纳伦河下游梯级水电开发九十年：径流情势由夏季峰值向冬季释放的反转及其归因

《Hydrology》：From Summer Peak to Winter Release: Nine Decades of Flow Regime Alteration by the Lower Naryn Hydropower Cascade, Central Asia

　　

水库运行能在多大程度上改变一条河流的时间节律？研究人员利用纳伦河（Naryn River，锡尔河流域跨境干流）92年逐月流量资料，结合一个未受调控的源头水文站、两个山区气象站、46年下泄资料以及两年逐日水库水量平衡资料，对该问题进行了回答。年径流量无趋势，但流量重心时间（centre of timing of flow）由6月下旬移至1月中旬，位移达164天（bootstrap 95%区间158至173天），使流量过程线发生反转。同期两个气象站显著增温，但源头站仍维持夏季情势，其时间仅提前5天；双站反事实分析将下游位移中的2至5天归因于来水变化，160至162天归因于水库运行。约1986年、1990年和1994年前后的突变点经独立分段方法证实，与有文献记载的由灌溉导向转向发电导向运行方式的转变相吻合。目前每年约有4.8 km3（4.0至5.6 km3）水量在生长季之外到达。水库运行是该反转的主导驱动因素，位移水量则量化了一场持续三十年的分水争议核心处的季节性再分配。

一、研究背景与问题

大坝已改变全球多数大型河流系统的水文情势，而自然水流情势（natural flow regime）理论认为，流量的时间、量级、频率、历时与变率共同塑造河流生态系统及依附其上的人类经济，因此量化对自然情势的偏离、而非仅关注年总量变化，已成为评估水库影响的通行方式。中亚内流盆地中这一问题尤为突出：锡尔河（Syr Darya）由纳伦河与卡拉达里亚河在费尔干纳谷地汇合而成，支撑乌兹别克斯坦、塔吉克斯坦与哈萨克斯坦的灌溉农业。该流域是跨境水—能源冲突的典型：位于吉尔吉斯斯坦的托克托古尔（Toktogul）水库是流域内唯一具备年际调节能力的设施，吉方能源系统依赖冬季水电，下游国家则需夏季用水。苏联解体后，以夏季水换冬季燃料的易货安排瓦解，托克托古尔逐步由灌溉导向转为发电导向的下泄调度。气候变化叠加其上：天山冰川与积雪萎缩，春季积雪持续时间下降，模型预估融雪峰值提前、春季径流增加、夏季径流减少。既有苏联及后苏联时期文献提供了丰富的描述性认识，近期乌兹别克语研究记录了托克托古尔运行方式转变及其问题，但尚缺乏对情势改变本身的统计学刻画：季节性重构幅度多大、情势究竟何时改变（由数据检测而非依运行史断言）、以及对下游水安全最关键的时序与极值发生了何种变化。水流时序研究将流量的日历位置视为独立量，显示气候增温在数十年尺度上使融雪时序移动一至四周；湄公河等跨境流域的大坝运行研究记录了数十至约百分之百的枯季流量增加。两者共同引出比较性问题：运行改变能走多远？社会水文学（socio-hydrology）则提供补充视角，将河流记录视为人水耦合动态的档案。研究人员据此提出四个问题：调控是否改变了纳伦河的水量或仅改变其到达时间；情势何时改变、检测到的突变点与托克托古尔运行阶段如何对应；时序变化中多少来自源头来水、多少来自运行；托克托古尔下泄对乌兹别克斯坦乌奇库尔干（Uchkurgan）站流量的控制强度如何，现行能源体制下的日运行如何产生季节位移。研究贡献在于应用与综合而非新统计方法，其价值在于异常长的记录、将改变分解为相位与集中度、经独立方法交叉验证的统计检测运行转变、气候贡献的观测上界，以及以下游规划者使用的单位表达的季节位移水量。

二、研究区与数据方法概要

纳伦河发源于天山内部，流程约800 km。下游五级电站——托克托古尔、库尔普赛、塔什库梅尔、沙马尔迪赛与乌奇库尔干——构成下游梯级，总装机2870 MW，年均发电近10 TWh，其中约4.1 TWh来自托克托古尔。乌奇库尔干站位于梯级末端电站下游，是乌方接水的参照点；纳伦镇站位于全部电站之上，控制面积10 474 km²，约为乌奇库尔干控制面积57 833 km²的18%，不受梯级水库调控。梯级在三十年间建成，乌奇库尔干站1961年投运，托克托古尔于1970年代中期投运，库尔普赛于1980年代初、塔什库梅尔于1980年代后半期、沙马尔迪赛于1990年代投运。五座水库有效库容相差三个数量级：托克托古尔坝高215 m、设计库容19.5 km³（有效库容14 km³），为全河年际调节而建；下游四库有效库容仅5.5至35百万 m³，至多实现日调节。系统99.4%的有效库容集中于一座坝，托克托古尔的运行方式决定其下各站及进入锡尔河的流量。

所用数据包括：乌奇库尔干站1930至2021年逐月平均流量（乌兹别克斯坦水文气象局Uzhydromet档案，1963、1965年由紧邻下游水电站站的相似记录重建，1960至1990年校准期年关系为Q = 0.825 Q_hpp + 34.7 m³ s^?1，r = 0.903 ± 0.023）；托克托古尔1975至2020年年均下泄（吉尔吉斯共和国能源部下属发电厂股份公司官方报告）；2022与2023年托克托古尔逐日水量平衡（来水、下泄、蓄量，来自同一运营方）；纳伦镇站1931至2022年逐月平均流量（1933至2022年间88年完整）；纳伦（2041 m）与天山（3639 m）两站1960至2022年逐月气温与降水。生长季定义为4至9月，非生长季为10至3月。

三、关键技术方法

趋势检验采用非参数Mann–Kendall检验与Sen斜率；突变检测采用Pettitt检验并按序对子序列复检；针对序列自相关，计算滞后一阶自相关并以Hamed–Rao方差校正及趋势自由预白化后复检显著性；以PELT算法（BIC型惩罚）与限定二至三个断点的二元分割作独立交叉验证；基线期（1930至1971年）平稳性以方差校正Mann–Kendall、Pettitt、Mann–Whitney及标准正态均一性检验、Buishand范围检验、von Neumann比检验筛查；情势改变以水文改变指标（IHA）思路用简约指标集量化，包括12个月均值、年值、生长季份额、冷暖季比、年最高最低月均值及其时序、年际变差系数；以流量重心时间（按月流量加权月中间日期的圆均值）与Gini系数分别刻画相位与集中度，并以圆统计合向量长度度量集中度，差异与位移水量的不确定性以期内5000次bootstrap重采样估计；归因采用三条路径：源头站指标同法检验、双站反事实（模型A以1933至1971年逐月回归外推2008至2021年，模型B以比值缩放，模型A以3000次重采样估计不确定性）、以及2022与2023年逐日平衡按冷暖季分解蓄量增减；水库运行与下游流量的关系以相关与普通最小二乘回归量化。

四、研究结果

4.1 稳定水量、重构时序。乌奇库尔干年径流量在统计上稳定：1930至2021年年均流量无显著单调趋势（Z = 0.71，p = 0.48），Pettitt检验无显著突变（p = 0.09）；自然期（I）年均流量393 m³ s^?1，巩固能源体制期（V，2008至2021年）为407 m³ s^?1。但各季节指标均深刻改变：生长季份额呈强负趋势并于1986年突变，均值由约四分之三降至不足五分之二；1月流量以每年6.1 m³ s^?1上升（1981年突变），6月流量以每年10.0 m³ s^?1下降（1973年突变，即蓄水首个完整年）；年最高月均值1973年向下突变，年最低月均值1987年向上突变。经方差校正后全部季节指标仍显著，预白化检验仅保留除季节比与最低月均值外的指标。因改变呈阶跃而非渐变，突变检验较趋势检验更具推断分量。自然期本身为单一平稳基线：四个情势指标经校正后无趋势、无显著Pettitt突变，三项均一性检验均不拒绝；两半段无差异，生长季份额均值分别为75.9%与75.7%，重心时间落在第180与第182日。唯一非均一性出现在最低的两个月：1、2月流量于1961、1962年下降（Pettitt p = 0.010与0.007），由1930至1961年的163与162 m³ s^?1降至1962至1971年的123与127 m³ s^?1，与1961年10月乌奇库尔干站截流及当年12月电站投运同时，其持续时间远超52.5百万 m³水库的蓄水过程，站史无法解释其持续性，故视为梯级首站对测站低流量影响；因1、2月仅占自然年水量约6%，该阶跃未破坏年与季节指标的均一性，将基线终止于1961年仅使主要结果微变。突变分析将河流历史凝练为一系列转变：第一为1972至1973年蓄水本身，出现在夏季月份与年最大值中；第二为季节再分配开始，生长季份额、季节比与Gini系数的主Pettitt突变均在1986年，窗口宽达1977至1993年，PELT与二元分割在1987年及1992或1993年开始新段，PELT对Gini系数仅在1990年分段；重心时间主突变在1990年，分割方法将其旋转拆为1988与1993年两步；第三为1993、1994年冬季主导运行的巩固，与PELT和二元分割共同认可的最后段界一致；1994年后递归Pettitt未再发现显著突变（最佳候选2011年，p = 0.13）。区域文献的五期划分因此获部分证实：1987与1994年附近的边界对应真实结构突变，但1995至2007年与2008至2021年两个时期在统计上属同一巩固状态。

4.2 季节再分配。自然过程线为融雪情势：5至8月单一宽峰携带略超四分之三的年水量，多数年份6月最高、1月最低。灌溉主导期（II）峰值因蓄水而平缓，但下泄的夏季取向保留了周期相位；过渡期（III）呈出现冬季肢的中间形态；两个能源体制期（IV、V）周期完全反转，过程线12月与1月达峰、9月最低。相对自然基线，巩固能源体制期冬季流量提高三至四倍，夏季削减一半至近四分之三：1月流量为自然均值的4.2倍、12月为3.4倍，6月仅为自然的27%、7月为38%；生长季份额由75.8%降至35.9%，冷季与暖季流量比由0.32升至1.84。期II在水量而非形态上特殊，其年均流量289 m³ s^?1为各期最低，反映19.5 km³蓄水叠加1970至1980年代连续枯水年。调控亦压缩两端变率：年最高月均流量均值由1030降至682 m³ s^?1（减34%），年最低月均流量均值由146升至205 m³ s^?1（增40%），年流量年际变差系数由0.20减半至0.10。

4.3 年周期的旋转与平坦化。将改变分解为相位与集中度，显示二者为两个不同过程。流量重心时间在半个多世纪内稳定于6月下旬（约第180日），历经蓄水与整个灌溉主导期，因蓄洪供夏季灌溉未动河流日历；自1980年代末重心时间崩塌，过渡期大幅摆动，约1990年丰水年因来水充裕可夏季下泄而回摆，1994年后稳定于1月中旬（约第16日）。自然期与巩固能源体制期间净相位位移164天（bootstrap 95%区间158至173天），接近半年最大值。全记录重心时间以每年1.9天下降，主Pettitt突变在1990年（窗口1980至1995年），处于分割方法拆为1988与1993年两步的崩塌中点。集中度路径不同：月流量份额Gini系数由自然均值0.37降至0.21（1986年突变），年周期圆集中度约减半；平坦化始于运行转变、早于相位完全旋转，故两个指标分离了单一月度比较所混淆的过程——梯级先钝化年周期、再旋转其相位。以水量表达，旋转使平均年4.83 km³（bootstrap 95%区间4.03至5.60 km³）移出生长季：4至9月在期I携带9.46 km³，期V为4.63 km³，年总量基本不变。该位移水量量化了移出生长季的年均水量，为一阶的季节再调节挑战度量，本身并非蓄水需求。剔除两个重建年份后，自然期生长季份额由75.8%变为76.1%，相位位移变化在一日之内，位移水量由4.83变为4.97 km³，除Gini系数突变年由1986年移至1988年（同一过渡窗口内）外各突变年不变。

4.4 源头来水与反事实情势。纳伦镇年流量与乌奇库尔干同样稳定：1972年前均值89.4 m³ s^?1，2008至2021年为89.0 m³ s^?1，无趋势（p = 0.65），生长季份额维持约82%（82.7%与82.0%，趋势p = 0.06）。但源头时序确有变化：重心时间显著提前（p < 0.001），Pettitt突变在1977年（p < 0.001），由1972年前的第195日提前至2008至2021年的第190日，向春季移动4.9天。两气象站1960至2022年均显著增温，纳伦与天山年均升温速率分别为0.36与0.48 °C/10a，4至9月为0.30与0.29 °C/10a（均p < 0.001）；降水年趋势不显著，天山冷季有5.7 mm/10a的温和增加（p = 0.03）。年际尺度上4至6月气温与源头时序仅弱相关且不显著（r = ?0.17与?0.24）。调控前两站同步变化：年均值相关r = 0.60，生长季份额r = 0.58，重心时间r = 0.36（n = 37，均p < 0.03）；逐月回归在夏季解释方差较多（6月R²达0.65），11至3月R²低于0.1，因该时段乌奇库尔干流量多来自源头站以下较大集水区。由2008至2021年源头记录驱动的反事实使乌奇库尔干维持夏季情势：重心时间为第179日（模型A）或第177日（模型B），校准年为第181日；生长季份额为76.3%或75.7%，校准年为75.7%。来水变化因此仅解释2.6天（模型A，bootstrap 95%区间?1.4至6.5）或4.7天（模型B）的相位移动，及不足一个百分点的生长季份额变化；运行则解释162.0天（155.3至171.2）或160.0天的相位位移，以及40.4（37.4至42.9）或39.7个百分点的生长季份额损失。无论何种模型，来水变化解释不足边界站观测时序位移的5%。

4.5 日尺度的水库运行（2022与2023年）。两年入流过程线均保留自然融雪形态，约四分之三年入流集中于4至9月（2022年75.5%，2023年75.0%）；下泄过程线近乎其镜像，同期仅占年下泄的37.7%与41.6%。2022年1月水库平均下泄749 m³ s^?1、入流155 m³ s^?1，2023年1月分别为784与144 m³ s^?1，比值4.8与5.4；在最大入流日（2022年5月9日1426 m³ s^?1、2023年6月17日1475 m³ s^?1），下泄仅251与389 m³ s^?1，峰值日水量的82%与74%进入蓄存。两年年下泄均超年入流（2022年13.75对11.59 km³，2023年12.89对12.21 km³），蓄量年内下降（2022年12.25至10.15 km³，2023年11.08至10.45 km³）。蓄量轨迹显示反转如何产生：4至9月水库2022年蓄存3.57 km³、2023年3.79 km³，均为入流的41%，蓄量由2022年4月10日8.57 km³与2023年3月23日7.87 km³的最低值升至2022年10月4日12.31 km³与2023年10月23日11.89 km³的最高值；六个冷季月运行反转，蓄量分别供水5.72与4.47 km³，占该期下泄的67%与59%。冬季发电由融雪季捕获的水量承担，乌奇库尔干测得的季节位移即此充蓄—消落年周期的下游影像；月水量平衡闭合误差在23 m³ s^?1以内。日平衡亦支持归因：两年入流的月分配与蓄水前测站记录相关r = 0.93与0.98，生长季份额75%与自然值76%几乎一致；下泄月分配与同一自然形态负相关。即入流季节形态仍是1972年前记录的情势，而出流水库后已反转，季节转换发生于水库进口与出口之间。

4.6 从大坝到边界站。1975至2020年年均下泄与年均站流量近乎同步，站流量对下泄的回归解释77%的年际方差（r = 0.878，n = 46，p < 0.001）；散点在蓄水期枯水年最宽，高流量处沿回归线收紧，对应1990年后能源体制。斜率0.88、截距很小，表明有效库容可忽略的下游梯级传递了大部分下泄信号；斜率偏离1与残差离散反映大坝与测站间侧向入流与取水、再调节池塘的小蓄量变化、运营方与测站测量差异及年聚合。因两序列为水文连通的物质流，该关系确立的是年水量的传递而非对季节性的运行控制。

五、讨论与结论

讨论指出，以年水量衡量纳伦河未受损，以情势衡量则已被颠倒；这一区分是自然水流情势文献的核心教训，而纳伦河因九十年年流量无趋势而提供了异常清晰的示范。年总量稳定本身不排除年内气候再分配，源头确已增温，但梯级以上未调控站维持夏季情势、时序仅提前约五天，由其构建的反事实将下游位移中不超过数天归因于来水变化，故水库运行是观测反转的主导驱动，气候为可测但次要的贡献。时序指标提供尺度感：文献将半个世纪一至四周的融雪提前视为重大发现，而纳伦河重心时间移动164天，远大于常见的气候驱动周尺度变化，且方向与增温驱动的融雪改变不同。与其他受调控河流比较：湄公河上澜沧江梯级使清盛站最受影响月份枯季流量提高121%至187%、湿季削减约三分之一至一半；勒拿河维柳伊水库使夏季流量减少至多55%、冬季低流量提高至多三十倍。纳伦河的区别不在单月变化幅度，而在反转的完整性与持续性：1月流量已连续三十年高于自然均值318%，重心时间跨越半年分界。在已记录的大坝季节改变谱系中，纳伦河下游与调控最重的寒区河流同列，处于自然信号被替代而非衰减的一端。生态后果是预期而非本研究证实：本研究无纳伦河生物观测，但环境流量文献在改变远小的系统中亦报告绝大多数生态指标退化，小水电亦可在十年内重构下游鱼类群落。极值压缩具有两面性：年最大值减34%降低中游锡尔河洪水风险，年最小值增40%在多数系统为益，此处最小值却移至9月即灌溉季尾端；变率未消失，而是由过程线转移至水库蓄量轨迹，从而由自然风险转为运行风险。

社会水文学视角下，1994年后乌奇库尔干流量季节结构主要由下泄调度而非天气决定，过程线可读作制度记录。需区分三层论断：数据确立的是1986、1990与1994年前后发生统计突变；文献记录确立的是这些年份落在托克托古尔由灌溉导向转能源导向的已知转变之内；仍属解释的是运行实践为何在彼时改变。1986年突变早于苏联解体五年，提示不宜将情势转变全然归于1991年，一种可能解释是晚苏时期体系已承压，但水文数据本身无法确立，需该时期运行档案检验；1994年突变与政治学文献所记后继国家向吉方燃料交付收缩相合；过渡期重心时间的摆动与同一解读一致；1994年后无进一步显著突变，与三十年谈判（含1990年代末框架协议）相对应，表明这些协议未改变乌奇库尔干的季节情势；2020年代中期吉、乌、哈三方就托克托古尔下泄达成的安排若有效，终将在此记录中表现为新的突变点，本文序列提供了度量该变化的基线。

归因依赖四条证据：两站年流量均无趋势，总供水未变；乌奇库尔干突变年与文献运行转变相合，而源头时序仅以天而非月改变（1977年突变）；由源头记录驱动的反事实使乌奇库尔干维持夏季情势，并将164天位移中的160至162天、生长季份额损失约40个百分点归因于运行；2022与2023年日平衡显示自然形态入流进入水库、反转下泄离开水库，季节转移由蓄量承担。该设计尚非完整自然化：源头站仅控制乌奇库尔干以上约18%集水区，下游集水区气候变化仅通过其与源头的调控前关系进入反事实；逐月回归在冬季较弱；气象记录始于1960年。当代归因研究以调控前流量—气候协变量关系统计重建、以参考期训练的机器学习、或在跨境流域显式分离自然与调控径流走得更远，勒拿河基于回归的月流量重建亦显示下游记录混合水库与气候信号会偏倚趋势估计。本文所得界限仍足以确定量级：若气候能解释该反转，则纳伦镇以下集水区须在源头仅移动数天的同时将其流量时序移动数月，而调控前两部分集水区同步变化。气候变化确实存在且不会停留为背景因素：纳伦河流域模拟预估径流峰值提前约一个月、春季增高、夏季降低，高排放情景下高分辨率评估预估至本世纪末全流域径流减少16%、季节积雪峰值提前一个月；这些变化将使自然日历移动数周，与纳伦镇已测得的五天提前方向一致，这也是半年位移作为气候效应不合情理的原因之一；两种过程仍将相互作用，故4.83 km³位移水量应读作当前值而非平稳量。

四项局限界定解释边界：分析为月尺度，亚月指标（涨水速率、逆转、单日极值）超出其范围，两年日平衡部分弥补，多年逐日记录可实现完整评估；气候与调控的分离是源自源头的界限而非全流域自然化，雪冰水文模型已在纳伦河月尺度示范，伊犁河流域亦已应用统计自然化流量重建，将其应用于乌奇库尔干记录是自然的下一步；1963与1965年为相似站重建而非直接观测，剔除检验表明主要结果不依赖之，且两年深居自然期内、远离任何检测突变点，1961至1962年低流量阶跃同样不影响主要结果，但其持续性无法由站史解释；序贯突变搜索涉及条件检验，二级p值为指示性，故报告不确定窗口并以联合分割方法交叉验证，其在1987与1993年边界上的一致是年代学非搜索假象的最强证据。

对下游国家的实际含义直接由数字得出：巩固体制下纳伦河年水量约五分之三在生长季之外到达，曾以夏季径流到达的水现在须冬季蓄存并由边界以下蓄水带入夏季，这解释了乌兹别克斯坦对费尔干纳谷地及锡尔河中游再调节能力重燃的兴趣；4.83 km³/a的位移水量给出该挑战的一阶规模而非蓄水需求，情景化配置工具可将其转化为具体需求节点的蓄水与可靠性表述。以本文月序列为输入，量化恢复给定比例自然年内分配所需蓄水，是可推进的下一步。

结论部分译文：乌奇库尔干站92年流量观测表明，纳伦河下游梯级使纳伦河流量在统计上保持不变，却反转了其日历。年均流量无显著趋势，但年流量重心时间由6月下旬移至1月中旬，相位位移164天（158至173天），生长季份额由76%降至36%，平均年约4.8 km³（4.0至5.6 km³）水量现于曾经接收它的生长季之外到达。经联合分割方法交叉验证、并对序列相关、基线选择及剔除两个重建年份稳健的突变分析，将该转变定为一个序列：1972与1973年起的蓄水效应、1986年季节再分配开始、1990年前后时序主旋转、1993与1994年冬季体制巩固，此后无结构变化。该改变分解为两个不同过程：始于运行转变的年周期平坦化，以及随后的相位旋转；其幅度远大于气候驱动变化所报告的周尺度时序移动。贡献在于应用与综合：既有检验与时序指标组合于异常长的中亚记录，得出可解释的年代学与以下游规划者所用单位表达的位移水量。同期未调控源头站尽管两山区气象站显著增温，时序仅提前五天，双站反事实将下游位移中2至5天归因于来水变化、160至162天归因于运行。水库运行是该反转的主导驱动，全流域自然化流量序列将精化而非推翻该归因。托克托古尔下泄解释边界站年流量方差的77%；在有日平衡的两年中，入流季节形态仍与蓄水前记录一致而下泄形态反转，蓄量提供冷季下泄的五分之三至三分之二。到达乌兹别克斯坦的纳伦河在年与季节尺度上是一条被运行的河流；其过程线可读作制度记录，本文所编序列是检测流域未来任何运行或协商变化的基线。