龐樹(shù)森， 謝志剛， 徐 濤， 胡 翔， 呂祥熙

(1.中國(guó)長(zhǎng)江電力股份有限公司， 湖北 宜昌 443133； 2.智慧長(zhǎng)江與水電科學(xué)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 湖北 宜昌 443133)

1 研究背景

梯級(jí)水庫(kù)群在長(zhǎng)江流域防洪體系中發(fā)揮著重要的作用，以三峽工程為核心的長(zhǎng)江控制性水利工程逐步投入使用使人類(lèi)對(duì)洪水防御能力不斷加強(qiáng)。近年來(lái)，人類(lèi)活動(dòng)加劇，特別是大型水利工程的建設(shè)進(jìn)一步加劇了水資源在年內(nèi)時(shí)空分布的不確定性。具有流域控制性工程對(duì)河流形成“阻隔”作用，水庫(kù)豐蓄枯放調(diào)蓄改變了河道原有的徑流傳播演變規(guī)律，特別是金沙江下游溪洛渡水庫(kù)[1]、向家壩水庫(kù)[2]建成投運(yùn)后，其巨大調(diào)配能力對(duì)下游水量時(shí)空再分配帶來(lái)新的變化。

長(zhǎng)江上游徑流變化影響著梯級(jí)水庫(kù)群調(diào)度的準(zhǔn)確性，也對(duì)長(zhǎng)江中下游、兩湖地區(qū)水資源量產(chǎn)生較大的影響[3]，如何準(zhǔn)確把握上游來(lái)水變化趨勢(shì)和水庫(kù)中長(zhǎng)期來(lái)水預(yù)測(cè)，是水庫(kù)運(yùn)行管理層面迫切需要研究的內(nèi)容。國(guó)內(nèi)學(xué)者針對(duì)氣象變化對(duì)長(zhǎng)江流量、降水時(shí)空分布的影響研究較多[4-5]，而上游水庫(kù)群長(zhǎng)期運(yùn)行調(diào)度對(duì)三峽壩址來(lái)水的影響研究較少，大多研究?jī)?nèi)容集中在三峽水庫(kù)的運(yùn)用對(duì)長(zhǎng)江中下游的影響[6-7]或者單一水庫(kù)對(duì)長(zhǎng)江干流來(lái)水的影響分析。為探討長(zhǎng)江上游已投運(yùn)水電站對(duì)水資源年際變化、年內(nèi)分布的影響，本文以已投入運(yùn)行的三峽水庫(kù)、溪洛渡水庫(kù)、向家壩水庫(kù)為例，利用Mann-Kendall、Spearman、累積距平、非線性檢驗(yàn)等分析方法，以長(zhǎng)時(shí)間徑流數(shù)據(jù)序列為基礎(chǔ)，研究三峽、溪洛渡、向家壩建庫(kù)前后長(zhǎng)江上游徑流變化趨勢(shì)、突變情況及年內(nèi)分布變化，通過(guò)多方法、多結(jié)果對(duì)比分析得到研究結(jié)論，為梯級(jí)水庫(kù)群聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度和掌握長(zhǎng)江上游來(lái)水情況及水電站中長(zhǎng)期調(diào)度提供參考。

2 資料與方法

2.1 數(shù)據(jù)資料

本文所用資料為長(zhǎng)江干流宜昌水文站1890—2003年長(zhǎng)時(shí)間實(shí)測(cè)流量序列以及2004—2020年三峽水庫(kù)建庫(kù)后入庫(kù)還原流量資料，作為分析三峽水庫(kù)壩址來(lái)水變化的依據(jù)。

根據(jù)三峽水庫(kù)運(yùn)行調(diào)度特點(diǎn)[8]，將1—4月份平均流量作為消落期平均流量；6—8月份平均流量作為汛期平均流量；9—10月份平均流量作為蓄水期平均流量(三峽水庫(kù)蓄水時(shí)間為9月初—10月底或11月初)。依據(jù)三峽水庫(kù)、溪洛渡水庫(kù)、向家壩水庫(kù)建壩蓄水時(shí)間，將1890—1989年100 a平均流量作為歷史平均流量；將宜昌站1990—1999年平均流量作為90序列；將2004—2011年三峽入庫(kù)流量作為未受溪洛渡-向家壩建庫(kù)影響的序列；將2015—2020年三峽入庫(kù)流量作為開(kāi)始受溪洛渡-向家壩建庫(kù)影響的序列。

2.2 趨勢(shì)檢驗(yàn)方法

2.2.1 Mann-Kendall 趨勢(shì)檢驗(yàn)法

Mann-Kendall(M-K)趨勢(shì)檢驗(yàn)法是一種非參數(shù)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)法，對(duì)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(shì)，避免個(gè)別極大值和極小值對(duì)結(jié)果的影響。利用雙邊檢驗(yàn)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行檢驗(yàn)，計(jì)算得到統(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(shì)；當(dāng)Z=0 時(shí)，表示流量序列無(wú)明顯變化趨勢(shì)；當(dāng)Z<0 時(shí)，表示流量序列呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)。給定顯著性水平α=0.05，Z1-2/α=1.96，若|Z|≥Z1-2/α，說(shuō)明變化趨勢(shì)顯著，反之若|Z|

2.2.2 Spearman秩次檢驗(yàn)法

采用Spearman秩相關(guān)系數(shù)法評(píng)價(jià)流量序列隨時(shí)間變化的規(guī)律，對(duì)流量序列變化趨勢(shì)進(jìn)行定量分析。給定顯著性水平α=0.05，計(jì)算秩相關(guān)系數(shù)，將秩相關(guān)系數(shù)|rs|同Spearman秩相關(guān)系數(shù)臨界值Wp進(jìn)行比較。當(dāng)|rs|≥Wp則表明流量序列變化趨勢(shì)顯著：如果rs是正值，則表明在時(shí)段內(nèi)有關(guān)統(tǒng)計(jì)量指標(biāo)變化呈上升趨勢(shì)；如果rs是負(fù)值，則表明在時(shí)段內(nèi)有關(guān)統(tǒng)計(jì)量指標(biāo)變化呈下降趨勢(shì)。|rs|

2.2.3 非線性秩次檢驗(yàn)法[9]

采用非線性趨勢(shì)檢驗(yàn)方法對(duì)長(zhǎng)序列流量數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)進(jìn)行檢驗(yàn)，該方法假定各年份流量變化序列獨(dú)立且同分布，結(jié)合統(tǒng)計(jì)變量對(duì)其趨勢(shì)進(jìn)行判定分析，計(jì)算得到趨勢(shì)檢驗(yàn)值T。若T>0則表示檢驗(yàn)的流量序列呈現(xiàn)遞增變化；當(dāng)T=0 時(shí)，表示流量序列無(wú)明顯變化趨勢(shì)；若T<0則表示流量序列呈現(xiàn)遞減變化。|T|≥1.62則表示檢驗(yàn)的流量序列趨勢(shì)變化的置信度可達(dá)到95%的顯著變化水平；|T|<1.62則說(shuō)明流量序列趨勢(shì)變化不顯著。

2.3 突變檢驗(yàn)方法

2.3.1 Mann-Kendall突變檢驗(yàn)法

Mann-Kendall突變分析是一種用來(lái)分析長(zhǎng)時(shí)間水文序列突變檢驗(yàn)的方法。計(jì)算順序時(shí)間序列的秩序列UFk以及逆序時(shí)間序列的秩序列UBk。給定顯著性水平α=0.05，對(duì)于臨界值為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,繪制出UFk與UBk曲線圖。若UFk與UBk出現(xiàn)交叉點(diǎn)，且交叉點(diǎn)在臨界線之間，它們交叉點(diǎn)對(duì)應(yīng)的時(shí)刻便是突變開(kāi)始時(shí)間。

2.3.2 累積距平檢驗(yàn)法

累積距平檢驗(yàn)是一種非參數(shù)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法，可用于識(shí)別水文序列的突變時(shí)間。根據(jù)距平有正負(fù)的特點(diǎn)，當(dāng)距平累積持續(xù)增大時(shí)，表明該時(shí)段內(nèi)流量距平持續(xù)為正，反之則持續(xù)為負(fù)。如果存在轉(zhuǎn)折年份，距平累積會(huì)呈現(xiàn)一個(gè)方向波形變化后向另一個(gè)方向波形發(fā)展，據(jù)此可以比較直觀且準(zhǔn)確地確定流量序列突變時(shí)間。

3 三峽壩址來(lái)水演變規(guī)律

3.1 趨勢(shì)檢驗(yàn)

分別利用Mann-Kendall 趨勢(shì)檢驗(yàn)法、Spearman秩次檢驗(yàn)法以及非線性秩次檢驗(yàn)法對(duì)1890—2020年流量序列進(jìn)行趨勢(shì)檢驗(yàn)分析，各統(tǒng)計(jì)量及檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 三峽壩址來(lái)水檢驗(yàn)結(jié)果(α=0.05)

檢驗(yàn)結(jié)果表明：3種方法對(duì)樣本序列檢驗(yàn)結(jié)果一致。其中，三峽壩址來(lái)水長(zhǎng)時(shí)間年均流量序列隨時(shí)間整體呈顯著減小趨勢(shì)；消落期呈減小趨勢(shì)，但是檢驗(yàn)結(jié)果不明顯；汛期和蓄水期檢驗(yàn)結(jié)果為顯著減小。圖1給出變化趨勢(shì)(1890—2020年)，由圖1可知，1890—2020年年均、汛期、蓄水期呈現(xiàn)顯著減小趨勢(shì)，消落期變化趨勢(shì)不明顯，年均和汛期變化趨勢(shì)保持一致，與表1檢驗(yàn)結(jié)果相同。

圖1 長(zhǎng)時(shí)間流量序列變化趨勢(shì)檢驗(yàn)

三峽建庫(kù)前(1890—2003年)和建庫(kù)后(1890—2020年)長(zhǎng)序列趨勢(shì)變化見(jiàn)圖1。由圖1可知：年均、汛期、蓄水期在三峽建庫(kù)前后趨勢(shì)基本保持一致。消落期在三峽建庫(kù)前出現(xiàn)明顯的減小趨勢(shì)，而三峽建庫(kù)后(1890—2020年)減小趨勢(shì)不顯著，增加溪洛渡、向家壩建庫(kù)前(1890—2014年)三峽來(lái)水變化趨勢(shì)線，3條趨勢(shì)線對(duì)比可知：溪洛渡、向家壩建庫(kù)前消落期三峽壩址來(lái)水呈現(xiàn)明顯減小趨勢(shì)，與三峽建庫(kù)前三峽壩址來(lái)水變化趨勢(shì)一致。溪洛渡、向家壩建庫(kù)后，消落期三峽壩址來(lái)水未出現(xiàn)明顯減小趨勢(shì)，說(shuō)明三峽建庫(kù)后減小趨勢(shì)不顯著的原因主要是溪洛渡和向家壩水庫(kù)在消落期向下游補(bǔ)水加大下泄導(dǎo)致三峽壩址來(lái)水長(zhǎng)時(shí)間序列變化趨勢(shì)改變。

3.2 突變分析

利用Mann-Kendall突變檢驗(yàn)法和累積距平檢驗(yàn)法分析研究時(shí)間流量序列突變情況。Mann-Kendall突變檢驗(yàn)結(jié)果檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖2，累積距平檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖2 Mann-Kendall突變檢驗(yàn)結(jié)果

圖3 累積距平檢驗(yàn)結(jié)果

采用2種方法檢驗(yàn)三峽壩址來(lái)水序列突變變化，年平均、汛期、蓄水期2種方法檢驗(yàn)結(jié)果基本一致，說(shuō)明2種方法都能夠檢驗(yàn)出流量序列的突變點(diǎn)，且均具有一定的參考性。M-K檢驗(yàn)法、累積距平法檢驗(yàn)的突變點(diǎn)：年均序列分別為1950年前后、1968年；汛期序列分別為1970年前后、1968年；蓄水期序列為1968年前后、1954年；消落期序列分別為不顯著、1921年。M-K突變檢驗(yàn)?zāi)昃?、汛期、蓄水期序列突變點(diǎn)為1930—1980年(不考慮消落期序列)，突變范圍較大，檢驗(yàn)結(jié)果一致性較弱。累積距平檢驗(yàn)?zāi)昃?、汛期、蓄水期序列突變點(diǎn)為1954—1968年(不考慮消落期序列)，檢驗(yàn)結(jié)果較可靠。

3.3 原因分析

為探究三峽壩址來(lái)水減少及突變發(fā)生的主要原因，分析長(zhǎng)江上游主要支流來(lái)水情況，見(jiàn)表2。

表2 長(zhǎng)江上游主要支流控制站來(lái)水情況

由表2可知，長(zhǎng)江上游各支流主要控制站1950s、1960s平均流量均偏多； 1970s烏江平均流量稍偏多，其余各站平均流量均偏少; 1980s岷江、沱江、嘉陵江偏多，其余各站均偏少；1990s金沙江、烏江偏多，岷江、沱江、嘉陵江偏少； 2000s除金沙江偏多外，岷江、沱江、嘉陵江、烏江均偏少。

由以上分析可知，三峽壩址來(lái)水出現(xiàn)突變主要原因是各主要支流來(lái)水在1970s后均出現(xiàn)不同程度減小，其中岷江、沱江、嘉陵江減小程度較為顯著，是三峽壩址來(lái)水發(fā)生突變的直接原因。長(zhǎng)江上游降水量在1950s高于平均值，此后呈現(xiàn)明顯減少趨勢(shì)[10]，降雨量的減少是三峽壩址來(lái)水減少以及出現(xiàn)突變點(diǎn)的主要原因，研究表明氣象變化導(dǎo)致長(zhǎng)江上游干支流降水呈減少趨勢(shì)[11-13]，此外人類(lèi)活動(dòng)導(dǎo)致用水量增加也是導(dǎo)致出現(xiàn)來(lái)水減少的原因之一[14-15]。

4 溪洛渡、向家壩、三峽水庫(kù)建庫(kù)前后水情分析

統(tǒng)計(jì)三峽、溪洛渡、向家壩建庫(kù)前后三峽壩址來(lái)水與歷史平均、90序列等對(duì)比見(jiàn)表3。

表3 三峽壩址來(lái)水情況對(duì)比統(tǒng)計(jì)

由表3可知：年、汛期、蓄水期歷史平均均大于90以后序列，說(shuō)明三峽壩址來(lái)水整體呈現(xiàn)來(lái)水減少趨勢(shì)。

年均：歷史平均為14 278 m3/s，三峽建庫(kù)后平均流量較年歷史平均減小8.76%，溪洛渡、向家壩建庫(kù)后三峽壩址來(lái)水較90序列、溪洛渡、向家壩建庫(kù)前略有增加。

消落期：溪洛渡、向家壩建庫(kù)后三峽壩址來(lái)水達(dá)到8 020 m3/s，為5個(gè)序列中最大值，原因是溪洛渡、向家壩建庫(kù)后在消落期向下游補(bǔ)水導(dǎo)致三峽壩址來(lái)水增加，較年歷史平均增加18.63%，較90序列增加17.72%，較溪洛渡、向家壩建庫(kù)前增加18.20%。

汛期：汛期對(duì)比情況與年均類(lèi)似，汛期歷史平均為26 000 m3/s。三峽建庫(kù)后汛期來(lái)水較歷史平均、90序列均有大幅度減少，分別減少14.09%、7.77%。

蓄水期：蓄水期歷史平均流量為23 250 m3/s，為序列中的最大值，三峽建庫(kù)后三峽壩址來(lái)水較歷史平均有大幅度減少，減少22.89%，90以后序列較歷史平均都呈現(xiàn)較大的減少。而溪洛渡、向家壩建庫(kù)后三峽壩址來(lái)水較溪洛渡、向家壩建庫(kù)前略有增加。

2020年發(fā)生流域性大洪水，量級(jí)僅次于1954年和1998年。2018年長(zhǎng)江上游發(fā)生較大洪水，三峽壩址來(lái)水多于歷史平均值。因此溪洛渡、向家壩建庫(kù)后，年均、汛期、蓄水期三峽壩址來(lái)水多于溪洛渡、向家壩建庫(kù)前。

以年內(nèi)消落期、汛期、蓄水期占比分析年徑流年內(nèi)分配比例變化，其中多年平均為0.12∶0.46∶0.42；三峽建庫(kù)后(2004—2020年)為0.15∶0.46∶0.39，溪洛渡、向家壩建庫(kù)后(2015—2020年)為0.16∶0.45∶0.39。不同時(shí)期三者比例有變化，其中消落期占比增加，汛期和消落期占比減小，進(jìn)一步說(shuō)明水利工程建設(shè)對(duì)年內(nèi)水量分配有影響。

5 結(jié)論與展望

5.1 結(jié) 論

(1)采用M-K趨勢(shì)檢驗(yàn)法、Spearman秩次檢驗(yàn)法、非線性秩次檢驗(yàn)法對(duì)三峽壩址來(lái)水(1890—2020年)變化趨勢(shì)進(jìn)行檢驗(yàn)，結(jié)果表明年均、汛期、蓄水期減小趨勢(shì)顯著，消落期減小趨勢(shì)不顯著。溪洛渡和向家壩建庫(kù)前(1890—2014年)消落期三峽壩址來(lái)水減小趨勢(shì)顯著，說(shuō)明溪洛渡、向家壩水庫(kù)向下游補(bǔ)水改變了長(zhǎng)江上游流域枯水期水資源時(shí)空分布。

(2)采用M-K突變檢驗(yàn)法、累積距平檢驗(yàn)法對(duì)三峽壩址來(lái)水突變檢驗(yàn)分析，兩種方法均能檢驗(yàn)突變點(diǎn)。M-K突變檢驗(yàn)突變時(shí)間點(diǎn)較分散，累積距平檢驗(yàn)突變點(diǎn)較為集中，累積距平檢驗(yàn)法檢驗(yàn)效果較好，突變點(diǎn)集中在1960年左右。突變主要原因是岷江、沱江、嘉陵江來(lái)水流量明顯減小。

(3)三峽建庫(kù)后年均、汛期、蓄水期平均流量較歷史平均都有不同程度的減少，分析原因主要有：①氣象變化導(dǎo)致長(zhǎng)江上游降水呈減少趨勢(shì);②人類(lèi)活動(dòng)導(dǎo)致用水量增加，其中氣象變化是最主要的原因。

(4)溪洛渡、向家壩建庫(kù)后年均、汛期、蓄水期較歷史平均小，但消落期比歷史平均大，說(shuō)明溪洛渡、向家壩在枯水期向下游補(bǔ)水導(dǎo)致三峽壩址來(lái)水增加。

5.2 展 望

(1)溪洛渡、向家壩建庫(kù)后運(yùn)行時(shí)間較短，數(shù)據(jù)代表性不夠，需要在不斷積累實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上加強(qiáng)滾動(dòng)分析研究。

(2)隨著金沙江蘇洼龍、烏東德、白鶴灘以及雅礱江兩河口、楊房溝等水庫(kù)的蓄水運(yùn)行，水資源的時(shí)空分布將進(jìn)一步改變。

(3)隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)快速發(fā)展，長(zhǎng)江河道外取水也會(huì)對(duì)長(zhǎng)江干流多年平均徑流演變趨勢(shì)有一定影響，后期需要加強(qiáng)本流域內(nèi)取用水及跨流域取用水對(duì)干流河道徑流的影響分析。

(4)隨著水庫(kù)運(yùn)行資料的累積以及近年極端天氣的出現(xiàn)，三峽壩址來(lái)水必將出現(xiàn)新的變化趨勢(shì)。三峽水庫(kù)調(diào)度工作需要在整理歷史數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，研究三峽壩址來(lái)水的年際變化、時(shí)空變化、周期性變化規(guī)律，探索三峽壩址中長(zhǎng)期來(lái)水的特點(diǎn)，為三峽水庫(kù)安全防洪及中長(zhǎng)期發(fā)電服務(wù)。