近16年三峽庫區(qū)徑流輸沙變化分析

王淑慧， 蘇伯儒， 王云琦?， 王玉杰， 朱錦奇， 付 婧

(1.北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)院 重慶三峽庫區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)教育部野外科學(xué)觀測(cè)研究站，100083，北京；2.北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)院 重慶縉云山三峽庫區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測(cè)研究站，100083，北京)

水沙變化是影響河流系統(tǒng)的關(guān)鍵因素，決定河流的穩(wěn)定性，其運(yùn)移機(jī)制劇烈影響河流系統(tǒng)[1]。水利、水土保持等工程的建設(shè)強(qiáng)烈影響河流水沙情態(tài)[2]，產(chǎn)生相關(guān)水文效應(yīng)如河床演變[3]、改變航道[4]等。長江是中國的第一大河，年徑流量和年輸沙量分別位于世界第3位與第4位[1]，其豐富的水沙資源對(duì)我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)、資源儲(chǔ)備與能源安全等具有重要的影響[5]。近年來，長江上游開發(fā)了大量水利水電工程，如三峽水庫蓄水使用及蓄水調(diào)度變化，溪洛渡、向家壩水電站的修建等，對(duì)三峽庫區(qū)的水沙情勢(shì)產(chǎn)生一定的影響[3]。

目前，關(guān)于近年三峽庫區(qū)的水沙變化已有研究，如李清溪[6]依據(jù)庫區(qū)內(nèi)3個(gè)小流域的水沙資料，研究得出其近50年的變化趨勢(shì)特征、突變特征等；劉惠英等[7-8]研究庫區(qū)內(nèi)香溪河、龍河流域的水沙趨勢(shì)變化，計(jì)算各項(xiàng)人類活動(dòng)對(duì)水沙變化的貢獻(xiàn)率；鐘亮等[9]分析了朱沱、寸灘和北碚3站的水沙資料，得出庫區(qū)內(nèi)重慶主城區(qū)河段的水沙值、水沙序列趨勢(shì)的變化及成因；韓閃閃[10]分析三峽水庫進(jìn)出庫站水沙序列的變化特征、計(jì)算水沙特征值，判斷三峽水庫的運(yùn)行對(duì)水沙的影響程度。鑒于庫區(qū)面積較大，水沙特性變化復(fù)雜，多集中于對(duì)小流域或支流的水沙研究，庫區(qū)內(nèi)長江干流的水沙關(guān)系仍需要進(jìn)一步的研究。筆者采用2002—2017年三峽庫區(qū)干流3個(gè)代表水文站朱沱站、寸灘站、宜昌站的水沙資料作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，利用相關(guān)水沙統(tǒng)計(jì)特征值從數(shù)值和結(jié)構(gòu)上計(jì)算近年的水沙年內(nèi)、年際、沿程變化，使用Mann-Kendall檢驗(yàn)、雙累積曲線法等來判斷水沙趨勢(shì)及突變和水沙關(guān)系，為三峽庫區(qū)的水庫調(diào)度、泥沙問題等提供一定的數(shù)據(jù)參考，為三峽庫區(qū)的生態(tài)環(huán)境治理提供數(shù)據(jù)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

三峽庫區(qū)(E 106°50′～110°51′，N 29°16′～31°25′)位于長江上游河段與中游河段的交界部分，流域面積近5.8萬km2，庫區(qū)內(nèi)長江干流全長約600 km，嘉陵江和烏江匯入長江干流[11]。受長江、嘉陵江、烏江等河流的切割，三峽庫區(qū)地形起伏、海拔變化明顯。庫區(qū)地貌以山地、丘陵為主，氣候類型屬于亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候，年降水量1 000～1 200 mm，多年平均氣溫15～19 ℃。筆者選用庫區(qū)內(nèi)長江干流水文站朱沱站、寸灘站和宜昌站作為研究區(qū)的代表站(圖1)，定量計(jì)算三峽庫區(qū)長江干流近年的水沙特征值、水沙趨勢(shì)及水沙關(guān)系，對(duì)三峽庫區(qū)的河床演變、航運(yùn)調(diào)度的研究有一定的啟示作用。3個(gè)水文站的位置特征描述如表1所示。

圖1 三峽庫區(qū)與代表水文站地理位置Fig.1 Geographical location of the Three Gorges Reservoir Region and hydrological stations

表1 代表水文站及其特征描述

2 研究方法

2.1 水沙統(tǒng)計(jì)特征值計(jì)算

筆者采用以下幾個(gè)量綱為1的指標(biāo)反映水沙序列的年內(nèi)分配變化規(guī)律：

徑流量、輸沙量年內(nèi)分配不均勻系數(shù)Cvw和Cvs反映水沙年內(nèi)分配的均勻程度，數(shù)值越小越均勻;徑流量、輸沙量集中期Dw和Ds反映水沙年內(nèi)峰值所在時(shí)間。

(1)

(2)

(3)

(4)

2.2 水沙序列趨勢(shì)及突變分析

Mann-Kendall(以下簡(jiǎn)稱為M-K)檢驗(yàn)法可用于水沙序列的趨勢(shì)判斷(M-K trend test)及突變檢驗(yàn)(M-K mutation test)，此方法不需要樣本遵從特定分布，適用于10年以上小樣本容量分析[3]，被廣泛應(yīng)用于水文氣象序列的變化趨勢(shì)分析。筆者使用M-K趨勢(shì)檢驗(yàn)進(jìn)行趨勢(shì)分析，同時(shí)使用Sen’s Slope趨勢(shì)檢驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證與補(bǔ)充。由于M-K突變檢驗(yàn)所得的潛在突變點(diǎn)中可能存在虛假突變點(diǎn)，需使用Yamamoto突變檢驗(yàn)法對(duì)潛在突變點(diǎn)進(jìn)行顯著性分析以消除虛假突變點(diǎn)。

2.3 水沙相關(guān)性分析

雙累積曲線法是用來分析水沙變化，檢驗(yàn)徑流量及輸沙量二者間一致性及其變化的一種方法[5]。筆者以雙累積曲線突變點(diǎn)以及汛期、非汛期時(shí)段對(duì)水沙序列進(jìn)行劃分，采用相關(guān)分析法對(duì)不同時(shí)段的徑流量、輸沙量進(jìn)行相關(guān)性分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 水沙統(tǒng)計(jì)特征值

3.1.1 年內(nèi)分配 由于3站水沙數(shù)值差距較大，筆者采用多年(2003—2015年)的月水沙與年水沙的比例進(jìn)行分析。計(jì)算結(jié)果表明：3站70%以上的多年徑流量集中于汛期(5—10月)，主汛期(7—9月)的徑流量比例均>45%，最大徑流量均發(fā)生于7月，7月的徑流量比例均>17%；95%以上的多年輸沙量集中于汛期，主汛期的輸沙量比例均>80%，最大輸沙量同樣均發(fā)生于7月，7月的輸沙量比例均>35%。圖2為3站多年平均徑流量與輸沙量的年內(nèi)分配圖，圖形顯示3站徑流量、輸沙量的年內(nèi)變化趨勢(shì)基本一致，但輸沙量的年內(nèi)分配更為集中，這與汛期徑流攜沙量大相關(guān)[12]。相比于朱沱站、寸灘站，宜昌站的徑流量向非汛期分散程度更大，輸沙量更加集中于汛期，這種現(xiàn)象與三峽水庫對(duì)水沙的調(diào)蓄相關(guān)[10]：水庫在汛期分擔(dān)洪水，枯期增加來水，使徑流年內(nèi)分布均勻[13]，其“蓄清排渾”的運(yùn)用方式使泥沙在非汛期淤積，在汛期集中下泄[12]。

圖2 2003—2015年逐月平均水沙比例年內(nèi)分配Fig.2 Monthly mean runoff and sediment percentage distribution in 2003-2015

計(jì)算3站在2003—2015年的徑流量、輸沙量的不均勻系數(shù)、集中期，分析結(jié)果如下：

1)如圖3所示，3站的徑流量不均勻系數(shù)均呈下降趨勢(shì)，且宜昌站更顯著，而3站的輸沙量不均勻系數(shù)均的變化不顯著。相關(guān)研究表明：受氣候變化和人類活動(dòng)影響嚴(yán)重地區(qū)的徑流量不均勻系數(shù)會(huì)發(fā)生減小[13]，人類活動(dòng)修建的水利水電工程會(huì)顯著降低徑流量不均勻系數(shù)[14-15]，故位于大壩下游的宜昌站的徑流量年內(nèi)分配趨向更加均勻。

圖3 2003—2015年年內(nèi)水沙不均勻系數(shù)變化Fig.3 Changes of inter-annual runoff and sediment non-uniformity coefficient in 2003-2015

2)朱沱站、寸灘站的多年平均徑流量集中期分別為210.73°和209.12°，輸沙量的集中期分別為199.58°和200.05°，沙峰出現(xiàn)時(shí)間均早于洪峰。宜昌站多年(2003—2015年)平均徑流量集中期和輸沙量的集中期分別為198.16°和199.61°，沙峰出現(xiàn)時(shí)間遲于洪峰，與以往的研究結(jié)果[10]相比(宜昌站多年(1954—2002年)平均徑流量集中期和輸沙量的集中期分別為205.56°和199.69°)，2003年后宜昌站洪峰出現(xiàn)時(shí)間提前了近8 d，沙峰出現(xiàn)時(shí)間基本一致。

3.1.2 年際變化 2002—2017年間朱沱、寸灘、宜昌3站年徑流量變差系數(shù)Cv分別為0.111、0.101和0.110，與長江全流域1955—2011年的年徑流量的Cv值0.129[14]相比，三峽庫區(qū)的年徑流量總體趨勢(shì)基本保持平穩(wěn)。3站年輸沙量變差系數(shù)Cs分別為0.562、0.510和1.172，輸沙量年際變化較大，相較于1955—2000年，2002—2017年間3站平均輸沙量分別減少58.86%、67.17%和90.38%。

3.1.3 沿程變化 2003年前，3站多年平均年輸沙量與多年平均年徑流量變化基本一致，呈現(xiàn)沿程增大趨勢(shì)，表現(xiàn)為宜昌站>寸灘站>朱沱站[15]；2003年后3站的多年平均年徑流量依舊沿程增大，而多年平均年輸沙量大小關(guān)系為寸灘站>朱沱站>宜昌站，輸沙量大小關(guān)系的變化與三峽水庫的蓄水作用相關(guān)：水庫蓄水后，過水?dāng)嗝婷娣e隨蓄水位的上升而增加，徑流速度及懸移質(zhì)輸移速率發(fā)生顯著降低，泥沙在庫區(qū)內(nèi)產(chǎn)生淤積，輸沙量降低，且隨著蓄水位的抬高而進(jìn)一步減少，輸沙量呈現(xiàn)沿程降低的趨勢(shì)[15]。由于輸沙量較大的嘉陵江匯入，位于長江與嘉陵江交匯下游的寸灘站的輸沙量產(chǎn)生回升[2]。

3.2 水沙序列趨勢(shì)及突變分析

3.2.1 水沙序列趨勢(shì)變化 采用M-K趨勢(shì)檢驗(yàn)及Sen’ s Slope趨勢(shì)檢驗(yàn)對(duì)水沙序列變化趨勢(shì)及其顯著性進(jìn)行分析，2種分析方法所得的統(tǒng)計(jì)量Z、趨勢(shì)度β與顯著性檢驗(yàn)結(jié)果如表2所示。2種檢驗(yàn)方法結(jié)果均表示3站在2002—2017年的年徑流量呈現(xiàn)不顯著的上升趨勢(shì)(P>0.05)，年輸沙量呈極顯著的下降趨勢(shì)(P<0.01)。

表2 M-K趨勢(shì)檢驗(yàn)及Sen趨勢(shì)度計(jì)算結(jié)果

3.2.2 水沙序列突變點(diǎn)分析 表3為3站2002—2017年徑流量、年輸沙量潛在突變點(diǎn)統(tǒng)計(jì)及突變顯著性判斷。M-K突變檢驗(yàn)所得到的UFk和UBk序列曲線間的交點(diǎn)可能為突變點(diǎn)，圖4為3站的M-K突變檢驗(yàn)所得的統(tǒng)計(jì)量UFk和UBk序列圖。為判斷突變點(diǎn)的有效性，使用Yamamoto突變檢驗(yàn)法進(jìn)行突變點(diǎn)的顯著性分析。

表3 水沙序列潛在突變點(diǎn)統(tǒng)計(jì)及顯著性判斷

圖4 2002—2017年3站年徑流量與年輸沙量統(tǒng)計(jì)量UFk/UBk序列Fig.4 Statistics UFk/UBk series of annual runoff and sediment at three hydrological stations in 2002-2017

結(jié)合M-K突變檢驗(yàn)法和Yamamoto突變檢驗(yàn)法得出：3站的年徑流量突變年份均為2005年，年輸沙量突變年份為2013年。水沙序列的突變時(shí)間與大型水庫運(yùn)用時(shí)間(2013年溪洛渡、向家壩水電站投入使用)、特殊水文年(2006年為長江流域枯水年)、水庫蓄水調(diào)度年份(2006年三峽水庫實(shí)施了156 m蓄水方案)一致。

3.3 水沙相關(guān)性分析

水沙量雙累積曲線反映控制斷面以上流域水沙的變化，雙累積曲線的轉(zhuǎn)折與水沙變化相對(duì)應(yīng)[3]。建立3站的雙累積曲線，判斷轉(zhuǎn)折點(diǎn)。由圖5可看出，3站的雙累積曲線的轉(zhuǎn)折點(diǎn)與水沙序列突變分析的水沙突變點(diǎn)相對(duì)應(yīng)。在2002—2017年內(nèi)，3站的雙累積曲線均在2013年發(fā)生大幅度偏轉(zhuǎn)，此外，宜昌站的雙累積曲線在2005年也發(fā)生了偏轉(zhuǎn)。造成2013年的偏轉(zhuǎn)的原因與金沙江下游向家壩、溪洛渡水電站啟用相關(guān)：上游泥沙被水電站大量攔截使位于下游的3站的輸沙量產(chǎn)生劇烈的降低。宜昌站在2005年發(fā)生的偏轉(zhuǎn)與2006年三峽水庫實(shí)施了156 m蓄水方案存在一定關(guān)系：隨著蓄水高度的增加，庫區(qū)泥沙輸移速率降低，大量水沙停滯于庫中，年輸沙量明顯降低，宜昌站作為三峽的出庫站，直接受水庫影響，故2005年后輸沙量劇烈減少，水沙累積曲線發(fā)生變化。

以3站的水沙雙累積曲線的轉(zhuǎn)折點(diǎn)年份(朱沱站與寸灘站：2013年，宜昌站：2005年、2013年)和年內(nèi)汛期/非汛期時(shí)段分別將3站在2002—2017年的年水沙序列、2003—2015年的月水沙序列進(jìn)行劃分，計(jì)算3站在各段時(shí)間內(nèi)的水沙相關(guān)系數(shù)，結(jié)果如表4所示。由數(shù)據(jù)可知：不同時(shí)段的水沙相關(guān)系數(shù)在數(shù)值上存在較大差異，2013年后3站的水沙相關(guān)系數(shù)均大于2013年前，這可能與2013年后3站上游投入使用的水電站相關(guān)：水電站大量攔截泥沙，但其對(duì)徑流量影響較小，不飽和水流沖刷河床，并從運(yùn)移過程中獲得泥沙，水沙相關(guān)系數(shù)增大[5]。3站的水沙在汛期較非汛期呈現(xiàn)較高的相關(guān)性，這與汛期徑流量大，流短湍急沖刷河道相關(guān)，其中宜昌站受到水庫“動(dòng)水沖沙”調(diào)度方式的影響，枯水季葛洲壩水庫泥沙沉積相對(duì)明顯[12]，表現(xiàn)為汛期水沙相關(guān)程度高于非汛期。

圖5 年徑流量和年輸沙量雙累積曲線Fig.5 Double mass plot between annual runoff and sediment

表4 分段時(shí)間序列、汛期與非汛期水沙相關(guān)系數(shù)

在以上2種分階段水沙相關(guān)分析中，朱沱站、寸灘站的水沙相關(guān)程度均高于宜昌站，這與2站地處長江上游，河流兩岸地形陡峭，河道坡度大，洪水期徑流量大，水流湍急，攜帶泥沙以粗顆粒為主[12]，且受庫區(qū)內(nèi)人類活動(dòng)影響程度較小相關(guān)。由于水沙相關(guān)關(guān)系受時(shí)間序列長短的影響，根據(jù)較長的時(shí)間序列所計(jì)算的水沙相關(guān)系數(shù)較短時(shí)間序列更準(zhǔn)確，故仍需要長時(shí)間的數(shù)據(jù)觀測(cè)結(jié)果，以得出較為準(zhǔn)確的水沙相關(guān)關(guān)系。

4 討論

4.1 近年氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)輸沙量變化的定量估算

影響水沙的因素包括氣候變化、地質(zhì)地貌及人類活動(dòng)，由于地形地貌在短期的徑流輸沙變化中基本保持不變[6]，筆者僅討論氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)輸沙量的影響。氣候變化引起流域水循環(huán)的變化，改變蒸發(fā)、降雨等的時(shí)空分布[16]，降雨量的變化與徑流量顯著相關(guān) (R2>0.8)，故可采用徑流量的變化代表氣候變化因素[14]。將3站在2002—2017年的水沙序列按照突變年進(jìn)行劃分，根據(jù)相關(guān)學(xué)者的研究結(jié)果[17]，基于基準(zhǔn)年(1969—2002年)的累積水沙線性擬合方程[17]計(jì)算出3站在近年不同時(shí)段的輸沙量理論計(jì)算值，定量估算氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)輸沙量變化的貢獻(xiàn)率，計(jì)算結(jié)果如表5所示。由表中數(shù)據(jù)可得出：人類活動(dòng)對(duì)輸沙量變化的貢獻(xiàn)率始終大于氣候變化，這表示雖然氣候變化對(duì)輸沙量變化產(chǎn)生了一定的影響，但人類活動(dòng)因素始終是影響輸沙量變化的主要因素。

4.2 近年人類活動(dòng)因素與輸沙量降低的灰色關(guān)聯(lián)度分析

大量研究證明人類活動(dòng)因素如大型水利水電工程的修建及水土流失的治理對(duì)河流輸沙量具有一定的影響[18-20]。筆者選取人類活動(dòng)因素：2002—2017年間三峽庫區(qū)的水土流失治理面積、三峽大壩攔沙量及溪洛渡、向家壩水電站的攔沙量，采用灰色關(guān)聯(lián)度法，比較各時(shí)段不同人類活動(dòng)因素對(duì)3站輸沙量降低的貢獻(xiàn)率。計(jì)算結(jié)果如表6所示。相比于其他因素，三峽大壩的攔沙量對(duì)宜昌站輸沙量的影響在各時(shí)段均為最大。2013年后向家壩、溪洛渡水電站的投入使用對(duì)朱沱、寸灘站的輸沙量產(chǎn)生了較大程度的影響。各時(shí)段水土流失治理面積與輸沙量變化存在一定的關(guān)聯(lián)度，這說明水土保持治理也有效降低了輸沙量。

表5 氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)輸沙量變化的貢獻(xiàn)率

表6 人類活動(dòng)因素與輸沙量的灰色關(guān)聯(lián)度分析

5 結(jié)論

1)對(duì)3站水沙統(tǒng)計(jì)特征值進(jìn)行計(jì)算分析可知，徑流量、輸沙量的年內(nèi)變化趨勢(shì)基本一致，但輸沙量的年內(nèi)分配更為集中。宜昌站的水沙年內(nèi)分配特點(diǎn)為徑流量向非汛期分散、輸沙量向汛期集中，與水庫調(diào)節(jié)作用相關(guān)。3站近年的水沙年際變化為年徑流量變化微小(年徑流量變差系數(shù)Cv：0.101～0.111)，輸沙量變化劇烈(年輸沙量變差系數(shù)Cs：0.510～1.172)。3站年徑流量表現(xiàn)為宜昌站>寸灘站>朱沱站，年輸沙量表現(xiàn)為寸灘站>朱沱站>宜昌站。

2)2002—2017年內(nèi)，3站的年徑流量呈不顯著的上升變化(P>0.05)，年輸沙量呈顯著降低趨勢(shì)(P<0.01)。3站的年徑流量突變時(shí)間為2005年，年輸沙量突變時(shí)間為2013年。突變時(shí)間與大型水利工程的投入使用、特殊水文年、水庫蓄水調(diào)度的年份吻合。

3)同一水文站不同時(shí)段的水沙關(guān)系存在較大差異，與人類活動(dòng)和水沙季節(jié)變化等存在一定關(guān)系。3站的水沙相關(guān)性差距較大，推測(cè)與3站的地理環(huán)境、人類活動(dòng)相關(guān)。人類活動(dòng)對(duì)輸沙量變化的貢獻(xiàn)率始終大于氣候變化，人類活動(dòng)因素中的水利水電工程是輸沙量降低的主要因素，水土流失治理也起到了一定的作用。