黃河干流蘭州斷面不同時期徑流指標變化及成因分析

金雙彥，高 源，張 萍，馬志瑾

（黃河水利委員會 水文局，河南 鄭州 450004）

蘭州斷面以上流域是黃河的主要產流區，充分利用和合理配置流域水資源、保護流域生態環境是推動黃河流域生態保護和高質量發展的重要方向。 相關學者針對黃河徑流變化已得出大量研究成果，其中對于蘭州斷面年徑流量變化得出的主要結論是其呈現逐年代減少或顯著減少趨勢［1-5］，但這些學者多是針對月、年尺度的徑流量進行分析，研究尺度較長。 本文針對1950—1968年、1969—1986年和1987—2005年3 個時期蘭州斷面徑流量呈現階段性減少、2006—2018年逐漸回升的現象，采用水文分析方法和流量過程變異程度指標計算方法深入分析1950—2018年蘭州斷面年最大日平均流量、極端流量等水文指標的變化特性及成因，以期為流域水資源管理提供技術支撐。

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程線見圖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 個時期其多年平均徑流量呈現逐階段減少趨勢，第4 個時期其多年平均徑流量呈現回升趨勢。

圖1 1950—2018年蘭州斷面年徑流量過程線

2 數據來源和研究方法

2.1 數據來源

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據均源自《中華人民共和國水文年鑒》。

2.2 研究方法

采用水文分析方法和流量過程變異程度指標計算方法研究蘭州斷面水文要素的演變趨勢，分析蘭州斷面不同時間尺度的徑流變化特點。 流量過程變異程度是現狀開發狀態下水文斷面的歷年逐月實測徑流量與天然徑流量的平均偏離程度，流量過程變異程度指標FD計算公式為

式中：qm、Qm分別為歷年逐月實測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程線見圖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%。 劉家峽水庫于1968年10月開始蓄水，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；龍羊峽水庫于1986年10月投入運行，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程線

（2）平均洪水頻次和歷時。 1950—2018年6—10月蘭州斷面不同日平均流量量級對應的平均洪水頻次統計見表1，可以看出，1000 ～2000 m3／s 小流量洪水時，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，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年沒有出現。

表1 1950—2018年6—10月蘭州斷面不同日平均流量量級對應的平均洪水頻次次／a

1950—2018年6—10月蘭州斷面不同日平均流量量級對應的平均洪水歷時統計見表2，可以看出，1000～2000 m3／s 小流量洪水時，1950—2018年蘭州斷面的平均洪水歷時逐漸增長；流量大于2000 m3／s 時，1950—2018年蘭州斷面的平均洪水歷時逐漸縮短。

表2 1950—2018年6—10月蘭州斷面不同日平均流量量級對應的平均洪水歷時 d

（3）洪水年均出現天數。 1950—2018年6—10月蘭州斷面不同日平均流量量級對應的洪水年均出現天數統計見表3，可以看出，在1950—1968年、1969—1986年、1987—2005年3 個時期內，隨著蘭州斷面日平均流量量級提高，洪水年均出現天數整體呈現減少趨勢；與1987—2005年相比，除流量大于4000 m3／s外，其他流量量級的2006—2018年蘭州斷面的洪水年均出現天數均有所回升。

表3 1950—2018年6—10月蘭州斷面不同日平均流量量級對應的洪水年均出現天數 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程線見圖3。

圖3 1950—2018年蘭州斷面的年最小日流量過程線

以年最小日流量200、300、400 m3／s 為界限，分析各時期不同年最小日流量量級對應的年均出現天數，結果見表4，可知劉家峽水庫運行后，由于水庫調蓄，無論在全年還是在4—6月生態敏感期，1969—1986年蘭州斷面的小流量年均出現天數整體明顯減少。

表4 蘭州斷面不同年最小日流量量級對應的年均出現天數d

3.3 極端流量變化

1956—2018年蘭州斷面的極端流量統計見表5，可知1956—2018年蘭州斷面最小化指標的極端流量隨時間變化整體呈現上升趨勢，這是由于劉家峽和龍羊峽水庫運行后削峰作用明顯，極端小流量情況顯著改善。 1987—2005年龍劉水庫聯合運行期間，蘭州斷面最大化指標的極端流量下降比較明顯，而《黃河水量調度條例》（國務院令第472 號）自2006年8月1 日起實施以后，2006—2018年蘭州斷面最大化指標的極端流量又開始回升。

表5 1956—2018年蘭州斷面的極端流量 m3／s

3.4 流量過程變異程度變化

1956—2017年蘭州斷面流量過程變異程度變化情況見圖4，可以看出，該變化情況明顯分為3 個階段：1956—1967年劉家峽水庫運行之前，FD值在0.09～0.17之間；1968—1986年僅劉家峽水庫運行期間，FD值在0.49 ～1.30 之間；1987—2017年龍劉水庫聯合運行以來，FD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計見圖5。 1968年10月劉家峽水庫運行后，6—10月為豐水期蓄水時期，12月至次年4月為枯水期補水時期，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月龍劉水庫聯合運行后，對水量的調蓄和補償能力增強，1987—2005年6—10月蘭州斷面的月平均流量較劉家峽水庫單庫運行時期明顯減小。 2006年全河水量統一調度后，蘭州斷面的月平均流量較龍劉水庫聯合運行時期整體有所回升，尤其是4—10月回升現象比較明顯，除受1987—2005年龍羊峽以上來水偏少的影響之外，全河水量統一調度對蘭州斷面的徑流年內分配也有一定影響［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蓄水運行

劉家峽水庫于1968年10月開始蓄水，龍羊峽水庫于1986年10月投入運行，為具體分析蘭州斷面徑流變化的影響因素，以龍羊峽水庫運行時間為界劃分為劉家峽單庫運行和龍劉水庫聯合運行兩個時期［7-9］。 1969—1986年劉家峽水庫單庫運行時期，除1977年末劉家峽水庫蓄水量為25.14 億m3外，其他年份年末水庫蓄水量在40.00 億～45.00 億m3之間，1969—1986年水庫多年平均年末蓄水量為40.37 億m3；1986年龍劉水庫聯合運行以后，1987年末劉家峽水庫蓄水量為16.26 億m3，其他年份年末水庫蓄水量維持在30.00 億m3左右，1986—2018年水庫多年平均年末蓄水量為30.78 億m3。

1968—2018年龍劉水庫總蓄水量變化過程見圖6，1990年以后黃河用水緊張，龍劉水庫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年龍劉水庫聯合運行時期至2006—2018年全河水量統一調度時期，龍劉水庫形成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年龍劉水庫的多年平均總蓄水量為224.59 億m3，2018年總蓄水量達272.03 億m3，其中龍羊峽水庫蓄水量維持在190 億m3左右，多年平均年末蓄水量為196.48 億m3。

圖6 1968—2018年龍劉水庫總蓄水量變化過程

4.2 工農業耗水影響

分別計算1969—1986年劉家峽水庫單庫運行時期和1987—2018年龍劉水庫聯合運行時期龍劉水庫總蓄變量和沿黃工農業耗水量，見表6。 1969—1986年汛期劉家峽水庫總蓄變量和工農業耗水量占還原徑流量的比例分別為79.7%和20.3%，非汛期劉家峽水庫總蓄變量和工農業耗水量所占比例分別為73.3%和26.7%；1987—2018年龍劉水庫運行時期，汛期龍劉水庫總蓄變量和工農業耗水量所占比例分別為86.2%和13.8%，非汛期龍劉水庫總蓄變量和工農業耗水量所占比例分別為76.1%和23.9%。

表6 1969—2018年龍劉水庫總蓄變量和工農業耗水量

5 結論

在1950—1968年、1969—1986年和1987—2018年這3 個時期，蘭州斷面的小流量洪水頻次增加，中大流量洪水頻次減少，小流量洪水歷時增長，中大流量洪水歷時縮短，流量過程變異程度逐階段下降；隨著蘭州斷面日平均流量量級提高，洪水年均出現天數整體呈現減少趨勢。 與1950—1968年相比，1969—1986年劉家峽水庫單庫運行時期，蘭州斷面年最大日平均流量、不同年最小日流量量級對應的年均出現天數、最大化指標的極端流量、6—10月月平均流量均明顯減小。經分析，1950—2018年蘭州斷面各項徑流指標呈階段性變化的主要原因是龍羊峽和劉家峽水庫的蓄水運行、沿黃工農業耗水以及全河水量統一調度的實施。