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，其運移機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我國社會經(jīng)濟、資源儲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，對三峽庫區(qū)的水沙情勢產(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個小流域的水沙資料，研究得出其近50年的變化趨勢特征、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變化，計算各項人類活動對水沙變化的貢獻(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、計算水沙特征值，判斷三峽水庫的運行對水沙的影響程度。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)計特征值從數(shù)值和結(jié)構(gòu)上計算近年的水沙年內(nèi)、年際、沿程變化，使用Mann-Kendall檢驗、雙累積曲線法等來判斷水沙趨勢及突變和水沙關(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)，定量計算三峽庫區(qū)長江干流近年的水沙特征值、水沙趨勢及水沙關(guān)系，對三峽庫區(qū)的河床演變、航運調(diào)度的研究有一定的啟示作用。3個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)計特征值計算

筆者采用以下幾個量綱為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)峰值所在時間。

(1)

(2)

(3)

(4)

2.2 水沙序列趨勢及突變分析

Mann-Kendall(以下簡稱為M-K)檢驗法可用于水沙序列的趨勢判斷(M-K trend test)及突變檢驗(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分析。筆者使用M-K趨勢檢驗進(jìn)行趨勢分析，同時使用Sen’s Slope趨勢檢驗進(jìn)行驗證與補充。由于M-K突變檢驗所得的潛在突變點中可能存在虛假突變點，需使用Yamamoto突變檢驗法對潛在突變點進(jìn)行顯著性分析以消除虛假突變點。

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以及汛期、非汛期時段對水沙序列進(jìn)行劃分，采用相關(guān)分析法對不同時段的徑流量、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，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影響嚴(yán)重地區(qū)的徑流量不均勻系數(shù)會發(fā)生減小[13]，人類活動修建的水利水電工程會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)時間提前了近8 d，沙峰出現(xiàn)時間基本一致。

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，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[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 水沙序列趨勢及突變分析

3.2.1 水沙序列趨勢變化 采用M-K趨勢檢驗及Sen’ s Slope趨勢檢驗對水沙序列變化趨勢及其顯著性進(jìn)行分析，2種分析方法所得的統(tǒng)計量Z、趨勢度β與顯著性檢驗結(jié)果如表2所示。2種檢驗方法結(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(P>0.05)，年輸沙量呈極顯著的下降趨勢(P<0.01)。

表2 M-K趨勢檢驗及Sen趨勢度計算結(jié)果

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

表3 水沙序列潛在突變點統(tǒng)計及顯著性判斷

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突變檢驗法和Yamamoto突變檢驗法得出：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。水沙序列的突變時間與大型水庫運用時間(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)折與水沙變化相對應(yīng)[3]。建立3站的雙累積曲線，判斷轉(zhuǎn)折點。由圖5可看出，3站的雙累積曲線的轉(zhuǎn)折點與水沙序列突變分析的水沙突變點相對應(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，計算3站在各段時間內(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，但其對徑流量影響較小，不飽和水流沖刷河床，并從運移過程中獲得泥沙，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)人類活動影響程度較小相關(guān)。由于水沙相關(guān)關(guān)系受時間序列長短的影響，根據(jù)較長的時間序列所計算的水沙相關(guān)系數(shù)較短時間序列更準(zhǔn)確，故仍需要長時間的數(shù)據(jù)觀測結(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對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，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對輸沙量的影響。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]計算出3站在近年不同時段的輸沙量理論計算值，定量估算氣候變化和人類活動對輸沙量變化的貢獻(xiàn)率，計算結(jié)果如表5所示。由表中數(shù)據(jù)可得出：人類活動對輸沙量變化的貢獻(xiàn)率始終大于氣候變化，這表示雖然氣候變化對輸沙量變化產(chǎn)生了一定的影響，但人類活動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因素如大型水利水電工程的修建及水土流失的治理對河流輸沙量具有一定的影響[18-20]。筆者選取人類活動因素：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，比較各時段不同人類活動因素對3站輸沙量降低的貢獻(xiàn)率。計算結(jié)果如表6所示。相比于其他因素，三峽大壩的攔沙量對宜昌站輸沙量的影響在各時段均為最大。2013年后向家壩、溪洛渡水電站的投入使用對朱沱、寸灘站的輸沙量產(chǎn)生了較大程度的影響。各時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對輸沙量變化的貢獻(xiàn)率

表6 人類活動因素與輸沙量的灰色關(guān)聯(lián)度分析

5 結(jié)論

1)對3站水沙統(tǒng)計特征值進(jìn)行計算分析可知，徑流量、輸沙量的年內(nèi)變化趨勢基本一致，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(P<0.01)。3站的年徑流量突變時間為2005年，年輸沙量突變時間為2013年。突變時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)同一水文站不同時段的水沙關(guān)系存在較大差異，與人類活動和水沙季節(jié)變化等存在一定關(guān)系。3站的水沙相關(guān)性差距較大，推測與3站的地理環(huán)境、人類活動相關(guān)。人類活動對輸沙量變化的貢獻(xiàn)率始終大于氣候變化，人類活動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。