水库建设运行对三岔河流域径流与洪水特征变化影响分析

许 浩，雷晓辉，宋万祯,3，秦 韬，宋 巍，舒栋材(1.北京工业大学建筑工程学院，北京 1001；.中国水利水电科学研究院，北京 100038；3.天津大学建筑工程学院，天津 30007；.北京市南水北调团城湖管理处，北京 100089；.贵州省水文水资源局，贵阳 000)

人类活动和气候变化对流域径流的影响是当前全球变化领域的研究热点，国内外学者的相关研究表明人类活动和气候变化对水文循环产生了重要的影响。最近几十年随着人类活动的加剧尤其是水库的建设，使流域径流和洪水特征发生了明显的变化。杜军[1]通过分析渭河流域人类活动和气候变化与径流的关系，显示人类活动对流域径流具有重要的影响。王随继[2]分析了20世纪80年代以来黄河流域各个年代人类活动对径流增长的贡献值，指出不仅在每个年代甚至所有年代人类活动对流域径流的改变都起到至关重要的作用。从人类活动的主要类型来看，水库建设对河流水文情势的影响最为突出。近100 a来，世界各地兴建了超过4.7万座大型水库和8万座中小型水库[3,4]，至2012年，仅长江流域已建有47 842座水库。水库的建设规模和目标已经在不同程度上影响了下游河流的变化，这些变化也使生物的多样性受到影响[5-8]。Tadanobu Nakayama[12]建立了National Integrated Catchment-based Eco-hydrology (NICE)模型来评估三峡水库和引水工程的建设对长江洪水的影响，并预测在夏季季风初期，三峡大坝的洪水风险程度将增大。Ren[13]等的研究结果表明，水库对流域月径流分布规律具有很大影响。此外，研究表明在一些地区水库的水位与地下水位具有很好的正相关。本文以三岔河流域为研究区域，探讨该区域水库建设与径流的关系，以及探索水库对径流和洪水特征的影响。

1 研究区域概况

三岔河是乌江的支流，发源于贵州省西部乌蒙山东麓，全长325.6 km，最大落差1 339.8 m。三岔河流域面积为8 524 km2，占贵州省总面积的4.8% 。流域年降水量为700～900 mm，雨量分布不均，多集中在6、7、8月份，占全年降雨量的 56%。径流多集中于6、7月份，占全年径流量的40%。截止2012年，三岔河干流已建有69座水库，其中20世纪80年代以前共兴建50余座小型水库，这与之后兴建的水库总库容相比仍是很小的。在1991-2000年和2001-2010年，水库库容分别增加4.01和6.23 亿m3，分别占三岔河流域水库总库容的36.7%和56.9%。1995和2003年分别建成了普定水库(3.99 亿m3)和引子渡水库(5.29 亿m3)2座大型水库，因此1995和2003年是三岔河流域水库库容跳跃性变化的节点年。图1为三岔河流域地理位置示意图，图2反映了流域水库库容随年代变化的过程，表1为三岔河流域各类型水库数目及库容随年代变化，表2为三岔河上游主要水库的特征值及运行参数。

图1 三岔河流域Fig.1 Map of Sanchahe River basin

图2 三岔河上游流域和三岔河流域库容变化过程Fig.2 Reservoir storage capacity at upstream and whole Sanchahe River basin

表1 三岔河流域各类型水库数目及库容随年代变化 座Tab.1 The number and total capacity of reservoirs in different periods and different scales

表2 三岔河上游主要水库特征Tab.2 Reservoir characteristics of upstream Sanchahe River

2 数据来源及方法介绍

2.1 数据来源

文章所采用的气象水文及水库数据均由贵州省水文水资源局提供，其中日降雨数据选取了位于三岔河流域内30个雨量站1963-2012年的历史数据。水文数据采用阳长水文站、鸭池河水文站和洪家渡水文站1963-2012年的历史数据，其中阳长站位于三岔河中部，是三岔河上游径流量的观测站；洪家渡站位于六冲河，是六冲河流域径流量的观测站；鸭池河站位于三岔河流域下游，是六冲河和三岔河汇流后的观测站。

2.2 方法介绍

文章主要采用M-K非参数检验和线性回归对年径流深等时间序列进行趋势及显著性分析。M-K非参数检验无视样本值、分布类型的影响，是水文序列趋势性和显著性分析广泛使用的方法，被世界水文气象组织所推荐[14]。M-K检验的原理如下。

假设水文时间序列为xt,其对偶数p的计算公式为：

(1)

再根据p值确定t，进而求得Var(t)和U。公式如下：

(4)

当U≥U0.05=0.96时，表明该序列的趋势变化显著，反之|U|

通过Mann-Kendall 法原理可知，Mann-Kendall 法检验趋势特征的途径是通过U值与假设的置信水平的标准值进行比较，得出有无显著趋势特征。

线性回归是利用数理统计中回归分析，来确定2种或2种以上变量间相互依赖的定量关系的一种统计分析方法，运用十分广泛。线性回归模型T检验是分析序列数据显著性的有效方法。

此外，为验证水库建设与洪水特征变化的关系，本文采用累计频率曲线分析了阳长站和鸭池河站的最大洪峰流量变化。

2.3 指标选择

雨水降落到地面后主要分为了3部分：形成流域径流、自然损耗和非自然损耗。自然损耗主要是蒸发，非自然损耗指通过河道、水库等直接或间接的人类活动用水以及水库水面蒸发。因此河川径流主要耗于人类活动用水，所以这部分耗水的变化是影响下游径流量的主要因素。

径流系数是一定汇水面积内总径流量与降水量的比值，是流域水资源规划、调度的重要依据。径流系数可以反映不同下垫面的水文特征。Parida[15]以径流系数为指标应用神经网络(ANN)预测半干旱地区未来水文响应特征，结果显示土地利用/植被覆盖对径流系数变化的贡献值率达52%。由于水库不是自然水体的一部分且水库的建设代替了原有的土地利用类型，因此水库可看作是一种特殊的土地利用。一般流域降雨最终归于4部分：直接径流(wr),流域蓄水(ws)，蒸发(we)和人类活动用水(wh)，因此径流系数(cr)可表达为：

(5)

已有研究表明，水库改变了河道水流特征，水库蓄水自然也就影响流域出流量，从而改变了径流系数。年径流系数(ACRs)是年径流量与年降雨量的比值，本文基于水文数据以及对年径流系数的分析，探讨年径流与水库的关系。

此外，为分析阳长站和鸭池河站的洪水变化特征，分别选取了最大洪峰流量(AMPF)、最大3 d洪量(AM3FV)和最大7 d洪量(AM7FV)作为分析指标。

3 结果与分析

3.1 年径流深、降水和蒸发皿蒸发趋势性分析

采用线性回归分析阳长站和鸭池河站的年径流深变化趋势，结果如图3所示。从图3中可以看出，阳长站控制流域的年径流深变化趋势稍稍有所下降，在95%置信水平下没有显著变化，分析原因是由于阳长站位于三岔河上游，截至2012年三岔河上游共建有11座小型水库和2座中型水库，总库容为0.4 亿m3，仅是阳长站年平均径流的3%，对流域上游的水文循环机制未产生影响。此外，三岔河流域上游的降水量的增长率为2.79 mm/a，在置信水平95%情况下，也没有显著变化。与阳长站不同，鸭池河站控制流域年径流深的下降率为4.01 mm/a，在置信水平95%情况下，变化是显著的，在一定程度上流域降水量的减少是引起这一变化的因素。从图3中可以得出流域降水量的下降率为4mm/a，此外整个流域水库的总库容为10.95 亿m3，占鸭池河占年径流量的23.7%，由水库蓄水造成的耗水是不可忽略的。水面蒸发也是影响流域径流变化的重要因素。从图3中看出，流域上游蒸发量的下降率为3.05 mm/a，相比于流域上游，整个流域的蒸发量的变化率更大为3.75 mm/a，在置信水平为95%情况下是显著的，这一变化主要是由净太阳辐射强度的减弱引起的[17]。

图3 年径流深、降水量和蒸发皿蒸发量的趋势Fig.3 Trend of annual runoff depth, precipitation and pan evaporation

3.2 年径流系数的变化趋势

由年径流深、降水量和蒸发量的变化趋势可知，水库是影响流域年径流量变化最重要因素之一。由图3可知，在三岔河上游流域，降水量的趋势是增长的，蒸发量趋势是下降的，正常情况下径流量应该是增长的，数据结果显示，径流量反而是降低的，推测是由于人类活动对上游流域径流变化产生了重要影响，以上游水库建设来反映这一情况。对于整个流域，尽管年降水量和蒸发量的变化趋势是减少的，但是年径流深的下降率要高于理论值，这是不合理的，因此由于水库建设而造成的耗水是必须考虑的。

地下水对产流也有较大的影响，从目前的研究发现，贵州地区地下水开采量较小[16]，地下水的减少对径流的减少影响十分微弱。蒸发量是与气温和下垫面有关的，由于缺少实际蒸发资料，故以蒸发皿蒸发量的变化趋势来反应流域的蒸发情况。尽管蒸发皿蒸发量不能代替实际蒸发，但是蒸发皿蒸发量与实际蒸发量的变化趋势是一致的。由上文对整个三岔河流域蒸发量变化趋势的分析结果可知蒸发量的变化趋势是下降的，这与秦年秀等[17]对贵州中西部地区蒸发皿蒸发量的研究成果是一致的，因此可以说明三岔河流域的蒸发量下降趋势是基本合理的。

水库将上游来水拦截并用于农业、工业以及生活等，这就会使原本该从流域出口流出的一部分水耗损掉。一些多年和年调节水库也会改变部分河道水流的原有状态，从而会间接的降低了流域出口的径流量。

通过采用线性趋势回归和Mann-Kendall秩次相关检验法对年径流系数趋势进行分析，结果如图4所示。在三岔河上游流域和整个三岔河流域的ARCs趋势都是下降的。阳长站和鸭池河站的下降率分别为-0.002 /a和-0.001 /a。M-K的检测结果显示，阳长站在1984-2010年置信水平95%下的下降趋势是不显著的，尽管在1988和2000年出现了突变但是对整体的下降趋势没有较大的影响。鸭池河站的年径流系数从1972年开始下降，并在1995年出现突变点，2003年之后下降趋势比较明显(sig<0.05)。通过调查发现发生突变的年份与大规模水库建设的时间是一致的。1981年，在三岔河上游干流落成了第1座中型水库——板桥水库，该水库位于阳长水文站上游，而后阳长站的年径流系数开始下降。1983-1998年，年径流系数保持稍稍增长趋势，1999之后，当1座中型水库(库容1 387 万m3)和1座小型水库(库容270 万m3)在三岔河上游干流建成后，阳长站的年径流系数变化转为下降趋势。

对于整个三岔河流域，年径流系数下降趋势显著，与水库的建设更加紧密相关。自1971年之后，一系列中小型水库开始建设，年径流系数开始下降。1995年，普定水库落成于三岔河干流，在之后几年，年径流系数变化趋势出现跳跃但不明显。2002年之后随着引子渡水库和阿朱水库(中型)的建设完成，年径流系数下降趋势明显。

为定量分析三岔河上游流域和整个流域的年径流系数变化情况，分别将阳长站和鸭池河站各年代的年径流系数列于表3。由表3可知，阳长站的年径流系数逐年代下降，1981-1990年和2001-2010年的年径流系数较于其他年代变化较大，这与M-K的检验结果是一致的。对于鸭池河站，1971-1980年的年径流系数由0.42增加为0.43，而在1981-1990年又下降为0.42。在1991-2000和2001-2010年年径流系数变化为-0.02，最终年径流系数为0.38，这一结果与M-K的检验结果也是一致的。

图4 阳长站和鸭池河站年径流系数变化趋势Fig.4 The M-K sequential trend test of annual runoff coefficients of Yangchang and Yachihe stations with forward (solid line) and backward (dash line)

表3 阳长站和鸭池河站各年代的年径流系数Tab.3 Difference of average annual runoff coefficients between decades

3.3 洪水特征变化分析

如图5所示，阳长站AMPF在1976年开始增加而后在2004年开始下降，整体变化趋势在置信水平95%下不显著(sig>0.005)，AM3FV和AM7FV的变化趋势与AMPF相似。由于近50 a阳长站上游并未兴建大中型水库，因此三岔河上游小型水库的建设并未对阳长站的洪水特征造成影响。通过线性回归模型对鸭池河站洪水序列进行分析(见图6)，结果显示该站的洪水下降趋势显著。M-K检验结果显示，在2000年之后，AMPF的变化趋势持续下降，在2003年出现跳跃，但是跳跃点位于无关紧要的区域，意味着下降趋势是不显著的。2009年之后，AMPF在置信水平95%是显著的。查证历史，1995和2003年在三岔河下游干流分别建成了普定和引子渡2座大型水库，其中引子渡水库库容为5.29亿m3，距鸭池河站31 km，普定水库库容3.99亿m3，距鸭池河站93 km。仅仅通过趋势分析不能充分推测三岔河整个流域的洪水特征变化与普定、引子渡水库的建设有关。

图5 阳长站AMPF,AM3FV和AM7FV趋势分析Fig.5 Trend analysis of AMPF, AM3FV and AM7FV at Yangchang station

图6 鸭池河站AMPF,AM3FV和AM7FV趋势分析Fig.6 Trend analysis of AMPF, AM3FV and AM7FV at Yachihe station

为验证洪水特征变化与水库建设的关系，分别绘制阳长站和鸭池河站AMPF增长曲线阐明这一推测。鸭池河站2003年明显出现折点，而阳长站变化并不明显，这个结果与图5、图6是一致的。通过表4可知，在普定水库建成后平均AMPF、AM3FV、AM7FV是增长的，而在引子渡水库建成之后是大幅减小的。

表4 水库建设前后AMPF、AM3FV 和 AM7FV平均值Tab.4 Average AMPF、AM3FV and AM7FV before and after reservoir construction

本文基于AMPF长序列，将1963-2012在三岔河流域发生的洪水分为3个等级：特大洪水、大洪水和小洪水。

如表5所示，阳长站1963-1972年仅发生了1场小洪水，而在1973-1982年发生了3场小洪水、3场大洪水和1场特大洪水。1983-1992年、2003-2012年发生的洪水场次少于1973-1982年，但仍多于1963-1972年。结合三岔河上游流域水库建设情况，在建成的13座水库中仅有2座小型水库具有蓄水能力，对汛期的洪水调节作用很小。尽管在1981和2007年分别建成2座中型水库，但这2座水库主要用于发电，而且其中一座是日调节水库，调蓄作用不太明显。

表5 1963-2012三岔河流域发生洪水场次 次Tab.5 Number of floods of the three grades at Sanchahe River basin during the period 1963-2012

鸭池河站2003-2012年发生洪水场次明显减少，在之前40 a，发生洪水的频率没有太大变化。鸭池河站的汇水面积较阳长站大，因而发生洪水的概率更大。1963-2003年，每10 a至少发生2场小洪水和1场大洪水，每20 a发生一场特大洪水。然而2003年之后未发生洪水，而实际上自1993年流域洪水场次开始减少。尽管在1993-2002年发生了4场洪水，但分别是3场小洪水和1场大洪水。这一现象表明，流域内的大型水库的建设与运行削减了洪峰流量。由于普定水库距鸭池河站较远，可以在一定程度上削减洪峰流量，然而引子渡水库距鸭池河站较近，且库容也比普定水库大，考虑三岔河日平均径流量0.157 亿m3，表明引子渡水库对洪峰的削减起到更重要作用。

4 结 语

(1)通过分析三岔河流域水库的建设运行，可知在三岔河流域大中型水库的建设尤其是大型水库直接影响了三岔河流域水库库容，从而改变了流域的径流过程。文章分析了阳长站和鸭池河站年径流趋势变化，阳长站以上降雨量稍稍增加且蒸发量有所减少，然而该站的径流量是减小的，鸭池河站的年径流的减小程度比预期的要大，说明水库耗水可能改变了三岔河径流过程。为探寻年径流深的变化与水库库容之间的关系，对年径流系数进行了大量统计分析，结果表明年径流系数的变化趋势与水库的建设是同步的。

(2)修建较大库容水库会引起年径流系数减小，在三岔河流域普定和引子渡水库对流域年径流系数具有更大的影响，同时也改变了洪水特征，降低了洪峰流量和洪量。

(3)水库的运行机制尤其是多年调节和年调节水库对径流和洪水特征变化也具有较大的影响。

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