梨园水电站径流分析与模拟

罗煜宁，张珂，吴南，王宇昊，王一帆，王国芳

（1.河海大学水灾害防御全国重点实验室，江苏 南京 210024；2.河海大学长江保护与绿色发展研究院，江苏 南京 210024；3.河海大学水文水资源学院，江苏 南京 210024；4.中国气象局水文气象重点开放实验室，江苏 南京 210024；5.水利部水利大数据重点实验室，江苏 南京 210024；6.水利部水循环与水动力系统重点实验室，江苏 南京 210024；7.云南电网有限责任公司电力科学研究院，云南 昆明 650217）

0 前言

随着气候变化和人类活动的影响[1]，流域的水资源供给和调配面临着的挑战日趋增加。流域上中游多分布有一些水利工程，极端天气事件的增加和人类取用水的影响增加了水库来水量的不确定性，给水电站的运行和调度带来了巨大的不确定性。分析流域气候要素及水库来水变化特性，有助于提升水电站的安全管理与经济运行效益。

金沙江流域是中国西南地区最重要的水资源补给区之一，对于云南省的水资源供给和能源开发具有重要意义[2]。由于该地区的地形复杂性和气候多变性，金沙江流域的来水预测研究一直以来都是一个关键而复杂的研究问题。为更好地掌握金沙江流域的来水情况并提高水电利用效率，有必要进行深入地研究和分析。本文结合历史气象数据和水文观测资料，选取金沙江流域中梨园水电站为研究对象，分析梨园水电站径流变化规律，选取适当的径流预报模型并率定敏感性参数，探讨各种径流成分在不同季节和气候条件下的变化过程。

本研究旨在探索云南金沙江流域的来水规律[3]，包括降水、融雪和地下径流等各种径流过程。通过分析梨园水电站降雨和径流系列的趋势性变化以及汛期水库的出、入库流量过程，对流域来水情况及水利工程调度展开研究[4]，构建径流预报模型，以准确预测水库来水量，为水电站的调度和管理提供科学依据[5]。本研究的结果将有助于加深对梨园流域水文过程的理解，并为云南电网的合理调度提供数据支撑。

1 流域产流分析

1.1 流域及工程概况

梨园流域属金沙江流域， 位于90.5°E～100.4°E 和26.6°N～35.9°N 之间，控制流域面积21.4 万 km2。流域内地势总体由西北向东南倾斜，海拔落差超过6000 m。梨园流域具有典型的高原气候和季风气候特征，气候垂直差异明显。年平均降水量572 mm，汛期平均降水量420.6 mm，石鼓以上多年平均年径流量424 亿 m3，石鼓站多年平均流量1343 m3/s。梨园流域所属的金沙江流域蕴藏丰富的水能资源，共规划超40 座梯级水电站，包括金沙江上游8座，中游干流河段8 座，下游干流4 座，支流雅砻江21 座，总装机容量超过9000 万 kW。

梨园水电站位于云南省丽江市玉龙县与迪庆州香格里拉县交界的金沙江干流上，为金沙江中游河段“一库八级”水电开发方案中的第三个梯级。梨园水电站第二台机组于2015 年3 月25 日开始进行尾水充水并进入机组调试。2015 年7 月10 日，云南金沙江梨园水电站第二台机组完成三天试运行，成功并网发电。

1.2 径流组成分析

梨园流域因其复杂的气候和地形条件造成了该流域的产流模式空间变化大，融雪产流、蓄满产流和超渗产流都有可能在该流域发生[6]。流域内各水文要素对气候变化的响应非常敏感，并通过径流过程将响应传递到中下游，从而对整个流域的水量产生影响。融雪产流方面，梨园流域上游为高原山区，上游融雪径流量决定着流域中下游水量及其动态变化；降雨产流方面，梨园流域降雨空间分布不均，下垫面空间异质性大，为半湿润半干旱地区，径流组成包含壤中流与地下径流。从径流形成的类别来看，融雪、融冰补给对流域内的河道径流有着显著的贡献[7]，但降雨仍是其主要来源。因此，研究流域下垫面特征及土壤含水量和降水等动态因子对产流模式的控制机制，可以揭示产流模式时空动态变化规律，提高径流模拟水平。

2 降雨、流量过程分析

2.1 趋势性分析方法

对降雨、径流等时间序列自然事件进行趋势性分析，Mann-Kendall 趋势检验（M-K 检验）属于无参数方法，其不要求样本遵从一定的分布，也不受少数异常值的干扰，能较为清晰地显现流量的变化趋势和突变点的存在性。对于流量序列变量X={x1,x2,x3,…,xn}，M-K 法定义了统计量S：

其中Sgn()为符号函数，规则如下：

S为正态分布， 其均值为0， 方差Var(S)=n(n-1)(2n+5)/18，当时n＞10，正态分布统计量计算如下：

当Z ＞0，则表明流量在该时间序列里呈增加趋势，否则为降低趋势，且绝对值越大，趋势越明显。

按时间序列X={x1,x2,x3,…,xn}构造一个秩序列：

在时间序列为随机的假设下，定义统计量：

其中服从标准正态分布。当UFk＞0 时，该变量呈增长趋势；当UFk＜0 时，该变量呈减小趋势，给定显著性水平α，结合正态分布表求得Ua/2，若∣UFk∣＞Ua/2，则该水文时间序列存在显著的变化趋势，反之变化趋势不显著。

2.2 降雨及径流过程分析

图1 反映了梨园流域的年际降水情况。在2014-2022 年内，UFk值有正有负，且未超过置信区间，表明降雨序列总体无显著变化趋势，符合降水的随机性规律。需要指出的是，同样由于序列长度较短，无法对降雨序列进行突变分析，适当增加序列长度可进行突变行检验，有利于分析梨园水电站的入库来水情况。

图1 梨园流域年降水量M-K统计曲线

图2 反映了梨园水电站年平均入库流量的变化趋势。在2015-2022 年内，UFk＞0，表明流量序列总体呈增加趋势。其中，在2019 年前出现UFk＞1.96，即流量序列曲线超出α=0.05的置信区间，在2019 年前为显著性增长。然而，流域的径流量不仅取决于降雨的多寡，存在周期性与随机性，还与人类的取用水及水利工程调蓄等密切相关。梨园水电站自建库至今仅有8年时间，序列时间较短，M-K 趋势性分析结果仅作为参考。

图2 梨园水电站年平均入库流量M-K统计曲线图

2.3 汛期出、入库流量变化分析

汛期降雨产流是梨园流域的主要径流补给。根据梨园水电站历史实测入库、出库流量资料，得到汛期6～9 月日平均流量变化情况。图3 显示，汛期梨园入库流量在6 月涨水，在7 月中上旬达到较高流量，而后趋于相对稳定的高水状态。丰水年梨园入库洪峰流量可达5500m3/s 以上，枯水年流量会跌落至1000m3/s 附近，计算得汛期梨园入库日平均流量为2684.8m3/s。

图3 梨园流域汛期入库流量变化

图4 是梨园流域汛期出库流量变化情况，计算得汛期梨园出库日平均流量为2676.2m3/s。历史最大出库流量5965m3/s，历史最小出库流量490m3/s。为进一步探究梨园水电站在汛期对洪水的调蓄作用，现对比年入库流量与出库流量，如图5 所示。

图4 梨园流域汛期出库流量变化

图5 梨园水电站汛期调度图

梨园水电站年平均入库与出库流量在汛期变化一致，计算得相关系数为0.995，水库在汛期总体呈“来多少水，放多少水”的调度方式。结合梨园水电站的逐日水位资料，分析得梨园水电站在汛期出于兴利与防洪的需要，水库水位不超汛限水位，当来水量较大时，会加大出库流量，保证电站安全度汛。

在实际的电站调度过程中，不仅需要了解历史的水文气象信息，更需要对水电站未来来水做出预测，构建适用于金沙江流域的径流模型，对于地区电网发电能力预测、电力电量平衡、运行方式安排等有重要意义。

3 径流模型构建

3.1 融雪模型

本文运用SNOW-17 融雪模型来定量计算融雪径流量。SNOW-17 是一种描述积雪积累和消融过程的积雪水文模型，能够反映积雪深度的细微变化。该模型以气温数据作为决定积雪-空气界面能量交换过程的唯一指标，输入变量仅为降水数据，对输入数据要求较少，对积雪累积和消融过程描述较为详细。SNOW-17 模型过程及相关参数如图6 所示。

图6 SNOW-17模型过程及相关参数

3.2 降雨径流模型

本文在模拟降雨径流时，运用分布式水文模型（栅格新安江模型）下垫面的空间变异性进行精细化刻画。栅格新安江模型以流域内每个DEM 栅格作为计算单元，并假设在栅格单元内的降水和地貌特征、土壤类型以及植被覆盖等下垫面条件空间分布均匀，模型只考虑各个要素在不同栅格之间的变异性。网格新安江模型先计算出每个栅格单元的植被冠层截留量、河道降水量和蒸散发量，然后再计算出栅格单元的产流量并采用自由水蓄水库结构对其进行水源划分，即划分为地表径流、壤中流以及地下径流三种水源，最后再根据栅格间的汇流演算次序，依次将各种水源演算至流域出口。在耦合SNOW-17 融雪模型后构成降雨-融雪径流模型进行不同径流成分的模拟，模型总体结构框图如图7 所示。

图7 栅格新安江模型及融雪过程模型结构框图

3.3 模型参数率定

对于流域水文模型来说，初始参数的取用需要通过率定的方法判断，这是保证计算结果合理的必要前提。参数率定也称参数估计，是提高中间参数估算准确性的一种有效方法。模型的参数可由以下几种方法得到：①直接测验、通过实验和关系函数推求，这种参数具有明确的物理解释；②可通过实测水文、气象系列资料反向推算，这种方法可看作是经验法；③确定参数大致范围而后运用水文气象资料推求，这种参数具有一定物理解释，又有经验根据。对于②、③两类参数，一般通过优化算法得到。在实际的率定过程中，首先需确定输入项参数，它可以是实测值，也可以是已经框定好初值范围的、具有确定物理意义的数；其次需利用数学物理模型进行计算得到相应结果；接着，把计算结果与实测值做对比分析，由计算误差对输入项进行调整；最后筛选出与目标函数最相符的一组参数值，使得模拟的水文过程逼近流域的真实情况。

模型参数主要受流域气候因素与下垫面因素的影响，气候条件主要包括温度（最高、最低和平均气温）、相对湿度、日照时数、土壤热通量密度、风速、饱和水汽压、实际水汽压有关，下垫面因素主要有高程、土壤类型、腐殖质土层厚度、水系、河道断面信息、植被覆盖、土壤含水量、积雪深度等，除此之外人类活动的干扰对模型运行也影响重大，如水库建库位置、有效库容、泄流方式、发电量、调度规则、农业用水等。

结合梨园流域的自然地理特性，对模型参数进行敏感性分析。敏感性性分析是定量研究自变量变化导致因变量变化程度的一种分析技术，若某自变量的敏感度越大，则该变量变化对因变量的影响越大；反之，则小。表1 为梨园流域降雨-融雪径流模型中敏感性参数的物理含义及经验取值范围。

表1 模型敏感性参数物理意义及经验取值范围

3.4 径流模拟分析

本节以自由水蓄水容量（SM）、融雪放大因子（SCF）两个敏感参数为例，揭示参数变化对径流模拟的影响，并辨识不同季节流域径流的主要组成。

自由水蓄水容量是模型中划分径流成分的重要参数，为了使模型计算出的洪水过程能更好地符合实测过程。模型按线性水库的“溢出”、“测孔流”和“底孔流”将蓄满产流模式求得的流域径流量分为地面、壤中和地下径流。图8为自由水蓄水容量（模型中以比例的形式赋值）对径流模拟的影响。SM 的大小直接影响着降雨产流量的大小，当SM 越大时，土壤的“自由水蓄水库”就越大，能够蓄存的水量就越多，相应的产流量就小；反之，减小SM，产流量就大。图8 结果显示，在汛期，即5-10 月，SM 对于产流量大小的影响较为敏感，而在枯季，变化SM 对产流结果影响较小。

图8 自由水蓄水容量（SM）参数调整对比

调整融雪放大因子（SCF），并保持其它参数不变，得融雪放大因子对融雪径流模拟的影响。融雪放大因子是模型融雪模块中的重要参数，取值大小直接影响着积雪在温度“阈值”控制条件下能够转为的融雪径流量。云南金沙江流域上游深处青藏高原腹地，山巅常见积雪，每年3-5 月青藏高原气温发生显著上升，部分积雪转为融雪径流。由图9 结果可以看出，融雪放大因子主要影响3-5 月融雪径流量，对于主汛期6-8 月，云南的径流主要依靠降雨补给，融雪放大因子对其作用不明显，对于后汛期9-10，径流主要依靠洪水退水，对于非汛期11-2 月，气候寒冷，积雪未达到融化温度阈值，SCF 对其均无作用。

图9 融雪放大因子（SCF）参数调整对比

4 结论

通过对梨园流域年降雨、径流的趋势性分析，得到以下结论：①在2014～2022 年间降雨序列无显著变化，但流量序列总体呈增加趋势。受资料限制，时间序列长度较短，为增加结论的可靠性，后续可延长序列长度。②梨园水电站汛期年平均入库和出库系列表现出显著的一致性变化规律，反映了梨园水电站在汛期“来多少水，放多少水”的调度模式。此外，运用分布式新安江耦合融雪模型对梨园水电站入库径流进行模拟，选取敏感性参数分析它们对径流模拟的影响。③融雪放大因子反映了每年3-5月融雪径流和地下径流是梨园流域的主要来水补给项，自由水蓄水容量反映了6-10 月降雨径流是梨园流域主要来水补给项。

分析梨园流域径流组成，进行降雨、径流等水文趋势性检验，可以加深对梨园流域水文特性的理解；在了解梨园流域调度模式的基础上，构建适用于云南典型流域的分布式水文模型并率定敏感性参数能够提高水电站来水预测的准确性，并为进一步优化调度方案提供可靠的数据支持。