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

(1:三峽大學水利與環(huán)境學院，宜昌 443002) (2:三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部工程研究中心，宜昌 443002) (3:南京水利科學研究院，水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室，南京 210029)

干旱是對人類社會影響最廣泛、最嚴重的自然災害之一[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峻挑戰(zhàn)，已成為影響自然生態(tài)系統(tǒng)健康和經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展的重要制約因素[3]. 美國氣象學會將干旱分為氣象干旱、農(nóng)業(yè)干旱、水文干旱和社會經(jīng)濟干旱[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)干旱和社會經(jīng)濟干旱的紐帶[5]. 近幾十年來，全球氣候變化，尤其是土地利用變化、水庫修建、跨流域調(diào)水等人類活動導致水文極值過程呈現(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)展過程，使得水文干旱演變呈現(xiàn)出新特征[7-9]. 因此，高強度人類活動影響下水文干旱形成與演變研究正成為當前水文學的國際前沿和熱點領(lǐng)域[10-12].

水庫通過調(diào)蓄作用顯著地改變了下游河川徑流時程分配過程，導致自然條件下的干旱傳播機制及水文干旱特征發(fā)生顯著變化. 目前，國內(nèi)外學者在水庫修建對下游水文干旱影響方面開展了一些研究，但是尚無統(tǒng)一的認識. 水庫通過蓄洪補枯，增加旱季下游河道的徑流量，有利于緩解水庫下游水文干旱影響. 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，但這種水庫調(diào)蓄效應隨著距離的增加而減弱. Rangecroft等[14]分析了智利Santa Juana大壩對下游水文干旱的影響，表明水庫徑流調(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)時間和強度，但無法緩解持續(xù)數(shù)年的嚴重干旱事件. Zhang等[15]分析了沙潁河流域梯級水庫調(diào)控下的水文干旱演變特征，發(fā)現(xiàn)水庫運行減少了下游水文干旱發(fā)生的頻率，但增加了干旱歷時及水文干旱對氣象干旱的響應時間. Wu等[16]對水庫影響下水文干旱演變特征的研究也發(fā)現(xiàn)，水庫運行使得下游水文干旱的平均歷時和烈度明顯降低. 涂新軍等[11]發(fā)現(xiàn)東江流域水庫調(diào)蓄作用對于緩解水文干旱效果顯著，聯(lián)合超越重現(xiàn)期越小，水庫對聯(lián)合設(shè)計值的影響程度越大. 同時也有一些研究表明，水庫修建可能會給下游水文干旱帶來明顯負面影響. López-Moreno等[17]研究表明，歐洲Alcántara大壩運行后下游的水文干旱持續(xù)時間和強度更為嚴重. 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)時間和嚴重程度均呈增加趨勢. 因此，水庫徑流調(diào)節(jié)下的水文干旱情勢研究已引起國內(nèi)外學者的廣泛關(guān)注，其演變規(guī)律與作用機制研究仍是亟待解決的重要科學問題.

三峽水庫在防洪、發(fā)電、航運和供水等方面發(fā)揮了巨大綜合效益，同時三峽水庫影響下的長江中下游水文效應已引起學者的高度關(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運行影響下宜昌站的徑流過程，認為三峽水庫蓄水運行導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)由于長江來水減少使得2003年以來鄱陽湖夏、秋兩季干旱有明顯增加趨勢；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度有所增加. 上述研究深化了人們對三峽水庫蓄水運行下長江中下游水文情勢變化的認識，但對水庫影響下水文干旱多時間尺度時空演變特征及其對氣象干旱響應關(guān)系的關(guān)注仍顯不足. 為此，本文選用標準化蒸散指數(shù) (SPEI) 和標準化徑流指數(shù) (SRI) 分別表征氣象干旱和水文干旱，分析三峽水庫運行前后長江中下游宜昌、漢口和大通站水文干旱多時間尺度的演變規(guī)律，探究水庫調(diào)節(jié)下水文干旱對氣象干旱的響應特征，為區(qū)域水文干旱監(jiān)測預警及水庫抗旱調(diào)度提供參考.

1 研究區(qū)域概況和數(shù)據(jù)來源

長江流域總面積180萬km2，大部分地區(qū)屬于亞熱帶季風氣候，降水時間分配不均，年內(nèi)降水60%以上集中在6-8月，且降水年際變化大. 長江流域地形復雜，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. 長江中下游地區(qū)地處東亞季風區(qū)，降水時空變化很大，旱澇災害發(fā)生十分頻繁. 同時，該區(qū)域人口密集，工農(nóng)業(yè)發(fā)達，取用水量逐年增加，導致水資源的供需不平衡問題逐漸凸顯. 近年來，在全球氣候變暖背景下，長江中下游地區(qū)干旱呈現(xiàn)發(fā)生頻率高、持續(xù)時間長、影響范圍廣的特點. 21世紀以來，長江中下游地區(qū)在2001、2004、2006-2007、2011和2013年發(fā)生了嚴重干旱事件[23]，對區(qū)域經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展和生態(tài)安全產(chǎn)生了重要影響. 長江流域地理位置和氣象水文站點分布如圖1所示.

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

本文選用1960-2016年長江流域183個氣象站的氣溫和降水資料，氣象數(shù)據(jù)來源于中國氣象局科學數(shù)據(jù)共享服務網(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算. 1960-2016年長江中下游宜昌、漢口和大通水文控制站的逐月流量數(shù)據(jù)來源于長江水利委員會水文局. 2005-2016年三峽水庫逐日出庫、入庫流量資料來自湖北省水文水資源局.

2 研究方法

2.1 標準化降水蒸散指數(shù)

Vicente-Serrano等[24]在標準化降水指數(shù) (SPI)[25]的基礎(chǔ)上提出SPEI，SPEI是對降水量與潛在蒸散量的差值序列的累積概率值進行正態(tài)標準化后的指數(shù).SPEI計算步驟如下：(1) 采用Thornthwaite方法計算逐月潛在蒸散發(fā)量；(2) 計算逐月降水與蒸散量的差值，構(gòu)建不同時間尺度的累積序列；(3) 采用Log-logistic分布對時間序列進行擬合，并對序列進行標準化轉(zhuǎn)化，獲得不同時間尺度的SPEI指數(shù). 本文以1、3、6和12個月時間尺度的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. 采用氣象干旱等級國家標準[26]進行基于SPEI的干旱等級劃分，如表1所示.

2.2 標準化徑流指數(shù)

Shukla和Wood[27]提出的SRI是以SPI為理論依據(jù)，計算過程與SPI類似，但SRI等級閾值的選取應考慮徑流量的實際情況. 為此，本文采用徑流量距平百分率 (Ir) 的2種分類方法[28-29]對實測徑流量進行豐枯等級劃分 (表2)，以便準確描述區(qū)域水文干旱情況. 基于SRI的水文干旱等級劃分的步驟如下[30]：(1) 利用2種分類方法計算不同時間尺度下各豐枯等級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，除此之外則為無旱概率，由此計算得到特旱、重旱、中旱、輕旱和無旱各等級的出現(xiàn)概率分別為1%、5%、15%、5%和74%；(3) 采用伽馬分布對SRI序列的頻率分布進行擬合，并繪制累積頻率曲線，最終得到基于SRI的水文干旱等級劃分閾值 (表1).

表1 干旱等級劃分標準

表2 基于徑流量的豐枯等級劃分

2.3 游程理論

采用游程理論[31]識別氣象和水文干旱事件，確定每一場干旱發(fā)生的干旱特征變量，如干旱歷時、干旱烈度和烈度峰值等. 其中，干旱歷時指單次干旱所持續(xù)的時間，干旱烈度指單次干旱事件中指標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值與臨界值差值的最大值. 在對干旱過程的識別中，需要對小干旱事件進行過濾以及多個干旱事件進行合并，具體過程如下：(1) 設(shè)定3個臨界值R0、R1和R2(R0、R1和R2分別取0、-0.3和-0.5)，當干旱指標值R小于R1時，則初步認為此月為干旱月；(2) 若某干旱事件干旱歷時為1且R大于R2時，則此月為小干旱事件，可認為沒有發(fā)生干旱，將其剔除；(3) 若2次干旱過程間隔僅為1個月，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次獨立干旱過程.

圖2 宜昌(a)、漢口(b)和大通(c)水文站12個月時間尺度SRI的時間變化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 水文干旱時間變化

通常時間尺度越小，干旱指數(shù)隨時間變化越顯著，波動幅度就越大. 12個月時間尺度的SRI變化相對穩(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個站最大干旱歷時分別為13、13和26個月，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. 總的來看，3個站均在2006-2007年發(fā)生嚴重的干旱事件，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重，為特旱，宜昌和大通站也在該年發(fā)生較為嚴重的干旱，旱情均為重旱. 據(jù)相關(guān)文獻報道[32-33]，2006年6-8月，長江上游出現(xiàn)極端高溫干旱，降水較常年同期偏少30%～50%，導致長江上游來水量大幅下降；8-10月洞庭湖和鄱陽湖水系持續(xù)近3個月干旱少雨，較常年同期偏少40%～50%，導致長江中下游水位持續(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入庫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，認為降水異常偏少是造成2006-2007年長江中下游極端干旱事件的主要原因.

1個月尺度SRI能反映水文干旱的年內(nèi)變化特征. 由圖3來看，在2003年特別是2009年以后3個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，而秋季各月SRI的紅色區(qū)域呈小幅增加趨勢，其中宜昌站表現(xiàn)尤為顯著. 枯水期三峽水庫通過增加下泄流量減緩下游旱情，如2009年長江中下游地區(qū)遭遇嚴重旱情，三峽水庫10月份停止試驗性蓄水過程，加大出庫流量，有效緩解了長江中下游的旱情. 同時，汛后水庫蓄水期 (9月中下旬至10月末) 減少出庫流量，有可能使長江中下游提前進入枯水季節(jié). 2003年以來三峽水庫采取分期蓄水運行方式[34]，2003年6月-2006年9月為圍堰蓄水期，庫水位為135 (汛期)～139 m (非汛期)；2006年9月-2008年8月為初期運行期，庫水位為143.9～156 m，2008年汛末開始175 m試驗性蓄水運用，因受2009年旱情影響，2010年10月底才蓄至175 m. 總之，三峽水庫蓄水運行后長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，水庫運行調(diào)控對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個月時間尺度SRI熱點圖 (顏色條表示SRI值，綠色和黃色表示無旱或輕旱，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 為分析三峽水庫影響下長江中下游控制站水文干旱演變特征，分別繪制三峽水庫蓄水前后宜昌、漢口和大通站不同時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個水文站不同時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，干旱歷時則表現(xiàn)為有增有減. 就干旱歷時而言，蓄水前后3個站干旱歷時均值相對變幅總體較小，其中宜昌站1和3個月、漢口站12個月以及大通站6個月時間尺度的干旱歷時平均值有所減少，3個站其他時間尺度的干旱歷時均值則呈增加趨勢；從干旱烈度來看，除了大通站6和12個月尺度的干旱烈度均值略有減少以外，蓄水后各站其他時間尺度的干旱烈度均值總體呈現(xiàn)明顯增加趨勢，其中大通站1和3個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個月尺度干旱烈度均值的相對變幅則高于大通站；就烈度峰值而言，蓄水后3個站不同時間尺度的烈度峰值均值整體表現(xiàn)為增加趨勢，僅漢口站12個月時間尺度的烈度峰值均值小幅減少.

圖4 三峽水庫運行影響前后宜昌 (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個月時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%，說明水庫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干擾 (如水庫徑流調(diào)節(jié)、河道外取用水等)的共同影響. 另外，從蓄水前后3個站干旱特征變量的空間演變趨勢來看，短時間尺度 (1和3個月) 干旱歷時、烈度和烈度峰值的變幅總體呈現(xiàn)沿程增加趨勢，而長時間尺度 (6和12個月) 干旱特征變量的變幅整體表現(xiàn)為沿程減少趨勢.

3.2.2 水文干旱發(fā)生頻率 從圖5可知，1、3和6個月時間尺度上，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，蓄水后3個站3和6個月時間尺度特旱發(fā)生頻率則略有增加；12個月時間尺度上，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. 總的來說，三峽水庫蓄水后3個站中旱和重旱發(fā)生頻率均呈減少趨勢，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. Li等[20]和Yu等[22]的研究結(jié)果顯示，三峽水庫蓄水后宜昌站特旱發(fā)生頻率整體表現(xiàn)為增加趨勢，這可能主要與流域降水異常偏少有關(guān).

圖5 三峽水庫運行前后宜昌、漢口和大通水文站不同時間尺度水文干旱發(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 水庫影響下水文干旱對氣象干旱的響應

3.3.1 水文干旱與氣象干旱的相關(guān)性 由圖6可知，隨著時間尺度的增加，三峽水庫蓄水后宜昌、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，12個月時間尺度的相關(guān)系數(shù)達到最高，宜昌、漢口和大通站分別為0.85、0.80和0.79，均通過0.01顯著性水平檢驗，說明長時間尺度 (12個月) 水文干旱對氣象干旱的響應較為敏感. 已有研究表明[36]，1個月尺度的干旱指數(shù)能夠準確反映該時期土壤含水量的變化情況，而12個月尺度的干旱指數(shù)則能很好地反映河川徑流量、地下水含水量和湖庫蓄水量狀況. 從三峽水庫蓄水前后SRI與SPEI相關(guān)系數(shù)的變化趨勢來看，蓄水后各站1和3個月時間尺度的相關(guān)性明顯減小，但隨著時間尺度的增加而相關(guān)性迅速增大，3個站12個月時間尺度的相關(guān)系數(shù)均略高于蓄水前，說明水庫調(diào)節(jié)作用導致下游河道徑流對降水變化的響應關(guān)系發(fā)生明顯變化，并且不同時間尺度上的響應敏感性存在差異.

圖6 三峽水庫蓄水前后宜昌(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，其中短時間尺度 (1、3個月) 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)，使得汛期徑流對降水的響應通常明顯快于非汛期；而長時間尺度 (6、12個月) 尤其是12個月尺度的年內(nèi)變化相對較小，且相關(guān)系數(shù)總體大于短時間尺度. 從蓄水前后各站點SRI和SPEI的年內(nèi)相關(guān)系數(shù)的變化來看，蓄水后各站的短時間尺度SRI和SPEI相關(guān)系數(shù)明顯減小，冬季表現(xiàn)尤為顯著，而長時間尺度的變化不大或略有增加，這可能是由于隨時間尺度的增加，干旱歷時延長，水庫的徑流調(diào)節(jié)效應逐漸減弱，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，新豐江水庫蓄水后東江中游河源站1、3個月尺度水文干旱和氣象干旱相關(guān)性顯著降低.

圖7 三峽水庫蓄水前后宜昌 (a～c)、漢口 (d～f) 和大通站(g～i)水文站 不同時間尺度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 水文干旱對氣象干旱響應的時滯性 通常，氣象干旱與水文干旱二者并不同時發(fā)生，存在一定的滯后現(xiàn)象. 從圖8可以看出，3個月尺度下3個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個站的平均滯后天數(shù)分別為26、38和48 d，說明水庫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. 總的來看，宜昌站水文干旱滯后于氣象干旱天數(shù)的變幅相對較小，而漢口和大通站的滯后天數(shù)則顯著增加，說明三峽水庫蓄水運行對徑流過程的影響沿程逐漸減弱，使得下游各站水文干旱的響應時間逐漸延長. 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一步發(fā)展的結(jié)果，延遲時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的干擾. Zhang等[15]研究顯示，由于淮河流域沙河上游昭平臺水庫的調(diào)蓄影響，水庫下游水文干旱滯后于氣象干旱的時間從建庫前不到1個月延長到6～7個月.

圖8 三峽水庫蓄水前后宜昌(a～c)、漢口(d～f) 和大通(g～i)水文站 不同時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

為進一步探究三峽水庫蓄水運行對下游水文干旱的影響，利用2006年8月-2012年6月三峽水庫月平均出、入庫流量及相應時段宜昌站SRI值進行比較，如圖9所示. 2006 年8月-2007年8月長江流域發(fā)生嚴重干旱事件，2006年8月宜昌站SRI值達-1.71，達到重旱水平，2006年9-11月實施初期蓄水方案，三峽水庫月平均入庫流量大于出庫流量，宜昌站的旱情有所加重，11月后入庫和出庫流量基本達到平衡. 隨著長江中下游旱情持續(xù)加劇，2007年2-3月宜昌站旱情達到特旱水平，三峽水庫實施應急補水調(diào)度，增加水庫下泄流量，有效緩解了水庫下游的旱情. 自2008年三峽水庫啟動175 m試驗性蓄水以來，每年水庫水位在145～175 m之間變動，5月下旬-6月中旬庫水位由155 m降至汛限水位145 m，出庫流量增加，實施騰空庫容預泄調(diào)度；7-8月水庫按防洪限制水位145 m運行，維持出、入庫流量平衡，僅在發(fā)生較大洪水時削峰調(diào)洪，洪峰過后再降至145 m，實施防洪補償調(diào)度；9月中旬-10月下旬庫水位從145 m逐漸升高至正常蓄水位175 m，出庫流量減少，實施蓄水運行調(diào)度；12月-次年3月庫水位從175 m逐漸下降至155 m，持續(xù)增加出庫流量，實施枯期補水調(diào)度，以滿足下游供水、航運和生態(tài)需求. 由此來看，三峽水庫運行能減少蓄水期和汛末徑流量，增加枯水期徑流量，即通過蓄洪補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，使得洞庭湖和鄱陽湖枯水期提前[19,37]，加劇汛末蓄水和下游抗旱補水的矛盾，因此選擇三峽水庫合理的汛末蓄水時機有利于充分發(fā)揮水庫的整體效益.

圖9 2006年8月-2012年6月三峽水庫月平均出、入庫流量及宜昌站SRI的時間變化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)，三峽水庫月平均入庫流量、出庫流量及宜昌站月平均流量分別為10715、10801和10767 m3/s，三峽水庫出庫流量大于入庫流量，水庫下游宜昌站月平均流量高于水庫入庫流量，即在水庫的調(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)，三峽水庫月平均入庫流量、出庫流量及宜昌站月平流量分別為13514、13354和13411 m3/s，三峽水庫入庫流量大于出庫流量，即水庫在豐水時期合理蓄水以應對枯水期水庫下游的干旱缺水問題.

圖10 2005-2016年干旱期和非干旱期三峽水庫月平均出庫、入庫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

總的來說，水庫通過徑流調(diào)節(jié)來增加干旱期可供水量，對緩解旱情具有重要作用，但是受水庫運行方式、流域水資源供需矛盾等因素的影響，水庫運行對下游水文干旱的負面影響不容忽視. 如流域上游地區(qū)通過水庫徑流調(diào)節(jié)作用來滿足區(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，導致干旱強度與影響在空間上發(fā)生轉(zhuǎn)移[9]. 因此，加強水利工程規(guī)劃與運行管理對于變化環(huán)境下干旱風險應對十分必要，避免過度依賴水庫而增加供水系統(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，分析了三峽水庫蓄水運行前后長江中下游宜昌、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，得到以下主要結(jié)論:

1)三峽水庫運行改變了長江中下游水文干旱情勢，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個站干旱歷時變幅相對較小，而干旱烈度和烈度峰值增幅較大，反映了干旱時期下游河道缺水量和最大缺水量明顯增加. 同時，各站短時間尺度 (1、3個月) 干旱特征變量的變幅總體呈現(xiàn)沿程遞增趨勢，而長時間尺度 (6、12個月) 的變幅整體表現(xiàn)為沿程遞減趨勢.

2)三峽水庫蓄水后各站SRI與SPEI的相關(guān)性減小，但隨時間尺度的增加而相關(guān)性明顯增大，12個月時間尺度的相關(guān)系數(shù)達到最大并略高于蓄水前；年內(nèi)相關(guān)性上，短時間尺度的年內(nèi)相關(guān)系數(shù)明顯減小，冬季表現(xiàn)尤為突出，而長時間尺度的變化不大或略有增加，說明隨著時間尺度的增加，水庫的徑流調(diào)節(jié)效應逐漸減弱，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，說明水庫蓄水運行對下游徑流過程的影響沿程逐漸降低，導致水文干旱對氣象干旱的響應時間沿程自上而下有所延長.

4)三峽水庫通過蓄豐補枯有效緩解了長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，建議加強水庫運行管理及優(yōu)化調(diào)度，充分發(fā)揮三峽水庫的綜合效益.

水文干旱受氣候變化和人類活動雙重驅(qū)動的影響. 氣候變化通過改變區(qū)域氣溫、降水、蒸散發(fā)等要素導致氣象干旱發(fā)生，進而影響下墊面水分收支狀況，引發(fā)流域水文干旱. 而水庫修建、跨流域調(diào)水、土地利用與覆被變化 (LUCC) 等人類活動對水循環(huán)過程產(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蓄水運行影響下水文干旱演變特征，今后還需要進一步定量研究各驅(qū)動因素對水文干旱演變的作用機制及貢獻率.