三峡工程运行对长江中下游长江上游径流变化的影响

三峡工程运行对长江中下游长江上游径流变化的影响

1长江径流特征长江是中国的一条重要河流，以巨大的流量而闻名。由于近几十年来长江流域高强度人类活动,流域出现了生态环境问题。世界自然基金会(WWF)指出长江是全球已经出现水资源短缺的十条河流之一。长江径流特征及其变化问题已引起了国内外学者普遍关注。府仁寿宏观分析了长江干支流各主要水文站水沙变化趋势;夏军等分析了长江流域上游径流变化及其原因,认为长江上游干流径流有微弱减少趋势,主要是由于气候发生变化的结果;邹振华等分析了人类活动对长江径流特性的影响,认为人类活动已经改变了长江径流的特性;黄峰等在对长江上游枯水期及10月径流情势分析的基础上,得出长江径流变化可能是上游水库运行所致等。可见,三峡工程运行是否对宜昌站径流变化产生影响急需进一步研究。2宣传教育下流量三峡大坝建在长江上游,宜昌水文站位于大坝下游43km处,寸滩水文站位于三峡大坝上游,武隆水文站位于乌江下游(图1)。显然,寸滩和武隆的来水量都汇入三峡水库,经水库调蓄后宣泄而下。宜昌水文站是长江干流重要节点水文站,表征上游的径流量,其多年平均径流量为4321亿m3,其中汛期5月-10月份径流量3412亿m3,占全年78.96%;枯季径流量仅909亿m3,占全年的21.04%。寸滩站是长江上游干流的重要水文站,多年平均径流量3478亿m3,是构成宜昌站径流量的主要部分,占宜昌站径流量的80.50%,其中汛期径流量2786亿m3,占全年的80.10%。武隆站代表乌江汇入长江干流的径流量,其多年平均径流量为495亿m3,占宜昌站径流量的11.46%。3数据来源与研究方法3.1长江干流日平均流量资料数据采用了长江流域宜昌、寸滩和武隆水文站的水文资料。主要包括长江干流宜昌1950年-1999年的月平均流量和2000年-2010年的日平均流量资料;寸滩站和武隆站2000年-2010年日流量资料。3.2学习方法3.2.1不需要为相应分布Mann-Kendall是非参数统计分析法,简称M-K法,国内外学者常用该方法来分析水文变量的趋势变化和突变现象,其优点是变量不需要服从一定分布,而且检验精度高。用M-K法进行趋势性检验时,M为正值表明原序列有上升的趋势,负值表示原序列有下降的趋势;当M的绝对值大于或等于1.96时,表示通过了α=0.05的显著性水平检验。用它进行突变分析时,通过秩和检验法来检验跳跃点的显著性,统计量U的绝对值大于或等于1.96时,表示通过了α=0.05的显著性水平检验。3.2.2径流突变信号分析小波分析(WaveletAnalysis)是Fourier分析发展史上的里程碑,具有时频同时局部化的优点,被誉为数学“显微镜”。Daubechies小波由著名小波学者IngeidDaubechies所创造,它由一系列小波组成。该系列小波简写为dbN,其中N表示阶数。研究发现:在分析时间序列突变信号时,db5与db2、harr小波相比,db5小波效果最好,此小波分解后的3层高频系数重构图形可以清楚的确定出序列突变点的位置。因此,本次采用db5小波来分析日径流序列的变化突变性。3.2.3径流年内分配的研究方法集中度与集中期是由汤奇成等人引入径流年内分配的分析方法,把一年内各月的径流量作为矢量,将一年中各月径流按矢量求和,合矢量的模与年径流的百分比为年径流集中度(Rd),合矢量方向(方向角度)为年径流集中期(Rp)。集中度的意义是反映径流量在年内的集中程度。集中期是指各径流向量合成后的方向,反映全年径流量集中的重心所出现的时期(月份)。系数Cvy是反映径流年内分配不均匀性一个指标,Cvy越大,表明各月径流量相差越悬殊,即年内分配越不均匀,反之相反。4宜昌流变流分析4.1径流过程变化特征1950年-2010年宜昌站不同时期多年平均径流变化过程如图2。图2显示:近60年来宜昌年径流量在1954年达最大值5752亿m3,2006年达最小值2873亿m3;不同年份有波动现象:1960s、1980s到1990s前期和1990s后期到2000s中期年径流量偏大,而1970s中期、1990s中期和2000s后期径流量相对偏少;总的来说年径流量有减少的趋势。汛期、径流最大月(7月)和汛期末端(10月)径流变化过程与年径流变化过程相似,并且都有减少的趋势;不同的是10月径流减少趋势更明显,尤其2006年之后迅速减少,这可能与三峡水库汛末蓄水有关。枯季(11月至翌年4月)和径流最小月(2月)径流过程起伏不大。这是因为,枯季和2月径流量较少,变化绝对量不大。4.2径流总量变化的差异利用M-K法计算宜昌站61年径流变化趋势结果见表1。表1显示:宜昌站全年、汛期、7月和10月径流都有减少的趋势,其中汛期和10月径流减少趋势显著,它们的M值分别为-2.2和-3.02,尤其是10月径流减少趋势通过了置信度99%的检验。枯季和2月径流都呈现增大趋势,其M值分别为0.40和3.62,其中2月份径流呈显著增大趋势,通过了置信度99%的检验。可见,宜昌年径流呈不显著的减少趋势,汛期径流则呈显著减少趋势,枯季却有不显著的增加趋势。4.3径流序列间的突变利用M-K法分别对宜昌站1950年-2010年全年、汛期和10月份径流序列进行突变分析,结果见表2。表2显示:年径流序列跳跃点分别为1969年、1998年和2003年,分成的各时段年均流量差值分别为-1000m3/s、1000m3/s和-2300m3/s;汛期径流序列与年径流序列的跳跃点完全相同,分成各时段的平均流量差值分别为-2500m3/s、3400m3/s、-4400m3/s;10月份径流序列跳跃点只有2003年,前后两时段平均流量相差5100m3/s。显示:1950年-2010年宜昌站不同径流序列都有突变现象,在2000年之后有一个相同的跳跃点2003年,秩和检验结果都是显著;其中10月份径流序列突变最明显,前后两时段平均流量差值达到所有跳跃点中的最大值,其秩和检验U值为-3.64,通过了置信度为99%的检验(表2、图3)。4.4年生时段,现有动土量较少,有1950年-2010年宜昌站各年代径流年内分配比例计算结果见表3。可以看出:对多年平均来说,汛期集中了年内的主要径流量,占全年的79%,枯季径流量较少,只占21%;2月份径流量最少,占全年的2.2%,7月份径流量最大,占18.4%;6月、7月、8月、9月、10月径流量比较大,所占比例都大于10%。由表4可以看出:多年平均宜昌径流集中度为46.0%,集中期为236°,这与宜昌站汛期径流各月变化相比是一致的,虽然径流绝对变化幅度为699亿m3,但相对变化幅度只有8.3%。一年之内径流变化为:夏季最高(46%),秋季次之(31.7%),春季较少(13.9%),冬季最少(8.5%)。4.5径流集中期2000年-2010年汛期径流量年内分配比例的变化具有年代际波动性。从1950s到1980s,波动幅度较小,到1980s达到最大值80.0%,之后加速减少,2000年-2010年达到最小值76.9%;枯季径流量年内分配与之相比有相反的变化过程,先增大后减小,然后又增大,其中1980s达到最小值20.0%,2000年-2010年达到最大值23.1%。近60年来,7月径流年内分配比例变化情况是先减小再增大,然后又减小,其中1990s达到最大值20.0%;2月年内分配比例在1950s-1980s期间基本稳定在2.1%左右,1980s以后迅速增加,2000年-2010年达到最大值2.7%;10月年内分配比例自1960s至2000年-2010年没有波动情况,而是持续减少,2000年-2010年达到最小值9.1%。故2000年以后,宜昌站径流量年内分配比例汛期减小,枯季增大,7月减小,2月增大,10月则是趋势性减小。从表3和表4可以看出:2000年-2010年这一时段宜昌径流量各月分配差值与其它各时段相比更小(表3),Cvy值、相对变化幅度和集中度都达到最小值,分别为0.631、6.5%和42.8%(表4);从径流集中期来看,年径流合成向量方向在时段1980s、1990s、2000年-2010年分别为238°、232°、232°,因此,年径流合成向量所在月份呈现由8月向7月转移的趋势;1980s之后径流相对变化幅度和绝对变化幅度都越来越小,说明2月径流占年径流的比例逐渐增大。综合这些现象说明,宜昌径流在2000年-2010年这一时段年内分配差异减小,同期枯季径流年内分配比例的增加和10月份径流比例的减少表现得更明显。5宜昌流变流变化的原因5.1气候变化因素河川径流量的多寡受诸多因素影响,如气候、降水、蒸发、径流补给来源、流域下垫面条件、流域用水量、水利工程等。前文已说明,宜昌年径流量减少主要集中于汛期。近几十年来,由于全球气候变化,长江流域上游春、冬季降水量呈上升趋势,秋季降水量呈下降趋势,这是长江上游汛期径流减少和枯季径流增多的主要因素。长江流域气温呈上升趋势,气温升高,长江源头区春、夏季冰雪融水也相应增加,这也是长江春季增水不可忽视的因素之一。因此,气候变化是近年来宜昌径流量减少主要因素之一。据统计长江流域建了46000多座水库,7000多座涵闸。上游水库汛末蓄水,使10月径流量减少,可是,目前这些人类活动尚未对长江总水量构成很大的影响,因此,气候变化仍然是长江上游径流趋势性减少的主要影响因素。5.2三峡运行的影响5.2.1峡大坝水位水质现状三峡大坝位于长江上游,是迄今世界上综合效益最大的水利枢纽,除了有巨大的防洪效益和航运效益,年发电量还居世界第一(装机容量为1820万kW,年发电量为847亿kWh)。三峡大坝的建造始于1993年,1994年正式动工,2009年全部竣工,历时17年。坝顶总长3035m,坝顶高程185m,正常蓄水位175m,总库容393亿m3,其中防洪库容221.5亿m3,能够抵御百年一遇的特大洪水。三峡大坝采取分期蓄水方式。1997年11月8日大江截流后,水位提高到10~75m;2003年6月,第二期工程结束后,水位提高到135m;2006年,水位提高到156m;2009年整个三峡工程竣工后,水位提高到175m(由于2009年长江中下游大旱,水库蓄水未能达到目标,2010年10月末11月初蓄水才达到175m)。水库每年开始蓄水的日期不同,一般在10月份开始(有的年份9月份就开始),正常运行时,11月份水位达到175m蓄水就结束了。高水位运行时间很短,一般来说翌年1月份就陆续放水发电,也起到了在枯季对长江中下游干流补水的作用,到5月或者6月水位降到140m左右。尽管人类活动目前还没有引起长江上游总水量发生变化,可是却改变了径流的年内分配,使10月份径流量减少;同时,上游水库电站的运行增加了枯季水量,减少了径流年内分配的差异。另外,2000年之后宜昌全年、汛期和10月径流都有一个相同的突变点(2003年),恰好与三峡水库首期蓄水时间相吻合,这是否与三峡工程运行有关。5.2.2径流突变检测用寸滩站和武隆站代表三峡水库上游长江来水情况(图1),宜昌站作为水库下游的径流代表站,2月份径流代表枯季径流,10月份径流代表水库蓄水时汛期未径流,三峡水库二期和三期蓄水都是在2000年以后,因此,把2000年-2010年三峡大坝上下游径流2月和10月日平均流量序列加以空间上的对比分析。如果流量序列有突变现象,说明宜昌径流年内变化受到三峡工程运行的影响;反之,流量序列没有发生突变,则三峡工程运行没有对宜昌径流年内变化产生影响。2000年-2010年三峡水库上、下游2月份日流量序列突变检测结果见图4。从图4(a)可以看出,细节信号d2和d3显示2002年和2007年信号比较强,结合实测入库流量过程(图6),发现2007年是受奇异值的影响,只有2002年是突变点,说明2003年以后径流序列发生突变。从图4(b)可以看出,细节信号d2显示2006年、d3显示2002年信号比较强,再结合宜昌实测流量过程(图6),确定2002年和2006年都是突变点,说明2003年和2007年以后径流序列发生突变。而事实上,2000年-2006年宜昌2月平均流量约为4300m3/s,2007年-2010年则约为5060m3/s。由此可知,三峡水库上下游2月份径流序列变化一致,上下游径流序列都在2003年以后发生突变,说明这次径流突变与三峡水库运行无关;2006年三峡水库上游径流没有突变,而宜昌径流有突变现象,且突变点(2006年)恰好与三峡水库二期蓄水时间一致,说明2007年2月份径流序列突变与三峡水库在枯季放水发电有直接关系。由上面分析可知,由于三峡工程运行,水库在枯水季节放水发电,增加了同期大坝下游的径流量,使宜昌径流发生的突变,同时也缓解了中下游枯季缺水的危情。尤其是2006年长江发生全流域性枯水,三峡大坝对下游径流调节起了重要作用,使2007年春季宜昌月平均流量保持在4000m3/s以上。5.2.3径流突变与三峡水库蓄蓄的关系2000年-2010年三峡水库上、下游10月份日流量序列突变检测结果见图5。从图5(a)可以看出,细节信号d2和d3分别显示2000年和2003年信号比较强,结合实测入库流量过程(图6),发现2000年是序列的起点年,不能判定原序列发生突变现象,而2003年可以判定是径流序列的突变点。从图5(b)可以看出,细节信号d2显示2003年信号较强,d3显示2000年和2005年信号比较强,再结合宜昌实测流量过程(图6),发现2000年是序列的起点年,不能判定原序列发生突变现象,2003年和2005年都是流量序列的突变点,则径流在2003年和2005年以后发生了突变。而事实上,2000年-2002年宜昌10月平均流量约为17100m3/s,2003年-2005年约为15900m3/s,2006年-2010年约为10500m3/s。因此,2003年10月日流量序列在三峡水库上下游都发生了突变,说明径流此次径流突变与三峡水库运行无关;2005年却出现了不一致变化,上游径流序列没有发生突变现象,而宜昌径流发生了,说明2006年10月份日流量序列突变与三峡水库蓄水运行有直接关系。由此可见,长江上游10月份径流经过三峡水库蓄水后,坝下游径流减小,使径流序列发生了突变。汛末长江径流量减少也加快了枯季来临,并有可能使中下游提前进入枯水季节,影响中下游地区水资源利用和生态环境。尤其在2009年长江中下游两湖(洞庭湖和鄱阳湖)流域大旱,10月份三峡水库蓄水过程被迫停止,以缓解中下游旱情,正是减少三峡水库蓄水