人类活动对安康水库入库径流影响分析
Influence of Human Activities on Inflow of Ankang Reservoir

作者: 左园忠 , 何 伟 , 石静涛 :安康水力发电厂,陕西 安康; 万 俊 , 吴金津 , 郭 炅 :武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室,湖北 武汉;

关键词: 人类活动入库径流影响分析Human Activity Inflow of Reservoir Analysis of Influence

摘要:
为研究人类活动对安康水库入库径流的影响,收集安康流域多年降雨资料以及流域内所在大型水库的运行资料,从而分析降雨以及水库调蓄作用对安康入库径流的影响。分析结果表明:安康流域内,石泉–安康区间降雨明显增多,1991~2017年区间降雨同比1961~1990年增加4%;巴山水库的修建对安康水库入库径流影响较大,主要体现在对中小洪水有较强的拦蓄作用,从而导致安康水库在初汛期入库径流明显偏小。

Abstract: In order to study the impact of human activities on the inflow runoff of Ankang reservoir, the rainfall data of the river basin and the operational data of the large upper reservoirs in the basin were collected. The results show that the rainfall in Shiquan-Ankang area has increased significantly in the basin. The rainfall in the interval from 1991 to 2017 increased by 4% from 1961 to 1990. The construction of Bashan reservoir has a great impact on the inflow of Ankang reservoir, mainly in the small and medium-sized. The flood has a strong impediment, which leads to the apparently small runoff of the Ankang reservoir during the initial flood season.

1. 引言

近些年来,汉江上游流域径流量有明显变化 [1] ,降雨变化和人类活动是对汉江上游流域径流量变化产生影响的主要因素。相比较而言,人类活动对汉江上游流域径流量的影响更大。因为,近年来,安康流域修建了大量的水利工程,虽然多为无调节能力的水库,但干流上的石泉水库对安康入库径流影响较大,区间支流上蔺河口水库和巴山水库的修建也对安康入库径流影响较大,以上三座水库均具有季调节以上调蓄能力。因此,本文研究人类活动对安康水库入库径流影响的重点在于以上三座水库对安康入库径流的影响分析。

2. 研究区域概况

汉江是长江中游最大的一级支流,发源于陕西省宁强县北的米仓山 [2] ,由西向东流经汉中市辖的勉县、汉中、城固、洋县和安康市辖的石泉、汉阴、紫阳、安康、旬阳、白河等县,于白河县流入湖北省境内,在武汉市汉口注入长江,全长1567 km。其中在陕西省境内长709 km,占汉江干流全河段的45%,在陕西省境内流域面积61,959 km2,占汉江全流域面积37%。

汉江流域大多为山地和丘陵,其中山地占50%,丘陵占45%,平原占5%。北部以秦岭山脉与黄河流域分界;东北部以伏牛山与淮河流域分界;南部以米仓山、大巴山与嘉陵江分界;东南为广阔的汉江平原,无明显分水界限。图1为汉江上游流域水系图。

Figure 1. The water system map of the upper reaches of the Hanjiang River basin

图1. 汉江上游流域水系图

自安康水电站修建以来,汉江上游又修建了许多水电站,这些水利工程对安康入库径流影响较大,其中影响最大的为蔺河口水电站和巴山水电站,再加上之前在安康水电站上游修建的石泉水电站,这三个水电站对安康入库径流影响较大。表1为这四个水库的特性表。从图1表1可以看到,石泉水库以上流域占安康水库以上流域的65.5%,区间流域又主要分布在岚河和任河两个支流上,且,又是暴雨中心,特别是任河支流暴雨强度大,容易产生局部洪水。

Table 1. Main reservoir and hydropower characteristics in the upper Ankang basin

表1. 安康以上流域主要水库电站特性表

3. 数据来源和基本计算

3.1. 数据来源

降雨资料收集到太白、留坝、汉中、佛坪、宁强、石泉、镇巴、安康共8个国家气象站的逐日降雨资料。该数据从中国气象数据共享网下载而得,资料时间长度为:1961~2017年,共计57年,雨量站在安康流域内的分布见图2

入库出库流量资料包括安康水电站和石泉水电站1991~2017年共计27年的逐日入库出库流量,蔺河口水电站2006~2017年共计12年的逐日入库出库流量,巴山水电站2013~2017年共计5年的逐日入库出库流量以及近几年部分场次洪水的各电站逐小时的入库出库流量资料,这些资料均有各个水电站提供。

3.2. 基本计算

1、面雨量计算

利用泰森多边形法计算流域面雨量 [3] ,先计算安康全流域面雨量,然后计算石泉以上,石泉–安康区间两个区域面雨量。通过此方法在ArcGIS中进行泰森多边形面积求取,得到如表2中的结果。

Figure 2. Location map of the national meteorological stations in the Ankang river basin

图2. 安康流域国家气象站点位置示意图

Table 2. The basin weights calculated by Thiessen polygon method

表2. 泰森多边形计算流域权重表

2、天然入库径流还原计算

为计算安康水库天然入库流量 [4] ,考虑到对安康水库入库径流影响最大的是石泉水库、蔺河口水库、巴山水库这三座水库,所以根据各个水库修建时间,用如下公式对安康水库进行天然入库径流还原计算:

1) 1991年~2005年安康水库日天然入库径流还原计算

Q = Q Q + Q

2) 2006年~2012年安康水库日天然入库径流还原计算

Q = Q Q Q + Q + Q

3) 2013年~2017年安康水库日天然入库径流还原计算

Q = Q Q Q Q + Q + Q + Q

4. 结果与讨论

4.1. 降雨变化分析

1961~2017年安康流域降雨资料分析结果表明,多年平均年降雨量为877.1 mm,其中1983年为最大丰水年,年降水量达1351.4 mm。年降雨量的变化趋势分析如图3所示,年降雨量有不显著性下降趋势。计算各个年代的平均年降雨量得到结果:20世纪60年代的平均年降雨量为890.1 mm,20世纪70年代的平均年降雨量为835.9 mm,20世纪80年代的平均年降雨量为989.8 mm,20世纪90年代的平均年降雨量为777.5 mm,21世纪00年代的平均年降雨量为860.8 mm,21世纪10年代的平均年降雨量为921.8 mm,由图3可见,从60年代开始,安康降雨量呈现“平–枯–丰–枯–平–略丰”的交替循环过程,其中80年代是最丰年代,90年代是最枯年代。完全符合气候自然变化规律,具有一定的周期性,没有明显趋势性变化。

对石泉以上、安康–石泉区间年降雨量进行回归分析,从图4中可以看出,石泉以上年降雨量自1961到2017年呈现一个下降趋势,而石泉–安康区间年降雨量自1961到2017年呈现一个上升趋势。将石泉以上年降雨量、石泉–安康区间年降雨量分别与安康全流域年降雨量进行比值计算。从图5中可以看出,石泉以上与全流域年降雨量比值呈现下降趋势;从图6中可以看出,石泉–安康区间与全流域年降雨量比值呈现上升趋势,这个

Figure 3. Tendency of annual precipitation at Ankang basin

图3. 安康流域年降雨量历年变化趋势分析

趋势与它们各自年降雨量变化趋势一致。考虑到安康水电站从1991年开始运行,将1961~2017年划分为1961~1990,1991~2017两个时段进行比较分析,石泉以上与安康全流域年降雨量比值前30年平均值为0.989,后27年平均值为0.970;石泉–安康区间与安康全流域年降雨量比值前30年平均值为1.020,后27年平均值为1.066。

Figure 4. Tendency of annual precipitation in the upper Shiquan basin and the Shiquan-Ankang interval basin

图4. 石泉以上流域与石泉–安康区间年降雨量历年变化趋势分析

Figure 5. Tendency of the ratio of annual precipitation between the upper Shiquan and the whole basins

图5. 石泉以上与全流域年降雨量比值历年变化趋势分析

Figure 6. Tendency of the ratio of annual precipitation between the Shiquan-Ankang interval basin and whole basin

图6. 石泉–安康区间与全流域年降雨量比值历年变化趋势分析

4.2. 人类活动对安康入库径流影响分析

安康流域内的人类活动主要包括以下几类:①下垫面条件发生变化;②取用水量变化;③河道变迁;④水利工程修建。

1) 汉江流域大多为山地和丘陵,其中山地占50%,丘陵占45%,平原占5%。安康市及汉中市两个行政区域林地草地水体占总面积的80%,耕地和建筑用地不到18%,而建筑用地占总面积的2%~3%。在近7~8年中,人类活动中土地利用的变化不大,其中耕地面积略有减少不到1%,建筑用地略有增加10%左右,由于建筑用地面积总量小,即使建筑用地面积有所增加,对安康水库入库径流的影响很小。

2) 汉中市各行业用水占比变化不大,用水总量变化也不是很明显,汉中市各行业用水占比变化较大,用水总量变化也相对明显,但从2011年以后安康市用水总量变化也趋于平稳,未来用水量变化幅度不会太大,对安康入库径流的影响趋于稳定,每年占比约4.9%。

3) 2010年以前,人类活动对安康上游河道的弯曲河段进行过裁弯取直,还存在围河垦地、沿河建筑等败坏性行为,破坏河流生态和流态,对河道防汛产生不利影响,增加防汛压力。

4) 水利工程主要体现在水库的调节,以及调水工程的调水。汉江安康水库流域上游目前大小共计有408座(不含安康水库),总库容19.64亿m3;其中小(I)型(100万m3)以上水库共计86座,总库容18.60亿m3 (汉中59座,库容5.34亿m3);小(II)型水库共计322座,总库容1.04亿m3 (汉中296座,库容0.98亿m3)。库容在1000万m3以上的有18座,总库容16.49亿m3 (汉中市9座库容3.81亿m3,重庆市城口县3座库容3.46亿m3,四川万源市大竹镇1座库容0.34亿m3,安康5座库容8.88亿m3)。在建的水库还有4座,总库容9.53亿m3。其中引汉济渭工程两座水库总库容9.39亿m3 (黄金峡2.29亿m3,三河口7.1亿m3);白龙洞电站水库,库容约200到300万m3;龙峡水库库容1172万m3。已建水库中影响较大的有石泉、蔺河口、巴山这三座水库,后一节予以重点研究。

4.3. 主要水库工程对安康入库径流影响分析

4.3.1. 不同量级洪水对安康入库径流的影响

依据近五年(2013~2017)的安康入库流量,与还原天然流量进行对比分析,如图7~图11,小洪水时,石泉、蔺河口、巴山水库有明显的拦蓄作用,从而影响安康水库的入库径流。

Figure 7. Comparison of actual reservoir inflow and natural reservoir inflow in 2013

图7. 2013年实际入库流量与天然流量对比图

Figure 8. Comparison of actual reservoir inflow and natural reservoir inflow in 2014

图8. 2014年实际入库流量与天然流量对比图

Figure 9. Comparison of actual reservoir inflow and natural reservoir inflow in 2015

图9. 2015年实际入库流量与天然流量对比图

Figure 10. Comparison of actual reservoir inflow and natural reservoir inflow in 2015

图10. 2016年实际入库流量与天然流量对比图

又从2013~2017年的安康入库资料中,挑选了22场洪水资料,将实际入库流量与天然流量进行洪峰流量与场次洪量的对比分析,列表3。在这22场洪水过程中,洪号为20140912、20140928、20160714这3场洪水的实际洪峰流量要大于天然洪峰流量,不过增大的比例都不大,分别为1.25%、2.55%、0.36%;22场洪水的洪峰

Figure 11. Comparison of actual reservoir inflow and natural reservoir inflow in 2017

图11. 2017年实际入库流量与天然流量对比图

平均削减比为29.77%,由此可以看出安康流域上游水库对于洪水的洪峰削减作用是比较明显的。从洪量上看,这22场洪水过程中,有5场洪水的实际洪量是要大于天然洪量的,但是增加的比例都不是很大,22场洪水的洪量平均削减比为10.25%。由此可见,安康流域上游水库的调蓄作用对安康入库径流的影响还是比较大的。

Table 3. Comparison of reservoir natural and real inflows during 2013~2017

表3. 2013~2017年实际入库与天然入库对比分析表

将洪水进行大、中、小不同量级分类,将洪峰流量大于6000 m3/s定义为大型洪水,将洪峰流量大于2500 m3/s小于6000 m3/s定义为中型洪水,将洪峰流量小于2500 m3/s定义为小型洪水。将上述22场洪水资料进行分类,分类型进行计算得到大型洪水洪峰削减比为3.27%、洪量削减比为4.16%;中型洪水洪峰削减比为17.12%、洪量削减比为10.24%;小型洪水洪峰削减比为40.95%、洪量削减比为12.00%。显然,中小洪水时,安康入库径流变化较大。

4.3.2. 典型洪水对安康入库径流的影响

根据收集到的场次洪水资料进行安康天然入库还原计算,并对还原后的安康天然流量与安康实际入库流量进行对比分析,从而定量分析典型洪水对安康入库径流的影响。

图12中可见,20150629洪水前期为全流域洪水,石泉、巴山均有大于1000 m3/s的流量,蔺河口也有700~800 m3/s的流量,被三个水库全部拦截。后期主要是石泉上游洪水,石泉水库有加大泄流现象,导致实际峰值略大于天然峰值,存在人为加大洪水的可能,对安康水库防洪造成压力。因此,在5年一遇洪水应密切关注上游水库放水。

图13图14可见,20170912洪水和20170927洪水均为区间型洪水,石泉水库没有泄洪,来水全部拦截,蔺河口和巴山水库前期来水非常大,均有泄洪,最大泄洪流量均接近2000 m3/s,这2次洪水主要来自区间大竹河,在今后的洪水预报和洪水调度中,应特别关注大竹河的来水和白杨溪水文站的流量。

Figure12. Natural restoration of No. 20150629 flood Ankang reservoir inflow

图12. 洪号20150629场次洪水安康入库天然还原

Figure 13. Natural restoration of No. 20170912 flood Ankang reservoir inflow

图13. 洪号20170912场次洪水安康入库天然还原

Figure 14. Natural restoration of No. 20170927 flood Ankang reservoir inflow

图14. 洪号20170927场次洪水安康入库天然还原

表4可见,这3场洪水中有2场洪水是削峰比较明显的,只有20150629洪水存在增峰而不是削峰,增值3.10%,这场洪水为5年一遇,这说明在大洪水时,如果上游水库敞泄将导致安康水库洪水放大,造成安康水库防洪压力增大。

Table 4. Analysis of actual reservoir inflow flood and natural reservoir inflow flood

表4. 场次洪水实际入库与天然入库对比分析表

5. 结论

1、降雨量影响分析:从60年代开始,安康降雨量没有明显趋势性变化。但区间降雨量有明显的变化,27年资料中石泉–安康区间降雨量明显偏高,1991~2017年与1961~1990年比较,区间降雨量偏高4%左右,特别是2003年以后与1961~1990年比较,区间降雨量偏高5%左右。当暴雨集中在石泉–安康区间时,容易构成陡涨陡落型洪水,使安康水库防汛调度压力加剧。2017年9月份的洪水就是典型的区间洪水。

2、水库工程影响分析:①石泉水库洪水来临前预泄情况较多,中小型洪水拦蓄也存在一定的频次,对安康水库入库径流的影响较大;②蔺河口水库流域较小,降雨量相对巴山水库流域而言也偏小,历年来产生的洪水频率也较小。所以,蔺河口水库对安康水库入库径流的影响较小;③巴山水库库容大,又是年调节水库,调节能力较强,巴山水库基本上在暴雨中心,形成洪水的概率比较大。且,巴山水库在汛期到来之前水库水位常降低至死水位以下运行,对中小型洪水拦蓄能力更大,对安康水库入库径流的影响非常大,应密切关注巴山水库的运行情况以及任河流域的降雨情况。

3、洪水影响分析:大型洪水洪峰削减比为3.27%、洪量削减比为4.16%;中型洪水洪峰削减比为17.12%、洪量削减比为10.24%;小型洪水洪峰削减比为40.95%、洪量削减比为12.00%。说明:大型洪水,上游水库对安康水库的入库径流影响较小;中小型洪水,上游水库削峰非常明显,拦蓄水量也非常明显,对安康水库的入库径流影响非常大,对安康水库的防洪和发电调度影响很大。

文章引用: 左园忠 , 万 俊 , 何 伟 , 石静涛 , 吴金津 , 郭 炅 (2019) 人类活动对安康水库入库径流影响分析。 水资源研究, 8, 423-435. doi: 10.12677/JWRR.2019.85049

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