龙羊峡水库调度对径流的影响及蓄补水规律

尚文绣，许明一，尚弈，严登明

(1.黄河勘测规划设计研究院有限公司，郑州 450003；2.华北水利水电大学，郑州 450045)

径流是河流的关键组成要素和河流生态服务功能的重要影响因素[1-3]。河流天然径流过程一般随时间表现出明显的丰枯变化并具有周期性特征[4]，这些变化特征发挥着传输物质、传递信息、塑造栖息地、维持生物生活史模式等作用[5-6]。受到人类活动影响，全球河长1 000 km以上的河流中约2/3处于非自然流动状态[7]，很多河流的径流过程已经发生了显著变化[8-9]。

水库通过调蓄河川径流实现供水、防洪、发电等功能，是改变河流天然径流过程的主要原因之一[10-12]。随着人类社会对供水安全保障和电力的需求不断增长，水库数量快速增长[13]，世界上已建在建坝高超过30 m的大坝已超过1.5万座[14]。2019年我国已建成大中型水库4 722 座，总库容超过8 000 亿m3。水库建设运行直接改变了河流径流过程，进而改变物质输移、生物迁徙、水文循环等过程，对河流生态健康造成复杂影响[15-17]。量化水库对径流过程的影响是识别水库生态影响、提升水库生态保护功能的基础。当前研究[9,18-20]中，评价水库对径流过程影响的主要方法是量化水库运行前和运行后两个时段的径流过程关键特征，将关键特征的差异作为水库的影响。但是河流水文情势受到气候变化、工程调节、取水、退水等多因素的复合影响[21-23]，对比水库运行前后的径流过程变化反映的是多因素的共同作用，并不能得到水库调度这单一因素发挥的作用。

位于黄河上游的龙羊峡水库是黄河干流上唯一一座多年调节水库，控制黄河天然径流量的40%以上，调节库容193.6 亿m3，对黄河径流具有很强的调节能力[24]。黄河天然径流量和取用水已经发生明显变化，天然年径流量从580 亿m3(1919—1975年系列)衰减至490 亿m3(1956—2016年系列)，进入21世纪以来黄河取水量增长80 亿m3以上，说明黄河径流过程变化受到多因素影响。2000—2016年龙羊峡水库入库水文站实测年径流量比20世纪60—90年代减少了16.24%，导致难以通过对比水库运行前、后两个时段径流过程变化来准确量化龙羊峡水库的作用。本文对比龙羊峡水库运行后同一时段内入库径流过程和出库径流过程关键特征的差异，结合突变检验，量化龙羊峡水库在黄河径流过程变化中发挥的作用，并通过显著性检验识别龙羊峡水库蓄补水规律。

1 研究方法与数据

1.1 研究区域

研究对象为位于青海省共和县、贵南县交界处的龙羊峡水库。水库坝址控制黄河流域面积13.1万km2，占全流域面积的17.4%。龙羊峡水库1978年开工建设，1986年开始蓄水。水库的开发任务以发电为主，兼有防洪、灌溉、防凌、养殖、旅游等综合效益。

通过对比同一时段内龙羊峡水库出库径流过程相对于入库径流过程的变化，可以揭示水库调度这一因素对河流径流过程的影响。选用的水文站监测断面和评价指标见表1。1986—2016年唐乃亥断面天然年径流量186.53亿m3，贵德断面天然年径流量187.71亿m3，两断面天然年径流量仅相差0.64%，说明两断面间的区间来水对径流影响很小。

表1 情景设置Tab.1 Scenario setting

1.2 水文情势变化评价方法

采用水文变化指标(indicators of hydrologic alteration，IHA)[20]评价龙羊峡水库出库断面水文情势相对于入库断面水文情势的变化情况，评价时段为1986—2016年。IHA指标体系包含5组33个评价指标(表2)，分别描述了流量、频率、发生时机、持续时间和变化率等水文情势关键特征。计算1986—2016年龙羊峡水库出库断面各IHA指标值相对于入库断面相应IHA指标值的变化幅度(即偏离度)。

表2 IHA评价指标体系Tab.2 Indicators of Hydrologic Alteration

采用变化范围法(range of variability approach，RVA)评价水文情势变化程度[25]。将近天然时段各IHA指标值的75%分位数至25%分位数作为RVA目标区间[19]，水文改变度为

(1)

式中：Di是第i个IHA指标的水文改变度；No是评价时段内落到RVA目标区间的年数；Ne是评价时段内落到RVA目标区间的预期年数，根据本文选择的RVA目标区间，预期年数为评价时段总年数的一半；i是IHA指标编号，i=1,2,…,33。水文改变度分为3个等级：Di<33%时代表无改变或低度改变；33%≤Di≤67%时代表中度改变；Di>67%时代表高度改变。

基于IHA-RVA方法，Shiau等[26]提出了整体改变度为

(2)

式中：DA是整体改变度。

1.3 流量过程变异程度评价方法

通过流量过程变异程度表征1980—2016年龙羊峡水库入库断面和出库断面实测月径流相对于天然月径流的变化程度

(3)

表3 流量过程变异程度赋分标准Tab.3 Flow deviation indicator scoring standard table

1.4 显著性检验方法

采用t检验判断龙羊峡水库蓄补水量与黄河天然径流量、黄河流域地表水耗水量占天然径流量的比例之间是否存在显著的线性关系。

提出原假设H0：β=0。β是因变量y与自变量x之间的线性回归系数，β为0代表y与x之间没有线性相关关系。构造检验统计量

(4)

1.5 突变检验方法

采用Mann-Kendall(M-K)检验法[28]分析龙羊峡出库断面流量过程变异程度的突变点。对于一组序列长度为n的独立序列yf(f=1,2,…,n)，构造统计量df和Ff

(5)

(6)

式中：当yi>yj时，ri=1，否则ri=0，j=1,2,…,i；E(df)和V(df)分别为df的均值和方差；令F1=0。给定显著性水平α=0.05，当|Ff|>Uα时，表明序列有显著的趋势变化。Uα为概率超过1-α/2时标准正态分布的值。

将yf逆序排列，按照式(5)和式(6)得到一组新的Ff，再令统计量Bf=-Ff。如果Ff和Bf随f的变化曲线有交点，且交点位于±Uα之间，那么交点为突变发生的时间。

1.6 数据来源

龙羊峡水库1980—2016年入库和出库日径流数据来自相应水文站提供的监测断面实测日径流资料。1980—2016年入库和出库天然月径流数据采用水利部黄河水利委员会的径流还原成果。黄河流域历年地表水耗水量来自《黄河水资源公报》。

2 龙羊峡水库调度对径流的影响

2.1 对年际和年内径流过程的影响

1986—2016年，龙羊峡水库入库最大年径流量327.74亿m3，最小年径流量105.77亿m3，极值比3.10，年径流量变异系数0.26。经过水库调蓄后，出库最大年径流量252.88亿m3，最小年径流量108.61亿m3，极值比2.33，年径流量变异系数0.19。这说明龙羊峡水库调度减小了年径流量的变化范围和离散程度。

对于年内径流过程，1986—2016年龙羊峡水库入库与出库月均流量见图1。水库调度后：6—10月的月均流量减小6.11亿～14.73亿m3；11月—次年5月的月均流量增加，其中11月和5月增幅较小，12月—次年4月的月均流量增加5.09亿～8.58亿m3。

图1 1986—2016年龙羊峡水库入库与出库月均流量对比Fig.1 Comparison of monthly average inflow and outflow of Longyangxia Reservoir from 1986 to 2016

2.2 对水文情势的影响

对比1986—2016年龙羊峡水库出库径流和入库径流的IHA指标值，结果见图2。指标1～12显示：与入库径流相比，出库径流6—10月的月均流量减小，降幅18.19%～43.15%；11—5月的月均流量增加，其中12—3月增幅超过100%。指标13～21反映了极端高/低流量事件的变化：与入库径流相比，出库径流的最大1、3、7、30、90 d平均流量减小34.74%～47.30%；最小1、3、7、30、90 d平均流量均增大，且随着天数增加，增幅从38.99%增加到144.43%。龙羊峡水库入库及出库径流均没有发生过零流量(指标23)。出库径流的基流指标比入库径流增加80.24%(指标24)。指标25和26反映了与入库径流相比，出库径流的最大1 d平均流量发生日期略推迟，而最小1 d平均流量发生日期大幅提前。指标27～30反映了高/低流量脉冲的变化:与入库径流相比，出库径流高流量脉冲发生次数增加，但平均持续时间缩短，总持续时间缩短约2/3；低流量脉冲的发生次数与平均持续时间均减小，总持续时间减小90%以上。指标31～33反映了日流量的变化率，与入库径流相比，出库径流的平均上升速率和平均下降速率均显著增大，流量翻转次数大幅增加。

图2 1986—2016年龙羊峡水库出库径流相对于入库径流的IHA指标值偏离度Fig.2 Deviation degree of IHA value of outflow runoff relative to inflow runoff of Longyangxia Reservoir from 1986 to 2016

与入库径流相比，出库径流的IHA指标中有6个发生低度改变，分别为5、6、8、11月的月均流量，零流量天数和最大1 d平均流量发生日期；其他27个指标均为高度改变。出库径流相对于入库径流的整体改变度为95.04%，属于高度改变。

2.3 对流量过程变异程度的影响

1980—2016年龙羊峡水库入库及出库流量过程变异程度见图3。龙羊峡水库入库径流的流量过程变异程度始终较低，变化范围为0.02～0.06，除2002年外流量过程变异程度的赋分均为100。龙羊峡水库以上河段用水很少，20世纪90年代以来龙羊峡水库以上河段的地表水耗水量仅1.05亿～2.82亿m3，不足龙羊峡坝址处天然径流量的2%，不足黄河流域地表水耗水量的1%，且龙羊峡以上黄河干流水库少、调蓄能力弱，因此龙羊峡入库径流的流量变异程度很小。2002年黄河天然径流量仅246.16亿m3，比多年平均值偏低49.76%，是1956年以来黄河来水最枯的年份，因此，龙羊峡以上河段的人类活动对流量过程的干扰相对明显，但这一年流量过程变异程度赋分仍高达97.10。

图3 1980—2016年龙羊峡水库入库及出库流量过程变异程度及赋分Fig.3 Flow deviation indicator value and its score of inflow and outflow of Longyangxia Reservoir from 1986 to 2016

1986年以前龙羊峡水库出库流量过程变异程度及赋分与入库接近，但此后流量过程变异程度迅速大幅增加、赋分迅速大幅降低。1980—1985年龙羊峡水库出库流量过程变异程度均值0.05，赋分均值98.29。1987—2016年龙羊峡水库出库流量过程变异程度均值2.15，是1980—1985年均值的43倍；赋分均值20.14，比1980—1985年均值减小了79.51%。

M-K检验结果显示，在显著性水平0.05的情况下，龙羊峡水库出库流量过程变异程度的突变点为1986年。突变时间与龙羊峡水库开始蓄水的年份一致。鉴于1986年前后龙羊峡以上河段取用水没有发生明显变化，上游也没有大型水利工程投入运行，龙羊峡水库投入运行是导致龙羊峡水库出库断面流量过程变异程度突变的主要原因。

3 龙羊峡水库蓄补水规律

3.1 水库蓄补水与来水、耗水的关系

1986—2016年黄河天然径流量及龙羊峡水库补水量见图4。龙羊峡水库最大年蓄水量95.69 亿m3，最大年补水量53.74 亿m3，年均蓄水4.61 亿m3。龙羊峡水库补水量与黄河天然径流量间呈现出反比的变化趋势，表现为天然径流量小的年份水库补水、天然径流量大的年份水库蓄水。例如：2005年黄河天然径流量为579.88亿m3，比多年平均值(490.00 亿m3，1956—2016年系列，下同)偏高18.34%，龙羊峡水库年蓄水95.69亿m3；2006年黄河天然径流量407.16 亿m3，比多年平均值偏低16.91%，龙羊峡水库年补水51.83 亿m3。对1986—2016年黄河天然径流量和龙羊峡水库年补水量进行线性拟合，拟合公式的斜率为-0.25，相关系数为0.55。对相关关系进行显著性检验，t值为-3.52，绝对值高于显著性水平0.05时的临界值，说明黄河天然径流量和龙羊峡水库年补水量之间线性关系显著，且为负相关关系。

图4 1986—2016年黄河天然径流量及龙羊峡水库补水量Fig.4 Natural runoff of the Yellow River and replenishment of Longyangxia Reservoir from 1986 to 2016

1990—2016年黄河流域地表水耗水量占天然径流量的比例见图5。《黄河水资源公报》缺少1996年和1997年地表水耗水量数据，因此不计算这2 a地表水耗水量占天然径流量的比例，仅对25 a的数据进行分析。对黄河流域地表水耗水量占天然径流量的比例和龙羊峡水库补水量之间的线性关系进行显著性检验，t值为2.91，高于显著性水平0.05时的临界值，说明两者线性关系显著，且为正相关关系。统计结果显示，当黄河流域地表水耗水量占天然径流量的比例超过64%时，龙羊峡水库以补水为主，否则以蓄水为主。25 a中有13 a龙羊峡水库补水，其中11 a黄河流域地表水耗水量占天然径流量的比例超过64%；有12 a龙羊峡水库蓄水，其中9 a黄河流域地表水耗水量占天然径流量的比例低于64%。

图5 1990—2016年黄河流域地表水耗水量占天然径流量的比例及龙羊峡水库补水量Fig.5 Proportion of surface water consumption in natural runoff in the Yellow River basin and water replenishment of Longyangxia Reservoir from 1990 to 2016

3.2 水库的蓄丰补枯作用

在多年间蓄丰补枯是多年调节水库的重要任务，分析龙羊峡水库在黄河流域年际蓄丰补枯中发挥的作用。分析时段为1990—2016年(不含1996年和1997年)，共计25 a。1990—2016年黄河流域年均地表水耗水量占年均天然径流量的65.44%，但是部分年份占比极大。例如，2000—2002年连续枯水年占比高达94.88%，最枯的2002年天然径流量仅246.16亿m3，但地表水耗水量达到286.05亿m3，是天然径流量的116.20%。黄河除了供水外，还需要在河道内分配大量水量用于输沙和生态保护，年均入海水量154.80亿m3，即使在最枯的2002年，入海水量也有41.90亿m3。1990—2016年，有12 a黄河流域地表水耗水量与入海水量之和超过了天然径流量，在这些年份必须通过水库补水才能保障河道内、外供水。在12 a中有11 a龙羊峡水库补水，累计补水403.19亿m3，年均补水36.65亿m3。

2000—2002年的年均天然径流量仅为289.31亿m3，比多年平均值偏低40.96%；年均地表水耗水量274.51亿m3，年均入海水量45.67亿m3，天然径流量与河道内外耗水量间存在30.87亿m3的缺口。龙羊峡水库在3年间累计补水85.35亿m3，年均补水28.45亿m3。如果没有龙羊峡水库调蓄，且维持河道外地表水耗水量不变，那么2000年、2001年入海水量将分别从48.58亿、46.53亿m3减少到25.25亿、28.98亿m3，2002年入海水量将为0。黄河天然径流量年际变化大，易发生连续枯水年，而受到河流含沙量大的影响，黄河干流中下游修建多年调节水库的难度大，作为黄河干流唯一一座多年调节水库，龙羊峡水库的蓄丰补枯对保障流域供水安全和黄河健康生命意义重大。

4 结 论

本文研究了1986—2016年龙羊峡水库出库径流的IHA、流量过程变异程度等指标值相对于入库径流的变化，并识别了水库蓄补水与来水、耗水等因素的相关关系。得到以下结论：

龙羊峡水库显著改变了出库径流过程，出库径流相对于入库径流的整体改变度达到高度改变，突出表现为流量波动范围减小，包括年径流量极值比减小24.84%、年径流量变异系数减小26.92%、极端高流量事件的流量量级减小34.74%～47.30%、极端低流量事件的流量量级增大38.99%～144.43%等，但日流量的变化加快、波动加剧。

龙羊峡水库蓄水导致出库断面径流过程严重偏离天然情况。水库出库断面的流量过程变异程度在水库初次蓄水的1986年发生突变，1980—1985年和1987—2016年两个时段出库断面流量过程变异程度分别为0.05和2.15，赋分分别为98.29和20.14。

龙羊峡水库年补水量与黄河天然径流量、黄河流域地表水耗水量占天然径流量的比例之间均存在显著的线性关系，其中水库补水量与黄河天然径流量间呈负相关关系。在龙羊峡水库补水的年份中，有84.62%的年份黄河流域地表水耗水量占天然径流量的比例超过64%。在龙羊峡水库蓄水的年份中，有75.00%的年份黄河流域地表水耗水量占天然径流量的比例低于64%。