金沙江下游流域旱涝特性分析

刘熙 黄钰凯

摘 要：以乌东德水库入库流量作为研究对象，采用标准化径流指数法对金沙江下游流域年度旱涝特征及年内旱涝转换特性进行分析，构建金沙江下游流域典型旱涝年份事件库，初步探讨了流域年内旱转涝、涝转旱两种典型模式时间范围、发生强度等一般性规律，同步构建了典型模式事件集。相关研究成果有助于提升对金沙江下游流域旱涝规律认识，提升金沙江下游梯级水库科学调度水平及风险应对能力，进一步发挥梯级水库综合效益。

关键词：金沙江；乌东德；旱涝特性；标准化径流指数

中图分类号：TV213                                              文献标志码：A

0 引 言

全球气候变暖背景下极端气候事件趋多趋强。IPCC第6次评估报告[1-2]，在全球气候变暖背景下，地球系统各个圈层发生了广泛而迅速的变化，气候系统各圈层的当前状态是过去几个世纪甚至几千年来前所未有的。全球气候持续变暖加剧了气候系统的不稳定，造成极端天气气候事件频发、强度增强。受全球气候变化及人类活动共同影响，长江流域极端气候事件频发[3-4]，2020年流域性大洪水汛情严重[5-6]，三峡迎来建库以来最大洪峰；2021年流域遭遇罕见秋汛；2022年夏季，长江流域遭遇有完整气象观测记录以来最严重的气象干旱[7-8]。极端气候事件对流域防洪、供水、航运、生态安全造成了极大影响，威胁长江流域人民群众生命财产安全。

近年来，国内电力市场化进程不断加快，电网及发电公司对年度合同电量提出了越来越高的要求，如何合理制作中长期发电计划成为关注焦点与研究热点。因此，研究不同时间尺度梯级电站来水特性，结合不同调度时期预报偏差及难点分析成果，提出中长期径流预报策略与建议，对准确、科学地制定竞争力强的市场策略，提高水资源利用效率与梯级枢纽综合效益具有重要意义。

金沙江是长江上游河段，因江中沙土呈黄色得名，发源于唐古拉山脉东段北支5 054 m的无名山地东北处，流域水系及控制性水库群情況见图1。金沙江下游流域作为长江流域重要组成部分，水能资源丰富，目前已建成乌东德、白鹤滩、溪洛渡、向家坝等四座水库，总调节库容208.21亿m3，防洪库容154.93亿m3，装机容量4 646万kW，是长江流域防洪体系骨干性工程，同时也是“西电东送”重要电源。金沙江下游流域气候形势复杂，环境变化改变了流域水文特性，对梯级水库流量预报及优化调度造成了较大影响[9-10]。近年来，众多学者就金沙江流域土壤物理性质、持水能力、水土流失情况、气温、降雨、径流等多项气象水文及地理条件指标进行研究[11-15]。金沙江流域年平均、最低及最高气温均呈现上升趋势，且展现出明显的周期性及波动性。流域降水量具有周期性，且丰枯交替明显。除秋季降雨呈轻微减少趋势外，其他季节降雨呈现上升趋势。在降水作为主要影响因素的前提下，金沙江流域水资源量在20世纪呈现上升趋势。但进入21世纪后，由于金沙江流域人类活动及蒸发量增加，水资源呈现下降趋势。金沙江下游至三峡梯级电站间经由云南、四川、湖北等多个省份，流域水情复杂，且随着各水系开发的深入，上游水库群调蓄对梯级电站影响日益增大。在这些不利因素影响下，径流规律更难以探寻。来水的不确定性与水力发电所要求的严格的计划性之间矛盾极为突出，为此，在原有固定气象水文趋势研究的基础上，亟需对金沙江流域水资源变化情况进行更深入的研究。

为充分了解金沙江下游流域水文年际、旬际变化形势，分析丰枯变化情况，以金沙江下游乌东德坝址入库流量（以下简称“入库流量”）及天然入库流量（以下简称“天然流量”）为研究对象，通过标准化径流指数（Standard Runoff Index，SRI）分析年际极端情况及旬间水文差异，识别金沙江下游流域旱涝特性，为科学高效开展金沙江下游梯级水电站联合调度，充分发挥综合效益，实现水资源高效利用提供技术支撑。

1 研究方法

1.1 技术路线

水文数据采用乌东德水库1959—2021年旬尺度坝址入库流量序列。考虑到金沙江下游流域旱涝特性同时受气候环境变化与人类环境影响，为区分两者影响，采用径流还原方法，将乌东德水库上游水库群调蓄这一最为重要人类活动影响剥离，获得乌东德水库1959—2021年逐年、逐旬天然入库流量序列。采用标准化径流指数分析方法对坝址、天然两套年尺度流量序列进行分析，获得典型旱涝年份库（见图2）。针对“旱涝急转”这一影响梯级水库调度的典型事件，采用旬尺度入库流量、天然流量序列进行分析，获得“旱涝急转”常遇时间点[16-18]。

1.2 标准化径流指数（SRI）计算

研究采用标准化径流指数。将1959—2021年各库旬流量进行标准化，确认历史最大丰枯转换事件发生时刻及变化强度。标准化径流指数[19-20]是基于逐日径流值推算当日旱涝程度的水文旱涝指标。该指标的计算采用长时间序列资料，将每年的同一时段流量集合作为研究序列。相关研究[21]表明，皮尔逊三型（Pearson III，P-III）分布满足国内大量径流序列分布情况，因此，本次采用P-III分布来拟合区域年及旬平均流量，采用极大似然法估计分布参数，构建对应变量的边缘分布，再寻求各流量对应累积分布，基于正态化将各流量转化为对应无量纲指标，即为SRI。具体构建方法如下：

假定年最大洪峰流量序列服从P-III分布。假设序列平均流量为x，则其密度函数为：

利用求得的SRI值，可查找其对应的旱涝等级（见表1）。

为使旱涝转换程度可采用同一量纲进行展示，丰枯转换量采用相邻旬SRI的差值表示。

2 结果及讨论

2.1 典型丰枯年份分析

对乌东德1959—2021年共计63a均入库流量及天然流量开展SRI计算与分析，获得乌东德历年年入库流量SRI值变化情况（见图3），同时依据分析结果，得到典型丰枯年份库。由图可知，乌东德最大流量出现于1998年，最大旬入库流量为17 899 m3/s，出现于1998年8月中旬，最大旬天然流量为21 500 m3/s，出现于1998年中旬，年均入库和天然流量分别为5 187 m3/s、5 188 m3/s，年SRI分别为2.22、2.19，均为特涝水平；最小入库流量及最小天然流量出现年份存在差异，最小入库流量出现于2006年12月下旬，最小旬流量为1 220 m3/s，年均流量为2 856 m3/s，年SRI为-1.7（重旱水平），最小天然流量出现于2011年4月下旬，最小旬流量为1 097 m3/s，年均流量为2 974 m3/s，年SRI为-1.58（重旱水平）。入库流量及天然流量均显示乌东德水资源历史呈现轻微上升趋势。从年尺度而言，乌东德入库流量和天然流量丰枯特性基本一致，仅在部分年份受水库初期蓄水等影响，呈现年际错峰情况。同时，从1965年、1998年乌东德发生极端洪涝以及1994年、2006年、2011年发生极端干旱事件可以看出，相较于洪涝事件，极端干旱事件发生次数较多，但无特旱事件，且年际变化中旱涝交替具有一定周期性。表2给出了研究期具有代表性的旱涝年份，可知，金沙江下游流域特涝、重涝样本相对较多，特旱样本为0。

结合历史资料，对特涝、特旱年份的历史实际情况进行研判。1998年夏季发生全流域特大暴雨洪水；1965年7月至8月上旬发生全国性洪涝灾害，且全年水资源丰沛。而在干旱方面，1994年夏季发生长江流域持续性干旱，干旱范围较大，江淮流域部分地区伏旱严重；2011年是旱情较为严重的一年，2010年冬至2011年春，冬麦区发生严重干旱，2月上旬出现旱情高峰，夏季再次发生长江中上游严重干旱；2006年发生长江全流域型高温干旱，川渝受灾明显。与历史记录的对比结果可以说明本次研究结果与历史实际情况较为吻合。

2.2 丰枯转换时间分析

由于年内旱涝形势变化对梯级水库调度影响较大，根据乌东德水库1959—2021年旬尺度入库流量、天然流量序列旬際SRI差值变化情况（见图4）及各旬长系列差值均值变化情况（见图5），按照旱转涝、涝转旱两种模式，提炼历史典型事件。发现旱涝事件在年内具有较强的周期性，可认为旱涝变化时间与入汛出汛时间基本吻合。深入分析相关结果，可知。

（1）6月下旬较6月中旬的SRI差值最大，而10月下旬较10月中旬的SRI差值最小。可以认为，金沙江下游流域旱转涝转换点为6月中旬至6月下旬，而涝转旱转换点为10月中旬至10月下旬。

（2）旱转涝事件发生覆盖时间段较广（4—8月均有发生），其中6月发生频次最高（见表3），乌东德上游汛期重点关注时间应从6月开始；涝转旱变化事件多发生在夏秋交界时刻，部分极端涝转旱事件也发生于7—8月（见表4），这也说明乌东德区域的蓄水抗旱工作应与防汛工作联合考虑，确保水资源有效利用。

（3）旱转涝事件发生强度较涝转旱事件更为明显，表明旱转涝较涝转旱更为剧烈。其中，旱转涝事件最大SRI变化值约为1.3，旱转涝事件最大SRI变化值约为0.8。

（4）上世纪发生大型旱涝转换事件比例高于本世纪，乌东德水库在历史天然流量及入库流量的枯丰转换特性在水库建设后发生明显变化，可推测上游水库群建成调蓄后，丰枯转换强度减少，对长江上游水资源的稳定起到了积极作用。

3 结论与展望

以乌东德水库来水为分析对象，采用SRI方法分析历史极端旱涝事件发生强度及时间，判断乌东德水资源年内变化过程特性，分析年内旱涝转换强度及其周期性，总结出年内及旬间旱涝变化的规律。主要结论如下。

（1）提炼出金沙江下游流域典型丰枯年份库，与历史事件对比，证明年份库合理性。

（2）金沙江下游流域旱转涝转换点为6月中旬至6月下旬，而涝转旱转换点为10月中旬至10月下旬，在后期调度工作中需重点防范关键转换期风险。

（3）乌东德以上水库群调度运行一定程度上缓解了金沙江下游流域水资源旱涝急转形势。

同时研究存在一些不足：一是考虑到长江流域水库梯级调度情况，仅考虑乌东德水资源变化量使得对上游水库群调蓄时序影响定量分析不足。二是本研究主要对宏观层面特性进行了探讨，未对历史典型事件特征及成因进行深入剖析。进一步研究中拟引入关联流域降雨量等关键气象因子，分析气象转换规律。同时系统性开展上游水库群调蓄作用对金沙江下游梯级水库水文特征扰动规律研究，统合相关成果，区分气候变化及人类活动影响对流域旱涝特性影响程度。针对典型旱涝年份及旱涝急转时段，开展细化研究，明晰其产生原因。

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Drought and Flood Characteristics in the Lower Jinsha River Basin

LIU Xi，HUANG Yukai

（China Three Gorges Corporation，Wuhan 430010，China）

Abstract：With a focus on the inflow of Wudongde Reservoir，the annual drought and flood characteristics of the Lower Jinsha River Basin were analyzed by using the standardized runoff index method. The within-year transition patterns of drought and flood were also investigated. An event database of typical drought and flood years in the lower Jinsha River Basin was built. Moreover，the general patterns of two distinct scenarios：the transition from drought to flood and from flood to drought within a year，were examined. This includes identifying the time frames and intensity of occurrence. A set of typical pattern events was constructed simultaneously. The findings enhance our understandings of the patterns and dynamics of drought and flood in the lower Jinsha River basin，and contribute to improving the scientific scheduling and risk-response capabilities while maximizing the integrated benefits of cascade reservoirs.

Key words：Jinsha River；Wudongde；drought and flood characteristics；standardized runoff index