水利工程影響下贛江流域水沙變化特征分析

張 群

(江西省水利水電開發(fā)有限公司，江西 南昌 330001)

新中國成立以來，為滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、工業(yè)發(fā)展以及城市用水的需要，我國修建了大量的水利工程設(shè)施，這些強(qiáng)烈的人為活動會給流域的水沙帶來新的變化，再加上改革開放以后提倡的植樹造林、退耕還林等水土保持措施的影響，流域的水沙變化更加復(fù)雜，故而需要作系統(tǒng)的研究以便為保護(hù)流域生態(tài)環(huán)境提供幫助[1- 3]。

不同地區(qū)、不同流域的水沙變化時空分布特征以及驅(qū)動因素是不同的，在自然因素和人為因素的共同作用下會使得流域水沙情況呈現(xiàn)階段性變化特征[4- 7]；贛江作為鄱陽湖最大水系，流域面積占鄱陽湖流域面積的一半以上，贛江水沙的變化對于鄱陽湖流域的水文和生態(tài)具有重要影響，也對長江流域的防洪抗旱起著間接性的影響，因此有必要對贛江流域的水沙特征進(jìn)行系統(tǒng)性的研究。胡皓[8]、丁倩倩[9]、肖洋[10]等對贛江流域局部地區(qū)的水沙特征進(jìn)行了初步分析，得到了其時空分布特征和驅(qū)動因素；顧朝軍通過分析認(rèn)為贛江流域經(jīng)歷了平沙期—豐沙期—平沙期—枯沙期4個階段[11]。

本文采用水文學(xué)與數(shù)理統(tǒng)計(jì)相結(jié)合的方法，對贛江上、中、下游近60年來的水沙特征進(jìn)行了分析，得到了其水沙變化整體趨勢和突變特征，并著重對水利工程的影響進(jìn)行了分析，以期能為流域水文及生態(tài)管理提供參考。

1 流域概況

贛江源出贛閩邊界武夷山西麓，向北流入鄱陽湖，為長江八大支流之一，江西省最大河流，鄱陽湖最大水系，如圖1所示。流域以山地丘陵為主，平原僅占20%。流域多年平均降雨量約為1600mm，多年平均蒸發(fā)量約為1500mm，多年平均氣溫18.2℃，多年平均徑流量680×108m3，多年平均輸沙量為826.6×104t。流域總?cè)丝诩s為2100萬人，主要農(nóng)產(chǎn)品是水稻、油、蔗、麻、煙、茶等，耕地面積約為2000萬畝。截至目前，流域已開發(fā)水電裝機(jī)容量98.5萬kW(主要在改革開放后修建，大型水庫15座，中型水庫113座，小型水庫4300余座，其中大(1)型萬安水庫于1990年下閘蓄水，1993年并網(wǎng)發(fā)電)。流域從1963年起，初步建立起水土保持機(jī)構(gòu)，1983年起，開始實(shí)施縣級的水土保持重點(diǎn)治理，到2004年，擴(kuò)展至10余縣市，并取得了初步成效。

圖1 贛江流域示意圖

2 贛江流域水沙變化

2.1 水沙年代特征

根據(jù)相關(guān)水文數(shù)據(jù)，繪制得到了贛江流域上中下游年徑流量和輸沙量隨時間的變化關(guān)系，如圖2所示。從圖中可以看到：20世紀(jì)90年代以前，贛江流域的年徑流量呈動態(tài)變化的特征，且下游>中游>上游，這主要與流域的豐枯交替相關(guān)，90年代以后，年徑流量呈逐漸減小趨勢，但變化幅度不是很明顯；年輸沙量在80年代前基本呈逐漸增加趨勢，80年代之后，由于水土保持工作的持續(xù)開展，特別是在萬安水庫開工建設(shè)及投入運(yùn)行以后，年輸沙量呈顯著下降趨勢。

圖2 水沙年代變化特征

為進(jìn)一步分析水利工程建設(shè)對水沙特征的影響，將水沙量劃分為多年平均、1953—1993以及1993—2018三個不同階段的變化，如圖3所示。從圖中可以看到，上、中、下游的年徑流量在1953—1993以及1993—2018兩個階段里的值與流域多年平均值相差不大，可見，水利工程建設(shè)對年徑流量的影響不大；而對輸沙量來講，1953—1993的年輸沙量明顯大于多年平均輸沙量，同時1993—2018的年輸沙量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于多年平均輸沙量和1953—1993的年輸沙量，相對于流域的多年平均輸沙量、1953—1993的年輸沙量減少約40%～70%。

圖3 不同時間段水沙特征分析

2.2 水沙趨勢分析

采用Mann-Kendall趨勢檢驗(yàn)法對贛江流域的水沙序列的趨勢性進(jìn)行了分析，結(jié)果見表1。從表中可以看到：流域上中下游的年徑流序列的ZS統(tǒng)計(jì)量的范圍在0.25～0.49，而0.05的顯著性臨界值為1.96，故年徑流不存在顯著變化趨勢；年輸沙量的趨勢ZS統(tǒng)計(jì)值為-3.2～-6.17，顯著性超過0.01，表明年輸沙表現(xiàn)出明顯的減小趨勢；從變化程度上來講，上游和下游的年徑流量變化幅度最大，均達(dá)到0.73×108m3，中游為0.67×108m3，下游的年輸沙量最大，相對減少20.09×104t，其次為中游，減少量為16.22×104t，最后為上游，減少量為6.89×104t。

2.3 水沙突變分析

采用Pettitt突變檢驗(yàn)法對徑流量和輸沙量進(jìn)行突變檢測，Ut，n統(tǒng)計(jì)量最大值即對應(yīng)為可能的突變點(diǎn)，并可計(jì)算出其顯著水平，分析結(jié)果見表2，如圖4所示。從圖中可以看到：年徑流的Ut，n統(tǒng)計(jì)量最大值位于2002年，但經(jīng)過顯著性檢驗(yàn)時，其值分別為1.72、1.76和1.75，表明年徑流不存在顯著性的突變情況，對應(yīng)的年份也與水利工程的下閘蓄水年份沒有對應(yīng)；而上游、中游、下游年輸沙量的Ut，n統(tǒng)計(jì)量最大值分別對應(yīng)1998年、1990年和1990年，且顯著水平小于0.01，表明年輸沙序列存在顯著突變情況，而萬安水庫位于江西吉安市，吉安市位于贛江中游地區(qū)，萬安水庫于1990年下閘蓄水，當(dāng)年中游和下游地區(qū)的輸沙量就呈顯著變化趨勢，可見水利工程的建設(shè)對于贛江中下游的輸沙有顯著影響，上游的突變點(diǎn)位于1998年，稍滯后于中下游，這主要有兩個原因：一是上游沒有大型水庫修建，對于河道及兩岸的生態(tài)影響較小，中下游地區(qū)的水庫對于上游的影響較小；其次是隨著水土保持工作的進(jìn)一步開展，政府于1998年將于都、寧都、信豐、瑞金等10余縣(大部分位于贛江上游地區(qū))列為國家重點(diǎn)水土保持治理縣，兩岸生態(tài)得到逐步恢復(fù)，水土流失情況明顯好轉(zhuǎn)，因而上游輸沙量在1998年呈突變情況。

表1 水沙序列趨勢分析結(jié)果

注：不同顯著性水平對應(yīng)的ZS臨界值分別為：0.1～1.65、0.05～1.96、0.01～2.57。

圖4 水沙突變分析結(jié)果

表2 水沙序列突變分析結(jié)果統(tǒng)計(jì)

3 水沙變化驅(qū)動因素分析

(1)徑流與降水關(guān)系

通過上文分析可以得到：徑流量變化是由流域區(qū)域的降雨變化引起的，表現(xiàn)出明顯的豐枯交替特征，但是人類活動對于徑流量改變以及相互作用機(jī)制目前還不夠明確；改革開發(fā)以來，由于我們的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)快速發(fā)展，工業(yè)和市政、生活用水大大增加，城鎮(zhèn)化進(jìn)程加大了對水資源的索取，會導(dǎo)致流域徑流量有所降低，但是由于水土保持措施、植樹造林等措施，使得坡地下滲水量增加，從而有助于河道徑流量的增加，同時建筑用地增加、水澆地、未利用地的增加，導(dǎo)致流域的產(chǎn)水量也在一定程度上增加，從而也會使徑流量發(fā)生變化。綜上，認(rèn)為降水是影響徑流量的主要因素，人類活動起輔助作用，但綜合作用機(jī)制還需作進(jìn)一步分析。

(2)輸沙量與降水關(guān)系

輸沙量與降雨量(徑流量)呈顯著的正相關(guān)關(guān)系，如圖5所示。在萬安水庫沒有下閘蓄水前，累計(jì)輸沙量與流域累計(jì)降雨量呈線性增長趨勢，相關(guān)系R2達(dá)到0.9912，而萬安電站下閘蓄水后，流域的累計(jì)輸沙量與累計(jì)降雨量仍然呈良好的線性變化關(guān)系，但斜率有所減小，從0.7659mm/t降至0.1575mm/t，這與上文分析的突變點(diǎn)結(jié)果也是一致的，表明輸沙量與徑流量呈線性相關(guān)，但人類活動的擾動會改變其水沙關(guān)系，導(dǎo)致同一降雨量(流量)下輸沙量急劇減少。

圖5 累計(jì)降雨-輸沙量關(guān)系

(3)人為擾動與輸沙量關(guān)系

由于贛江流域近30年來的年徑流量并沒有因萬安、石虎塘以及峽江等大型水利工程的建設(shè)而發(fā)生明顯的改變，因此贛江流域輸沙量減少的主要原因則是由水利工程攔沙效果和水土保持綜合治理等人為擾動造成的。以突變點(diǎn)為界，分析得到了上中下游輸沙量的統(tǒng)計(jì)情況，見表3。從表中可以清楚地看到：相較于突變之前，上中下游的輸沙量分別降低了47%、67%和62%，表明了水利工程對下游的輸沙量有重要影響，攔沙效果顯著，據(jù)統(tǒng)計(jì)，僅萬安水庫一年的泥沙淤積量就有400萬t；再加上一系列國家級、省級水土流失治理項(xiàng)目的相繼實(shí)施，江西省全省植被覆蓋率得到有效提高，可有效減少坡地土壤侵蝕，削弱暴雨期間水土流失程度，水土保持治理區(qū)域平均攔沙率達(dá)到70%以上。

表3 贛江流域輸沙量圖表特征統(tǒng)計(jì)

4 結(jié)論

(1)贛江流域年徑流量受水利工程等影響較小，不存在突變情況；輸沙量受水利工程、水土保持措施等人為擾動的影響較大。

(2)上、中、下游輸沙量的突變點(diǎn)分別位于1998年、1990年和1990年，突變點(diǎn)時間與水利工程下閘蓄水及水土保持措施的時間相對應(yīng)，突變后的輸沙量較突變前下降約47%、67%和62%。

(3)文中研究成果可為流域水文及生態(tài)管理提供借鑒。