水利工程影响下的宜昌站枯水期水位流量分析
2023-01-03庞树森陈荣波彭付近谢志刚
庞树森，陈荣波，彭付近，胡 翔，谢志刚
(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；3.中国电建集团昆明勘测设计研究院有限公司，云南 昆明 650051；4.宜昌市水文局，湖北 宜昌 443000)
水利工程的兴建与投运改变了原有河流形势，给流域防洪、航运、发电、生态等方面带来积极的影响[1-2]。水利工程运用后汛期通过拦蓄、削峰、错峰等手段减轻了洪水灾害损失，枯水期通过发电增加下泄补水调度，提高了下游河道的水位和流量，使水量在年内实现再分配[2-4]。同时水库蓄水运行后，下泄水流一般为清水，会对下游河道产生一定的冲刷，改变冲刷河道的水位流量关系[5]。随着长江流域经济社会的快速发展，水资源供需矛盾逐渐显现，生态环境保护、航运安全、供水等需求逐步提升[6-8]。尤其是枯水期，流量小，水位低，受水库调蓄作用影响大，是流域河道研究的重点。枯水期水位和流量是河道通航条件和生态最小流量的重要指标，枯水期水位流量变化研究是水文学研究的重要组成[9]。
三峡水库蓄水运用后，国内诸多学者开展了三峡水库调度与长江中下游影响的分析研究，以往研究多集中在三峡水库对中下游防洪形势的影响[10-12]，而对宜昌站枯水期水位提高程度和长期运行对河道影响变化分析不足，研究进展落后于洪水的研究。本文主要分析在三峡和葛洲坝水利工程影响下宜昌水文站枯水期水位流量不同量化指标的变化，旨在揭示水利工程对长江干流枯水期的影响程度，为流域水资源高效利用、水生态保护和航运安全提供基础信息参考。
1 研究区域及数据
1.1 研究区域
研究区域主要为长江干流三峡工程、葛洲坝工程及其下游宜昌水文站。宜昌水文站是长江上游和中游的分界点，也是长江干流重要的控制站，距上游葛洲坝工程6 km，三峡工程44 km。葛洲坝水利枢纽1971年5月开工兴建，1972年12月停工，1974年10月复工，1988年12月全部竣工[13]。三峡水利枢纽1994年正式动工兴建，2003-06-01日蓄水发电，2008年开始试验性蓄水，2010年10月首次蓄水至正常蓄水位175.0 m。
1.2 资料和分段方法
研究以宜昌水文站1962～2021年的实测水文资料为研究基础。
根据三峡、葛洲坝水利工程投运的不同阶段，将研究时段划分为：第一阶段：葛洲坝水库运用前(1962～1980年)；第二阶段：葛洲坝水库运用后和三峡水库运用前(1981～2002年)；第三阶段：三峡水库运用后(2003～2021年)。根据三峡、葛洲坝水利枢纽运行特点及长江上游流域降雨径流特征，将每年的6月至次年5月定义为一个水文年(以下年份均为水文年)，其中，将11月至次年5月定义为该水文年的枯水期[14]。
2 宜昌站水位流量变化分析
2.1 流量变化趋势及突变分析
2.1.1 趋势分析
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，表示流量序列呈现下降的趋势。给定显著性水平α=0.05，Z1-α/2=1.96，若|Z|≥Z1-α/2，说明变化趋势显著，反之若|Z|
图1 宜昌站1962～2020年枯水期平均流量变化趋势图
2.1.2 突变分析
M-K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。计算宜昌站1962～2020年枯水期平均流量顺序时间序列的秩序列UFK以及逆序时间序列的秩序列UBK。取显著性水平a=0.05，则临界值为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，见图2。若UFK与UBK出现交叉点，且交叉点在临界线之间，则交叉点对应的时刻便是突变开始的时间。图2中UFK与UBK在2013年发生交叉，说明宜昌站枯水期平均流量长系列在2013年前后均值发生显著跳跃。1962～2012年宜昌站枯水期平均流量为6 780 m3/s，2013～2020年平均流量为9 340 m3/s，平均流量增加37.8%，主要原因是2010年三峡水库首次蓄水至正常蓄水位175 m，枯水期持续向下游补水，增加了下游河道流量，充分发挥兴利效益。
图2 宜昌站1962～2020年枯水期平均流量突变检验图
2.2 枯水期径流占比变化分析
径流占比是反映年内水量分配的重要指标之一[15-17]，计算宜昌站枯水期径流量占全年的径流量的比例，统计三个分析时段的变化曲线斜率，见图3。第一个时段(1962～1980年)枯水期占比呈下降趋势，第二个阶段(1981～2002年)占比呈上涨趋势，第三个阶段(2003～2020年)占比呈明显上涨趋势。其中第三阶段平均占比比第一阶段增加了28.6%，第二阶段平均占比与第一阶段相同，说明葛洲坝工程对宜昌站年内来水分配影响不明显，三峡工程对宜昌站年内径流分配影响较大。图3中1998年枯水期径流占比最小，2011年径流占比最大，近几年中，2012年、2020年占比较其他年份占比小，而这两年长江上游均发生较大洪水过程，说明中、丰水年的枯水期径流占比相对于枯水年偏小。
图3 宜昌站1962～2020年枯水期径流占比变化图
2.3 枯水期水位流量关系
宜昌站枯水期水位流量关系主要受上游电站调蓄来水影响，水位流量关系一般为单一曲线关系。选取2003、2010、2016、2018年和2020年拟合三峡水库蓄水运用后宜昌站水位流量关系，见图4。水库蓄水后清水下切导致河道冲刷，改变了冲刷河道的水位流量关系，给中下游的供水形势、通航条件以及生态环境带来一定的影响。枯水期三峡水库库水位从正常高水位175.0 m逐步消落至汛限水位145.0 m，平均增加下游流量1 200 m3/s，增加宜昌站水位0.35 m。
由图4得知，三峡水库运用后，宜昌站水位流量关系曲线逐渐右偏，同流量下水位逐渐降低，同水位下宜昌站过流能力增强。近几年(2016、2018、2020年)，当流量小于12 000 m3/s时，水位流量关系变化不大；当流量大于12 000 m3/s时，水位流量关系出现不同的发展趋势。
图4 宜昌水文站枯水期水位流量关系曲线
葛洲坝，三峡水库蓄水运行后，同流量下宜昌站水位呈现下降趋势，见图5。当流量为10 000 m3/s时，第三阶段较第二阶段平均下降0.91 m，较第一阶段下降1.95 m；流量为8 000 m3/s时，第三阶段较第二阶段平均下降0.95 m，较第一阶段下降1.92 m；流量为6 000 m3/s时，第三阶段较第二阶段平均下降0.84 m，较第一阶段下降1.74 m。对应水位下降幅度随着流量增加而增大。
图5 宜昌站1962～2020年枯水期同流量下水位变化图
2.4 年最低水位变化
年最低水位能够反映最枯来水情况，最枯来水是制约生态基本流量和最低通航水位要求的基本要素。最低水位差(1962～2020年各年最枯水位与该期间各年最低水位平均值之差)累计变化值可以反应水位年度变化趋势过程。图6为最低水位和最低水位差累积值变化过程，可知两种变量变化基本一致，1962～2004年两种变量整体均成下降趋势，中间出现过两次(1986、2001年)上浮，1986年后出现明显的下降，是由于葛洲坝工程修建后坝下河道冲刷引起水位下降的结果。2005年后两变量开始上涨，并于2008年后呈现稳定趋势，年最低水位维持在39～39.50 m之间，这是由于三峡水库试验性蓄水后枯水期最小流量增加导致水位抬高的结果。
图6 宜昌站1962～2020年枯水期最低水位及水位累计值变化图
3 结 语
通过分析宜昌水位站枯水期平均流量趋势变化和突变、同流量下水位变化及水位流量关系、最低水位变化，可得出以下结论：
1)宜昌站枯水期平均流量总体呈现上涨趋势，葛洲坝工程对趋势变化不显著，三峡工程蓄水后，呈现明显的上涨趋势。通过突变检验分析，在2013年径流序列发生明显的突变点，说明三峡试验性蓄水后，对下游的枯水补偿能力较蓄水前有明显的增强。
2)枯水期径流占比第一、二阶段变化不明显，第三阶段有明显的变化，比第一阶段平均占比增加28.6%。丰水年的枯水期占比小于枯水年的枯水期占比。
3)同流量下，宜昌站水位总体呈现下降趋势，随着流量增大，下降幅度增加。同流量下第二阶段水位比第一阶段下降近1.0 m，第三阶段比第一阶段下降接近2.0 m，第三阶段末期比初期也有一定程度的下降，说明葛洲坝、三峡工程的运行使下游水位流量关系发生显著变化，水位流量过程线逐渐偏右，下游宜昌站过流能力增强。
4)年最低水位总体呈现“先降再升后稳”的趋势。三峡运行后年最低水位逐步抬升，试验性蓄水后，宜昌站年最低水位维持在39.0～39.5 m之间。
本文仅考虑葛洲坝、三峡水库的运行对宜昌水文站枯水期水位流量变化的影响，未结合上游水库群运行进行分析。随着金沙江、雅砻江、嘉陵江流域新建水库的投运，势必进一步改变长江中上游径流年内分配，使下游各站水位流量关系发生新的变化，对航运、生态产生影响。下一步需结合上游水库运用条件和联合调度运用后进行研究。
