王靈軍,李潤杰

(1.青海省水文水資源測報(bào)中心,青海 西寧 810003;2.青海大學(xué) 省部共建三江源生態(tài)與高原農(nóng)牧業(yè)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,青海 西寧 810016)

環(huán)境變化下的水文循環(huán)研究成為21世紀(jì)水科學(xué)研究的熱點(diǎn)[1-3].流域的氣候環(huán)境和下墊面特征是產(chǎn)生洪水的決定性因素.氣候環(huán)境對洪水的影響主要表現(xiàn)為降雨量和降雨強(qiáng)度.下墊面特征對降雨的再分配起著重要的作用,直接影響流域的產(chǎn)匯流過程.隨著全球變暖,極端水文事件發(fā)生更加頻繁[4],對水利工程的規(guī)劃設(shè)計(jì)帶來重大影響.大通河作為跨青海、甘肅兩省的重要河流,已建納子峽和石頭峽兩座大型水庫和“引大入秦”“引硫濟(jì)金”和“引大濟(jì)湟”這3項(xiàng)大型調(diào)水工程,還有40余處小型水電站工程.隨著水利工程修建和當(dāng)?shù)赝烁€林還草工程建設(shè),洪峰流量和洪量均發(fā)生變化.在氣候變化和人類活動共同影響下,洪水形成環(huán)境背景“一致性”已不復(fù)存在[5].關(guān)于大通河流域的研究主要集中于年徑流變化特征及其影響因素,而關(guān)于洪水極值的研究內(nèi)容較少[6-9].因此,本文分析研究環(huán)境變化下的大通河洪水極值序列的變化趨勢、突變發(fā)生時(shí)間等演變特征,揭示洪水極值變化的主要原因,將為氣候變化與人類活動雙重影響下的大通河洪水預(yù)報(bào)、洪水資源利用以及流域防洪提供科學(xué)支撐.

1 研究區(qū)概況

大通河作為黃河一級支流湟水的最大支流,發(fā)源于海西州天峻縣境內(nèi)托萊南山,河源海拔約4800m,干流流經(jīng)剛察、祁連、海晏、門源、互助、樂都和甘肅省的天祝、永登縣,最后在青海省民和縣川口鎮(zhèn)享堂村注入湟水.作為祁連山區(qū)重要河流,全長約560km,流域面積15 130km2,青海境內(nèi)河長454km,青海境內(nèi)流域面積12 943km2.河口海拔約1 700m,落差3 100m,河道平均比降5.5‰,流域呈狹長狀,上游水系發(fā)育.干流自上而下有尕日得、青石嘴、天堂、連城、享堂五個(gè)水文監(jiān)測站.享堂水文站為大通河入湟水把口站,控制流域面積15 126km2,多年平均徑流量28.95億m3.

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)收集及處理

大通河享堂站洪水極值資料均來源于黃河水利委員會西寧水文水資源勘測局,流域內(nèi)的降水資料來源于門源氣象局、甘肅省水文站和青海省水文水資源測報(bào)中心.

2.2 研究方法

2.2.1 Mann-Kendall法

水文序列變異診斷有多種方法,可利用時(shí)間序列過程線進(jìn)行判斷,亦可采用統(tǒng)計(jì)方法進(jìn)行識別.統(tǒng)計(jì)方法中的Mann-Kendall檢驗(yàn)法(簡稱“MK法”)是一種基于觀測值序列的非參數(shù)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法,其優(yōu)點(diǎn)是不需要樣本遵從一定的分布,也不受少數(shù)異常值的干擾,更適用于時(shí)間序列檢驗(yàn)[10].

2.2.2 MTT突變檢驗(yàn)

滑動T檢驗(yàn)(MOVING T-TEST,MTT)是考察兩組樣本平均值的差異是否顯著來檢驗(yàn)突變.其基本思想是把一水文序列中兩段子序列均值有無顯著差異作為來自兩個(gè)總體均值有無顯著差異的問題來檢驗(yàn).如果兩段子序列的均值差異超過了一定的顯著性水平,可以認(rèn)為均值發(fā)了質(zhì)變,有突變發(fā)生[10].

2.2.3 Yamamoto法

Yamamoto方法是從氣候信息與氣候噪聲兩部分來討論突變問題的.由于是由Yamamoto最先將信噪比用于確定日本地面氣溫、降水、日照時(shí)數(shù)等序列的突變,故稱其為Yamamoto法[10].

3 結(jié)果與分析

3.1 年季變化

由圖1可見,大通河享堂站洪峰流量1956-2019年呈弱增加趨勢,變化傾向率為6.4m3/(s*10a),1992年后序列值波動幅度變小;年最大1日洪量1956-2019年呈減小趨勢,變化傾向率為-324萬m3/10a;年最大3日洪量1956-2019年呈減小趨勢,變化傾向率為-729萬m3/10a;年最大7日洪量1956-2019年呈減小趨勢,變化傾向率為-1018萬m3/10a.

圖1 大通河享堂站洪水特征值年際變化過程線

3.2 突變分析

3.2.1 年最大洪峰流量

由圖2可見,經(jīng)MK法檢驗(yàn),大通河享堂站年最大洪峰流量突變年份凌亂,檢測到的突變發(fā)生在1978年、1980年、1986年、1991年、2002年、2006年、2018年;經(jīng)MTT法檢驗(yàn),在2006年發(fā)生突變;經(jīng)Yamamoto法檢驗(yàn),在1990年、2008年發(fā)生了突變.單一的突變檢驗(yàn)容易造成誤差.綜合分析MK法、MTT法(步長為5年、10年)、Yamamoto法(步長為5年、10年)三種突變檢測方法,大通河享堂站年最大洪峰流量在2006年發(fā)生突變.

3.2.2 年最大1日洪量

經(jīng)Mann-Kendall法檢驗(yàn),大通河享堂站年最大1日洪量突變發(fā)生在1979年、2014年;經(jīng)MTT法、Yamamoto法檢驗(yàn),均在2013年發(fā)生突變.綜合分析MK法、MTT法(步長為5年、10年)、Yamamoto法(步長為5年、10年)三種突變檢測方法,大通河享堂站年最大1日洪量在2013年發(fā)生突變.

3.2.3 年最大3日洪量

經(jīng)MK法檢驗(yàn),大通河享堂站年最大3日洪量突變發(fā)生在2014年;經(jīng)MTT法、Yamamoto法檢驗(yàn),均在2013年發(fā)生突變. 綜合分析MK法、MTT法(步長為5年、10年)、Yamamoto法(步長為5年、10年)三種突變檢測方法,大通河享堂站年最大3日洪量在2013年發(fā)生突變.

3.2.4 年最大7日洪量

經(jīng)MK法檢驗(yàn),大通河享堂站年最大7日洪量突變發(fā)生在2014年;經(jīng)MTT法檢驗(yàn),未發(fā)生突變;經(jīng)Yamamoto法檢驗(yàn),在2013年發(fā)生了突變.綜合分析MK法、MTT法(步長為5年、10年)、Yamamoto法(步長為5年、10年)三種突變檢測方法,大通河享堂站年最大7日洪量在2013年發(fā)生突變.

3.3 洪水變化原因分析

3.3.1 暴雨的變化

大通河洪水主要由暴雨形成,暴雨主要發(fā)生在6—9月,以7—8月最多,具有暴雨中心不固定、籠罩面積小等特點(diǎn).分析1976-2019年年最大7日洪量對應(yīng)的7日面降水量(青石嘴、天堂和連城水文站,門源、民和氣象站泰森多邊形求得)均值總體變化趨勢不明顯,但2010年以后序列的變異系數(shù)Cv變小.這與洪水極值系列Cv變化特征基本一致.經(jīng)MK法檢驗(yàn),大通河享堂站年最大7日洪量對應(yīng)的7日面降水量突變發(fā)生在2009年;經(jīng)MTT法檢驗(yàn),2008年發(fā)生突變;經(jīng)Yamamoto法檢驗(yàn),2008年發(fā)生了突變.綜合分析MK法、MTT法(步長為5年、10年)、Yamamoto法(步長為5年、10年)三種突變檢測方法,7日面降水量2008年左右發(fā)生突變.而大通河享堂站年最大7日洪量突變發(fā)生在2013年.從突變發(fā)生年份來看,洪量發(fā)生突變具有滯后性.從年最大7日洪量及對應(yīng)的7日面降水量雙累計(jì)曲線看(圖3),降水產(chǎn)流能力2014—2019年較1976—2013年減弱.主要原因是年最大7日洪量對應(yīng)的7日面降水量均值由1976-2013年的27.1mm減少到2014-2019年25.1mm.說明大通河流域洪水的演變特征與暴雨基本一致.

圖3 大通河流域年最大7日洪量折算徑流深及對應(yīng)的7日面降水量雙累計(jì)曲線

3.3.2 水利工程的影響

大通河流域水電開發(fā)起始于20世紀(jì)90年代末,2003年后開發(fā)速度持續(xù)加快,至2022年干支流已建成43座水電站,集中分布在中下游段.建成3項(xiàng)跨流域引水工程,其中,“引大入秦”工程1994年通水,設(shè)計(jì)年引水量4.43億m3;“引硫濟(jì)金”工程2003年通水,設(shè)計(jì)年引水量0.4億m3;“引大濟(jì)湟”工程尚未通水.43座水電站包括引水式33座,河床式7座,壩后式3座,均在河道上修建攔水壩抬高水位,將水流通過山洞或渠道引至下游發(fā)電,或者直接利用閘壩形成的水流落差發(fā)電.2014年干流的兩座大型水電站(納子峽、石頭峽水電站)下閘蓄水.從享堂站洪峰流量過程線看,2014年以后洪峰流量過程線由劇烈震蕩變化進(jìn)入相對平穩(wěn)狀態(tài).從兩座大型水電站下閘蓄水時(shí)間來看,與享堂站最大時(shí)段洪量突變時(shí)間一致.同時(shí),41座小型水電站庫容雖小,但在洪水期多座電站同時(shí)加大蓄水,會減小河段洪峰流量和洪量.納子峽、石頭峽兩大水電站的人為蓄放水和小型水電站的洪水期截洪,改變了原有自然背景下的洪水輸移過程,是大通河洪水變化的主要影響因素.

3.3.3 土地利用類型的變化

草地是大通河最主要的土地類型.通過遙感解譯大通河流域土地利用類型,草地面積呈顯著增加趨勢,占比從1985年的68.4%增加到近期的80%左右.同時(shí),雪/冰面積減小明顯,其緩慢減小,有助于增加洪水基流,提高暴雨洪水的風(fēng)險(xiǎn).其他土地利用類型占比較小,最大的為林地,面積占比在8.6%左右.同時(shí)歸一化植被指數(shù)(NDVI)總體呈增加趨勢,生長季NDVI 1986-2010年間變化不大,在0.51～0.54之間,2010年到2015年由0.54增長到0.62.大通河流域草地面積增加,且在豐水期草地郁密度增加.草地面積增加改變了洪水產(chǎn)匯流條件,導(dǎo)致匯流時(shí)間增加,延緩洪峰起漲,對洪峰和洪量均具有消減作用.是大通河洪水極值變化的重要影響因素(見表1).

表1 大通河流域不同時(shí)期土地利用類型統(tǒng)計(jì)(單位:km2)

4 結(jié)論

大通河享堂站洪峰流量1956—2019年呈弱增加趨勢,1992年后序列值波動幅度變小;年最大1、3、7日洪量均呈顯著減小趨勢.大通河享堂站年最大洪峰流量在2006年發(fā)生突變,年最大1、3、7日洪量均在2013年發(fā)生突變.

大通河流域洪水極值變化的主要影響因素是納子峽、石頭峽水電站的庫容調(diào)節(jié)作用,而兩座水電站建設(shè)之前洪水極值的主要影響因素是暴雨.下墊面草地面積增加改變了洪水產(chǎn)匯流條件,是洪水極值變化的重要影響因素.