梯级水电站对黑河出山口径流及洪水过程的影响

任小虎，朱 咏，郑 洋，王启优

(甘肃省水文站，兰州 730030)

1 研究背景

近年来，我国生态文明建设理念、理论不断形成、建立和发展，已出台许多明确规定，促进生态文明建设加速发展。社会对水电站工程建设影响河道径流过程和水文情势变化的关注度也在提高。目前，关于水电站工程建设对下游径流影响的研究有很多。顾颖等[1]通过对澜沧江梯级电站的研究，发现梯级电站的兴建对出境处径流有调节作用，且这种调节作用在小湾水电站和糯扎渡水电站建成后，将更加明显；郭文献等[2]以梯级水库下游宜昌水文站流量资料为研究对象，得出三峡水库蓄水后在较大程度上改变了河流水文情势，其改变必将影响长江中下游河流水生生物生态安全；黄维东等[3-4]分析了大通河流域水能水资源开发利用现状及其对河流水文过程与生态环境的影响，结果表明梯级水电站群无序蓄放水使洪水过程由天然的平稳状态转变为人工干预的剧烈变化状态，上下游洪峰不对应，对下游地区的防洪安全产生极大威胁；贾凤[5]对丰满电站、白山、红石径流分段进行还原分析，结果表明，丰满水电站的运行改变了河流天然状态年际径流量和径流量分布，而且人工控制对下游径流量年内分配具有很大的影响；纪道斌等[6]研究我国梯级水库对水环境的累积影响，得出亟需建立统一的评价标准，系统地认识梯级水库建设的环境效应。以上文献，采用不同方法从不同角度研究梯级水电站对水生态或水文情势的影响。

本文基于黑河莺落峡水文站径流、洪水过程及上游流域内降水等资料，运用双累积曲线法、MK检验法、基尼系数法等方法，重点分析梯级水电站对黑河上游出山口莺落峡水文站径流年内、年际变化及洪水过程的影响。

2 资料与研究方法

2.1 研究区概况

黑河是我国第二大内陆河，位于西北干旱地区，发源于祁连山北麓，由36条大小河流组成，主要由野牛沟和八宝河两大河源汇入，与干流一起形成“两源一干”的整体格局，流经青海、甘肃、内蒙古三省(区)后注入尾闾东居延海、西居延海。黑河干流出山口控制站莺落峡水文站为上中游分界点，断面多年平均流量49.3 m3/s，年径流总量15.96亿m3，近来多年径流量呈增加趋势；上游主河道长约313 km，流域面积约10 009 km2，约占总流域面积的16.1%，是黑河的产流区。流域内地形山高谷深，河床陡峻，气候阴湿，植被较好，多年平均降水量350 mm左右，经济活动以牧业为主[7]。梯级水电开发河段系黑河上游大峡谷段，长95 km，首尾落差近1 000 m，平均比降0.91%，水力资源理论蕴藏量453 MW，单位河长出力4.77 MW/km，具备良好的水能开发条件[8]。

目前，黑河干流自上游至出山口莺落峡水文站断面，已建成运行的水电站依次为宝瓶河、三道湾、二龙山、大孤山、小孤山、龙首二级、龙汇、龙首一级8座水电站；正在建设的黄藏寺水利枢纽工程(黄藏寺水库正常蓄水位2 628 m，最大坝高123 m，总库容4.03亿m3，水库死水位2 580 m，属大(2)型)位于东西岔交汇后下游11 km处，控制黑河上游来水量的65%～84%，形成黑河干流梯级水电开发结构[9]，详见表1和图1。梯级水电站工程的建设和运行，对出山口径流量及洪水过程产生一定影响。

表1 梯级水电站基本信息

2.2 资料来源

本研究采用黑河出山口莺落峡水文站月、年径流量、历年最大洪峰流量、洪水过程等系列资料，共76 a(1945—2020年)，资料来源于水文局监测资料整编刊印成果(年鉴)，资料数据可靠。降水量数据资料采用祁连、札马什克、莺落峡3个水文站及14个气象站系列监测资料，共17站、系列65 a(1956—2020年)，共计1 105站·年的数据资料，采用泰森多边形法计算流域内面平均降水量。水文站和主要雨量站分布位置见图1。

图1 黑河上游流域水系和水电站分布示意图Fig.1 Distribution of water system and hydropower stations in upstream Heihe River Basin

2.3 研究方法

2.3.1 双累积曲线法

双累积曲线是检验具有因果关系的两个变量间关系一致性及其变化的常用方法，可用于检验水文气象要素的一致性、趋势性。双累积曲线是在直角坐标系中绘制同期内一个变量的连续累积值与另一个变量连续累积值的关系线。

梯级水电站工程主要影响和改变河道径流演变过程，对流域下垫面条件和产汇流影响不大。在区域径流量变化归因分析中，降水-径流双累积曲线可定量衡量气候变化对径流量的影响程度，降水-径流双累积曲线表现为线性关系，即径流量随降水量同步变化，说明历史时期降水量是影响径流量的主要因素[10-11]，同时也说明下垫面的变化对径流变化影响不大。

2.3.2 MK检验法

MK检验法是一种非参数统计检验法，可用于检验时间序列的突变点，已被世界气象组织推荐并广泛使用，其优点是不需要样本遵从一定的分布、不受少数异常值的干扰、计算简便、检验范围宽、定量化程度高[12]，适用水文、气象等非正态分布的数据。对于具有n个样本量的时间序列xi，构造一个秩序列，即

(1)

其中，

(2)

式中sk是第i时刻数值大于j时刻数值个数的累计数。

定义统计变量如下：

(3)

E(sk)=n(n+1)/4 ；

(4)

Var(sk)=n(n-1)(2n+5)/72 。

(5)

式中：E(sk)、Var(sk)分别是累计数sk的均值和方差；UFk为标准正态分布统计量，给定显著性水平α，若|UFk|>Uα/2，则表明序列存在明显的趋势变化。将时间序列xi按逆序排列，再按照上述方法计算，同时使：

(6)

式中UBk为反序列统计量。

绘制UFk和UBk的变化过程，若UFk>0，表明序列呈上升趋势；UFk<0，表明呈下降趋势，当它们超过临界置信水平直线时(检验置信水平α=0.05时，置信水平线为±1.96)，表明上升或下降趋势显著。如果UFk和UBk两条曲线出现交点，且交点在临界线之间，那么交点对应的时刻就是突变开始的时间。

2.3.3 基尼系数法

基尼系数是20世纪初意大利经济学家基尼根据洛伦兹曲线提出的判断国民收入分配平等程度的指标，其实质是对分布均匀度的量化分析，可将其应用到其他与均匀度分析相关的各方面[13-16]。鉴于基尼系数在不均匀度量化中的优势，本文按照基尼系数的求值方法，参考文献[13]河流水文要素年内分布均匀度模型，计算莺落峡水文站1945—2020年每年月径流量年内分配均匀度。为便于理解，本研究分配均匀度的量化值等于1减去经济学中所求出的基尼系数GI，该值越大，则表示年内分配均匀度越大，即越均匀；反之则均匀度越小，越不均匀。分配均匀度的量化值公式为

uf=1-GI=SB/(SA+SB) 。

(7)

式中：uf为月径流量年内分配均匀度；SA为月径流量年内分配洛伦兹曲线上半部面积；SB为月径流量年内分配洛伦兹曲线下半部面积(见图2)。

图2 月径流量年内分配洛伦兹曲线Fig.2 Lorentz curve of annual distribution of monthly runoff

2.3.4 洪水涨落频次及变化率

在一场连续的洪水过程中，洪水涨落变化的频繁程度可用流量的涨落频次N表示。根据文献[8]，一次洪峰过程即流量从上涨到回落，涨落变化频次N为1，如果有k次洪峰过程，涨落频次N=2k-1。单位时间内洪水流量的变化量表示洪水的涨落率，其表达式为

(8)

式中：q为涨落率；Qi、Qi-1分别为时间ti、ti-1对应的流量；ΔQ为流量差；Δt为时间差。

3 结果与分析

3.1 对径流的影响分析

3.1.1 年径流量变化分析

绘制莺落峡站1945—2020年年径流量过程线和距平累积曲线(图3)，从图3可以得出：年径流量呈线性增加趋势，线性回归系数T检验的P值为7.81×10-7，小于显著性水平0.01，故增加趋势显著。按照曲线出现连续5 a以上变化趋势一致的原则，可将莺落峡历年径流量变化划分为3个阶段：1980年以前为枯水期，1981—2001年为平水期，2002年以后为丰水期。各阶段径流量统计特征见表2。由表2可知，丰水期的径流量多年平均值相对平水期和枯水期分别增加了19.4%和30.8%；变差系数为0.10，相对平水期和枯水期分别减小41.2%和33.3%。

图3 年径流量过程线和距平累积变化Fig.3 Annual runoff hydrograph and cumulative change of annual runoff anomaly

表2 黑河干流上游径流量阶段性特征

采用MK检验法分析莺落峡站1945—2020年历年径流量变化趋势和突变点，MK趋势变化见图4。由图4可得2005年发生突变，并于2008年突破置信水平线表现为显著增加趋势。

图4 年径流量系列MK统计量变化过程Fig.4 Changes of MK statistics of annual runoff series

绘制莺落峡水文站断面以上1956—2020年面降雨和年径流量的双累积曲线，见图5。根据年径流MK检验结果，以2005年为转折点，绘制1956—2004年和2005—2020年线性趋势线，线性回归系数T检验的P值分别为3.44×10-9、8.22×10-8，均小于显著性水平0.01，故线性关系显著，且前后斜率变化不大，说明流域内降水是径流量增加的主要因素之一。由此也可得出，莺落峡站断面以上黑河干流梯级水电站库容调节能力不大，对径流量的影响不大，径流量的增加主要受降水或其他气候因素的影响。

图5 径流与降水量的双累积曲线Fig.5 Double cumulative curve of runoff and precipitation

3.1.2 年内分配变化分析

黑河干流梯级水电站的运行改变了径流年内分配特征。根据《黑河干流2019—2020年度水量调度工作总结》，2020年莺落峡断面全年来水呈两头丰、中间枯的特征。目前径流量年内分配不均匀度的定量指标多为年内丰、枯水期或季节性等某些特定时段内径流量占年径流量的比例，难以全面反映年径流年内分配的不均匀度。本文采用基尼系数法计算莺落峡1945—2020年历年月径流量年内分配均匀度，历年分配均匀度变化见图6。由图6可得UF线性回归系数T检验的P值0.003 4，小于显著性水平0.01，故增加趋势显著。

图6 年内分配均匀度变化过程Fig.6 Change of distribution uniformity in a year

采用MK趋势检验法对历年月径流量年内分配均匀度趋势及突变点检验分析，MK趋势变化过程见图7。由图7可得，在2001年年内分配均匀度的统计量UFk值开始上升，到2009年突破置信水平线达到最大值，2009—2016年在置信水平线附近变动，2017年再次突破置信水平线并发生突变，2017—2020年年内分配均匀度呈显著增加趋势。

图7 年内分配均匀度系列MK统计量变化过程Fig.7 Change of MK statistics of distribution uniformity series

3.2 对洪水过程的影响分析

3.2.1 年最大洪峰流量变化分析

绘制1948—2020年历年最大洪峰流量变化过程(图8)，线性回归系数T检验的P值为0.87，大于显著性水平0.01，故增加趋势不显著。采有MK检验最大洪峰流量的变化趋势和突变情况，结果见图9。由图9可知，最大洪峰流量在2002年发生转折，这与龙首一级水电站建成2001年7月建成投入运行密切相关(该电站距莺落峡水文站断面最近，对最大洪峰流量的影响亦最大，其调度运行方案直接影响莺落峡水文站径流过程的平稳、涨落变化等特征)，UFk值在2011年开始为正，呈增长趋势，但未突破置信水平，故增长趋势不显著。转折点前最大洪峰流量均值为510 m3/s，转折点后均值为512 m3/s，增加0.39%。

图8 年最大洪峰流量过程线Fig.8 Hydrograph of annual maximum peak discharge over years

图9 年最大洪峰流量MK统计量变化过程Fig.9 MK test results of annual maximum peak discharge over years

采用P-Ⅲ型曲线适线法，对莺落峡站历年最大洪峰流量序列进行频率分析，该站最大洪峰流量为1 280 m3/s，变差系数CV为0.41，偏差系数CS与变差系数CV的比值CS/CV为3.50，不同频率和重现期的最大洪峰流量见表3。

表3 历年最大洪峰流量频率分析结果 Table 3 Frequency analysis results of annual maximum peak discharge

3.2.2 洪水过程涨落率变化分析

以水电站(龙首一级)开始建设时间2001年为分界点，点绘水电站建设之前的4场洪峰流量较大的洪水过程线，包括1960年、1974年、1980年、1996年；点绘水电站建设以后6场洪峰流量较大的洪水过程线，包括2002年、2008年、2014年、2016年、2018年、2020年，见图10。由图10可知，水电站建设以前，天然洪水过程呈陡涨缓落特点；水电站建设以后，受水电站(群)蓄放水影响，呈明显的陡涨直落特点。

梯级水电站在调度运行中，依据河道上游来水量大小和电网调度需要，频繁蓄放水，致使洪水过程由“陡涨缓落”的形态转变为“陡涨直落、直涨直落或平直过程”，平缓变化的天然退水过程形态消失。主要表现为洪峰时间推迟、峰值变小、洪水过程拉长。随着水电站的增多及黄藏寺水库的建成运行，这种影响更加明显。

经分析，以上10场洪水过程的最大上涨率、最大回落率、变化频次及水电站数量见表4。由表4可知，受梯级水电站闸门频繁升降的影响，洪水过程的涨落率和变化频次明显增加。

4 结语与建议

4.1 结 语

黑河干流梯级水电站水能开发始于2001年，至2012年已建成梯级电站8座，水电站(群)人为蓄放水对天然径流过程的干扰增大，进而对莺落峡水文站径流年内分配、年最大洪峰流量及洪水过程涨落变化产生一定影响，正在兴建的黄藏寺水利枢纽工程(黄藏寺水库属大(2)型，系年调节水库)对这些变化的影响尤为显著。

黑河干流梯级水电站库容调节能力不大，电站联合调度运行对莺落峡水文站年径流量变化趋势影响不大(在黄藏寺水库建成蓄水之前)；径流年内分配均匀度在2001年发生转折，这与水电站开始建设

图10 莺落峡站不同时段典型洪水过程线Fig.10 Typical flood hydrograph at Yingluoxia station in different periods

表4 洪水过程特征变化情况

时间基本吻合，2017—2020年呈显著增加趋势，亦是8座水电站建成投入联合调度运行后，改变了天然径流过程，对径流年内分配产生显著影响；年最大洪峰流量多年平均值由突变点前510 m3/s增加到突变点后512 m3/s，增加0.39%，增加趋势不显著；受人为频繁调节闸门的影响，水位呈直上直下台阶状变化，涨落率和变化频次增加，洪水过程呈明显陡涨直落形态。

4.2 建 议

(1)科学制定黄藏寺水利枢纽工程调度运行方案，科学调度，严格管理，有效控制上游来水过程，保障中游区用水需求，保证下游生态关键期用水量。

(2)合理分配黄藏寺水库下泄水量和过程，减少中游灌区闭口时间，既能缓解中下游用水矛盾，又能提升水库和下游梯级电站发电效益，避免人为造峰频繁发生，威胁下游平原(走廊)区防洪安全。