劉龍慶 劉玉環(huán) 張獻志 沈延青

關鍵詞：后汛期；徑流特征；水庫可蓄水量；龍羊峽水庫；黃河源區(qū)

0引言

黃河源區(qū)是指唐乃亥水文站以上區(qū)域，是黃河徑流的重要來源地，素有“黃河水塔”之稱。黃河源區(qū)是我國重點保護的水源涵養(yǎng)區(qū)，但其生態(tài)系統(tǒng)脆弱，對氣候變化和人類活動敏感性強。通過大量研究發(fā)現(xiàn)，近幾十年來的氣候變化和人類活動對黃河源區(qū)徑流的形成與變化產生了顯著的影響，其徑流總體呈下降趨勢，且存在豐枯交替和周期性的變化。然而，不同研究者選取的雨量站和水文站個數(shù)、依據的氣象水文數(shù)據系列長度及采用的分析方法存在不同程度的差異，導致結果存在一定的差異。另外，隨著黃河流域生態(tài)保護和高質量發(fā)展重大國家戰(zhàn)略的不斷推進以及社會和經濟的發(fā)展，在防御洪水的同時，對洪水資源化利用的要求越來越高。因此，有必要對黃河源區(qū)現(xiàn)狀條件下的洪水特性及變化進行更為精細的探索研究，以期為充分發(fā)揮黃河上游大型水庫的多年調節(jié)作用、實現(xiàn)水庫的精細化調度提供科學依據。

唐乃亥水文站為黃河源區(qū)重要控制站，是龍羊峽水庫入庫和水庫調度的主要依據站，其后汛期徑流過程對龍羊峽水庫調度有重要影響，分析后汛期徑流特征，對充分利用洪水資源、發(fā)揮水庫發(fā)電和防洪防凌等效益有著重要意義。基于此，筆者結合龍羊峽水庫滿負荷發(fā)電流量，重點分析唐乃亥水文站1956-2022年后汛期徑流特征，為龍羊峽水庫入庫洪水預報和優(yōu)化調度方案提供參考。

1研究區(qū)概況

黃河源區(qū)位于青藏高原的東北部、黃河流域最西部，集水面積約12.2萬km2，占流域總面積的16.5%，平均海拔在3000m以上，草原廣闊，湖泊星羅棋布，大小支流眾多，自然調蓄能力強。黃河源區(qū)降水徑流變化主要受氣候條件的影響，降水中心大多出現(xiàn)在吉邁一瑪曲區(qū)間，降水量年際、年內變化較大，豐水年與枯水年降水量相差近一倍。初夏和秋季兩段時間多連續(xù)性降水，一般日降水量幾毫米至幾十毫米，面雨量分布相對均勻，籠罩面積大，伏季多陣性降水。洪水一般由連續(xù)性降水形成，間或有融雪徑流加入，漲落緩慢，一次洪水過程持續(xù)時間大多在20d以上，洪水發(fā)生頻次小、間隔時間長。

唐乃亥水文站于1955年8月建站，控制面積占龍羊峽壩址以上面積的92.8%。該站洪水基本由黃河源區(qū)降水形成，最大洪峰流量為5450m3/S（1981年9月13日）。通過對1956-2020年系列水文資料統(tǒng)計，該站多年平均徑流量為203. 83億m3，占黃河流域的40%左右，徑流量年際間差異較大，豐枯不均，最小為105.74億m3（2002年），最大為327.70億m3（1989年）。

2黃河源區(qū)汛期劃分

唐乃亥水文站洪水與黃河源區(qū)降水基本相應，具有明顯的季節(jié)性。1956-2020年多年平均日均流量過程曲線成雙峰形態(tài)，見圖1。3月中旬前后流量為220m3/S左右，然后開始緩慢上漲，7月11日前后出現(xiàn)第一個峰值1462m3/S，隨后開始回落，8月中旬出現(xiàn)汛期相對低點1050m3/S左右，8月底9月初開始第二輪上漲，9月16日前后出現(xiàn)第二個峰值1246m3/s，隨后流量先緩后急逐步減小，至12月上中旬流量減小至220m3/s左右，12月下旬至次年3月上旬流量基本穩(wěn)定在180～220m3/S。

按照《黃委關于龍羊峽和劉家峽水庫汛限水位調整的批復》（黃防御[2021] 158號），龍羊峽水庫汛期防洪期間（7月1日至9月30日）的汛限水位調整至設計汛限水位2594m，9月16日起水庫水位可視來水及水庫蓄水運用情況向正常蓄水位2600m過渡。因此，結合唐乃亥水文站多年平均日徑流量特征，考慮龍羊峽水庫防洪及發(fā)電調度需要，將黃河汛期（6月1日至10月31日）劃分為前汛期和后汛期兩個階段，其中6月1日至9月15日為前汛期，9月16日至10月31日為后汛期。

3龍羊峽水庫后汛期入庫徑流特征

從龍羊峽水庫的入庫站唐乃亥水文站多年平均日均流量過程可以看出，一般情況下，9月16日后唐乃亥水文站徑流過程進入退水階段，如果此時流量較大或后期出現(xiàn)洪水過程，對龍羊峽水庫乃至整個黃河流域而言，是極其寶貴的洪水資源。

3.1與前汛期徑流的關系

根據1956-2022年統(tǒng)計資料，唐乃亥水文站6-10月多年平均徑流量為145.10億m3，其中前汛期為102.89億m3，后汛期為42.21億m3，后汛期占汛期的29.1%，且后汛期與前汛期徑流量無明顯相關性，兩者線性決定系數(shù)R2僅為0.3082，見圖2。

3.2年際變化與豐枯分析

唐乃亥水文站歷年后汛期徑流量年際變化較大，見圖3，豐枯不均，最大為88.59億m3（1981年），最小為14.70億m3（2002年），后者僅為前者的1/6。后汛期多年平均徑流量為42.21億m3，中位數(shù)為38.39億m3。

采用《水文情報預報規(guī)范》（GB/T 22482-2008）中的距平百分率作為劃分徑流豐、平、枯的標準，1956-2022年后汛期徑流特枯、偏枯、正常、偏豐、特豐年份分別為27、5、13、4、18 a，特枯、偏枯和正常年份共占67.0%；龍羊峽水庫投入運用以來（1987-2022年），后汛期徑流特枯、偏枯、正常、偏豐、特豐年份分別為16、4、8、0、8a，特枯、偏枯和正常年份共占77.8%。

4龍羊峽水庫可蓄水量分析

4.1唐乃亥水文站后汛期1000m3/S以上徑流分析

龍羊峽水庫設計最大發(fā)電流量1240m3/s，但隨庫水位和水頭變化，實際最大發(fā)電流量也將發(fā)生變化。主要分為以下4種情況：1）當庫水位為2575～2578m時，最大發(fā)電流量約為1240m3/s;2）當庫水位為2587～2590m時，最大發(fā)電流量約為1050m3/s;3）當庫水位達2594m時，最大發(fā)電流量減小為1000m3/s;4）當庫水位達2600m時，最大發(fā)電流量僅為900m3/S。

綜合考慮上述4種最大發(fā)電流量，龍羊峽水庫平均最大發(fā)電流量為1060m3/s。為方便計算和統(tǒng)計，以唐乃亥水文站歷年后汛期1000m3/S以上徑流量為研究對象，對其1956-2022年數(shù)據進行P-Ⅲ頻率計算，結果見表1和圖4（圖中：Ex為期望值，CV為離散系數(shù)，Cs為偏態(tài)系數(shù)）。

歷年后汛期唐乃亥水文站日平均流量1000m3/S以上徑流量平均為8.96億m3，年際間變化極大（見圖5），最大為48.85億m3（1981年），不足1億m3的有28a，其中有17a后汛期日平均流量在1000m3/S以下。

4.2水庫可蓄水量分析

根據《黃委關于龍羊峽和劉家峽水庫汛限水位調整的批復》，龍羊峽水庫從9月16日開始從汛限水位2594m向正常蓄水位2600m過渡。期間，為了盡可能避免棄水，同時使水庫發(fā)電效益最大化，根據上述研究，若每年都按9月16日才開始突破汛限水位運行，在大部分年份水庫達不到正常蓄水位，屬大概率事件，因此本文重點關注此類大概率事件，簡化出兩種水庫下泄情景進行分析。情景一：龍羊峽水庫入庫站流量大于1000m3/S時，水庫按滿負荷發(fā)電流量1000m3/s下泄，其他時段進出庫平衡；情景二：水庫按最大發(fā)電流量下泄，發(fā)電效益更大，同時對徑流量需求也更大。

龍羊峽水庫投入運行以來，兩種情景蓄水情況墓本一致，僅2018年和2019年最高蓄水位可達正常蓄水位，2005年接近正常蓄水位，大部分年份無法蓄至正常蓄水位，一些年份甚至無水可蓄（如1993-1998年連續(xù)枯水年）。

按1956-2022年統(tǒng)計，兩種情景下，均有10a可蓄至2600m。在這10a中只有4a徑流量較2594～2600m之間庫容多5億m3以上，分別為1963年、1975年、1981年、1983年。

將1956-2022年唐乃亥水文站歷年后汛期1000m3/S以上徑流量進行P-Ⅲ頻率計算，其徑流量大于龍羊峽水庫水位2594～2600m間庫容24.4億m3的頻率約為10%，見表1。

5結論

1）黃河龍羊峽水庫后汛期入庫徑流量年際變化較大，豐枯不均，以正常偏枯為主，多年平均后汛期徑流量占汛期徑流量的29.1%，是黃河水資源的重要組成部分。因此，加強對后汛期徑流過程的科學調度，對黃河水資源高效合理利用、龍羊峽水庫效益充分發(fā)揮和寧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以上的徑流量平均為8.96億m3，年際變化極大，龍羊峽水庫蓄至正常蓄水位的保證率僅為10%，即龍羊峽水庫非汛期水資源效益最大化的來水形勢較為不利。

3）當后汛期開始時，若龍羊峽水庫水位仍處于汛限水位及以下，后汛期按最大發(fā)電流量下泄，雖然可實現(xiàn)后汛期發(fā)電效益最大化，但汛期結束后水位無法達到正常蓄水位2600m，不利于非汛期效益最大化。建議每年進入9月之后，根據龍羊峽水庫蓄水運用情況、未來降水和徑流的中長期預測預報，優(yōu)化和調整水庫年度調度方案，適時調整該年進入后汛期的時機，為高效合理利用黃河源區(qū)后汛期水資源奠定基礎。