小浪底大壩運行前后黃河徑流變化與預測研究

范玉龍，胡 楠，丁圣彥

（1.南陽理工學院，河南南陽 473004；2.河南大學環境與規劃學院，河南開封 475004）

0 引 言

黃河流域的生態保護與高質量發展離不開黃河水資源的高效利用，無論是生態治理還是社會發展都要量水而行，統籌謀劃。黃河作為我國的第二大河流，在維持全球能量平衡、水沙循環以及氣候變化和生態環境演變的過程中始終發揮著關鍵作用。5 個關鍵要素（流量、頻率、持續時間、時機與變化率）影響著整個河流水文過程，控制著河流的生態過程［1］。小浪底大壩是我國僅次于三峽的第二大水利工程，自2001年竣工以來發揮了巨大的作用。大壩直接改變這五個關鍵水文要素，改變河流的水文特征，使得水位、流速、流態、洪峰過程、河流形態、泥沙、河道底質等都發生變化［2，3］，強烈改變河流水資源的時空分布格局，干擾河流的自然節律，從而相互耦合引發一系列的物理和化學效應［4-6］，同時也為水資源管理與水量調度提供了機遇。

農業景觀是黃河中下游的主要景觀類型，農業景觀的水資源供給主要包括自然降水、黃河徑流和當地水資源三部分。農業灌溉用水、工業用水、城鎮生活用水和農村人畜用水對黃河徑流依賴性較強。農業灌溉用水占引黃水量的90%，黃河徑流對農業景觀有強烈影響［7］。除了小浪底大壩直接改變下游地表徑流外，大壩攔截泥沙，沖刷下游河道［8，9］，河道加深使近河地下水層下降，影響農業灌溉、工業和生活用水，從而影響河道內外生態過程［10-13］和土地利用、土地覆被［14］，最終會影響區域水分利用與循環、景觀格局和生態系統服務［15-17］。分析黃河徑流變化趨勢及其原因，可以為黃河流域生態保護和高質量發展提供科學依據，也可為大壩的運行管理提供參考。

1 研究區概況

花園口水文站位于黃河中游與下游的分界點-桃花峪附近（圖1），集水面積達70 余萬km2，占黃河流域總面積的97%。黃河過了花園口后，就脫離了邙山的約束，黃河的危險正是從花園口開始的，所以花園口水文的流量與水位就成為黃河下游徑流的重要標準。黃河中下游海拔高度在40～1 900 m 之間，除西部山區丘陵海拔在100 m 以上外，大部分區域位于黃河沖積扇平原。黃河進入下游后地勢開始變得平緩，小浪底-桃花峪落差30 m，比降0.26%，而孟津以下平均比降只有0.12%。水流平緩、河道寬淺散亂，造成大量的泥沙淤積，河床不斷升高，加上長年修建的大堤作為屏障，形成了著名的“地上河”。背河洼地受黃河側滲的影響，地下水位高，形成了較多的濕地。由于整個黃河流域內降水減少，加上工農業用水量激增，大量無序引水使黃河下游河段1972年首次出現斷流，20 世紀90年代幾乎年年出現斷流，其中1981、1995、1997年山東全河段斷流。1997年黃河斷流情形最為嚴重，利津站斷流13 次、累計時間226 d，330 d 無黃河水入海，斷流起點最遠至開封柳園口附近，全長達704 km，占黃河下游河道長度的90%。斷流造成黃河河道淤積、水體污染、土壤沙化、鹽堿化、地下水位下降和背河洼地濕地生態系統逆向演替等諸多生態問題，給研究區的工農業生產帶來了巨大的損失。從2000年開始，小浪底大壩的運行加上黃委會對全黃河水量實施統一調度，極大減少了下游河道斷流情況發生。

圖1 花園口水文站位置圖Fig.1 Location map of Huayuankou Hydrological Station

2 研究方法

2.1 數據來源與處理

2.2 變化范圍法

采用變化范圍法（Range of Variability Approach，RVA）評價大壩運行前后的水文改變程度［18］。將大壩運行前各徑流指標發生概率的25%和75%或者各指標的平均值加減標準差作為RVA 變化范圍的上下限。如果大壩運行后的徑流指標落在RVA 閾值內的頻率與大壩運行前的頻率一致，代表大壩運行及運行對徑流的影響輕微；如果大壩運行后的徑流指標落在RVA閾值內的頻率明顯不同于大壩運行前的頻率，則代表大壩對徑流的影響顯著。

2.3 Theil Sen斜率分析

采用Theil sen 斜率分析水文趨勢，能有效地避免時間序列上的數據缺失及分布對結果的影響［19］，比最小二乘法的線性趨勢更具優勢，其計算公式為：

式中：Tslope為Theil sen 斜率；Xi和Xj分別為i 時刻和j 時刻的序列值。

Theil sen 斜率值越大代表明時間序列的變化幅度越大，反之越小。

2.4 Mann-Kendall檢驗

Mann-Kendall 突變檢驗（M-K 檢驗）是非參數統計檢驗方法，不受異常值的干擾，樣本不需要遵從正態分布，是水文、氣象等研究時間序列趨勢檢驗的重要方法［20，21］。

Mann-Kendall突變檢驗方法如下：

式中：序列Sk是第i 時刻數值大于j時刻數值個數的累計數。在時間序列隨機獨立的假定下定義統計量如下：

式中：UF1=0，var（sk）、E（sk）是sk的方差和均值，各個樣本相互獨立，并有相同的連續分布，可按以下公式計算：

復方丁香開胃貼具有健脾開胃、燥濕和中、調氣導滯的功效，主要用于脾胃虛弱、寒濕困脾、胃失和降所致的脘腹脹滿、食欲不振、食滯噯氣、嘔逆反胃、腹痛泄瀉、舌苔白膩、脈濡緩的治療。其中，丁香、木香溫中行氣，蒼術、白術健脾燥濕，豆蔻、砂仁行氣調中，冰片止痛。前期藥效學研究結果顯示，該藥可顯著提高胃蛋白酶活性、增加胃液分泌量和胃酸總排出量，減少小鼠炭末排出時間、排便頻率，提示其具有止痛、止瀉作用，驗證了本研究以改善腹痛癥狀為目標的可行性。

式中：UFi是標準的正態分布，它按時間序列x 順序x1，x2，…，xn計算出統計量的序列，并給定顯著水平a，若|UFi|＞α，表明序列有明顯的趨勢變化。

再重復上述過程，使UFk=-UBk，UB1=0。當UFk或UBk的值大于零，表明序列呈上升趨勢，小于零則表明序列呈下降趨勢。當UFk或UBk的值超過臨界線時，表明上升或下降趨勢顯著。如果UFk或UBk兩條曲線出現交點，且交點在臨界線之間，那么交點對應的值便是突變開始的時間。

2.5 小波分析

采用小波分析對研究區地表水時間序列數據進行時間尺度分析，準確找出時間序列數據的周期，判斷各個時期所處的階段，并進行預測。

小波函數公式為：

式中：c為常數；i為虛數。

小波變換系數公式為：

式中：wf（a，b）為小波變換系數；Ψ（t）為基本小波或母小波；＜＞表示內積；a為尺度伸縮因子；b是時間平移因子。

式中：Ψa，b（t）是由伸縮和平移而成的一族函數，稱為分析小波或連續小波。

3 結果與分析

小浪底水庫蓄水與放水是影響黃河中下游徑流的直接因素，從2000-2004年水庫水位逐漸達240 m 以上，2015年以后，年均水庫水位基本維持在240～250 m 之間。2000年最低出庫流量在1月和8月，只有6～7 億m3，最高流量在3月和4月，流量有20 多億m3。2014-2015年最低流量出現在10月前后，有7～10 億m3左右，最高流量在3月和7月，有35 億m3左 右。在2005、2006、2012和2013年6月流量高達60 億m3左右。

3.1 黃河中下游月徑流變化整體分析

黃河中下游1-5月份徑流在2000年前后處于低谷，特別是2003年達到最低點。6月份徑流在2003年后開始增加，并在2005年達到最高值，一直到2015年都維持在較高水平。7月份徑流在2000年前后有所降低，但在2010年后又開始增加。8月份徑流在2001年達到最低值，之后一直在較低水平震蕩。9月份徑流除2004年較高外，2000年后的徑流均維持在相對較低的水平。10月份徑流除2004年較高外，大壩建設前后的流量沒有太大的改變。11-12月徑流在2003、2011年較大，其他年份相關不大（圖2）。

圖2 花園口水文站月均徑流量Fig.2 Average monthly runoff of Huayuankou Hydrological Station

3.2 黃河中下游月徑流變化程度RVA分析

大壩對花園口1、3、5、7、10、12月份徑流影響不大（頻率差小于10%），其中影響最小的月份是1月和7月（頻率差小于3%）。大壩對2、4、8、9、12月徑流有減小的影響，8月和9月份均值減少最大；對6、11月有增大的影響，其中對6月增加最大（表1）。大壩的防洪需求使大壩一般在汛期前6-7月要放水，以增加汛期的可用庫容，在汛期來臨時，可以有效的控制汛期8-9月的流量。整體上，花園口徑流量處于減小的趨勢，在建壩前，極大值常出現在8、9月份，建壩后，極大值常出現在6、7月份，而且極值相對建壩前小、頻率低。小浪底大壩對徑流有著強大的調控能力，改變了徑流自然律動，這種變化必將對下游農業景觀帶來深遠的影響。

表1 花園口水文站徑流量RVA統計表Tab.1 Statistical table of runoff RVA of Huayuankou Hydrological Station

3.3 黃河中下游徑流變化趨勢檢驗

花園口徑流從1985年到2015年處于減小趨勢，年均徑流減小趨勢通過了99%的顯著性檢驗，秋季徑流減小趨勢通過了95%的顯著性檢驗（表2）。年均徑流和秋季徑流明顯減少，必將對下游農業用水和景觀變化產生重大影響。

表2 1985-2015年花園口徑流Theil Sen變化趨勢檢驗Tab.2 Theil Sen change trend test of Huayuankou runoff during 1985-2015

3.4 黃河中下游徑流Mann-Kendall突變檢驗

除1990年年均徑流有增加趨勢外，都處于減小的趨勢，1998-2011年這種減小趨勢最為明顯，通過了突變檢驗，1990年和2012年分別有一個突變點。春季徑流1992-2015年一直處于減小趨勢，在2000、2002-2005、2010、2011年這種減小趨勢顯著，通過了突變檢驗。夏季徑流1991-2012年一直處于減小趨勢，特別是1999-2005年間，這種趨勢顯著，通過了突變檢驗，1989年和2011年分別有一個突變點。秋季UF 序列只有在1990年前后大于0，表明1985-2015年間，秋季徑流一直處于減小趨勢，在1999-2009年間，減小趨勢超過顯著性水平0.05的閾值線，徑流減小顯著，在2009年有一個突變點，徑流相對有所增加，減小趨勢開始沒有那么顯著。冬季徑流從1989-1992 間有增加的趨勢，從19992-2015年，除1994年徑流有所增加外，一直處于減小趨勢，且1998-2011年，減小趨勢通過0.05 的閾值線，減小趨勢顯著（圖3），預測今后一段時間黃河徑流仍會減小。

圖3 花園口水文站徑流突變檢驗Fig.3 Runoff abrupt change test of Huayuankou Hydrological Station

3.5 黃河中下游徑流周期變化小波分析

通過對花園口水文周期性變化分析，得到小波系數和小波方差圖（圖4）。由圖4（a）可知，年徑流存在20 a 上和10 a 以下的周期性變化特征，其周期中心分別為21 a 和9 a，21 a 尺度上的周期比較明顯，在此時段平均徑流存在高-低-高的循環交替變化，其中1985-1994年、2006-2015年這兩個時段年徑流偏高，1995-2005年這個時段年徑流偏低。而10 a 以下尺度周期變化不太穩定，但也存在高-低-高-低-高-低-高的循環交替變化。由圖4（b）可知，周期的最大峰值出現在21 a，即其主周期為21 a。從主振蕩周期上看，年徑流偏低的等值線還未閉合，說明在未來一段時間，年徑流將處于偏低的時期。春季徑流存在21 a 和13 a 的周期變化，21 a 的周期比較明顯，而10 a 左右的周期不太穩定。夏季徑流存在20 a 和8 a 的周期變化，主周期徑流偏低等值線沒有閉合，說明未來夏季徑流還將處于偏低時期。秋季存在20、8和4 a的周期，主周期是20 a，4 a的周期不太穩定，20 a 和8 a 的徑流偏低等值線均未閉合，說明秋季徑流將處于偏低階段。冬季徑流存在20 a 和5 a 的周期變化，5 a 的周期并不穩定。整體上，花園口徑流周期性變化主周期偏低等值線中心均在2000年前后。花園口徑流的減小與上游降雨、下墊面變化、能源開發等密切相關［22］，加上小浪底大壩的蓄水作用，使花園口徑流產生減少趨勢更加明顯。

圖4 花園口水文站徑流小波分析Fig.4 Wavelet analysis of runoff at Huayuankou hydrological station

3.6 調水調沙對黃河中下游徑流的影響

為了緩解河槽淤積和部分河段“懸河”局面加劇等問題［23］，在小浪底水庫采取人工異重流排水排沙出庫方式，就是調水調沙。調水調沙運行時間在6月底至7月初，8 點出庫流量在2 000～3 000 m3∕s左右，是年均流量的3～4倍（圖5）。至2012年，大壩下游河道平均下切2 m 左右，最小行洪能力提高到4 100 m3∕s，比2002年多2 300 m3∕s，大大改善了下游防洪形勢，為下游的發展創造了安全的條件。調水調沙在緩解防洪壓力的同時，也帶來了一些負面效應。由于調水調沙期間水量大、含沙量高和水量的快速消退等原因，使許多引黃涵閘口和引水渠系淤積比較嚴重，加上主河道下切，同流量水位下降，造成部分涵閘引水困難，給下游引黃灌區帶來不便。

圖5 花園口調水調沙初期流量與水位圖Fig.5 Flow and water level of flow and sediment regulation at Huayuankou hydrological station

4 結論與討論

4.1 結 論

黃河中下游地表徑流和水沙關系在小浪底大壩建成后發生較大變化，水資源的時空分配面臨著新的局面。大壩把大量的水攔截在庫區內，下游地表徑流明顯減小，水位下降，其時間節律也發生改變。大壩運行后花園口年均徑流減少，年際變化幅度減小，汛期徑流（7-10月）變化更加明顯。從1985年到2015年花園口年均徑流減小趨勢通過了99%的顯著性檢驗，秋季徑流減小趨勢通過了95%的顯著性檢驗。在大壩運行前，極大值常出現在8、9月份，大壩運行后，極大值常出現在6、7月份。在大壩運行之初的2000-2005年，花園口徑流減小趨勢通過了顯著性檢驗。花園口徑流存在20 a左右的主周期和5～10 a小周期，主周期偏低等值線中心均在2000年前后。由突變檢驗和小波分析結果可以預測出在未來一段時間內年徑流將處于減小的時期。調水調沙時徑流量是年均徑流的3～4 倍，由于水量大、含沙量高和水量的快速消退等原因，使許多引黃涵閘口淤積比較嚴重，加上主河道下切，同流量水位下降，花園口、夾河灘1996-2015年水位下降了3 m 多，造成部分涵閘引水困難，給兩岸農業生產用水和生態用水帶來不利影響。

4.2 討 論

黃河徑流的變化發生在河道內，其影響范圍會以各種方式擴展到河道外更大的區域。黃河中下游平原土壤透水性較好，加上黃河“懸河”的獨特性，使沿黃灌區和背河洼地景觀極易受到黃河徑流變化的影響［21］。大壩調節了水資源的時空分布，在一定時期內滿足了人們對水資源的調控需求［17］。但也存在諸多爭議和無法解決的現實問題：河流水資源與區域景觀是長期形成的互惠整體，大壩打破了河流的自然節律，也改變了其與區域景觀間長期形成的互動關系，大壩將原屬于整個河流的水資源鎖定在庫區，下游的湖泊、濕地得不到足夠的補源，會導致其生態系統服務無法有效的維持。大壩可以使“江河不斷流”，卻不能保證整個區域“生態系統服務不斷流”。同時，以小浪底大壩為核心的水沙調控體系也會面臨后繼動力不足的問題，給未來黃河中下游徑流帶來諸多不確定性。因此，要根據黃河徑流變化趨勢和水資源時空分布特征，適時調整大壩運行管理、國土空間規劃、國民經濟發展規劃等決策，為黃河中下游生態保護和高質量發展奠定基礎。 □