劉熙 黃鈺凱

摘 要：以烏東德水庫(kù)入庫(kù)流量作為研究對(duì)象，采用標(biāo)準(zhǔn)化徑流指數(shù)法對(duì)金沙江下游流域年度旱澇特征及年內(nèi)旱澇轉(zhuǎn)換特性進(jìn)行分析，構(gòu)建金沙江下游流域典型旱澇年份事件庫(kù)，初步探討了流域年內(nèi)旱轉(zhuǎn)澇、澇轉(zhuǎn)旱兩種典型模式時(shí)間范圍、發(fā)生強(qiáng)度等一般性規(guī)律，同步構(gòu)建了典型模式事件集。相關(guān)研究成果有助于提升對(duì)金沙江下游流域旱澇規(guī)律認(rèn)識(shí)，提升金沙江下游梯級(jí)水庫(kù)科學(xué)調(diào)度水平及風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)對(duì)能力，進(jìn)一步發(fā)揮梯級(jí)水庫(kù)綜合效益。

關(guān)鍵詞：金沙江；烏東德；旱澇特性；標(biāo)準(zhǔn)化徑流指數(shù)

中圖分類號(hào)：TV213 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引 言

全球氣候變暖背景下極端氣候事件趨多趨強(qiáng)。IPCC第6次評(píng)估報(bào)告[1-2]，在全球氣候變暖背景下，地球系統(tǒng)各個(gè)圈層發(fā)生了廣泛而迅速的變化，氣候系統(tǒng)各圈層的當(dāng)前狀態(tài)是過去幾個(gè)世紀(jì)甚至幾千年來前所未有的。全球氣候持續(xù)變暖加劇了氣候系統(tǒng)的不穩(wěn)定，造成極端天氣氣候事件頻發(fā)、強(qiáng)度增強(qiáng)。受全球氣候變化及人類活動(dòng)共同影響，長(zhǎng)江流域極端氣候事件頻發(fā)[3-4]，2020年流域性大洪水汛情嚴(yán)重[5-6]，三峽迎來建庫(kù)以來最大洪峰；2021年流域遭遇罕見秋汛；2022年夏季，長(zhǎng)江流域遭遇有完整氣象觀測(cè)記錄以來最嚴(yán)重的氣象干旱[7-8]。極端氣候事件對(duì)流域防洪、供水、航運(yùn)、生態(tài)安全造成了極大影響，威脅長(zhǎng)江流域人民群眾生命財(cái)產(chǎn)安全。

近年來，國(guó)內(nèi)電力市場(chǎng)化進(jìn)程不斷加快，電網(wǎng)及發(fā)電公司對(duì)年度合同電量提出了越來越高的要求，如何合理制作中長(zhǎng)期發(fā)電計(jì)劃成為關(guān)注焦點(diǎn)與研究熱點(diǎn)。因此，研究不同時(shí)間尺度梯級(jí)電站來水特性，結(jié)合不同調(diào)度時(shí)期預(yù)報(bào)偏差及難點(diǎn)分析成果，提出中長(zhǎng)期徑流預(yù)報(bào)策略與建議，對(duì)準(zhǔn)確、科學(xué)地制定競(jìng)爭(zhēng)力強(qiáng)的市場(chǎng)策略，提高水資源利用效率與梯級(jí)樞紐綜合效益具有重要意義。

金沙江是長(zhǎng)江上游河段，因江中沙土呈黃色得名，發(fā)源于唐古拉山脈東段北支5 054 m的無名山地東北處，流域水系及控制性水庫(kù)群情況見圖1。金沙江下游流域作為長(zhǎng)江流域重要組成部分，水能資源豐富，目前已建成烏東德、白鶴灘、溪洛渡、向家壩等四座水庫(kù)，總調(diào)節(jié)庫(kù)容208.21億m3，防洪庫(kù)容154.93億m3，裝機(jī)容量4 646萬kW，是長(zhǎng)江流域防洪體系骨干性工程，同時(shí)也是“西電東送”重要電源。金沙江下游流域氣候形勢(shì)復(fù)雜，環(huán)境變化改變了流域水文特性，對(duì)梯級(jí)水庫(kù)流量預(yù)報(bào)及優(yōu)化調(diào)度造成了較大影響[9-10]。近年來，眾多學(xué)者就金沙江流域土壤物理性質(zhì)、持水能力、水土流失情況、氣溫、降雨、徑流等多項(xiàng)氣象水文及地理?xiàng)l件指標(biāo)進(jìn)行研究[11-15]。金沙江流域年平均、最低及最高氣溫均呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，且展現(xiàn)出明顯的周期性及波動(dòng)性。流域降水量具有周期性，且豐枯交替明顯。除秋季降雨呈輕微減少趨勢(shì)外，其他季節(jié)降雨呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。在降水作為主要影響因素的前提下，金沙江流域水資源量在20世紀(jì)呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。但進(jìn)入21世紀(jì)后，由于金沙江流域人類活動(dòng)及蒸發(fā)量增加，水資源呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。金沙江下游至三峽梯級(jí)電站間經(jīng)由云南、四川、湖北等多個(gè)省份，流域水情復(fù)雜，且隨著各水系開發(fā)的深入，上游水庫(kù)群調(diào)蓄對(duì)梯級(jí)電站影響日益增大。在這些不利因素影響下，徑流規(guī)律更難以探尋。來水的不確定性與水力發(fā)電所要求的嚴(yán)格的計(jì)劃性之間矛盾極為突出，為此，在原有固定氣象水文趨勢(shì)研究的基礎(chǔ)上，亟需對(duì)金沙江流域水資源變化情況進(jìn)行更深入的研究。

為充分了解金沙江下游流域水文年際、旬際變化形勢(shì)，分析豐枯變化情況，以金沙江下游烏東德壩址入庫(kù)流量（以下簡(jiǎn)稱“入庫(kù)流量”）及天然入庫(kù)流量（以下簡(jiǎn)稱“天然流量”）為研究對(duì)象，通過標(biāo)準(zhǔn)化徑流指數(shù)（Standard Runoff Index，SRI）分析年際極端情況及旬間水文差異，識(shí)別金沙江下游流域旱澇特性，為科學(xué)高效開展金沙江下游梯級(jí)水電站聯(lián)合調(diào)度，充分發(fā)揮綜合效益，實(shí)現(xiàn)水資源高效利用提供技術(shù)支撐。

1 研究方法

1.1 技術(shù)路線

水文數(shù)據(jù)采用烏東德水庫(kù)1959—2021年旬尺度壩址入庫(kù)流量序列?？紤]到金沙江下游流域旱澇特性同時(shí)受氣候環(huán)境變化與人類環(huán)境影響，為區(qū)分兩者影響，采用徑流還原方法，將烏東德水庫(kù)上游水庫(kù)群調(diào)蓄這一最為重要人類活動(dòng)影響剝離，獲得烏東德水庫(kù)1959—2021年逐年、逐旬天然入庫(kù)流量序列。采用標(biāo)準(zhǔn)化徑流指數(shù)分析方法對(duì)壩址、天然兩套年尺度流量序列進(jìn)行分析，獲得典型旱澇年份庫(kù)（見圖2）。針對(duì)“旱澇急轉(zhuǎn)”這一影響梯級(jí)水庫(kù)調(diào)度的典型事件，采用旬尺度入庫(kù)流量、天然流量序列進(jìn)行分析，獲得“旱澇急轉(zhuǎn)”常遇時(shí)間點(diǎn)[16-18]。

1.2 標(biāo)準(zhǔn)化徑流指數(shù)（SRI）計(jì)算

研究采用標(biāo)準(zhǔn)化徑流指數(shù)。將1959—2021年各庫(kù)旬流量進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，確認(rèn)歷史最大豐枯轉(zhuǎn)換事件發(fā)生時(shí)刻及變化強(qiáng)度。標(biāo)準(zhǔn)化徑流指數(shù)[19-20]是基于逐日徑流值推算當(dāng)日旱澇程度的水文旱澇指標(biāo)。該指標(biāo)的計(jì)算采用長(zhǎng)時(shí)間序列資料，將每年的同一時(shí)段流量集合作為研究序列。相關(guān)研究[21]表明，皮爾遜三型（Pearson III，P-III）分布滿足國(guó)內(nèi)大量徑流序列分布情況，因此，本次采用P-III分布來擬合區(qū)域年及旬平均流量，采用極大似然法估計(jì)分布參數(shù)，構(gòu)建對(duì)應(yīng)變量的邊緣分布，再尋求各流量對(duì)應(yīng)累積分布，基于正態(tài)化將各流量轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)無量綱指標(biāo)，即為SRI。具體構(gòu)建方法如下：

假定年最大洪峰流量序列服從P-III分布。假設(shè)序列平均流量為x，則其密度函數(shù)為：

利用求得的SRI值，可查找其對(duì)應(yīng)的旱澇等級(jí)（見表1）。

為使旱澇轉(zhuǎn)換程度可采用同一量綱進(jìn)行展示，豐枯轉(zhuǎn)換量采用相鄰旬SRI的差值表示。

2 結(jié)果及討論

2.1 典型豐枯年份分析

對(duì)烏東德1959—2021年共計(jì)63a均入庫(kù)流量及天然流量開展SRI計(jì)算與分析，獲得烏東德歷年年入庫(kù)流量SRI值變化情況（見圖3），同時(shí)依據(jù)分析結(jié)果，得到典型豐枯年份庫(kù)。由圖可知，烏東德最大流量出現(xiàn)于1998年，最大旬入庫(kù)流量為17 899 m3/s，出現(xiàn)于1998年8月中旬，最大旬天然流量為21 500 m3/s，出現(xiàn)于1998年中旬，年均入庫(kù)和天然流量分別為5 187 m3/s、5 188 m3/s，年SRI分別為2.22、2.19，均為特澇水平；最小入庫(kù)流量及最小天然流量出現(xiàn)年份存在差異，最小入庫(kù)流量出現(xiàn)于2006年12月下旬，最小旬流量為1 220 m3/s，年均流量為2 856 m3/s，年SRI為-1.7（重旱水平），最小天然流量出現(xiàn)于2011年4月下旬，最小旬流量為1 097 m3/s，年均流量為2 974 m3/s，年SRI為-1.58（重旱水平）。入庫(kù)流量及天然流量均顯示烏東德水資源歷史呈現(xiàn)輕微上升趨勢(shì)。從年尺度而言，烏東德入庫(kù)流量和天然流量豐枯特性基本一致，僅在部分年份受水庫(kù)初期蓄水等影響，呈現(xiàn)年際錯(cuò)峰情況。同時(shí)，從1965年、1998年烏東德發(fā)生極端洪澇以及1994年、2006年、2011年發(fā)生極端干旱事件可以看出，相較于洪澇事件，極端干旱事件發(fā)生次數(shù)較多，但無特旱事件，且年際變化中旱澇交替具有一定周期性。表2給出了研究期具有代表性的旱澇年份，可知，金沙江下游流域特澇、重澇樣本相對(duì)較多，特旱樣本為0。

結(jié)合歷史資料，對(duì)特澇、特旱年份的歷史實(shí)際情況進(jìn)行研判。1998年夏季發(fā)生全流域特大暴雨洪水；1965年7月至8月上旬發(fā)生全國(guó)性洪澇災(zāi)害，且全年水資源豐沛。而在干旱方面，1994年夏季發(fā)生長(zhǎng)江流域持續(xù)性干旱，干旱范圍較大，江淮流域部分地區(qū)伏旱嚴(yán)重；2011年是旱情較為嚴(yán)重的一年，2010年冬至2011年春，冬麥區(qū)發(fā)生嚴(yán)重干旱，2月上旬出現(xiàn)旱情高峰，夏季再次發(fā)生長(zhǎng)江中上游嚴(yán)重干旱；2006年發(fā)生長(zhǎng)江全流域型高溫干旱，川渝受災(zāi)明顯。與歷史記錄的對(duì)比結(jié)果可以說明本次研究結(jié)果與歷史實(shí)際情況較為吻合。

2.2 豐枯轉(zhuǎn)換時(shí)間分析

由于年內(nèi)旱澇形勢(shì)變化對(duì)梯級(jí)水庫(kù)調(diào)度影響較大，根據(jù)烏東德水庫(kù)1959—2021年旬尺度入庫(kù)流量、天然流量序列旬際SRI差值變化情況（見圖4）及各旬長(zhǎng)系列差值均值變化情況（見圖5），按照旱轉(zhuǎn)澇、澇轉(zhuǎn)旱兩種模式，提煉歷史典型事件。發(fā)現(xiàn)旱澇事件在年內(nèi)具有較強(qiáng)的周期性，可認(rèn)為旱澇變化時(shí)間與入汛出汛時(shí)間基本吻合。深入分析相關(guān)結(jié)果，可知。

（1）6月下旬較6月中旬的SRI差值最大，而10月下旬較10月中旬的SRI差值最小?？梢哉J(rèn)為，金沙江下游流域旱轉(zhuǎn)澇轉(zhuǎn)換點(diǎn)為6月中旬至6月下旬，而澇轉(zhuǎn)旱轉(zhuǎn)換點(diǎn)為10月中旬至10月下旬。

（2）旱轉(zhuǎn)澇事件發(fā)生覆蓋時(shí)間段較廣（4—8月均有發(fā)生），其中6月發(fā)生頻次最高（見表3），烏東德上游汛期重點(diǎn)關(guān)注時(shí)間應(yīng)從6月開始；澇轉(zhuǎn)旱變化事件多發(fā)生在夏秋交界時(shí)刻，部分極端澇轉(zhuǎn)旱事件也發(fā)生于7—8月（見表4），這也說明烏東德區(qū)域的蓄水抗旱工作應(yīng)與防汛工作聯(lián)合考慮，確保水資源有效利用。

（3）旱轉(zhuǎn)澇事件發(fā)生強(qiáng)度較澇轉(zhuǎn)旱事件更為明顯，表明旱轉(zhuǎn)澇較澇轉(zhuǎn)旱更為劇烈。其中，旱轉(zhuǎn)澇事件最大SRI變化值約為1.3，旱轉(zhuǎn)澇事件最大SRI變化值約為0.8。

（4）上世紀(jì)發(fā)生大型旱澇轉(zhuǎn)換事件比例高于本世紀(jì)，烏東德水庫(kù)在歷史天然流量及入庫(kù)流量的枯豐轉(zhuǎn)換特性在水庫(kù)建設(shè)后發(fā)生明顯變化，可推測(cè)上游水庫(kù)群建成調(diào)蓄后，豐枯轉(zhuǎn)換強(qiáng)度減少，對(duì)長(zhǎng)江上游水資源的穩(wěn)定起到了積極作用。

3 結(jié)論與展望

以烏東德水庫(kù)來水為分析對(duì)象，采用SRI方法分析歷史極端旱澇事件發(fā)生強(qiáng)度及時(shí)間，判斷烏東德水資源年內(nèi)變化過程特性，分析年內(nèi)旱澇轉(zhuǎn)換強(qiáng)度及其周期性，總結(jié)出年內(nèi)及旬間旱澇變化的規(guī)律。主要結(jié)論如下。

（1）提煉出金沙江下游流域典型豐枯年份庫(kù)，與歷史事件對(duì)比，證明年份庫(kù)合理性。

（2）金沙江下游流域旱轉(zhuǎn)澇轉(zhuǎn)換點(diǎn)為6月中旬至6月下旬，而澇轉(zhuǎn)旱轉(zhuǎn)換點(diǎn)為10月中旬至10月下旬，在后期調(diào)度工作中需重點(diǎn)防范關(guān)鍵轉(zhuǎn)換期風(fēng)險(xiǎn)。

（3）烏東德以上水庫(kù)群調(diào)度運(yùn)行一定程度上緩解了金沙江下游流域水資源旱澇急轉(zhuǎn)形勢(shì)。

同時(shí)研究存在一些不足：一是考慮到長(zhǎng)江流域水庫(kù)梯級(jí)調(diào)度情況，僅考慮烏東德水資源變化量使得對(duì)上游水庫(kù)群調(diào)蓄時(shí)序影響定量分析不足。二是本研究主要對(duì)宏觀層面特性進(jìn)行了探討，未對(duì)歷史典型事件特征及成因進(jìn)行深入剖析。進(jìn)一步研究中擬引入關(guān)聯(lián)流域降雨量等關(guān)鍵氣象因子，分析氣象轉(zhuǎn)換規(guī)律。同時(shí)系統(tǒng)性開展上游水庫(kù)群調(diào)蓄作用對(duì)金沙江下游梯級(jí)水庫(kù)水文特征擾動(dòng)規(guī)律研究，統(tǒng)合相關(guān)成果，區(qū)分氣候變化及人類活動(dòng)影響對(duì)流域旱澇特性影響程度。針對(duì)典型旱澇年份及旱澇急轉(zhuǎn)時(shí)段，開展細(xì)化研究，明晰其產(chǎn)生原因。

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Drought and Flood Characteristics in the Lower Jinsha River Basin

LIU Xi，HUANG Yukai

（China Three Gorges Corporation，Wuhan 430010，China）

Abstract：With a focus on the inflow of Wudongde Reservoir，the annual drought and flood characteristics of the Lower Jinsha River Basin were analyzed by using the standardized runoff index method. The within-year transition patterns of drought and flood were also investigated. An event database of typical drought and flood years in the lower Jinsha River Basin was built. Moreover，the general patterns of two distinct scenarios：the transition from drought to flood and from flood to drought within a year，were examined. This includes identifying the time frames and intensity of occurrence. A set of typical pattern events was constructed simultaneously. The findings enhance our understandings of the patterns and dynamics of drought and flood in the lower Jinsha River basin，and contribute to improving the scientific scheduling and risk-response capabilities while maximizing the integrated benefits of cascade reservoirs.

Key words：Jinsha River；Wudongde；drought and flood characteristics；standardized runoff index