三峽水庫(kù)影響下長(zhǎng)江中下游水文干旱演變及對(duì)氣象干旱的響應(yīng)*

李崢嶸,彭 濤,2，林青霞,2，董曉華,2，劉 冀,2，常文娟,2，喻 丹,2，王高旭

(1:三峽大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院，宜昌 443002) (2:三峽庫(kù)區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部工程研究中心，宜昌 443002) (3:南京水利科學(xué)研究院，水文水資源與水利工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210029)

干旱是對(duì)人類社會(huì)影響最廣泛、最嚴(yán)重的自然災(zāi)害之一[1-2]. 變化環(huán)境下頻繁發(fā)生的極端干旱更是人類面臨的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，已成為影響自然生態(tài)系統(tǒng)健康和經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的重要制約因素[3]. 美國(guó)氣象學(xué)會(huì)將干旱分為氣象干旱、農(nóng)業(yè)干旱、水文干旱和社會(huì)經(jīng)濟(jì)干旱[4]. 水文干旱是氣象干旱和農(nóng)業(yè)干旱的發(fā)展和延續(xù)，是聯(lián)系氣象干旱、農(nóng)業(yè)干旱和社會(huì)經(jīng)濟(jì)干旱的紐帶[5]. 近幾十年來(lái)，全球氣候變化，尤其是土地利用變化、水庫(kù)修建、跨流域調(diào)水等人類活動(dòng)導(dǎo)致水文極值過(guò)程呈現(xiàn)顯著變化[6]，直接影響氣象干旱向水文干旱的傳播以及水文干旱形成和發(fā)展過(guò)程，使得水文干旱演變呈現(xiàn)出新特征[7-9]. 因此，高強(qiáng)度人類活動(dòng)影響下水文干旱形成與演變研究正成為當(dāng)前水文學(xué)的國(guó)際前沿和熱點(diǎn)領(lǐng)域[10-12].

水庫(kù)通過(guò)調(diào)蓄作用顯著地改變了下游河川徑流時(shí)程分配過(guò)程，導(dǎo)致自然條件下的干旱傳播機(jī)制及水文干旱特征發(fā)生顯著變化. 目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在水庫(kù)修建對(duì)下游水文干旱影響方面開展了一些研究，但是尚無(wú)統(tǒng)一的認(rèn)識(shí). 水庫(kù)通過(guò)蓄洪補(bǔ)枯，增加旱季下游河道的徑流量，有利于緩解水庫(kù)下游水文干旱影響. 如Wen等[13]研究發(fā)現(xiàn)澳大利亞Murrumbidgee流域水庫(kù)調(diào)控作用減輕了緊鄰大壩下游地區(qū)的水文干旱程度，但這種水庫(kù)調(diào)蓄效應(yīng)隨著距離的增加而減弱. Rangecroft等[14]分析了智利Santa Juana大壩對(duì)下游水文干旱的影響，表明水庫(kù)徑流調(diào)節(jié)作用明顯降低了下游水文干旱發(fā)生的頻率、持續(xù)時(shí)間和強(qiáng)度，但無(wú)法緩解持續(xù)數(shù)年的嚴(yán)重干旱事件. Zhang等[15]分析了沙潁河流域梯級(jí)水庫(kù)調(diào)控下的水文干旱演變特征，發(fā)現(xiàn)水庫(kù)運(yùn)行減少了下游水文干旱發(fā)生的頻率，但增加了干旱歷時(shí)及水文干旱對(duì)氣象干旱的響應(yīng)時(shí)間. Wu等[16]對(duì)水庫(kù)影響下水文干旱演變特征的研究也發(fā)現(xiàn)，水庫(kù)運(yùn)行使得下游水文干旱的平均歷時(shí)和烈度明顯降低. 涂新軍等[11]發(fā)現(xiàn)東江流域水庫(kù)調(diào)蓄作用對(duì)于緩解水文干旱效果顯著，聯(lián)合超越重現(xiàn)期越小，水庫(kù)對(duì)聯(lián)合設(shè)計(jì)值的影響程度越大. 同時(shí)也有一些研究表明，水庫(kù)修建可能會(huì)給下游水文干旱帶來(lái)明顯負(fù)面影響. López-Moreno等[17]研究表明，歐洲Alcántara大壩運(yùn)行后下游的水文干旱持續(xù)時(shí)間和強(qiáng)度更為嚴(yán)重. Wang等[18]在灤河流域的研究也有類似發(fā)現(xiàn)，水利工程影響下灤河下游水文干旱發(fā)生頻率、持續(xù)時(shí)間和嚴(yán)重程度均呈增加趨勢(shì). 因此，水庫(kù)徑流調(diào)節(jié)下的水文干旱情勢(shì)研究已引起國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注，其演變規(guī)律與作用機(jī)制研究仍是亟待解決的重要科學(xué)問(wèn)題.

三峽水庫(kù)在防洪、發(fā)電、航運(yùn)和供水等方面發(fā)揮了巨大綜合效益，同時(shí)三峽水庫(kù)影響下的長(zhǎng)江中下游水文效應(yīng)已引起學(xué)者的高度關(guān)注[19]. 如Li等[20]采用兩參數(shù)水量平衡模型模擬了三峽水庫(kù)運(yùn)行影響下宜昌站的徑流過(guò)程，認(rèn)為三峽水庫(kù)蓄水運(yùn)行導(dǎo)致下游宜昌站的水文干旱略有加重，但并非水文干旱加劇的主要因素；Zhang等[21]研究發(fā)現(xiàn)由于長(zhǎng)江來(lái)水減少使得2003年以來(lái)鄱陽(yáng)湖夏、秋兩季干旱有明顯增加趨勢(shì)；Yu等[22]以寸灘站為參考分析了宜昌站水文干旱變化特征，發(fā)現(xiàn)2003年以后汛末期宜昌站水文干旱強(qiáng)度有所增加. 上述研究深化了人們對(duì)三峽水庫(kù)蓄水運(yùn)行下長(zhǎng)江中下游水文情勢(shì)變化的認(rèn)識(shí)，但對(duì)水庫(kù)影響下水文干旱多時(shí)間尺度時(shí)空演變特征及其對(duì)氣象干旱響應(yīng)關(guān)系的關(guān)注仍顯不足. 為此，本文選用標(biāo)準(zhǔn)化蒸散指數(shù) (SPEI) 和標(biāo)準(zhǔn)化徑流指數(shù) (SRI) 分別表征氣象干旱和水文干旱，分析三峽水庫(kù)運(yùn)行前后長(zhǎng)江中下游宜昌、漢口和大通站水文干旱多時(shí)間尺度的演變規(guī)律，探究水庫(kù)調(diào)節(jié)下水文干旱對(duì)氣象干旱的響應(yīng)特征，為區(qū)域水文干旱監(jiān)測(cè)預(yù)警及水庫(kù)抗旱調(diào)度提供參考.

1 研究區(qū)域概況和數(shù)據(jù)來(lái)源

長(zhǎng)江流域總面積180萬(wàn)km2，大部分地區(qū)屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，降水時(shí)間分配不均，年內(nèi)降水60%以上集中在6-8月，且降水年際變化大. 長(zhǎng)江流域地形復(fù)雜，降水空間分布極不均勻，多年平均降水量從西北部290 mm到東南部2300 mm. 長(zhǎng)江中下游地區(qū)地處東亞季風(fēng)區(qū)，降水時(shí)空變化很大，旱澇災(zāi)害發(fā)生十分頻繁. 同時(shí)，該區(qū)域人口密集，工農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)，取用水量逐年增加，導(dǎo)致水資源的供需不平衡問(wèn)題逐漸凸顯. 近年來(lái)，在全球氣候變暖背景下，長(zhǎng)江中下游地區(qū)干旱呈現(xiàn)發(fā)生頻率高、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、影響范圍廣的特點(diǎn). 21世紀(jì)以來(lái)，長(zhǎng)江中下游地區(qū)在2001、2004、2006-2007、2011和2013年發(fā)生了嚴(yán)重干旱事件[23]，對(duì)區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展和生態(tài)安全產(chǎn)生了重要影響. 長(zhǎng)江流域地理位置和氣象水文站點(diǎn)分布如圖1所示.

圖1 長(zhǎng)江流域地理位置、氣象和水文站點(diǎn)分布Fig.1 Geographical location and distribution of meteorological and hydrological stations in the Yangtze River Basin

本文選用1960-2016年長(zhǎng)江流域183個(gè)氣象站的氣溫和降水資料，氣象數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)氣象局科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng) (http://www.cma.gov.cn/). 面平均降水量和面平均潛在蒸散發(fā)量采用泰森多邊形法計(jì)算. 1960-2016年長(zhǎng)江中下游宜昌、漢口和大通水文控制站的逐月流量數(shù)據(jù)來(lái)源于長(zhǎng)江水利委員會(huì)水文局. 2005-2016年三峽水庫(kù)逐日出庫(kù)、入庫(kù)流量資料來(lái)自湖北省水文水資源局.

2 研究方法

2.1 標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)

Vicente-Serrano等[24]在標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù) (SPI)[25]的基礎(chǔ)上提出SPEI，SPEI是對(duì)降水量與潛在蒸散量的差值序列的累積概率值進(jìn)行正態(tài)標(biāo)準(zhǔn)化后的指數(shù).SPEI計(jì)算步驟如下：(1) 采用Thornthwaite方法計(jì)算逐月潛在蒸散發(fā)量；(2) 計(jì)算逐月降水與蒸散量的差值，構(gòu)建不同時(shí)間尺度的累積序列；(3) 采用Log-logistic分布對(duì)時(shí)間序列進(jìn)行擬合，并對(duì)序列進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化轉(zhuǎn)化，獲得不同時(shí)間尺度的SPEI指數(shù). 本文以1、3、6和12個(gè)月時(shí)間尺度的SPEI指數(shù)分別表征月、季節(jié)、半年和年尺度的氣象干旱變化，利用泰森多邊形方法計(jì)算宜昌、漢口和大通水文站控制流域的面平均降水量、潛在蒸散發(fā)量和SPEI值. 采用氣象干旱等級(jí)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[26]進(jìn)行基于SPEI的干旱等級(jí)劃分，如表1所示.

2.2 標(biāo)準(zhǔn)化徑流指數(shù)

Shukla和Wood[27]提出的SRI是以SPI為理論依據(jù)，計(jì)算過(guò)程與SPI類似，但SRI等級(jí)閾值的選取應(yīng)考慮徑流量的實(shí)際情況. 為此，本文采用徑流量距平百分率 (Ir) 的2種分類方法[28-29]對(duì)實(shí)測(cè)徑流量進(jìn)行豐枯等級(jí)劃分 (表2)，以便準(zhǔn)確描述區(qū)域水文干旱情況. 基于SRI的水文干旱等級(jí)劃分的步驟如下[30]：(1) 利用2種分類方法計(jì)算不同時(shí)間尺度下各豐枯等級(jí)的徑流量距平百分率以及平均百分率；(2) 選擇枯水最低百分率為特旱概率，枯水平均百分率中其余部分為重旱概率，偏枯最低百分率為中旱概率，偏枯平均百分率中其余部分為輕旱概率，除此之外則為無(wú)旱概率，由此計(jì)算得到特旱、重旱、中旱、輕旱和無(wú)旱各等級(jí)的出現(xiàn)概率分別為1%、5%、15%、5%和74%；(3) 采用伽馬分布對(duì)SRI序列的頻率分布進(jìn)行擬合，并繪制累積頻率曲線，最終得到基于SRI的水文干旱等級(jí)劃分閾值 (表1).

表1 干旱等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)

表2 基于徑流量的豐枯等級(jí)劃分

2.3 游程理論

采用游程理論[31]識(shí)別氣象和水文干旱事件，確定每一場(chǎng)干旱發(fā)生的干旱特征變量，如干旱歷時(shí)、干旱烈度和烈度峰值等. 其中，干旱歷時(shí)指單次干旱所持續(xù)的時(shí)間，干旱烈度指單次干旱事件中指標(biāo)值與臨界值差值的累積和，烈度峰值指單次干旱事件中指標(biāo)值與臨界值差值的最大值. 在對(duì)干旱過(guò)程的識(shí)別中，需要對(duì)小干旱事件進(jìn)行過(guò)濾以及多個(gè)干旱事件進(jìn)行合并，具體過(guò)程如下：(1) 設(shè)定3個(gè)臨界值R0、R1和R2(R0、R1和R2分別取0、-0.3和-0.5)，當(dāng)干旱指標(biāo)值R小于R1時(shí)，則初步認(rèn)為此月為干旱月；(2) 若某干旱事件干旱歷時(shí)為1且R大于R2時(shí)，則此月為小干旱事件，可認(rèn)為沒(méi)有發(fā)生干旱，將其剔除；(3) 若2次干旱過(guò)程間隔僅為1個(gè)月，且間隔期的R值小于R0，則可以將二者合一，看作1次干旱事件，干旱歷時(shí)為第1次事件開始至第2次事件結(jié)束 (包括間隔期)，干旱烈度為兩次干旱事件的烈度之和，烈度峰值為兩次干旱事件的烈度峰值最大值，否則為2次獨(dú)立干旱過(guò)程.

圖2 宜昌(a)、漢口(b)和大通(c)水文站12個(gè)月時(shí)間尺度SRI的時(shí)間變化Fig.2 Temporal variation of SRI series at the 12-month timescale for Yichang (a), Hankou (b) and Datong (c) hydrological stations

3 結(jié)果與討論

3.1 水文干旱時(shí)間變化

通常時(shí)間尺度越小，干旱指數(shù)隨時(shí)間變化越顯著，波動(dòng)幅度就越大. 12個(gè)月時(shí)間尺度的SRI變化相對(duì)穩(wěn)定，反映了水文干旱的年際變化特征. 由圖2可知，1960-2016年宜昌、漢口和大通站分別發(fā)生14、15和13次，其中2003-2016年間分別發(fā)生7、4和5次，3個(gè)站最大干旱歷時(shí)分別為13、13和26個(gè)月，分別出現(xiàn)在2006 年8月-2007年8月、2006年9月-2007年9月和2006年9月-2008年10月. 總的來(lái)看，3個(gè)站均在2006-2007年發(fā)生嚴(yán)重的干旱事件，其中以宜昌站旱情最重，其次是漢口站. 1979年較2006-2007年的旱情次之，該年以漢口站旱情最為嚴(yán)重，為特旱，宜昌和大通站也在該年發(fā)生較為嚴(yán)重的干旱，旱情均為重旱. 據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道[32-33]，2006年6-8月，長(zhǎng)江上游出現(xiàn)極端高溫干旱，降水較常年同期偏少30%～50%，導(dǎo)致長(zhǎng)江上游來(lái)水量大幅下降；8-10月洞庭湖和鄱陽(yáng)湖水系持續(xù)近3個(gè)月干旱少雨，較常年同期偏少40%～50%，導(dǎo)致長(zhǎng)江中下游水位持續(xù)走低，宜昌和漢口站出現(xiàn)水文資料記錄以來(lái)的歷史最低值和次低值. Li等[20]研究表明宜昌站與三峽水庫(kù)入庫(kù)控制站寸灘站的水文干旱指數(shù)序列呈現(xiàn)顯著的正相關(guān)關(guān)系，認(rèn)為降水異常偏少是造成2006-2007年長(zhǎng)江中下游極端干旱事件的主要原因.

1個(gè)月尺度SRI能反映水文干旱的年內(nèi)變化特征. 由圖3來(lái)看，在2003年特別是2009年以后3個(gè)水文站冬季和春季各月SRI的綠色或黃色區(qū)域呈現(xiàn)明顯增加趨勢(shì)，而秋季各月SRI的紅色區(qū)域呈小幅增加趨勢(shì)，其中宜昌站表現(xiàn)尤為顯著. 枯水期三峽水庫(kù)通過(guò)增加下泄流量減緩下游旱情，如2009年長(zhǎng)江中下游地區(qū)遭遇嚴(yán)重旱情，三峽水庫(kù)10月份停止試驗(yàn)性蓄水過(guò)程，加大出庫(kù)流量，有效緩解了長(zhǎng)江中下游的旱情. 同時(shí)，汛后水庫(kù)蓄水期 (9月中下旬至10月末) 減少出庫(kù)流量，有可能使長(zhǎng)江中下游提前進(jìn)入枯水季節(jié). 2003年以來(lái)三峽水庫(kù)采取分期蓄水運(yùn)行方式[34]，2003年6月-2006年9月為圍堰蓄水期，庫(kù)水位為135 (汛期)～139 m (非汛期)；2006年9月-2008年8月為初期運(yùn)行期，庫(kù)水位為143.9～156 m，2008年汛末開始175 m試驗(yàn)性蓄水運(yùn)用，因受2009年旱情影響，2010年10月底才蓄至175 m. 總之，三峽水庫(kù)蓄水運(yùn)行后長(zhǎng)江中下游控制站冬春季旱情明顯趨緩，而秋季各站干旱狀況略有加重. Lin等[35]研究表明，水庫(kù)運(yùn)行調(diào)控對(duì)郁江和紅水河冬春季旱情的緩解作用顯著，但秋季干旱狀況明顯加重，其中9月和10月紅水河干旱烈度分別增加41.9%和160.9%.

圖3 宜昌(a)、漢口(b)和大通(c)水文站1個(gè)月時(shí)間尺度SRI熱點(diǎn)圖 (顏色條表示SRI值，綠色和黃色表示無(wú)旱或輕旱，紅色表示重旱或特旱)Fig.3 Heatmap of the monthly SRI series at Yichang (a), Hankou (b) and Datong (c) hydrological stations

3.2 水庫(kù)影響下水文干旱演變特征

3.2.1 水文干旱特征變量 為分析三峽水庫(kù)影響下長(zhǎng)江中下游控制站水文干旱演變特征，分別繪制三峽水庫(kù)蓄水前后宜昌、漢口和大通站不同時(shí)間尺度水文干旱特征變量的箱線圖 (圖4). 由圖4可以看出，蓄水前后3個(gè)水文站不同時(shí)間尺度水文干旱特征變量的變化雖然不完全趨于一致，但蓄水后各站干旱烈度和烈度峰值的均值總體呈增加趨勢(shì)，干旱歷時(shí)則表現(xiàn)為有增有減. 就干旱歷時(shí)而言，蓄水前后3個(gè)站干旱歷時(shí)均值相對(duì)變幅總體較小，其中宜昌站1和3個(gè)月、漢口站12個(gè)月以及大通站6個(gè)月時(shí)間尺度的干旱歷時(shí)平均值有所減少，3個(gè)站其他時(shí)間尺度的干旱歷時(shí)均值則呈增加趨勢(shì)；從干旱烈度來(lái)看，除了大通站6和12個(gè)月尺度的干旱烈度均值略有減少以外，蓄水后各站其他時(shí)間尺度的干旱烈度均值總體呈現(xiàn)明顯增加趨勢(shì)，其中大通站1和3個(gè)月尺度干旱烈度均值的增幅明顯高于宜昌和漢口站，而宜昌和漢口站6和12個(gè)月尺度干旱烈度均值的相對(duì)變幅則高于大通站；就烈度峰值而言，蓄水后3個(gè)站不同時(shí)間尺度的烈度峰值均值整體表現(xiàn)為增加趨勢(shì)，僅漢口站12個(gè)月時(shí)間尺度的烈度峰值均值小幅減少.

圖4 三峽水庫(kù)運(yùn)行影響前后宜昌 (a～c)、漢口 (d～f) 和大通(g～i)水文站的水文干旱特征變量箱線圖Fig.4 Box-plots of hydrological drought variables at Yichang (a-c), Hankou (d-f) and Datong (g-i) hydrological stations before and after the operation of the Three Gorges Reservoir (TGR)

總體而言，蓄水后3個(gè)站干旱烈度和烈度峰值的平均值整體明顯增加，如蓄水前6個(gè)月時(shí)間尺度宜昌站干旱烈度和烈度峰值的均值分別為1.92和0.64，蓄水后宜昌站干旱烈度和烈度峰值的均值分別增至3.74和0.90，增幅分別為94.8%和40.6%；蓄水前6個(gè)月尺度漢口站干旱烈度和烈度峰值的均值分別為1.89和0.53，蓄水后漢口站干旱烈度和烈度峰值的均值分別增至4.08和0.87，增幅分別為115.9%和64.2%，說(shuō)明水庫(kù)蓄水后干旱期下游河道缺水總量和最大缺水量增加，這可能疊加了極端降水事件增加和人類活動(dòng)干擾 (如水庫(kù)徑流調(diào)節(jié)、河道外取用水等)的共同影響. 另外，從蓄水前后3個(gè)站干旱特征變量的空間演變趨勢(shì)來(lái)看，短時(shí)間尺度 (1和3個(gè)月) 干旱歷時(shí)、烈度和烈度峰值的變幅總體呈現(xiàn)沿程增加趨勢(shì)，而長(zhǎng)時(shí)間尺度 (6和12個(gè)月) 干旱特征變量的變幅整體表現(xiàn)為沿程減少趨勢(shì).

3.2.2 水文干旱發(fā)生頻率 從圖5可知，1、3和6個(gè)月時(shí)間尺度上，蓄水后宜昌、漢口和大通站輕旱、中旱和重旱發(fā)生頻率均有所減少，其中中旱發(fā)生頻率的減幅最大，其次為輕旱；同時(shí)，蓄水后3個(gè)站3和6個(gè)月時(shí)間尺度特旱發(fā)生頻率則略有增加；12個(gè)月時(shí)間尺度上，蓄水后宜昌站輕旱和特旱發(fā)生頻率增加，中旱和重旱發(fā)生頻率減少；漢口站輕旱、中旱和重旱發(fā)生頻率均有下降，特旱發(fā)生頻率略有增加；大通與漢口站類似，輕旱、中旱和重旱發(fā)生頻率均有下降，特旱發(fā)生頻率不變. 總的來(lái)說(shuō)，三峽水庫(kù)蓄水后3個(gè)站中旱和重旱發(fā)生頻率均呈減少趨勢(shì)，其中中旱減幅明顯，而特旱發(fā)生頻率則總體表現(xiàn)為小幅增加趨勢(shì). Li等[20]和Yu等[22]的研究結(jié)果顯示，三峽水庫(kù)蓄水后宜昌站特旱發(fā)生頻率整體表現(xiàn)為增加趨勢(shì)，這可能主要與流域降水異常偏少有關(guān).

圖5 三峽水庫(kù)運(yùn)行前后宜昌、漢口和大通水文站不同時(shí)間尺度水文干旱發(fā)生頻率Fig.5 Hydrological drought frequency at different timescales at Yichang, Hankou and Datong hydrological stations during the pre-TGR and the post-TGR periods

3.3 水庫(kù)影響下水文干旱對(duì)氣象干旱的響應(yīng)

3.3.1 水文干旱與氣象干旱的相關(guān)性 由圖6可知，隨著時(shí)間尺度的增加，三峽水庫(kù)蓄水后宜昌、漢口和大通站SRI與SPEI的相關(guān)系數(shù)均表現(xiàn)為增加趨勢(shì)，12個(gè)月時(shí)間尺度的相關(guān)系數(shù)達(dá)到最高，宜昌、漢口和大通站分別為0.85、0.80和0.79，均通過(guò)0.01顯著性水平檢驗(yàn)，說(shuō)明長(zhǎng)時(shí)間尺度 (12個(gè)月) 水文干旱對(duì)氣象干旱的響應(yīng)較為敏感. 已有研究表明[36]，1個(gè)月尺度的干旱指數(shù)能夠準(zhǔn)確反映該時(shí)期土壤含水量的變化情況，而12個(gè)月尺度的干旱指數(shù)則能很好地反映河川徑流量、地下水含水量和湖庫(kù)蓄水量狀況. 從三峽水庫(kù)蓄水前后SRI與SPEI相關(guān)系數(shù)的變化趨勢(shì)來(lái)看，蓄水后各站1和3個(gè)月時(shí)間尺度的相關(guān)性明顯減小，但隨著時(shí)間尺度的增加而相關(guān)性迅速增大，3個(gè)站12個(gè)月時(shí)間尺度的相關(guān)系數(shù)均略高于蓄水前，說(shuō)明水庫(kù)調(diào)節(jié)作用導(dǎo)致下游河道徑流對(duì)降水變化的響應(yīng)關(guān)系發(fā)生明顯變化，并且不同時(shí)間尺度上的響應(yīng)敏感性存在差異.

圖6 三峽水庫(kù)蓄水前后宜昌(a)、漢口(b)和大通(c)水文站SRI與SPEI的相關(guān)系數(shù)Fig.6 Correlation coefficients between SRI and SPEI series at Yichang (a), Hankou (b) and Datong (c) hydrological stations during the pre-TGR and the post-TGR periods

由圖7可知，1960-2016年長(zhǎng)江中下游宜昌、漢口和大通站SRI和SPEI的相關(guān)系數(shù)呈現(xiàn)較為明顯的年內(nèi)變化，其中短時(shí)間尺度 (1、3個(gè)月) 的年內(nèi)變化較為顯著，且汛期 (5-9月) 的相關(guān)系數(shù)總體高于非汛期 (10-4月)，這可能與汛期集中降水相關(guān)，使得汛期徑流對(duì)降水的響應(yīng)通常明顯快于非汛期；而長(zhǎng)時(shí)間尺度 (6、12個(gè)月) 尤其是12個(gè)月尺度的年內(nèi)變化相對(duì)較小，且相關(guān)系數(shù)總體大于短時(shí)間尺度. 從蓄水前后各站點(diǎn)SRI和SPEI的年內(nèi)相關(guān)系數(shù)的變化來(lái)看，蓄水后各站的短時(shí)間尺度SRI和SPEI相關(guān)系數(shù)明顯減小，冬季表現(xiàn)尤為顯著，而長(zhǎng)時(shí)間尺度的變化不大或略有增加，這可能是由于隨時(shí)間尺度的增加，干旱歷時(shí)延長(zhǎng)，水庫(kù)的徑流調(diào)節(jié)效應(yīng)逐漸減弱，使得氣象干旱轉(zhuǎn)化為水文干旱的可能性增加. Wu等[16]研究表明，新豐江水庫(kù)蓄水后東江中游河源站1、3個(gè)月尺度水文干旱和氣象干旱相關(guān)性顯著降低.

圖7 三峽水庫(kù)蓄水前后宜昌 (a～c)、漢口 (d～f) 和大通站(g～i)水文站 不同時(shí)間尺度SRI與SPEI年內(nèi)相關(guān)系數(shù)Fig.7 Intra-annual correlation coefficients between SRI and SPEI series at different timescales for Yichang (a-c), Hankou (d-f) and Datong (g-i) hydrological stations during the pre-TGR and the post-TGR periods

3.3.2 水文干旱對(duì)氣象干旱響應(yīng)的時(shí)滯性 通常，氣象干旱與水文干旱二者并不同時(shí)發(fā)生，存在一定的滯后現(xiàn)象. 從圖8可以看出，3個(gè)月尺度下3個(gè)站水文干旱滯后于氣象干旱的平均天數(shù)有增有減，蓄水前宜昌、漢口和大通站的平均滯后天數(shù)分別為33、29和33 d，蓄水后3個(gè)站的平均滯后天數(shù)分別為26、38和48 d，說(shuō)明水庫(kù)影響下宜昌站滯后天數(shù)有所減少，漢口和大通站滯后天數(shù)則呈現(xiàn)較明顯增加；6個(gè)月尺度下各站的平均滯后天數(shù)均顯著增加，其中漢口和大通站增幅尤為明顯，分別從蓄水前的8、10 d增加到蓄水后的73和132 d；12個(gè)月尺度下宜昌站的平均滯后天數(shù)略有減少，漢口和大通站的平均滯后天數(shù)均明顯增加. 總的來(lái)看，宜昌站水文干旱滯后于氣象干旱天數(shù)的變幅相對(duì)較小，而漢口和大通站的滯后天數(shù)則顯著增加，說(shuō)明三峽水庫(kù)蓄水運(yùn)行對(duì)徑流過(guò)程的影響沿程逐漸減弱，使得下游各站水文干旱的響應(yīng)時(shí)間逐漸延長(zhǎng). 一般而言，氣象干旱發(fā)展和結(jié)束較快，水文干旱則是氣象干旱進(jìn)一步發(fā)展的結(jié)果，延遲時(shí)間不僅受氣象因子影響，還取決于流域下墊面條件和人類活動(dòng)的干擾. Zhang等[15]研究顯示，由于淮河流域沙河上游昭平臺(tái)水庫(kù)的調(diào)蓄影響，水庫(kù)下游水文干旱滯后于氣象干旱的時(shí)間從建庫(kù)前不到1個(gè)月延長(zhǎng)到6～7個(gè)月.

圖8 三峽水庫(kù)蓄水前后宜昌(a～c)、漢口(d～f) 和大通(g～i)水文站 不同時(shí)間尺度水文干旱滯后于氣象干旱的平均天數(shù)Fig.8 The average days of hydrological drought lagging behind meteorological drought at Yichang (a-c), Hankou (d-f) and Datong (g-i) hydrological stations at different timescales during the pre-TGR and the post-TGR periods

3.4 討論

為進(jìn)一步探究三峽水庫(kù)蓄水運(yùn)行對(duì)下游水文干旱的影響，利用2006年8月-2012年6月三峽水庫(kù)月平均出、入庫(kù)流量及相應(yīng)時(shí)段宜昌站SRI值進(jìn)行比較，如圖9所示. 2006 年8月-2007年8月長(zhǎng)江流域發(fā)生嚴(yán)重干旱事件，2006年8月宜昌站SRI值達(dá)-1.71，達(dá)到重旱水平，2006年9-11月實(shí)施初期蓄水方案，三峽水庫(kù)月平均入庫(kù)流量大于出庫(kù)流量，宜昌站的旱情有所加重，11月后入庫(kù)和出庫(kù)流量基本達(dá)到平衡. 隨著長(zhǎng)江中下游旱情持續(xù)加劇，2007年2-3月宜昌站旱情達(dá)到特旱水平，三峽水庫(kù)實(shí)施應(yīng)急補(bǔ)水調(diào)度，增加水庫(kù)下泄流量，有效緩解了水庫(kù)下游的旱情. 自2008年三峽水庫(kù)啟動(dòng)175 m試驗(yàn)性蓄水以來(lái)，每年水庫(kù)水位在145～175 m之間變動(dòng)，5月下旬-6月中旬庫(kù)水位由155 m降至汛限水位145 m，出庫(kù)流量增加，實(shí)施騰空庫(kù)容預(yù)泄調(diào)度；7-8月水庫(kù)按防洪限制水位145 m運(yùn)行，維持出、入庫(kù)流量平衡，僅在發(fā)生較大洪水時(shí)削峰調(diào)洪，洪峰過(guò)后再降至145 m，實(shí)施防洪補(bǔ)償調(diào)度；9月中旬-10月下旬庫(kù)水位從145 m逐漸升高至正常蓄水位175 m，出庫(kù)流量減少，實(shí)施蓄水運(yùn)行調(diào)度；12月-次年3月庫(kù)水位從175 m逐漸下降至155 m，持續(xù)增加出庫(kù)流量，實(shí)施枯期補(bǔ)水調(diào)度，以滿足下游供水、航運(yùn)和生態(tài)需求. 由此來(lái)看，三峽水庫(kù)運(yùn)行能減少蓄水期和汛末徑流量，增加枯水期徑流量，即通過(guò)蓄洪補(bǔ)枯作用可以減輕冬春出現(xiàn)的旱情，但也有可能因汛末蓄水減少河道徑流量，加重下游水文干旱程度，使得洞庭湖和鄱陽(yáng)湖枯水期提前[19,37]，加劇汛末蓄水和下游抗旱補(bǔ)水的矛盾，因此選擇三峽水庫(kù)合理的汛末蓄水時(shí)機(jī)有利于充分發(fā)揮水庫(kù)的整體效益.

圖9 2006年8月-2012年6月三峽水庫(kù)月平均出、入庫(kù)流量及宜昌站SRI的時(shí)間變化Fig.9 Monthly average inflow and outflow of the TGR and temporal variation in SRI series at Yichang station from August 2006 to June 2012

由圖10可知，在干旱期(發(fā)生干旱的月份)，三峽水庫(kù)月平均入庫(kù)流量、出庫(kù)流量及宜昌站月平均流量分別為10715、10801和10767 m3/s，三峽水庫(kù)出庫(kù)流量大于入庫(kù)流量，水庫(kù)下游宜昌站月平均流量高于水庫(kù)入庫(kù)流量，即在水庫(kù)的調(diào)蓄作用下，一定程度減緩了宜昌站的水文干旱狀況. 在非干旱期(未發(fā)生干旱的月份)，三峽水庫(kù)月平均入庫(kù)流量、出庫(kù)流量及宜昌站月平流量分別為13514、13354和13411 m3/s，三峽水庫(kù)入庫(kù)流量大于出庫(kù)流量，即水庫(kù)在豐水時(shí)期合理蓄水以應(yīng)對(duì)枯水期水庫(kù)下游的干旱缺水問(wèn)題.

圖10 2005-2016年干旱期和非干旱期三峽水庫(kù)月平均出庫(kù)、入庫(kù)流量及宜昌站月平均流量Fig.10 Monthly average inflow and outflow of the TGR and monthly average streamflow of Yichang station during drought and non-drought periods from 2005 to 2016

總的來(lái)說(shuō)，水庫(kù)通過(guò)徑流調(diào)節(jié)來(lái)增加干旱期可供水量，對(duì)緩解旱情具有重要作用，但是受水庫(kù)運(yùn)行方式、流域水資源供需矛盾等因素的影響，水庫(kù)運(yùn)行對(duì)下游水文干旱的負(fù)面影響不容忽視. 如流域上游地區(qū)通過(guò)水庫(kù)徑流調(diào)節(jié)作用來(lái)滿足區(qū)域用水需求，使得河道徑流量減少，將加重下游地區(qū)的水文干旱程度，導(dǎo)致干旱強(qiáng)度與影響在空間上發(fā)生轉(zhuǎn)移[9]. 因此，加強(qiáng)水利工程規(guī)劃與運(yùn)行管理對(duì)于變化環(huán)境下干旱風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)對(duì)十分必要，避免過(guò)度依賴水庫(kù)而增加供水系統(tǒng)脆弱性，從而增加極端干旱造成的潛在損失[38].

4 結(jié)論

采用SPEI和SRI分別表征氣象干旱和水文干旱，分析了三峽水庫(kù)蓄水運(yùn)行前后長(zhǎng)江中下游宜昌、漢口和大通站的水文干旱演變特征，探討了水文干旱與氣象干旱的相關(guān)性及滯后效應(yīng)，得到以下主要結(jié)論:

1)三峽水庫(kù)運(yùn)行改變了長(zhǎng)江中下游水文干旱情勢(shì)，冬春季旱情明顯趨緩，而秋季干旱狀況略有加重；蓄水前后3個(gè)站干旱歷時(shí)變幅相對(duì)較小，而干旱烈度和烈度峰值增幅較大，反映了干旱時(shí)期下游河道缺水量和最大缺水量明顯增加. 同時(shí)，各站短時(shí)間尺度 (1、3個(gè)月) 干旱特征變量的變幅總體呈現(xiàn)沿程遞增趨勢(shì)，而長(zhǎng)時(shí)間尺度 (6、12個(gè)月) 的變幅整體表現(xiàn)為沿程遞減趨勢(shì).

2)三峽水庫(kù)蓄水后各站SRI與SPEI的相關(guān)性減小，但隨時(shí)間尺度的增加而相關(guān)性明顯增大，12個(gè)月時(shí)間尺度的相關(guān)系數(shù)達(dá)到最大并略高于蓄水前；年內(nèi)相關(guān)性上，短時(shí)間尺度的年內(nèi)相關(guān)系數(shù)明顯減小，冬季表現(xiàn)尤為突出，而長(zhǎng)時(shí)間尺度的變化不大或略有增加，說(shuō)明隨著時(shí)間尺度的增加，水庫(kù)的徑流調(diào)節(jié)效應(yīng)逐漸減弱，使得氣象干旱轉(zhuǎn)化為水文干旱的可能性增加.

3)三峽水庫(kù)影響下宜昌站水文干旱滯后于氣象干旱天數(shù)的變幅不大，而漢口和大通站的滯后天數(shù)則顯著增加，且滯后天數(shù)整體表現(xiàn)為沿程遞增趨勢(shì)，說(shuō)明水庫(kù)蓄水運(yùn)行對(duì)下游徑流過(guò)程的影響沿程逐漸降低，導(dǎo)致水文干旱對(duì)氣象干旱的響應(yīng)時(shí)間沿程自上而下有所延長(zhǎng).

4)三峽水庫(kù)通過(guò)蓄豐補(bǔ)枯有效緩解了長(zhǎng)江中下游冬春季旱情，但有可能加重汛末蓄水和下游抗旱供水的矛盾，建議加強(qiáng)水庫(kù)運(yùn)行管理及優(yōu)化調(diào)度，充分發(fā)揮三峽水庫(kù)的綜合效益.

水文干旱受氣候變化和人類活動(dòng)雙重驅(qū)動(dòng)的影響. 氣候變化通過(guò)改變區(qū)域氣溫、降水、蒸散發(fā)等要素導(dǎo)致氣象干旱發(fā)生，進(jìn)而影響下墊面水分收支狀況，引發(fā)流域水文干旱. 而水庫(kù)修建、跨流域調(diào)水、土地利用與覆被變化 (LUCC) 等人類活動(dòng)對(duì)水循環(huán)過(guò)程產(chǎn)生深刻影響，從而影響水文干旱的形成和發(fā)展. 本文僅分析大型水庫(kù)蓄水運(yùn)行影響下水文干旱演變特征，今后還需要進(jìn)一步定量研究各驅(qū)動(dòng)因素對(duì)水文干旱演變的作用機(jī)制及貢獻(xiàn)率.