金雙彥，高 源，張 萍，馬志瑾

（黃河水利委員會(huì) 水文局，河南 鄭州 450004）

蘭州斷面以上流域是黃河的主要產(chǎn)流區(qū)，充分利用和合理配置流域水資源、保護(hù)流域生態(tài)環(huán)境是推動(dòng)黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展的重要方向。 相關(guān)學(xué)者針對(duì)黃河徑流變化已得出大量研究成果，其中對(duì)于蘭州斷面年徑流量變化得出的主要結(jié)論是其呈現(xiàn)逐年代減少或顯著減少趨勢(shì)［1-5］，但這些學(xué)者多是針對(duì)月、年尺度的徑流量進(jìn)行分析，研究尺度較長(zhǎng)。 本文針對(duì)1950—1968年、1969—1986年和1987—2005年3 個(gè)時(shí)期蘭州斷面徑流量呈現(xiàn)階段性減少、2006—2018年逐漸回升的現(xiàn)象，采用水文分析方法和流量過(guò)程變異程度指標(biāo)計(jì)算方法深入分析1950—2018年蘭州斷面年最大日平均流量、極端流量等水文指標(biāo)的變化特性及成因，以期為流域水資源管理提供技術(shù)支撐。

1 蘭州斷面以上流域概況

蘭州水文站是黃河上游干流的重要水文站和水量標(biāo)志站，蘭州斷面以上流域面積約占黃河流域總面積的28%。 1950—2018年黃河干流蘭州斷面年徑流量過(guò)程線見(jiàn)圖1，可得1950—1968年、1969—1986年、1987—2005年和2006—2018年蘭州斷面的多年平均徑流量分別為351.7 億、345.9 億、294.9 億、333.5 億m3，表明前3 個(gè)時(shí)期其多年平均徑流量呈現(xiàn)逐階段減少趨勢(shì)，第4 個(gè)時(shí)期其多年平均徑流量呈現(xiàn)回升趨勢(shì)。

圖1 1950—2018年蘭州斷面年徑流量過(guò)程線

2 數(shù)據(jù)來(lái)源和研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

1950—2018年蘭州斷面的日平均流量、極端流量、月平均流量等水文數(shù)據(jù)均源自《中華人民共和國(guó)水文年鑒》。

2.2 研究方法

采用水文分析方法和流量過(guò)程變異程度指標(biāo)計(jì)算方法研究蘭州斷面水文要素的演變趨勢(shì)，分析蘭州斷面不同時(shí)間尺度的徑流變化特點(diǎn)。 流量過(guò)程變異程度是現(xiàn)狀開(kāi)發(fā)狀態(tài)下水文斷面的歷年逐月實(shí)測(cè)徑流量與天然徑流量的平均偏離程度，流量過(guò)程變異程度指標(biāo)FD計(jì)算公式為

式中：qm、Qm分別為歷年逐月實(shí)測(cè)徑流量和天然徑流量；為歷年1—12月天然月徑流量均值。

3 徑流變化特性分析

3.1 不同時(shí)期蘭州斷面的洪水變化

（1）年最大日平均流量。 1950—2018年蘭州斷面歷年最大日平均流量過(guò)程線見(jiàn)圖2，可知1950—1968年蘭州斷面年最大日平均流量均值為3630 m3／s；1969—1986年蘭州斷面年最大日平均流量均值為3209 m3／s，與1950—1968年蘭州斷面年最大日平均流量均值相比，削減了11.6%；1987—2018年蘭州斷面年最大日平均流量均值為1810 m3／s，與1969—1986年蘭州斷面最大日平均流量均值相比，削減了43.6%。 劉家峽水庫(kù)于1968年10月開(kāi)始蓄水，1968—1969年蘭州斷面年最大日平均流量從3820 m3／s 陡降為1590 m3／s；龍羊峽水庫(kù)于1986年10月投入運(yùn)行，1986—1987年蘭州斷面年最大日平均流量從3610 m3／s陡降為1480 m3／s。

圖2 1950—2018年蘭州斷面歷年最大日平均流量過(guò)程線

（2）平均洪水頻次和歷時(shí)。 1950—2018年6—10月蘭州斷面不同日平均流量量級(jí)對(duì)應(yīng)的平均洪水頻次統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1，可以看出，1000 ～2000 m3／s 小流量洪水時(shí)，1950—2018年蘭州斷面的平均洪水頻次逐漸增加；流量大于2000 m3／s 時(shí)，蘭州斷面的平均洪水頻次明顯減少，尤其流量大于4000 m3／s 的洪水在1987—2018年沒(méi)有出現(xiàn)。

表1 1950—2018年6—10月蘭州斷面不同日平均流量量級(jí)對(duì)應(yīng)的平均洪水頻次次／a

1950—2018年6—10月蘭州斷面不同日平均流量量級(jí)對(duì)應(yīng)的平均洪水歷時(shí)統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表2，可以看出，1000～2000 m3／s 小流量洪水時(shí)，1950—2018年蘭州斷面的平均洪水歷時(shí)逐漸增長(zhǎng)；流量大于2000 m3／s 時(shí)，1950—2018年蘭州斷面的平均洪水歷時(shí)逐漸縮短。

表2 1950—2018年6—10月蘭州斷面不同日平均流量量級(jí)對(duì)應(yīng)的平均洪水歷時(shí) d

（3）洪水年均出現(xiàn)天數(shù)。 1950—2018年6—10月蘭州斷面不同日平均流量量級(jí)對(duì)應(yīng)的洪水年均出現(xiàn)天數(shù)統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表3，可以看出，在1950—1968年、1969—1986年、1987—2005年3 個(gè)時(shí)期內(nèi)，隨著蘭州斷面日平均流量量級(jí)提高，洪水年均出現(xiàn)天數(shù)整體呈現(xiàn)減少趨勢(shì)；與1987—2005年相比，除流量大于4000 m3／s外，其他流量量級(jí)的2006—2018年蘭州斷面的洪水年均出現(xiàn)天數(shù)均有所回升。

表3 1950—2018年6—10月蘭州斷面不同日平均流量量級(jí)對(duì)應(yīng)的洪水年均出現(xiàn)天數(shù) d

3.2年最小日流量變化

1950—2018年蘭州斷面的年最小日流量過(guò)程線見(jiàn)圖3。

圖3 1950—2018年蘭州斷面的年最小日流量過(guò)程線

以年最小日流量200、300、400 m3／s 為界限，分析各時(shí)期不同年最小日流量量級(jí)對(duì)應(yīng)的年均出現(xiàn)天數(shù)，結(jié)果見(jiàn)表4，可知?jiǎng)⒓覎{水庫(kù)運(yùn)行后，由于水庫(kù)調(diào)蓄，無(wú)論在全年還是在4—6月生態(tài)敏感期，1969—1986年蘭州斷面的小流量年均出現(xiàn)天數(shù)整體明顯減少。

表4 蘭州斷面不同年最小日流量量級(jí)對(duì)應(yīng)的年均出現(xiàn)天數(shù)d

3.3 極端流量變化

1956—2018年蘭州斷面的極端流量統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表5，可知1956—2018年蘭州斷面最小化指標(biāo)的極端流量隨時(shí)間變化整體呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，這是由于劉家峽和龍羊峽水庫(kù)運(yùn)行后削峰作用明顯，極端小流量情況顯著改善。 1987—2005年龍劉水庫(kù)聯(lián)合運(yùn)行期間，蘭州斷面最大化指標(biāo)的極端流量下降比較明顯，而《黃河水量調(diào)度條例》（國(guó)務(wù)院令第472 號(hào)）自2006年8月1 日起實(shí)施以后，2006—2018年蘭州斷面最大化指標(biāo)的極端流量又開(kāi)始回升。

表5 1956—2018年蘭州斷面的極端流量 m3／s

3.4 流量過(guò)程變異程度變化

1956—2017年蘭州斷面流量過(guò)程變異程度變化情況見(jiàn)圖4，可以看出，該變化情況明顯分為3 個(gè)階段：1956—1967年劉家峽水庫(kù)運(yùn)行之前，F(xiàn)D值在0.09～0.17之間；1968—1986年僅劉家峽水庫(kù)運(yùn)行期間，F(xiàn)D值在0.49 ～1.30 之間；1987—2017年龍劉水庫(kù)聯(lián)合運(yùn)行以來(lái)，F(xiàn)D值在0.98～2.32 之間。

圖4 1956—2017年蘭州斷面的FD 值變化情況

3.5 月平均流量變化

1956—2018年蘭州斷面的月平均流量統(tǒng)計(jì)見(jiàn)圖5。 1968年10月劉家峽水庫(kù)運(yùn)行后，6—10月為豐水期蓄水時(shí)期，12月至次年4月為枯水期補(bǔ)水時(shí)期，與1956—1968年相比，1969—1986年6—10月蘭州斷面的月平均流量明顯減小，12月至次年4月月平均流量增大。 1986年10月龍劉水庫(kù)聯(lián)合運(yùn)行后，對(duì)水量的調(diào)蓄和補(bǔ)償能力增強(qiáng)，1987—2005年6—10月蘭州斷面的月平均流量較劉家峽水庫(kù)單庫(kù)運(yùn)行時(shí)期明顯減小。 2006年全河水量統(tǒng)一調(diào)度后，蘭州斷面的月平均流量較龍劉水庫(kù)聯(lián)合運(yùn)行時(shí)期整體有所回升，尤其是4—10月回升現(xiàn)象比較明顯，除受1987—2005年龍羊峽以上來(lái)水偏少的影響之外，全河水量統(tǒng)一調(diào)度對(duì)蘭州斷面的徑流年內(nèi)分配也有一定影響［6］。

圖5 1956—2018年蘭州斷面的月平均流量

4 徑流變化影響因素分析

4.1 劉家峽和龍羊峽水庫(kù)蓄水運(yùn)行

劉家峽水庫(kù)于1968年10月開(kāi)始蓄水，龍羊峽水庫(kù)于1986年10月投入運(yùn)行，為具體分析蘭州斷面徑流變化的影響因素，以龍羊峽水庫(kù)運(yùn)行時(shí)間為界劃分為劉家峽單庫(kù)運(yùn)行和龍劉水庫(kù)聯(lián)合運(yùn)行兩個(gè)時(shí)期［7-9］。 1969—1986年劉家峽水庫(kù)單庫(kù)運(yùn)行時(shí)期，除1977年末劉家峽水庫(kù)蓄水量為25.14 億m3外，其他年份年末水庫(kù)蓄水量在40.00 億～45.00 億m3之間，1969—1986年水庫(kù)多年平均年末蓄水量為40.37 億m3；1986年龍劉水庫(kù)聯(lián)合運(yùn)行以后，1987年末劉家峽水庫(kù)蓄水量為16.26 億m3，其他年份年末水庫(kù)蓄水量維持在30.00 億m3左右，1986—2018年水庫(kù)多年平均年末蓄水量為30.78 億m3。

1968—2018年龍劉水庫(kù)總蓄水量變化過(guò)程見(jiàn)圖6，1990年以后黃河用水緊張，龍劉水庫(kù)3次向下游加大泄流量，形成3次蓄水低谷，分別為1991年末的112.22億m3、1996年末的109.43 億m3和2002年末的96.86 億m3。 在1987—2005年龍劉水庫(kù)聯(lián)合運(yùn)行時(shí)期至2006—2018年全河水量統(tǒng)一調(diào)度時(shí)期，龍劉水庫(kù)形成4次蓄水高峰，分別為1989年末的189.94 億m3、1993年末的184.82 億m3、1999年末的198.18 億m3和2005年末的264.26 億m3，其中龍羊峽水庫(kù)4次蓄水高峰分別為156.89 億、154.00 億、168.04 億、231.02 億m3。 2006—2018年龍劉水庫(kù)的多年平均總蓄水量為224.59 億m3，2018年總蓄水量達(dá)272.03 億m3，其中龍羊峽水庫(kù)蓄水量維持在190 億m3左右，多年平均年末蓄水量為196.48 億m3。

圖6 1968—2018年龍劉水庫(kù)總蓄水量變化過(guò)程

4.2 工農(nóng)業(yè)耗水影響

分別計(jì)算1969—1986年劉家峽水庫(kù)單庫(kù)運(yùn)行時(shí)期和1987—2018年龍劉水庫(kù)聯(lián)合運(yùn)行時(shí)期龍劉水庫(kù)總蓄變量和沿黃工農(nóng)業(yè)耗水量，見(jiàn)表6。 1969—1986年汛期劉家峽水庫(kù)總蓄變量和工農(nóng)業(yè)耗水量占還原徑流量的比例分別為79.7%和20.3%，非汛期劉家峽水庫(kù)總蓄變量和工農(nóng)業(yè)耗水量所占比例分別為73.3%和26.7%；1987—2018年龍劉水庫(kù)運(yùn)行時(shí)期，汛期龍劉水庫(kù)總蓄變量和工農(nóng)業(yè)耗水量所占比例分別為86.2%和13.8%，非汛期龍劉水庫(kù)總蓄變量和工農(nóng)業(yè)耗水量所占比例分別為76.1%和23.9%。

表6 1969—2018年龍劉水庫(kù)總蓄變量和工農(nóng)業(yè)耗水量

5 結(jié)論

在1950—1968年、1969—1986年和1987—2018年這3 個(gè)時(shí)期，蘭州斷面的小流量洪水頻次增加，中大流量洪水頻次減少，小流量洪水歷時(shí)增長(zhǎng)，中大流量洪水歷時(shí)縮短，流量過(guò)程變異程度逐階段下降；隨著蘭州斷面日平均流量量級(jí)提高，洪水年均出現(xiàn)天數(shù)整體呈現(xiàn)減少趨勢(shì)。 與1950—1968年相比，1969—1986年劉家峽水庫(kù)單庫(kù)運(yùn)行時(shí)期，蘭州斷面年最大日平均流量、不同年最小日流量量級(jí)對(duì)應(yīng)的年均出現(xiàn)天數(shù)、最大化指標(biāo)的極端流量、6—10月月平均流量均明顯減小。經(jīng)分析，1950—2018年蘭州斷面各項(xiàng)徑流指標(biāo)呈階段性變化的主要原因是龍羊峽和劉家峽水庫(kù)的蓄水運(yùn)行、沿黃工農(nóng)業(yè)耗水以及全河水量統(tǒng)一調(diào)度的實(shí)施。