蓄水影響下三峽庫區小流域徑流變化情勢分析

尹思危,胡慧靈,王躍峰,2*,雷超桂

(1 重慶師范大學地理與旅游學院,重慶 401331;2 三峽庫區地表過程與環境遙感重慶市重點實驗室,重慶 401331)

徑流是水循環的重要環節,其變化對流域水資源開發利用意義重大[1]。近年來,全球眾多流域的徑流和水文情勢發生改變,甚至引發洪旱災害、水環境惡化等問題[2-3]。研究表明,氣候變化、水利工程及城市化等因素是引起全球眾多流域水文特征變化的影響因素[4-7]。其中,氣候變化通過改變降水和氣溫等影響流域徑流,城市化則主要通過改變土地利用影響水文過程,而水利工程則多通過修建水庫或筑壩等影響流域徑流[8-9]。相比之下,水利工程可改變流域內的自然狀態,其對水文過程的影響也是最直接的[10-11]。

三峽水庫在改善長江流域防洪、發電和航運的同時,也對流域水文過程產生深刻影響,并形成三峽庫區這一特殊的地理單元[12-14]。目前,學者們圍繞三峽工程引發的水文變化進行了大量探討,根據研究方法和研究途徑大致分3個方面。首先是水文資料的統計分析方面,一般基于水文統計年鑒,獲取流域徑流、氣象和泥沙等數據,對比分析三峽工程影響下水沙變化特征。Yan等[15]研究表明宜昌站在三峽水庫運行后,泥沙和徑流量均有不同程度下降;李崢嶸等[16]分析發現,三峽水庫運行后其下游冬春季旱情明顯緩解,而秋季旱情加重。其次是水文數據監測與分析方面,一般通過對不同時空分辨率徑流、水位和流速等數據的觀測,來分析三峽水庫蓄水對庫區水文水動力特征的影響。例如,周建軍等[17]研究發現,長江干流受水利水電工程影響,河川徑流減少且對生態環境造成影響;鄒敏等[18]也指出,大壩蓄水前后對萬縣水文參數影響較大,泥沙數據在蓄水完畢后減少明顯。最后是基于水文水動力學方法的模擬分析,一般從三峽水庫運行實際出發,構建出庫區水文水動力學模擬模型,分析不同蓄水情景的徑流效應,并提出洪旱防控的對策建議。例如,肖揚帆等[19]利用MIKE11模型明晰了三峽庫區洪水傳播規律;Zhao等[20]利用多種模型肯定了三峽大壩運行對防洪和地方開發的有效性,并為其他流域提供研究方案。

綜合來看,現有研究多聚焦三峽水庫蓄水對長江干流的水文影響,較少關注蓄水影響下庫區內小流域的水文變化,而庫區擁有眾多支流,其徑流變化關乎長江流域水資源開發利用和生態屏障建設,因此蓄水影響下的庫區小流域徑流變化亟待揭示。大寧河、澎溪河和磨刀溪流域位于三峽庫區中下游地區,庫區季節性蓄水影響其水文過程,且3個小流域流域面積大致相當,均沿長江依次分布并分居南北兩岸。通過3個小流域的對比分析,一方面能揭示蓄水影響下水文情勢變化,還能在一定程度上探討不同小流域水文情勢的時空差異性。基于此,本文選取大寧河、澎溪河以及磨刀溪3個流域為研究區域,利用2003—2017年的水文資料,采用Mann-Kendall、集中度、集中期和Pearson相關分析等方法,分析小流域徑流變化情勢并揭示驅動因素,進而為三峽庫區水資源管理和生態環境保護提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

三峽庫區水系發達、小流域眾多,面積超過100 km2的小流域有43個,是長江流域重要的淡水資源儲備庫[21]。本文選取了靠近庫區尾部的大寧河、澎溪河和磨刀溪3個小流域,其中大寧河和澎溪河流域位于北岸,磨刀溪流域位于南岸(圖1)。3個小流域均屬于亞熱帶濕潤季風氣候,降水豐沛,年平均降水量約1 200 mm,年均溫約為14.4～16.8 ℃,5—10月為汛期,12月至次年2月為枯水期,汛期徑流量約占全年的80%。3個小流域的地理位置面積、河長及控制水文站等信息見表1。

表1 三峽庫區小流域的水文概況

圖1 研究區概況

自1992年通過三峽大壩建設決議后,先后歷經17年修建,1997年完成大江截流,2003年工程蓄水至135 m,2009年完成175 m高水位蓄水運行,該蓄水高度沿用至今,庫區回水作用顯著增強,對小流域的水文過程影響也日益凸顯[22-23]。

1.2 數據來源

為分析蓄水影響下的庫區小流域徑流變化特征,收集了澎溪河、大寧河和磨刀溪3個流域的日尺度徑流、降水資料,主要源自2003—2017年的水文統計年鑒(第三冊 第6卷),3個小流域的水文控制站分別為溫泉站、巫溪(二)站和長灘站。其中,大寧河流域內包含巫山、巫溪、建樓等14個雨量站,澎溪河流域包含溫泉、臨江、新華等9個雨量站,磨刀溪流域包含長灘、建南、黃水等7個雨量站,采用泰森多邊形法計算流域面平均降水量,各水文氣象站點位置見圖1。

1.3 研究方法

1.3.1Mann-Kendall非參數檢驗法

在Mann-Kendall(MK)檢驗中,原假設H0為時間序列數據(x1,…,xn),是n個獨立的、隨機變量同分布的樣本。假設H1是雙邊檢驗,對于所有的k,j≤n,且k≠j,xk和xj的分布是不同的,檢驗的統計變量S計算為式(1)、(2):

(1)

(2)

S為正態分布,其均值為 0,方差Var(S)=n(n-1)(2n+5)/18。當n>10 時,標準的正態統計變量通過式(3)計算:

(3)

在雙邊的趨勢檢驗中,在給定的α置信水平上,如果|Z|≥Z1-α/2,則原假設是不可接受的,即在α置信水平上,時間序列數據存在明顯的上升或下降趨勢。對于統計變量Z,大于0 時,是上升趨勢;小于0 時,則是下降趨勢。Z的絕對值大于等于 1.64、1.96 時,分別表示通過了信度 0.10、0.05 的顯著性檢驗。

1.3.2集中度和集中期

集中度(Runoff Concentration Degree ,RCD)和集中期(Runoff Concentration Period ,RCP)常用來反映徑流的年內分配特征[24]。在計算時,將每個月的徑流量作為向量,月徑流量的大小為向量的長度,所處的月份作為向量的方向。1—12月每月的方位角分別為0°,30°,60°,…,330°,并把每個月的徑流量分解成x和y兩個方向上的分量,x和y方向上的向量合成見式(4)、(5):

(4)

(5)

(6)

RCP=arctan(Ry/Rx)

(7)

由式(4)、(5)可以看出,合成向量的方位,即集中期(RCP)表示了一年中月徑流量合成后的總效應,也就是向量合成后重心所指示的角度。

2 結果與分析

2.1 徑流量變化特征

2.1.1年均徑流變化

圖2為3個小流域2003—2017年的年均徑流線性趨勢和MK檢驗結果,各小流域年均徑流的年際波動較為接近,2003—2006年呈明顯下降,2007—2011年呈平穩波動變化,2012—2017年呈快升快落,其中大寧河流域的年際變幅最大。從年均徑流均值來看,大寧河、澎溪河和磨刀溪流域的多年徑流均值分別為60.96、37.83、33.69 m3/s,年徑流最大值均出現于2017年,分別為96.61、52.64、49.16 m3/s,而最小值出現年份不一致,大寧河和澎溪河流域出現于2006年,分別為34.36、23.89 m3/s,而磨刀溪出現于2010年,為24.25 m3/s。從多年趨勢來看,大寧河和澎溪河流域均為下降趨勢,其線性趨勢分別為-0.70、-0.31 m3/(s·a),而磨刀溪流域則呈上升趨勢(斜率為0.26 m3/(s·a))。從MK趨勢檢驗來看,3個小流域年均徑流趨勢均不顯著。

圖2 2003—2017年三峽庫區小流域的年平均徑流變化

2.1.2月均徑流變化

由圖3可知,3個小流域的徑流年內分布不均,徑流高值主要出現在5—9月,徑流低值出現在12月至次年2月,大寧河和澎溪河流域徑流最大值均位于7月,而磨刀溪則位于6月。表2為3個小流域2003—2017年月均徑流變化趨勢結果,大寧河流域在1—8月的徑流均呈下降趨勢,其中汛期下降最明顯,其余月份為上升趨勢,其中7月徑流趨勢最強,為-7.97 m3/(s·a),從MK檢驗來看, 7月徑流下降趨勢達到0.1顯著性;澎溪河流域的月徑流趨勢與大寧河類似,主要表現為汛期下降,7月徑流下降趨勢顯著且最大(斜率為-4.09 m3/(s·a));而磨刀溪流域多數月份的徑流表現為上升趨勢,僅5、8和12月為下降,其中2、12月徑流趨勢達到0.1的顯著性。

表2 2003—2017年三峽庫區小流域多年月平均徑流變化

a)大寧河

2.1.3徑流極值變化

圖4為3個小流域2003—2017年徑流極值變化過程。從圖4a來看,大寧河和澎溪河流域的徑流極大值呈下降趨勢,而磨刀溪流域呈上升趨勢,但趨勢變化均未達到顯著性。3個小流域徑流最大值出現時間不一致,分別為2005年(1 730 m3/s)、2007年(1 420 m3/s)和2011年(1 590 m3/s)。從圖4b可知,3個小流域徑流極小值均呈下降趨勢,但趨勢值較小且不顯著,徑流最小值分別出現在2008年(7.6 m3/s)、2010年(3.32 m3/s)和2003年(0.68 m3/s)。值得注意的是,3個小流域徑流極大值和極小值的年際變化幅度,在2011年以后有所下降,大寧河流域下降幅度最大,這可能是受到庫區降水條件和周期性蓄水的影響。

a)極大值 b)極小值

2.2 徑流離散程度變化

2.2.1徑流集中度

集中度可反映流域徑流年內分配的離散情況,圖5統計了3個小流域2003—2017年徑流集中度變化過程。3個小流域集中度均呈現下降趨勢,從下降趨勢值來看,澎溪河流域(斜率為-0.005 4)和大寧河流域(斜率為-0.004 8)較大,磨刀溪流域趨勢較小(斜率為-0.001 9),但其MK檢驗均未超過顯著性,這說明在降水和大壩蓄水的影響下,3個小流域的年內分配趨于均衡。此外,從2003—2017年3個小流域的徑流集中度變化過程來看,位于北岸的大寧河和澎溪河流域較為接近,而位于南岸的磨刀溪流域集中度年際變幅較大,尤其在2009年之后,3個小流域的徑流集中度總體變幅均趨于較低值,這可能與蓄水規律性調節有關。

圖5 2003—2017年三峽庫區小流域的徑流集中度變化

2.2.2徑流集中期

集中期可反映流域徑流最大值的出現時間,從圖6來看,2003—2017年的3個小流域徑流集中期主要出現于6—8月份,最小值均出現在2006年,而最大值出現年份不一致。2003—2017年的徑流集中期均呈上升趨勢,大寧河流域趨勢最大(斜率為0.04),磨刀溪流域次之(斜率為0.03),這表明3個小流域的徑流最大值出現時間均逐漸推遲,例如大寧河流域,從2009年之前的徑流集中期均在8月之前,變為2009年之后的多次出現在8月之后,類似的現象也出現在其余2個小流域。

圖6 2003—2017年三峽庫區小流域的徑流集中期變化

2.3 徑流變化情勢的影響因素分析

2.3.1降水因素

作為主要補給,降水強度及時空分布對流域徑流變化有直接影響。運用Pearson法對3個小流域的降水徑流進行相關性分析。從圖7來看,3個小流域的徑流降水量均呈正相關,大寧河、澎溪河和磨刀溪流域的相關性系數分別為0.848、0.877、0.825,均超過0.01顯著性。由此可來看,降水依然是庫區3個小流域徑流變化的主要因素。

a)大寧河

此外,對比分析了2003—2017年3個小流域的月降水和徑流變化趨勢(圖8)。從圖8來看,各小流域存在月徑流和降水變化趨勢不一致(正負異號)的情況,其中冬季(12、1、2月)頻次最高;經計算,大寧河、澎溪河和磨刀溪流域月徑流和降水趨勢不一致的比例分別為67%、42%和50%。類似的情況也在年徑流和降水的趨勢變化中有所體現,2003—2017年大寧河流域的降水多年趨勢為3.85 mm/a,而該流域的年徑流趨勢為-0.70 m3/(s·a)。與此同時,對比其MK檢驗值,二者變化程度也存在較大差異,例如大寧河流域1月、澎溪河流域7月和磨刀溪流域3月等,均呈現出月降水或徑流的趨勢顯著,而另一方趨勢不顯著的現象(圖8)。綜合來看,各小流域年內和年際的降水-徑流變化趨勢存在一定差異,這表明除降水因素外,徑流還受到其他因素(如三峽蓄水)的影響。

a)大寧河降水、徑流趨勢

2.3.2人類活動因素

結合三峽工程建設及其周期性蓄水進程,以全面實施175 m蓄水年份(2009年)為界將研究時段(2003—2017年)劃分為2003—2008、2009—2017年兩段,來探究周期性蓄水對庫區小流域徑流變化的影響。圖9為兩時段3個小流域的月均徑流分布,對比來看,大寧河和澎溪河蓄水后徑流量年內變化減弱,相比之前,徑流年較差分別減少了29%、28%。而磨刀溪蓄水后徑流量年內變化增加了18%。總體上來看,2009—2017年流域月徑流量更加平緩。

a)大寧河

圖10對蓄水前后降水-徑流相關關系進行了統計分析。蓄水前后,3個小流域的降水-徑流相關性均出現一定程度下降,大寧河、澎溪河和磨刀溪流域的相關系數分別下降了6%、5%和2%。除此之外,蓄水前后各小流域的降水-徑流極值的相關性質也發生變化(表3),3個小流域的降水-徑流極大值相關性出現不同程度下降,3個小流域分別下降了3%、12%、8%。綜上所述,周期性蓄水以來,庫區小流域的徑流受降水的影響正在逐漸下降,同時三峽大壩的運行一定程度削減了庫區小流域的徑流洪峰,對庫區流域防洪起到積極作用[25-26]。

表3 蓄水前后三峽庫區小流域的降水-徑流極大值相關分析

a)大寧河

表4表示蓄水前后各小流域的徑流-降水平均集中度和集中期。從徑流方面來看,蓄水后,大寧河和澎溪河流域徑流集中度有所降低,分別下降了8.51%、1.98%;磨刀溪流域徑流集中度有微弱增加(0.25%)。與此同時,各小流域徑流集中期均有推后,變化幅度分別為4.67%、1.54%、2.97%。結合降水變化來看,各小流域降水的變化幅度均與徑流變化不一致。大寧河和澎溪河流域降水變化小于徑流變化,分別下降了4.44%、0.63%。磨刀溪降水集中度有小幅度增加(0.69%),且較徑流集中度上升更明顯。除此之外,各小流域降水集中期與徑流集中期變化也不相同。大寧河(3.21%)和磨刀溪(2.13%)降水集中期推遲,變化小于徑流集中期的變化;澎溪河流域降水集中期提前了0.37%,而徑流集中期推后。

表4 蓄水前后三峽庫區小流域的降水、徑流的集中度與集中期變化

由此,三峽大壩開始175 m試驗性蓄水。大寧河和澎溪河流域徑流集中度、集中期在2003—2008、2009—2017年2個時間段的變化程度大于降水集中度和集中期的變化程度;磨刀溪徑流集中度和集中期變化雖微弱,但也能看出,磨刀溪流域徑流年內分配比降水年內分配均勻。這說明流域徑流除了受到降水的直接影響外,三峽庫區蓄水也是其徑流變化的影響因素。

上述分析,主要從蓄水前后的徑流量和離散程度兩方面,探討了三峽大壩建設及其運行引發的庫區小流域水文過程變化。總體來看,蓄水之后庫區小流域的年際、年內和極值徑流均有所下降,多個尺度(年際和極值)的降水-徑流相關系數有下降趨勢,徑流的集中度和集中期下降程度明顯超過降水,降水-徑流關系趨于復雜化。在以往研究中,主要注重蓄水前后對庫區下游流域徑流變化產生的影響[12,27]。而本文研究從大壩上游出發,可以看出三峽水庫對庫區上游小流域的影響也發揮著不可或缺的作用。舒衛民等[28]和岳遙等[29]的研究也證實了蓄水后三峽庫區流域徑流年內分配趨向均勻。

3 結論

本文利用Mann-Kendall趨勢分析、集中度和集中期等方法,對大寧河、澎溪河和磨刀溪各站點2003—2017年降水量和徑流量進行計算分析,分析3個小流域在三峽庫區蓄水前后的徑流變化情勢,具體結論如下。

a)徑流量變化。2003—2017年,三峽庫區3個小流域年徑流量主要呈不顯著下降趨勢;各流域月徑流量變化差異較大,大寧河和澎溪河徑流汛期(7月)有顯著下降趨勢,磨刀溪徑流非汛期(2月)呈顯著上升;各小流域徑流極大值為減小趨勢,極小值變化不明顯。

b)徑流離散程度。2003—2017年,庫區3個小流域的徑流集中度均呈下降趨勢,徑流年內分配趨向均勻,而徑流集中期有所增大,徑流極值出現時間延后。

c)175 m蓄水以來,庫區小流域的月徑流量趨于平緩,降水-徑流相關性下降;徑流集中度和集中期的變幅大于降水。