三峽壩址來水變化及水利工程對其影響分析

龐樹森， 謝志剛， 徐 濤， 胡 翔， 呂祥熙

(1.中國長江電力股份有限公司， 湖北 宜昌 443133； 2.智慧長江與水電科學湖北省重點實驗室， 湖北 宜昌 443133)

1 研究背景

梯級水庫群在長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江控制性水利工程逐步投入使用使人類對洪水防御能力不斷加強。近年來，人類活動加劇，特別是大型水利工程的建設進一步加劇了水資源在年內時空分布的不確定性。具有流域控制性工程對河流形成“阻隔”作用，水庫豐蓄枯放調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[1]、向家壩水庫[2]建成投運后，其巨大調配能力對下游水量時空再分配帶來新的變化。

長江上游徑流變化影響著梯級水庫群調度的準確性，也對長江中下游、兩湖地區(qū)水資源量產(chǎn)生較大的影響[3]，如何準確把握上游來水變化趨勢和水庫中長期來水預測，是水庫運行管理層面迫切需要研究的內容。國內學者針對氣象變化對長江流量、降水時空分布的影響研究較多[4-5]，而上游水庫群長期運行調度對三峽壩址來水的影響研究較少，大多研究內容集中在三峽水庫的運用對長江中下游的影響[6-7]或者單一水庫對長江干流來水的影響分析。為探討長江上游已投運水電站對水資源年際變化、年內分布的影響，本文以已投入運行的三峽水庫、溪洛渡水庫、向家壩水庫為例，利用Mann-Kendall、Spearman、累積距平、非線性檢驗等分析方法，以長時間徑流數(shù)據(jù)序列為基礎，研究三峽、溪洛渡、向家壩建庫前后長江上游徑流變化趨勢、突變情況及年內分布變化，通過多方法、多結果對比分析得到研究結論，為梯級水庫群聯(lián)合優(yōu)化調度和掌握長江上游來水情況及水電站中長期調度提供參考。

2 資料與方法

2.1 數(shù)據(jù)資料

本文所用資料為長江干流宜昌水文站1890—2003年長時間實測流量序列以及2004—2020年三峽水庫建庫后入庫還原流量資料，作為分析三峽水庫壩址來水變化的依據(jù)。

根據(jù)三峽水庫運行調度特點[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(三峽水庫蓄水時間為9月初—10月底或11月初)。依據(jù)三峽水庫、溪洛渡水庫、向家壩水庫建壩蓄水時間，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年三峽入庫流量作為未受溪洛渡-向家壩建庫影響的序列；將2015—2020年三峽入庫流量作為開始受溪洛渡-向家壩建庫影響的序列。

2.2 趨勢檢驗方法

2.2.1 Mann-Kendall 趨勢檢驗法

Mann-Kendall(M-K)趨勢檢驗法是一種非參數(shù)統(tǒng)計檢驗法，對流量序列的秩而非數(shù)值客觀地檢驗流量序列的變化趨勢，避免個別極大值和極小值對結果的影響。利用雙邊檢驗對數(shù)據(jù)進行檢驗，計算得到統(tǒng)計量Z，當Z>0 時，表示流量序列呈現(xiàn)上升的趨勢；當Z=0 時，表示流量序列無明顯變化趨勢；當Z<0 時，表示流量序列呈現(xiàn)下降的趨勢。給定顯著性水平α=0.05，Z1-2/α=1.96，若|Z|≥Z1-2/α，說明變化趨勢顯著，反之若|Z|

2.2.2 Spearman秩次檢驗法

采用Spearman秩相關系數(shù)法評價流量序列隨時間變化的規(guī)律，對流量序列變化趨勢進行定量分析。給定顯著性水平α=0.05，計算秩相關系數(shù)，將秩相關系數(shù)|rs|同Spearman秩相關系數(shù)臨界值Wp進行比較。當|rs|≥Wp則表明流量序列變化趨勢顯著：如果rs是正值，則表明在時段內有關統(tǒng)計量指標變化呈上升趨勢；如果rs是負值，則表明在時段內有關統(tǒng)計量指標變化呈下降趨勢。|rs|

2.2.3 非線性秩次檢驗法[9]

采用非線性趨勢檢驗方法對長序列流量數(shù)據(jù)變化趨勢進行檢驗，該方法假定各年份流量變化序列獨立且同分布，結合統(tǒng)計變量對其趨勢進行判定分析，計算得到趨勢檢驗值T。若T>0則表示檢驗的流量序列呈現(xiàn)遞增變化；當T=0 時，表示流量序列無明顯變化趨勢；若T<0則表示流量序列呈現(xiàn)遞減變化。|T|≥1.62則表示檢驗的流量序列趨勢變化的置信度可達到95%的顯著變化水平；|T|<1.62則說明流量序列趨勢變化不顯著。

2.3 突變檢驗方法

2.3.1 Mann-Kendall突變檢驗法

Mann-Kendall突變分析是一種用來分析長時間水文序列突變檢驗的方法。計算順序時間序列的秩序列UFk以及逆序時間序列的秩序列UBk。給定顯著性水平α=0.05，對于臨界值為U0.05=+1.96, 將UFk與UBk兩個統(tǒng)計量序列曲線與U0.05=+1.96兩條直線繪制在一個坐標系上,繪制出UFk與UBk曲線圖。若UFk與UBk出現(xiàn)交叉點，且交叉點在臨界線之間，它們交叉點對應的時刻便是突變開始時間。

2.3.2 累積距平檢驗法

累積距平檢驗是一種非參數(shù)統(tǒng)計檢驗方法，可用于識別水文序列的突變時間。根據(jù)距平有正負的特點，當距平累積持續(xù)增大時，表明該時段內流量距平持續(xù)為正，反之則持續(xù)為負。如果存在轉折年份，距平累積會呈現(xiàn)一個方向波形變化后向另一個方向波形發(fā)展，據(jù)此可以比較直觀且準確地確定流量序列突變時間。

3 三峽壩址來水演變規(guī)律

3.1 趨勢檢驗

分別利用Mann-Kendall 趨勢檢驗法、Spearman秩次檢驗法以及非線性秩次檢驗法對1890—2020年流量序列進行趨勢檢驗分析，各統(tǒng)計量及檢驗結果見表1。

表1 三峽壩址來水檢驗結果(α=0.05)

檢驗結果表明：3種方法對樣本序列檢驗結果一致。其中，三峽壩址來水長時間年均流量序列隨時間整體呈顯著減小趨勢；消落期呈減小趨勢，但是檢驗結果不明顯；汛期和蓄水期檢驗結果為顯著減小。圖1給出變化趨勢(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，消落期變化趨勢不明顯，年均和汛期變化趨勢保持一致，與表1檢驗結果相同。

圖1 長時間流量序列變化趨勢檢驗

三峽建庫前(1890—2003年)和建庫后(1890—2020年)長序列趨勢變化見圖1。由圖1可知：年均、汛期、蓄水期在三峽建庫前后趨勢基本保持一致。消落期在三峽建庫前出現(xiàn)明顯的減小趨勢，而三峽建庫后(1890—2020年)減小趨勢不顯著，增加溪洛渡、向家壩建庫前(1890—2014年)三峽來水變化趨勢線，3條趨勢線對比可知：溪洛渡、向家壩建庫前消落期三峽壩址來水呈現(xiàn)明顯減小趨勢，與三峽建庫前三峽壩址來水變化趨勢一致。溪洛渡、向家壩建庫后，消落期三峽壩址來水未出現(xiàn)明顯減小趨勢，說明三峽建庫后減小趨勢不顯著的原因主要是溪洛渡和向家壩水庫在消落期向下游補水加大下泄導致三峽壩址來水長時間序列變化趨勢改變。

3.2 突變分析

利用Mann-Kendall突變檢驗法和累積距平檢驗法分析研究時間流量序列突變情況。Mann-Kendall突變檢驗結果檢驗結果見圖2，累積距平檢驗結果見圖3。

圖2 Mann-Kendall突變檢驗結果

圖3 累積距平檢驗結果

采用2種方法檢驗三峽壩址來水序列突變變化，年平均、汛期、蓄水期2種方法檢驗結果基本一致，說明2種方法都能夠檢驗出流量序列的突變點，且均具有一定的參考性。M-K檢驗法、累積距平法檢驗的突變點：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突變檢驗年均、汛期、蓄水期序列突變點為1930—1980年(不考慮消落期序列)，突變范圍較大，檢驗結果一致性較弱。累積距平檢驗年均、汛期、蓄水期序列突變點為1954—1968年(不考慮消落期序列)，檢驗結果較可靠。

3.3 原因分析

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

表2 長江上游主要支流控制站來水情況

由表2可知，長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，三峽壩址來水出現(xiàn)突變主要原因是各主要支流來水在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，是三峽壩址來水發(fā)生突變的直接原因。長江上游降水量在1950s高于平均值，此后呈現(xiàn)明顯減少趨勢[10]，降雨量的減少是三峽壩址來水減少以及出現(xiàn)突變點的主要原因，研究表明氣象變化導致長江上游干支流降水呈減少趨勢[11-13]，此外人類活動導致用水量增加也是導致出現(xiàn)來水減少的原因之一[14-15]。

4 溪洛渡、向家壩、三峽水庫建庫前后水情分析

統(tǒng)計三峽、溪洛渡、向家壩建庫前后三峽壩址來水與歷史平均、90序列等對比見表3。

表3 三峽壩址來水情況對比統(tǒng)計

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

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

消落期：溪洛渡、向家壩建庫后三峽壩址來水達到8 020 m3/s，為5個序列中最大值，原因是溪洛渡、向家壩建庫后在消落期向下游補水導致三峽壩址來水增加，較年歷史平均增加18.63%，較90序列增加17.72%，較溪洛渡、向家壩建庫前增加18.20%。

汛期：汛期對比情況與年均類似，汛期歷史平均為26 000 m3/s。三峽建庫后汛期來水較歷史平均、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，三峽建庫后三峽壩址來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、向家壩建庫后三峽壩址來水較溪洛渡、向家壩建庫前略有增加。

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

以年內消落期、汛期、蓄水期占比分析年徑流年內分配比例變化，其中多年平均為0.12∶0.46∶0.42；三峽建庫后(2004—2020年)為0.15∶0.46∶0.39，溪洛渡、向家壩建庫后(2015—2020年)為0.16∶0.45∶0.39。不同時期三者比例有變化，其中消落期占比增加，汛期和消落期占比減小，進一步說明水利工程建設對年內水量分配有影響。

5 結論與展望

5.1 結 論

(1)采用M-K趨勢檢驗法、Spearman秩次檢驗法、非線性秩次檢驗法對三峽壩址來水(1890—2020年)變化趨勢進行檢驗，結果表明年均、汛期、蓄水期減小趨勢顯著，消落期減小趨勢不顯著。溪洛渡和向家壩建庫前(1890—2014年)消落期三峽壩址來水減小趨勢顯著，說明溪洛渡、向家壩水庫向下游補水改變了長江上游流域枯水期水資源時空分布。

(2)采用M-K突變檢驗法、累積距平檢驗法對三峽壩址來水突變檢驗分析，兩種方法均能檢驗突變點。M-K突變檢驗突變時間點較分散，累積距平檢驗突變點較為集中，累積距平檢驗法檢驗效果較好，突變點集中在1960年左右。突變主要原因是岷江、沱江、嘉陵江來水流量明顯減小。

(3)三峽建庫后年均、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氣象變化導致長江上游降水呈減少趨勢;②人類活動導致用水量增加，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，說明溪洛渡、向家壩在枯水期向下游補水導致三峽壩址來水增加。

5.2 展 望

(1)溪洛渡、向家壩建庫后運行時間較短，數(shù)據(jù)代表性不夠，需要在不斷積累實際運行數(shù)據(jù)基礎上加強滾動分析研究。

(2)隨著金沙江蘇洼龍、烏東德、白鶴灘以及雅礱江兩河口、楊房溝等水庫的蓄水運行，水資源的時空分布將進一步改變。

(3)隨著經(jīng)濟社會快速發(fā)展，長江河道外取水也會對長江干流多年平均徑流演變趨勢有一定影響，后期需要加強本流域內取用水及跨流域取用水對干流河道徑流的影響分析。

(4)隨著水庫運行資料的累積以及近年極端天氣的出現(xiàn)，三峽壩址來水必將出現(xiàn)新的變化趨勢。三峽水庫調度工作需要在整理歷史數(shù)據(jù)的基礎上，研究三峽壩址來水的年際變化、時空變化、周期性變化規(guī)律，探索三峽壩址中長期來水的特點，為三峽水庫安全防洪及中長期發(fā)電服務。