白龙江中上游径流量对水电开发的响应研究

潘宏发，张德栋

(甘肃省水文水资源局，甘肃 兰州 730000)



白龙江中上游径流量对水电开发的响应研究

潘宏发，张德栋

(甘肃省水文水资源局，甘肃 兰州 730000)

以白龙江中上游水电装机容量大幅增加的1999年作为时间节点，建立以上游断面年径流量和区间年降水量为输入，下游断面年径流量为输出线性回归模型，以模型预测值与实测值的差值作为径流量对水电开发的响应。通过分析计算径流量对水电开发装机容量的响应，发现舟曲断面2000年至2015年的年径流量模型预测均值25.12亿 m3，实测均值22.55亿 m3，绝对减少2.6亿 m3，相对减少11.4%；武都断面2000年至2015年的年径流量模型预测均值40.25亿 m3，实测值34.58亿 m3，绝对减少5.7亿 m3，相对减少16.5%，得出武都断面径流量对水电站建设装机容量的增加具有显著的减少响应。

白龙江；径流量；水电开发；响应研究

近些年来，白龙江中上游年径流量较多年平均年径流量呈明显的减少趋势[2]，同期断面上游水电站累计装机容量大幅增加。在此背景下，研究白龙江中上游径流量对水电开发装机容量的响应，对于白龙江流域生态保护、水电合理开发、白龙江引水工程实施等具有重要意义。

1 水电开发概况

对白龙江流域武都断面以上水电站建设规模和历程从数量、装机容量随年份变化进行统计，结果见图1。

图1 白龙江流域水电站建设规模和历程统计分析图

据图1，白龙江流域在2003年以后水电站建设步伐大大加快，在2003年至2014年的11年期间，水电站数量由17座增加至130座，年均约新建10座；装机容量由6.8万 kw增加至110.6万 kw，年均约新增装机容量10万 kw。在2003年之前大致可以划分为这样几个阶段，截止1973年，装机容量在0.5万 kw；截止1978年，装机容量2.7万 kw；截止1992年，装机容量在4.2万 kw；截止2003年，装机容量6.8万 kw；因此水电站建设大致可分为1973年之前的建设停滞期，1973-2003年的建设平稳期，2003年以后的建设提速期。

2 径流响应分析

2.1 研究思路

将上游和下游控制断面区间作为独立系统单元，利用年径流量、降水量序列，以单元出口径流量为输出，以单元入口径流量和区间降水量为输入，推算出口断面径流量[1]。基于此研究思路，以白龙江水电开发影响较小的实测上游断面系列年径流量和区间系列年降水量作为输入，下游断面年径流量作为输出，构建线性回归模型，然后以模型预测水电规模开发后的年径流量。通过水电规模开发后的预测值与实测值对比，分析径流量对水电开发的响应。

2.2 研究单元划分

白龙江中上游自上而下有白云、舟曲、武都水文站，3个控制水文站自有监测资料以来的多年平均年来水量分别为5.57亿 m3、24.01亿 m3、39.77亿 m3。白云、舟曲站来水量分别占武都以上的14.0%、60.4%。将白云、舟曲、武都水文站作为白龙江中上游的3个控制断面，划分三个单元，各单元流域面积及多年平均产流量统计见表1。

根据断面的布设和实测径流量情况及集水面积，白云以上单元来水量占武都断面以上仅14.0%，考虑研究单元内径流、降水等系列资料可比性，故将水电站开发对径流量影响研究确定为白云～舟曲、舟曲～武都2个研究单元。由于断面实测径流系列长度不一致，为了计算时段的一致，在分析径流对水电开发响应时，统一将径流、降水系列资料选取为1965-2015年。

表1 各单元流域面积及多年平均产流量统计表

2.3 构建模型

2.3.1 白云～舟曲研究单元

白云断面以上建有19座水电站，总装机容量22.48万 kw；舟曲断面以上建有47座水电站，总装机容量63.70万 kw。 研究单元内1999年前建有水电站5座，装机容量仅2.51万 kw，占白云、舟曲控制断面以上装机容量的11.2%、3.9%。

为了方便模拟计算，忽略1999年之前水电站对径流的影响，采用1999年之前白云和舟曲年径流系列，以及区间年平均降水量(算术平均法计算)系列进行回归分析，从R检验结果看出，相关关系显著，回归效果好。选定显著性水平α=0.05，查F检验临界值表，F2，35=3.28，从检验结果看出，F=181.293大于F临界值，检验结果概率P<0.05，通过F值检验，说明方程回归效果显著。查t分布临界值表， t0.05(35)=1.690，从t检验结果可以看出，白云断面t=11.865，大于临界值，表明白云断面年径流对舟曲断面年径流的影响显著，线性回归拟合程度高。

实测与拟合过程线见图2，建立年径流模型如下：

图2 舟曲断面实测和拟合径流过程线

2.3.2 舟曲～武都研究单元

白龙江干流舟曲断面以上产水量占武都断面来水量的60.4%，区间降水对武都断面径流起着重要作用，因而在探求上下游径流相关关系时，需要考虑区间降水的影响。截止2014年年底，舟曲断面以上建有水电站47座，总装机容量63.70万 kw，武都断面以上建有水电站130座，总装机容量110.6万 kw。舟曲断面以上1999年前建有水电站5座，装机容量仅2.51万 kw，占总装机容量的3.9%；武都断面以上1999年前建有水电站14座，装机容量仅6.43万 kw，占总装机容量的5.8%。

为了便于分析计算，对分析计算时段进行优选，1999年之前忽略水电站对径流的影响，采用1999年之前舟曲和武都断面年径流系列，以及区间年平均降水量(算术平均法计算)系列进行回归分析，从检验结果看出，年径流相关系数为0.974 2，决定系数为0.948 9，校正的决定系数为0.945 7，表明相关关系显著，回归效果好。选定显著性水平α=0.05，查F检验临界值表，F2，35=3.28，从检验结果看出，F=297.648大于F临界值，检验结果概率P<0.05，通过F值检验，说明方程回归效果显著。查t分布临界值表，t0.05(35)=1.690，从t检验结果可以看出，舟曲断面t= 17.271，大于临界值，表明舟曲断面年径流对武都断面年径流的影响显著，线性回归拟合程度高。

实测与拟合过程线见图3，建立年径流模型如下：

图3 武都断面实测和拟合径流过程线

图4 舟曲断面径流实测值与模型预测值对比分析图

2.4 径流响应

2.4.1 白云～舟曲研究单元

运用建立的白云与舟曲断面年径流模型推求水电站建设后(2000-2015年)舟曲水文站年径流量系列，计算结果见表2，分析计算图见图4。。根据模型计算值与实测值对比分析，水电开发后，舟曲断面控制断面较之前(1999年以前)年平均径流量减少了11.4%，在2010年之前减少幅度较小，年均减少在10%以下； 2011年至2015减少幅度较大，超过10%，说明舟曲断面以上研究单元径流量对水电站开发有明显的响应，这也与流域区间降水减少相一致。

表2 舟曲断面径流实测值与模型预测值对比分析成果

对照白龙江舟曲断面以上研究单元水电站建设规模和历程，发现2006年至2014年累计新建水电站42座，装机容量增加61.2万 kw，在这期间年径流量平均减幅达13.1%；2010～2011年两年间建成水电站达8座，装机容量22.27万 kw，2011～2015年径流量减少18.3%。说明舟曲断面以上研究单元水电站建设的数量和装机容量的增加与径流量减少呈显著的负相关关系。水电站建设迅速期时段之后，径流出现减少期概率很大。

图5 武都断面径流实测值与模型预测值对比分析图

2.4.2 舟曲～武都研究单元

运用建立的舟曲与武都断面年径流模型推求水电站建设后武都断面年径流量系列，计算结果见表3，分析计算图见图5。根据推求计算值与实测值得对比分析，水电开发后，武都控制断面较水电站开发之前年平均径流量减少了16.5%，在2010年之前减少幅度较小，接近15%； 2010～2015年减少幅度较大，接近20%，说明白龙江流域舟曲～武都单元径流量对水电站建设有明显的响应，同时也与流域区间降水减少相一致。

表3 武都水文站径流实测值与推求计算值分析

3 结语

(1)白龙江流域内水电站建设大致可分为三个阶段：1973年之前的建设停滞期、1973-2003年的建设平稳期、2003年以后的建设提速期。经分析确定1999年为水电站建设前后分界年。

(2) 以1999年为节点，舟曲断面径流量模型计算值25.12亿 m3，实测值22.55亿 m3，绝对减少2.6亿 m3，相对减少11.4%；武都断面径流量模型计算值40.25亿 m3，实测值34.58亿 m3，绝对减少5.7亿 m3，相对减少16.5%。因此，径流量减少对水电站建设具有明显的响应，且从上游至武都断面径流量减少趋于显著。

(3)白云～武都单元2010～2011年的两年间建成水电站达8座，装机容量22.27万 kw， 舟曲断面2011～2015年径流量减少18.3%；武都断面2010年之前减少幅度较小，接近15%； 2010年至2015减少幅度较大，接近20%。因此，水电站时段建设规模较大的一段时间，径流量锐减；径流量的减少与水电站建设规模呈显著负相关关系。

[1]钟华平,王建生，等. 澜沧江干流水电开发对径流的影响分析[J]．水利水电技术.2010(3) ：72-74．

[2]马正耀,胡兴林，等. 1965—2010年白龙江上游径流变化特征研究[J]．冰川冻土.2011(6)： 152-162．

2017-08-14

潘宏发(1959-)，男，上海人，高级工程师，主要从事站网测验及水文水资源研究。

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