許 浩，雷曉輝，宋萬(wàn)禎,3，秦 韜，宋 巍，舒棟材(1.北京工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院，北京 1001；.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院，北京 100038；3.天津大學(xué)建筑工程學(xué)院，天津 30007；.北京市南水北調(diào)團(tuán)城湖管理處，北京 100089；.貴州省水文水資源局，貴陽(yáng) 000)

人類活動(dòng)和氣候變化對(duì)流域徑流的影響是當(dāng)前全球變化領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者的相關(guān)研究表明人類活動(dòng)和氣候變化對(duì)水文循環(huán)產(chǎn)生了重要的影響。最近幾十年隨著人類活動(dòng)的加劇尤其是水庫(kù)的建設(shè)，使流域徑流和洪水特征發(fā)生了明顯的變化。杜軍[1]通過(guò)分析渭河流域人類活動(dòng)和氣候變化與徑流的關(guān)系，顯示人類活動(dòng)對(duì)流域徑流具有重要的影響。王隨繼[2]分析了20世紀(jì)80年代以來(lái)黃河流域各個(gè)年代人類活動(dòng)對(duì)徑流增長(zhǎng)的貢獻(xiàn)值，指出不僅在每個(gè)年代甚至所有年代人類活動(dòng)對(duì)流域徑流的改變都起到至關(guān)重要的作用。從人類活動(dòng)的主要類型來(lái)看，水庫(kù)建設(shè)對(duì)河流水文情勢(shì)的影響最為突出。近100 a來(lái)，世界各地興建了超過(guò)4.7萬(wàn)座大型水庫(kù)和8萬(wàn)座中小型水庫(kù)[3,4]，至2012年，僅長(zhǎng)江流域已建有47 842座水庫(kù)。水庫(kù)的建設(shè)規(guī)模和目標(biāo)已經(jīng)在不同程度上影響了下游河流的變化，這些變化也使生物的多樣性受到影響[5-8]。Tadanobu Nakayama[12]建立了National Integrated Catchment-based Eco-hydrology (NICE)模型來(lái)評(píng)估三峽水庫(kù)和引水工程的建設(shè)對(duì)長(zhǎng)江洪水的影響，并預(yù)測(cè)在夏季季風(fēng)初期，三峽大壩的洪水風(fēng)險(xiǎn)程度將增大。Ren[13]等的研究結(jié)果表明，水庫(kù)對(duì)流域月徑流分布規(guī)律具有很大影響。此外，研究表明在一些地區(qū)水庫(kù)的水位與地下水位具有很好的正相關(guān)。本文以三岔河流域?yàn)檠芯繀^(qū)域，探討該區(qū)域水庫(kù)建設(shè)與徑流的關(guān)系，以及探索水庫(kù)對(duì)徑流和洪水特征的影響。

1 研究區(qū)域概況

三岔河是烏江的支流，發(fā)源于貴州省西部烏蒙山東麓，全長(zhǎng)325.6 km，最大落差1 339.8 m。三岔河流域面積為8 524 km2，占貴州省總面積的4.8% 。流域年降水量為700～900 mm，雨量分布不均，多集中在6、7、8月份，占全年降雨量的 56%。徑流多集中于6、7月份，占全年徑流量的40%。截止2012年，三岔河干流已建有69座水庫(kù)，其中20世紀(jì)80年代以前共興建50余座小型水庫(kù)，這與之后興建的水庫(kù)總庫(kù)容相比仍是很小的。在1991-2000年和2001-2010年，水庫(kù)庫(kù)容分別增加4.01和6.23 億m3，分別占三岔河流域水庫(kù)總庫(kù)容的36.7%和56.9%。1995和2003年分別建成了普定水庫(kù)(3.99 億m3)和引子渡水庫(kù)(5.29 億m3)2座大型水庫(kù)，因此1995和2003年是三岔河流域水庫(kù)庫(kù)容跳躍性變化的節(jié)點(diǎn)年。圖1為三岔河流域地理位置示意圖，圖2反映了流域水庫(kù)庫(kù)容隨年代變化的過(guò)程，表1為三岔河流域各類型水庫(kù)數(shù)目及庫(kù)容隨年代變化，表2為三岔河上游主要水庫(kù)的特征值及運(yùn)行參數(shù)。

圖1 三岔河流域Fig.1 Map of Sanchahe River basin

圖2 三岔河上游流域和三岔河流域庫(kù)容變化過(guò)程Fig.2 Reservoir storage capacity at upstream and whole Sanchahe River basin

表1 三岔河流域各類型水庫(kù)數(shù)目及庫(kù)容隨年代變化 座Tab.1 The number and total capacity of reservoirs in different periods and different scales

表2 三岔河上游主要水庫(kù)特征Tab.2 Reservoir characteristics of upstream Sanchahe River

2 數(shù)據(jù)來(lái)源及方法介紹

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

文章所采用的氣象水文及水庫(kù)數(shù)據(jù)均由貴州省水文水資源局提供，其中日降雨數(shù)據(jù)選取了位于三岔河流域內(nèi)30個(gè)雨量站1963-2012年的歷史數(shù)據(jù)。水文數(shù)據(jù)采用陽(yáng)長(zhǎng)水文站、鴨池河水文站和洪家渡水文站1963-2012年的歷史數(shù)據(jù)，其中陽(yáng)長(zhǎng)站位于三岔河中部，是三岔河上游徑流量的觀測(cè)站；洪家渡站位于六沖河，是六沖河流域徑流量的觀測(cè)站；鴨池河站位于三岔河流域下游，是六沖河和三岔河匯流后的觀測(cè)站。

2.2 方法介紹

文章主要采用M-K非參數(shù)檢驗(yàn)和線性回歸對(duì)年徑流深等時(shí)間序列進(jìn)行趨勢(shì)及顯著性分析。M-K非參數(shù)檢驗(yàn)無(wú)視樣本值、分布類型的影響，是水文序列趨勢(shì)性和顯著性分析廣泛使用的方法，被世界水文氣象組織所推薦[14]。M-K檢驗(yàn)的原理如下。

假設(shè)水文時(shí)間序列為xt,其對(duì)偶數(shù)p的計(jì)算公式為：

(1)

再根據(jù)p值確定t，進(jìn)而求得Var(t)和U。公式如下：

(4)

當(dāng)U≥U0.05=0.96時(shí)，表明該序列的趨勢(shì)變化顯著，反之|U|

通過(guò)Mann-Kendall 法原理可知，Mann-Kendall 法檢驗(yàn)趨勢(shì)特征的途徑是通過(guò)U值與假設(shè)的置信水平的標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較，得出有無(wú)顯著趨勢(shì)特征。

線性回歸是利用數(shù)理統(tǒng)計(jì)中回歸分析，來(lái)確定2種或2種以上變量間相互依賴的定量關(guān)系的一種統(tǒng)計(jì)分析方法，運(yùn)用十分廣泛。線性回歸模型T檢驗(yàn)是分析序列數(shù)據(jù)顯著性的有效方法。

此外，為驗(yàn)證水庫(kù)建設(shè)與洪水特征變化的關(guān)系，本文采用累計(jì)頻率曲線分析了陽(yáng)長(zhǎng)站和鴨池河站的最大洪峰流量變化。

2.3 指標(biāo)選擇

雨水降落到地面后主要分為了3部分：形成流域徑流、自然損耗和非自然損耗。自然損耗主要是蒸發(fā)，非自然損耗指通過(guò)河道、水庫(kù)等直接或間接的人類活動(dòng)用水以及水庫(kù)水面蒸發(fā)。因此河川徑流主要耗于人類活動(dòng)用水，所以這部分耗水的變化是影響下游徑流量的主要因素。

徑流系數(shù)是一定匯水面積內(nèi)總徑流量與降水量的比值，是流域水資源規(guī)劃、調(diào)度的重要依據(jù)。徑流系數(shù)可以反映不同下墊面的水文特征。Parida[15]以徑流系數(shù)為指標(biāo)應(yīng)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ANN)預(yù)測(cè)半干旱地區(qū)未來(lái)水文響應(yīng)特征，結(jié)果顯示土地利用/植被覆蓋對(duì)徑流系數(shù)變化的貢獻(xiàn)值率達(dá)52%。由于水庫(kù)不是自然水體的一部分且水庫(kù)的建設(shè)代替了原有的土地利用類型，因此水庫(kù)可看作是一種特殊的土地利用。一般流域降雨最終歸于4部分：直接徑流(wr),流域蓄水(ws)，蒸發(fā)(we)和人類活動(dòng)用水(wh)，因此徑流系數(shù)(cr)可表達(dá)為：

(5)

已有研究表明，水庫(kù)改變了河道水流特征，水庫(kù)蓄水自然也就影響流域出流量，從而改變了徑流系數(shù)。年徑流系數(shù)(ACRs)是年徑流量與年降雨量的比值，本文基于水文數(shù)據(jù)以及對(duì)年徑流系數(shù)的分析，探討年徑流與水庫(kù)的關(guān)系。

此外，為分析陽(yáng)長(zhǎng)站和鴨池河站的洪水變化特征，分別選取了最大洪峰流量(AMPF)、最大3 d洪量(AM3FV)和最大7 d洪量(AM7FV)作為分析指標(biāo)。

3 結(jié)果與分析

3.1 年徑流深、降水和蒸發(fā)皿蒸發(fā)趨勢(shì)性分析

采用線性回歸分析陽(yáng)長(zhǎng)站和鴨池河站的年徑流深變化趨勢(shì)，結(jié)果如圖3所示。從圖3中可以看出，陽(yáng)長(zhǎng)站控制流域的年徑流深變化趨勢(shì)稍稍有所下降，在95%置信水平下沒(méi)有顯著變化，分析原因是由于陽(yáng)長(zhǎng)站位于三岔河上游，截至2012年三岔河上游共建有11座小型水庫(kù)和2座中型水庫(kù)，總庫(kù)容為0.4 億m3，僅是陽(yáng)長(zhǎng)站年平均徑流的3%，對(duì)流域上游的水文循環(huán)機(jī)制未產(chǎn)生影響。此外，三岔河流域上游的降水量的增長(zhǎng)率為2.79 mm/a，在置信水平95%情況下，也沒(méi)有顯著變化。與陽(yáng)長(zhǎng)站不同，鴨池河站控制流域年徑流深的下降率為4.01 mm/a，在置信水平95%情況下，變化是顯著的，在一定程度上流域降水量的減少是引起這一變化的因素。從圖3中可以得出流域降水量的下降率為4mm/a，此外整個(gè)流域水庫(kù)的總庫(kù)容為10.95 億m3，占鴨池河占年徑流量的23.7%，由水庫(kù)蓄水造成的耗水是不可忽略的。水面蒸發(fā)也是影響流域徑流變化的重要因素。從圖3中看出，流域上游蒸發(fā)量的下降率為3.05 mm/a，相比于流域上游，整個(gè)流域的蒸發(fā)量的變化率更大為3.75 mm/a，在置信水平為95%情況下是顯著的，這一變化主要是由凈太陽(yáng)輻射強(qiáng)度的減弱引起的[17]。

圖3 年徑流深、降水量和蒸發(fā)皿蒸發(fā)量的趨勢(shì)Fig.3 Trend of annual runoff depth, precipitation and pan evaporation

3.2 年徑流系數(shù)的變化趨勢(shì)

由年徑流深、降水量和蒸發(fā)量的變化趨勢(shì)可知，水庫(kù)是影響流域年徑流量變化最重要因素之一。由圖3可知，在三岔河上游流域，降水量的趨勢(shì)是增長(zhǎng)的，蒸發(fā)量趨勢(shì)是下降的，正常情況下徑流量應(yīng)該是增長(zhǎng)的，數(shù)據(jù)結(jié)果顯示，徑流量反而是降低的，推測(cè)是由于人類活動(dòng)對(duì)上游流域徑流變化產(chǎn)生了重要影響，以上游水庫(kù)建設(shè)來(lái)反映這一情況。對(duì)于整個(gè)流域，盡管年降水量和蒸發(fā)量的變化趨勢(shì)是減少的，但是年徑流深的下降率要高于理論值，這是不合理的，因此由于水庫(kù)建設(shè)而造成的耗水是必須考慮的。

地下水對(duì)產(chǎn)流也有較大的影響，從目前的研究發(fā)現(xiàn)，貴州地區(qū)地下水開(kāi)采量較小[16]，地下水的減少對(duì)徑流的減少影響十分微弱。蒸發(fā)量是與氣溫和下墊面有關(guān)的，由于缺少實(shí)際蒸發(fā)資料，故以蒸發(fā)皿蒸發(fā)量的變化趨勢(shì)來(lái)反應(yīng)流域的蒸發(fā)情況。盡管蒸發(fā)皿蒸發(fā)量不能代替實(shí)際蒸發(fā)，但是蒸發(fā)皿蒸發(fā)量與實(shí)際蒸發(fā)量的變化趨勢(shì)是一致的。由上文對(duì)整個(gè)三岔河流域蒸發(fā)量變化趨勢(shì)的分析結(jié)果可知蒸發(fā)量的變化趨勢(shì)是下降的，這與秦年秀等[17]對(duì)貴州中西部地區(qū)蒸發(fā)皿蒸發(fā)量的研究成果是一致的，因此可以說(shuō)明三岔河流域的蒸發(fā)量下降趨勢(shì)是基本合理的。

水庫(kù)將上游來(lái)水?dāng)r截并用于農(nóng)業(yè)、工業(yè)以及生活等，這就會(huì)使原本該從流域出口流出的一部分水耗損掉。一些多年和年調(diào)節(jié)水庫(kù)也會(huì)改變部分河道水流的原有狀態(tài)，從而會(huì)間接的降低了流域出口的徑流量。

通過(guò)采用線性趨勢(shì)回歸和Mann-Kendall秩次相關(guān)檢驗(yàn)法對(duì)年徑流系數(shù)趨勢(shì)進(jìn)行分析，結(jié)果如圖4所示。在三岔河上游流域和整個(gè)三岔河流域的ARCs趨勢(shì)都是下降的。陽(yáng)長(zhǎng)站和鴨池河站的下降率分別為-0.002 /a和-0.001 /a。M-K的檢測(cè)結(jié)果顯示，陽(yáng)長(zhǎng)站在1984-2010年置信水平95%下的下降趨勢(shì)是不顯著的，盡管在1988和2000年出現(xiàn)了突變但是對(duì)整體的下降趨勢(shì)沒(méi)有較大的影響。鴨池河站的年徑流系數(shù)從1972年開(kāi)始下降，并在1995年出現(xiàn)突變點(diǎn)，2003年之后下降趨勢(shì)比較明顯(sig<0.05)。通過(guò)調(diào)查發(fā)現(xiàn)發(fā)生突變的年份與大規(guī)模水庫(kù)建設(shè)的時(shí)間是一致的。1981年，在三岔河上游干流落成了第1座中型水庫(kù)——板橋水庫(kù)，該水庫(kù)位于陽(yáng)長(zhǎng)水文站上游，而后陽(yáng)長(zhǎng)站的年徑流系數(shù)開(kāi)始下降。1983-1998年，年徑流系數(shù)保持稍稍增長(zhǎng)趨勢(shì)，1999之后，當(dāng)1座中型水庫(kù)(庫(kù)容1 387 萬(wàn)m3)和1座小型水庫(kù)(庫(kù)容270 萬(wàn)m3)在三岔河上游干流建成后，陽(yáng)長(zhǎng)站的年徑流系數(shù)變化轉(zhuǎn)為下降趨勢(shì)。

對(duì)于整個(gè)三岔河流域，年徑流系數(shù)下降趨勢(shì)顯著，與水庫(kù)的建設(shè)更加緊密相關(guān)。自1971年之后，一系列中小型水庫(kù)開(kāi)始建設(shè)，年徑流系數(shù)開(kāi)始下降。1995年，普定水庫(kù)落成于三岔河干流，在之后幾年，年徑流系數(shù)變化趨勢(shì)出現(xiàn)跳躍但不明顯。2002年之后隨著引子渡水庫(kù)和阿朱水庫(kù)(中型)的建設(shè)完成，年徑流系數(shù)下降趨勢(shì)明顯。

為定量分析三岔河上游流域和整個(gè)流域的年徑流系數(shù)變化情況，分別將陽(yáng)長(zhǎng)站和鴨池河站各年代的年徑流系數(shù)列于表3。由表3可知，陽(yáng)長(zhǎng)站的年徑流系數(shù)逐年代下降，1981-1990年和2001-2010年的年徑流系數(shù)較于其他年代變化較大，這與M-K的檢驗(yàn)結(jié)果是一致的。對(duì)于鴨池河站，1971-1980年的年徑流系數(shù)由0.42增加為0.43，而在1981-1990年又下降為0.42。在1991-2000和2001-2010年年徑流系數(shù)變化為-0.02，最終年徑流系數(shù)為0.38，這一結(jié)果與M-K的檢驗(yàn)結(jié)果也是一致的。

圖4 陽(yáng)長(zhǎng)站和鴨池河站年徑流系數(shù)變化趨勢(shì)Fig.4 The M-K sequential trend test of annual runoff coefficients of Yangchang and Yachihe stations with forward (solid line) and backward (dash line)

表3 陽(yáng)長(zhǎng)站和鴨池河站各年代的年徑流系數(shù)Tab.3 Difference of average annual runoff coefficients between decades

3.3 洪水特征變化分析

如圖5所示，陽(yáng)長(zhǎng)站AMPF在1976年開(kāi)始增加而后在2004年開(kāi)始下降，整體變化趨勢(shì)在置信水平95%下不顯著(sig>0.005)，AM3FV和AM7FV的變化趨勢(shì)與AMPF相似。由于近50 a陽(yáng)長(zhǎng)站上游并未興建大中型水庫(kù)，因此三岔河上游小型水庫(kù)的建設(shè)并未對(duì)陽(yáng)長(zhǎng)站的洪水特征造成影響。通過(guò)線性回歸模型對(duì)鴨池河站洪水序列進(jìn)行分析(見(jiàn)圖6)，結(jié)果顯示該站的洪水下降趨勢(shì)顯著。M-K檢驗(yàn)結(jié)果顯示，在2000年之后，AMPF的變化趨勢(shì)持續(xù)下降，在2003年出現(xiàn)跳躍，但是跳躍點(diǎn)位于無(wú)關(guān)緊要的區(qū)域，意味著下降趨勢(shì)是不顯著的。2009年之后，AMPF在置信水平95%是顯著的。查證歷史，1995和2003年在三岔河下游干流分別建成了普定和引子渡2座大型水庫(kù)，其中引子渡水庫(kù)庫(kù)容為5.29億m3，距鴨池河站31 km，普定水庫(kù)庫(kù)容3.99億m3，距鴨池河站93 km。僅僅通過(guò)趨勢(shì)分析不能充分推測(cè)三岔河整個(gè)流域的洪水特征變化與普定、引子渡水庫(kù)的建設(shè)有關(guān)。

圖5 陽(yáng)長(zhǎng)站AMPF,AM3FV和AM7FV趨勢(shì)分析Fig.5 Trend analysis of AMPF, AM3FV and AM7FV at Yangchang station

圖6 鴨池河站AMPF,AM3FV和AM7FV趨勢(shì)分析Fig.6 Trend analysis of AMPF, AM3FV and AM7FV at Yachihe station

為驗(yàn)證洪水特征變化與水庫(kù)建設(shè)的關(guān)系，分別繪制陽(yáng)長(zhǎng)站和鴨池河站AMPF增長(zhǎng)曲線闡明這一推測(cè)。鴨池河站2003年明顯出現(xiàn)折點(diǎn)，而陽(yáng)長(zhǎng)站變化并不明顯，這個(gè)結(jié)果與圖5、圖6是一致的。通過(guò)表4可知，在普定水庫(kù)建成后平均AMPF、AM3FV、AM7FV是增長(zhǎng)的，而在引子渡水庫(kù)建成之后是大幅減小的。

表4 水庫(kù)建設(shè)前后AMPF、AM3FV 和 AM7FV平均值Tab.4 Average AMPF、AM3FV and AM7FV before and after reservoir construction

本文基于AMPF長(zhǎng)序列，將1963-2012在三岔河流域發(fā)生的洪水分為3個(gè)等級(jí)：特大洪水、大洪水和小洪水。

如表5所示，陽(yáng)長(zhǎng)站1963-1972年僅發(fā)生了1場(chǎng)小洪水，而在1973-1982年發(fā)生了3場(chǎng)小洪水、3場(chǎng)大洪水和1場(chǎng)特大洪水。1983-1992年、2003-2012年發(fā)生的洪水場(chǎng)次少于1973-1982年，但仍多于1963-1972年。結(jié)合三岔河上游流域水庫(kù)建設(shè)情況，在建成的13座水庫(kù)中僅有2座小型水庫(kù)具有蓄水能力，對(duì)汛期的洪水調(diào)節(jié)作用很小。盡管在1981和2007年分別建成2座中型水庫(kù)，但這2座水庫(kù)主要用于發(fā)電，而且其中一座是日調(diào)節(jié)水庫(kù)，調(diào)蓄作用不太明顯。

表5 1963-2012三岔河流域發(fā)生洪水場(chǎng)次 次Tab.5 Number of floods of the three grades at Sanchahe River basin during the period 1963-2012

鴨池河站2003-2012年發(fā)生洪水場(chǎng)次明顯減少，在之前40 a，發(fā)生洪水的頻率沒(méi)有太大變化。鴨池河站的匯水面積較陽(yáng)長(zhǎng)站大，因而發(fā)生洪水的概率更大。1963-2003年，每10 a至少發(fā)生2場(chǎng)小洪水和1場(chǎng)大洪水，每20 a發(fā)生一場(chǎng)特大洪水。然而2003年之后未發(fā)生洪水，而實(shí)際上自1993年流域洪水場(chǎng)次開(kāi)始減少。盡管在1993-2002年發(fā)生了4場(chǎng)洪水，但分別是3場(chǎng)小洪水和1場(chǎng)大洪水。這一現(xiàn)象表明，流域內(nèi)的大型水庫(kù)的建設(shè)與運(yùn)行削減了洪峰流量。由于普定水庫(kù)距鴨池河站較遠(yuǎn)，可以在一定程度上削減洪峰流量，然而引子渡水庫(kù)距鴨池河站較近，且?guī)烊菀脖绕斩ㄋ畮?kù)大，考慮三岔河日平均徑流量0.157 億m3，表明引子渡水庫(kù)對(duì)洪峰的削減起到更重要作用。

4 結(jié) 語(yǔ)

(1)通過(guò)分析三岔河流域水庫(kù)的建設(shè)運(yùn)行，可知在三岔河流域大中型水庫(kù)的建設(shè)尤其是大型水庫(kù)直接影響了三岔河流域水庫(kù)庫(kù)容，從而改變了流域的徑流過(guò)程。文章分析了陽(yáng)長(zhǎng)站和鴨池河站年徑流趨勢(shì)變化，陽(yáng)長(zhǎng)站以上降雨量稍稍增加且蒸發(fā)量有所減少，然而該站的徑流量是減小的，鴨池河站的年徑流的減小程度比預(yù)期的要大，說(shuō)明水庫(kù)耗水可能改變了三岔河徑流過(guò)程。為探尋年徑流深的變化與水庫(kù)庫(kù)容之間的關(guān)系，對(duì)年徑流系數(shù)進(jìn)行了大量統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果表明年徑流系數(shù)的變化趨勢(shì)與水庫(kù)的建設(shè)是同步的。

(2)修建較大庫(kù)容水庫(kù)會(huì)引起年徑流系數(shù)減小，在三岔河流域普定和引子渡水庫(kù)對(duì)流域年徑流系數(shù)具有更大的影響，同時(shí)也改變了洪水特征，降低了洪峰流量和洪量。

(3)水庫(kù)的運(yùn)行機(jī)制尤其是多年調(diào)節(jié)和年調(diào)節(jié)水庫(kù)對(duì)徑流和洪水特征變化也具有較大的影響。

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