Research on the Runoff Change and Prediction of the Yellow River before and after Xiaolangdi Dam Operation

Yu-long FAN, Nan HU, Sheng-yan DING

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节水灌溉
China Rural Water and Hydropower ›› 2022 ›› (1) : 64-70.

Research on the Runoff Change and Prediction of the Yellow River before and after Xiaolangdi Dam Operation

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Abstract

The ecological protection and high-quality development of the Yellow River Basin cannot be separated from the rational allocation of water resources of the Yellow River. The Yellow River runoff plays a key role in maintaining global energy balance， water and sediment cycle， climate change and ecological environment evolution. Dams strongly change the spatial and temporal distribution of water resources and interfere with the natural rhythm of rivers. Xiaolangdi Dam is China’s second largest water conservancy project， the data of Huayuankou Hydrological Station before and after the operation of the dam are sorted out by using the Range （the Range of Variability that RVA）， Theil Sen slope， Mann Kendall mutation test and methods of wavelet analysis of the degree of the change of the Yellow River runoff， amplitude， point mutation and period. The decreasing trend of annual runoff passed 99% significance test， which was the most obvious from 1998 to 2011， and the abrupt transition point appeared in 1990 and 2012. The runoff had obvious periodic changes， and the main period was lower than the contour center around 2000. The results of mutation test and wavelet analysis can predict that the annual runoff will be low in the future. During the period of water and sediment regulation， the siltation of many Yellow River sluice gate and diversion canal system is more serious due to the large amount of water， high sediment concentration and rapid water regression. The rule of runoff variation in the Yellow River is made clear， and the decision-making of dam operation management， regional territorial spatial planning and national economic development planning is adjusted， which can lay a foundation for ecological protection and high-quality development in the middle and lower reaches of the Yellow River.

Key words

Xiaolangdi Dam / surface runoff / the middle and lower reaches of the Yellow River / Mann-Kendall test / wavelet analysis

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Yu-long FAN , Nan HU , Sheng-yan DING. Research on the Runoff Change and Prediction of the Yellow River before and after Xiaolangdi Dam Operation. China Rural Water and Hydropower. 2022, 0(1): 64-70

0 引 言

黄河流域的生态保护与高质量发展离不开黄河水资源的高效利用，无论是生态治理还是社会发展都要量水而行，统筹谋划。黄河作为我国的第二大河流，在维持全球能量平衡、水沙循环以及气候变化和生态环境演变的过程中始终发挥着关键作用。5个关键要素（流量、频率、持续时间、时机与变化率）影响着整个河流水文过程，控制着河流的生态过程［1］。小浪底大坝是我国仅次于三峡的第二大水利工程，自2001年竣工以来发挥了巨大的作用。大坝直接改变这五个关键水文要素，改变河流的水文特征，使得水位、流速、流态、洪峰过程、河流形态、泥沙、河道底质等都发生变化［2，3］，强烈改变河流水资源的时空分布格局，干扰河流的自然节律，从而相互耦合引发一系列的物理和化学效应［4-6］，同时也为水资源管理与水量调度提供了机遇。
农业景观是黄河中下游的主要景观类型，农业景观的水资源供给主要包括自然降水、黄河径流和当地水资源三部分。农业灌溉用水、工业用水、城镇生活用水和农村人畜用水对黄河径流依赖性较强。农业灌溉用水占引黄水量的90%，黄河径流对农业景观有强烈影响［7］。除了小浪底大坝直接改变下游地表径流外，大坝拦截泥沙，冲刷下游河道［8，9］，河道加深使近河地下水层下降，影响农业灌溉、工业和生活用水，从而影响河道内外生态过程［10-13］和土地利用、土地覆被［14］，最终会影响区域水分利用与循环、景观格局和生态系统服务［15-17］。分析黄河径流变化趋势及其原因，可以为黄河流域生态保护和高质量发展提供科学依据，也可为大坝的运行管理提供参考。

1 研究区概况

花园口水文站位于黄河中游与下游的分界点-桃花峪附近（图1），集水面积达70余万km2，占黄河流域总面积的97%。黄河过了花园口后，就脱离了邙山的约束，黄河的危险正是从花园口开始的，所以花园口水文的流量与水位就成为黄河下游径流的重要标准。黄河中下游海拔高度在40~1 900 m之间，除西部山区丘陵海拔在100 m以上外，大部分区域位于黄河冲积扇平原。黄河进入下游后地势开始变得平缓，小浪底-桃花峪落差30 m，比降0.26%，而孟津以下平均比降只有0.12%。水流平缓、河道宽浅散乱，造成大量的泥沙淤积，河床不断升高，加上长年修建的大堤作为屏障，形成了著名的“地上河”。背河洼地受黄河侧渗的影响，地下水位高，形成了较多的湿地。由于整个黄河流域内降水减少，加上工农业用水量激增，大量无序引水使黄河下游河段1972年首次出现断流，20世纪90年代几乎年年出现断流，其中1981、1995、1997年山东全河段断流。1997年黄河断流情形最为严重，利津站断流13次、累计时间226 d，330 d无黄河水入海，断流起点最远至开封柳园口附近，全长达704 km，占黄河下游河道长度的90%。断流造成黄河河道淤积、水体污染、土壤沙化、盐碱化、地下水位下降和背河洼地湿地生态系统逆向演替等诸多生态问题，给研究区的工农业生产带来了巨大的损失。从2000年开始，小浪底大坝的运行加上黄委会对全黄河水量实施统一调度，极大减少了下游河道断流情况发生。
Fig.1 Location map of Huayuankou Hydrological Station

图1 花园口水文站位置图

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2 研究方法

2.1 数据来源与处理

收集和整理小浪底大坝运行前后（1985-2015年）花园口水文站的数据和小浪底大坝相关数据。数据来源于黄河水利委员会水文局、小浪底水利枢纽管理中心和黄河水资源公报等。分析大坝运行前后水文变化特征（年内、年际变化）。从时间和空间角度出发，分别对研究区内水文动态变化特征和空间分布情况进行分析，寻求水文时空演化规律和变化趋势。

2.2 变化范围法

采用变化范围法（Range of Variability Approach， RVA）评价大坝运行前后的水文改变程度［18］。将大坝运行前各径流指标发生概率的25%和75%或者各指标的平均值加减标准差作为RVA变化范围的上下限。如果大坝运行后的径流指标落在RVA阈值内的频率与大坝运行前的频率一致，代表大坝运行及运行对径流的影响轻微；如果大坝运行后的径流指标落在RVA阈值内的频率明显不同于大坝运行前的频率，则代表大坝对径流的影响显著。

2.3 Theil Sen斜率分析

采用Theil sen斜率分析水文趋势，能有效地避免时间序列上的数据缺失及分布对结果的影响［19］，比最小二乘法的线性趋势更具优势，其计算公式为：
Tslope=median(Xj-Xi)j-i
式中：Tslope 为Theil sen斜率；Xi 和Xj 分别为i时刻和j时刻的序列值。
Theil sen斜率值越大代表明时间序列的变化幅度越大，反之越小。

2.4 Mann-Kendall检验

Mann-Kendall突变检验（M-K检验）是非参数统计检验方法，不受异常值的干扰，样本不需要遵从正态分布，是水文、气象等研究时间序列趋势检验的重要方法［20，21］。
Mann-Kendall突变检验方法如下：
sk=∑i=1kri,   k=2,3,…,n
ri=1,        当xi>xj0,        当xi≤xj   j=1,2,⋯,i
式中：序列Sk 是第i时刻数值大于j时刻数值个数的累计数。在时间序列随机独立的假定下定义统计量如下：
UFk=sk-EskVarsk,   k=1,2,…,n
式中：UF 1=0，var（sk ）、 E（sk ）是sk 的方差和均值，各个样本相互独立，并有相同的连续分布，可按以下公式计算：
Esk=kk-14Varsk=kk-12 k+572      k=2,3,…,n
式中：UFi 是标准的正态分布，它按时间序列x顺序x 1，x 2，…，xn 计算出统计量的序列，并给定显著水平a，若|UFi |＞α，表明序列有明显的趋势变化。
再重复上述过程，使UFk =-UBk，UB 1=0。当UFk 或UBk 的值大于零，表明序列呈上升趋势，小于零则表明序列呈下降趋势。当UFk 或UBk 的值超过临界线时，表明上升或下降趋势显著。如果UFk 或UBk 两条曲线出现交点，且交点在临界线之间，那么交点对应的值便是突变开始的时间。

2.5 小波分析

采用小波分析对研究区地表水时间序列数据进行时间尺度分析，准确找出时间序列数据的周期，判断各个时期所处的阶段，并进行预测。
小波函数公式为：
ψt=ei c te-t2/2
式中：c为常数；i为虚数。
小波变换系数公式为：
wfa,b=a-1/2∫-∞∞ftψ¯t-badt=ft,ψa.bt
式中：wf （a，b）为小波变换系数；Ψ（t）为基本小波或母小波；< >表示内积；a为尺度伸缩因子；b是时间平移因子。
ψa.bt=a-1/2ψt-ba       a,b∈R,a>0
式中：Ψa，b （t）是由伸缩和平移而成的一族函数，称为分析小波或连续小波。

3 结果与分析

小浪底水库蓄水与放水是影响黄河中下游径流的直接因素，从2000-2004年水库水位逐渐达240 m以上，2015年以后，年均水库水位基本维持在240~250 m之间。2000年最低出库流量在1月和8月，只有6~7 亿m3，最高流量在3月和4月，流量有20多亿m3。2014-2015年最低流量出现在10月前后，有7~10 亿m3左右，最高流量在3月和7月，有35 亿m3左右。在2005、2006、2012和2013年6月流量高达60 亿m3左右。

3.1 黄河中下游月径流变化整体分析

黄河中下游1-5月份径流在2000年前后处于低谷，特别是2003年达到最低点。6月份径流在2003年后开始增加，并在2005年达到最高值，一直到2015年都维持在较高水平。7月份径流在2000年前后有所降低，但在2010年后又开始增加。8月份径流在2001年达到最低值，之后一直在较低水平震荡。9月份径流除2004年较高外，2000年后的径流均维持在相对较低的水平。10月份径流除2004年较高外，大坝建设前后的流量没有太大的改变。11-12月径流在2003、2011年较大，其他年份相关不大（图2）。
Fig.2 Average monthly runoff of Huayuankou Hydrological Station

图2 花园口水文站月均径流量

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3.2 黄河中下游月径流变化程度RVA分析

大坝对花园口1、3、5、7、10、12月份径流影响不大（频率差小于10%），其中影响最小的月份是1月和7月（频率差小于3%）。大坝对2、4、8、9、12月径流有减小的影响，8月和9月份均值减少最大；对6、11月有增大的影响，其中对6月增加最大（表1）。大坝的防洪需求使大坝一般在汛期前6-7月要放水，以增加汛期的可用库容，在汛期来临时，可以有效的控制汛期8-9月的流量。整体上，花园口径流量处于减小的趋势，在建坝前，极大值常出现在8、9月份，建坝后，极大值常出现在6、7月份，而且极值相对建坝前小、频率低。小浪底大坝对径流有着强大的调控能力，改变了径流自然律动，这种变化必将对下游农业景观带来深远的影响。
Tab.1 Statistical table of runoff RVA of Huayuankou Hydrological Station

表1 花园口水文站径流量RVA统计表

时间 均值 标准差 RVA阈值 阈值内频率/% 频率差/%
建前 建后 下限 上限 建前 建后
1月 13.56 12.11 4.80 8.77 18.36 64.71 64.29 0.42
2月 14.24 12.55 4.30 9.95 18.54 52.94 64.29 11.34
3月 25.21 24.46 5.98 19.23 31.19 64.71 71.43 6.72
4月 24.04 22.23 4.26 19.78 28.31 76.47 50.00 26.47
5月 19.32 20.73 7.88 11.45 27.20 76.47 71.43 5.04
6月 17.31 41.85 10.28 7.02 27.59 64.71 21.43 43.28
7月 28.29 34.10 15.75 12.53 44.04 76.47 78.57 2.10
8月 41.88 24.38 24.50 17.38 66.39 70.59 57.14 13.45
9月 36.12 21.47 23.26 12.86 59.38 70.59 85.71 15.13
10月 22.78 21.42 19.49 3.29 42.27 94.12 92.86 1.26
11月 15.98 16.43 8.13 7.85 24.11 64.71 85.71 21.01
12月 16.29 15.58 5.85 10.43 22.14 70.59 64.29 6.30
全年 275.03 267.30 91.18 183.84 366.21 70.59 92.86 22.27

3.3 黄河中下游径流变化趋势检验

花园口径流从1985年到2015年处于减小趋势，年均径流减小趋势通过了99%的显著性检验，秋季径流减小趋势通过了95%的显著性检验（表2）。年均径流和秋季径流明显减少，必将对下游农业用水和景观变化产生重大影响。
Tab.2 Theil Sen change trend test of Huayuankou runoff during 1985-2015

表2 1985-2015年花园口径流Theil Sen变化趋势检验

项目 Z值 显著性/% 倾斜率
年均径流 -10.34 99 -1.637
春季径流 -0.392 -0.114
夏季径流 0 0.003
秋季径流 -1.891 95 -1.332
冬季径流 -0.749 -0.263

3.4 黄河中下游径流Mann-Kendall突变检验

除1990年年均径流有增加趋势外，都处于减小的趋势，1998-2011年这种减小趋势最为明显，通过了突变检验，1990年和2012年分别有一个突变点。春季径流1992-2015年一直处于减小趋势，在2000、2002-2005、2010、2011年这种减小趋势显著，通过了突变检验。夏季径流1991-2012年一直处于减小趋势，特别是1999-2005年间，这种趋势显著，通过了突变检验，1989年和2011年分别有一个突变点。秋季UF序列只有在1990年前后大于0，表明1985-2015年间，秋季径流一直处于减小趋势，在1999-2009年间，减小趋势超过显著性水平0.05的阈值线，径流减小显著，在2009年有一个突变点，径流相对有所增加，减小趋势开始没有那么显著。冬季径流从1989-1992间有增加的趋势，从19992-2015年，除1994年径流有所增加外，一直处于减小趋势，且1998-2011年，减小趋势通过0.05的阈值线，减小趋势显著（图3），预测今后一段时间黄河径流仍会减小。
Fig.3 Runoff abrupt change test of Huayuankou Hydrological Station

图3 花园口水文站径流突变检验

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3.5 黄河中下游径流周期变化小波分析

通过对花园口水文周期性变化分析，得到小波系数和小波方差图（图4）。由图4（a）可知，年径流存在20 a上和10 a以下的周期性变化特征，其周期中心分别为21 a和9 a，21 a尺度上的周期比较明显，在此时段平均径流存在高-低-高的循环交替变化，其中1985-1994年、2006-2015年这两个时段年径流偏高，1995-2005年这个时段年径流偏低。而10 a以下尺度周期变化不太稳定，但也存在高-低-高-低-高-低-高的循环交替变化。由图4（b）可知，周期的最大峰值出现在21 a，即其主周期为21 a。从主振荡周期上看，年径流偏低的等值线还未闭合，说明在未来一段时间，年径流将处于偏低的时期。春季径流存在21 a和13 a的周期变化，21 a的周期比较明显，而10 a左右的周期不太稳定。夏季径流存在20 a和8 a的周期变化，主周期径流偏低等值线没有闭合，说明未来夏季径流还将处于偏低时期。秋季存在20、8和4 a的周期，主周期是20 a，4 a的周期不太稳定，20 a和8 a的径流偏低等值线均未闭合，说明秋季径流将处于偏低阶段。冬季径流存在20 a和5 a的周期变化，5 a的周期并不稳定。整体上，花园口径流周期性变化主周期偏低等值线中心均在2000年前后。花园口径流的减小与上游降雨、下垫面变化、能源开发等密切相关［22］，加上小浪底大坝的蓄水作用，使花园口径流产生减少趋势更加明显。
Fig.4 Wavelet analysis of runoff at Huayuankou hydrological station

图4 花园口水文站径流小波分析

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3.6 调水调沙对黄河中下游径流的影响

为了缓解河槽淤积和部分河段“悬河”局面加剧等问题［23］，在小浪底水库采取人工异重流排水排沙出库方式，就是调水调沙。调水调沙运行时间在6月底至7月初，8点出库流量在 2 000~3 000 m3/s左右，是年均流量的3~4倍（图5）。至2012年，大坝下游河道平均下切2 m左右，最小行洪能力提高到4 100 m3/s，比2002年多2 300 m3/s，大大改善了下游防洪形势，为下游的发展创造了安全的条件。调水调沙在缓解防洪压力的同时，也带来了一些负面效应。由于调水调沙期间水量大、含沙量高和水量的快速消退等原因，使许多引黄涵闸口和引水渠系淤积比较严重，加上主河道下切，同流量水位下降，造成部分涵闸引水困难，给下游引黄灌区带来不便。
Fig.5 Flow and water level of flow and sediment regulation at Huayuankou hydrological station

图5 花园口调水调沙初期流量与水位图

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4 结论与讨论

4.1 结 论

黄河中下游地表径流和水沙关系在小浪底大坝建成后发生较大变化，水资源的时空分配面临着新的局面。大坝把大量的水拦截在库区内，下游地表径流明显减小，水位下降，其时间节律也发生改变。大坝运行后花园口年均径流减少，年际变化幅度减小，汛期径流（7-10月）变化更加明显。从1985年到2015年花园口年均径流减小趋势通过了99%的显著性检验，秋季径流减小趋势通过了95%的显著性检验。在大坝运行前，极大值常出现在8、9月份，大坝运行后，极大值常出现在6、7月份。在大坝运行之初的2000-2005年，花园口径流减小趋势通过了显著性检验。花园口径流存在20 a左右的主周期和5~10 a小周期，主周期偏低等值线中心均在2000年前后。由突变检验和小波分析结果可以预测出在未来一段时间内年径流将处于减小的时期。调水调沙时径流量是年均径流的3~4倍，由于水量大、含沙量高和水量的快速消退等原因，使许多引黄涵闸口淤积比较严重，加上主河道下切，同流量水位下降，花园口、夹河滩1996-2015年水位下降了3 m多，造成部分涵闸引水困难，给两岸农业生产用水和生态用水带来不利影响。

4.2 讨 论

黄河径流的变化发生在河道内，其影响范围会以各种方式扩展到河道外更大的区域。黄河中下游平原土壤透水性较好，加上黄河“悬河”的独特性，使沿黄灌区和背河洼地景观极易受到黄河径流变化的影响［21］。大坝调节了水资源的时空分布，在一定时期内满足了人们对水资源的调控需求［17］。但也存在诸多争议和无法解决的现实问题：河流水资源与区域景观是长期形成的互惠整体，大坝打破了河流的自然节律，也改变了其与区域景观间长期形成的互动关系，大坝将原属于整个河流的水资源锁定在库区，下游的湖泊、湿地得不到足够的补源，会导致其生态系统服务无法有效的维持。大坝可以使“江河不断流”，却不能保证整个区域“生态系统服务不断流”。同时，以小浪底大坝为核心的水沙调控体系也会面临后继动力不足的问题，给未来黄河中下游径流带来诸多不确定性。因此，要根据黄河径流变化趋势和水资源时空分布特征，适时调整大坝运行管理、国土空间规划、国民经济发展规划等决策，为黄河中下游生态保护和高质量发展奠定基础。 □

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