(gè)時(shí)段，分別繪制出石鼓站和攀枝花站多年逐月流量過(guò)程線及其各月所占全年徑流比例，分別如圖3～4所示。從多年逐月流量過(guò)程線可以看出：梯級(jí)水庫(kù)建設(shè)運(yùn)行前，石鼓站和攀枝花站8月的平均流量為全年最大，分別為2 960 m3/s和4 170 m3/s，占全年比例為18.6%、19.3%；梯級(jí)水庫(kù)建設(shè)運(yùn)行后，石鼓站和攀枝花站的月平均流量最大值為7月，分別為3 090 m3/s和3 940 m3/s，占全年比例為19.2%、18.5%。此外，石鼓站和攀枝花站豐水期和枯水期的流量分布變化不大，水庫(kù)建設(shè)運(yùn)行期前后，其5～10月的徑流量占全年比例均在80%左右。

圖3 石鼓站年內(nèi)逐月流量過(guò)程線及分配百分比Fig.3 Monthly runoff process and distribution percentage of Shigu

圖4 攀枝花站年內(nèi)逐月流量過(guò)程線及分配百分比Fig.4 Monthly runoff process and distribution percentage of Panzhihua

為了分析梯級(jí)水庫(kù)建設(shè)運(yùn)行期可能對(duì)徑流年內(nèi)分配造成的影響，由前文析可知：石鼓站多年流量占攀枝花站多年流量的75%左右，因此，可將石鼓站作為參照站，用于對(duì)比分析攀枝花站徑流量在水庫(kù)建設(shè)運(yùn)行前后的差異?？紤]到石鼓站與攀枝花站流量量級(jí)存在著差異，因此選用各站在水庫(kù)建設(shè)運(yùn)行前后的各月分配比例作差分析其變化規(guī)律，分析結(jié)果如表4所列。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明：石鼓站在水庫(kù)建設(shè)運(yùn)行期以前的9月份和10月份徑流所占全年比例較建設(shè)運(yùn)行期后的徑流所占全年比例偏少0.63%～0.70%，12月的徑流所占全年比例偏大0.05%；而攀枝花站則表現(xiàn)出相反趨勢(shì)，其9月和10月的徑流所占全年比例偏多0.03%～0.22%，而12月的徑流所占全年比例偏少0.04%，但偏差總體不大。從石鼓站水庫(kù)建設(shè)運(yùn)行前后各月的全年徑流比例與攀枝花站相應(yīng)時(shí)期的徑流比例作差可以發(fā)現(xiàn)，兩者的正負(fù)規(guī)律相應(yīng)，差別不明顯。

表4 石鼓站、攀枝花站在水庫(kù)建設(shè)運(yùn)行期前后逐月年內(nèi)分配比例對(duì)比Tab.4 Comparision of monthly runoff distribution of Shigu and Panzhihua in pre and post operation of cascade power stations %

統(tǒng)計(jì)兩站1971～2018年逐年的年內(nèi)不均勻系數(shù)CV值，并通過(guò)攀枝花站比石鼓站得到CV，攀/CV，石的一組序列值，采用MK突變檢驗(yàn)法來(lái)分析其變化規(guī)律(見(jiàn)圖5)。分析結(jié)果顯示：1971～1985年之間因UF和UB交叉頻繁，交叉節(jié)點(diǎn)間隔時(shí)間較短，且UB、UF波動(dòng)趨勢(shì)沒(méi)有發(fā)生明顯改變，不足以作為一個(gè)較長(zhǎng)的突變周期；而1985年以后較長(zhǎng)時(shí)間段內(nèi)兩線沒(méi)有相交，說(shuō)明該時(shí)段內(nèi)攀枝花與石鼓站的年內(nèi)不均勻系數(shù)之比相對(duì)穩(wěn)定，最近的一次相交是在2015年，兩線明顯相交，趨勢(shì)相反，說(shuō)明攀枝花站與石鼓站的年內(nèi)不均勻系數(shù)之比在一定程度上發(fā)生了變化，但不排除隨著運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)，該突變點(diǎn)也會(huì)存在間隔時(shí)間較短的現(xiàn)象(UB呈下降趨勢(shì))。

圖5 年內(nèi)CV序列MK突變檢驗(yàn)分析Fig.5 Analysis of MK-Test of annual CV series

綜上所述，從現(xiàn)階段分析來(lái)看，水電站(水庫(kù))的建設(shè)運(yùn)行期對(duì)徑流的年內(nèi)分配存在一定的影響。

3.3 徑流月內(nèi)變化特性

掌握河道徑流的月內(nèi)分布規(guī)律，對(duì)于指導(dǎo)電站實(shí)時(shí)調(diào)度，制定月度、旬度以及時(shí)間尺度更短的調(diào)度計(jì)劃或方案具有重要意義?；谌樟髁抠Y料序列，對(duì)1971～2018年以來(lái)石鼓站和攀枝花站逐月的CV進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)和分析(分別見(jiàn)圖6和表5)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：梯級(jí)水庫(kù)建設(shè)運(yùn)行期(2010年以后)、枯水期(11月至次年4月)以及漲水期(5～6月)，攀枝花站的CV值較石鼓站的CV值明顯偏大；經(jīng)對(duì)梯級(jí)水庫(kù)建設(shè)運(yùn)行后攀枝花站的逐月CV與梯級(jí)水庫(kù)建設(shè)運(yùn)行前的CV差值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)11月至次年6月在0.06～0.18之間，其中差異值D1最大為6月，該月梯級(jí)水庫(kù)建設(shè)運(yùn)行前的CV值為0.29、梯級(jí)水庫(kù)建設(shè)運(yùn)行后為0.47；而石鼓站作為參照站，采用同樣的方法進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：石鼓站在梯級(jí)水庫(kù)建設(shè)運(yùn)行期前后差異不明顯，除了11月外，差異值D2的變化范圍基本在-0.02～0.02之間，其中11月差異值為0.09，經(jīng)分析，石鼓站2018年11月CV值高達(dá)0.78，較往年CV值的變動(dòng)范圍明顯偏大，屬于變異點(diǎn)。探其原因發(fā)現(xiàn)，2018年11月發(fā)生了“11.3”白格堰塞湖，堰塞體潰決后形成的非常態(tài)的超標(biāo)準(zhǔn)洪水流量過(guò)程急速漲落，對(duì)該月的徑流分配造成了擾動(dòng)，極大地增加了該月徑流的不均勻性。將2018年11月的CV樣本點(diǎn)剔除后，再計(jì)算D2值，結(jié)果為0。由此可見(jiàn)，通過(guò)對(duì)CV值進(jìn)行評(píng)價(jià)，石鼓站的月徑流分配情況具有較好的一致性，而攀枝花站可能受梯級(jí)電站建設(shè)運(yùn)行的影響，其枯水期和漲水期的月內(nèi)徑流分配情況發(fā)生了較大程度的改變。

表5 石鼓、攀枝花各月CV統(tǒng)計(jì)情況Tab.5 Monthly CV statistics of Shigu and Panzhihua

圖6 石鼓站、攀枝花站各月CV值的年際變化過(guò)程Fig.6 Monthly CV interannual variation of Shigu and Panzhihua

為了分析各月流量級(jí)狀態(tài)的分配特性，借助于流量歷時(shí)曲線來(lái)分析攀枝花站各月流量隨時(shí)間序列的組成情況，分析成果如圖7所示。從圖7可以看出：梯級(jí)水庫(kù)建設(shè)運(yùn)行期后(2010年以后)，枯水期11月至次年4月以及漲水期5～6月的曲線高流量部分較梯級(jí)水庫(kù)建設(shè)運(yùn)行期前(2010年以前)要明顯偏大，而低流量部分則偏??；但是8月的高、低流量部分整體存在偏小的現(xiàn)象，9月和10月份的高流量部分存在偏小的現(xiàn)象，低流量部分與梯級(jí)水庫(kù)建設(shè)運(yùn)行前差異不大。

采用特征頻率(10%,25%,75%,90%)下的流量與50%頻率下的流量之比，來(lái)定量分析梯級(jí)水庫(kù)建設(shè)運(yùn)行前后流量歷時(shí)曲線的差異情況，分析結(jié)果如表6所列。

表6 梯級(jí)水庫(kù)建設(shè)運(yùn)行前后攀枝花站流量歷時(shí)曲線特征值指標(biāo)統(tǒng)計(jì)Tab.6 Monthly flow duration curve statistics of Panzhihua in pre and post operation of cascade reservoirs

圖7 梯級(jí)水庫(kù)建設(shè)運(yùn)行前后攀枝花站各月流量歷時(shí)曲線Fig.7 Monthly flow duration curve of Panzhihua in pre and post operation of cascade reservoirs

從統(tǒng)計(jì)結(jié)果來(lái)看：

(1) 枯水期(11月至次年4月)的高流量部分，梯級(jí)電站建設(shè)運(yùn)行后較建設(shè)運(yùn)行前的Q1/Q50、Q5/Q50、Q10/Q50的相對(duì)偏差比例偏大，分別為5%～154%、11%～45%、5%～29%，其中2月份的Q1/Q50、Q5/Q50變化最為明顯，分別為154%、45%，12月份的Q10/Q50變化最為明顯，為29%。

(2) 汛期(5～10月)的高流量部分，梯級(jí)電站建設(shè)運(yùn)行影響最為明顯的月份為6，8月和9月，其中6月的Q1/Q50、Q5/Q50、Q10/Q50指標(biāo)在梯級(jí)電站建設(shè)運(yùn)行后較建設(shè)運(yùn)行前偏大了18%～31%，而8月和9月的上述3個(gè)指標(biāo)偏小16%～29%。

由此可見(jiàn)，梯級(jí)電站建設(shè)運(yùn)行對(duì)各月高流量的量級(jí)以及在月內(nèi)的時(shí)段分配比例產(chǎn)生的影響較為明顯。

然而低流量部分，無(wú)論枯期、汛期，梯級(jí)電站建設(shè)運(yùn)行后較建設(shè)運(yùn)行前均存在整體偏小的情況。其中以4，5，11月和12月影響最為明顯，尤其是，汛期的5月Q75/Q50、Q90/Q50、Q95/Q50、Q99/Q50指標(biāo)在梯級(jí)電站建設(shè)運(yùn)行后較建設(shè)運(yùn)行前偏小18%～35%，而枯水期的11月，上述4個(gè)指標(biāo)偏小5%～47%。由此可見(jiàn)：梯級(jí)電站建設(shè)運(yùn)行對(duì)各月的低流量和各月高流量的量級(jí)以及在月內(nèi)的時(shí)段分配比例的影響更為明顯，無(wú)論枯、汛對(duì)低流量影響均呈現(xiàn)偏小的態(tài)勢(shì)。

4 結(jié) 論

本文以金沙江中游梯級(jí)電站的初期蓄水時(shí)間為節(jié)點(diǎn)，劃分了梯級(jí)水庫(kù)建設(shè)運(yùn)行前、后2個(gè)時(shí)段，從多時(shí)間尺度分析了金沙江中游干流徑流的特性，得出以下結(jié)論。

(1) 在年際尺度上，梯級(jí)水庫(kù)建設(shè)運(yùn)行前后的年徑流變化差異不顯著，梯級(jí)電站當(dāng)前對(duì)于年際徑流變化產(chǎn)生的影響有限。

(2) 在年內(nèi)(月)尺度上，石鼓站、攀枝花站的豐、枯兩期徑流分配差異不大，然而攀枝花站的年內(nèi)不均勻系數(shù)相比于石鼓站發(fā)生了一定程度的改變，但不排除隨著運(yùn)行時(shí)間的增長(zhǎng)，從較長(zhǎng)時(shí)序來(lái)看，在當(dāng)前梯級(jí)電站影響下，下游的年內(nèi)徑流不均勻程度的改變是短時(shí)現(xiàn)象。

(3) 在月內(nèi)尺度(日)上，豐、枯兩期時(shí)，梯級(jí)電站對(duì)高、低流量的分布特性的影響存在著一定的差異，其中，低流量(頻率50%以上)情況下，豐、枯兩期均呈現(xiàn)為明顯的偏小，最大偏差可達(dá)到50%；而高流量(頻率50%以下)情況下，豐、枯兩期存在著差異，其中枯期最大差異可偏大150%以上，而汛期的9月，其最大偏差可偏小近30%。

由此可見(jiàn)，金沙江中游梯級(jí)電站對(duì)于徑流的影響主要表現(xiàn)在月內(nèi)尺度上，豐、枯兩期的差異顯著。本文研究成果可為后期開(kāi)展金沙江中游河流水文特性分析、水庫(kù)調(diào)度以及河流生態(tài)健康評(píng)價(jià)等相關(guān)研究提供借鑒和參考。