黄河上游唐乃亥水文站与龙羊峡水电站水量不平衡原因分析

沈延青，靳少波，白钰

（黄河上游水电开发有限责任公司，青海西宁 810003）

黄河龙羊峡以上流域控制着黄河近一半的径流量，自1986年10月龙羊峡水库下闸蓄水后，已积累了20多年的水库运行资料，唐乃亥水文站位于龙羊峡坝址上游133 km，水电站的水情资料与黄河上游唐乃亥水文站资料一直在进行对比和互相验证。唐乃亥水文站也一直作为龙羊峡水电站经济运行及防洪调度的控制站，从历史资料的对比情况看大部分时段唐乃亥水文站流量过程与龙羊峡水电站入库流量过程水量是基本平衡的，但最近几年，唐乃亥水文站与龙羊峡水电站入库水量差值越来越大，针对出现的水量不平衡现象，本文通过对比分析，查找唐乃亥水文站与龙羊峡水电站水量不平衡的原因，为龙羊峡及龙刘梯级水库调度工作提供更科学、更可靠的基础数据参考依据。

1 唐乃亥站与龙羊峡水量平衡对比

唐乃亥站与龙羊峡水库之间有0.94万km2的流域面积，占龙羊峡控制面积7.2%。正常情况下位于下游的龙羊峡水库的入库水量应当大于上游的唐乃亥站的水量，但2007年后唐乃亥年水量较龙羊峡年入库水量明显偏大，二站间出现了水量不平衡现象。

通过统计，唐乃亥2000—2007年龙羊峡年入库水量相对于唐乃亥年水量平均偏大1.17%，基本平衡；而2008—2012年龙羊峡年入库水量相对于唐乃亥年水量平均偏小5.26%，显著水量不平衡。

图1为2000年至2012年唐乃亥龙羊峡年水量相关关系图，可以看出：2007年前后，两条关系线的斜率和截距都发生了显著变化，2007年之后龙羊峡年入库水量显著偏小。

就年水量而言，初步认为从2007年后唐乃亥与龙羊峡年水量之间的相对关系发生了变异。

从月水量对比统计发现，2007年前，仅汛期个别月份出现龙羊峡入库水量小于唐乃亥水量，而在2007年后，几乎所有月份龙羊峡入库水量均小于唐乃亥的水量。

图1 唐乃亥年水量-龙羊峡年入库水量相关关系图Fig.1 The correlation diagram of the annual water at Tang Naihai and the water inflow to Longyangxia reservoir

通过对唐乃亥和龙羊峡水量过程的定性及定量分析，可以确定两站水量过程在2007年前后发生了显著变化。

2 唐乃亥站与龙羊峡水量不平衡原因分析

水文站与水库产生水量不平衡的原因是多方面的，包括水务计算的各个环节、水文站测量误差以及外界因素导致的系统误差等，分析水量平衡常采用的分析思路大体有3个方面：首先是水务计算合理性分析；其次是上下游水电站水量平衡联合分析；第三，水文站与水电站水量平衡联合分析。

2.1 水务计算合理性分析

2.1.1 龙羊峡水电站水务计算方法

根据实际生产应用情况，当前真正满足生产精度的出入库流量大多是采用水量平衡反推法，其计算的基本依据就是水库的水量平衡方程[1]：即

可见，电站入库流量的计算精度取决于时段内水库蓄水量的变化ΔV、发电流量Q发、弃水流量Q弃、损失流量Q损的测量及计算精度。

1）发电流量计算。龙羊峡水电站发电流量的计算是通过时段平均出力利用设计的水轮发电机组HQN曲线求得平均流量。

2）泄洪（弃水）流量计算。龙羊峡水电站水库泄流分溢洪道和泄洪孔流两种，在泄洪建筑物型式、尺寸已定的情况下，因而溢洪道和孔闸的泄流量都是水位（或库容）的单值函数，总下泄量必定也是水位（或库容）的单值函数，所以在实际计算中利用水库水位-闸门开度-泄流量的关系曲线，求得泄水流量。

3）水库水量损失计算。水库建成后，坝上形成很大水体，水库的水面积远远大于原来的河面。一部分原来是陆面蒸发的地方变成了水面蒸发，因而要考虑水库建成后所增加的水量蒸发损失。另外水库蓄水量经过坝基、泄洪道船闸和库底还有各种渗漏损失。

水库渗漏损失包括坝基渗漏，闸门止水不严，库底渗漏等，详细的渗漏损失计算可利用渗漏理论[2-3]的达西公式[3]估算。对于已经投入较长运行时间的水库坝基与库底渗漏一般比较稳定，一般研究时采用经验值。

2.1.2 龙羊峡水电站水务计算的合理性及精度分析

目前国内外水库的水务计算基本上均采用水量平衡反推法，相关规范也规定了本计算办法，从实际的应用中看该计算办法是科学合理的。龙羊峡水电站水务计算采用国内外通用的水量平衡反推法，从计算的原理来讲，计算遵循能量守恒原理，计算方法是合理可行的。从计算过程看，目前各类基础数据的采集，以及后期的计算过程均由自动化系统完成，可靠性较高。在计算过程中要采用相应的设计曲线，由于这些设计曲线一般均是模型试验值，所以对计算精度可能会产生一定影响。

但电站的各种设计参数一般都是比较稳定的，在计算中采用设计曲线值相对来说计算比较可靠，精度是能满足要求的，而且延续性较好。

总之各种曲线，包括动库容对于水务计算的精度是有一定影响的，从龙羊峡水电站长期序列资料分析来看，由于计算方法及应用的曲线都没有发生过变化，其序列资料的一致性比较好，短期资料中误差影响比较突出。总体认为其计算精度是满足水库管理规范要求的。

2.2 水量平衡多站联合分析

军功站位于唐乃亥上游，该地区受人类活动影响较小，流量过程较为可靠，可作为龙羊峡、唐乃亥水量平衡分析的参证站[4]。

分别选用2003—2012年军功、唐乃亥水文站水量和龙羊峡水电站入库水量资料，以2007年为分界点，分析军功、唐乃亥和龙羊峡3站年水量的变化情况。图2为2007年前后军功、唐乃亥、龙羊峡水量对比图。

图2 2007年前后军功、唐乃亥、龙羊峡水量对比图Fig. 2 Comparison of water at Jun Gong and Tang Naihai and Longyangxia before and after 2007

由图2可以看出2007年后3站水量均有不同程度的增长，但唐乃亥站水量增幅最为显著，与上游军功站及下游龙羊峡水电站的水量变化情况产生明显差异。

以2003—2012年同期各月唐乃亥月实测水量、军功月实测水量、龙羊峡月入库水量为样本，绘制唐乃亥-军功月水量关系图3；龙羊峡-军功月水量关系图4。从图可以看出，龙羊峡与军功站2007年前后月水量相关关系较一致，未发生明显变化，而唐乃亥水文站与军功站在2007年前后月水量相关关系相对发生了较大改变，2007年以后唐乃亥的月水量较军功站增大。

图3 唐乃亥、军功2007年前后月水量相关关系图Fig. 3 Comparison of the monthly water at Jun Gong and Tang Naihai before and after 2007

图4 军功、龙羊峡2007年前后月水量相关关系图Fig. 4 Comparison of the monthly water at Jun Gong and Longyangxia before and after 2007

军功、龙羊峡、唐乃亥3站位于同一气候区，水量的变化趋势应该具有较好的一致性。采用Kendall秩次相关检验法分析3站水量变化趋势。取置信水平α=0.05，查表得Uα/2=1.96，对军功实测流量序列、唐乃亥实测流量序列、龙羊峡水电站入库流量序列进行Kendall秩次相关检验[5]。

由表1可以看出，军功及龙羊峡的水量过程均通过检验，表明其变化趋势不明显；而唐乃亥水量过程没有通过检验，呈现显著增长的趋势。由此可以认为龙羊峡与军功的水量过程的变化规律是更为接近的，而位于中间的唐乃亥水量过程变化与上下游不同。

表1 Kendall秩次相关检验结果Tab. 1 Result of the Kendell order correlativity check

根据分析，从长序列资料分析来看，唐乃亥水文站与龙羊峡水电站水量平衡在2007年之前相关性比较好，认为水量平衡一致。2007年之后出现了异常，两者水量平衡出现不平衡现象，多站联合分析认为2007年以后出现两者水量不平衡现象主要原因是唐乃亥测量水量异常增大。从客观上看自2007年之后唐乃亥断面测验方式和水沙条件发生了多次改变，这对测量影响比较大。龙羊峡水务计算的精度也是影响水量平衡的一个因素，但由于计算及引用基础数据的一致性，水务计算的误差对水量平衡的趋势不会造成影响。

3 结语

流域水文站及电站水量平衡一直是困扰流域水文计算及研究的突出问题。本文通过对龙羊峡水电站水务计算的合理性及唐乃亥水文站与多站的联合分析，阐述了两者水量不平衡的主要原因。

水量平衡的影响因素比较多，限于技术水平及调查资料的不完整，本文对于两者的水量平衡问题只做了简要分析，因此需要在以后的研究中进一步充实成果。

[1] 徐正凡. 水力学[M]. 北京: 高等教育出版社，1986.

[2] 李欣. 渗流场反演计算及在水库渗漏控制中的应用究[D]. 长春：吉林大学，2004.

[3] 束龙仓，鲁程鹏，李伟. 考虑参数不确定性的地表水与地下水交换量的计算方法[J]. 水文地质工程地质，2008（5）: 68-71.SHU Longcang，LU Chengpeng，LI Wei.Calculation method of surface water and groundwater exchange capacity the uncertainties of the parameters[J]. Hydrogeology and Engineering Geology，2008（5）: 68-71（in Chinese）.

[4] 青海黄河上游水电开发有限责任公司，河海大学. 黄河上游水文站、梯级水库群水量平衡方法研究总报告[R].西宁：青海黄河上游水电开发有限责任公司，2007.

[5] 李玉水. 随机变量的Kendall相关系数推广[J]. 莆田学院学报，2009（5）: 15-17.LI YUshui. Generalization of kendall correlation coefficient among random variables[J].Journal of Putian University，2009（5）：15-17（in Chinese）.