三峡坝址来水变化及水利工程对其影响分析

庞树森， 谢志刚， 徐 涛， 胡 翔， 吕祥熙

(1.中国长江电力股份有限公司， 湖北 宜昌 443133； 2.智慧长江与水电科学湖北省重点实验室， 湖北 宜昌 443133)

1 研究背景

梯级水库群在长江流域防洪体系中发挥着重要的作用，以三峡工程为核心的长江控制性水利工程逐步投入使用使人类对洪水防御能力不断加强。近年来，人类活动加剧，特别是大型水利工程的建设进一步加剧了水资源在年内时空分布的不确定性。具有流域控制性工程对河流形成“阻隔”作用，水库丰蓄枯放调蓄改变了河道原有的径流传播演变规律，特别是金沙江下游溪洛渡水库[1]、向家坝水库[2]建成投运后，其巨大调配能力对下游水量时空再分配带来新的变化。

长江上游径流变化影响着梯级水库群调度的准确性，也对长江中下游、两湖地区水资源量产生较大的影响[3]，如何准确把握上游来水变化趋势和水库中长期来水预测，是水库运行管理层面迫切需要研究的内容。国内学者针对气象变化对长江流量、降水时空分布的影响研究较多[4-5]，而上游水库群长期运行调度对三峡坝址来水的影响研究较少，大多研究内容集中在三峡水库的运用对长江中下游的影响[6-7]或者单一水库对长江干流来水的影响分析。为探讨长江上游已投运水电站对水资源年际变化、年内分布的影响，本文以已投入运行的三峡水库、溪洛渡水库、向家坝水库为例，利用Mann-Kendall、Spearman、累积距平、非线性检验等分析方法，以长时间径流数据序列为基础，研究三峡、溪洛渡、向家坝建库前后长江上游径流变化趋势、突变情况及年内分布变化，通过多方法、多结果对比分析得到研究结论，为梯级水库群联合优化调度和掌握长江上游来水情况及水电站中长期调度提供参考。

2 资料与方法

2.1 数据资料

本文所用资料为长江干流宜昌水文站1890—2003年长时间实测流量序列以及2004—2020年三峡水库建库后入库还原流量资料，作为分析三峡水库坝址来水变化的依据。

根据三峡水库运行调度特点[8]，将1—4月份平均流量作为消落期平均流量；6—8月份平均流量作为汛期平均流量；9—10月份平均流量作为蓄水期平均流量(三峡水库蓄水时间为9月初—10月底或11月初)。依据三峡水库、溪洛渡水库、向家坝水库建坝蓄水时间，将1890—1989年100 a平均流量作为历史平均流量；将宜昌站1990—1999年平均流量作为90序列；将2004—2011年三峡入库流量作为未受溪洛渡-向家坝建库影响的序列；将2015—2020年三峡入库流量作为开始受溪洛渡-向家坝建库影响的序列。

2.2 趋势检验方法

2.2.1 Mann-Kendall 趋势检验法

Mann-Kendall(M-K)趋势检验法是一种非参数统计检验法，对流量序列的秩而非数值客观地检验流量序列的变化趋势，避免个别极大值和极小值对结果的影响。利用双边检验对数据进行检验，计算得到统计量Z，当Z>0 时，表示流量序列呈现上升的趋势；当Z=0 时，表示流量序列无明显变化趋势；当Z<0 时，表示流量序列呈现下降的趋势。给定显著性水平α=0.05，Z1-2/α=1.96，若|Z|≥Z1-2/α，说明变化趋势显著，反之若|Z|

2.2.2 Spearman秩次检验法

采用Spearman秩相关系数法评价流量序列随时间变化的规律，对流量序列变化趋势进行定量分析。给定显著性水平α=0.05，计算秩相关系数，将秩相关系数|rs|同Spearman秩相关系数临界值Wp进行比较。当|rs|≥Wp则表明流量序列变化趋势显著：如果rs是正值，则表明在时段内有关统计量指标变化呈上升趋势；如果rs是负值，则表明在时段内有关统计量指标变化呈下降趋势。|rs|

2.2.3 非线性秩次检验法[9]

采用非线性趋势检验方法对长序列流量数据变化趋势进行检验，该方法假定各年份流量变化序列独立且同分布，结合统计变量对其趋势进行判定分析，计算得到趋势检验值T。若T>0则表示检验的流量序列呈现递增变化；当T=0 时，表示流量序列无明显变化趋势；若T<0则表示流量序列呈现递减变化。|T|≥1.62则表示检验的流量序列趋势变化的置信度可达到95%的显著变化水平；|T|<1.62则说明流量序列趋势变化不显著。

2.3 突变检验方法

2.3.1 Mann-Kendall突变检验法

Mann-Kendall突变分析是一种用来分析长时间水文序列突变检验的方法。计算顺序时间序列的秩序列UFk以及逆序时间序列的秩序列UBk。给定显著性水平α=0.05，对于临界值为U0.05=+1.96, 将UFk与UBk两个统计量序列曲线与U0.05=+1.96两条直线绘制在一个坐标系上,绘制出UFk与UBk曲线图。若UFk与UBk出现交叉点，且交叉点在临界线之间，它们交叉点对应的时刻便是突变开始时间。

2.3.2 累积距平检验法

累积距平检验是一种非参数统计检验方法，可用于识别水文序列的突变时间。根据距平有正负的特点，当距平累积持续增大时，表明该时段内流量距平持续为正，反之则持续为负。如果存在转折年份，距平累积会呈现一个方向波形变化后向另一个方向波形发展，据此可以比较直观且准确地确定流量序列突变时间。

3 三峡坝址来水演变规律

3.1 趋势检验

分别利用Mann-Kendall 趋势检验法、Spearman秩次检验法以及非线性秩次检验法对1890—2020年流量序列进行趋势检验分析，各统计量及检验结果见表1。

表1 三峡坝址来水检验结果(α=0.05)

检验结果表明：3种方法对样本序列检验结果一致。其中，三峡坝址来水长时间年均流量序列随时间整体呈显著减小趋势；消落期呈减小趋势，但是检验结果不明显；汛期和蓄水期检验结果为显著减小。图1给出变化趋势(1890—2020年)，由图1可知，1890—2020年年均、汛期、蓄水期呈现显著减小趋势，消落期变化趋势不明显，年均和汛期变化趋势保持一致，与表1检验结果相同。

图1 长时间流量序列变化趋势检验

三峡建库前(1890—2003年)和建库后(1890—2020年)长序列趋势变化见图1。由图1可知：年均、汛期、蓄水期在三峡建库前后趋势基本保持一致。消落期在三峡建库前出现明显的减小趋势，而三峡建库后(1890—2020年)减小趋势不显著，增加溪洛渡、向家坝建库前(1890—2014年)三峡来水变化趋势线，3条趋势线对比可知：溪洛渡、向家坝建库前消落期三峡坝址来水呈现明显减小趋势，与三峡建库前三峡坝址来水变化趋势一致。溪洛渡、向家坝建库后，消落期三峡坝址来水未出现明显减小趋势，说明三峡建库后减小趋势不显著的原因主要是溪洛渡和向家坝水库在消落期向下游补水加大下泄导致三峡坝址来水长时间序列变化趋势改变。

3.2 突变分析

利用Mann-Kendall突变检验法和累积距平检验法分析研究时间流量序列突变情况。Mann-Kendall突变检验结果检验结果见图2，累积距平检验结果见图3。

图2 Mann-Kendall突变检验结果

图3 累积距平检验结果

采用2种方法检验三峡坝址来水序列突变变化，年平均、汛期、蓄水期2种方法检验结果基本一致，说明2种方法都能够检验出流量序列的突变点，且均具有一定的参考性。M-K检验法、累积距平法检验的突变点：年均序列分别为1950年前后、1968年；汛期序列分别为1970年前后、1968年；蓄水期序列为1968年前后、1954年；消落期序列分别为不显著、1921年。M-K突变检验年均、汛期、蓄水期序列突变点为1930—1980年(不考虑消落期序列)，突变范围较大，检验结果一致性较弱。累积距平检验年均、汛期、蓄水期序列突变点为1954—1968年(不考虑消落期序列)，检验结果较可靠。

3.3 原因分析

为探究三峡坝址来水减少及突变发生的主要原因，分析长江上游主要支流来水情况，见表2。

表2 长江上游主要支流控制站来水情况

由表2可知，长江上游各支流主要控制站1950s、1960s平均流量均偏多； 1970s乌江平均流量稍偏多，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、乌江偏多，岷江、沱江、嘉陵江偏少； 2000s除金沙江偏多外，岷江、沱江、嘉陵江、乌江均偏少。

由以上分析可知，三峡坝址来水出现突变主要原因是各主要支流来水在1970s后均出现不同程度减小，其中岷江、沱江、嘉陵江减小程度较为显著，是三峡坝址来水发生突变的直接原因。长江上游降水量在1950s高于平均值，此后呈现明显减少趋势[10]，降雨量的减少是三峡坝址来水减少以及出现突变点的主要原因，研究表明气象变化导致长江上游干支流降水呈减少趋势[11-13]，此外人类活动导致用水量增加也是导致出现来水减少的原因之一[14-15]。

4 溪洛渡、向家坝、三峡水库建库前后水情分析

统计三峡、溪洛渡、向家坝建库前后三峡坝址来水与历史平均、90序列等对比见表3。

表3 三峡坝址来水情况对比统计

由表3可知：年、汛期、蓄水期历史平均均大于90以后序列，说明三峡坝址来水整体呈现来水减少趋势。

年均：历史平均为14 278 m3/s，三峡建库后平均流量较年历史平均减小8.76%，溪洛渡、向家坝建库后三峡坝址来水较90序列、溪洛渡、向家坝建库前略有增加。

消落期：溪洛渡、向家坝建库后三峡坝址来水达到8 020 m3/s，为5个序列中最大值，原因是溪洛渡、向家坝建库后在消落期向下游补水导致三峡坝址来水增加，较年历史平均增加18.63%，较90序列增加17.72%，较溪洛渡、向家坝建库前增加18.20%。

汛期：汛期对比情况与年均类似，汛期历史平均为26 000 m3/s。三峡建库后汛期来水较历史平均、90序列均有大幅度减少，分别减少14.09%、7.77%。

蓄水期：蓄水期历史平均流量为23 250 m3/s，为序列中的最大值，三峡建库后三峡坝址来水较历史平均有大幅度减少，减少22.89%，90以后序列较历史平均都呈现较大的减少。而溪洛渡、向家坝建库后三峡坝址来水较溪洛渡、向家坝建库前略有增加。

2020年发生流域性大洪水，量级仅次于1954年和1998年。2018年长江上游发生较大洪水，三峡坝址来水多于历史平均值。因此溪洛渡、向家坝建库后，年均、汛期、蓄水期三峡坝址来水多于溪洛渡、向家坝建库前。

以年内消落期、汛期、蓄水期占比分析年径流年内分配比例变化，其中多年平均为0.12∶0.46∶0.42；三峡建库后(2004—2020年)为0.15∶0.46∶0.39，溪洛渡、向家坝建库后(2015—2020年)为0.16∶0.45∶0.39。不同时期三者比例有变化，其中消落期占比增加，汛期和消落期占比减小，进一步说明水利工程建设对年内水量分配有影响。

5 结论与展望

5.1 结 论

(1)采用M-K趋势检验法、Spearman秩次检验法、非线性秩次检验法对三峡坝址来水(1890—2020年)变化趋势进行检验，结果表明年均、汛期、蓄水期减小趋势显著，消落期减小趋势不显著。溪洛渡和向家坝建库前(1890—2014年)消落期三峡坝址来水减小趋势显著，说明溪洛渡、向家坝水库向下游补水改变了长江上游流域枯水期水资源时空分布。

(2)采用M-K突变检验法、累积距平检验法对三峡坝址来水突变检验分析，两种方法均能检验突变点。M-K突变检验突变时间点较分散，累积距平检验突变点较为集中，累积距平检验法检验效果较好，突变点集中在1960年左右。突变主要原因是岷江、沱江、嘉陵江来水流量明显减小。

(3)三峡建库后年均、汛期、蓄水期平均流量较历史平均都有不同程度的减少，分析原因主要有：①气象变化导致长江上游降水呈减少趋势;②人类活动导致用水量增加，其中气象变化是最主要的原因。

(4)溪洛渡、向家坝建库后年均、汛期、蓄水期较历史平均小，但消落期比历史平均大，说明溪洛渡、向家坝在枯水期向下游补水导致三峡坝址来水增加。

5.2 展 望

(1)溪洛渡、向家坝建库后运行时间较短，数据代表性不够，需要在不断积累实际运行数据基础上加强滚动分析研究。

(2)随着金沙江苏洼龙、乌东德、白鹤滩以及雅砻江两河口、杨房沟等水库的蓄水运行，水资源的时空分布将进一步改变。

(3)随着经济社会快速发展，长江河道外取水也会对长江干流多年平均径流演变趋势有一定影响，后期需要加强本流域内取用水及跨流域取用水对干流河道径流的影响分析。

(4)随着水库运行资料的累积以及近年极端天气的出现，三峡坝址来水必将出现新的变化趋势。三峡水库调度工作需要在整理历史数据的基础上，研究三峡坝址来水的年际变化、时空变化、周期性变化规律，探索三峡坝址中长期来水的特点，为三峡水库安全防洪及中长期发电服务。