水利工程影響下的宜昌站枯水期水位流量分析

龐樹森，陳榮波，彭付近，胡 翔，謝志剛

(1.中國長江電力股份有限公司，湖北 宜昌 443133；2.智慧長江與水電科學(xué)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 宜昌 443133；3.中國電建集團(tuán)昆明勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，云南 昆明 650051；4.宜昌市水文局，湖北 宜昌 443000)

水利工程的興建與投運(yùn)改變了原有河流形勢，給流域防洪、航運(yùn)、發(fā)電、生態(tài)等方面帶來積極的影響[1-2]。水利工程運(yùn)用后汛期通過攔蓄、削峰、錯(cuò)峰等手段減輕了洪水災(zāi)害損失，枯水期通過發(fā)電增加下泄補(bǔ)水調(diào)度，提高了下游河道的水位和流量，使水量在年內(nèi)實(shí)現(xiàn)再分配[2-4]。同時(shí)水庫蓄水運(yùn)行后，下泄水流一般為清水，會(huì)對下游河道產(chǎn)生一定的沖刷，改變沖刷河道的水位流量關(guān)系[5]。隨著長江流域經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展，水資源供需矛盾逐漸顯現(xiàn)，生態(tài)環(huán)境保護(hù)、航運(yùn)安全、供水等需求逐步提升[6-8]。尤其是枯水期，流量小，水位低，受水庫調(diào)蓄作用影響大，是流域河道研究的重點(diǎn)?？菟谒缓土髁渴呛拥劳ê綏l件和生態(tài)最小流量的重要指標(biāo)，枯水期水位流量變化研究是水文學(xué)研究的重要組成[9]。

三峽水庫蓄水運(yùn)用后，國內(nèi)諸多學(xué)者開展了三峽水庫調(diào)度與長江中下游影響的分析研究，以往研究多集中在三峽水庫對中下游防洪形勢的影響[10-12]，而對宜昌站枯水期水位提高程度和長期運(yùn)行對河道影響變化分析不足，研究進(jìn)展落后于洪水的研究。本文主要分析在三峽和葛洲壩水利工程影響下宜昌水文站枯水期水位流量不同量化指標(biāo)的變化，旨在揭示水利工程對長江干流枯水期的影響程度，為流域水資源高效利用、水生態(tài)保護(hù)和航運(yùn)安全提供基礎(chǔ)信息參考。

1 研究區(qū)域及數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)域

研究區(qū)域主要為長江干流三峽工程、葛洲壩工程及其下游宜昌水文站。宜昌水文站是長江上游和中游的分界點(diǎn)，也是長江干流重要的控制站，距上游葛洲壩工程6 km，三峽工程44 km。葛洲壩水利樞紐1971年5月開工興建，1972年12月停工，1974年10月復(fù)工，1988年12月全部竣工[13]。三峽水利樞紐1994年正式動(dòng)工興建，2003-06-01日蓄水發(fā)電，2008年開始試驗(yàn)性蓄水，2010年10月首次蓄水至正常蓄水位175.0 m。

1.2 資料和分段方法

研究以宜昌水文站1962～2021年的實(shí)測水文資料為研究基礎(chǔ)。

根據(jù)三峽、葛洲壩水利工程投運(yùn)的不同階段，將研究時(shí)段劃分為：第一階段：葛洲壩水庫運(yùn)用前(1962～1980年)；第二階段：葛洲壩水庫運(yùn)用后和三峽水庫運(yùn)用前(1981～2002年)；第三階段：三峽水庫運(yùn)用后(2003～2021年)。根據(jù)三峽、葛洲壩水利樞紐運(yùn)行特點(diǎn)及長江上游流域降雨徑流特征，將每年的6月至次年5月定義為一個(gè)水文年(以下年份均為水文年)，其中，將11月至次年5月定義為該水文年的枯水期[14]。

2 宜昌站水位流量變化分析

2.1 流量變化趨勢及突變分析

2.1.1 趨勢分析

M-K趨勢檢驗(yàn)法是一種非參數(shù)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)法，對流量序列的秩而非數(shù)值客觀地檢驗(yàn)流量序列的變化趨勢，避免個(gè)別極大值和極小值對結(jié)果的影響。利用雙邊檢驗(yàn)對數(shù)據(jù)進(jìn)行檢驗(yàn)，計(jì)算統(tǒng)計(jì)量Z，當(dāng)Z>0時(shí)，表示流量序列呈現(xiàn)上升的趨勢；當(dāng)Z<0時(shí)，表示流量序列呈現(xiàn)下降的趨勢。給定顯著性水平α=0.05，Z1-α/2=1.96，若|Z|≥Z1-α/2，說明變化趨勢顯著，反之若|Z|U(0.05/2)=1.96，說明上漲趨勢顯著，變化趨勢見圖1。三峽工程運(yùn)行前宜昌站枯水期平均流量變化趨勢不明顯，三峽工程投運(yùn)后上漲趨勢明顯。從三峽水庫圍堰蓄水發(fā)電期、156 m運(yùn)行期到175 m試驗(yàn)性初期運(yùn)行期，水庫對枯水期的調(diào)節(jié)能力逐步加強(qiáng)，宜昌站枯水期平均流量不斷增加。

圖1 宜昌站1962～2020年枯水期平均流量變化趨勢圖

2.1.2 突變分析

M-K突變分析是一種用來分析長時(shí)間水文序列突變檢驗(yàn)的方法。計(jì)算宜昌站1962～2020年枯水期平均流量順序時(shí)間序列的秩序列UFK以及逆序時(shí)間序列的秩序列UBK。取顯著性水平a=0.05，則臨界值為U0.05=±1.96，將UFK與UBK兩個(gè)統(tǒng)計(jì)量序列曲線與U0.05=±1.96兩條直線繪制在一個(gè)坐標(biāo)系上，見圖2。若UFK與UBK出現(xiàn)交叉點(diǎn)，且交叉點(diǎn)在臨界線之間，則交叉點(diǎn)對應(yīng)的時(shí)刻便是突變開始的時(shí)間。圖2中UFK與UBK在2013年發(fā)生交叉，說明宜昌站枯水期平均流量長系列在2013年前后均值發(fā)生顯著跳躍。1962～2012年宜昌站枯水期平均流量為6 780 m3/s，2013～2020年平均流量為9 340 m3/s，平均流量增加37.8%，主要原因是2010年三峽水庫首次蓄水至正常蓄水位175 m，枯水期持續(xù)向下游補(bǔ)水，增加了下游河道流量，充分發(fā)揮興利效益。

圖2 宜昌站1962～2020年枯水期平均流量突變檢驗(yàn)圖

2.2 枯水期徑流占比變化分析

徑流占比是反映年內(nèi)水量分配的重要指標(biāo)之一[15-17]，計(jì)算宜昌站枯水期徑流量占全年的徑流量的比例，統(tǒng)計(jì)三個(gè)分析時(shí)段的變化曲線斜率，見圖3。第一個(gè)時(shí)段(1962～1980年)枯水期占比呈下降趨勢，第二個(gè)階段(1981～2002年)占比呈上漲趨勢，第三個(gè)階段(2003～2020年)占比呈明顯上漲趨勢。其中第三階段平均占比比第一階段增加了28.6%，第二階段平均占比與第一階段相同，說明葛洲壩工程對宜昌站年內(nèi)來水分配影響不明顯，三峽工程對宜昌站年內(nèi)徑流分配影響較大。圖3中1998年枯水期徑流占比最小，2011年徑流占比最大，近幾年中，2012年、2020年占比較其他年份占比小，而這兩年長江上游均發(fā)生較大洪水過程，說明中、豐水年的枯水期徑流占比相對于枯水年偏小。

圖3 宜昌站1962～2020年枯水期徑流占比變化圖

2.3 枯水期水位流量關(guān)系

宜昌站枯水期水位流量關(guān)系主要受上游電站調(diào)蓄來水影響，水位流量關(guān)系一般為單一曲線關(guān)系。選取2003、2010、2016、2018年和2020年擬合三峽水庫蓄水運(yùn)用后宜昌站水位流量關(guān)系，見圖4。水庫蓄水后清水下切導(dǎo)致河道沖刷，改變了沖刷河道的水位流量關(guān)系，給中下游的供水形勢、通航條件以及生態(tài)環(huán)境帶來一定的影響?？菟谌龒{水庫庫水位從正常高水位175.0 m逐步消落至汛限水位145.0 m，平均增加下游流量1 200 m3/s，增加宜昌站水位0.35 m。

由圖4得知，三峽水庫運(yùn)用后，宜昌站水位流量關(guān)系曲線逐漸右偏，同流量下水位逐漸降低，同水位下宜昌站過流能力增強(qiáng)。近幾年(2016、2018、2020年)，當(dāng)流量小于12 000 m3/s時(shí)，水位流量關(guān)系變化不大；當(dāng)流量大于12 000 m3/s時(shí)，水位流量關(guān)系出現(xiàn)不同的發(fā)展趨勢。

圖4 宜昌水文站枯水期水位流量關(guān)系曲線

葛洲壩，三峽水庫蓄水運(yùn)行后，同流量下宜昌站水位呈現(xiàn)下降趨勢，見圖5。當(dāng)流量為10 000 m3/s時(shí)，第三階段較第二階段平均下降0.91 m，較第一階段下降1.95 m；流量為8 000 m3/s時(shí)，第三階段較第二階段平均下降0.95 m，較第一階段下降1.92 m；流量為6 000 m3/s時(shí)，第三階段較第二階段平均下降0.84 m，較第一階段下降1.74 m。對應(yīng)水位下降幅度隨著流量增加而增大。

圖5 宜昌站1962～2020年枯水期同流量下水位變化圖

2.4 年最低水位變化

年最低水位能夠反映最枯來水情況，最枯來水是制約生態(tài)基本流量和最低通航水位要求的基本要素。最低水位差(1962～2020年各年最枯水位與該期間各年最低水位平均值之差)累計(jì)變化值可以反應(yīng)水位年度變化趨勢過程。圖6為最低水位和最低水位差累積值變化過程，可知兩種變量變化基本一致，1962～2004年兩種變量整體均成下降趨勢，中間出現(xiàn)過兩次(1986、2001年)上浮，1986年后出現(xiàn)明顯的下降，是由于葛洲壩工程修建后壩下河道沖刷引起水位下降的結(jié)果。2005年后兩變量開始上漲，并于2008年后呈現(xiàn)穩(wěn)定趨勢，年最低水位維持在39～39.50 m之間，這是由于三峽水庫試驗(yàn)性蓄水后枯水期最小流量增加導(dǎo)致水位抬高的結(jié)果。

圖6 宜昌站1962～2020年枯水期最低水位及水位累計(jì)值變化圖

3 結(jié) 語

通過分析宜昌水位站枯水期平均流量趨勢變化和突變、同流量下水位變化及水位流量關(guān)系、最低水位變化，可得出以下結(jié)論：

1)宜昌站枯水期平均流量總體呈現(xiàn)上漲趨勢，葛洲壩工程對趨勢變化不顯著，三峽工程蓄水后，呈現(xiàn)明顯的上漲趨勢。通過突變檢驗(yàn)分析，在2013年徑流序列發(fā)生明顯的突變點(diǎn)，說明三峽試驗(yàn)性蓄水后，對下游的枯水補(bǔ)償能力較蓄水前有明顯的增強(qiáng)。

2)枯水期徑流占比第一、二階段變化不明顯，第三階段有明顯的變化，比第一階段平均占比增加28.6%。豐水年的枯水期占比小于枯水年的枯水期占比。

3)同流量下，宜昌站水位總體呈現(xiàn)下降趨勢，隨著流量增大，下降幅度增加。同流量下第二階段水位比第一階段下降近1.0 m，第三階段比第一階段下降接近2.0 m，第三階段末期比初期也有一定程度的下降，說明葛洲壩、三峽工程的運(yùn)行使下游水位流量關(guān)系發(fā)生顯著變化，水位流量過程線逐漸偏右，下游宜昌站過流能力增強(qiáng)。

4)年最低水位總體呈現(xiàn)“先降再升后穩(wěn)”的趨勢。三峽運(yùn)行后年最低水位逐步抬升，試驗(yàn)性蓄水后，宜昌站年最低水位維持在39.0～39.5 m之間。

本文僅考慮葛洲壩、三峽水庫的運(yùn)行對宜昌水文站枯水期水位流量變化的影響，未結(jié)合上游水庫群運(yùn)行進(jìn)行分析。隨著金沙江、雅礱江、嘉陵江流域新建水庫的投運(yùn)，勢必進(jìn)一步改變長江中上游徑流年內(nèi)分配，使下游各站水位流量關(guān)系發(fā)生新的變化，對航運(yùn)、生態(tài)產(chǎn)生影響。下一步需結(jié)合上游水庫運(yùn)用條件和聯(lián)合調(diào)度運(yùn)用后進(jìn)行研究。