梨園水電站徑流分析與模擬

羅煜寧，張珂，吳南，王宇昊，王一帆，王國(guó)芳

（1.河海大學(xué)水災(zāi)害防御全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210024；2.河海大學(xué)長(zhǎng)江保護(hù)與綠色發(fā)展研究院，江蘇 南京 210024；3.河海大學(xué)水文水資源學(xué)院，江蘇 南京 210024；4.中國(guó)氣象局水文氣象重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210024；5.水利部水利大數(shù)據(jù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210024；6.水利部水循環(huán)與水動(dòng)力系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210024；7.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，云南 昆明 650217）

0 前言

隨著氣候變化和人類活動(dòng)的影響[1]，流域的水資源供給和調(diào)配面臨著的挑戰(zhàn)日趨增加。流域上中游多分布有一些水利工程，極端天氣事件的增加和人類取用水的影響增加了水庫來水量的不確定性，給水電站的運(yùn)行和調(diào)度帶來了巨大的不確定性。分析流域氣候要素及水庫來水變化特性，有助于提升水電站的安全管理與經(jīng)濟(jì)運(yùn)行效益。

金沙江流域是中國(guó)西南地區(qū)最重要的水資源補(bǔ)給區(qū)之一，對(duì)于云南省的水資源供給和能源開發(fā)具有重要意義[2]。由于該地區(qū)的地形復(fù)雜性和氣候多變性，金沙江流域的來水預(yù)測(cè)研究一直以來都是一個(gè)關(guān)鍵而復(fù)雜的研究問題。為更好地掌握金沙江流域的來水情況并提高水電利用效率，有必要進(jìn)行深入地研究和分析。本文結(jié)合歷史氣象數(shù)據(jù)和水文觀測(cè)資料，選取金沙江流域中梨園水電站為研究對(duì)象，分析梨園水電站徑流變化規(guī)律，選取適當(dāng)?shù)膹搅黝A(yù)報(bào)模型并率定敏感性參數(shù)，探討各種徑流成分在不同季節(jié)和氣候條件下的變化過程。

本研究旨在探索云南金沙江流域的來水規(guī)律[3]，包括降水、融雪和地下徑流等各種徑流過程。通過分析梨園水電站降雨和徑流系列的趨勢(shì)性變化以及汛期水庫的出、入庫流量過程，對(duì)流域來水情況及水利工程調(diào)度展開研究[4]，構(gòu)建徑流預(yù)報(bào)模型，以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)水庫來水量，為水電站的調(diào)度和管理提供科學(xué)依據(jù)[5]。本研究的結(jié)果將有助于加深對(duì)梨園流域水文過程的理解，并為云南電網(wǎng)的合理調(diào)度提供數(shù)據(jù)支撐。

1 流域產(chǎn)流分析

1.1 流域及工程概況

梨園流域?qū)俳鹕辰饔颍?位于90.5°E～100.4°E 和26.6°N～35.9°N 之間，控制流域面積21.4 萬 km2。流域內(nèi)地勢(shì)總體由西北向東南傾斜，海拔落差超過6000 m。梨園流域具有典型的高原氣候和季風(fēng)氣候特征，氣候垂直差異明顯。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徑流量424 億 m3，石鼓站多年平均流量1343 m3/s。梨園流域所屬的金沙江流域蘊(yùn)藏豐富的水能資源，共規(guī)劃超40 座梯級(jí)水電站，包括金沙江上游8座，中游干流河段8 座，下游干流4 座，支流雅礱江21 座，總裝機(jī)容量超過9000 萬 kW。

梨園水電站位于云南省麗江市玉龍縣與迪慶州香格里拉縣交界的金沙江干流上，為金沙江中游河段“一庫八級(jí)”水電開發(fā)方案中的第三個(gè)梯級(jí)。梨園水電站第二臺(tái)機(jī)組于2015 年3 月25 日開始進(jìn)行尾水充水并進(jìn)入機(jī)組調(diào)試。2015 年7 月10 日，云南金沙江梨園水電站第二臺(tái)機(jī)組完成三天試運(yùn)行，成功并網(wǎng)發(fā)電。

1.2 徑流組成分析

梨園流域因其復(fù)雜的氣候和地形條件造成了該流域的產(chǎn)流模式空間變化大，融雪產(chǎn)流、蓄滿產(chǎn)流和超滲產(chǎn)流都有可能在該流域發(fā)生[6]。流域內(nèi)各水文要素對(duì)氣候變化的響應(yīng)非常敏感，并通過徑流過程將響應(yīng)傳遞到中下游，從而對(duì)整個(gè)流域的水量產(chǎn)生影響。融雪產(chǎn)流方面，梨園流域上游為高原山區(qū)，上游融雪徑流量決定著流域中下游水量及其動(dòng)態(tài)變化；降雨產(chǎn)流方面，梨園流域降雨空間分布不均，下墊面空間異質(zhì)性大，為半濕潤(rùn)半干旱地區(qū)，徑流組成包含壤中流與地下徑流。從徑流形成的類別來看，融雪、融冰補(bǔ)給對(duì)流域內(nèi)的河道徑流有著顯著的貢獻(xiàn)[7]，但降雨仍是其主要來源。因此，研究流域下墊面特征及土壤含水量和降水等動(dòng)態(tài)因子對(duì)產(chǎn)流模式的控制機(jī)制，可以揭示產(chǎn)流模式時(shí)空動(dòng)態(tài)變化規(guī)律，提高徑流模擬水平。

2 降雨、流量過程分析

2.1 趨勢(shì)性分析方法

對(duì)降雨、徑流等時(shí)間序列自然事件進(jìn)行趨勢(shì)性分析，Mann-Kendall 趨勢(shì)檢驗(yàn)（M-K 檢驗(yàn)）屬于無參數(shù)方法，其不要求樣本遵從一定的分布，也不受少數(shù)異常值的干擾，能較為清晰地顯現(xiàn)流量的變化趨勢(shì)和突變點(diǎn)的存在性。對(duì)于流量序列變量X={x1,x2,x3,…,xn}，M-K 法定義了統(tǒng)計(jì)量S：

其中Sgn()為符號(hào)函數(shù)，規(guī)則如下：

S為正態(tài)分布， 其均值為0， 方差Var(S)=n(n-1)(2n+5)/18，當(dāng)時(shí)n＞10，正態(tài)分布統(tǒng)計(jì)量計(jì)算如下：

當(dāng)Z ＞0，則表明流量在該時(shí)間序列里呈增加趨勢(shì)，否則為降低趨勢(shì)，且絕對(duì)值越大，趨勢(shì)越明顯。

按時(shí)間序列X={x1,x2,x3,…,xn}構(gòu)造一個(gè)秩序列：

在時(shí)間序列為隨機(jī)的假設(shè)下，定義統(tǒng)計(jì)量：

其中服從標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布。當(dāng)UFk＞0 時(shí)，該變量呈增長(zhǎng)趨勢(shì)；當(dāng)UFk＜0 時(shí)，該變量呈減小趨勢(shì)，給定顯著性水平α，結(jié)合正態(tài)分布表求得Ua/2，若∣UFk∣＞Ua/2，則該水文時(shí)間序列存在顯著的變化趨勢(shì)，反之變化趨勢(shì)不顯著。

2.2 降雨及徑流過程分析

圖1 反映了梨園流域的年際降水情況。在2014-2022 年內(nèi)，UFk值有正有負(fù)，且未超過置信區(qū)間，表明降雨序列總體無顯著變化趨勢(shì)，符合降水的隨機(jī)性規(guī)律。需要指出的是，同樣由于序列長(zhǎng)度較短，無法對(duì)降雨序列進(jìn)行突變分析，適當(dāng)增加序列長(zhǎng)度可進(jìn)行突變行檢驗(yàn)，有利于分析梨園水電站的入庫來水情況。

圖1 梨園流域年降水量M-K統(tǒng)計(jì)曲線

圖2 反映了梨園水電站年平均入庫流量的變化趨勢(shì)。在2015-2022 年內(nèi)，UFk＞0，表明流量序列總體呈增加趨勢(shì)。其中，在2019 年前出現(xiàn)UFk＞1.96，即流量序列曲線超出α=0.05的置信區(qū)間，在2019 年前為顯著性增長(zhǎng)。然而，流域的徑流量不僅取決于降雨的多寡，存在周期性與隨機(jī)性，還與人類的取用水及水利工程調(diào)蓄等密切相關(guān)。梨園水電站自建庫至今僅有8年時(shí)間，序列時(shí)間較短，M-K 趨勢(shì)性分析結(jié)果僅作為參考。

圖2 梨園水電站年平均入庫流量M-K統(tǒng)計(jì)曲線圖

2.3 汛期出、入庫流量變化分析

汛期降雨產(chǎn)流是梨園流域的主要徑流補(bǔ)給。根據(jù)梨園水電站歷史實(shí)測(cè)入庫、出庫流量資料，得到汛期6～9 月日平均流量變化情況。圖3 顯示，汛期梨園入庫流量在6 月漲水，在7 月中上旬達(dá)到較高流量，而后趨于相對(duì)穩(wěn)定的高水狀態(tài)。豐水年梨園入庫洪峰流量可達(dá)5500m3/s 以上，枯水年流量會(huì)跌落至1000m3/s 附近，計(jì)算得汛期梨園入庫日平均流量為2684.8m3/s。

圖3 梨園流域汛期入庫流量變化

圖4 是梨園流域汛期出庫流量變化情況，計(jì)算得汛期梨園出庫日平均流量為2676.2m3/s。歷史最大出庫流量5965m3/s，歷史最小出庫流量490m3/s。為進(jìn)一步探究梨園水電站在汛期對(duì)洪水的調(diào)蓄作用，現(xiàn)對(duì)比年入庫流量與出庫流量，如圖5 所示。

圖4 梨園流域汛期出庫流量變化

圖5 梨園水電站汛期調(diào)度圖

梨園水電站年平均入庫與出庫流量在汛期變化一致，計(jì)算得相關(guān)系數(shù)為0.995，水庫在汛期總體呈“來多少水，放多少水”的調(diào)度方式。結(jié)合梨園水電站的逐日水位資料，分析得梨園水電站在汛期出于興利與防洪的需要，水庫水位不超汛限水位，當(dāng)來水量較大時(shí)，會(huì)加大出庫流量，保證電站安全度汛。

在實(shí)際的電站調(diào)度過程中，不僅需要了解歷史的水文氣象信息，更需要對(duì)水電站未來來水做出預(yù)測(cè)，構(gòu)建適用于金沙江流域的徑流模型，對(duì)于地區(qū)電網(wǎng)發(fā)電能力預(yù)測(cè)、電力電量平衡、運(yùn)行方式安排等有重要意義。

3 徑流模型構(gòu)建

3.1 融雪模型

本文運(yùn)用SNOW-17 融雪模型來定量計(jì)算融雪徑流量。SNOW-17 是一種描述積雪積累和消融過程的積雪水文模型，能夠反映積雪深度的細(xì)微變化。該模型以氣溫?cái)?shù)據(jù)作為決定積雪-空氣界面能量交換過程的唯一指標(biāo)，輸入變量?jī)H為降水?dāng)?shù)據(jù)，對(duì)輸入數(shù)據(jù)要求較少，對(duì)積雪累積和消融過程描述較為詳細(xì)。SNOW-17 模型過程及相關(guān)參數(shù)如圖6 所示。

圖6 SNOW-17模型過程及相關(guān)參數(shù)

3.2 降雨徑流模型

本文在模擬降雨徑流時(shí)，運(yùn)用分布式水文模型（柵格新安江模型）下墊面的空間變異性進(jìn)行精細(xì)化刻畫。柵格新安江模型以流域內(nèi)每個(gè)DEM 柵格作為計(jì)算單元，并假設(shè)在柵格單元內(nèi)的降水和地貌特征、土壤類型以及植被覆蓋等下墊面條件空間分布均勻，模型只考慮各個(gè)要素在不同柵格之間的變異性。網(wǎng)格新安江模型先計(jì)算出每個(gè)柵格單元的植被冠層截留量、河道降水量和蒸散發(fā)量，然后再計(jì)算出柵格單元的產(chǎn)流量并采用自由水蓄水庫結(jié)構(gòu)對(duì)其進(jìn)行水源劃分，即劃分為地表徑流、壤中流以及地下徑流三種水源，最后再根據(jù)柵格間的匯流演算次序，依次將各種水源演算至流域出口。在耦合SNOW-17 融雪模型后構(gòu)成降雨-融雪徑流模型進(jìn)行不同徑流成分的模擬，模型總體結(jié)構(gòu)框圖如圖7 所示。

圖7 柵格新安江模型及融雪過程模型結(jié)構(gòu)框圖

3.3 模型參數(shù)率定

對(duì)于流域水文模型來說，初始參數(shù)的取用需要通過率定的方法判斷，這是保證計(jì)算結(jié)果合理的必要前提。參數(shù)率定也稱參數(shù)估計(jì)，是提高中間參數(shù)估算準(zhǔn)確性的一種有效方法。模型的參數(shù)可由以下幾種方法得到：①直接測(cè)驗(yàn)、通過實(shí)驗(yàn)和關(guān)系函數(shù)推求，這種參數(shù)具有明確的物理解釋；②可通過實(shí)測(cè)水文、氣象系列資料反向推算，這種方法可看作是經(jīng)驗(yàn)法；③確定參數(shù)大致范圍而后運(yùn)用水文氣象資料推求，這種參數(shù)具有一定物理解釋，又有經(jīng)驗(yàn)根據(jù)。對(duì)于②、③兩類參數(shù)，一般通過優(yōu)化算法得到。在實(shí)際的率定過程中，首先需確定輸入項(xiàng)參數(shù)，它可以是實(shí)測(cè)值，也可以是已經(jīng)框定好初值范圍的、具有確定物理意義的數(shù)；其次需利用數(shù)學(xué)物理模型進(jìn)行計(jì)算得到相應(yīng)結(jié)果；接著，把計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)值做對(duì)比分析，由計(jì)算誤差對(duì)輸入項(xiàng)進(jìn)行調(diào)整；最后篩選出與目標(biāo)函數(shù)最相符的一組參數(shù)值，使得模擬的水文過程逼近流域的真實(shí)情況。

模型參數(shù)主要受流域氣候因素與下墊面因素的影響，氣候條件主要包括溫度（最高、最低和平均氣溫）、相對(duì)濕度、日照時(shí)數(shù)、土壤熱通量密度、風(fēng)速、飽和水汽壓、實(shí)際水汽壓有關(guān)，下墊面因素主要有高程、土壤類型、腐殖質(zhì)土層厚度、水系、河道斷面信息、植被覆蓋、土壤含水量、積雪深度等，除此之外人類活動(dòng)的干擾對(duì)模型運(yùn)行也影響重大，如水庫建庫位置、有效庫容、泄流方式、發(fā)電量、調(diào)度規(guī)則、農(nóng)業(yè)用水等。

結(jié)合梨園流域的自然地理特性，對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行敏感性分析。敏感性性分析是定量研究自變量變化導(dǎo)致因變量變化程度的一種分析技術(shù)，若某自變量的敏感度越大，則該變量變化對(duì)因變量的影響越大；反之，則小。表1 為梨園流域降雨-融雪徑流模型中敏感性參數(shù)的物理含義及經(jīng)驗(yàn)取值范圍。

表1 模型敏感性參數(shù)物理意義及經(jīng)驗(yàn)取值范圍

3.4 徑流模擬分析

本節(jié)以自由水蓄水容量（SM）、融雪放大因子（SCF）兩個(gè)敏感參數(shù)為例，揭示參數(shù)變化對(duì)徑流模擬的影響，并辨識(shí)不同季節(jié)流域徑流的主要組成。

自由水蓄水容量是模型中劃分徑流成分的重要參數(shù)，為了使模型計(jì)算出的洪水過程能更好地符合實(shí)測(cè)過程。模型按線性水庫的“溢出”、“測(cè)孔流”和“底孔流”將蓄滿產(chǎn)流模式求得的流域徑流量分為地面、壤中和地下徑流。圖8為自由水蓄水容量（模型中以比例的形式賦值）對(duì)徑流模擬的影響。SM 的大小直接影響著降雨產(chǎn)流量的大小，當(dāng)SM 越大時(shí)，土壤的“自由水蓄水庫”就越大，能夠蓄存的水量就越多，相應(yīng)的產(chǎn)流量就小；反之，減小SM，產(chǎn)流量就大。圖8 結(jié)果顯示，在汛期，即5-10 月，SM 對(duì)于產(chǎn)流量大小的影響較為敏感，而在枯季，變化SM 對(duì)產(chǎn)流結(jié)果影響較小。

圖8 自由水蓄水容量（SM）參數(shù)調(diào)整對(duì)比

調(diào)整融雪放大因子（SCF），并保持其它參數(shù)不變，得融雪放大因子對(duì)融雪徑流模擬的影響。融雪放大因子是模型融雪模塊中的重要參數(shù)，取值大小直接影響著積雪在溫度“閾值”控制條件下能夠轉(zhuǎn)為的融雪徑流量。云南金沙江流域上游深處青藏高原腹地，山巔常見積雪，每年3-5 月青藏高原氣溫發(fā)生顯著上升，部分積雪轉(zhuǎn)為融雪徑流。由圖9 結(jié)果可以看出，融雪放大因子主要影響3-5 月融雪徑流量，對(duì)于主汛期6-8 月，云南的徑流主要依靠降雨補(bǔ)給，融雪放大因子對(duì)其作用不明顯，對(duì)于后汛期9-10，徑流主要依靠洪水退水，對(duì)于非汛期11-2 月，氣候寒冷，積雪未達(dá)到融化溫度閾值，SCF 對(duì)其均無作用。

圖9 融雪放大因子（SCF）參數(shù)調(diào)整對(duì)比

4 結(jié)論

通過對(duì)梨園流域年降雨、徑流的趨勢(shì)性分析，得到以下結(jié)論：①在2014～2022 年間降雨序列無顯著變化，但流量序列總體呈增加趨勢(shì)。受資料限制，時(shí)間序列長(zhǎng)度較短，為增加結(jié)論的可靠性，后續(xù)可延長(zhǎng)序列長(zhǎng)度。②梨園水電站汛期年平均入庫和出庫系列表現(xiàn)出顯著的一致性變化規(guī)律，反映了梨園水電站在汛期“來多少水，放多少水”的調(diào)度模式。此外，運(yùn)用分布式新安江耦合融雪模型對(duì)梨園水電站入庫徑流進(jìn)行模擬，選取敏感性參數(shù)分析它們對(duì)徑流模擬的影響。③融雪放大因子反映了每年3-5月融雪徑流和地下徑流是梨園流域的主要來水補(bǔ)給項(xiàng)，自由水蓄水容量反映了6-10 月降雨徑流是梨園流域主要來水補(bǔ)給項(xiàng)。

分析梨園流域徑流組成，進(jìn)行降雨、徑流等水文趨勢(shì)性檢驗(yàn)，可以加深對(duì)梨園流域水文特性的理解；在了解梨園流域調(diào)度模式的基礎(chǔ)上，構(gòu)建適用于云南典型流域的分布式水文模型并率定敏感性參數(shù)能夠提高水電站來水預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性，并為進(jìn)一步優(yōu)化調(diào)度方案提供可靠的數(shù)據(jù)支持。