潘宏發(fā)，張德棟

(甘肅省水文水資源局，甘肅 蘭州 730000)

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白龍江中上游徑流量對水電開發(fā)的響應(yīng)研究

潘宏發(fā)，張德棟

(甘肅省水文水資源局，甘肅 蘭州 730000)

以白龍江中上游水電裝機(jī)容量大幅增加的1999年作為時間節(jié)點，建立以上游斷面年徑流量和區(qū)間年降水量為輸入，下游斷面年徑流量為輸出線性回歸模型，以模型預(yù)測值與實測值的差值作為徑流量對水電開發(fā)的響應(yīng)。通過分析計算徑流量對水電開發(fā)裝機(jī)容量的響應(yīng)，發(fā)現(xiàn)舟曲斷面2000年至2015年的年徑流量模型預(yù)測均值25.12億 m3，實測均值22.55億 m3，絕對減少2.6億 m3，相對減少11.4%；武都斷面2000年至2015年的年徑流量模型預(yù)測均值40.25億 m3，實測值34.58億 m3，絕對減少5.7億 m3，相對減少16.5%，得出武都斷面徑流量對水電站建設(shè)裝機(jī)容量的增加具有顯著的減少響應(yīng)。

白龍江；徑流量；水電開發(fā)；響應(yīng)研究

近些年來，白龍江中上游年徑流量較多年平均年徑流量呈明顯的減少趨勢[2]，同期斷面上游水電站累計裝機(jī)容量大幅增加。在此背景下，研究白龍江中上游徑流量對水電開發(fā)裝機(jī)容量的響應(yīng)，對于白龍江流域生態(tài)保護(hù)、水電合理開發(fā)、白龍江引水工程實施等具有重要意義。

1 水電開發(fā)概況

對白龍江流域武都斷面以上水電站建設(shè)規(guī)模和歷程從數(shù)量、裝機(jī)容量隨年份變化進(jìn)行統(tǒng)計，結(jié)果見圖1。

圖1 白龍江流域水電站建設(shè)規(guī)模和歷程統(tǒng)計分析圖

據(jù)圖1，白龍江流域在2003年以后水電站建設(shè)步伐大大加快，在2003年至2014年的11年期間，水電站數(shù)量由17座增加至130座，年均約新建10座；裝機(jī)容量由6.8萬 kw增加至110.6萬 kw，年均約新增裝機(jī)容量10萬 kw。在2003年之前大致可以劃分為這樣幾個階段，截止1973年，裝機(jī)容量在0.5萬 kw；截止1978年，裝機(jī)容量2.7萬 kw；截止1992年，裝機(jī)容量在4.2萬 kw；截止2003年，裝機(jī)容量6.8萬 kw；因此水電站建設(shè)大致可分為1973年之前的建設(shè)停滯期，1973-2003年的建設(shè)平穩(wěn)期，2003年以后的建設(shè)提速期。

2 徑流響應(yīng)分析

2.1 研究思路

將上游和下游控制斷面區(qū)間作為獨立系統(tǒng)單元，利用年徑流量、降水量序列，以單元出口徑流量為輸出，以單元入口徑流量和區(qū)間降水量為輸入，推算出口斷面徑流量[1]?；诖搜芯克悸罚园埥婇_發(fā)影響較小的實測上游斷面系列年徑流量和區(qū)間系列年降水量作為輸入，下游斷面年徑流量作為輸出，構(gòu)建線性回歸模型，然后以模型預(yù)測水電規(guī)模開發(fā)后的年徑流量。通過水電規(guī)模開發(fā)后的預(yù)測值與實測值對比，分析徑流量對水電開發(fā)的響應(yīng)。

2.2 研究單元劃分

白龍江中上游自上而下有白云、舟曲、武都水文站，3個控制水文站自有監(jiān)測資料以來的多年平均年來水量分別為5.57億 m3、24.01億 m3、39.77億 m3。白云、舟曲站來水量分別占武都以上的14.0%、60.4%。將白云、舟曲、武都水文站作為白龍江中上游的3個控制斷面，劃分三個單元，各單元流域面積及多年平均產(chǎn)流量統(tǒng)計見表1。

根據(jù)斷面的布設(shè)和實測徑流量情況及集水面積，白云以上單元來水量占武都斷面以上僅14.0%，考慮研究單元內(nèi)徑流、降水等系列資料可比性，故將水電站開發(fā)對徑流量影響研究確定為白云～舟曲、舟曲～武都2個研究單元。由于斷面實測徑流系列長度不一致，為了計算時段的一致，在分析徑流對水電開發(fā)響應(yīng)時，統(tǒng)一將徑流、降水系列資料選取為1965-2015年。

表1 各單元流域面積及多年平均產(chǎn)流量統(tǒng)計表

2.3 構(gòu)建模型

2.3.1 白云～舟曲研究單元

白云斷面以上建有19座水電站，總裝機(jī)容量22.48萬 kw；舟曲斷面以上建有47座水電站，總裝機(jī)容量63.70萬 kw。 研究單元內(nèi)1999年前建有水電站5座，裝機(jī)容量僅2.51萬 kw，占白云、舟曲控制斷面以上裝機(jī)容量的11.2%、3.9%。

為了方便模擬計算，忽略1999年之前水電站對徑流的影響，采用1999年之前白云和舟曲年徑流系列，以及區(qū)間年平均降水量(算術(shù)平均法計算)系列進(jìn)行回歸分析，從R檢驗結(jié)果看出，相關(guān)關(guān)系顯著，回歸效果好。選定顯著性水平α=0.05，查F檢驗臨界值表，F(xiàn)2，35=3.28，從檢驗結(jié)果看出，F(xiàn)=181.293大于F臨界值，檢驗結(jié)果概率P<0.05，通過F值檢驗，說明方程回歸效果顯著。查t分布臨界值表， t0.05(35)=1.690，從t檢驗結(jié)果可以看出，白云斷面t=11.865，大于臨界值，表明白云斷面年徑流對舟曲斷面年徑流的影響顯著，線性回歸擬合程度高。

實測與擬合過程線見圖2，建立年徑流模型如下：

圖2 舟曲斷面實測和擬合徑流過程線

2.3.2 舟曲～武都研究單元

白龍江干流舟曲斷面以上產(chǎn)水量占武都斷面來水量的60.4%，區(qū)間降水對武都斷面徑流起著重要作用，因而在探求上下游徑流相關(guān)關(guān)系時，需要考慮區(qū)間降水的影響。截止2014年年底，舟曲斷面以上建有水電站47座，總裝機(jī)容量63.70萬 kw，武都斷面以上建有水電站130座，總裝機(jī)容量110.6萬 kw。舟曲斷面以上1999年前建有水電站5座，裝機(jī)容量僅2.51萬 kw，占總裝機(jī)容量的3.9%；武都斷面以上1999年前建有水電站14座，裝機(jī)容量僅6.43萬 kw，占總裝機(jī)容量的5.8%。

為了便于分析計算，對分析計算時段進(jìn)行優(yōu)選，1999年之前忽略水電站對徑流的影響，采用1999年之前舟曲和武都斷面年徑流系列，以及區(qū)間年平均降水量(算術(shù)平均法計算)系列進(jìn)行回歸分析，從檢驗結(jié)果看出，年徑流相關(guān)系數(shù)為0.974 2，決定系數(shù)為0.948 9，校正的決定系數(shù)為0.945 7，表明相關(guān)關(guān)系顯著，回歸效果好。選定顯著性水平α=0.05，查F檢驗臨界值表，F(xiàn)2，35=3.28，從檢驗結(jié)果看出，F(xiàn)=297.648大于F臨界值，檢驗結(jié)果概率P<0.05，通過F值檢驗，說明方程回歸效果顯著。查t分布臨界值表，t0.05(35)=1.690，從t檢驗結(jié)果可以看出，舟曲斷面t= 17.271，大于臨界值，表明舟曲斷面年徑流對武都斷面年徑流的影響顯著，線性回歸擬合程度高。

實測與擬合過程線見圖3，建立年徑流模型如下：

圖3 武都斷面實測和擬合徑流過程線

圖4 舟曲斷面徑流實測值與模型預(yù)測值對比分析圖

2.4 徑流響應(yīng)

2.4.1 白云～舟曲研究單元

運(yùn)用建立的白云與舟曲斷面年徑流模型推求水電站建設(shè)后(2000-2015年)舟曲水文站年徑流量系列，計算結(jié)果見表2，分析計算圖見圖4。。根據(jù)模型計算值與實測值對比分析，水電開發(fā)后，舟曲斷面控制斷面較之前(1999年以前)年平均徑流量減少了11.4%，在2010年之前減少幅度較小，年均減少在10%以下； 2011年至2015減少幅度較大，超過10%，說明舟曲斷面以上研究單元徑流量對水電站開發(fā)有明顯的響應(yīng)，這也與流域區(qū)間降水減少相一致。

表2 舟曲斷面徑流實測值與模型預(yù)測值對比分析成果

對照白龍江舟曲斷面以上研究單元水電站建設(shè)規(guī)模和歷程，發(fā)現(xiàn)2006年至2014年累計新建水電站42座，裝機(jī)容量增加61.2萬 kw，在這期間年徑流量平均減幅達(dá)13.1%；2010～2011年兩年間建成水電站達(dá)8座，裝機(jī)容量22.27萬 kw，2011～2015年徑流量減少18.3%。說明舟曲斷面以上研究單元水電站建設(shè)的數(shù)量和裝機(jī)容量的增加與徑流量減少呈顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系。水電站建設(shè)迅速期時段之后，徑流出現(xiàn)減少期概率很大。

圖5 武都斷面徑流實測值與模型預(yù)測值對比分析圖

2.4.2 舟曲～武都研究單元

運(yùn)用建立的舟曲與武都斷面年徑流模型推求水電站建設(shè)后武都斷面年徑流量系列，計算結(jié)果見表3，分析計算圖見圖5。根據(jù)推求計算值與實測值得對比分析，水電開發(fā)后，武都控制斷面較水電站開發(fā)之前年平均徑流量減少了16.5%，在2010年之前減少幅度較小，接近15%； 2010～2015年減少幅度較大，接近20%，說明白龍江流域舟曲～武都單元徑流量對水電站建設(shè)有明顯的響應(yīng)，同時也與流域區(qū)間降水減少相一致。

表3 武都水文站徑流實測值與推求計算值分析

3 結(jié)語

(1)白龍江流域內(nèi)水電站建設(shè)大致可分為三個階段：1973年之前的建設(shè)停滯期、1973-2003年的建設(shè)平穩(wěn)期、2003年以后的建設(shè)提速期。經(jīng)分析確定1999年為水電站建設(shè)前后分界年。

(2) 以1999年為節(jié)點，舟曲斷面徑流量模型計算值25.12億 m3，實測值22.55億 m3，絕對減少2.6億 m3，相對減少11.4%；武都斷面徑流量模型計算值40.25億 m3，實測值34.58億 m3，絕對減少5.7億 m3，相對減少16.5%。因此，徑流量減少對水電站建設(shè)具有明顯的響應(yīng)，且從上游至武都斷面徑流量減少趨于顯著。

(3)白云～武都單元2010～2011年的兩年間建成水電站達(dá)8座，裝機(jī)容量22.27萬 kw， 舟曲斷面2011～2015年徑流量減少18.3%；武都斷面2010年之前減少幅度較小，接近15%； 2010年至2015減少幅度較大，接近20%。因此，水電站時段建設(shè)規(guī)模較大的一段時間，徑流量銳減；徑流量的減少與水電站建設(shè)規(guī)模呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。

[1]鐘華平,王建生，等. 瀾滄江干流水電開發(fā)對徑流的影響分析[J]．水利水電技術(shù).2010(3) ：72-74．

[2]馬正耀,胡興林，等. 1965—2010年白龍江上游徑流變化特征研究[J]．冰川凍土.2011(6)： 152-162．

2017-08-14

潘宏發(fā)(1959-)，男，上海人，高級工程師，主要從事站網(wǎng)測驗及水文水資源研究。

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