1970~2022年金沙江上中游河段徑流演變規(guī)律研究

摘要：金沙江上中游河段是中國規(guī)劃建設(shè)的重要水電能源基地，探究變化環(huán)境下金沙江上中游河川徑流演變規(guī)律對于促進(jìn)流域水資源高效利用與管理具有重要意義。采用非參數(shù)檢驗、滑動t檢驗法、小波功率法系統(tǒng)研究了金沙江上中游河段的徑流演變規(guī)律，并結(jié)合不均勻系數(shù)、完全調(diào)節(jié)系數(shù)、集中度和基尼系數(shù)等指標(biāo)綜合分析了梯級水庫建設(shè)運(yùn)行對金沙江中游河段徑流的影響。結(jié)果表明：1970～2022年間，金沙江上中游流域的年均流量呈現(xiàn)出不顯著上升趨勢；流域徑流從上游到中游增加幅度越來越大，中游河段的多年平均流量相較上游增加了24.5%，而徑流的突變點(diǎn)越來越滯后，且從上游到中游的徑流變化周期顯著性降低；梯級水庫的投運(yùn)與水庫的蓄洪補(bǔ)枯調(diào)節(jié)作用不僅使得中游河段來水量更加均勻，波動性減小，且河段徑流在豐水期水量下降，而枯水期水量增加，最小月均流量出現(xiàn)時間提前。 研究成果可為金沙江流域水資源優(yōu)化配置提供理論支撐。

關(guān) 鍵 詞：河川徑流；演變規(guī)律；水庫運(yùn)行；金沙江

中圖法分類號：TV121.2

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：ADOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.10.016

0 引 言

隨著氣候變化和人類活動影響的加劇，河川徑流的特征發(fā)生了一定改變，掌握河川徑流演變規(guī)律對流域水資源管理與高效利用具有重要價值^［1-3］。金沙江上中游河段河道狹窄，水流湍急，水電開發(fā)條件優(yōu)越，該河段承擔(dān)滇中調(diào)水、兩岸灌溉用水和遠(yuǎn)景“南水北調(diào)”西線調(diào)水任務(wù)，是中國規(guī)劃建設(shè)的重要水電基地^［4］。因此，研究金沙江上中游河川徑流的演變規(guī)律是金中河段水電開發(fā)的重要基礎(chǔ)^［5］。

近年來，許多學(xué)者對各大流域的河川徑流演變規(guī)律展開了大量研究。王國慶等^［6］針對1956～2018年間中國主要江河的徑流變化特征進(jìn)行了分析，研究發(fā)現(xiàn)除了長江流域的大通站之外，中國十大流域的代表性水文站年徑流量都呈現(xiàn)下降趨勢。舒章康等^［7］分析了1961～2018年中國主要江河的枯季徑流演變特征，并剖析了不同河流徑流演變的原因，研究發(fā)現(xiàn)長江流域枯季徑流增加十分顯著，而降水增加是其變化的主要原因。鮑振鑫等^［8］采用Mann-Kendall法探討了黃河上游、中游、下游流域的不同尺度徑流演變規(guī)律，結(jié)果表明除了黃河源區(qū)的徑流變化幅度較小之外，黃河流域的年尺度、季尺度徑流均呈現(xiàn)顯著的下降趨勢?？祦嗢o等^［9］以寸灘站為代表站研究了長江上游的徑流演變特征，結(jié)果表明長江上游的年均徑流呈現(xiàn)不顯著減小的趨勢。

金沙江流域作為中國重要的水電能源基地，其河川徑流演變規(guī)律也一直是學(xué)者們關(guān)心的熱點(diǎn)問題。馮勝航等^［10］采用水量平衡法還原了金沙江流域的天然徑流，并探究了金沙江流域天然徑流量的變化特征及其成因，研究發(fā)現(xiàn)氣候變化是金沙江流域徑流變化的主要影響因素。張小峰等^［11］系統(tǒng)研究了金沙江屏山站以上區(qū)域的年徑流量變化，結(jié)果表明降水是金沙江流域徑流變化的主要驅(qū)動因子，且石鼓站以上區(qū)段受降水影響最為明顯。郭衛(wèi)等^［12］采用RVA法分析了金沙江下游的水文情勢變化情況，研究表明現(xiàn)有梯級水庫的運(yùn)行會顯著改變金沙江下游的來水，尤其是枯季來水。

然而，目前針對金沙江上中游流域徑流演變規(guī)律的研究大部分聚焦在氣候變化對徑流的影響方面，系統(tǒng)探討梯級水庫運(yùn)行對金沙江徑流的影響研究相對較少。因此，本研究擬從趨勢性、突變性、周期性等多個方面分析金沙江上中游河段的河川徑流演變特征，剖析徑流演變規(guī)律，并結(jié)合多個指標(biāo)從年際、年內(nèi)等多個角度探討金沙江上中游梯級水庫運(yùn)行對流域徑流變化特征的影響，以期為金沙江流域的水資源高效利用和水資源管理提供參考和依據(jù)。

1 研究區(qū)域概況與資料來源

金沙江流域地處中國青藏高原、橫斷山區(qū)、云貴高原及四川盆地西部邊緣，位于東經(jīng)90°23′～104°37′，北緯24°28′～35°46′之間，流域集水面積約50萬km²，占長江上游流域控制總面積的近一半。流域地勢西高東低，由西北逐漸向東南傾斜^［13-14］。金沙江干流一般分為上、中、下3 段，上游為直門達(dá)至石鼓段，中游為石鼓至攀枝花段，下游為攀枝花至宜賓段（圖1）。流域南北縱越，橫跨十余個經(jīng)度及緯度，地形地貌極為復(fù)雜，氣候特征差異極大^［15］。流域多年平均降水量約在250～1 200 mm之間，多年平均氣溫在-5～20 ℃之間，降水和冰川融雪是流域徑流的主要來源，水文過程對氣候變化較為敏感^［16］。

根據(jù)金沙江流域水系分布特征，選擇統(tǒng)計資料系列較長的石鼓水文站以及攀枝花水文站作為金沙江干流上、中游控制站，水文站的徑流資料來自于長江水利委員會水文局，資料系列長度為1970～2022年，時間尺度為月。

2 研究方法

Mann-Kendall（M-K）趨勢檢驗法是世界氣象組織（WMO）推薦并已被廣泛使用的一種非參數(shù)檢驗方法，用于衡量數(shù)據(jù)序列的變化趨勢。其優(yōu)點(diǎn)是不要求樣本遵從一定的分布，也不受少數(shù)異常值的干擾，計算簡便，在水文序列分析中得到了廣泛使用^［17］?；瑒觮檢驗法是一種通過構(gòu)造統(tǒng)計量分析兩組樣本平均值的差異是否顯著來檢驗突變的方法，其基本思想是如果兩段子序列的特征值差異超過了一定的顯著性水平，則可以認(rèn)為有突變發(fā)生^［18］。小波功率譜分析是頻譜周期性分析方法中的一種，其在小波分析的基礎(chǔ)上增加了紅噪聲標(biāo)準(zhǔn)譜檢驗，在研究序列的周期性問題上應(yīng)用較為廣泛^［19］。本研究擬采用Mann-Kendall 趨勢檢驗法分析金沙江上中游流域兩個控制站年徑流系列的趨勢性，滑動t檢驗法被用來檢驗控制站年徑流系列的突變性，小波功率譜法被用于分析徑流序列的周期性變化特征。

水庫的運(yùn)行調(diào)度對流域河川徑流演變特征有一定影響，通過分析徑流的特征值變化可進(jìn)一步深層次地探究水庫運(yùn)行對徑流變化的影響。本研究采用不均勻系數(shù)、完全調(diào)節(jié)系數(shù)、集中度^［20］和基尼系數(shù)分析金沙江上游梯級水庫建立后對上中游重要控制節(jié)點(diǎn)徑流的影響。

（1）不均勻系數(shù)C計算公式為

C=1n∑ni=1（R-R—）²R—（1）

式中：C為不均勻系數(shù)；n表示年內(nèi)徑流或水位的天數(shù)；R表示年內(nèi)日徑流或日水位值；R—表示年平均值。C值越大，表明徑流、水位在年內(nèi)不同時期相差越大，分配越不均勻。

（2）完全調(diào)節(jié)系數(shù)C，與C類似，是另一種反映年內(nèi)分配情況的指標(biāo)，其計算公式為

C=∑ni=1ψ（i）（R-R—）∑ni=1R（2）

其中：

ψ（i）=0 R<R—1 R≥R—（3）

（3）集中度C。集中度是分析徑流、水位等水文變量在年內(nèi)集中程度的指標(biāo)，其值越大，表明年內(nèi)分配越為集中?；谌諒搅骱腿账粩?shù)據(jù)，將日徑流、水位視為向量，分解成x和y兩個方向上的分量：

R=∑ni=1Rsinθ

R=∑ni=1Rcosθ

θ=2πin

R=R²+R²（4）

式中：θ表示水文日變量序列的方向。相應(yīng)地，集中度C計算公式為

C=R/∑ni=1R（5）

（4）基尼系數(shù)是用于衡量一個國家或地區(qū)財富、收入分配不平等的指標(biāo)，近年來被不少學(xué)者應(yīng)用于水文學(xué)領(lǐng)域，分析水文變量在年內(nèi)分配的均勻度?；嵯禂?shù)越大，說明水文變量年內(nèi)分布均勻度越低，年內(nèi)分配越不均勻^［21］?；嵯禂?shù)可通過繪制洛倫茲曲線進(jìn)行計算。洛倫茲曲線是外凸曲線，如圖2所示。絕對平等線是與橫坐標(biāo)軸呈45°的直線，表明徑流、水位等水文變量分配絕對均勻。基尼系數(shù)為絕對平等線與洛倫茲曲線所圍成面積的2倍，即計算步驟為：① 將控制站點(diǎn)的各年日徑流、日水位數(shù)據(jù)等水文變量按升序排列，計算累積百分比；② 計算水文站的時間累積百分比；③ 以時間累積百分比為自變量x，水文變量累積百分比為因變量y，擬合洛倫茲曲線；④ 根據(jù)洛倫茲曲線計算水文變量的基尼系數(shù)。

3 結(jié)果與討論

3.1 年徑流演變規(guī)律

金沙江上中游流域1970～2022年主要控制站年均流量的演變規(guī)律如圖3所示。在置信水平為 0.05 的情況下，石鼓站的年平均徑流量序列的M-K趨勢檢驗統(tǒng)計量Z=0.55＜1.96，攀枝花站統(tǒng)計量Z=0.53＜1.96，表明金沙江上中游流域1970～2022年間的年均流量總體呈現(xiàn)不顯著上升趨勢。由圖3可知，石鼓站1970～2022年間多年平均流量為1 334 m³/s，最大年均流量出現(xiàn)在2005年，年均流量值達(dá)1 714 m³/s，最小年均流量出現(xiàn)在1994年，為930 m³/s。石鼓站年均流量線性趨勢線結(jié)果表明，該站年均流量總體呈現(xiàn)增加趨勢，線性傾向率為41.4（m³·s^-1）/10 a，5 a滑動平均線表明，該站年均流量自20世紀(jì)70年代呈趨勢性增加并伴隨幅度波動變化，但在21世紀(jì)初呈現(xiàn)下降趨勢。攀枝花站1970～2022年間多年平均流量為1 801 m³/s，最大年均流量出現(xiàn)在1998年，達(dá)2 406 m³/s，最小年均流量出現(xiàn)在1994年，為1 209 m³/s。攀枝花站年均徑流量總體呈現(xiàn)線性增加趨勢，線性傾向率為45.6（m³·s^-1）/10 a，其5 a滑動平均線變化表明，該站年均流量自20世紀(jì)70年代呈增加趨勢，在21世紀(jì)初出現(xiàn)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，而后呈現(xiàn)下降趨勢。

總體上看，金沙江上游和中游流域的年徑流量在1970～2022年間呈現(xiàn)出不顯著上升趨勢。其中，上游流域自20世紀(jì)80年代到21世紀(jì)初為流域的豐水期；而中游流域自20世紀(jì)90年代到21世紀(jì)初為流域的豐水期，年代際徑流均值較多年來水量偏高；2010年之后，金沙江中游以上流域的年代際徑流均呈現(xiàn)降低的趨勢，但是仍高于流域多年平均來水量，這與流域的氣候變化和人類活動有關(guān)。相關(guān)研究表明，金沙江流域2010年以來降水量偏少^［22-24］；另一方面，攀枝花水文站上游的金安橋水電站于2011年12月開始蓄水，梨園、阿海、龍開口、魯?shù)乩⒂^音巖水庫于2012年后陸續(xù)蓄水，水電站的調(diào)度運(yùn)行進(jìn)一步影響了金沙江流域的年徑流量變化。空間上，從金沙江上游到中游，徑流的增加幅度越來越大，位于金沙江中游的攀枝花站多年平均流量比位于金沙江上游的石鼓站多年平均流量增加了24.5%，在汛期增加的趨勢更為顯著。除此之外，金沙江流域上中游的年徑流變化趨勢具有一定的同步性，最小年均流量的出現(xiàn)時間具有一致性，但最大年均流量的出現(xiàn)時間并不匹配，且攀枝花站的年均流量都高于石鼓站，其變化的波動性也相對高于石鼓站，這也與流域的空間分布特征相符合。

金沙江上中游主要控制站1970～2022年間的年均流量滑動t檢驗與小波功率譜圖如圖4～5所示。根據(jù)年均流量的突變性檢驗結(jié)果，石鼓站年徑流系列的突變點(diǎn)分別出現(xiàn)在1973、1979、1984、1986、1988、1997年，其中1986年為最顯著突變點(diǎn)，滑動t檢驗值為2.83。而攀枝花站年徑流系列的突變點(diǎn)分別出現(xiàn)在1984、1986、1988、1997年，其中1997年突變最為顯著，滑動t檢驗值為3.01。選擇兩站最為顯著的兩個突變點(diǎn)（1986年與1997年）分別分析突變前后兩階段的徑流變化特征。結(jié)果表明：石鼓站、攀枝花站的年徑流在突變點(diǎn)之后分別相較于突變前增加了10%和12%。因此，金沙江流域的年徑流從上游到中游增加的幅度越來越大，徑流的突變點(diǎn)越來越滯后。

圖5是金沙江上中游主要控制站實(shí)測年徑流系列小波功率譜圖，由圖可知，石鼓站和攀枝花站年徑流系列的小波功率譜中標(biāo)準(zhǔn)噪聲譜檢驗區(qū)域十分接近，表明金沙江上中游流域的徑流周期性變化規(guī)律較為接近。從時間尺度通過0.05顯著性水平的紅噪聲標(biāo)準(zhǔn)譜檢驗與右圖對應(yīng)的紅色虛線內(nèi)的小波方差峰值來看，金沙江上中游流域的年徑流具有2～5 a的周期性，且從波譜的有效閾值來看，從上游到中游的波譜顯著性區(qū)域變少，周期顯著性降低。

3.2 月徑流演變規(guī)律

圖6是石鼓站與攀枝花站1970～2022年間徑流年內(nèi)分配情況。結(jié)果表明：石鼓站年徑流分配不均，徑流主要集中在6～10月，與流域汛期時段相吻合；1970～2022年間，石鼓站汛期徑流量占全年徑流量的74%左右；最大月均流量出現(xiàn)在8月，為2 899 m³/s，最小月均流量出現(xiàn)在2月，為400 m³/s。同樣地，攀枝花站年徑流分配也不均勻，徑流主要集中在6～10月；1970～2022年間，攀枝花站汛期流量占全年流量的74.5%；最大月均流量出現(xiàn)在8月，為4 110 m³/s，最小月均流量出現(xiàn)在3月，為539 m³/s。

由圖6可知，石鼓站和攀枝花站的徑流年內(nèi)分配特征基本一致，月最大流量出現(xiàn)時間均為8月，但月最小流量出現(xiàn)時間不一致，攀枝花站最小流量出現(xiàn)時間滯后于石鼓站，且攀枝花站的月均流量均高于石鼓站，符合流域的空間分布特征與徑流傳播的滯后性。

圖7是金沙江流域主要控制站月徑流M-K檢驗結(jié)果。由圖7可知，金沙江中游的月均徑流均呈現(xiàn)不顯著增加的趨勢，其中，石鼓站10月的月徑流增加趨勢較為顯著，而攀枝花站則是11月的月徑流增加趨勢較為顯著。整體來看，金沙江中游豐水期的月徑流增加趨勢弱于枯水期，但月徑流增加趨勢強(qiáng)于上游。在8月和10月，石鼓站月徑流的增加趨勢高于攀枝花站，且7～10月間，兩站的月徑流增加趨勢較為接近，差距相對低于其他月。這就表明，在金沙江上中游流域的豐水期，上游和中游的徑流增加趨勢具有高度一致性，其他時期上游徑流的增加趨勢弱于中游。

3.3 梯級水庫建設(shè)運(yùn)行對徑流變化的影響

考慮到2018年之前石鼓站以上無大型水庫運(yùn)行，攀枝花站上游的金安橋水電站于2011年12月開始蓄水，梨園、阿海、龍開口、魯?shù)乩⒂^音巖水庫于2012年后陸續(xù)蓄水，因此，僅以攀枝花站作為代表進(jìn)行分析，并將研究時間序列劃分為建庫前（1971～2011年）和建庫后（2012～2022年）兩個時間段進(jìn)行對比分析。圖8是梯級水庫建成前后金沙江中游攀枝花站的年徑流變化。

圖8的結(jié)果表明，攀枝花站建庫前多年平均流量為1 792 m³/s，而建庫后多年平均流量為1 829 m³/s，梯級水庫建成之后，金沙江中游河段年均來水量增加，且變化傾向率由8.3（m³·s^-1）/10 a變成35.2（m³·s^-1）/10 a，來水量呈現(xiàn)增加的趨勢。結(jié)合天然情況（2012～2022年）年徑流變化趨勢來看，其基本與建庫后年徑流變化過程相吻合，且也表現(xiàn)為增加的趨勢。一方面，由于金沙江上游河段梯級水庫建成運(yùn)行時期較短，其對金沙江中游河段的年徑流影響并不明顯。另一方面，相關(guān)研究表明，金沙江中游近10 a來降水較為豐沛，氣候變化導(dǎo)致徑流增加也是不可忽視的因素之一^［25］。

圖9展示了攀枝花站建庫后實(shí)測徑流相對天然徑流的年內(nèi)分配變化（2012～2022年）。結(jié)果表明，攀枝花站建庫后月平均流量相較于天然情況減少了1.5%，改變較為微弱。7～10月，攀枝花站建庫后的月均流量相較于天然情況減少了2%，而11月到次年4月，建庫后月均流量相較天然情況增加了3%。此外，天然情況下攀枝花站最大月均流量出現(xiàn)在9月，為4 093 m³/s，建庫后也出現(xiàn)在9月，為3 953 m³/s；天然情況下最小月均流量出現(xiàn)在3月，為553 m³/s，建庫后最小月均流量出現(xiàn)在2月，為570 m³/s。總體而言，梯級水庫的投運(yùn)對攀枝花站的徑流年內(nèi)分配格局有一定影響，具體表現(xiàn)為豐水期水量下降，而枯水期水量增加。另一方面，建庫后攀枝花站的最小月均流量出現(xiàn)時間提前，且月均流量峰值減少，谷值增加。

攀枝花站建庫前后的參數(shù)對比如表1所列。由表1可知，金沙江中游梯級水庫建成之后，流域中游河段年徑流不均勻系數(shù)、完全調(diào)節(jié)系數(shù)、集中度、基尼系數(shù)都小于建庫前，表明金沙江中游河段的徑流年內(nèi)分配變得更加均勻。原因是梯級水庫陸續(xù)建成投運(yùn)后，水庫的蓄洪補(bǔ)枯調(diào)節(jié)作用使得中游河段來水量更加均勻，波動性減小。

4 結(jié) 論

本研究基于1970～2022年間金沙江上中游流域兩個控制站的實(shí)測徑流，采用多種方法從年際、年內(nèi)變化的角度系統(tǒng)分析了金沙江上中游流域的徑流演變規(guī)律，并根據(jù)金沙江上中游梯級水庫運(yùn)行的時間分析了建庫前后金沙江中游流域的徑流變化特征，主要結(jié)論如下：

（1）金沙江上中游流域的年徑流在1970～2022年間呈現(xiàn)出不顯著上升趨勢，從上游到中游，徑流的增加幅度越來越大，金沙江中游的多年平均流量比上游增加了24.5%，這種增加的趨勢在汛期更為顯著。金沙江流域上中游的年徑流變化趨勢具有一定的同步性，年均最小流量的出現(xiàn)時間具有一致性，但年均最大流量的出現(xiàn)時間具有滯后性。

（2）金沙江上游流域自20世紀(jì)80年代到21世紀(jì)初為流域的豐水期，而中游流域自20世紀(jì)90年代到21世紀(jì)初為流域的豐水期，年代際徑流均值較多年來水量偏高，2010年之后，金沙江中游以上流域的年代徑流均呈現(xiàn)降低的趨勢，但是仍高于流域多年平均來水量，這與流域的氣候變化和人類活動有關(guān)。

（3）金沙江流域的年徑流從上游到中游增加的幅度越來越大，徑流的突變點(diǎn)越來越滯后，且從上游到中游的徑流變化周期性越來越明顯。金沙江上中游流域的徑流年內(nèi)分配特征基本一致，最大月均流量出現(xiàn)時間均為8月，但最小月均流量出現(xiàn)時間具有滯后性。在金沙江上中游流域的豐水期，上游和中游的徑流增加趨勢具有高度一致性，其他時期上游徑流的增加趨勢弱于中游。

（4）梯級水庫的投運(yùn)對金沙江中游的徑流年內(nèi)分配格局有一定影響，豐水期水量下降，而枯水期水量增加。建庫后金沙江中游月最小流量出現(xiàn)時間提前，且月均流量峰值減少，谷值增加。梯級水庫建成之后，水庫蓄洪補(bǔ)枯的調(diào)節(jié)作用使得中游河段來水量更加均勻，波動性減小。

金沙江流域是中國重要水電能源基地，其源頭下墊面條件復(fù)雜，存在大量冰川和積雪，在氣候變化和人類活動的雙重影響下，河川徑流的演變規(guī)律愈發(fā)復(fù)雜，如何厘定氣候變化和人類活動對金沙江流域徑流變化的影響程度是需要進(jìn)一步研究的問題。

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（編輯：謝玲嫻）

Study on evolution law of runoff in upper and middle reaches of

Jinsha River from 1970～2022WANG Lin，ZHOU Bo，GUO Wei，ZHU Di，BU Hui，ZUO Jian

（Bureau of Hydrology，Changjiang Water Resources Commission，Wuhan 430010，China）

Abstract： The upper and middle reaches of Jinsha River，a pivotal hydropower energy hub in Chinese strategic planning and construction，holds immense importance in exploring runoff evolution under environmental variations.This understanding is crucial for enhancing the efficient utilization and management of water resources within the basin.In this study，we delved into the runoff evolution in the upper and middle reaches of Jinsha River Basin using non-parametric test，sliding t-test，and wavelet power method，and provided a comprehensive analysis on the influence of cascade reservoir operation on runoff by examining metrics such as the inhomogeneity coefficient，complete adjustment coefficient，concentration，and Gini coefficient.The findings revealed that the annual runoff in the study area showed a non-significant upward trend.Notably，the runoff increased more and more from upstream to midstream.The average annual flow of the middle reaches increased by 24.5% compared to upstream levels，albeit with a delayed abrupt change.Additionally，the runoff periodicity from upstream to midstream became increasingly subdued.Cascade reservoir operations and flood storage regulations not only stabilized water flow in the river's middle reaches，reduced fluctuations，but also modulated runoff，decreasing in wet seasons and increasing in dry seasons，and this also led to an advance in minimum monthly flows.The research results can provide theoretical support and reference for the optimal allocation of water resources in the Jinsha River Basin.

Key words： river runoff；evolution law；reservoir operation；Jinsha River