龙羊峡水库后汛期入库径流特征及可蓄水量分析

刘龙庆 刘玉环 张献志 沈延青

关键词：后汛期；径流特征；水库可蓄水量；龙羊峡水库；黄河源区

0引言

黄河源区是指唐乃亥水文站以上区域，是黄河径流的重要来源地，素有“黄河水塔”之称。黄河源区是我国重点保护的水源涵养区，但其生态系统脆弱，对气候变化和人类活动敏感性强。通过大量研究发现，近几十年来的气候变化和人类活动对黄河源区径流的形成与变化产生了显著的影响，其径流总体呈下降趋势，且存在丰枯交替和周期性的变化。然而，不同研究者选取的雨量站和水文站个数、依据的气象水文数据系列长度及采用的分析方法存在不同程度的差异，导致结果存在一定的差异。另外，随着黄河流域生态保护和高质量发展重大国家战略的不断推进以及社会和经济的发展，在防御洪水的同时，对洪水资源化利用的要求越来越高。因此，有必要对黄河源区现状条件下的洪水特性及变化进行更为精细的探索研究，以期为充分发挥黄河上游大型水库的多年调节作用、实现水库的精细化调度提供科学依据。

唐乃亥水文站为黄河源区重要控制站，是龙羊峡水库入库和水库调度的主要依据站，其后汛期径流过程对龙羊峡水库调度有重要影响，分析后汛期径流特征，对充分利用洪水资源、发挥水库发电和防洪防凌等效益有着重要意义。基于此，笔者结合龙羊峡水库满负荷发电流量，重点分析唐乃亥水文站1956-2022年后汛期径流特征，为龙羊峡水库入库洪水预报和优化调度方案提供参考。

1研究区概况

黄河源区位于青藏高原的东北部、黄河流域最西部，集水面积约12.2万km2，占流域总面积的16.5%，平均海拔在3000m以上，草原广阔，湖泊星罗棋布，大小支流众多，自然调蓄能力强。黄河源区降水径流变化主要受气候条件的影响，降水中心大多出现在吉迈一玛曲区间，降水量年际、年内变化较大，丰水年与枯水年降水量相差近一倍。初夏和秋季两段时间多连续性降水，一般日降水量几毫米至几十毫米，面雨量分布相对均匀，笼罩面积大，伏季多阵性降水。洪水一般由连续性降水形成，间或有融雪径流加入，涨落缓慢，一次洪水过程持续时间大多在20d以上，洪水发生频次小、间隔时间长。

唐乃亥水文站于1955年8月建站，控制面积占龙羊峡坝址以上面积的92.8%。该站洪水基本由黄河源区降水形成，最大洪峰流量为5450m3/S（1981年9月13日）。通过对1956-2020年系列水文资料统计，该站多年平均径流量为203. 83亿m3，占黄河流域的40%左右，径流量年际间差异较大，丰枯不均，最小为105.74亿m3（2002年），最大为327.70亿m3（1989年）。

2黄河源区汛期划分

唐乃亥水文站洪水与黄河源区降水基本相应，具有明显的季节性。1956-2020年多年平均日均流量过程曲线成双峰形态，见图1。3月中旬前后流量為220m3/S左右，然后开始缓慢上涨，7月11日前后出现第一个峰值1462m3/S，随后开始回落，8月中旬出现汛期相对低点1050m3/S左右，8月底9月初开始第二轮上涨，9月16日前后出现第二个峰值1246m3/s，随后流量先缓后急逐步减小，至12月上中旬流量减小至220m3/s左右，12月下旬至次年3月上旬流量基本稳定在180～220m3/S。

按照《黄委关于龙羊峡和刘家峡水库汛限水位调整的批复》（黄防御[2021] 158号），龙羊峡水库汛期防洪期间（7月1日至9月30日）的汛限水位调整至设计汛限水位2594m，9月16日起水库水位可视来水及水库蓄水运用情况向正常蓄水位2600m过渡。因此，结合唐乃亥水文站多年平均日径流量特征，考虑龙羊峡水库防洪及发电调度需要，将黄河汛期（6月1日至10月31日）划分为前汛期和后汛期两个阶段，其中6月1日至9月15日为前汛期，9月16日至10月31日为后汛期。

3龙羊峡水库后汛期入库径流特征

从龙羊峡水库的入库站唐乃亥水文站多年平均日均流量过程可以看出，一般情况下，9月16日后唐乃亥水文站径流过程进入退水阶段，如果此时流量较大或后期出现洪水过程，对龙羊峡水库乃至整个黄河流域而言，是极其宝贵的洪水资源。

3.1与前汛期径流的关系

根据1956-2022年统计资料，唐乃亥水文站6-10月多年平均径流量为145.10亿m3，其中前汛期为102.89亿m3，后汛期为42.21亿m3，后汛期占汛期的29.1%，且后汛期与前汛期径流量无明显相关性，两者线性决定系数R2仅为0.3082，见图2。

3.2年际变化与丰枯分析

唐乃亥水文站历年后汛期径流量年际变化较大，见图3，丰枯不均，最大为88.59亿m3（1981年），最小为14.70亿m3（2002年），后者仅为前者的1/6。后汛期多年平均径流量为42.21亿m3，中位数为38.39亿m3。

采用《水文情报预报规范》（GB/T 22482-2008）中的距平百分率作为划分径流丰、平、枯的标准，1956-2022年后汛期径流特枯、偏枯、正常、偏丰、特丰年份分别为27、5、13、4、18 a，特枯、偏枯和正常年份共占67.0%；龙羊峡水库投入运用以来（1987-2022年），后汛期径流特枯、偏枯、正常、偏丰、特丰年份分别为16、4、8、0、8a，特枯、偏枯和正常年份共占77.8%。

4龙羊峡水库可蓄水量分析

4.1唐乃亥水文站后汛期1000m3/S以上径流分析

龙羊峡水库设计最大发电流量1240m3/s，但随库水位和水头变化，实际最大发电流量也将发生变化。主要分为以下4种情况：1）当库水位为2575～2578m时，最大发电流量约为1240m3/s;2）当库水位为2587～2590m时，最大发电流量约为1050m3/s;3）当库水位达2594m时，最大发电流量减小为1000m3/s;4）当库水位达2600m时，最大发电流量仅为900m3/S。

综合考虑上述4种最大发电流量，龙羊峡水库平均最大发电流量为1060m3/s。为方便计算和统计，以唐乃亥水文站历年后汛期1000m3/S以上径流量为研究对象，对其1956-2022年数据进行P-Ⅲ频率计算，结果见表1和图4（图中：Ex为期望值，CV为离散系数，Cs为偏态系数）。

历年后汛期唐乃亥水文站日平均流量1000m3/S以上径流量平均为8.96亿m3，年际间变化极大（见图5），最大为48.85亿m3（1981年），不足1亿m3的有28a，其中有17a后汛期日平均流量在1000m3/S以下。

4.2水库可蓄水量分析

根据《黄委关于龙羊峡和刘家峡水库汛限水位调整的批复》，龙羊峡水库从9月16日开始从汛限水位2594m向正常蓄水位2600m过渡。期间，为了尽可能避免弃水，同时使水库发电效益最大化，根据上述研究，若每年都按9月16日才开始突破汛限水位运行，在大部分年份水库达不到正常蓄水位，属大概率事件，因此本文重点关注此类大概率事件，简化出两种水库下泄情景进行分析。情景一：龙羊峡水库入库站流量大于1000m3/S时，水库按满负荷发电流量1000m3/s下泄，其他时段进出库平衡；情景二：水库按最大发电流量下泄，发电效益更大，同时对径流量需求也更大。

龙羊峡水库投入运行以来，两种情景蓄水情况墓本一致，仅2018年和2019年最高蓄水位可达正常蓄水位，2005年接近正常蓄水位，大部分年份无法蓄至正常蓄水位，一些年份甚至无水可蓄（如1993-1998年连续枯水年）。

按1956-2022年统计，两种情景下，均有10a可蓄至2600m。在这10a中只有4a径流量较2594～2600m之间库容多5亿m3以上，分别为1963年、1975年、1981年、1983年。

将1956-2022年唐乃亥水文站历年后汛期1000m3/S以上径流量进行P-Ⅲ频率计算，其径流量大于龙羊峡水库水位2594～2600m间库容24.4亿m3的频率约为10%，见表1。

5结论

1）黄河龙羊峡水库后汛期入库径流量年际变化较大，丰枯不均，以正常偏枯为主，多年平均后汛期径流量占汛期径流量的29.1%，是黄河水资源的重要组成部分。因此，加强对后汛期径流过程的科学调度，对黄河水资源高效合理利用、龙羊峡水库效益充分发挥和宁蒙河段防凌安全具有重要作用。

2）唐乃亥水文站后汛期日平均流量在1000m3/S以上的径流量平均为8.96亿m3，年际变化极大，龙羊峡水库蓄至正常蓄水位的保证率仅为10%，即龍羊峡水库非汛期水资源效益最大化的来水形势较为不利。

3）当后汛期开始时，若龙羊峡水库水位仍处于汛限水位及以下，后汛期按最大发电流量下泄，虽然可实现后汛期发电效益最大化，但汛期结束后水位无法达到正常蓄水位2600m，不利于非汛期效益最大化。建议每年进入9月之后，根据龙羊峡水库蓄水运用情况、未来降水和径流的中长期预测预报，优化和调整水库年度调度方案，适时调整该年进入后汛期的时机，为高效合理利用黄河源区后汛期水资源奠定基础。