梯級水庫建設運行對河流徑流影響定量化分析

陳 瑜 彬，張 瀟，楊 文 發，楊 雁 飛

(長江水利委員會 水文局，湖北 武漢 430010)

1 研究背景

受梯級水庫群的建設和調節影響，下游斷面的洪水量級和時空分配發生改變的同時[1-2]，也對維系河流生態健康的徑流過程產生了影響[3-4]。掌握好河流徑流特性、開展水庫對徑流影響的定量化分析，是做好流域規劃[5]、指導水庫調度[6]以及保護河流生態[7]的前提和基礎。金沙江中游梯級水電開發是長江流域一項較大的系統工程，隨著流域梯級電站相繼建成投產，不同調節性能的電站之間相互影響的同時，也會對河流徑流的變化規律、分配特性產生影響。金沙江中游河段按照一庫八級開發方案執行，8座巨型梯級水電站將共同承擔流域發電、供水、防洪、水土保持、航運和旅游等綜合開發的治理任務[8]。在金沙江中游梯級水庫建設運行前，已有學者對金沙江流域的徑流變化規律[9-11]以及時空演變特性[12-13]開展了相關研究，但自2010年金沙江中游梯級相繼蓄水、投產發電以來，已形成了梨園、阿海、金安橋、龍開口、魯地拉和觀音巖六級聯調的格局，梯級總裝機達13 760 MW、總調節庫容達17.96億m3，具有較強的調節性能。而現階段，關于金沙江中游梯級水庫對于金沙江中游河段的徑流特性影響的相關研究較少，隨著梯級水庫的相繼投產運行，準確掌握徑流的年際變化規律和年內分布特性，對徑流特性進行定量化分析，是指導電站調度管理運行、提升流域水資源開發利用水平，以及開展流域水生態建設的基礎。

為了探討金沙江中游六級電站建設和運行期對下游徑流的影響程度，本文擬采用流域干流控制站石鼓、攀枝花兩站的長序列徑流資料，并以石鼓站為參照站，來分析梯級水庫建設運行前后對河流的年際變化、年內分配、月內分配等多個時間尺度徑流特性的影響，以期為梯級電站綜合調度、流域水資源的可持續發展與利用以及河流生態的治理提供參考。

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，該段河長為563.5 km。該河段河道狹窄，水流湍急，落差達到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工程，但均未投產蓄水，對徑流影響相對有限，其來水特性基本可視為天然來水；攀枝花站位于已建金沙江六級水電站最后一級觀音巖水電站下游約39 km處，該站所處江段受梯級水庫調節影響明顯。流域水系及其梯級電站分布情況如圖1所示。

圖1 金沙江中游水系及梯級水庫分布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、日徑流資料開展分析。由表1可以看出：金沙江中游六級水電站自2010年起相繼蓄水投產發電，逐步由建設期過渡至運行期。因此，本文將以2010年作為時間節點，劃分梯級水電站建設運行期前和建設運行期后2個時段開展分析。

表1 金沙江中游河段六級水電站特征參數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(變差系數)[14]。不均勻系數實質上就是水文統計中常用的變差系數，它描述了各時段平均流量距離總時段平均流量的離散程度，即反映了時段內徑流量分配的不均勻程度。

(1)

(2)

(3)

本文運用該指標描述不同時間尺度的時間序列分配特性，對年際變化過程的描述則采用年平均流量序列統計；對年內分配不均勻程度的統計，采用逐月流量資料計算的方法，此時n=12；對月內分配不均勻程度的統計，采用逐日流量資料計算的方法，此時n取相應月份對應的天數。

(4)

其中

(5)

(6)

通常，在H0成立的條件下，F服從自由度為(n1-1，n2-1)的F分布。由給定的α=0.05，通過F分布表即可求得滿足下列關系式的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顯著差異。

(9)

在時間序列隨機獨立的假設條件下，定義統計量，公式為

(10)

在給定顯著性水平(α=0.05，U0.05=±1.96)條件下，當|UFk|>Uα時，表明序列存在明顯的增加或減少趨勢。同時，將同樣的方法應用到反序列中，可得到曲線UBk。若UF大于0，表明序列呈上升的趨勢，反之則為下降趨勢。當統計量的曲線超過臨界線時，則表明上升或下降趨勢顯著。如果UF和UB曲線相交，而且交點在臨界線之間，則交點所對應的時間變為突變開始的時間。

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

3 各時間尺度徑流特性分析

3.1 徑流年代際變化規律

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，變差系數分別為0.15和0.16；其中，21世紀頭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90年代的徑流年際波動最顯著，變差系數分別為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計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70年代和80年代處于偏枯或略偏枯態勢，90年代、21世紀00年代偏豐或略偏豐，但2010～2018年其距平值偏差不大，可是趨勢卻相反。

(3) 1971～2009年(梯級水庫建設運行前)，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(梯級水庫建設運行后)的年均值1 346 m3/s略偏小，攀枝花站較梯級水庫建設運行后的均值1 784 m3/s略偏大，但兩者的變差系數在梯級水庫建設運行期前后的趨勢均為減小。

(4) 石鼓站各年代的來水占攀枝花站的來水比重在72%～76%左右，該比例在年際變化過程中保持相對穩定。

考慮到攀枝花站的年代際徑流序列在2010年以后存在著趨勢與石鼓站不一致的現象，基于F檢驗分析，對梯級水庫建設運行前后攀枝花站和石鼓站多年平均流量差異性進行檢驗，統計結果如表3所列。由表3可以看出，梯級水庫建設運行前后，攀枝花站不存在顯著差異。說明水庫在梯級水庫建設運行期(2010～2018年)，攀枝花站與石鼓站雖然多年均值流量距平趨勢相反，但并不顯著；同時也表明，梯級水庫對金沙江中游江段的徑流年際變化過程影響有限。

表3 石鼓、攀枝花站方差檢驗統計結果Tab.3 Statistical results of variance test of Shigu and Panzhihua

3.2 徑流年內分配特性

按照1971～2009，2010～2018年和1971～2018年3個時段，分別繪制出石鼓站和攀枝花站多年逐月流量過程線及其各月所占全年徑流比例，分別如圖3～4所示。從多年逐月流量過程線可以看出：梯級水庫建設運行前，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%；梯級水庫建設運行后，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，水庫建設運行期前后，其5～10月的徑流量占全年比例均在80%左右。

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

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

為了分析梯級水庫建設運行期可能對徑流年內分配造成的影響，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，用于對比分析攀枝花站徑流量在水庫建設運行前后的差異。考慮到石鼓站與攀枝花站流量量級存在著差異，因此選用各站在水庫建設運行前后的各月分配比例作差分析其變化規律，分析結果如表4所列。統計結果表明：石鼓站在水庫建設運行期以前的9月份和10月份徑流所占全年比例較建設運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%；而攀枝花站則表現出相反趨勢，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。從石鼓站水庫建設運行前后各月的全年徑流比例與攀枝花站相應時期的徑流比例作差可以發現，兩者的正負規律相應，差別不明顯。

表4 石鼓站、攀枝花站在水庫建設運行期前后逐月年內分配比例對比Tab.4 Comparision of monthly runoff distribution of Shigu and Panzhihua in pre and post operation of cascade power stations %

統計兩站1971～2018年逐年的年內不均勻系數CV值，并通過攀枝花站比石鼓站得到CV，攀/CV，石的一組序列值，采用MK突變檢驗法來分析其變化規律(見圖5)。分析結果顯示：1971～1985年之間因UF和UB交叉頻繁，交叉節點間隔時間較短，且UB、UF波動趨勢沒有發生明顯改變，不足以作為一個較長的突變周期；而1985年以后較長時間段內兩線沒有相交，說明該時段內攀枝花與石鼓站的年內不均勻系數之比相對穩定，最近的一次相交是在2015年，兩線明顯相交，趨勢相反，說明攀枝花站與石鼓站的年內不均勻系數之比在一定程度上發生了變化，但不排除隨著運行時間的延長，該突變點也會存在間隔時間較短的現象(UB呈下降趨勢)。

圖5 年內CV序列MK突變檢驗分析Fig.5 Analysis of MK-Test of annual CV series

綜上所述，從現階段分析來看，水電站(水庫)的建設運行期對徑流的年內分配存在一定的影響。

3.3 徑流月內變化特性

掌握河道徑流的月內分布規律，對于指導電站實時調度，制定月度、旬度以及時間尺度更短的調度計劃或方案具有重要意義。基于日流量資料序列，對1971～2018年以來石鼓站和攀枝花站逐月的CV進行了統計和分析(分別見圖6和表5)，結果發現：梯級水庫建設運行期(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；經對梯級水庫建設運行后攀枝花站的逐月CV與梯級水庫建設運行前的CV差值進行統計，發現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，該月梯級水庫建設運行前的CV值為0.29、梯級水庫建設運行后為0.47；而石鼓站作為參照站，采用同樣的方法進行統計，結果發現：石鼓站在梯級水庫建設運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，經分析，石鼓站2018年11月CV值高達0.78，較往年CV值的變動范圍明顯偏大，屬于變異點。探其原因發現，2018年11月發生了“11.3”白格堰塞湖，堰塞體潰決后形成的非常態的超標準洪水流量過程急速漲落，對該月的徑流分配造成了擾動，極大地增加了該月徑流的不均勻性。將2018年11月的CV樣本點剔除后，再計算D2值，結果為0。由此可見，通過對CV值進行評價，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電站建設運行的影響，其枯水期和漲水期的月內徑流分配情況發生了較大程度的改變。

表5 石鼓、攀枝花各月CV統計情況Tab.5 Monthly CV statistics of Shigu and Panzhihua

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

為了分析各月流量級狀態的分配特性，借助于流量歷時曲線來分析攀枝花站各月流量隨時間序列的組成情況，分析成果如圖7所示。從圖7可以看出：梯級水庫建設運行期后(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水庫建設運行期前(2010年以前)要明顯偏大，而低流量部分則偏小；但是8月的高、低流量部分整體存在偏小的現象，9月和10月份的高流量部分存在偏小的現象，低流量部分與梯級水庫建設運行前差異不大。

采用特征頻率(10%,25%,75%,90%)下的流量與50%頻率下的流量之比，來定量分析梯級水庫建設運行前后流量歷時曲線的差異情況，分析結果如表6所列。

表6 梯級水庫建設運行前后攀枝花站流量歷時曲線特征值指標統計Tab.6 Monthly flow duration curve statistics of Panzhihua in pre and post operation of cascade reservoirs

圖7 梯級水庫建設運行前后攀枝花站各月流量歷時曲線Fig.7 Monthly flow duration curve of Panzhihua in pre and post operation of cascade reservoirs

從統計結果來看：

(1) 枯水期(11月至次年4月)的高流量部分，梯級電站建設運行后較建設運行前的Q1/Q50、Q5/Q50、Q10/Q50的相對偏差比例偏大，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，梯級電站建設運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指標在梯級電站建設運行后較建設運行前偏大了18%～31%，而8月和9月的上述3個指標偏小16%～29%。

由此可見，梯級電站建設運行對各月高流量的量級以及在月內的時段分配比例產生的影響較為明顯。

然而低流量部分，無論枯期、汛期，梯級電站建設運行后較建設運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指標在梯級電站建設運行后較建設運行前偏小18%～35%，而枯水期的11月，上述4個指標偏小5%～47%。由此可見：梯級電站建設運行對各月的低流量和各月高流量的量級以及在月內的時段分配比例的影響更為明顯，無論枯、汛對低流量影響均呈現偏小的態勢。

4 結 論

本文以金沙江中游梯級電站的初期蓄水時間為節點，劃分了梯級水庫建設運行前、后2個時段，從多時間尺度分析了金沙江中游干流徑流的特性，得出以下結論。

(1) 在年際尺度上，梯級水庫建設運行前后的年徑流變化差異不顯著，梯級電站當前對于年際徑流變化產生的影響有限。

(2) 在年內(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不均勻系數相比于石鼓站發生了一定程度的改變，但不排除隨著運行時間的增長，從較長時序來看，在當前梯級電站影響下，下游的年內徑流不均勻程度的改變是短時現象。

(3) 在月內尺度(日)上，豐、枯兩期時，梯級電站對高、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、枯兩期均呈現為明顯的偏小，最大偏差可達到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，金沙江中游梯級電站對于徑流的影響主要表現在月內尺度上，豐、枯兩期的差異顯著。本文研究成果可為后期開展金沙江中游河流水文特性分析、水庫調度以及河流生態健康評價等相關研究提供借鑒和參考。