长江上游典型区域丰枯转换期水资源变化分析

刘建峰，杨 芳，郭 晓，汪 磊

（1.长江水利委员会长江科学院，武汉 430010；2.长江水资源保护科学研究所，武汉 430051；3.中国长江三峡集团公司，北京 100038；4.三峡水利枢纽梯级调度通信中心，湖北 宜昌 443133）

金沙江位于长江上游，从河源至宜宾干流河长3 364 km，落差5 100 m，分别占长江干流全长和总落差的55%和95%。流域面积4.732×105km2，约占长江流域面积的26%。根据地理位置，金沙江划分上、中、下三段，其中玉树至石鼓为金沙江上段（全长958 km，落差1 677 m），石鼓至攀枝花为金沙江中段（全长1 326 km，落差1 570 m），攀枝花至宜宾为金沙江下段（全长782 km，落差729 m）。雅砻江为金沙江流域最大支流，自金沙江下段攀枝花处汇入。

金沙江拥有丰富的水能资源，其蕴藏量达1.124×108kW，约占全国的16.7%，可开发水能资源达9×107kW，其水能资源的富集程度堪称世界之最。在中国规划的十三大水电基地中，金沙江是具有重要战略地位的最大水电基地。金沙江下游规划乌东德、白鹤滩、溪洛渡、向家坝四座巨型梯级电站。目前，溪洛渡、向家坝已于2013年前后投产发电，乌东德、白鹤滩将于2020年、2021年分别投产发电。流域及相关电站水文站点如图1所示。

图1 金沙江下游流域站点示意图Fig.1 Distribution map of power station and hydrometric station in the lower Jinsha river basin

受上游水库群调蓄及降雨特性影响，金沙江下游流域在每年6月和10月左右均出现较为明显的丰枯转换现象，溪洛渡水库入库流量波动较大。6月为溪洛渡-向家坝梯级水库消落期与汛期衔接关键时期，10月为溪洛渡-向家坝梯级水库蓄水期与枯期衔接关键时期。在这两个月内，梯级水库运行约束较多，丰枯转换情况的出现进一步压缩了调度空间，给梯级水库运行调度带来了一定的困难。

在流域来水丰枯转换方面，国内外学者开展了大量的研究工作。孙鹏等[1]通过定义长周期降雨旱涝急转指数和短周期的降雨旱涝急转指数，分析了东江流域汛期长周期和短周期降雨旱涝急转现象的趋势变化和时空分布特征；谢华等[2]以不同水文区丰枯遭遇概率研究为背景，引入Copula函数构建三维联合概率分布模型，研究不同量级水文变量的遭遇概率及条件概率，验证了变量维数n≥3情况下Copula函数应用的优越性。张程玥等[3]以长江上游秋汛期降水为例，基于长江上游流域内1961—2016年降水资料，利用美国国家环境预报中心（National Centers for Environmental Prediction，NCEP）/美国国家大气研究中心（National Center for Atmo-spheric Research，NCAR）的大气环流资料、美国国家海洋和大气管理局（National Oceanic and Atmospheric Administration，NOAA）海温资料与经验正交函数（Empirical Orthogonal Function，EOF）第一模态时间序列进行回归分析，发现当西风急流偏南、副热带南印度洋偶极子（The southern Indian Ocean dipole，SIOD）为正位相或赤道中东太平洋海温负距平时，长江上游秋汛期降水南多北少的规律。相关研究[4-9]侧重于对流域整体降雨情况进行宏观层次丰枯分析，较少从流量角度开展相关研究工作。

本文对金沙江下游流域流量丰枯转换特性进行分析，识别丰枯转换规律及主要影响因素，契合金沙江下游梯级电站运行调度需求，有助于提升溪洛渡-向家坝梯级水库科学决策水平。

1 流量过程分析

金沙江下游流域来水主要由金沙江中游流域和雅砻江流域出流及金沙江下游流域区间降雨产流组成。其中，金沙江中游流域流量控制站点为攀枝花站，雅砻江流域控制站点为桐子林站，金沙江中游流域与雅砻江流域汇流处流量控制站点为三堆子站，如图2所示。

图2 金沙江下游流域站点拓扑图Fig.2 Topological graph of reservoirs and hydrologic stations in the lower Jinsha river basin

研究采用2015—2018年溪洛渡、三堆子及三堆子至溪洛渡区间实测日均入库流量资料为研究基础，分析丰枯转换规律。为深入了解金沙江下游水资源丰枯转换情况，首先以溪洛渡水库入库流量为研究对象，逐月逐旬分析溪洛渡水库2015—2018年入库流量过程。图3展示了2015—2018年溪洛渡水库6—10月入库水量占比。可以看出，在这四年中，6—10月来水量占全年来水量比例平均值为68.17%，最小为66.93%（2015年），最大为71.06%（2018年），与《金沙江溪洛渡水电站可行性研究报告》所述的占比75%左右基本吻合。其他七个月（1—5月、11—12月）总来水量仅占年来水量三成左右。溪洛渡入库流量在年内分配上集中度较高，丰枯特性较为明显。由图4可知，1—5月及11—12月月均流量较6—10月明显偏低。全年流量变化过程基本为1—5月流量较小且平稳，6月开始逐步起涨；7—9月流量较大，因受降雨过程影响，变化较大；10月开始退水，11月持续退水，12月流量较小且较为稳定。

图3 2015—2018年溪洛渡水库6—10月入库水量占比图Fig.3 Proportion of inflow water in June and October for Xiluodu Reservoir from 2015 to 2018

图4 2015—2018年溪洛渡水库逐旬入库流量过程图Fig.4 Inflow process of Xiluodu reservoir from 2015 to 2018

根据上述分析结果可知，在溪洛渡入库流量过程中，6月衔接着消落期及汛期，10月衔接着蓄水期及枯水期，为丰枯转换关键节点，与常识判断一致，且近年来在此两个月份有明显的丰枯转换情况。

2 丰枯转换影响因素探讨

现以2018年6月及10月溪洛渡入库流量过程作为研究对象，从降雨变化及上游水库群调蓄[10-12]两方面开展径流丰枯转换分析。

2.1 6月丰枯特性分析

2.1.1 区间流量分析

图5是溪洛渡水库2018年5月21日至7月10日实测日均入库流量过程图。旬均流量从5月21日至7月10日整体呈现上升趋势，5月下旬至6月中旬逐旬流量增幅较小，6月中旬至6月下旬，由3 931 m3/s加大至6 549 m3/s，增幅达66.6%。由于溪洛渡入库流量主要由三堆子与区间流量合成，因此结合三堆子与溪洛渡逐日流量对比结果（见图6）进行分析，可知三堆子与溪洛渡日均流量过程形态基本对应，整体趋势近似。

图5 2018年5—7月溪洛渡入库流量过程图Fig.5 Inflow of Xiluodu Reservoir from May to July of 2018

图6 2018年5—7月溪洛渡日均入库流量与三堆子日均流量对比图Fig.6 Comparison between Xiluodu inflow and Sanduizi daily mean flow from May to July of 2018

为此，进一步分析6月前后丰枯转换成因。结合5—7月溪洛渡与三堆子区间流量过程（见图7），可以得到以下结果：（1）三堆子旬均流量在5月下旬至6月中旬基本保持稳定，但在6月中旬至6月下旬陡然加大2 445 m3/s，占溪洛渡同时期旬均流量变幅的93.3%。（2）由溪洛渡旬均及三堆子旬均入库流量，计算获取三堆子至溪洛渡旬均区间流量，可知区间流量在5月下旬至6月下旬呈持续增长趋势，在6月中旬至下旬无明显突变陡增情况，区间流量加大175.1 m3/s，增幅占溪洛渡同时期旬均流量变幅的6.7%。（3）区间流量在5月下旬至6月上旬增加669 m3/s，三堆子流量增加51 m3/s，溪洛渡入库流量增加较多，为720 m3/s。

图7 2018年5—7月溪洛渡与三堆子区间流量过程图Fig.7 Flow process between Xiluodu and Sanduizi subsections from May to July of 2018

综上所述，可以认为溪洛渡水库6月中旬至下旬流量丰枯转换迅速主要因为三堆子流量的变化，而非区间流量发生变化。考虑到三堆子2015—2018年均入库流量为3 630 m3/s，溪洛渡2015—2018年均入库流量为4 400 m3/s，可知三堆子对溪洛渡的流量贡献接近83%，可以认为该结论合理。

2.1.2 水库群调蓄分析

三堆子流量主要由金沙江中游流域出流及雅砻江流域出流合成。其中，金沙江中游流域控制站点为攀枝花站，雅砻江流域控制站点为桐子林站。由于两流域调节性水库较多，水库调蓄影响较大。为深入剖析金沙江下游流域丰枯转换规律，对两流域进行水库调蓄还原计算，获得攀枝花站及桐子林站还原后的天然流量系列，将两者叠加，可得溪洛渡天然入库流量系列。

图8显示溪洛渡天然入库流量。6月上旬至中旬流量增量最大，为2 233 m3/s。图9显示中上游水库群调蓄过程，6月上旬至中旬，旬均拦蓄流量大幅增加，由208 m3/s加大至2 195 m3/s，6月下旬降至999 m3/s。上游水库群调蓄改变了天然流量过程，对流量进行了再分配。

图8 2018年5—7月溪洛渡入库天然还原流量过程图Fig.8 Natural reduction flow process of Xiluodu from May to July of 2018

图9 2018年5—7月金沙江下游溪洛渡上游梯级水库群蓄水流量过程Fig.9 Water storage process of the cascade reservoirs in the upper reaches of Xiluodu from May to July of 2018

2.2 10月丰枯特性分析

2.2.1 区间流量分析

溪洛渡9—10月入库流量过程如图10所示。2018年9月中旬至10月下旬流量整体呈现退水趋势，但在10月上旬出现了微小返涨现象，流量由9月下旬的10 000 m3/s涨至10月上旬的10 400 m3/s；10月上旬至下旬逐步退水，其中10月上旬与中旬降幅最大，流量由10 400 m3/s降至7 330 m3/s，降幅29.5%。

图10 2018年9—10月溪洛渡入库流量过程图Fig.10 Inflow of Xiluodu from September to October of 2018

图11 2018年9—10月溪洛渡入库流量与三堆子日均流量对比图Fig.11 Comparison between Xiluodu inflow and Sanduizi daily mean flows from September to October of 2018

从9月至10月溪洛渡入库流量与三堆子流量对比（图11）可知，三堆子日均流量与溪洛渡日均入库流量过程形态基本对应。三堆子旬均流量最大降幅发生在10月上旬至中旬，流量由9 283 m3/s降至6 287 m3/s，下降2 966 m3/s，占同期溪洛渡入库流量降幅的98.6%，而同期区间流量下降44 m3/s，占比仅为1.4%，这表明与6月一致，10月溪洛渡入库流量丰枯转换主要由三堆子流量减少导致。

在溪洛渡与三堆子区间流量过程中值得关注的是，9月中旬至10月下旬，区间流量变化趋势并非一致，而是呈现出先增后减的形态，这是由于9月下旬至10月初，三堆子至溪洛渡区间遭遇降雨，区间产流显著增大导致，如图12所示。

2.2.2 水库群调蓄分析

从9月至10月金沙江下游天然还原流量过程（图13）来看，金沙江流域天然还原流量过程形态与溪洛渡入库流量形态基本一致，最大流量变幅同样发生在10月上旬至中旬；9月11日至10月31日，溪洛渡上游水库群调蓄较为稳定，调蓄影响较小。在调蓄影响（图14）上，9月下旬至10月中旬为蓄水状态，9月中旬及10月下旬为补水状态[13]。

图12 2018年9—10月溪洛渡与三堆子区间流量过程图Fig.12 Flow process between Xiluodu and Sanduizi subsections from September to October of 2018

图13 2018年9—10月金沙江下游天然还原流量过程图Fig.13 Natural reduction flow process of the Jinsha lower reaches from September to October of 2018

图14 2018年9—10月溪洛渡上游梯级水库群蓄水流量过程Fig.14 Water storage process of the cascade reservoirs in the upper reaches of Xiluodu from September to October of 2018

3 结论

针对长江上游金沙江下游流域近年6月及10月出现的丰枯转换现象，以2018年6月及10月溪洛渡入库流量丰枯转换情况作为实例，从区间流量及上游水库群调蓄影响两方面开展了研究工作。

从空间拓扑关系来看，溪洛渡入库流量丰枯转换主要影响因素为三堆子流量变化，三堆子至溪洛渡区间流量变化影响较小，表明丰枯转换是一个自上游至下游的传播过程。从时间角度来看，在6月，上游水库群调蓄对金沙江下游流域丰枯转换影响较大，10月影响相对较小，这意味着丰枯转换出现的可能性及程度在丰水期较枯水期更大。这一特点对汛期防洪调度、干旱区水资源配置提出了更高的要求，为溪洛渡-向家坝梯级水库计划制订及实际调度工作提供了参考。在日常调度工作中需更多重视上游来水实测及预报资料，对丰枯转换期的流量变化提高警惕。