黄河干流兰州断面不同时期径流指标变化及成因分析

金双彦，高 源，张 萍，马志瑾

（黄河水利委员会 水文局，河南 郑州 450004）

兰州断面以上流域是黄河的主要产流区，充分利用和合理配置流域水资源、保护流域生态环境是推动黄河流域生态保护和高质量发展的重要方向。 相关学者针对黄河径流变化已得出大量研究成果，其中对于兰州断面年径流量变化得出的主要结论是其呈现逐年代减少或显著减少趋势［1-5］，但这些学者多是针对月、年尺度的径流量进行分析，研究尺度较长。 本文针对1950—1968年、1969—1986年和1987—2005年3 个时期兰州断面径流量呈现阶段性减少、2006—2018年逐渐回升的现象，采用水文分析方法和流量过程变异程度指标计算方法深入分析1950—2018年兰州断面年最大日平均流量、极端流量等水文指标的变化特性及成因，以期为流域水资源管理提供技术支撑。

1 兰州断面以上流域概况

兰州水文站是黄河上游干流的重要水文站和水量标志站，兰州断面以上流域面积约占黄河流域总面积的28%。 1950—2018年黄河干流兰州断面年径流量过程线见图1，可得1950—1968年、1969—1986年、1987—2005年和2006—2018年兰州断面的多年平均径流量分别为351.7 亿、345.9 亿、294.9 亿、333.5 亿m3，表明前3 个时期其多年平均径流量呈现逐阶段减少趋势，第4 个时期其多年平均径流量呈现回升趋势。

图1 1950—2018年兰州断面年径流量过程线

2 数据来源和研究方法

2.1 数据来源

1950—2018年兰州断面的日平均流量、极端流量、月平均流量等水文数据均源自《中华人民共和国水文年鉴》。

2.2 研究方法

采用水文分析方法和流量过程变异程度指标计算方法研究兰州断面水文要素的演变趋势，分析兰州断面不同时间尺度的径流变化特点。 流量过程变异程度是现状开发状态下水文断面的历年逐月实测径流量与天然径流量的平均偏离程度，流量过程变异程度指标FD计算公式为

式中：qm、Qm分别为历年逐月实测径流量和天然径流量；为历年1—12月天然月径流量均值。

3 径流变化特性分析

3.1 不同时期兰州断面的洪水变化

（1）年最大日平均流量。 1950—2018年兰州断面历年最大日平均流量过程线见图2，可知1950—1968年兰州断面年最大日平均流量均值为3630 m3／s；1969—1986年兰州断面年最大日平均流量均值为3209 m3／s，与1950—1968年兰州断面年最大日平均流量均值相比，削减了11.6%；1987—2018年兰州断面年最大日平均流量均值为1810 m3／s，与1969—1986年兰州断面最大日平均流量均值相比，削减了43.6%。 刘家峡水库于1968年10月开始蓄水，1968—1969年兰州断面年最大日平均流量从3820 m3／s 陡降为1590 m3／s；龙羊峡水库于1986年10月投入运行，1986—1987年兰州断面年最大日平均流量从3610 m3／s陡降为1480 m3／s。

图2 1950—2018年兰州断面历年最大日平均流量过程线

（2）平均洪水频次和历时。 1950—2018年6—10月兰州断面不同日平均流量量级对应的平均洪水频次统计见表1，可以看出，1000 ～2000 m3／s 小流量洪水时，1950—2018年兰州断面的平均洪水频次逐渐增加；流量大于2000 m3／s 时，兰州断面的平均洪水频次明显减少，尤其流量大于4000 m3／s 的洪水在1987—2018年没有出现。

表1 1950—2018年6—10月兰州断面不同日平均流量量级对应的平均洪水频次次／a

1950—2018年6—10月兰州断面不同日平均流量量级对应的平均洪水历时统计见表2，可以看出，1000～2000 m3／s 小流量洪水时，1950—2018年兰州断面的平均洪水历时逐渐增长；流量大于2000 m3／s 时，1950—2018年兰州断面的平均洪水历时逐渐缩短。

表2 1950—2018年6—10月兰州断面不同日平均流量量级对应的平均洪水历时 d

（3）洪水年均出现天数。 1950—2018年6—10月兰州断面不同日平均流量量级对应的洪水年均出现天数统计见表3，可以看出，在1950—1968年、1969—1986年、1987—2005年3 个时期内，随着兰州断面日平均流量量级提高，洪水年均出现天数整体呈现减少趋势；与1987—2005年相比，除流量大于4000 m3／s外，其他流量量级的2006—2018年兰州断面的洪水年均出现天数均有所回升。

表3 1950—2018年6—10月兰州断面不同日平均流量量级对应的洪水年均出现天数 d

3.2年最小日流量变化

1950—2018年兰州断面的年最小日流量过程线见图3。

图3 1950—2018年兰州断面的年最小日流量过程线

以年最小日流量200、300、400 m3／s 为界限，分析各时期不同年最小日流量量级对应的年均出现天数，结果见表4，可知刘家峡水库运行后，由于水库调蓄，无论在全年还是在4—6月生态敏感期，1969—1986年兰州断面的小流量年均出现天数整体明显减少。

表4 兰州断面不同年最小日流量量级对应的年均出现天数d

3.3 极端流量变化

1956—2018年兰州断面的极端流量统计见表5，可知1956—2018年兰州断面最小化指标的极端流量随时间变化整体呈现上升趋势，这是由于刘家峡和龙羊峡水库运行后削峰作用明显，极端小流量情况显著改善。 1987—2005年龙刘水库联合运行期间，兰州断面最大化指标的极端流量下降比较明显，而《黄河水量调度条例》（国务院令第472 号）自2006年8月1 日起实施以后，2006—2018年兰州断面最大化指标的极端流量又开始回升。

表5 1956—2018年兰州断面的极端流量 m3／s

3.4 流量过程变异程度变化

1956—2017年兰州断面流量过程变异程度变化情况见图4，可以看出，该变化情况明显分为3 个阶段：1956—1967年刘家峡水库运行之前，FD值在0.09～0.17之间；1968—1986年仅刘家峡水库运行期间，FD值在0.49 ～1.30 之间；1987—2017年龙刘水库联合运行以来，FD值在0.98～2.32 之间。

图4 1956—2017年兰州断面的FD 值变化情况

3.5 月平均流量变化

1956—2018年兰州断面的月平均流量统计见图5。 1968年10月刘家峡水库运行后，6—10月为丰水期蓄水时期，12月至次年4月为枯水期补水时期，与1956—1968年相比，1969—1986年6—10月兰州断面的月平均流量明显减小，12月至次年4月月平均流量增大。 1986年10月龙刘水库联合运行后，对水量的调蓄和补偿能力增强，1987—2005年6—10月兰州断面的月平均流量较刘家峡水库单库运行时期明显减小。 2006年全河水量统一调度后，兰州断面的月平均流量较龙刘水库联合运行时期整体有所回升，尤其是4—10月回升现象比较明显，除受1987—2005年龙羊峡以上来水偏少的影响之外，全河水量统一调度对兰州断面的径流年内分配也有一定影响［6］。

图5 1956—2018年兰州断面的月平均流量

4 径流变化影响因素分析

4.1 刘家峡和龙羊峡水库蓄水运行

刘家峡水库于1968年10月开始蓄水，龙羊峡水库于1986年10月投入运行，为具体分析兰州断面径流变化的影响因素，以龙羊峡水库运行时间为界划分为刘家峡单库运行和龙刘水库联合运行两个时期［7-9］。 1969—1986年刘家峡水库单库运行时期，除1977年末刘家峡水库蓄水量为25.14 亿m3外，其他年份年末水库蓄水量在40.00 亿～45.00 亿m3之间，1969—1986年水库多年平均年末蓄水量为40.37 亿m3；1986年龙刘水库联合运行以后，1987年末刘家峡水库蓄水量为16.26 亿m3，其他年份年末水库蓄水量维持在30.00 亿m3左右，1986—2018年水库多年平均年末蓄水量为30.78 亿m3。

1968—2018年龙刘水库总蓄水量变化过程见图6，1990年以后黄河用水紧张，龙刘水库3次向下游加大泄流量，形成3次蓄水低谷，分别为1991年末的112.22亿m3、1996年末的109.43 亿m3和2002年末的96.86 亿m3。 在1987—2005年龙刘水库联合运行时期至2006—2018年全河水量统一调度时期，龙刘水库形成4次蓄水高峰，分别为1989年末的189.94 亿m3、1993年末的184.82 亿m3、1999年末的198.18 亿m3和2005年末的264.26 亿m3，其中龙羊峡水库4次蓄水高峰分别为156.89 亿、154.00 亿、168.04 亿、231.02 亿m3。 2006—2018年龙刘水库的多年平均总蓄水量为224.59 亿m3，2018年总蓄水量达272.03 亿m3，其中龙羊峡水库蓄水量维持在190 亿m3左右，多年平均年末蓄水量为196.48 亿m3。

图6 1968—2018年龙刘水库总蓄水量变化过程

4.2 工农业耗水影响

分别计算1969—1986年刘家峡水库单库运行时期和1987—2018年龙刘水库联合运行时期龙刘水库总蓄变量和沿黄工农业耗水量，见表6。 1969—1986年汛期刘家峡水库总蓄变量和工农业耗水量占还原径流量的比例分别为79.7%和20.3%，非汛期刘家峡水库总蓄变量和工农业耗水量所占比例分别为73.3%和26.7%；1987—2018年龙刘水库运行时期，汛期龙刘水库总蓄变量和工农业耗水量所占比例分别为86.2%和13.8%，非汛期龙刘水库总蓄变量和工农业耗水量所占比例分别为76.1%和23.9%。

表6 1969—2018年龙刘水库总蓄变量和工农业耗水量

5 结论

在1950—1968年、1969—1986年和1987—2018年这3 个时期，兰州断面的小流量洪水频次增加，中大流量洪水频次减少，小流量洪水历时增长，中大流量洪水历时缩短，流量过程变异程度逐阶段下降；随着兰州断面日平均流量量级提高，洪水年均出现天数整体呈现减少趋势。 与1950—1968年相比，1969—1986年刘家峡水库单库运行时期，兰州断面年最大日平均流量、不同年最小日流量量级对应的年均出现天数、最大化指标的极端流量、6—10月月平均流量均明显减小。经分析，1950—2018年兰州断面各项径流指标呈阶段性变化的主要原因是龙羊峡和刘家峡水库的蓄水运行、沿黄工农业耗水以及全河水量统一调度的实施。