电站水库建设对区域降水特性影响分析及研究——以马鹿塘电站为例

电站水库建设对区域降水特性影响分析及研究——以马鹿塘电站为例

高祥峰1   付奔1   钟晓曦2   杨帆1

1.云南省水文水资源局  云南昆明 650106

2.云南省调水中心  云南昆明  650106

摘要：大型水电工程建成后形成水面范围广、蓄水量巨大的电站水库，使得区域蒸发量增加，会一定程度上对区域的水量平衡产生影响，尤其是降水特性可能带来一定的变化，特别是近年来随着全球气候变暖，极端天气频发，对于工程建设对降水，特别是暴雨的影响，更是得到越来越多人关注，各种声音不绝于耳，形成研究热点。为了定量解析电站水库建设对降水特性的影响，本文依托长序列降水观测资料，采用参数检验和非参数检验相结合的方式，对马鹿塘电站建成前后，区域降水特性变化开展研究。结果表明马鹿塘水电站建成后当地区域内的年降水量没有发生显著变化，但对时段暴雨影响显著，且时段越小、变化越大，区域暴雨量级显著增大（P<0.05）。本文研究成果仅针对马鹿塘水电站一定区域降水特性，对于其他电站水库建设对区域降水特性的影响还有待进一步考证，并可以作为西南区域的水库建设对降水影响的典型案例支撑相关研究工作的整合分析。

关键词：水电站；水库；降水特性；降水变化

0引言

电站水库建设会形成水面范围广、蓄水量巨大的电站水库，通过蒸发量的增加改变区域的水热平衡，进而对区域的气候与气象条件产生一定的影响。尤其是电站水库形成的湖泊效应对其周边区域的降水特性产生不同的影响。然而这种影响存在较大的区域异质性，自然地理特征不同的区域，其效应也有所不同。为了给这种效应研究提供更多的案例，本文以云南省文山州的马鹿塘水电站建成前后的降水特性为案例，依托长序列降水观测资料，采用参数检验和非参数检验相结合的方式，对马鹿塘电站建成前后，区域降水特性变化开展研究。希望以此为典型案例，为我国西南区域的水库建设对降水的影响提供典型的案例支撑。马鹿塘水电站位于云南省文山州麻栗坡县境内盘龙河上，为盘龙河下游河段十级梯级规划的第八级，是梯级开发中装机容量最大的水电站，电站坝址控制流域面积5878 km2，正常蓄水位时水库面积10.51 km2。该电站为引水式电站，通过引水隧洞及压力钢管从水库引水至电站厂房发电；一期工程于2002年1月开工建设，末台机组于2005年1月建成投产，一期水库总库容415 万m3；二期工程于2005年8月开工建设，末台机组于2010年5月建成投产，二期水库总库容5.4565 亿m3，电站水库于2009年10月10日开始蓄水，截至2012年3月31日，水库蓄水最高高程为623.4 m，离正常蓄水位627 m还有3.6 m[1]。鉴于一二期总库容相差巨大，本次研究重点研究二期水库建成以后的影响。

1数据与方法

1.1数据

研究使用的降水数据主要来自雨量站和水文站的一手测量数据。其中红河流域南温河雨量站包括：月平均、年平均降水量（1976-2020年），年最大1天、3天、7天暴雨值（1976-2020年）；红河流域龙潭寨、上果、董湖、落却水文站包括：年最大1d、3d年暴雨值（1956-2020年）。

以上站点均为水文系统长序列观测站点，水文站均是国家基本站，观测数据均经过水文数据整编，数据具有较高的可靠性；雨量观测资料均大于30年，水文站观测资料达到了56年，包括丰水段、平水段和枯水段，且大致对称分布，具有较好代表性。

1.2研究方法

本次研究采用代表站数据，对水库建成前后，区域降雨特性变化进行分析。为准确反应样本参数变化情况，减小取样误差，本次研究采用数理统计方法，先对数据样本使用Shapiro-Wilk法进行正态性检验，将样本分布与正态分布进行比较，以确定数据是否显示出与正态性的偏离或符合；正态假设成立采用参数假设检验，不成立采用非参数假设检验[2]。参数假设检验首先进行方差检验，确定方差齐或不齐，再对样本进行期望t检验，t检验是用T分布理论来推论差异发生的概率，从而比较两个平均数的差异是否显著[3]。非参数假设检验，采用Mann-Whitney U非参数检验，检验两个总体的均值是否有显著的差别[4]，以期判定水库建成前后降水是否发生显著性变化。降水突变分析主要采用Mann-Kendall 方法进行检验。M-K是一种非参数检测方法，常用于水文、气象要素趋势及突变检测，其优点是不需要遵从一定的分布，且不受异常值的干扰，计算简便，如果统计量UFk和UBk两条曲线出现交点，且交点在临界线之间，那么交点对应的时刻便是突变开始的时间[5-9]。

2区域变化研究

2.1代表区域分析

距离马鹿塘电站水库大坝直线距离在10 km以内，分别有天保、猛硐、南温河、木亮、豆豉店五个雨量观测站点；根据距离远近程度分析，南温河站就位于水库库区，距离水面小于1 km，且该站从1976年开始观测，截止2020年，资料序列长度45年，认为使用该站作为代表站分析具有较好的代表性。

图1 站点分布示意图

Fig.1 Site distribution diagram

2.2资料正态性检验

对代表站南温河1976-2020年，年降水量、最大1天（D1）、最大3天（D3）、最大7天（D7）降水量资料，采用Shapiro-Wilk法进行正态性检验；p值在(5%)置信水平下的结论如下：

根据以上检验结果，由于年降水量在α=0.05置信水平下,变化服从正态分布假设，将采用参数检验的方法开展变化研究；D1、D3、D7在α=0.05置信水平下不服从正态分布假设，统一采用非参数检验的方式，开展变化规律研究。

2.3变化分析

2.3.1年降水量变化分析

根据马鹿塘电站水库建设及蓄水情况，2005年建成的一期工程，水库总库容仅4.15 万m3，2010 年建成二期工程，总库容达到5.4565 亿m3，认为如果水库建成对区域降水产生影响应该是2010年二期工程建成以后，因此将南温河站1976-2020年降水资料，划分为两个阶段，1976-2010年为水库建成前，2011-2020年为水库建成后。由根据以上正态性检验结论，南温河站1976-2020年年降水量资料服从正态分布假设，达到开展参数检验前置条件。

（1）描述统计

南温河雨量站1976-2020年年平均降水量1138 mm；年最大降水量1812 mm，发生在2008年；年最小降水量729 mm，发生在1988年。1976-2020年数据线性拟合，存在年降水量逐年增大趋势，1976-2010年年平均降水量1120 mm，2011-2020年年平均降水量1200 mm，变幅7.1%。

图2 南温河站1976-2020年年降水分布图

Fig.2 Annual Precipitation Distribution Map of Nanwenhe Station from 1976 to 2020

（2）T检验

认为1976-2010年年降水量、2011-2020年年降水量为两个独立正态总体，且均通过通过正态性检验，假定方差齐，对两个正态总体的平均数采用t检验法，通过样本分析水库建成前后两个总体是否发生显著变化，从而判定区域年降水情况变化。

根据t检验结论：在置信区间α=0.05的水平下，假定方差齐，t检验p=0.26，大于0.05，1976-2010年年降水量与2011-2020年年降水量不存在显著不同。

图3 南温河站1976-2020年年降水量t检验箱型图

Fig.3 Test Chart of Annual Precipitation t at Nanwenhe Station from 1976 to 2020

2.3.2最大时段降水变化分析

根据以上正态性检验结论，D1、D3、D7在α=0.05置信水平下不服从正态分布假设，不满足开展参数假设检验正态性假设条件，因此，只能采用非参数假设检验，对D1、D3、D5、D7开展变化规律研究。

（1）描述统计

南温河雨量站1976-2020年最大时段降水均存在整体增大的趋势，且D1>D3>D7。1976-2010年D1平均值为70.3 mm，2011-2020年平均值为94.8 mm，变幅34.7%；1976-2010年D3平均值为108.6 mm，2011-2020年平均值为132.3 mm，变幅21.8%；1976-2010年D7平均值为145.4 mm，2011-2020年平均值为165.9 mm，变幅14.1%。

图4 南温河站1976-2020年最大时段降水量分布图

Fig.4 Distribution map of maximum precipitation at Nanwenhe Station from 1976 to 2020

（2）非参数检验

将D1、D3、D7分别划分为水库建成前1976-2010年，水库建成后2011-2020年进行数理统计研究，根据以上正态性检验结论，本文采用Mann-Whitney U非参数检验。U检验结论：D1渐进显著性为0.022、D3渐进显著性为0.030、D7渐进显著性为0.043，小于置信区间α=0.05，存在显著不同。

表2 南温河站非参数检验统计表

Table2 Statistical Table for Non parametric Testing at Nanwenhe Station

（3）Mann-Kendall检验

为进一步研究水库建成前后对降水特性的影响，本文采用Mann-Kendall检验，对南温河站1976-2020年D1最大时段降水进行突变分析；根据分析结果，南温河站D1在2012年发生突变。

图5 南温河站Mann-Kendall检验

Fig.5 Mann-Kendall inspection at Nanwenhe Station

3参证区域对比分析

为分析同一气候区域，且距离电站水库距离较远，受影响较小区域暴雨变化情况，本文选取文山州红河流域龙潭寨、上果、董湖、落却四个水文站，1976-2020年最大D1、D3年暴雨均值，作为参证量开展研究。

3.1参证区域变化

（1）描述统计

参证区域1976-2020年最大D1、D3年暴雨均值存在整体增大的趋势，且D1>D3。1976-2010年D1平均值为77.3 mm，2011-2020年平均值为85.4 mm，变幅10%；1976-2010年D3平均值为102.1 mm，2011-2020年平均值为109.7 mm，变幅7%。

图6 参证区域1976-2020年最大D1、D3年暴雨均值分布图

Fig.6 Distribution Diagram of Maximum D1 and D3 rainstorm Mean Value in Reference Area from 1976 to 2020

（2）非参数检验

将参证区域D1、D3分别划分为水库建成前1976-2010年，水库建成后2011-2020年进行数理统计研究，本文采用Mann-Whitney U非参数检验。U检验结论：D1渐进显著性为0.137、D3渐进显著性为0.353，大于置信区间α=0.05，不存在显著不同。

表3 参证区域非参数检验统计表

Table3 Statistical Table for Non parametric Testing of Reference Areas

3.2对比分析

南温河站与参证区域D1、D3对比分析，南温河站水库建成前后D1、D3变幅明显高于参证区域的平均变幅水平，D1变幅增大24.4%，D3变幅增大14.5%。非参数检验南温河站水库建成前后D1、D3发生显著变化，而参证区域水库建成前后D1、D3未发生显著变化。

表4 对比分析统计结果

Table4 Comparative analysis and statistical results

4结论

本文以云南省的马鹿塘水电站建成前后的降水特性为案例，依托长序列降水观测资料，采用参数检验和非参数检验相结合的方式，对马鹿塘电站建成前后，区域降水特性变化开展研究。希望以此为典型案例，为我国西南区域的水库建设对降水的影响提供典型的案例支撑。研究发现马鹿塘水电站建成后当地区域内的年降水量没有发生显著变化，但对时段暴雨影响显著，且时段越小、变化越大，区域暴雨量级显著增大（P<0.05）。

（1）马鹿塘水电站的水库建成，对区域年降水量变化影响不显著。南温河站1976-2020年年降水量有逐年增长趋势，水库建成前后样本年降水量均值增加7%；但总体均值未发生显著改变。

（2）马鹿塘水电站的建设，对区域降水特性产生影响，且降水时段越短，影响越显著。水库建成前后，年降水量变化影响有限，不存在显著变化；暴雨发生明显突变，暴雨强度明显增加，历时越短暴雨强度增加越明显。南温河站1976-2020年最大时段降水（D1、D3、D7）均存在整体增大趋势，水库建成前后样本D1均值增加34.7%、D3均值增加21.8%、D7均值增加14.1%，时段越短增幅越明显。水库建成前后D1、D3、D7均发生显著变化，且时段越短越显著。南温河站D1在2012年发生突变，与实际水库建成蓄水时间2011年极为接近。

（3）水库影响区域降水变化显著高于非影响区域：参证区域1976-2020年最大时段降水（D1、D3）均存在整体增大趋势，水库建成前后参证区域样本D1均值增加10%、D3均值增加7%；但总体均值未发生显著改变。

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