陈 瑜 彬，张 潇，杨 文 发，杨 雁 飞

(长江水利委员会 水文局，湖北 武汉 430010)

1 研究背景

受梯级水库群的建设和调节影响，下游断面的洪水量级和时空分配发生改变的同时[1-2]，也对维系河流生态健康的径流过程产生了影响[3-4]。掌握好河流径流特性、开展水库对径流影响的定量化分析，是做好流域规划[5]、指导水库调度[6]以及保护河流生态[7]的前提和基础。金沙江中游梯级水电开发是长江流域一项较大的系统工程，随着流域梯级电站相继建成投产，不同调节性能的电站之间相互影响的同时，也会对河流径流的变化规律、分配特性产生影响。金沙江中游河段按照一库八级开发方案执行，8座巨型梯级水电站将共同承担流域发电、供水、防洪、水土保持、航运和旅游等综合开发的治理任务[8]。在金沙江中游梯级水库建设运行前，已有学者对金沙江流域的径流变化规律[9-11]以及时空演变特性[12-13]开展了相关研究，但自2010年金沙江中游梯级相继蓄水、投产发电以来，已形成了梨园、阿海、金安桥、龙开口、鲁地拉和观音岩六级联调的格局，梯级总装机达13 760 MW、总调节库容达17.96亿m3，具有较强的调节性能。而现阶段，关于金沙江中游梯级水库对于金沙江中游河段的径流特性影响的相关研究较少，随着梯级水库的相继投产运行，准确掌握径流的年际变化规律和年内分布特性，对径流特性进行定量化分析，是指导电站调度管理运行、提升流域水资源开发利用水平，以及开展流域水生态建设的基础。

为了探讨金沙江中游六级电站建设和运行期对下游径流的影响程度，本文拟采用流域干流控制站石鼓、攀枝花两站的长序列径流资料，并以石鼓站为参照站，来分析梯级水库建设运行前后对河流的年际变化、年内分配、月内分配等多个时间尺度径流特性的影响，以期为梯级电站综合调度、流域水资源的可持续发展与利用以及河流生态的治理提供参考。

2 研究资料及方法

2.1 研究资料

金沙江石鼓至雅砻江汇口处称为金沙江中游江段，该段河长为563.5 km。该河段河道狭窄，水流湍急，落差达到838 m。河段的上游石鼓江段有石鼓站控制，下游的攀枝花江段有攀枝花水文站控制。其中，石鼓站以上为金沙江上游，目前金沙江上游虽有在建梯级工程，但均未投产蓄水，对径流影响相对有限，其来水特性基本可视为天然来水；攀枝花站位于已建金沙江六级水电站最后一级观音岩水电站下游约39 km处，该站所处江段受梯级水库调节影响明显。流域水系及其梯级电站分布情况如图1所示。

图1 金沙江中游水系及梯级水库分布Fig.1 Distribution of rivers and cascade reservoirs at the middle reaches of Jinsha river

本次研究选取金沙江中游干流控制站石鼓、攀枝花两站1971～2018年逐年、月、日径流资料开展分析。由表1可以看出：金沙江中游六级水电站自2010年起相继蓄水投产发电，逐步由建设期过渡至运行期。因此，本文将以2010年作为时间节点，划分梯级水电站建设运行期前和建设运行期后2个时段开展分析。

表1 金沙江中游河段六级水电站特征参数Tab.1 Characteristic parameters of reservoirs at the middle reaches of Jinsha river

2.2 研究方法

(1) 不均匀系数(变差系数)[14]。不均匀系数实质上就是水文统计中常用的变差系数，它描述了各时段平均流量距离总时段平均流量的离散程度，即反映了时段内径流量分配的不均匀程度。

(1)

(2)

(3)

本文运用该指标描述不同时间尺度的时间序列分配特性，对年际变化过程的描述则采用年平均流量序列统计；对年内分配不均匀程度的统计，采用逐月流量资料计算的方法，此时n=12；对月内分配不均匀程度的统计，采用逐日流量资料计算的方法，此时n取相应月份对应的天数。

(4)

其中

(5)

(6)

通常，在H0成立的条件下，F服从自由度为(n1-1，n2-1)的F分布。由给定的α=0.05，通过F分布表即可求得满足下列关系式的F1-α/2和Fα/2：

P=(F

(7)

P=(F>Fα/2)=α/2

(8)

若推算F值满足FFα/2，则拒绝原假设H0，即表明2组样本的方差具有显著差异；反之，则接受H0，即表明2组样本的方差具有无显著差异。

(9)

在时间序列随机独立的假设条件下，定义统计量，公式为

(10)

在给定显著性水平(α=0.05，U0.05=±1.96)条件下，当|UFk|>Uα时，表明序列存在明显的增加或减少趋势。同时，将同样的方法应用到反序列中，可得到曲线UBk。若UF大于0，表明序列呈上升的趋势，反之则为下降趋势。当统计量的曲线超过临界线时，则表明上升或下降趋势显著。如果UF和UB曲线相交，而且交点在临界线之间，则交点所对应的时间变为突变开始的时间。

(4) 流量历时曲线[17-18]。流量历时曲线(Flow Duration Curve)，主要是用于定义某一时段内某一流量大于等于该流量在历时资料序列中的时间比例，它能充分反映从低流量至高流量之间各流量级状态下的径流特性。

3 各时间尺度径流特性分析

3.1 径流年代际变化规律

石鼓站、攀枝花站的径流年代际变化特征分别列于表2和示于图2。由表1和图2可以看出：

(1) 1971～2018年，石鼓站和攀枝花站多年平均流量分别为1 334 m3/s和1 801 m3/s，变差系数分别为0.15和0.16；其中，21世纪头10 a径流偏丰程度最大，石鼓站和攀枝花站距平分别为5.7%、8.6%；20世纪90年代的径流年际波动最显著，变差系数分别为0.18和0.20。

表2 石鼓站、攀枝花站年代年际径流变化特征值统计Tab.2 Statistical characteristics of inter-annual runoff variation in Shigu and Panzhihua

图2 石鼓、攀枝花站年际径流变化过程线Fig.2 Annual runoff process of Shigu and Panzhihua

(2) 在2010年以前，石鼓站与攀枝花站丰枯特性的年代变化基本同步，其中20世纪70年代和80年代处于偏枯或略偏枯态势，90年代、21世纪00年代偏丰或略偏丰，但2010～2018年其距平值偏差不大，可是趋势却相反。

(3) 1971～2009年(梯级水库建设运行前)，石鼓站和攀枝花站多年均值分别为1 331 m3/s和1 805 m3/s，石鼓站较2010～2018年(梯级水库建设运行后)的年均值1 346 m3/s略偏小，攀枝花站较梯级水库建设运行后的均值1 784 m3/s略偏大，但两者的变差系数在梯级水库建设运行期前后的趋势均为减小。

(4) 石鼓站各年代的来水占攀枝花站的来水比重在72%～76%左右，该比例在年际变化过程中保持相对稳定。

考虑到攀枝花站的年代际径流序列在2010年以后存在着趋势与石鼓站不一致的现象，基于F检验分析，对梯级水库建设运行前后攀枝花站和石鼓站多年平均流量差异性进行检验，统计结果如表3所列。由表3可以看出，梯级水库建设运行前后，攀枝花站不存在显著差异。说明水库在梯级水库建设运行期(2010～2018年)，攀枝花站与石鼓站虽然多年均值流量距平趋势相反，但并不显著；同时也表明，梯级水库对金沙江中游江段的径流年际变化过程影响有限。

表3 石鼓、攀枝花站方差检验统计结果Tab.3 Statistical results of variance test of Shigu and Panzhihua

3.2 径流年内分配特性

按照1971～2009，2010～2018年和1971～2018年3个时段，分别绘制出石鼓站和攀枝花站多年逐月流量过程线及其各月所占全年径流比例，分别如图3～4所示。从多年逐月流量过程线可以看出：梯级水库建设运行前，石鼓站和攀枝花站8月的平均流量为全年最大，分别为2 960 m3/s和4 170 m3/s，占全年比例为18.6%、19.3%；梯级水库建设运行后，石鼓站和攀枝花站的月平均流量最大值为7月，分别为3 090 m3/s和3 940 m3/s，占全年比例为19.2%、18.5%。此外，石鼓站和攀枝花站丰水期和枯水期的流量分布变化不大，水库建设运行期前后，其5～10月的径流量占全年比例均在80%左右。

图3 石鼓站年内逐月流量过程线及分配百分比Fig.3 Monthly runoff process and distribution percentage of Shigu

图4 攀枝花站年内逐月流量过程线及分配百分比Fig.4 Monthly runoff process and distribution percentage of Panzhihua

为了分析梯级水库建设运行期可能对径流年内分配造成的影响，由前文析可知：石鼓站多年流量占攀枝花站多年流量的75%左右，因此，可将石鼓站作为参照站，用于对比分析攀枝花站径流量在水库建设运行前后的差异。考虑到石鼓站与攀枝花站流量量级存在着差异，因此选用各站在水库建设运行前后的各月分配比例作差分析其变化规律，分析结果如表4所列。统计结果表明：石鼓站在水库建设运行期以前的9月份和10月份径流所占全年比例较建设运行期后的径流所占全年比例偏少0.63%～0.70%，12月的径流所占全年比例偏大0.05%；而攀枝花站则表现出相反趋势，其9月和10月的径流所占全年比例偏多0.03%～0.22%，而12月的径流所占全年比例偏少0.04%，但偏差总体不大。从石鼓站水库建设运行前后各月的全年径流比例与攀枝花站相应时期的径流比例作差可以发现，两者的正负规律相应，差别不明显。

表4 石鼓站、攀枝花站在水库建设运行期前后逐月年内分配比例对比Tab.4 Comparision of monthly runoff distribution of Shigu and Panzhihua in pre and post operation of cascade power stations %

统计两站1971～2018年逐年的年内不均匀系数CV值，并通过攀枝花站比石鼓站得到CV，攀/CV，石的一组序列值，采用MK突变检验法来分析其变化规律(见图5)。分析结果显示：1971～1985年之间因UF和UB交叉频繁，交叉节点间隔时间较短，且UB、UF波动趋势没有发生明显改变，不足以作为一个较长的突变周期；而1985年以后较长时间段内两线没有相交，说明该时段内攀枝花与石鼓站的年内不均匀系数之比相对稳定，最近的一次相交是在2015年，两线明显相交，趋势相反，说明攀枝花站与石鼓站的年内不均匀系数之比在一定程度上发生了变化，但不排除随着运行时间的延长，该突变点也会存在间隔时间较短的现象(UB呈下降趋势)。

图5 年内CV序列MK突变检验分析Fig.5 Analysis of MK-Test of annual CV series

综上所述，从现阶段分析来看，水电站(水库)的建设运行期对径流的年内分配存在一定的影响。

3.3 径流月内变化特性

掌握河道径流的月内分布规律，对于指导电站实时调度，制定月度、旬度以及时间尺度更短的调度计划或方案具有重要意义。基于日流量资料序列，对1971～2018年以来石鼓站和攀枝花站逐月的CV进行了统计和分析(分别见图6和表5)，结果发现：梯级水库建设运行期(2010年以后)、枯水期(11月至次年4月)以及涨水期(5～6月)，攀枝花站的CV值较石鼓站的CV值明显偏大；经对梯级水库建设运行后攀枝花站的逐月CV与梯级水库建设运行前的CV差值进行统计，发现11月至次年6月在0.06～0.18之间，其中差异值D1最大为6月，该月梯级水库建设运行前的CV值为0.29、梯级水库建设运行后为0.47；而石鼓站作为参照站，采用同样的方法进行统计，结果发现：石鼓站在梯级水库建设运行期前后差异不明显，除了11月外，差异值D2的变化范围基本在-0.02～0.02之间，其中11月差异值为0.09，经分析，石鼓站2018年11月CV值高达0.78，较往年CV值的变动范围明显偏大，属于变异点。探其原因发现，2018年11月发生了“11.3”白格堰塞湖，堰塞体溃决后形成的非常态的超标准洪水流量过程急速涨落，对该月的径流分配造成了扰动，极大地增加了该月径流的不均匀性。将2018年11月的CV样本点剔除后，再计算D2值，结果为0。由此可见，通过对CV值进行评价，石鼓站的月径流分配情况具有较好的一致性，而攀枝花站可能受梯级电站建设运行的影响，其枯水期和涨水期的月内径流分配情况发生了较大程度的改变。

表5 石鼓、攀枝花各月CV统计情况Tab.5 Monthly CV statistics of Shigu and Panzhihua

图6 石鼓站、攀枝花站各月CV值的年际变化过程Fig.6 Monthly CV interannual variation of Shigu and Panzhihua

为了分析各月流量级状态的分配特性，借助于流量历时曲线来分析攀枝花站各月流量随时间序列的组成情况，分析成果如图7所示。从图7可以看出：梯级水库建设运行期后(2010年以后)，枯水期11月至次年4月以及涨水期5～6月的曲线高流量部分较梯级水库建设运行期前(2010年以前)要明显偏大，而低流量部分则偏小；但是8月的高、低流量部分整体存在偏小的现象，9月和10月份的高流量部分存在偏小的现象，低流量部分与梯级水库建设运行前差异不大。

采用特征频率(10%,25%,75%,90%)下的流量与50%频率下的流量之比，来定量分析梯级水库建设运行前后流量历时曲线的差异情况，分析结果如表6所列。

表6 梯级水库建设运行前后攀枝花站流量历时曲线特征值指标统计Tab.6 Monthly flow duration curve statistics of Panzhihua in pre and post operation of cascade reservoirs

图7 梯级水库建设运行前后攀枝花站各月流量历时曲线Fig.7 Monthly flow duration curve of Panzhihua in pre and post operation of cascade reservoirs

从统计结果来看：

(1) 枯水期(11月至次年4月)的高流量部分，梯级电站建设运行后较建设运行前的Q1/Q50、Q5/Q50、Q10/Q50的相对偏差比例偏大，分别为5%～154%、11%～45%、5%～29%，其中2月份的Q1/Q50、Q5/Q50变化最为明显，分别为154%、45%，12月份的Q10/Q50变化最为明显，为29%。

(2) 汛期(5～10月)的高流量部分，梯级电站建设运行影响最为明显的月份为6，8月和9月，其中6月的Q1/Q50、Q5/Q50、Q10/Q50指标在梯级电站建设运行后较建设运行前偏大了18%～31%，而8月和9月的上述3个指标偏小16%～29%。

由此可见，梯级电站建设运行对各月高流量的量级以及在月内的时段分配比例产生的影响较为明显。

然而低流量部分，无论枯期、汛期，梯级电站建设运行后较建设运行前均存在整体偏小的情况。其中以4，5，11月和12月影响最为明显，尤其是，汛期的5月Q75/Q50、Q90/Q50、Q95/Q50、Q99/Q50指标在梯级电站建设运行后较建设运行前偏小18%～35%，而枯水期的11月，上述4个指标偏小5%～47%。由此可见：梯级电站建设运行对各月的低流量和各月高流量的量级以及在月内的时段分配比例的影响更为明显，无论枯、汛对低流量影响均呈现偏小的态势。

4 结 论

本文以金沙江中游梯级电站的初期蓄水时间为节点，划分了梯级水库建设运行前、后2个时段，从多时间尺度分析了金沙江中游干流径流的特性，得出以下结论。

(1) 在年际尺度上，梯级水库建设运行前后的年径流变化差异不显著，梯级电站当前对于年际径流变化产生的影响有限。

(2) 在年内(月)尺度上，石鼓站、攀枝花站的丰、枯两期径流分配差异不大，然而攀枝花站的年内不均匀系数相比于石鼓站发生了一定程度的改变，但不排除随着运行时间的增长，从较长时序来看，在当前梯级电站影响下，下游的年内径流不均匀程度的改变是短时现象。

(3) 在月内尺度(日)上，丰、枯两期时，梯级电站对高、低流量的分布特性的影响存在着一定的差异，其中，低流量(频率50%以上)情况下，丰、枯两期均呈现为明显的偏小，最大偏差可达到50%；而高流量(频率50%以下)情况下，丰、枯两期存在着差异，其中枯期最大差异可偏大150%以上，而汛期的9月，其最大偏差可偏小近30%。

由此可见，金沙江中游梯级电站对于径流的影响主要表现在月内尺度上，丰、枯两期的差异显著。本文研究成果可为后期开展金沙江中游河流水文特性分析、水库调度以及河流生态健康评价等相关研究提供借鉴和参考。