三峽水庫運用對水庫下游水文分期的影響研究

郭 率，陳 立，許全喜，何小花

（1.武漢大學水資源與水電工程科學國家重點實驗室，武漢430072；2.長江水利委員會水文局，武漢430010；3.湖北省水利水電規(guī)劃勘測設計院，武漢430064）

0 引 言

近期，世界各地區(qū)洪澇和干旱災害出現(xiàn)的頻率呈明顯的上升趨勢［1-4］，其原因與全球變暖的不斷加劇，人類對河流等水資源的干涉影響有關，包括河流上大規(guī)模梯級水庫的修建、水文變化、沉積物開采等，對河流的汛期和枯期進行較精確的分期，對洪澇干旱災害的防治、水庫水資源調度，生態(tài)環(huán)境保護和人類自身安全保障等具有極其重要的作用［5-7］。

天然條件下長江流域汛期和枯期的劃分與大氣循環(huán)和氣候變化有直接聯(lián)系，三峽水庫蓄水前普遍認為長江中下游汛期為5-10月。20 世紀80年代開始，長江中下游水沙受到人類活動的重大影響，干支流梯級水庫的建設等改變了河流天然特性，尤其是三峽水庫的修建運行，大大影響了壩下游的徑流過程，水庫“削峰補枯”使壩下游河段徑流過程坦化，中枯水歷時增加，改變了長江中下游河道天然徑流的時空分配［8，9］，上游向家壩、溪洛渡等梯級水庫的建成運用對長江流域徑流過程及徑流均勻程度的影響進一步加?。?0］。顯然上游水庫的“洪蓄枯泄”運行模式，改變了下游水文過程，對流域汛、枯期規(guī)律也有一定影響。許多專家學者圍繞水庫運用對下游河道水文情勢的影響進行了較多研究［11-13］，且主要分析了三峽水庫運用后下游河道月均徑流量變化情況，但進一步分析三峽水庫運用后月均徑流量的變化對長江中下游流域汛、枯期分期規(guī)律影響的研究較少。本文采用雷旭等［14］提出的月徑流序列重構方法，對長江中下游干流7個水文站點的月徑流進行重新構造形成重構水文序列，然后運用謝平等［15］提出的變異診斷系統(tǒng)檢驗重構月徑流序列進行水文分期，并采用模糊統(tǒng)計法進行對比分析，從而得到長江中下游流域汛、枯期變化結果。對三峽水庫蓄水后長江中下游進行汛期枯期劃分不僅有利于該區(qū)域防洪，了解水文情勢變化情況，同時可以在滿足防洪設計標準的條件下，優(yōu)化三峽水庫運行，協(xié)調水庫防洪與興利之間的矛盾，提高防洪、發(fā)電、航運等綜合效益［16］。

1 研究區(qū)域

長江干流建設有葛洲壩、三峽、向家壩、溪洛渡等骨干水利樞紐，漢江流域有丹江口水利樞紐等。其中三峽水利樞紐是長江流域綜合利用的骨干工程，其主要任務是防洪、發(fā)電、航運等［17］。汛期6-9月，水庫一般在汛限水位145 m 運行，超過電站過流能力的水量，通過泄洪壩下泄。僅當入庫流量大于5.5 萬m3/s，超出下游荊江河道安全泄量（100年一遇以下洪水，控制枝城站泄量不超過5.67 萬m3/s，100年一遇以上至1 000年一遇洪水，控制枝城站流量不超過8 萬m3/s）時，水庫攔洪蓄水，庫水位抬高。洪峰過后，庫水位仍降至145 m 運行。2009年后在三峽水庫的實際調度過程中，適時進行了中小洪水調度的實踐?！度龒{（正常運行期）-葛洲壩水利樞紐梯級調度規(guī)程》（2019年修訂版）［18］規(guī)定三峽水庫汛期運行水位浮動上限由146.5 m 提高至148 m，兼顧城陵磯地區(qū)防洪補償控制水位由155 m 提高至158 m，汛末庫水位進一步優(yōu)化，8月下旬允許上浮至150 m，9月10日水位允許由150 m 提高至150～155 m。逐步優(yōu)化后的調度方式必然會對長江中下游水文情勢和江湖關系產生影響［19，20］。

本文采用1961-2016年（部分年份水文資料缺失，其中枝城站缺1962年資料，沙市站缺1970年資料，監(jiān)利站為1981-2016年資料）長江中下游流域宜昌-大通7個水文站點的實測月均徑流流量數據，依據葛洲壩工程開始運行（1981年）和三峽工程開始運行（2003年）兩個時間節(jié)點將其分為3 個時段，即1961-1980年天然徑流階段、1981-2002年葛洲壩工程運行后、三峽工程運用前階段和2003-2016年三峽工程運用后階段，計算每個站點3 個時段的汛期枯期數值，并采用三峽水庫入庫出庫流量資料（圖1），還原無三峽水庫條件下2003-2016年的月均徑流流量數據，并計算汛期枯期數值。通過統(tǒng)計水庫蓄水前后各水文站汛枯期變化規(guī)律，進一步明晰三峽水庫運行對下游汛枯期分期的影響。

圖1 三峽水庫入庫出庫月均徑流Fig.1 Average monthly runoff in and out of Three Gorges Reservoir

2 水文分期變化分析

水文序列受到氣象氣候條件、下墊面因素及人類活動等因素的影響，而水文資料的變化又反映了受到這些因素的影響程度［15］。大量的實測資料表明，流域的水文序列是受到確定因素和隨機因素的綜合作用的復雜過程，表現(xiàn)出非線性特征，因此河川徑流序列也包含了表現(xiàn)為水文現(xiàn)象的趨勢變化和周期性變化的確定成分，以及表現(xiàn)為水文現(xiàn)象的相依性和純隨機變化，只能用隨機序列理論來研究的隨機成分，其過程是一種復雜的水文現(xiàn)象［21-23］。

一般對于某個具體流域，汛期是多年來降雨量較大、洪水發(fā)生比較集中、徑流流量比較大的時段。汛枯期的劃分是某流域分期設計洪水的重要問題，對水庫調度、洪旱災害防治及生態(tài)環(huán)境保護具有顯著意義。目前不少學者對于水文分期方法進行了較為系統(tǒng)的研究，許士國等［24］認為某一地區(qū)或流域的汛期和非汛期是一種模糊現(xiàn)象，提出了采用模糊統(tǒng)計法進行水文分期，劉攀等［25］采用變點分析方法研究了三峽水庫的汛期分期方式，侯玉等［26］提出了應用分形理論進行水文分期的方法。但是目前對于三峽水庫運用后水庫下游汛枯期變化規(guī)律的研究較少。

2.1 基于變點分析法的水文分期

針對傳統(tǒng)方法確定汛期和枯期分界點檢驗樣本容量少，誤差大等缺點，雷旭等提出了月徑流重構方法克服檢驗序列容量不足的問題。該方法具體步驟為：根據研究所分時段，將每個時段各月徑流依次逐年排列，得到重構序列：

式中：Ri，j表示第i年第j月徑流值，其中i=1，2，3，…，n，j=1，2，3，…，12，n為每個時段水文年長度。

并采用變異診斷方法檢驗重構序列RF，得到第一個變異點，提取該變異點后形成新的重構序列（殘差序列）再一次進行檢驗得到第二個變異點，根據變異點所在序列的位置判斷是汛期的起點還是終點。若變異點在序列的前半部分，且變異點在所對應月份樣本的前半部分則所對應月份為汛期的起點，反之變異點在所對應月份樣本的后半部分則所對應月份的下一個月為汛期的起點；若變異點在序列的后半部分，且變異點在所對應月份樣本的前半部分則所對應的月份的上一個月為汛期的終點，反之變異點在所對應月份樣本的后半部分則所對應的月份為汛期的終點。

對于重構月徑流序列變異點的檢驗方法，目前已有較多研究。本文采用謝平（2009）提出的水文變異診斷系統(tǒng)［15］檢驗月徑流重構序列，該方法考慮了趨勢和跳躍兩種變異形式，采用多種檢驗指標，分為初步診斷、詳細診斷和綜合診斷三步，克服了采用單一方法時檢驗結果可信度底，多種方法檢驗時結果又不一致的問題。初步診斷通過3種方法（過程線法、滑動平均法和Hurst 系數法）判斷所檢驗水文序列是否存在變異；若初步診斷存在變異，則進行詳細診斷，詳細診斷采用了15 種方法從不同角度分析序列是否存在跳躍變異和趨勢變異；最后對跳躍和趨勢變異進行綜合診斷，并根據公式計算兩者的效率系數判斷變異形式。

應用上述方法對長江中下游干流宜昌-大通7 個水文站的月徑流重構序列進行變異分析，顯著性水平取α=0.05、β=0.01，得到各站每個時段兩個變異點，并計算出所對應的月份。以離三峽水庫最近的宜昌站為例，通過變異診斷得到月徑流重構序列變異診斷結果如表1、表2 所示。根據表1 可以看出，1961-1980年階段宜昌站徑流重構序列在第82 個數據處發(fā)生向上跳躍強變異，將該數據提取后對剩下的殘差序列再次進行變異分析，發(fā)現(xiàn)在第200個數據處仍然存在向下跳躍強變異；根據得到的兩個變異點計算出所對應的月份為5、10月，根據兩個變異點將序列劃分為兩個時段，并計算出每個時段的平均徑流量，以序號82～200 之間的階段為汛期［圖2（a）］。同理其余階段也采用同樣的方法得到汛枯期分界點，1981-2002年階段兩個變異點為109（↑）、219（↓），其對應的月份為6月、10月，即汛期為6-10月［圖2（b）］。2003-2016年階段的兩個變異點為54（↑）、111（↓），其對應的月份為5月、9月，即汛期為5-9月［圖2（c）］。去掉三峽水庫調度的影響后，兩個變異點為57（↑）、120（↓），其對應的月份為6月、10月，即汛期為6-10月［圖2（d）］。

圖2 宜昌站汛枯期劃分Fig.2 Division of flood and dry seasons of Yichang station from

表1 三峽水庫運行前宜昌站年徑流序列變異診斷結果表Tab.1 The annual runoff sequence variation diagnostic results of Yichang Station before the operation of The Three Gorges Reservoir

續(xù)表1 三峽水庫運行前宜昌站年徑流序列變異診斷結果表

表2 三峽水庫運行后宜昌站年徑流序列變異診斷結果Tab.2 The annual runoff sequence variation diagnostic results of Yichang Station after the operation of The Three Gorges Reservoir

2.2 基于模糊統(tǒng)計法的水文分期

本文采用模糊統(tǒng)計法進行對比分析。汛期枯期的劃分本就是一個模糊現(xiàn)象的劃分，通過把汛期枯期認為是時間論域上的模糊集合，利用其模糊集的隸屬函數描述汛期的隸屬度，統(tǒng)計汛期的變化規(guī)律。本文取汛期流量標準QF等于所分階段各站年均流量，并以QF為標準統(tǒng)計所分階段得到汛期樣本區(qū)間，根據樣本區(qū)間統(tǒng)計并計算各月被覆蓋的次數和隸屬度。根據計算得到各站點每個月份各階段的隸屬度結果見表3 和表4。

表3 三峽水庫運行前各水文站不同月份汛期隸屬度Tab.3 The membership degree of different months in hydrological stations before the operation of The Three Gorges Reservoir

表4 三峽水庫運行后各水文站不同月份汛期隸屬度Tab.4 The membership degree of different months in hydrological stations before the after the operation of The Three Gorges Reservoir

本文選取隸屬度小于0.2、小于0.3 的月份為枯期，其余月份則為汛期。對長江中下游干流7個水文站各階段每個月份的隸屬度進行統(tǒng)計分析得到汛期起止月份。通過變異分析方法和模糊統(tǒng)計法得到的汛期起止月份如表5所示。

2.3 統(tǒng)計結果對比分析

根據表5，三峽工程蓄水前階段兩種方法計算結果差別較小，1961-1980年階段，變異方法結果表明各站汛期為5-10月，模糊方法取隸屬度＜0.2 時，除螺山和大通水文站外，其余各站也認為汛期為5-10月，取隸屬度＜0.3 時，除沙市站外的其余各站汛期為5-10月。1981-2002年階段，兩種方法均表明宜昌至大通段上下游汛期起止月份不一樣，變異方法和模糊方法（隸屬度＜0.3）認為宜昌、枝城、沙市和監(jiān)利4個站汛期為6-10月，而螺山、漢口和大通站汛期為5-10月，存在下游汛期比上游提前一個月的規(guī)律；模糊方法（隸屬度＜0.2）除宜昌站外，其余各站也表現(xiàn)出同樣的規(guī)律。

表5 兩種方法汛期起止月份統(tǒng)計結果對比表Tab.5 Comparison of statistical results of two methods on the start and end of flood season

此外，兩種方法得出的結果也存在一定差異性，主要表現(xiàn)在三峽工程建設完成后的時段7 個水文站結果均有差異，模糊統(tǒng)計法在兩種隸屬度下各站汛期均為5-10月，變異方法顯示除枝城外的其余水文站汛期為5-9月，表現(xiàn)出比模糊方法得到的汛期終止月份均滯后一個月的特點，而枝城站表現(xiàn)出汛期起始月份滯后1 個月，終止月份提前1 個月的情況。但是在去除由于三峽水庫削峰補枯調度而影響水庫下游徑流過程后，變異方法除螺山、漢口水文站沒有明顯變化外，其余水文站得到的汛期與1981-2002年階段的結果一致；而模糊方法也表現(xiàn)出與1981-2002年時段相似的規(guī)律，取隸屬度＜0.2 時，枝城站汛期起始月份比該時段提前一個月，取隸屬度＜0.3 時，宜昌站汛期起始月份比該時段提前一個月，其余水文站的結果均與1981-2002年相同。

根據以上分析，三峽水庫蓄水前，兩種方法得到的汛枯期分期時間基本一致，當模糊統(tǒng)計法隸屬度＜0.3 時，兩種方法所得結果相似度為92%，隸屬度＜0.2時，相似度也達到了77%。說明了變異分析方法的可行性，但是模糊統(tǒng)計法存在主觀性，根據隸屬度取值的不同統(tǒng)計結果也會存在差異。三峽水庫蓄水后，兩種方法結果不一致，但是在排除因水庫削峰補枯的影響后，兩種方法結果差異性較小。

綜合兩種方法可以確定在1961-1980年階段長江中下游干流7個水文站汛期為5-10月；1981-2002年階段，宜昌、枝城、沙市和監(jiān)利站的汛期為6-10月，而螺山、漢口和大通站的汛期為5-10月；三峽水庫蓄水后，變異分析方法結果認為各水文站汛期為5-9月，而模糊統(tǒng)計方法結果為5-10月。根據水文分期結果，統(tǒng)計蓄水前后5月（消落期）和10月（蓄水期）徑流變化情況，進一步分析三峽水庫運用對下游河段汛枯期變化的影響。

以宜昌站為例，宜昌站5月徑流量系列基本在多年平均徑流量11 832 m3/s 上下波動，并無明顯減小或增大趨勢（圖3），三峽水庫蓄水后5月徑流量增加了671 m3/s，而三峽水庫5月（消落期）增加的下泄流量為858 m3/s，其對流量變化的貢獻率為82.14%（表6），說明5月流量的增加主要是受三峽水庫的影響。三峽水庫運用后宜昌站10月徑流量系列明顯減?。▓D3），本文所研究的其他水文站也均為減小趨勢，且減小幅度超過了24%，而10月徑流量的減少會對長江中下游及通江湖泊造成顯著影響，使河流提前進入枯水期。三峽蓄水后宜昌站10月徑流量比1961-2002年階段10月平均徑流量減少了6 136 m3/s，減小幅度達到了33.66%，三峽水庫10月蓄水影響的貢獻率為47.67%（表6），宜昌站、枝城站徑流量的減少會直接影響荊江三口分流，減小洞庭湖來水量，影響湖泊生態(tài)環(huán)境。大通站10月徑流量減少了8 037 m3/s，減小幅度為24.14%，同時在天文大潮的影響下使大通站以下河段鹽水入侵現(xiàn)象嚴重，對河口河段生產生活取水等造成顯著影響。

圖3 宜昌站5月和10月徑流量變化Fig.3 Runoff variation of Yichang station in May and October

表6 蓄水前后各站5月和10月月均徑流變化 m3/sTab.6 Monthly average runoff change of each station in May and October before and after impoundment

有研究［23］預測，到2030年所有規(guī)劃大壩建成后，宜昌站10月徑流量將比1990年以前減少56.5%。10月徑流量減小幅度遠大于9月（圖4），到三峽蓄水后平均徑流量比5月還少239 m3/s，所以變異分析法認為三峽蓄水后汛期為5-9月，但是10月徑流總量相比于1月、2月仍然較大，模糊統(tǒng)計法將10月還是隸屬于汛期。

圖4 不同時段宜昌站各月徑流量變化Fig.4 Monthly runoff variation of Yichang station in different periods

三峽（正常運行）-葛洲壩水利樞紐梯級調度規(guī)程（2019年修訂版）規(guī)定［15］5月底為汛前消落期，蓄水后階段5月平均增泄流量為858 m3/s，有效抑制了近年來上游來水減小對水庫下游的影響；汛末蓄水期不早于9月10日，蓄水后階段因三峽水庫蓄水而減小的平均下泄流量為2 925 m3/s，這是10月徑流量減小的主要原因，其次與蓄水后長江上游來水量趨于減小也有關。實際上長江中下游徑流減小并不只有10月，如宜昌站的8-9月月均徑流量減小也非常顯著，這與三峽水庫實行中小洪水調度和近年來沒有發(fā)生特大洪水有關。

根據統(tǒng)計的蓄水前后7 個水文站5、10月流量變化和三峽水庫消落期增泄流量、蓄水期攔截部分流量對流量變化的貢獻率結果，發(fā)現(xiàn)三峽水庫對宜昌至城陵磯河段流量變化的貢獻率大于城陵磯至大通河段，主要是下游河段除了受三峽水庫調度的影響外，還受到通江湖泊分匯流和支流入匯的影響。

3 結 論

（1）天然徑流情況下（1961-1980年），變點分析方法和模糊統(tǒng)計法結果均表明長江中下游干流7個水文站汛期起止時間為5-10月。1981-2002年階段，宜昌至城陵磯河段汛期起止時間為6-10月，城陵磯至大通河段為5-10月，差異性表現(xiàn)在下游河段汛期起始月份比上游河段提前一個月。

（2）三峽水庫蓄水后，受水庫調度的影響，兩種方法結果存在較大差異，變點分析方法表明宜昌至大通汛期為5-9月，模糊統(tǒng)計方法為5-10月，在去除三峽水庫入庫出庫流量差異后，兩種方法結果顯示與1981-2002年階段汛期起止時間相同，即宜昌至城陵磯河段汛期起止時間為6-10月，城陵磯至大通河段為5-10月。

（3）三峽水庫的運用是水庫下游汛枯期起止時間變化的主要原因。三峽水庫的運用對水庫下游5、10月徑流量變化的影響較大，進而影響汛、枯期分期規(guī)律，且對宜昌至城陵磯河段流量變化的貢獻率大于城陵磯至大通河段。