三峡水库1956—2017年坝下径流特征分析

卢 路，杨 盼

（1.长江水资源保护科学研究所，武汉 430051；2.三峡大学 水利与环境学院，湖北 宜昌 443000）

三峡工程是世界上最大的水利工程。坝址以上控制流域面积约1×106km2，约占长江流域总面积的56%，多年平均径流量约为4.255×1011m2。坝址下游长江干流河段是荆州、岳阳、武汉等众多城市的主要取水水源地。一方面随着长江中下游城市的快速发展和人口的急剧增加，水资源需求进一步增大，取用水矛盾凸显。另一方面随着长江上游气候变化和人类活动——尤其是三峡工程的建设，改变了上游的来水情势[1]，使水资源演变规律越来越复杂，对下游河道用水产生一定影响。

目前，对三峡水库坝下径流的研究取得了不少成果。郭希望等[2]采用宜昌站长系列资料对三峡工程坝址径流特性进行分析，研究显示宜昌站径流近年来呈减少趋势，且未来一段时间仍处于偏枯期。祝杰等[3]对长江上游6个大干支流9个控制断面径流量进行了分析，结果显示宜昌断面径流量变化使全流域总径流突变发生改变。邹振华等[4]及张建云等[5]通过研究表明人类活动极大地改变了长江径流特性。李长春等[6]通过对三峡水库蓄水期长江干流沙市水文站和两湖径流特性分析，认为枯水期中下游来水与上游来水偏枯有一致性。孙甲岚等[7]、俞烜等[8]对长江上游降水、径流变化趋势进行了研究，认为长江干流径流受到人类活动干扰较大。李林等[9]通过对长江上游径流量变化的研究，认为降水量是影响径流的主要因子。由于三峡工程正常蓄水运行以来资料系列较短，使得对三峡工程运行后下游径流量变化趋势和规律研究还存在一定的局限性。至2018年三峡工程已正式运行15年，有条件对三峡工程运行前后坝址下游径流量变化趋势及影响因素进行再分析，为三峡水库优化调度、保障下游社会经济用水安全提供参考。

1 资料与方法

1.1 资料

选取三峡大坝坝下宜昌水文站径流数据作为分析对象。宜昌水文站位于东经111°，北纬30°，距三峡坝址约45 km，上游控制面积约为1×106km2，是长江干流最早设置的水文站之一。径流系列资料选取该水文站1956—2017年日监测数据，从中提取年均径流量和月均径流量系列数据。降水量资料采用长江上游1956—2017年80个国家气象站年均降水数据。

图1 研究区地理位置、水系及水文站分布Fig.1 Geographical location,water system and hydrological station distribution in the study area

1.2 方法

对三峡水库坝下宜昌水文站径流年际变化、年内变化和影响因素进行分析。考虑到三峡水库坝下径流受人类活动影响比较明显，根据三峡工程建设关键节点，年际变化分析将研究时间分为三峡工程建设前期（1956—1994年）、三峡工程建设期（1995—2002年）和三峡工程蓄水运行期（2003—2017年）三个时期。年内变化分为枯期（12—3月）和汛期（5—10月）。分析采用一元线性分析法和滑动平均法对径流趋势进行分析，并采用线性趋势回归法和非参数统计检验对趋势结果进行检验；采用Mann-Kendall秩次相关、累积距平法和滑动T检验法检测可能存在的突变点。

2 结果与讨论

2.1 降水-径流基本特征

宜昌水文站多年（1956—2017）年均径流量为4.255×1011m3。其中，三峡工程建设期间（1995—2002）径流量最大，达到4.364×1011m3；三峡蓄水正常运行后（2003—2017）最小，为4.026×1011m3，较三峡工程建设期平均径流量减少7.8%。偏差系数：1956—1994年较小，为0.09；1995—2002年和2003—2017年均为0.12，高于1956—1994年，说明1994年后径流量年际变化较之前剧烈，可能原因是气候原因和人工干扰。考虑到2003—2017年长江上游多年平均降水量比1956—2002年减少4.8%，1956—1994年和1995—2002年宜昌水文站径流量和上游降水量相关性较高（相关系数分别达到0.92和0.99），同期极值出现年份也基本相同，说明这时期宜昌水文站径流量受上游天然来水影响较大，呈正相关关系。而2003—2017年径流量与上游降水量相关系数仅为0.46，极值出现的年份也不相同，说明2003年以后宜昌水文站径流受上游天然来水量影响较小，这时期人类活动干扰占主导作用，这与三峡工程2003年正式蓄水运行节点相吻合。宜昌水文站不同时期径流及上游地区降水情况和特征值分别见图2和表1。

图2 1956—2017年宜昌水文站年均径流量及长江上游平均降雨量Fig.2 Annually averaged runoff at Yichang hydrological station and averaged rainfall in the upper reaches of the Yangtze River from 1956 to 2017

表1 宜昌水文站不同时期径流及上游地区降水特征值统计表Table 1 Characteristics of runoff and upstream precipitation at Yichang hydrological station in different periods

2.2 径流年际变化特征

宜昌水文站径流整体呈减少趋势，如图3所示。采用一元线性法和滑动平均法对趋势进行判断，判断结果进一步显示径流量和降雨量均呈减少的趋势（图4）。

图3 宜昌水文站不同时期年径流量和长江上游平均降水量变化趋势图Fig.3 Variation trend of annual runoff and upstream average precipitation at Yichang hydrological station in different periods

图4 1956—2017年宜昌水文站年均径流量和上游降水量变化趋势图判断图Fig.4 Variation trends of annually averaged runoff and upstream precipitation at Yichang hydrological station from 1956to2017

采用线性趋势回归法和非参数统计检验法对减少趋势进行显著性分析，分析结果见表2。径流量检测结果分别为1.63和0.126，均小于检测标准值，表明结果呈不显著水平，说明宜昌水文站年均径流量下降趋势不明显；而长江上游降水量检测结果均大于检测标准值，说明长江上游降水量呈减少趋势达到显著水平（α=0.05），表明长江上游降水量减少趋势显著。长江上游降水量显著减少，而径流量变化趋势不明显状态下，说明天然来水情况对宜昌水文站径流量影响不明显，而人类活动三峡工程调蓄对下游径流量起决定性作用。

表2 1956—2017年宜昌水文站年均径流量和上游降水量趋势检验值统计表Table 2 Trend test of annually averaged runoff and upstream precipitation at Yichang hydrological station from 1956 to 2017

图5 宜昌水文站径流量和上游降水量可能突变点检测图Fig.5 Detection of possible mutation point for the runoff at Yichang hydrological station and the upstream precipitation

采用Mann-Kendall（M-K）秩次相关、累积距平法和滑动T检验法对径流量和降水量发生显著性跃变的年份进行检测。结果显示（图5），三种方法检测径流量突变年份分别为2002年、2001年和2000年，降水量突变年份分别为2001年、2001年和2000年，检验结果都达到0.05信度的显著水平。根据检测的突变年份，参考相关文献，综合判断宜昌水文站径流量突变年份为2002年。公开资料显示，2000年、2001年为三峡工程攻坚施工期，2002年三峡工程导流明渠截流合龙，对径流影响较大。同期上游降水量从2000年的920 mm减少到2002年的845 mm，减少8.2%，以上因素是导致2002年宜昌水文站径流量发生较大变化的主要原因。

2.3 径流年内变化特征

径流量年内变化如表3所示。与1956—2002年相比，2003—2017年12—6月各月径流量所占年径流量百分比均有所增加，增加幅度为0.1%～1.3%，其中，3月增加幅度最大，增加1.3%，6月增加幅度最小，仅增加0.1%；7—10月各月径流量所占年径流量百分比均有所减少，减少幅度为0.5%～3.0%，其中，10月减幅最大，减少3.0%，7月减幅最小，减少0.5%；6—10月汛期径流量所占年径流量百分比下降为66%，降低约6%，12月至翌年3月枯季径流量占年径流量百分比增加至14.8%，增加约3.6%。可以看出，2003年以后，宜昌水文站年内径流分配发生了变化，主要体现在汛期径流量所占年径流总量百分比下降，枯期径流量占年径流量总量百分比增加，但年最大径流量和最小径流量发生月份没有发生改变。

表3 宜昌水文站径流年内分配特征统计表Table 3 Characteristics of the intra-annual runoff distribution at Yichang hydrological station

3 结论

（1）三峡水库坝下宜昌水文站径流量变化趋势具有显著阶段性。1956—1994年和1995—2002年宜昌水文站径流量和上游降水量呈正相关关系，相关系数分别为0.92和0.99，径流量主要受上游天然来水影响。2003—2017年径流量与上游降水量相关系数仅为0.48，宜昌水文站径流受上游天然来水量影响较小，主要受人类活动影响。

（2）宜昌水文站径流呈减少趋势，但不显著；长江上游降水量呈减少趋势，且呈显著水平，进一步说明天然来水情况对宜昌水文站径流量影响不明显。通过显著性跃变分析，径流量和降水量在2002年发生了突变，两者变化虽然具有同步性，但径流量减少趋势不显著，再次说明人类活动对宜昌水文站径流量的主导作用。三峡工程调蓄是人类活动的直接表现，枯期宜昌水文站径流量增大是三峡工程生态效益的具体体现。

（3）宜昌水文站径流量年内径流分配发生了变化，但年最大径流量和最小径流量发生月份没有改变。主要体现在汛期径流量所占年径流总量百分比从72%下降到66%，枯期径流量占年径流量总量百分比从11%增加到15%。

宜昌水文站径流量年际、年内变化是气候变化和人类活动共同作用的结果。如何将上游来水变化产生的不利影响降至最低，不对下游社会经济和生态用水造成明显影响，还需要更深入的研究和分析。