三峽水庫(kù)1956—2017年壩下徑流特征分析

盧 路，楊 盼

（1.長(zhǎng)江水資源保護(hù)科學(xué)研究所，武漢 430051；2.三峽大學(xué) 水利與環(huán)境學(xué)院，湖北 宜昌 443000）

三峽工程是世界上最大的水利工程。壩址以上控制流域面積約1×106km2，約占長(zhǎng)江流域總面積的56%，多年平均徑流量約為4.255×1011m2。壩址下游長(zhǎng)江干流河段是荊州、岳陽(yáng)、武漢等眾多城市的主要取水水源地。一方面隨著長(zhǎng)江中下游城市的快速發(fā)展和人口的急劇增加，水資源需求進(jìn)一步增大，取用水矛盾凸顯。另一方面隨著長(zhǎng)江上游氣候變化和人類(lèi)活動(dòng)——尤其是三峽工程的建設(shè)，改變了上游的來(lái)水情勢(shì)[1]，使水資源演變規(guī)律越來(lái)越復(fù)雜，對(duì)下游河道用水產(chǎn)生一定影響。

目前，對(duì)三峽水庫(kù)壩下徑流的研究取得了不少成果。郭希望等[2]采用宜昌站長(zhǎng)系列資料對(duì)三峽工程壩址徑流特性進(jìn)行分析，研究顯示宜昌站徑流近年來(lái)呈減少趨勢(shì)，且未來(lái)一段時(shí)間仍處于偏枯期。祝杰等[3]對(duì)長(zhǎng)江上游6個(gè)大干支流9個(gè)控制斷面徑流量進(jìn)行了分析，結(jié)果顯示宜昌斷面徑流量變化使全流域總徑流突變發(fā)生改變。鄒振華等[4]及張建云等[5]通過(guò)研究表明人類(lèi)活動(dòng)極大地改變了長(zhǎng)江徑流特性。李長(zhǎng)春等[6]通過(guò)對(duì)三峽水庫(kù)蓄水期長(zhǎng)江干流沙市水文站和兩湖徑流特性分析，認(rèn)為枯水期中下游來(lái)水與上游來(lái)水偏枯有一致性。孫甲嵐等[7]、俞烜等[8]對(duì)長(zhǎng)江上游降水、徑流變化趨勢(shì)進(jìn)行了研究，認(rèn)為長(zhǎng)江干流徑流受到人類(lèi)活動(dòng)干擾較大。李林等[9]通過(guò)對(duì)長(zhǎng)江上游徑流量變化的研究，認(rèn)為降水量是影響徑流的主要因子。由于三峽工程正常蓄水運(yùn)行以來(lái)資料系列較短，使得對(duì)三峽工程運(yùn)行后下游徑流量變化趨勢(shì)和規(guī)律研究還存在一定的局限性。至2018年三峽工程已正式運(yùn)行15年，有條件對(duì)三峽工程運(yùn)行前后壩址下游徑流量變化趨勢(shì)及影響因素進(jìn)行再分析，為三峽水庫(kù)優(yōu)化調(diào)度、保障下游社會(huì)經(jīng)濟(jì)用水安全提供參考。

1 資料與方法

1.1 資料

選取三峽大壩壩下宜昌水文站徑流數(shù)據(jù)作為分析對(duì)象。宜昌水文站位于東經(jīng)111°，北緯30°，距三峽壩址約45 km，上游控制面積約為1×106km2，是長(zhǎng)江干流最早設(shè)置的水文站之一。徑流系列資料選取該水文站1956—2017年日監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，從中提取年均徑流量和月均徑流量系列數(shù)據(jù)。降水量資料采用長(zhǎng)江上游1956—2017年80個(gè)國(guó)家氣象站年均降水?dāng)?shù)據(jù)。

圖1 研究區(qū)地理位置、水系及水文站分布Fig.1 Geographical location,water system and hydrological station distribution in the study area

1.2 方法

對(duì)三峽水庫(kù)壩下宜昌水文站徑流年際變化、年內(nèi)變化和影響因素進(jìn)行分析?？紤]到三峽水庫(kù)壩下徑流受人類(lèi)活動(dòng)影響比較明顯，根據(jù)三峽工程建設(shè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，年際變化分析將研究時(shí)間分為三峽工程建設(shè)前期（1956—1994年）、三峽工程建設(shè)期（1995—2002年）和三峽工程蓄水運(yùn)行期（2003—2017年）三個(gè)時(shí)期。年內(nèi)變化分為枯期（12—3月）和汛期（5—10月）。分析采用一元線性分析法和滑動(dòng)平均法對(duì)徑流趨勢(shì)進(jìn)行分析，并采用線性趨勢(shì)回歸法和非參數(shù)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)對(duì)趨勢(shì)結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn)；采用Mann-Kendall秩次相關(guān)、累積距平法和滑動(dòng)T檢驗(yàn)法檢測(cè)可能存在的突變點(diǎn)。

2 結(jié)果與討論

2.1 降水-徑流基本特征

宜昌水文站多年（1956—2017）年均徑流量為4.255×1011m3。其中，三峽工程建設(shè)期間（1995—2002）徑流量最大，達(dá)到4.364×1011m3；三峽蓄水正常運(yùn)行后（2003—2017）最小，為4.026×1011m3，較三峽工程建設(shè)期平均徑流量減少7.8%。偏差系數(shù)：1956—1994年較小，為0.09；1995—2002年和2003—2017年均為0.12，高于1956—1994年，說(shuō)明1994年后徑流量年際變化較之前劇烈，可能原因是氣候原因和人工干擾。考慮到2003—2017年長(zhǎng)江上游多年平均降水量比1956—2002年減少4.8%，1956—1994年和1995—2002年宜昌水文站徑流量和上游降水量相關(guān)性較高（相關(guān)系數(shù)分別達(dá)到0.92和0.99），同期極值出現(xiàn)年份也基本相同，說(shuō)明這時(shí)期宜昌水文站徑流量受上游天然來(lái)水影響較大，呈正相關(guān)關(guān)系。而2003—2017年徑流量與上游降水量相關(guān)系數(shù)僅為0.46，極值出現(xiàn)的年份也不相同，說(shuō)明2003年以后宜昌水文站徑流受上游天然來(lái)水量影響較小，這時(shí)期人類(lèi)活動(dòng)干擾占主導(dǎo)作用，這與三峽工程2003年正式蓄水運(yùn)行節(jié)點(diǎn)相吻合。宜昌水文站不同時(shí)期徑流及上游地區(qū)降水情況和特征值分別見(jiàn)圖2和表1。

圖2 1956—2017年宜昌水文站年均徑流量及長(zhǎng)江上游平均降雨量Fig.2 Annually averaged runoff at Yichang hydrological station and averaged rainfall in the upper reaches of the Yangtze River from 1956 to 2017

表1 宜昌水文站不同時(shí)期徑流及上游地區(qū)降水特征值統(tǒng)計(jì)表Table 1 Characteristics of runoff and upstream precipitation at Yichang hydrological station in different periods

2.2 徑流年際變化特征

宜昌水文站徑流整體呈減少趨勢(shì)，如圖3所示。采用一元線性法和滑動(dòng)平均法對(duì)趨勢(shì)進(jìn)行判斷，判斷結(jié)果進(jìn)一步顯示徑流量和降雨量均呈減少的趨勢(shì)（圖4）。

圖3 宜昌水文站不同時(shí)期年徑流量和長(zhǎng)江上游平均降水量變化趨勢(shì)圖Fig.3 Variation trend of annual runoff and upstream average precipitation at Yichang hydrological station in different periods

圖4 1956—2017年宜昌水文站年均徑流量和上游降水量變化趨勢(shì)圖判斷圖Fig.4 Variation trends of annually averaged runoff and upstream precipitation at Yichang hydrological station from 1956to2017

采用線性趨勢(shì)回歸法和非參數(shù)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)法對(duì)減少趨勢(shì)進(jìn)行顯著性分析，分析結(jié)果見(jiàn)表2。徑流量檢測(cè)結(jié)果分別為1.63和0.126，均小于檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)值，表明結(jié)果呈不顯著水平，說(shuō)明宜昌水文站年均徑流量下降趨勢(shì)不明顯；而長(zhǎng)江上游降水量檢測(cè)結(jié)果均大于檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)值，說(shuō)明長(zhǎng)江上游降水量呈減少趨勢(shì)達(dá)到顯著水平（α=0.05），表明長(zhǎng)江上游降水量減少趨勢(shì)顯著。長(zhǎng)江上游降水量顯著減少，而徑流量變化趨勢(shì)不明顯狀態(tài)下，說(shuō)明天然來(lái)水情況對(duì)宜昌水文站徑流量影響不明顯，而人類(lèi)活動(dòng)三峽工程調(diào)蓄對(duì)下游徑流量起決定性作用。

表2 1956—2017年宜昌水文站年均徑流量和上游降水量趨勢(shì)檢驗(yàn)值統(tǒng)計(jì)表Table 2 Trend test of annually averaged runoff and upstream precipitation at Yichang hydrological station from 1956 to 2017

圖5 宜昌水文站徑流量和上游降水量可能突變點(diǎn)檢測(cè)圖Fig.5 Detection of possible mutation point for the runoff at Yichang hydrological station and the upstream precipitation

采用Mann-Kendall（M-K）秩次相關(guān)、累積距平法和滑動(dòng)T檢驗(yàn)法對(duì)徑流量和降水量發(fā)生顯著性躍變的年份進(jìn)行檢測(cè)。結(jié)果顯示（圖5），三種方法檢測(cè)徑流量突變年份分別為2002年、2001年和2000年，降水量突變年份分別為2001年、2001年和2000年，檢驗(yàn)結(jié)果都達(dá)到0.05信度的顯著水平。根據(jù)檢測(cè)的突變年份，參考相關(guān)文獻(xiàn)，綜合判斷宜昌水文站徑流量突變年份為2002年。公開(kāi)資料顯示，2000年、2001年為三峽工程攻堅(jiān)施工期，2002年三峽工程導(dǎo)流明渠截流合龍，對(duì)徑流影響較大。同期上游降水量從2000年的920 mm減少到2002年的845 mm，減少8.2%，以上因素是導(dǎo)致2002年宜昌水文站徑流量發(fā)生較大變化的主要原因。

2.3 徑流年內(nèi)變化特征

徑流量年內(nèi)變化如表3所示。與1956—2002年相比，2003—2017年12—6月各月徑流量所占年徑流量百分比均有所增加，增加幅度為0.1%～1.3%，其中，3月增加幅度最大，增加1.3%，6月增加幅度最小，僅增加0.1%；7—10月各月徑流量所占年徑流量百分比均有所減少，減少幅度為0.5%～3.0%，其中，10月減幅最大，減少3.0%，7月減幅最小，減少0.5%；6—10月汛期徑流量所占年徑流量百分比下降為66%，降低約6%，12月至翌年3月枯季徑流量占年徑流量百分比增加至14.8%，增加約3.6%?？梢钥闯?，2003年以后，宜昌水文站年內(nèi)徑流分配發(fā)生了變化，主要體現(xiàn)在汛期徑流量所占年徑流總量百分比下降，枯期徑流量占年徑流量總量百分比增加，但年最大徑流量和最小徑流量發(fā)生月份沒(méi)有發(fā)生改變。

表3 宜昌水文站徑流年內(nèi)分配特征統(tǒng)計(jì)表Table 3 Characteristics of the intra-annual runoff distribution at Yichang hydrological station

3 結(jié)論

（1）三峽水庫(kù)壩下宜昌水文站徑流量變化趨勢(shì)具有顯著階段性。1956—1994年和1995—2002年宜昌水文站徑流量和上游降水量呈正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)分別為0.92和0.99，徑流量主要受上游天然來(lái)水影響。2003—2017年徑流量與上游降水量相關(guān)系數(shù)僅為0.48，宜昌水文站徑流受上游天然來(lái)水量影響較小，主要受人類(lèi)活動(dòng)影響。

（2）宜昌水文站徑流呈減少趨勢(shì)，但不顯著；長(zhǎng)江上游降水量呈減少趨勢(shì)，且呈顯著水平，進(jìn)一步說(shuō)明天然來(lái)水情況對(duì)宜昌水文站徑流量影響不明顯。通過(guò)顯著性躍變分析，徑流量和降水量在2002年發(fā)生了突變，兩者變化雖然具有同步性，但徑流量減少趨勢(shì)不顯著，再次說(shuō)明人類(lèi)活動(dòng)對(duì)宜昌水文站徑流量的主導(dǎo)作用。三峽工程調(diào)蓄是人類(lèi)活動(dòng)的直接表現(xiàn)，枯期宜昌水文站徑流量增大是三峽工程生態(tài)效益的具體體現(xiàn)。

（3）宜昌水文站徑流量年內(nèi)徑流分配發(fā)生了變化，但年最大徑流量和最小徑流量發(fā)生月份沒(méi)有改變。主要體現(xiàn)在汛期徑流量所占年徑流總量百分比從72%下降到66%，枯期徑流量占年徑流量總量百分比從11%增加到15%。

宜昌水文站徑流量年際、年內(nèi)變化是氣候變化和人類(lèi)活動(dòng)共同作用的結(jié)果。如何將上游來(lái)水變化產(chǎn)生的不利影響降至最低，不對(duì)下游社會(huì)經(jīng)濟(jì)和生態(tài)用水造成明顯影響，還需要更深入的研究和分析。