長(zhǎng)江上游典型區(qū)域豐枯轉(zhuǎn)換期水資源變化分析

劉建峰，楊 芳，郭 曉，汪 磊

（1.長(zhǎng)江水利委員會(huì)長(zhǎng)江科學(xué)院，武漢 430010；2.長(zhǎng)江水資源保護(hù)科學(xué)研究所，武漢 430051；3.中國(guó)長(zhǎng)江三峽集團(tuán)公司，北京 100038；4.三峽水利樞紐梯級(jí)調(diào)度通信中心，湖北 宜昌 443133）

金沙江位于長(zhǎng)江上游，從河源至宜賓干流河長(zhǎng)3 364 km，落差5 100 m，分別占長(zhǎng)江干流全長(zhǎng)和總落差的55%和95%。流域面積4.732×105km2，約占長(zhǎng)江流域面積的26%。根據(jù)地理位置，金沙江劃分上、中、下三段，其中玉樹(shù)至石鼓為金沙江上段（全長(zhǎng)958 km，落差1 677 m），石鼓至攀枝花為金沙江中段（全長(zhǎng)1 326 km，落差1 570 m），攀枝花至宜賓為金沙江下段（全長(zhǎng)782 km，落差729 m）。雅礱江為金沙江流域最大支流，自金沙江下段攀枝花處匯入。

金沙江擁有豐富的水能資源，其蘊(yùn)藏量達(dá)1.124×108kW，約占全國(guó)的16.7%，可開(kāi)發(fā)水能資源達(dá)9×107kW，其水能資源的富集程度堪稱(chēng)世界之最。在中國(guó)規(guī)劃的十三大水電基地中，金沙江是具有重要戰(zhàn)略地位的最大水電基地。金沙江下游規(guī)劃烏東德、白鶴灘、溪洛渡、向家壩四座巨型梯級(jí)電站。目前，溪洛渡、向家壩已于2013年前后投產(chǎn)發(fā)電，烏東德、白鶴灘將于2020年、2021年分別投產(chǎn)發(fā)電。流域及相關(guān)電站水文站點(diǎn)如圖1所示。

圖1 金沙江下游流域站點(diǎn)示意圖Fig.1 Distribution map of power station and hydrometric station in the lower Jinsha river basin

受上游水庫(kù)群調(diào)蓄及降雨特性影響，金沙江下游流域在每年6月和10月左右均出現(xiàn)較為明顯的豐枯轉(zhuǎn)換現(xiàn)象，溪洛渡水庫(kù)入庫(kù)流量波動(dòng)較大。6月為溪洛渡-向家壩梯級(jí)水庫(kù)消落期與汛期銜接關(guān)鍵時(shí)期，10月為溪洛渡-向家壩梯級(jí)水庫(kù)蓄水期與枯期銜接關(guān)鍵時(shí)期。在這兩個(gè)月內(nèi)，梯級(jí)水庫(kù)運(yùn)行約束較多，豐枯轉(zhuǎn)換情況的出現(xiàn)進(jìn)一步壓縮了調(diào)度空間，給梯級(jí)水庫(kù)運(yùn)行調(diào)度帶來(lái)了一定的困難。

在流域來(lái)水豐枯轉(zhuǎn)換方面，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)展了大量的研究工作。孫鵬等[1]通過(guò)定義長(zhǎng)周期降雨旱澇急轉(zhuǎn)指數(shù)和短周期的降雨旱澇急轉(zhuǎn)指數(shù)，分析了東江流域汛期長(zhǎng)周期和短周期降雨旱澇急轉(zhuǎn)現(xiàn)象的趨勢(shì)變化和時(shí)空分布特征；謝華等[2]以不同水文區(qū)豐枯遭遇概率研究為背景，引入Copula函數(shù)構(gòu)建三維聯(lián)合概率分布模型，研究不同量級(jí)水文變量的遭遇概率及條件概率，驗(yàn)證了變量維數(shù)n≥3情況下Copula函數(shù)應(yīng)用的優(yōu)越性。張程玥等[3]以長(zhǎng)江上游秋汛期降水為例，基于長(zhǎng)江上游流域內(nèi)1961—2016年降水資料，利用美國(guó)國(guó)家環(huán)境預(yù)報(bào)中心（National Centers for Environmental Prediction，NCEP）/美國(guó)國(guó)家大氣研究中心（National Center for Atmo-spheric Research，NCAR）的大氣環(huán)流資料、美國(guó)國(guó)家海洋和大氣管理局（National Oceanic and Atmospheric Administration，NOAA）海溫資料與經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)（Empirical Orthogonal Function，EOF）第一模態(tài)時(shí)間序列進(jìn)行回歸分析，發(fā)現(xiàn)當(dāng)西風(fēng)急流偏南、副熱帶南印度洋偶極子（The southern Indian Ocean dipole，SIOD）為正位相或赤道中東太平洋海溫負(fù)距平時(shí)，長(zhǎng)江上游秋汛期降水南多北少的規(guī)律。相關(guān)研究[4-9]側(cè)重于對(duì)流域整體降雨情況進(jìn)行宏觀層次豐枯分析，較少?gòu)牧髁拷嵌乳_(kāi)展相關(guān)研究工作。

本文對(duì)金沙江下游流域流量豐枯轉(zhuǎn)換特性進(jìn)行分析，識(shí)別豐枯轉(zhuǎn)換規(guī)律及主要影響因素，契合金沙江下游梯級(jí)電站運(yùn)行調(diào)度需求，有助于提升溪洛渡-向家壩梯級(jí)水庫(kù)科學(xué)決策水平。

1 流量過(guò)程分析

金沙江下游流域來(lái)水主要由金沙江中游流域和雅礱江流域出流及金沙江下游流域區(qū)間降雨產(chǎn)流組成。其中，金沙江中游流域流量控制站點(diǎn)為攀枝花站，雅礱江流域控制站點(diǎn)為桐子林站，金沙江中游流域與雅礱江流域匯流處流量控制站點(diǎn)為三堆子站，如圖2所示。

圖2 金沙江下游流域站點(diǎn)拓?fù)鋱DFig.2 Topological graph of reservoirs and hydrologic stations in the lower Jinsha river basin

研究采用2015—2018年溪洛渡、三堆子及三堆子至溪洛渡區(qū)間實(shí)測(cè)日均入庫(kù)流量資料為研究基礎(chǔ)，分析豐枯轉(zhuǎn)換規(guī)律。為深入了解金沙江下游水資源豐枯轉(zhuǎn)換情況，首先以溪洛渡水庫(kù)入庫(kù)流量為研究對(duì)象，逐月逐旬分析溪洛渡水庫(kù)2015—2018年入庫(kù)流量過(guò)程。圖3展示了2015—2018年溪洛渡水庫(kù)6—10月入庫(kù)水量占比?？梢钥闯?，在這四年中，6—10月來(lái)水量占全年來(lái)水量比例平均值為68.17%，最小為66.93%（2015年），最大為71.06%（2018年），與《金沙江溪洛渡水電站可行性研究報(bào)告》所述的占比75%左右基本吻合。其他七個(gè)月（1—5月、11—12月）總來(lái)水量?jī)H占年來(lái)水量三成左右。溪洛渡入庫(kù)流量在年內(nèi)分配上集中度較高，豐枯特性較為明顯。由圖4可知，1—5月及11—12月月均流量較6—10月明顯偏低。全年流量變化過(guò)程基本為1—5月流量較小且平穩(wěn)，6月開(kāi)始逐步起漲；7—9月流量較大，因受降雨過(guò)程影響，變化較大；10月開(kāi)始退水，11月持續(xù)退水，12月流量較小且較為穩(wěn)定。

圖3 2015—2018年溪洛渡水庫(kù)6—10月入庫(kù)水量占比圖Fig.3 Proportion of inflow water in June and October for Xiluodu Reservoir from 2015 to 2018

圖4 2015—2018年溪洛渡水庫(kù)逐旬入庫(kù)流量過(guò)程圖Fig.4 Inflow process of Xiluodu reservoir from 2015 to 2018

根據(jù)上述分析結(jié)果可知，在溪洛渡入庫(kù)流量過(guò)程中，6月銜接著消落期及汛期，10月銜接著蓄水期及枯水期，為豐枯轉(zhuǎn)換關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，與常識(shí)判斷一致，且近年來(lái)在此兩個(gè)月份有明顯的豐枯轉(zhuǎn)換情況。

2 豐枯轉(zhuǎn)換影響因素探討

現(xiàn)以2018年6月及10月溪洛渡入庫(kù)流量過(guò)程作為研究對(duì)象，從降雨變化及上游水庫(kù)群調(diào)蓄[10-12]兩方面開(kāi)展徑流豐枯轉(zhuǎn)換分析。

2.1 6月豐枯特性分析

2.1.1 區(qū)間流量分析

圖5是溪洛渡水庫(kù)2018年5月21日至7月10日實(shí)測(cè)日均入庫(kù)流量過(guò)程圖。旬均流量從5月21日至7月10日整體呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，5月下旬至6月中旬逐旬流量增幅較小，6月中旬至6月下旬，由3 931 m3/s加大至6 549 m3/s，增幅達(dá)66.6%。由于溪洛渡入庫(kù)流量主要由三堆子與區(qū)間流量合成，因此結(jié)合三堆子與溪洛渡逐日流量對(duì)比結(jié)果（見(jiàn)圖6）進(jìn)行分析，可知三堆子與溪洛渡日均流量過(guò)程形態(tài)基本對(duì)應(yīng)，整體趨勢(shì)近似。

圖5 2018年5—7月溪洛渡入庫(kù)流量過(guò)程圖Fig.5 Inflow of Xiluodu Reservoir from May to July of 2018

圖6 2018年5—7月溪洛渡日均入庫(kù)流量與三堆子日均流量對(duì)比圖Fig.6 Comparison between Xiluodu inflow and Sanduizi daily mean flow from May to July of 2018

為此，進(jìn)一步分析6月前后豐枯轉(zhuǎn)換成因。結(jié)合5—7月溪洛渡與三堆子區(qū)間流量過(guò)程（見(jiàn)圖7），可以得到以下結(jié)果：（1）三堆子旬均流量在5月下旬至6月中旬基本保持穩(wěn)定，但在6月中旬至6月下旬陡然加大2 445 m3/s，占溪洛渡同時(shí)期旬均流量變幅的93.3%。（2）由溪洛渡旬均及三堆子旬均入庫(kù)流量，計(jì)算獲取三堆子至溪洛渡旬均區(qū)間流量，可知區(qū)間流量在5月下旬至6月下旬呈持續(xù)增長(zhǎng)趨勢(shì)，在6月中旬至下旬無(wú)明顯突變陡增情況，區(qū)間流量加大175.1 m3/s，增幅占溪洛渡同時(shí)期旬均流量變幅的6.7%。（3）區(qū)間流量在5月下旬至6月上旬增加669 m3/s，三堆子流量增加51 m3/s，溪洛渡入庫(kù)流量增加較多，為720 m3/s。

圖7 2018年5—7月溪洛渡與三堆子區(qū)間流量過(guò)程圖Fig.7 Flow process between Xiluodu and Sanduizi subsections from May to July of 2018

綜上所述，可以認(rèn)為溪洛渡水庫(kù)6月中旬至下旬流量豐枯轉(zhuǎn)換迅速主要因?yàn)槿炎恿髁康淖兓?，而非區(qū)間流量發(fā)生變化?？紤]到三堆子2015—2018年均入庫(kù)流量為3 630 m3/s，溪洛渡2015—2018年均入庫(kù)流量為4 400 m3/s，可知三堆子對(duì)溪洛渡的流量貢獻(xiàn)接近83%，可以認(rèn)為該結(jié)論合理。

2.1.2 水庫(kù)群調(diào)蓄分析

三堆子流量主要由金沙江中游流域出流及雅礱江流域出流合成。其中，金沙江中游流域控制站點(diǎn)為攀枝花站，雅礱江流域控制站點(diǎn)為桐子林站。由于兩流域調(diào)節(jié)性水庫(kù)較多，水庫(kù)調(diào)蓄影響較大。為深入剖析金沙江下游流域豐枯轉(zhuǎn)換規(guī)律，對(duì)兩流域進(jìn)行水庫(kù)調(diào)蓄還原計(jì)算，獲得攀枝花站及桐子林站還原后的天然流量系列，將兩者疊加，可得溪洛渡天然入庫(kù)流量系列。

圖8顯示溪洛渡天然入庫(kù)流量。6月上旬至中旬流量增量最大，為2 233 m3/s。圖9顯示中上游水庫(kù)群調(diào)蓄過(guò)程，6月上旬至中旬，旬均攔蓄流量大幅增加，由208 m3/s加大至2 195 m3/s，6月下旬降至999 m3/s。上游水庫(kù)群調(diào)蓄改變了天然流量過(guò)程，對(duì)流量進(jìn)行了再分配。

圖8 2018年5—7月溪洛渡入庫(kù)天然還原流量過(guò)程圖Fig.8 Natural reduction flow process of Xiluodu from May to July of 2018

圖9 2018年5—7月金沙江下游溪洛渡上游梯級(jí)水庫(kù)群蓄水流量過(guò)程Fig.9 Water storage process of the cascade reservoirs in the upper reaches of Xiluodu from May to July of 2018

2.2 10月豐枯特性分析

2.2.1 區(qū)間流量分析

溪洛渡9—10月入庫(kù)流量過(guò)程如圖10所示。2018年9月中旬至10月下旬流量整體呈現(xiàn)退水趨勢(shì)，但在10月上旬出現(xiàn)了微小返漲現(xiàn)象，流量由9月下旬的10 000 m3/s漲至10月上旬的10 400 m3/s；10月上旬至下旬逐步退水，其中10月上旬與中旬降幅最大，流量由10 400 m3/s降至7 330 m3/s，降幅29.5%。

圖10 2018年9—10月溪洛渡入庫(kù)流量過(guò)程圖Fig.10 Inflow of Xiluodu from September to October of 2018

圖11 2018年9—10月溪洛渡入庫(kù)流量與三堆子日均流量對(duì)比圖Fig.11 Comparison between Xiluodu inflow and Sanduizi daily mean flows from September to October of 2018

從9月至10月溪洛渡入庫(kù)流量與三堆子流量對(duì)比（圖11）可知，三堆子日均流量與溪洛渡日均入庫(kù)流量過(guò)程形態(tài)基本對(duì)應(yīng)。三堆子旬均流量最大降幅發(fā)生在10月上旬至中旬，流量由9 283 m3/s降至6 287 m3/s，下降2 966 m3/s，占同期溪洛渡入庫(kù)流量降幅的98.6%，而同期區(qū)間流量下降44 m3/s，占比僅為1.4%，這表明與6月一致，10月溪洛渡入庫(kù)流量豐枯轉(zhuǎn)換主要由三堆子流量減少導(dǎo)致。

在溪洛渡與三堆子區(qū)間流量過(guò)程中值得關(guān)注的是，9月中旬至10月下旬，區(qū)間流量變化趨勢(shì)并非一致，而是呈現(xiàn)出先增后減的形態(tài)，這是由于9月下旬至10月初，三堆子至溪洛渡區(qū)間遭遇降雨，區(qū)間產(chǎn)流顯著增大導(dǎo)致，如圖12所示。

2.2.2 水庫(kù)群調(diào)蓄分析

從9月至10月金沙江下游天然還原流量過(guò)程（圖13）來(lái)看，金沙江流域天然還原流量過(guò)程形態(tài)與溪洛渡入庫(kù)流量形態(tài)基本一致，最大流量變幅同樣發(fā)生在10月上旬至中旬；9月11日至10月31日，溪洛渡上游水庫(kù)群調(diào)蓄較為穩(wěn)定，調(diào)蓄影響較小。在調(diào)蓄影響（圖14）上，9月下旬至10月中旬為蓄水狀態(tài)，9月中旬及10月下旬為補(bǔ)水狀態(tài)[13]。

圖12 2018年9—10月溪洛渡與三堆子區(qū)間流量過(guò)程圖Fig.12 Flow process between Xiluodu and Sanduizi subsections from September to October of 2018

圖13 2018年9—10月金沙江下游天然還原流量過(guò)程圖Fig.13 Natural reduction flow process of the Jinsha lower reaches from September to October of 2018

圖14 2018年9—10月溪洛渡上游梯級(jí)水庫(kù)群蓄水流量過(guò)程Fig.14 Water storage process of the cascade reservoirs in the upper reaches of Xiluodu from September to October of 2018

3 結(jié)論

針對(duì)長(zhǎng)江上游金沙江下游流域近年6月及10月出現(xiàn)的豐枯轉(zhuǎn)換現(xiàn)象，以2018年6月及10月溪洛渡入庫(kù)流量豐枯轉(zhuǎn)換情況作為實(shí)例，從區(qū)間流量及上游水庫(kù)群調(diào)蓄影響兩方面開(kāi)展了研究工作。

從空間拓?fù)潢P(guān)系來(lái)看，溪洛渡入庫(kù)流量豐枯轉(zhuǎn)換主要影響因素為三堆子流量變化，三堆子至溪洛渡區(qū)間流量變化影響較小，表明豐枯轉(zhuǎn)換是一個(gè)自上游至下游的傳播過(guò)程。從時(shí)間角度來(lái)看，在6月，上游水庫(kù)群調(diào)蓄對(duì)金沙江下游流域豐枯轉(zhuǎn)換影響較大，10月影響相對(duì)較小，這意味著豐枯轉(zhuǎn)換出現(xiàn)的可能性及程度在豐水期較枯水期更大。這一特點(diǎn)對(duì)汛期防洪調(diào)度、干旱區(qū)水資源配置提出了更高的要求，為溪洛渡-向家壩梯級(jí)水庫(kù)計(jì)劃制訂及實(shí)際調(diào)度工作提供了參考。在日常調(diào)度工作中需更多重視上游來(lái)水實(shí)測(cè)及預(yù)報(bào)資料，對(duì)豐枯轉(zhuǎn)換期的流量變化提高警惕。