淮河流域闸坝对径流量的影响分析

吕海深，丁 然, 朱永华

(1.河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室 全球变化与水循环国际合作联合实验室，南京 210098；2.河海大学水文水资源学院，南京 210098)

淮河流域地处黄河流域与长江流域之间，是中国的七大流域之一，同时，它也是我国人口最稠密的流域和主要种植区。20世纪中期，随着全球经济的复苏和人口的膨胀，人们致力于修建大量水利工程设施以抵御洪水的威胁，并用以满足日益增长的水资源需求[1]。但大坝和防洪闸的过度建设也会引起径流变化，导致更多河流干涸，并进一步加剧水环境的恶化。2005年中国环境公报表明，淮河流域水质最差，且流域内达不到国家标准的河流多达83%以上，目前，淮河流域正面临着洪涝灾害、水资源匮乏、高调节、高污染、水生生态退化严重等水问题[2]。

水利工程建设对河流流量及河道生态环境造成的影响历来都受到人们广泛关注，而通过趋势分析对流域水文特性进行调查的研究也屡见不鲜。Munoz[3]等人调查了桑托默拉大坝对河网的环境影响，旨在适当整合水库和下游的水质和水量要求；Albanakis[4]等人探讨了希腊新形成的Thesaurus水库储层缺氧条件和硫化物形成的原因，发现硫化物形成是必然的，然而，大坝在运行过程中可以通过减少坝区的滞流而消除硫化物；Bednarek[5]回顾了过去几年大坝拆除对泥沙量、生物多样性和水产养殖等可能产生的生态影响，认为大坝拆除虽然有争议，但却是河流恢复原有生态的重要替代方案[6]。

在本文中，我们对淮河流域的径流变化进行了趋势分析。首先，根据淮河流域近60年的月径流量资料，采用MK检验检测分布于淮河干流、沙颍河、南部山区、洪汝河4个区域共15个水文站的径流流态变化趋势。其次，分别从站点性质及时间尺度两方面入手，对径流趋势进行深入研究，分析可能存在的对径流的影响因素，并将1961-2000年近40年的分析结果与1961-2016年近60年的分析结果做比较，总结最近十多年径流变化的原因。最后，我们将讨论导致径流变化的可能原因，包括降水量的变化、大坝和防洪闸的调节、大型水利工程的修建以及其他可能影响因素。本研究将有助于增加对淮河流域历年来水文变化的认识，为淮河流域的水文模拟、水利工程调节对流态影响的定量评价、水资源综合管理等提供科学依据。

1 研究区域和目的方法

1.1 研究区域

淮河流域(图1)地处我国东部，面积为27 万km2。流域西起桐柏山、伏牛山，东临黄海，南以大别山、江淮丘陵、通扬运河及如泰运河南堤与长江分界，北以黄河南堤和泰山为界与黄河流域毗邻，其总体地势自西北向东南倾斜，丘陵、山地分布在流域的周围，中央是面积广阔、起伏平缓的平原。这种地势格局在一定程度上使得淮河上游河道比降较大，下游河道比降较小，若遇暴雨，周围丘陵山地的洪水迅速汇集到平原地带，易造成洪涝灾害[7]。

图1 研究区域图

淮河流域位于我国季风气候南北过渡带，北部为温暖带半湿润区，南部为亚热带温润区。年平均气温13.2～16 ℃，呈南高北低、内陆高于沿海的特点。年平均蒸发量900～1 500 mm，依次由北至南呈现递减趋势。年平均水资源量为835 亿m3，日照时间1 990～2 650 h。淮河流域多年平均降水量约为920 mm，由南向北递减，山川多于平原，沿海多于内陆，由于降雨多集中在夏季，因此在6-9月，流域降水量约占年均降水量的50%～80%，这就导致了淮河流域的暴雨洪水多发生在汛期的几个月里[8]。

迄今为止，淮河流域上已经建造了5 700多个水库，其中36个大型水库，控制着整个流域的1/3。拦河闸坝多达5 000 有余，大中型水坝约600 座。也就是说，每50 km2就有一座大坝，平均每个支流有近10座闸门或大坝。大坝和防洪闸的增多在一定程度上引起径流的变化，导致径流高度人为化，在枯水季节，河流被众多闸坝分隔为段，形成一潭死水的景象；在洪水高发季，多年续存的污水倾泻，极易引发流域性的突发水污染事故，进一步加剧水环境的恶化。

1.2 研究数据和站点

研究使用淮河干流的6个水文站(大坡岭、长台关、息县、王家坝、鲁台子、蚌埠)、沙颍河的5个水文站(昭平台、白龟山、漯河、周口、阜阳)、洪汝河的两个水文站(庙湾、班台)以及南部山区的两个水文站(潢川、蒋家集)。此外，在沙颍河以及淮河干流选择10座主坝和防洪闸(包括3座水库和7座防洪闸)。所选水文站根据其位置和调节能力(库容与年径流的比值)分为3组。第一组为高调节站，包括位于白龟山水库下游的白龟山水文站和位于泼河水库下游的潢川水文站；第二组为中控站，包括漯河站、周口站、阜阳站、蚌埠站。第三组是昭平台、大坡岭、长台关、息县、王家坝、鲁台子、庙湾、班台、蒋家集等无管制站。

所有的站点的径流数据都是从1961年到2016年记录的(表1和表2)。自2003年底南水北调中线工程开始之后，考虑到淮河流域径流量、降水量、蒸发量等水文条件会发生一些改变，本文将对1961-2000年及1961-2016年的径流数据分别进行分析，以研究近十多年人为因素是否会对淮河流域水文特征产生较大影响。

1.3 研究方法

1.3.1 Mann-Kendall检验

本文采用一种简单且常用的非参数方法，即MK检验[9]。非参数检验方法亦称无分布检验,其优点是不需要样本遵从一定的分布也不受少数异常值的干扰,更适用于类型变量和顺序变量,计算也比较简便。本文以月、季(10月至5月为旱季，6月至9月为雨季)及年尺度来检测并分析径流量变化趋势。

1.3.2 趋势检验方法过程

在MK检验中，零假设H0是:数据(X1,X2,…,Xn)是n个独立同分布随机变量的样本[在本文中样本Xi为径流量，m3/s;n分别为40(1961-2000年)、56(1961-2016年)]，双边检验的另一个假设H1是:Xk和Xj的分布对于所有的k,j≤n以及k≠j是不相同的，检验数据s的计算方法是：

(1)

(2)

当n≥8时，统计量S近似正态分布，其均值E(S)和方差Var(S)如下:

表1 淮河流域15个水文站详细情况

表2 淮河流域15个水文站附近7座主坝及水闸详细情况

E(S)=0

(3)

(4)

式中：ti为第i个程度的联系数。

标准化统计量(Z)表示为:

(5)

标准化的MK统计量Z遵循均值为0、方差为1的标准正态分布。样本数据MK统计量S的概率值P可以用累积正态分布函数估计：

(6)

如果P值足够小，这种趋势就不太可能是由随机抽样引起的。正Z值和负Z值分别表示径流增加和减少的趋势[10]。在0.05的显著性水平上，如果p≤0.05，则认为历年来径流变化存在的趋势具有统计学意义。这种判别方式在本研究中表现为在α的显著性水平上，如果|Z|>Z1-α/2，则径流变化趋势具有统计学意义，本研究设α为0.05和0.10，即在95%和90%的显著水平上对应的Z1-α/2分别为1.96和1.65(查Z值正态分布表可得)。

1.3.3 平均值求月径流量

为了更加简明扼要的分析径流量变化趋势，本文对1961-2016年每月径流量采用平均值计算法。分别统计出56年1月份至12月份及季度、年均径流量，并采用逐差递减的方式，计算出两年同月之间的差值，并对这些差值取平均，得出的平均值通过：

(7)

通过公式计算出的值为mm，因径流逐年一记，故与1相比将其转换为mm/a，此外，对于季尺度及年尺度，应在mm/a的基础上除以月数[11]。

2 结果分析

2.1 不同站点的径流变化趋势结果分析

1961-2000年(左)和1961-2016年(右)淮河干流、沙颍河、洪汝河及南部山区上下游15个水文站的月、季(雨季和旱季)、年径流量演变趋势结果如表3所示。

表3 1961-2000年及1961-2016年径流趋势分析结果

注：NS表示在显著水平上不显著；粗体文本表示雨季的结果；表内文本表示年变化趋势(mm/a)，负值表示减少，正值表示增加。

2.1.1 高调节水文站

高调节性水文站是指地理海拔位置相对较高，且受水库调节作用影响较大的水文站点，一般位于河流的源头附近。本研究中高调节水文站有两个，分别为沙颍河上受白龟山水库调节的白龟山水文站和南部山区受泼河水库调节的潢川水文站。

白龟山站位于白龟山水库的下游，其水库调节量约为白龟山流域年径流量的1.75倍，分析结果表明2000年之前在水库的严格调节下，白龟山站的径流除了1月和11月之外的绝大多数月份都具有显著变化的趋势，尤其是在雨季，径流受降水影响呈现较为显著的增加趋势(6月MK=1.90)；2004年之后尽管径流在很大程度上受到降水等水文因素的影响，但经过南水北调等大型水利工程影响及水库的严格调节作用，除1月、5月、7月之外的其他月份白龟山站的径流均显著减少：①水库在旱季蓄水灌溉和雨季防洪安全时，对径流进行了严格的调节，水库的供水功能比防洪功能更为突出(图2和图3)；②雨季水库难以蓄存的降水通过南水北调工程蓄积至北方缺水地区，从而增加了雨季径流的下降趋势。因此，水库的调节以及南水北调工程对该站径流的改变是非常明显的。

图2 1961-2000年白龟山流域径流趋势分析结果

图3 1961-2016年白龟山流域径流趋势分析结果

2.1.2 中控水文站

本研究中中控站共有4个，分别为位于马湾闸下游的漯河站、位于漯河闸下游的周口站、位于周口闸下游的阜阳站、位于蚌埠闸下游的蚌埠站。根据水闸蓄水量和调节能力，水库附近的水流流态比闸门下游的流态得到了更适度的调节(见表2)。调压最大的站是阜阳站，调压最小的站是马湾闸下游的漯河站，调压能力分别为2.45%和0.52%，均远低于水库库容。

在对这4个站的径流分析中，发现蚌埠、周口、阜阳三四月径流出现明显减少。从趋势显著的月份数来看，蚌埠站有4个月趋势递减，周口站有3个月的趋势递减，阜阳站有2个月的趋势递减，漯河站为零，这些结果与这4个水闸的库容与调节能力相一致，而且均处于旱季，由此可见，泄洪闸的调节对减少月径流具有重要意义，特别是在枯水期(图4和图5)。虽然泄洪闸的功能与水库大体相同，但由于泄洪闸调节能力小，其调节径流的趋势幅度也较小。

图4 1961-2000年漯河、周口、阜阳、蚌埠流域径流趋势分析结果

图5 1961-2016年漯河、周口、阜阳、蚌埠流域径流趋势分析结果

2.1.3 无管制水文站

本文中无管制水文站共有9个，分别为昭平台、大坡岭、长台关、息县、王家坝、鲁台子、庙湾、班台、蒋家集。本文以代表性较高的昭平台水文站为例进行分析。昭平台水文站位于昭平台水库上游，径流过程不受水库调节的影响，但所处地理位置较高，且因与南水北调工程距离相差不远，因此径流在2004年之后很可能受其影响。从分析结果来看，对于2000年之前的径流趋势，除少数月有下降趋势之外，其余月份均有较为明显的增加或不显著，但在2000年之后，昭平台水文站径流有下降趋势的月份显著增加，且有两个月是在易发生洪水的雨季(图6和图7)。出现这种情况的可能原因主要有两个，一是南水北调工程的建成在一定程度上影响了区域蒸发，进而导致径流下降趋势增大；二是降水的减少使得下游居民需水量增加，通过径流补充水库蓄水以满足沿岸居民生存需求。

图6 1961-2000年昭平台流域径流趋势分析结果

图7 1961-2016年昭平台流域径流趋势分析结果

2.2 不同时间尺度的径流变化趋势分析

2.2.1 月变化趋势

研究发现1961-2000年的径流趋势分析结果表明，在3月份以及4月份，除去漯河、庙湾、班台站之外，其余12个站的径流均或多或少地出现下降趋势。调查发现，淮河流域三四月份正值农作物播种(春小麦、水稻等)，灌溉用水需求量增大，因此大多数大坝及水闸都需要对径流做出一定的调节以满足农业灌溉的需要，特别是在高控制水文站以及中控站，闸坝的调节作用使得径流在一定程度上呈下降趋势。此外，在降水较少的春季，降雨量不足也是影响径流量的一大原因，此时应注意蓄水以降低旱灾发生的可能性。

对于1961-2016年的径流趋势分析结果表明，虽然三四月份很多站点的径流趋势不显著，但仍受春季灌溉需求影响，径流在整体趋势上有下降趋势。而相较于1961-2000年六七月份径流趋势过于显著的增加来说，虽然1961-2016年部分站点六七月份径流存在下降趋势，但整体径流仍处于一个较高的增加水平，因此，应注意这两个月的防洪工作，提高沿岸居民的防洪意识，并通过水利工程设施做好径流的调节。

2.2.2 雨季及旱季变化趋势

1961-2000年研究表明，在所有15个观测点的雨季尺度上除了南部山区的蒋家集站，其余站点径流均未发现明显的下降趋势，且增加趋势较为明显，可能的原因是蒋家集上游海拔比较高的地方有调节能力和库容均比较大的梅山水库，两者距离虽然较远，但水库强大的调节能力保障了蒋家集流域雨季的防洪安全。而同样可能受降雨及调节能力影响，旱季径流除了受水库调节较强的高控制水文站白龟山站和潢川站有略微下降趋势之外，中控站漯河、周口、阜阳径流变化均不显著，而其余站点绝大部分均有增加趋势，这与水库和防洪闸的调节能力相一致。

从1961-2016年15个站点径流趋势分析结果来看，在雨季尺度上，除了高控制站白龟山站以及中控站漯河站、周口站、阜阳站的径流有较为显著的下降趋势之外，其余站点径流均显著增加；而在旱季尺度上，也是只有白龟山、潢川受水库调节较高的水文站和昭平台、漯河受防洪闸调节的水文站径流有显著下降趋势之外，其余站点径流均有所增加或变化不显著，同样的与水库和防洪闸的调节能力相一致。但其趋势仅限于与大坝和水闸的调节能力存在相关性，阜阳、蚌埠这两个防洪闸的调节能力较弱，因此径流没有下降趋势。此外，从整体上看，枯水期(即旱季)的下降趋势比丰水期(即雨季)的下降趋势更为明显，因为大坝和防洪闸在枯水期总是关闭蓄水，在丰水期则开放防洪。

2.2.3 年均变化趋势

结合两种分析结果可以发现，整个研究区的径流无明显下降趋势，但受闸坝调节作用影响，相较于无管制站来说，高控制站和中控站的径流增加趋势不会过于明显，且部分受调节站点径流仍会出现下降趋势，这种下降趋势与这些坝、闸的调节能力密切相关，显而易见，水库及防洪闸容量越大，下降趋势越明显。此外，分析可见1961-2000年所有月份径流均无下降趋势，由此可以推断除去降水影响之外，大型水利工程(如南水北调工程)的建设也会在一定程度上对径流产生影响。

3 结 论

趋势分析作为一种简单而有力的检验方法，被用来定性分析水文或气象要素在时间序列上的变化，特别是在受人为因素影响很大的流域，典型的水文模型很难通过分析得出令人满意的结果。本文通过Mann-Kendall非参数检验法，对淮河流域径流变化趋势进行检测，根据检验结果分别从站点(高调节站、中控站、无管制站)及不同时间尺度(月、季、年)分析，可以总结出以下结论：

(1)从不同站点受到的调节程度不同方面来看，淮河干流中上游流域部分不受大坝及防洪闸调节的无管制站点径流均无明显下降趋势；沙颍河流域及南部山区流域除不受管制的昭平台站之外，其余站点均径流均有显著下降趋势，尤其是在旱季，且上游水库或防洪闸调节能力越强，径流下降趋势越明显。从不同时间尺度来看，整个研究区域中只有3月份、4月份的径流趋势是显著下降的，原因多在于春季是小麦、水稻等农作物播种的重要时节，为满足农业灌溉的需求，水坝及防洪闸多要求在此时关闸蓄水，以保障农业灌溉及居民用水。

(2)研究结果表明，水库及防洪闸的调节能力是与径流的下降趋势成正相关的，沙颍河径流减少的主要原因是大坝和水闸的调节作用，水库下游的径流减少趋势比水闸附近的更为明显，因为水库的调节能力大于水闸。所以白龟山、潢川、周口、阜阳等受闸坝高度调节的水文站流域径流下降趋势较其他无管制站及闸坝调节能力较小的站径流下降趋势更为明显。此外，闸坝对流域径流枯水期的调节高于丰水期，因此旱季的径流下降趋势比雨季更为显著。

(3)通过将1961-2000年径流趋势分析结果与1961-2016年结果作比较，发现大型水利工程的修建(如南水北调工程)会在一定程度上对区域径流产生影响，研究结果表明，相较于1961-2000年径流变化趋势来说，1961-2016年的径流下降趋势更为明显，雨季径流增长趋势也更不显著，由此可以看出，忽略降水因素的影响，南水北调工程在近十几年的径流调节中起到一定的作用。但不可否认的是，水坝和防洪闸的调节作用才是影响径流变化不可忽视的主要原因。

综上所述，大坝和水闸对河流流态的调整具有重要意义，因此，有关部门应采取有效措施以在最大程度上保证流域水资源利用的可持续性与生态系统的稳定性。一方面，应加强不同地区闸、坝的联合调度，以满足流域防洪抗旱的需要，另一方面，应保持生态及环境排放以避免零流量，并尽量满足下游特别是旱季用水需求。

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