舒衛(wèi)民，李秋平，王漢濤，王 祥

(1.中國長江三峽集團(tuán)公司，湖北宜昌443133；2.長江三峽水文水資源勘測局，湖北宜昌443002)

氣候變化及人類活動對三峽水庫入庫徑流特性影響分析

舒衛(wèi)民1，李秋平2，王漢濤1，王 祥1

(1.中國長江三峽集團(tuán)公司，湖北宜昌443133；2.長江三峽水文水資源勘測局，湖北宜昌443002)

近年來，受氣候變化、人類在長江上游興建大量大型水庫等活動的影響，三峽水庫入庫徑流特性已較天然情況發(fā)生了較大的變化。為了掌握新環(huán)境下三峽水庫入庫徑流的特性以及未來的變化趨勢，收集分析了長江上游歷年降雨情況和近20年興建的大型調(diào)節(jié)性水庫資料，并結(jié)合近年來三峽水庫入庫徑流資料，對徑流年內(nèi)變化規(guī)律和年際變化規(guī)律進(jìn)行對比分析，結(jié)果表明三峽水庫入庫徑流具有以9年為周期的年際變化特性，年內(nèi)分配更加平穩(wěn)。考慮未來10年上游大型水庫的興建和投產(chǎn)情況，對未來三峽入庫徑流的變化趨勢進(jìn)行的定性分析結(jié)果表明，未來三峽入庫流量年內(nèi)分配過程將更加均勻。

徑流特性；三峽水庫；氣候變化；人類活動

0 引 言

三峽工程是世界最大的水利樞紐工程，是治理和開發(fā)長江的關(guān)鍵性骨干工程。壩址位于長江三峽西陵峽河段，控制流域面積達(dá)100萬km2，年平均徑流量4 510億m3。隨著人類活動的影響，特別是興建的大量水利工程，不僅改變了長江上游徑流的年內(nèi)變化規(guī)律，同時也改變了徑流的年際變化規(guī)律。為了更好的利用長江流域的水資源，充分發(fā)揮三峽水利樞紐的綜合效益，有必要對長江上游流域氣候變化以及人類活動對徑流的影響進(jìn)行分析。由于降雨量是氣候變化的綜合體現(xiàn)，同時修建水庫是人類活動改變上游徑流特性的主要因素。因此本文通過重點分析長江上游流域的降雨和徑流的變化規(guī)律，同時結(jié)合上游水庫的建庫情況對徑流發(fā)生變化原因進(jìn)行分析，以期得到上游流域在新環(huán)境下的變化趨勢。

1 降雨徑流特性分析

1.1 分析方法

為了掌握降雨徑流的基本規(guī)律，本文對年內(nèi)和年際徑流變化規(guī)律進(jìn)行分析，年內(nèi)變化規(guī)律主要從不均勻性、集中度和變化幅度三個方面進(jìn)行分析，年際變化規(guī)律主要從趨勢性、周期性兩個方面進(jìn)行分析。

1.1.1 年內(nèi)變化規(guī)律分析

氣候和徑流的年內(nèi)變化不僅直接影響流域的旱、澇災(zāi)害情況，而且與水資源的利用率有著密切的關(guān)系[1]。因此，對其年內(nèi)分配規(guī)律，具有很強的現(xiàn)實意義[2]。在進(jìn)行年內(nèi)變化規(guī)律進(jìn)行描述和分析時，主要從不均勻性、集中度和變化幅度等三個方面進(jìn)行分析。

不均勻性。降雨、徑流年內(nèi)分配的不均勻性主要是由于氣候具有季節(jié)性變化造成的[3]。目前有多種不同的計算方法可以用來反映降雨、徑流的年內(nèi)分配的不均勻性的特征值。本文采用了月平均所占比例、年內(nèi)分配不均勻系數(shù)Cv等指標(biāo)進(jìn)行分析。即

(1)

集中度。由于本文在研究的過程中采用的是月平均資料，在采用集中度對年內(nèi)變化規(guī)律進(jìn)行分析時，視各月時段長相同，。根據(jù)文獻(xiàn)[4]的計算方法，計算各月降雨、溫度、徑流在x軸和y軸方向上的向量合成分別為

(2)

(3)

由式(3)可以看出，合成向量的方位即一年中最大月平均降雨量或流量出現(xiàn)的月份[5]。

變化幅度。采用極大比Cmax和極小比Cmin等相對變化幅度指標(biāo)來描述氣候、徑流的變化幅度。即

(4)

式中，Rmax表示最大月平均值；Rmin表示最小月平均值。

1.1.2 年際變化規(guī)律分析

為了分析長江上游流域氣候及徑流的年際變化規(guī)律，本文結(jié)合長江上游流域的降雨和徑流的長系列年平均資料，分別從趨勢性、周期性兩個方面的規(guī)律進(jìn)行分析。

由于降雨、溫度和徑流的變化規(guī)律往往呈鋸齒狀高頻振蕩，通過年平均的過程圖很難看出其變化趨勢。為此，本文主要采用差積曲線法和Spearman秩次相關(guān)法兩種方法進(jìn)行趨勢性分析。差積曲線法。分析對象各年數(shù)值與多年平均值之差的累積值與時間的關(guān)系曲線。其計算公式為

(5)

式中，W表示t(系列長度)時段內(nèi)的各年數(shù)值與多年平均值之差的累積值；Wi表示第i年的數(shù)值；W0表示多年均值。

Spearman秩次相關(guān)法。通過對降雨、溫度和徑流序列xi與其時序i的相關(guān)性進(jìn)行分析，來檢驗其序列是否具有趨勢性。在計算時，序列xi用其秩次Ri(即把序列xi從大到小排列時，xi所對應(yīng)的序號)表示[1]，則秩次相關(guān)系數(shù)

(6)

式中，n為序列長度。

如果秩次Ri與時序i相近；則di較小，秩次相關(guān)系數(shù)較大，趨勢性顯著。

本文采用t檢驗法對徑流序列的趨勢性是否顯著時進(jìn)行檢驗，統(tǒng)計量

(7)

在進(jìn)行周期性分析時，主要考慮降雨及徑流過程受眾多因素的影響，不僅表現(xiàn)在過程中有年、月等周期性變化，如月徑流過程明顯存在以年為周期的變化。同時，還存在多年變化的周期[7]。本文在進(jìn)行周期性特征分析時，主要結(jié)合分析對象自身的相關(guān)性，采用自相關(guān)系數(shù)進(jìn)行分析。

自相關(guān)系數(shù)法：是關(guān)于時間的函數(shù)，因此，自相關(guān)分析是在時間域上描述降雨、徑流序列的結(jié)構(gòu)。周期性變化也能通過自相關(guān)系數(shù)表現(xiàn)出來。

對于平穩(wěn)隨機序列Xt的一個相當(dāng)長的樣本x1,x2,…,xn，其自相關(guān)系數(shù)為

ρk=Cov(k)/σ2

(8)

式中，k為滯時或階數(shù)

在實際工作中，n一般較小。此時，用樣本自相關(guān)系數(shù)rk來估計總體自相關(guān)系數(shù)

(9)

1.2 降雨特性分析

1.2.1 年際變化規(guī)律

在本文中降雨系列為1961年～2010年，故n=50，m=n/4=12.25，取13。則rk隨滯時k變化的過程圖為樣本自相關(guān)圖(見圖1)。從圖2可以看出，推移步長為9的整數(shù)倍的自相關(guān)系數(shù)大于其他步長的自相關(guān)系數(shù)，所以初步判斷其具有9年的周期波動。

圖1 降雨序列差積曲線

圖2 降雨自相關(guān)系數(shù)

1.2.2 年內(nèi)變化規(guī)律

長江上游流域降雨年內(nèi)分配不均勻，7月份降雨量最大，占多年平均降雨量的19.1%，1月份降雨量最少，僅占全年降雨量的1.31%。最豐與最枯的比值為14.6。雨季(5月～10月)降雨量占全年降雨總量的比例達(dá)到83.1%，旱季來水量(11月～次年4月)僅占全年降雨量的16.9%(見表1)。

表1 長江上游流域年內(nèi)各月平均降雨量

1961年～2010年以及各年代Cv值都大于0.69，說明長江上游流域降雨的年內(nèi)分配極不均勻；而1981年～1990年的Cv明顯大于多年平均，說明在此期間降雨年內(nèi)分配相對更為激烈；D值在分析范圍內(nèi)都相同為7，表明在此期間降雨基本集中在7月左右。各時段Cmax基本圍繞在多年均值波動，說明大部分年份月平均降雨量極大值變化沒有明顯的趨勢；各年份Cmin值和多年均值相差不大，表明大部分年份月平均降雨量極小值變化不大(見表2)。

1.3 徑流特性分析

表2 長江上游流域降雨量年內(nèi)分配特征指標(biāo)值

圖3 徑流序列差積曲線

圖4 徑流自相關(guān)系數(shù)

(2)年內(nèi)變化規(guī)律。從表3可以看出，長江上游流域徑流年內(nèi)分配極不均勻，7月份徑流量最大，占多年平均來水量的18.0%，2月份徑流量最少，僅占全年水量的2.4%。最豐與最枯的比值為7.5。汛期(6月～10月)徑流量占全年徑流總量的比例為71.2%，枯期來水量(11月～次年5月)僅占全年來水28.8%。從表4可以看出，1961年～2010年以及各年代Cv值都大于0.57，長江上游流域徑流的年內(nèi)分配極不均勻，而1981年～1990年和1991年～2000年的Cv明顯大于多年平均值，說明在此期間徑流年內(nèi)分配相對更為劇烈；2001年～2010年的Cv明顯小于多年平均，表明在此期間徑流年內(nèi)分配相對較為平穩(wěn)。D值在分析范圍內(nèi)都相同為7，說明最大流量發(fā)生在7月左右的概率最大。各時段Cmax和Cmin基本圍繞著多年均值波動，2001年～2010年的Cmax/Cmin值最小，說明這段時間年內(nèi)徑流變化相對較小。從整體分析結(jié)果看，長江上游流域徑流年內(nèi)分配極不均勻，但在1971年～1980年和2001年～2010年這兩個時段，徑流的年內(nèi)分配相比于多年的變化情況要均勻。

表3 長江上游流域年內(nèi)各月平均流量

表4 長江上游流域徑流年內(nèi)分配特征指標(biāo)值

2 徑流影響因素分析

2.1 降雨對徑流的影響分析

由于長江上游來水主要由降雨形成。因此，本文重點通過分析降雨和徑流相關(guān)性，以得到降雨對徑流的影響程度。根據(jù)相關(guān)系數(shù)計算公式

(10)

得到降雨徑流相關(guān)系數(shù)0.862。由此可以看出，降雨徑流具有較好的相關(guān)性；從而可以判斷在天然狀態(tài)下，年降雨量的變化情況基本能反映徑流變化情況。表5 顯示，2001年～2010年三峽入庫流量明顯偏枯，而降雨量是重要的影響因素之一。

表5 長江上游流域各時段平均降雨流量

2.2 人類活動對徑流的影響分析

由于長江上游干支流眾多，來水豐沛，水力條件優(yōu)良，中國規(guī)劃的十三大水電基地中有五個位于此河段，裝機容量更是占十三大水電基地的55.1%[8]。隨著國家經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，近十余年長江上游大型水電工程不斷興建投產(chǎn)，大型水庫調(diào)蓄對徑流的影響也越來越明顯。在影響年內(nèi)變化規(guī)律的同時，也影響了年來水總量。由于考慮到上游調(diào)節(jié)庫容較小的電站對三峽水庫中長期入庫流量影響較小，且資料收集難度較大，在此次分析中并未考慮。因此，本文在重點考慮上游電站的調(diào)節(jié)庫容和對三峽水庫入庫流量的影響這兩個因素的基礎(chǔ)上，最終選取了雅礱江流域的二灘、錦屏一級水庫，岷江流域的紫坪鋪、瀑布溝水庫，嘉陵江流域的寶珠寺、亭子口水庫，烏江上的構(gòu)皮灘、沙陀和彭水水庫，金沙江流域的梨園、阿海、觀音巖、金安橋、龍開口、魯?shù)乩⑾宥珊拖蚣覊蔚?7座水庫為分析對象。根據(jù)上述水庫的調(diào)度規(guī)則和水庫基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，計算得到在上述水庫調(diào)蓄的影響下，年內(nèi)徑流的變化規(guī)律，分析結(jié)果見表6。

表6 上游水庫調(diào)蓄對三峽水庫年內(nèi)徑流影響分析 m3/s

由表6可以看出，1月～4月，由于受上游電站消落補水影響，三峽入庫流量較未受上游電站調(diào)蓄影響偏多約2 000m3/s；5月份，由于部分水庫開始回蓄，在上游水庫補水和回蓄的雙重影響下，三峽水庫入庫流量略偏多；6月～10月，受上游電站回蓄以及汛末蓄水影響，三峽入庫流量明顯偏少，9月份減少流量最多，近3 000 m3/s；11月～12月，由于三峽上游部分水庫開始消落補水，三峽入庫流量略偏多。

此外，近十余年上游水庫初蓄水量直接影響了三峽水庫的年來水總量約391億m3。

2.3 未來變化趨勢分析

結(jié)合長江上游流域規(guī)劃，到2020年，長江上游將興建投產(chǎn)烏東德、白鶴灘、兩河口和雙江口4座水電站，考慮這4座電站初蓄水量將減少三峽水庫入庫水量達(dá)417億m3及水電站調(diào)節(jié)對年內(nèi)分配的影響，這4座電站將進(jìn)一步增加三峽水庫枯期的入庫水量約217億m3，同時將減少汛期入庫水量億217億m3，年內(nèi)來水豐枯比過程將更加平穩(wěn)。這些將更有利于發(fā)揮三峽水庫的防洪、發(fā)電和航運等綜合效益的發(fā)揮。

3 結(jié) 語

本文對長江上游流域多年降雨和徑流的年際變化規(guī)律和年內(nèi)變化規(guī)律的分析結(jié)果表明，1961年～2010年的年降雨量和徑流量具有豐-豐枯交替-枯的變化過程，并沒有明顯的趨勢性。從年內(nèi)分配的分析結(jié)果看，降雨和徑流具有分配不均的特性，汛期所占比例遠(yuǎn)高于枯水期，其中汛期(6月～10月)占全年的比例達(dá)70%以上。從降雨和徑流的相關(guān)分析可以看出，徑流與降雨的相關(guān)性較好，降雨與徑流基本具有相同的變化趨勢。進(jìn)一步分析近十年三峽水庫來水持續(xù)偏枯的原因：主要是降雨和上游水庫蓄水的影響。此外，上游水庫建成后，三峽水庫年內(nèi)來水豐枯比過程將更加平穩(wěn)。然而，在分析近十年三峽水庫來水持續(xù)偏枯的原因時，并沒有定量地分析降雨對三峽水庫來水的影響。此外，在對未來三峽徑流變化趨勢分析時，對降雨的變化考慮不足，有待進(jìn)一步分析研究。

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(責(zé)任編輯 陳 萍)

Impact Analysis of Climatic Changes and Human Activities on Characteristics of Inflow Runoff of Three Gorges Reservoir

SHU Weimin1, LI Qiuping2, WANG Hantao1, WANG Xiang1

(1.China Three Gorges Corporation, Yichang 443133, Hubei, China;2.Three Gorges Hydrology and Water Resources Survey Bureau, Yichang 443002, Hubei, China)

The characteristics of inflow runoff of Three Gorges Reservoir have changed substantially compared with their natural conditions in recent years due to the climatic change and the construction of large-scale reservoirs in upper reaches of Yangtze River. In order to master the characteristics of inflow runoff of Three Gorges Reservoir and their future change trend, the rainfall data in upper reaches of Yangtze River and the data of regulatory reservoirs constructed in past 20 years are collected. Based on these data and the inflow runoff of Three Gorges Reservoir in recent years, the runoff changes within a year and different years are compared and analyzed. The results show that the inflow runoffs of Three Gorges Reservoir have a 9-year variation cycle and the distribution of inflow in a year is more stable. Considering the operation of large-scale reservoirs in upper reaches of Yangtze River in next ten years, a qualitative analysis is further conducted on future change trend of inflow runoff, that is, the distribution of inflow runoff in different years will be more uniform．

runoff characteristics; Three Gorges Reservoir; climatic change; human activity

2015-04-24

國家“十二五”水專項(2014ZX07104-005)；國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃項目(2013CB036406-4)

舒衛(wèi)民(1985—)，男，湖北孝感人，工程師，碩士，主要從事水文預(yù)報工作．

TV122.5；TV622(263)

A

0559-9342(2016)11-0029-05