流域径流指标的构造与应用

袁定波，刘足根，王 华，廖 兵，熊 鹏，刘慧丽，许 琴

(1.江西省生态环境科学研究与规划院，江西 南昌 330039；2.河海大学环境学院，江苏 南京 210024)

0 引 言

流域内梯级水电站的兴建，特别是多级调节性能较强的高坝大库容水库，在极大程度上对水温、水沙等要素的时空变化上产生了深刻影响[1]，水库群的联合调蓄过程也显著改变了流域内径流及洪水的时程分配过程。如，长江上游大量兴建的大型水库，导致伏秋(特别是10月)中下游流量显著降低[2]。水利工程建设后，下游水文站所测的水位、流量等数据不能再真实表征流域状态，无法用于水资源评价与规划、水量分配等水资源分析计算工作[3- 4]。在天然状态下，径流大小与降雨强度呈强正相关关系[5]；同时，径流还存在年内分配均匀的特征[6]。当以流域为对象研究径流演变规律时，尤其是人类活动扰动大的流域，如何将复杂的径流过程概化成可表征流域径流状态的指标值得我们探索，也是受人类活动影响较大流域或区域开展水资源评价及径流演变分析的重点和难点。

雅砻江流域作为长江水电基地的重要组成部分，年径流变化主要受气象因素的驱动；而月径流变化则直接受水电站调蓄影响[7]。流域内不同测站所代表的区段或子流域的径流时空变化特征也不同[8]。流域内水电站的入库径流量越大，径流特征评价指标的综合表现最优[9]。本文以雅砻江流域为研究区，分别基于不同区位测站的径流特征和控制面积构建表征流域径流状态的径流指标，从不同时空尺度上分析水库调蓄过程对径流的影响，以期为受人类活动影响较大的流域开展水资源评价与配置提供依据。

1 研究区与资料

1.1 雅砻江流域概况

雅砻江发源于青海称多县巴颜喀拉山南麓，自西北向东南流经尼达坎多后进入四川省[10]，于攀枝花市三堆子注入金沙江，河长1 535 km，系金沙江最大的一级支流。雅砻江是典型的高山峡谷型河流，总落差3 192 m，是中国水能资源最富集的河流之一。北部高原为干冷的大陆性气候，中部和南部为干湿明显的亚热带气候，气候垂直变化明显，流域内降雨与高程呈显著负相关关系[11]，上游区平均降雨量为600～800 mm/a，中游区为1 000～1 400 mm/a，下游区为900～1 300 mm/a。流域内径流主要来源于降水(约占径流的一半)、地下水和融雪(冰)补给，年际径流量变化小，丰水期(6月～10月)径流量占全年的77%。

1.2 数据来源

降水数据来源于中国地面气候资料日值数据集(http:∥data.cma.cn)。本研究选择覆盖雅砻江流域的22个气象站，时间跨度为自1960年1月至2012年7月31日；径流数据为两河口、锦屏、官地、二滩水电站的坝址月径流数据，时间跨度为1953年1月至2011年12月。由于部分气象站点缺少1961年前的实测数据，在综合考虑数据类别及序列长度的情况下，确定1961年1月至2011年12月为研究期，22个气象站和4个水文站的分布情况如图1所示。

图1 站点分布示意

根据上下游关系和汇水特征依次确定上游水电站至下游水电站的控制范围：两河口水电站为源头至两河口水电站，锦屏水电站为源头至锦屏水电站，官地水电站为源头至官地水电站，二滩水电站为源头至二滩水电站。

2 研究方法

2.1 基于水电站径流特征的流域径流指标

(1)假设流域内共建有m座水电站，其中自上而下第x个水电站的径流序列用Rx表示，Rxt为第x个水电站t时间尺度的径流序列，该站t时间尺度的径流平均值

(1)

式中，n为t时间尺度下，该水电站径流序列的长度。

(2)各水电站平均径流占所有站点径流平均值为

(2)

(3)受上游电站的调蓄过程影响，下游水电站的径流不确定性程度大于上游水电站。因此，上游水电站径流值对流域径流指标的贡献度大于下游水电站，第x个水电站t时间尺度径流值对径流指标的贡献度

(3)

(4)基于水电站t时间尺度径流值贡献度计算该水电站径流值在流域径流指标中的权重

Qxt=Gxt/(G1t+…+Gmt)

(4)

2.2 基于水电站控制面积的流域径流指标

(1)根据各水电站的汇水特征，计算第x个水电站对应控制面积占整个流域面积的百分比为

Ax=A(x)/A

(5)

式中，A为流域总面积；A(x)为第x个水电站的控制面积。

(2)下游控制面积大的水电站径流不确定性受水电站影响的程度大于上游控制面积小的水电站，第x个水电站对流域径流指标的贡献度

Gx=1/A(x)

(6)

(3)基于水电站控制面积贡献度计算该水电站径流值在流域径流指标中的权重

Qx=Gx/(G1+…+Gm)

(7)

3 雅砻江流域径流指标构造及适用性分析

3.1 流域降雨-径流特征

3.1.1 年尺度特征

各水电站控制范围内的年尺度降雨-径流拟合趋势如图2所示。对不同水电站的降雨-径流序列进行Pearson相关性分析可知，雅砻江流域内各水电站控制范围的降雨量与径流的相关系数自上游至下游呈增加趋势(见表1)，位于流域出口处的二滩水电站年降雨量与坝址年平均径流的Pearson相关性系数为0.899，高于上游两河口水电站的0.725。这表明在年尺度上，水电站的降雨径流相关性强度与水电站控制面积有关，下游水电站的控制面积大，水电站的降雨径流相关系数高于上游水电站，流域年尺度径流变化主要受降雨影响。

图2 汇水范围降雨量与水电站径流关系(年尺度)

表1 降雨量与径流皮尔逊相关系数

3.1.2 月尺度特征

各水电站控制范围内的月尺度降雨-径流拟合趋势如图3所示。4个水电站的月尺度降雨量-径流序列的Pearson相关系数均高于0.8(详见表1)，表明雅砻江流域内各水电站的月尺度径流变化与降雨规律基本一致。二滩水电站的月尺度降雨-径流相关系数小于年尺度，表明在同样的地理空间范围内，雅砻江流域的降雨径流相关性与时间尺度呈正相关关系，时间尺度越大，降雨径流相关性越强。而两河口水电站的月尺度降雨-径流相关系数大于年尺度，表明上游水电站由于控制面积小，其自身调蓄作用导致的径流异质性在年尺度上更突出。

图3 汇水范围降雨量与水电站径流关系(月尺度)

3.2 流域径流指标的构造与合理性分析

3.2.1 基于水电站径流特征的流域径流指标

根据两河口、锦屏、官地、二滩自1961年1月至2011年12月间的月尺度径流量可知，各站的径流量自上游至下游逐渐增加，这与雅砻江流域自上而下的高山峡谷型汇水特征一致。在构建基于水电站径流特征的流域月尺度径流指标时：首先，使用式(1)和式(2)计算各站径流平均值占流域所有站点径流平均值的大小；然后考虑到月尺度，上游水电站径流值小、水库调度对其径流影响小，下游水电站径流值大、上游水库群联合调度对其径流影响大的特征，使用式(3)计算各站平均径流值占流域径流值大小对径流指标的贡献度；最后，使用式(4)计算出基于各站径流特征构建流域径流指标时的权重(见表2)，流域降雨与基于水电站径流特征构造的流域径流指标拟合趋势如图4所示。

图4 降雨量与基于水电站径流特征的流域径流指标关系(月尺度)

表2 基于水电站径流特征的流域径流指标计算过程

3.2.2 基于水电站控制面积的流域径流指标

本文选择的雅砻江流域4个典型水电站的控制面积越大，意味着其上游联合调度的水电站越多，对径流过程的影响越复杂。在构建基于水电站控制面积的流域月尺度径流指标时：首先使用式(5)计算各站控制面积占流域面积的百分比；使用式(6)计算出各水电站对流域径流指标的贡献度；最后使用式(7)计算出基于各站控制面积构建流域径流指标时的权重(见表3)，流域降雨与基于水电站控制面积构造的流域径流指标拟合趋势如图5所示。

图5 降雨量与基于水电站控制面积的流域径流指标关系(月尺度)

表3 基于水电站控制面积的流域径流指标计算过程

3.2.3 流域径流指标合理性分析

在月尺度上，将降雨量分别与基于水电站径流特征的流域径流指标和基于水电站控制面积的流域径流指标进行相关性分析，Pearson相关系数分别为0.860和0.859，均高于流域出口处的二滩水电站降雨径流相关性系数(0.836)，表明在月尺度上本文构建的2个径流指标较流域出口处实测径流更符合流域天然产汇流关系。

在年尺度上，雅砻江流域年降雨量与基于水电站径流特征的流域径流指标的Pearson相关系数为0.859，与基于水电站控制面积的流域径流指标的Pearson相关系数为0.865，均小于年尺度上的二滩水电站降雨径流相关系数(0.899)。这主要是水利工程调蓄对径流的影响集中在日、旬、月尺度上，而年尺度上的流域径流变化主要受降雨丰枯的影响，受水库联合调度影响小；这也与其他学者的研究结论一致[7，12]。雅砻江流域年尺度降雨量与流域径流指标的拟合趋势见图6。

图6 降雨量与流域径流指标关系(年尺度)

4 结 论

针对水能资源开发强度大的流域，其径流受水库联合调度影响而导致下游实测径流数据无法表征流域天然径流过程的问题，本文以雅砻江流域为研究区，在考虑两河口、锦屏、官地、二滩4个测站径流序列和控制面积等特征的基础上，提出基于水电站径流特征的流域径流指标构造方法和基于水电站控制面积的流域径流指标构造方法，并在月尺度和年尺度上对流域径流特征与径流指标合理性进行分析。雅砻江流域降雨径流相关性与时间尺度呈正相关关系，时间尺度越大，降雨径流相关性越强。年尺度径流变化主要受降雨影响，各水电站的降雨径流相关性强度与水电站控制面积呈正相关，下游水电站的降雨径流相关系数高于上游水电站。两河口水电站的月尺度降雨径流相关系数大于年尺度，表明上游水电站自身调蓄作用导致的径流异质性在年尺度上更突出。本文构造的2个流域径流指标在月尺度上的降雨径流相关系数高于流域出口处二滩站的降雨径流相关系数，表明本文流域径流指标构造方法所构造出的径流序列在月尺度上较原始径流序列能更好地反映流域天然径流趋势，本文提出的方法与得到的结论可为受人类活动影响较大的流域开展水资源评价与配置、径流演变分析提供依据。