气候变化及人类活动对三峡水库入库径流特性影响分析

舒卫民，李秋平，王汉涛，王 祥

(1.中国长江三峡集团公司，湖北宜昌443133；2.长江三峡水文水资源勘测局，湖北宜昌443002)

气候变化及人类活动对三峡水库入库径流特性影响分析

舒卫民1，李秋平2，王汉涛1，王 祥1

(1.中国长江三峡集团公司，湖北宜昌443133；2.长江三峡水文水资源勘测局，湖北宜昌443002)

近年来，受气候变化、人类在长江上游兴建大量大型水库等活动的影响，三峡水库入库径流特性已较天然情况发生了较大的变化。为了掌握新环境下三峡水库入库径流的特性以及未来的变化趋势，收集分析了长江上游历年降雨情况和近20年兴建的大型调节性水库资料，并结合近年来三峡水库入库径流资料，对径流年内变化规律和年际变化规律进行对比分析，结果表明三峡水库入库径流具有以9年为周期的年际变化特性，年内分配更加平稳。考虑未来10年上游大型水库的兴建和投产情况，对未来三峡入库径流的变化趋势进行的定性分析结果表明，未来三峡入库流量年内分配过程将更加均匀。

径流特性；三峡水库；气候变化；人类活动

0 引 言

三峡工程是世界最大的水利枢纽工程，是治理和开发长江的关键性骨干工程。坝址位于长江三峡西陵峡河段，控制流域面积达100万km2，年平均径流量4 510亿m3。随着人类活动的影响，特别是兴建的大量水利工程，不仅改变了长江上游径流的年内变化规律，同时也改变了径流的年际变化规律。为了更好的利用长江流域的水资源，充分发挥三峡水利枢纽的综合效益，有必要对长江上游流域气候变化以及人类活动对径流的影响进行分析。由于降雨量是气候变化的综合体现，同时修建水库是人类活动改变上游径流特性的主要因素。因此本文通过重点分析长江上游流域的降雨和径流的变化规律，同时结合上游水库的建库情况对径流发生变化原因进行分析，以期得到上游流域在新环境下的变化趋势。

1 降雨径流特性分析

1.1 分析方法

为了掌握降雨径流的基本规律，本文对年内和年际径流变化规律进行分析，年内变化规律主要从不均匀性、集中度和变化幅度三个方面进行分析，年际变化规律主要从趋势性、周期性两个方面进行分析。

1.1.1 年内变化规律分析

气候和径流的年内变化不仅直接影响流域的旱、涝灾害情况，而且与水资源的利用率有着密切的关系[1]。因此，对其年内分配规律，具有很强的现实意义[2]。在进行年内变化规律进行描述和分析时，主要从不均匀性、集中度和变化幅度等三个方面进行分析。

不均匀性。降雨、径流年内分配的不均匀性主要是由于气候具有季节性变化造成的[3]。目前有多种不同的计算方法可以用来反映降雨、径流的年内分配的不均匀性的特征值。本文采用了月平均所占比例、年内分配不均匀系数Cv等指标进行分析。即

(1)

集中度。由于本文在研究的过程中采用的是月平均资料，在采用集中度对年内变化规律进行分析时，视各月时段长相同，。根据文献[4]的计算方法，计算各月降雨、温度、径流在x轴和y轴方向上的向量合成分别为

(2)

(3)

由式(3)可以看出，合成向量的方位即一年中最大月平均降雨量或流量出现的月份[5]。

变化幅度。采用极大比Cmax和极小比Cmin等相对变化幅度指标来描述气候、径流的变化幅度。即

(4)

式中，Rmax表示最大月平均值；Rmin表示最小月平均值。

1.1.2 年际变化规律分析

为了分析长江上游流域气候及径流的年际变化规律，本文结合长江上游流域的降雨和径流的长系列年平均资料，分别从趋势性、周期性两个方面的规律进行分析。

由于降雨、温度和径流的变化规律往往呈锯齿状高频振荡，通过年平均的过程图很难看出其变化趋势。为此，本文主要采用差积曲线法和Spearman秩次相关法两种方法进行趋势性分析。差积曲线法。分析对象各年数值与多年平均值之差的累积值与时间的关系曲线。其计算公式为

(5)

式中，W表示t(系列长度)时段内的各年数值与多年平均值之差的累积值；Wi表示第i年的数值；W0表示多年均值。

Spearman秩次相关法。通过对降雨、温度和径流序列xi与其时序i的相关性进行分析，来检验其序列是否具有趋势性。在计算时，序列xi用其秩次Ri(即把序列xi从大到小排列时，xi所对应的序号)表示[1]，则秩次相关系数

(6)

式中，n为序列长度。

如果秩次Ri与时序i相近；则di较小，秩次相关系数较大，趋势性显著。

本文采用t检验法对径流序列的趋势性是否显著时进行检验，统计量

(7)

在进行周期性分析时，主要考虑降雨及径流过程受众多因素的影响，不仅表现在过程中有年、月等周期性变化，如月径流过程明显存在以年为周期的变化。同时，还存在多年变化的周期[7]。本文在进行周期性特征分析时，主要结合分析对象自身的相关性，采用自相关系数进行分析。

自相关系数法：是关于时间的函数，因此，自相关分析是在时间域上描述降雨、径流序列的结构。周期性变化也能通过自相关系数表现出来。

对于平稳随机序列Xt的一个相当长的样本x1,x2,…,xn，其自相关系数为

ρk=Cov(k)/σ2

(8)

式中，k为滞时或阶数

在实际工作中，n一般较小。此时，用样本自相关系数rk来估计总体自相关系数

(9)

1.2 降雨特性分析

1.2.1 年际变化规律

在本文中降雨系列为1961年～2010年，故n=50，m=n/4=12.25，取13。则rk随滞时k变化的过程图为样本自相关图(见图1)。从图2可以看出，推移步长为9的整数倍的自相关系数大于其他步长的自相关系数，所以初步判断其具有9年的周期波动。

图1 降雨序列差积曲线

图2 降雨自相关系数

1.2.2 年内变化规律

长江上游流域降雨年内分配不均匀，7月份降雨量最大，占多年平均降雨量的19.1%，1月份降雨量最少，仅占全年降雨量的1.31%。最丰与最枯的比值为14.6。雨季(5月～10月)降雨量占全年降雨总量的比例达到83.1%，旱季来水量(11月～次年4月)仅占全年降雨量的16.9%(见表1)。

表1 长江上游流域年内各月平均降雨量

1961年～2010年以及各年代Cv值都大于0.69，说明长江上游流域降雨的年内分配极不均匀；而1981年～1990年的Cv明显大于多年平均，说明在此期间降雨年内分配相对更为激烈；D值在分析范围内都相同为7，表明在此期间降雨基本集中在7月左右。各时段Cmax基本围绕在多年均值波动，说明大部分年份月平均降雨量极大值变化没有明显的趋势；各年份Cmin值和多年均值相差不大，表明大部分年份月平均降雨量极小值变化不大(见表2)。

1.3 径流特性分析

表2 长江上游流域降雨量年内分配特征指标值

图3 径流序列差积曲线

图4 径流自相关系数

(2)年内变化规律。从表3可以看出，长江上游流域径流年内分配极不均匀，7月份径流量最大，占多年平均来水量的18.0%，2月份径流量最少，仅占全年水量的2.4%。最丰与最枯的比值为7.5。汛期(6月～10月)径流量占全年径流总量的比例为71.2%，枯期来水量(11月～次年5月)仅占全年来水28.8%。从表4可以看出，1961年～2010年以及各年代Cv值都大于0.57，长江上游流域径流的年内分配极不均匀，而1981年～1990年和1991年～2000年的Cv明显大于多年平均值，说明在此期间径流年内分配相对更为剧烈；2001年～2010年的Cv明显小于多年平均，表明在此期间径流年内分配相对较为平稳。D值在分析范围内都相同为7，说明最大流量发生在7月左右的概率最大。各时段Cmax和Cmin基本围绕着多年均值波动，2001年～2010年的Cmax/Cmin值最小，说明这段时间年内径流变化相对较小。从整体分析结果看，长江上游流域径流年内分配极不均匀，但在1971年～1980年和2001年～2010年这两个时段，径流的年内分配相比于多年的变化情况要均匀。

表3 长江上游流域年内各月平均流量

表4 长江上游流域径流年内分配特征指标值

2 径流影响因素分析

2.1 降雨对径流的影响分析

由于长江上游来水主要由降雨形成。因此，本文重点通过分析降雨和径流相关性，以得到降雨对径流的影响程度。根据相关系数计算公式

(10)

得到降雨径流相关系数0.862。由此可以看出，降雨径流具有较好的相关性；从而可以判断在天然状态下，年降雨量的变化情况基本能反映径流变化情况。表5 显示，2001年～2010年三峡入库流量明显偏枯，而降雨量是重要的影响因素之一。

表5 长江上游流域各时段平均降雨流量

2.2 人类活动对径流的影响分析

由于长江上游干支流众多，来水丰沛，水力条件优良，中国规划的十三大水电基地中有五个位于此河段，装机容量更是占十三大水电基地的55.1%[8]。随着国家经济的发展，近十余年长江上游大型水电工程不断兴建投产，大型水库调蓄对径流的影响也越来越明显。在影响年内变化规律的同时，也影响了年来水总量。由于考虑到上游调节库容较小的电站对三峡水库中长期入库流量影响较小，且资料收集难度较大，在此次分析中并未考虑。因此，本文在重点考虑上游电站的调节库容和对三峡水库入库流量的影响这两个因素的基础上，最终选取了雅砻江流域的二滩、锦屏一级水库，岷江流域的紫坪铺、瀑布沟水库，嘉陵江流域的宝珠寺、亭子口水库，乌江上的构皮滩、沙陀和彭水水库，金沙江流域的梨园、阿海、观音岩、金安桥、龙开口、鲁地拉、溪洛渡和向家坝等17座水库为分析对象。根据上述水库的调度规则和水库基础数据，计算得到在上述水库调蓄的影响下，年内径流的变化规律，分析结果见表6。

表6 上游水库调蓄对三峡水库年内径流影响分析 m3/s

由表6可以看出，1月～4月，由于受上游电站消落补水影响，三峡入库流量较未受上游电站调蓄影响偏多约2 000m3/s；5月份，由于部分水库开始回蓄，在上游水库补水和回蓄的双重影响下，三峡水库入库流量略偏多；6月～10月，受上游电站回蓄以及汛末蓄水影响，三峡入库流量明显偏少，9月份减少流量最多，近3 000 m3/s；11月～12月，由于三峡上游部分水库开始消落补水，三峡入库流量略偏多。

此外，近十余年上游水库初蓄水量直接影响了三峡水库的年来水总量约391亿m3。

2.3 未来变化趋势分析

结合长江上游流域规划，到2020年，长江上游将兴建投产乌东德、白鹤滩、两河口和双江口4座水电站，考虑这4座电站初蓄水量将减少三峡水库入库水量达417亿m3及水电站调节对年内分配的影响，这4座电站将进一步增加三峡水库枯期的入库水量约217亿m3，同时将减少汛期入库水量亿217亿m3，年内来水丰枯比过程将更加平稳。这些将更有利于发挥三峡水库的防洪、发电和航运等综合效益的发挥。

3 结 语

本文对长江上游流域多年降雨和径流的年际变化规律和年内变化规律的分析结果表明，1961年～2010年的年降雨量和径流量具有丰-丰枯交替-枯的变化过程，并没有明显的趋势性。从年内分配的分析结果看，降雨和径流具有分配不均的特性，汛期所占比例远高于枯水期，其中汛期(6月～10月)占全年的比例达70%以上。从降雨和径流的相关分析可以看出，径流与降雨的相关性较好，降雨与径流基本具有相同的变化趋势。进一步分析近十年三峡水库来水持续偏枯的原因：主要是降雨和上游水库蓄水的影响。此外，上游水库建成后，三峡水库年内来水丰枯比过程将更加平稳。然而，在分析近十年三峡水库来水持续偏枯的原因时，并没有定量地分析降雨对三峡水库来水的影响。此外，在对未来三峡径流变化趋势分析时，对降雨的变化考虑不足，有待进一步分析研究。

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(责任编辑 陈 萍)

Impact Analysis of Climatic Changes and Human Activities on Characteristics of Inflow Runoff of Three Gorges Reservoir

SHU Weimin1, LI Qiuping2, WANG Hantao1, WANG Xiang1

(1.China Three Gorges Corporation, Yichang 443133, Hubei, China;2.Three Gorges Hydrology and Water Resources Survey Bureau, Yichang 443002, Hubei, China)

The characteristics of inflow runoff of Three Gorges Reservoir have changed substantially compared with their natural conditions in recent years due to the climatic change and the construction of large-scale reservoirs in upper reaches of Yangtze River. In order to master the characteristics of inflow runoff of Three Gorges Reservoir and their future change trend, the rainfall data in upper reaches of Yangtze River and the data of regulatory reservoirs constructed in past 20 years are collected. Based on these data and the inflow runoff of Three Gorges Reservoir in recent years, the runoff changes within a year and different years are compared and analyzed. The results show that the inflow runoffs of Three Gorges Reservoir have a 9-year variation cycle and the distribution of inflow in a year is more stable. Considering the operation of large-scale reservoirs in upper reaches of Yangtze River in next ten years, a qualitative analysis is further conducted on future change trend of inflow runoff, that is, the distribution of inflow runoff in different years will be more uniform．

runoff characteristics; Three Gorges Reservoir; climatic change; human activity

2015-04-24

国家“十二五”水专项(2014ZX07104-005)；国家重点基础研究发展计划项目(2013CB036406-4)

舒卫民(1985—)，男，湖北孝感人，工程师，硕士，主要从事水文预报工作．

TV122.5；TV622(263)

A

0559-9342(2016)11-0029-05