大通河洪水极值演变原因探究

王灵军,李润杰

(1.青海省水文水资源测报中心,青海 西宁 810003;2.青海大学 省部共建三江源生态与高原农牧业国家重点实验室,青海 西宁 810016)

环境变化下的水文循环研究成为21世纪水科学研究的热点[1-3].流域的气候环境和下垫面特征是产生洪水的决定性因素.气候环境对洪水的影响主要表现为降雨量和降雨强度.下垫面特征对降雨的再分配起着重要的作用,直接影响流域的产汇流过程.随着全球变暖,极端水文事件发生更加频繁[4],对水利工程的规划设计带来重大影响.大通河作为跨青海、甘肃两省的重要河流,已建纳子峡和石头峡两座大型水库和“引大入秦”“引硫济金”和“引大济湟”这3项大型调水工程,还有40余处小型水电站工程.随着水利工程修建和当地退耕还林还草工程建设,洪峰流量和洪量均发生变化.在气候变化和人类活动共同影响下,洪水形成环境背景“一致性”已不复存在[5].关于大通河流域的研究主要集中于年径流变化特征及其影响因素,而关于洪水极值的研究内容较少[6-9].因此,本文分析研究环境变化下的大通河洪水极值序列的变化趋势、突变发生时间等演变特征,揭示洪水极值变化的主要原因,将为气候变化与人类活动双重影响下的大通河洪水预报、洪水资源利用以及流域防洪提供科学支撑.

1 研究区概况

大通河作为黄河一级支流湟水的最大支流,发源于海西州天峻县境内托莱南山,河源海拔约4800m,干流流经刚察、祁连、海晏、门源、互助、乐都和甘肃省的天祝、永登县,最后在青海省民和县川口镇享堂村注入湟水.作为祁连山区重要河流,全长约560km,流域面积15 130km2,青海境内河长454km,青海境内流域面积12 943km2.河口海拔约1 700m,落差3 100m,河道平均比降5.5‰,流域呈狭长状,上游水系发育.干流自上而下有尕日得、青石嘴、天堂、连城、享堂五个水文监测站.享堂水文站为大通河入湟水把口站,控制流域面积15 126km2,多年平均径流量28.95亿m3.

2 数据来源与研究方法

2.1 数据收集及处理

大通河享堂站洪水极值资料均来源于黄河水利委员会西宁水文水资源勘测局,流域内的降水资料来源于门源气象局、甘肃省水文站和青海省水文水资源测报中心.

2.2 研究方法

2.2.1 Mann-Kendall法

水文序列变异诊断有多种方法,可利用时间序列过程线进行判断,亦可采用统计方法进行识别.统计方法中的Mann-Kendall检验法(简称“MK法”)是一种基于观测值序列的非参数统计检验方法,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,更适用于时间序列检验[10].

2.2.2 MTT突变检验

滑动T检验(MOVING T-TEST,MTT)是考察两组样本平均值的差异是否显著来检验突变.其基本思想是把一水文序列中两段子序列均值有无显著差异作为来自两个总体均值有无显著差异的问题来检验.如果两段子序列的均值差异超过了一定的显著性水平,可以认为均值发了质变,有突变发生[10].

2.2.3 Yamamoto法

Yamamoto方法是从气候信息与气候噪声两部分来讨论突变问题的.由于是由Yamamoto最先将信噪比用于确定日本地面气温、降水、日照时数等序列的突变,故称其为Yamamoto法[10].

3 结果与分析

3.1 年季变化

由图1可见,大通河享堂站洪峰流量1956-2019年呈弱增加趋势,变化倾向率为6.4m3/(s*10a),1992年后序列值波动幅度变小;年最大1日洪量1956-2019年呈减小趋势,变化倾向率为-324万m3/10a;年最大3日洪量1956-2019年呈减小趋势,变化倾向率为-729万m3/10a;年最大7日洪量1956-2019年呈减小趋势,变化倾向率为-1018万m3/10a.

图1 大通河享堂站洪水特征值年际变化过程线

3.2 突变分析

3.2.1 年最大洪峰流量

由图2可见,经MK法检验,大通河享堂站年最大洪峰流量突变年份凌乱,检测到的突变发生在1978年、1980年、1986年、1991年、2002年、2006年、2018年;经MTT法检验,在2006年发生突变;经Yamamoto法检验,在1990年、2008年发生了突变.单一的突变检验容易造成误差.综合分析MK法、MTT法(步长为5年、10年)、Yamamoto法(步长为5年、10年)三种突变检测方法,大通河享堂站年最大洪峰流量在2006年发生突变.

3.2.2 年最大1日洪量

经Mann-Kendall法检验,大通河享堂站年最大1日洪量突变发生在1979年、2014年;经MTT法、Yamamoto法检验,均在2013年发生突变.综合分析MK法、MTT法(步长为5年、10年)、Yamamoto法(步长为5年、10年)三种突变检测方法,大通河享堂站年最大1日洪量在2013年发生突变.

3.2.3 年最大3日洪量

经MK法检验,大通河享堂站年最大3日洪量突变发生在2014年;经MTT法、Yamamoto法检验,均在2013年发生突变. 综合分析MK法、MTT法(步长为5年、10年)、Yamamoto法(步长为5年、10年)三种突变检测方法,大通河享堂站年最大3日洪量在2013年发生突变.

3.2.4 年最大7日洪量

经MK法检验,大通河享堂站年最大7日洪量突变发生在2014年;经MTT法检验,未发生突变;经Yamamoto法检验,在2013年发生了突变.综合分析MK法、MTT法(步长为5年、10年)、Yamamoto法(步长为5年、10年)三种突变检测方法,大通河享堂站年最大7日洪量在2013年发生突变.

3.3 洪水变化原因分析

3.3.1 暴雨的变化

大通河洪水主要由暴雨形成,暴雨主要发生在6—9月,以7—8月最多,具有暴雨中心不固定、笼罩面积小等特点.分析1976-2019年年最大7日洪量对应的7日面降水量(青石嘴、天堂和连城水文站,门源、民和气象站泰森多边形求得)均值总体变化趋势不明显,但2010年以后序列的变异系数Cv变小.这与洪水极值系列Cv变化特征基本一致.经MK法检验,大通河享堂站年最大7日洪量对应的7日面降水量突变发生在2009年;经MTT法检验,2008年发生突变;经Yamamoto法检验,2008年发生了突变.综合分析MK法、MTT法(步长为5年、10年)、Yamamoto法(步长为5年、10年)三种突变检测方法,7日面降水量2008年左右发生突变.而大通河享堂站年最大7日洪量突变发生在2013年.从突变发生年份来看,洪量发生突变具有滞后性.从年最大7日洪量及对应的7日面降水量双累计曲线看(图3),降水产流能力2014—2019年较1976—2013年减弱.主要原因是年最大7日洪量对应的7日面降水量均值由1976-2013年的27.1mm减少到2014-2019年25.1mm.说明大通河流域洪水的演变特征与暴雨基本一致.

图3 大通河流域年最大7日洪量折算径流深及对应的7日面降水量双累计曲线

3.3.2 水利工程的影响

大通河流域水电开发起始于20世纪90年代末,2003年后开发速度持续加快,至2022年干支流已建成43座水电站,集中分布在中下游段.建成3项跨流域引水工程,其中,“引大入秦”工程1994年通水,设计年引水量4.43亿m3;“引硫济金”工程2003年通水,设计年引水量0.4亿m3;“引大济湟”工程尚未通水.43座水电站包括引水式33座,河床式7座,坝后式3座,均在河道上修建拦水坝抬高水位,将水流通过山洞或渠道引至下游发电,或者直接利用闸坝形成的水流落差发电.2014年干流的两座大型水电站(纳子峡、石头峡水电站)下闸蓄水.从享堂站洪峰流量过程线看,2014年以后洪峰流量过程线由剧烈震荡变化进入相对平稳状态.从两座大型水电站下闸蓄水时间来看,与享堂站最大时段洪量突变时间一致.同时,41座小型水电站库容虽小,但在洪水期多座电站同时加大蓄水,会减小河段洪峰流量和洪量.纳子峡、石头峡两大水电站的人为蓄放水和小型水电站的洪水期截洪,改变了原有自然背景下的洪水输移过程,是大通河洪水变化的主要影响因素.

3.3.3 土地利用类型的变化

草地是大通河最主要的土地类型.通过遥感解译大通河流域土地利用类型,草地面积呈显著增加趋势,占比从1985年的68.4%增加到近期的80%左右.同时,雪/冰面积减小明显,其缓慢减小,有助于增加洪水基流,提高暴雨洪水的风险.其他土地利用类型占比较小,最大的为林地,面积占比在8.6%左右.同时归一化植被指数(NDVI)总体呈增加趋势,生长季NDVI 1986-2010年间变化不大,在0.51～0.54之间,2010年到2015年由0.54增长到0.62.大通河流域草地面积增加,且在丰水期草地郁密度增加.草地面积增加改变了洪水产汇流条件,导致汇流时间增加,延缓洪峰起涨,对洪峰和洪量均具有消减作用.是大通河洪水极值变化的重要影响因素(见表1).

表1 大通河流域不同时期土地利用类型统计(单位:km2)

4 结论

大通河享堂站洪峰流量1956—2019年呈弱增加趋势,1992年后序列值波动幅度变小;年最大1、3、7日洪量均呈显著减小趋势.大通河享堂站年最大洪峰流量在2006年发生突变,年最大1、3、7日洪量均在2013年发生突变.

大通河流域洪水极值变化的主要影响因素是纳子峡、石头峡水电站的库容调节作用,而两座水电站建设之前洪水极值的主要影响因素是暴雨.下垫面草地面积增加改变了洪水产汇流条件,是洪水极值变化的重要影响因素.