金沙江下游流域旱澇特性分析

劉熙 黃鈺凱

摘 要：以烏東德水庫入庫流量作為研究對象，采用標(biāo)準(zhǔn)化徑流指數(shù)法對金沙江下游流域年度旱澇特征及年內(nèi)旱澇轉(zhuǎn)換特性進(jìn)行分析，構(gòu)建金沙江下游流域典型旱澇年份事件庫，初步探討了流域年內(nèi)旱轉(zhuǎn)澇、澇轉(zhuǎn)旱兩種典型模式時間范圍、發(fā)生強度等一般性規(guī)律，同步構(gòu)建了典型模式事件集。相關(guān)研究成果有助于提升對金沙江下游流域旱澇規(guī)律認(rèn)識，提升金沙江下游梯級水庫科學(xué)調(diào)度水平及風(fēng)險應(yīng)對能力，進(jìn)一步發(fā)揮梯級水庫綜合效益。

關(guān)鍵詞：金沙江；烏東德；旱澇特性；標(biāo)準(zhǔn)化徑流指數(shù)

中圖分類號：TV213 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引 言

全球氣候變暖背景下極端氣候事件趨多趨強。IPCC第6次評估報告[1-2]，在全球氣候變暖背景下，地球系統(tǒng)各個圈層發(fā)生了廣泛而迅速的變化，氣候系統(tǒng)各圈層的當(dāng)前狀態(tài)是過去幾個世紀(jì)甚至幾千年來前所未有的。全球氣候持續(xù)變暖加劇了氣候系統(tǒng)的不穩(wěn)定，造成極端天氣氣候事件頻發(fā)、強度增強。受全球氣候變化及人類活動共同影響，長江流域極端氣候事件頻發(fā)[3-4]，2020年流域性大洪水汛情嚴(yán)重[5-6]，三峽迎來建庫以來最大洪峰；2021年流域遭遇罕見秋汛；2022年夏季，長江流域遭遇有完整氣象觀測記錄以來最嚴(yán)重的氣象干旱[7-8]。極端氣候事件對流域防洪、供水、航運、生態(tài)安全造成了極大影響，威脅長江流域人民群眾生命財產(chǎn)安全。

近年來，國內(nèi)電力市場化進(jìn)程不斷加快，電網(wǎng)及發(fā)電公司對年度合同電量提出了越來越高的要求，如何合理制作中長期發(fā)電計劃成為關(guān)注焦點與研究熱點。因此，研究不同時間尺度梯級電站來水特性，結(jié)合不同調(diào)度時期預(yù)報偏差及難點分析成果，提出中長期徑流預(yù)報策略與建議，對準(zhǔn)確、科學(xué)地制定競爭力強的市場策略，提高水資源利用效率與梯級樞紐綜合效益具有重要意義。

金沙江是長江上游河段，因江中沙土呈黃色得名，發(fā)源于唐古拉山脈東段北支5 054 m的無名山地東北處，流域水系及控制性水庫群情況見圖1。金沙江下游流域作為長江流域重要組成部分，水能資源豐富，目前已建成烏東德、白鶴灘、溪洛渡、向家壩等四座水庫，總調(diào)節(jié)庫容208.21億m3，防洪庫容154.93億m3，裝機容量4 646萬kW，是長江流域防洪體系骨干性工程，同時也是“西電東送”重要電源。金沙江下游流域氣候形勢復(fù)雜，環(huán)境變化改變了流域水文特性，對梯級水庫流量預(yù)報及優(yōu)化調(diào)度造成了較大影響[9-10]。近年來，眾多學(xué)者就金沙江流域土壤物理性質(zhì)、持水能力、水土流失情況、氣溫、降雨、徑流等多項氣象水文及地理條件指標(biāo)進(jìn)行研究[11-15]。金沙江流域年平均、最低及最高氣溫均呈現(xiàn)上升趨勢，且展現(xiàn)出明顯的周期性及波動性。流域降水量具有周期性，且豐枯交替明顯。除秋季降雨呈輕微減少趨勢外，其他季節(jié)降雨呈現(xiàn)上升趨勢。在降水作為主要影響因素的前提下，金沙江流域水資源量在20世紀(jì)呈現(xiàn)上升趨勢。但進(jìn)入21世紀(jì)后，由于金沙江流域人類活動及蒸發(fā)量增加，水資源呈現(xiàn)下降趨勢。金沙江下游至三峽梯級電站間經(jīng)由云南、四川、湖北等多個省份，流域水情復(fù)雜，且隨著各水系開發(fā)的深入，上游水庫群調(diào)蓄對梯級電站影響日益增大。在這些不利因素影響下，徑流規(guī)律更難以探尋。來水的不確定性與水力發(fā)電所要求的嚴(yán)格的計劃性之間矛盾極為突出，為此，在原有固定氣象水文趨勢研究的基礎(chǔ)上，亟需對金沙江流域水資源變化情況進(jìn)行更深入的研究。

為充分了解金沙江下游流域水文年際、旬際變化形勢，分析豐枯變化情況，以金沙江下游烏東德壩址入庫流量（以下簡稱“入庫流量”）及天然入庫流量（以下簡稱“天然流量”）為研究對象，通過標(biāo)準(zhǔn)化徑流指數(shù)（Standard Runoff Index，SRI）分析年際極端情況及旬間水文差異，識別金沙江下游流域旱澇特性，為科學(xué)高效開展金沙江下游梯級水電站聯(lián)合調(diào)度，充分發(fā)揮綜合效益，實現(xiàn)水資源高效利用提供技術(shù)支撐。

1 研究方法

1.1 技術(shù)路線

水文數(shù)據(jù)采用烏東德水庫1959—2021年旬尺度壩址入庫流量序列?？紤]到金沙江下游流域旱澇特性同時受氣候環(huán)境變化與人類環(huán)境影響，為區(qū)分兩者影響，采用徑流還原方法，將烏東德水庫上游水庫群調(diào)蓄這一最為重要人類活動影響剝離，獲得烏東德水庫1959—2021年逐年、逐旬天然入庫流量序列。采用標(biāo)準(zhǔn)化徑流指數(shù)分析方法對壩址、天然兩套年尺度流量序列進(jìn)行分析，獲得典型旱澇年份庫（見圖2）。針對“旱澇急轉(zhuǎn)”這一影響梯級水庫調(diào)度的典型事件，采用旬尺度入庫流量、天然流量序列進(jìn)行分析，獲得“旱澇急轉(zhuǎn)”常遇時間點[16-18]。

1.2 標(biāo)準(zhǔn)化徑流指數(shù)（SRI）計算

研究采用標(biāo)準(zhǔn)化徑流指數(shù)。將1959—2021年各庫旬流量進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，確認(rèn)歷史最大豐枯轉(zhuǎn)換事件發(fā)生時刻及變化強度。標(biāo)準(zhǔn)化徑流指數(shù)[19-20]是基于逐日徑流值推算當(dāng)日旱澇程度的水文旱澇指標(biāo)。該指標(biāo)的計算采用長時間序列資料，將每年的同一時段流量集合作為研究序列。相關(guān)研究[21]表明，皮爾遜三型（Pearson III，P-III）分布滿足國內(nèi)大量徑流序列分布情況，因此，本次采用P-III分布來擬合區(qū)域年及旬平均流量，采用極大似然法估計分布參數(shù)，構(gòu)建對應(yīng)變量的邊緣分布，再尋求各流量對應(yīng)累積分布，基于正態(tài)化將各流量轉(zhuǎn)化為對應(yīng)無量綱指標(biāo)，即為SRI。具體構(gòu)建方法如下：

假定年最大洪峰流量序列服從P-III分布。假設(shè)序列平均流量為x，則其密度函數(shù)為：

利用求得的SRI值，可查找其對應(yīng)的旱澇等級（見表1）。

為使旱澇轉(zhuǎn)換程度可采用同一量綱進(jìn)行展示，豐枯轉(zhuǎn)換量采用相鄰旬SRI的差值表示。

2 結(jié)果及討論

2.1 典型豐枯年份分析

對烏東德1959—2021年共計63a均入庫流量及天然流量開展SRI計算與分析，獲得烏東德歷年年入庫流量SRI值變化情況（見圖3），同時依據(jù)分析結(jié)果，得到典型豐枯年份庫。由圖可知，烏東德最大流量出現(xiàn)于1998年，最大旬入庫流量為17 899 m3/s，出現(xiàn)于1998年8月中旬，最大旬天然流量為21 500 m3/s，出現(xiàn)于1998年中旬，年均入庫和天然流量分別為5 187 m3/s、5 188 m3/s，年SRI分別為2.22、2.19，均為特澇水平；最小入庫流量及最小天然流量出現(xiàn)年份存在差異，最小入庫流量出現(xiàn)于2006年12月下旬，最小旬流量為1 220 m3/s，年均流量為2 856 m3/s，年SRI為-1.7（重旱水平），最小天然流量出現(xiàn)于2011年4月下旬，最小旬流量為1 097 m3/s，年均流量為2 974 m3/s，年SRI為-1.58（重旱水平）。入庫流量及天然流量均顯示烏東德水資源歷史呈現(xiàn)輕微上升趨勢。從年尺度而言，烏東德入庫流量和天然流量豐枯特性基本一致，僅在部分年份受水庫初期蓄水等影響，呈現(xiàn)年際錯峰情況。同時，從1965年、1998年烏東德發(fā)生極端洪澇以及1994年、2006年、2011年發(fā)生極端干旱事件可以看出，相較于洪澇事件，極端干旱事件發(fā)生次數(shù)較多，但無特旱事件，且年際變化中旱澇交替具有一定周期性。表2給出了研究期具有代表性的旱澇年份，可知，金沙江下游流域特澇、重澇樣本相對較多，特旱樣本為0。

結(jié)合歷史資料，對特澇、特旱年份的歷史實際情況進(jìn)行研判。1998年夏季發(fā)生全流域特大暴雨洪水；1965年7月至8月上旬發(fā)生全國性洪澇災(zāi)害，且全年水資源豐沛。而在干旱方面，1994年夏季發(fā)生長江流域持續(xù)性干旱，干旱范圍較大，江淮流域部分地區(qū)伏旱嚴(yán)重；2011年是旱情較為嚴(yán)重的一年，2010年冬至2011年春，冬麥區(qū)發(fā)生嚴(yán)重干旱，2月上旬出現(xiàn)旱情高峰，夏季再次發(fā)生長江中上游嚴(yán)重干旱；2006年發(fā)生長江全流域型高溫干旱，川渝受災(zāi)明顯。與歷史記錄的對比結(jié)果可以說明本次研究結(jié)果與歷史實際情況較為吻合。

2.2 豐枯轉(zhuǎn)換時間分析

由于年內(nèi)旱澇形勢變化對梯級水庫調(diào)度影響較大，根據(jù)烏東德水庫1959—2021年旬尺度入庫流量、天然流量序列旬際SRI差值變化情況（見圖4）及各旬長系列差值均值變化情況（見圖5），按照旱轉(zhuǎn)澇、澇轉(zhuǎn)旱兩種模式，提煉歷史典型事件。發(fā)現(xiàn)旱澇事件在年內(nèi)具有較強的周期性，可認(rèn)為旱澇變化時間與入汛出汛時間基本吻合。深入分析相關(guān)結(jié)果，可知。

（1）6月下旬較6月中旬的SRI差值最大，而10月下旬較10月中旬的SRI差值最小?？梢哉J(rèn)為，金沙江下游流域旱轉(zhuǎn)澇轉(zhuǎn)換點為6月中旬至6月下旬，而澇轉(zhuǎn)旱轉(zhuǎn)換點為10月中旬至10月下旬。

（2）旱轉(zhuǎn)澇事件發(fā)生覆蓋時間段較廣（4—8月均有發(fā)生），其中6月發(fā)生頻次最高（見表3），烏東德上游汛期重點關(guān)注時間應(yīng)從6月開始；澇轉(zhuǎn)旱變化事件多發(fā)生在夏秋交界時刻，部分極端澇轉(zhuǎn)旱事件也發(fā)生于7—8月（見表4），這也說明烏東德區(qū)域的蓄水抗旱工作應(yīng)與防汛工作聯(lián)合考慮，確保水資源有效利用。

（3）旱轉(zhuǎn)澇事件發(fā)生強度較澇轉(zhuǎn)旱事件更為明顯，表明旱轉(zhuǎn)澇較澇轉(zhuǎn)旱更為劇烈。其中，旱轉(zhuǎn)澇事件最大SRI變化值約為1.3，旱轉(zhuǎn)澇事件最大SRI變化值約為0.8。

（4）上世紀(jì)發(fā)生大型旱澇轉(zhuǎn)換事件比例高于本世紀(jì)，烏東德水庫在歷史天然流量及入庫流量的枯豐轉(zhuǎn)換特性在水庫建設(shè)后發(fā)生明顯變化，可推測上游水庫群建成調(diào)蓄后，豐枯轉(zhuǎn)換強度減少，對長江上游水資源的穩(wěn)定起到了積極作用。

3 結(jié)論與展望

以烏東德水庫來水為分析對象，采用SRI方法分析歷史極端旱澇事件發(fā)生強度及時間，判斷烏東德水資源年內(nèi)變化過程特性，分析年內(nèi)旱澇轉(zhuǎn)換強度及其周期性，總結(jié)出年內(nèi)及旬間旱澇變化的規(guī)律。主要結(jié)論如下。

（1）提煉出金沙江下游流域典型豐枯年份庫，與歷史事件對比，證明年份庫合理性。

（2）金沙江下游流域旱轉(zhuǎn)澇轉(zhuǎn)換點為6月中旬至6月下旬，而澇轉(zhuǎn)旱轉(zhuǎn)換點為10月中旬至10月下旬，在后期調(diào)度工作中需重點防范關(guān)鍵轉(zhuǎn)換期風(fēng)險。

（3）烏東德以上水庫群調(diào)度運行一定程度上緩解了金沙江下游流域水資源旱澇急轉(zhuǎn)形勢。

同時研究存在一些不足：一是考慮到長江流域水庫梯級調(diào)度情況，僅考慮烏東德水資源變化量使得對上游水庫群調(diào)蓄時序影響定量分析不足。二是本研究主要對宏觀層面特性進(jìn)行了探討，未對歷史典型事件特征及成因進(jìn)行深入剖析。進(jìn)一步研究中擬引入關(guān)聯(lián)流域降雨量等關(guān)鍵氣象因子，分析氣象轉(zhuǎn)換規(guī)律。同時系統(tǒng)性開展上游水庫群調(diào)蓄作用對金沙江下游梯級水庫水文特征擾動規(guī)律研究，統(tǒng)合相關(guān)成果，區(qū)分氣候變化及人類活動影響對流域旱澇特性影響程度。針對典型旱澇年份及旱澇急轉(zhuǎn)時段，開展細(xì)化研究，明晰其產(chǎn)生原因。

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Drought and Flood Characteristics in the Lower Jinsha River Basin

LIU Xi，HUANG Yukai

（China Three Gorges Corporation，Wuhan 430010，China）

Abstract：With a focus on the inflow of Wudongde Reservoir，the annual drought and flood characteristics of the Lower Jinsha River Basin were analyzed by using the standardized runoff index method. The within-year transition patterns of drought and flood were also investigated. An event database of typical drought and flood years in the lower Jinsha River Basin was built. Moreover，the general patterns of two distinct scenarios：the transition from drought to flood and from flood to drought within a year，were examined. This includes identifying the time frames and intensity of occurrence. A set of typical pattern events was constructed simultaneously. The findings enhance our understandings of the patterns and dynamics of drought and flood in the lower Jinsha River basin，and contribute to improving the scientific scheduling and risk-response capabilities while maximizing the integrated benefits of cascade reservoirs.

Key words：Jinsha River；Wudongde；drought and flood characteristics；standardized runoff index