蓄水影响下三峡库区小流域径流变化情势分析

尹思危,胡慧灵,王跃峰,2*,雷超桂

(1 重庆师范大学地理与旅游学院,重庆 401331;2 三峡库区地表过程与环境遥感重庆市重点实验室,重庆 401331)

径流是水循环的重要环节,其变化对流域水资源开发利用意义重大[1]。近年来,全球众多流域的径流和水文情势发生改变,甚至引发洪旱灾害、水环境恶化等问题[2-3]。研究表明,气候变化、水利工程及城市化等因素是引起全球众多流域水文特征变化的影响因素[4-7]。其中,气候变化通过改变降水和气温等影响流域径流,城市化则主要通过改变土地利用影响水文过程,而水利工程则多通过修建水库或筑坝等影响流域径流[8-9]。相比之下,水利工程可改变流域内的自然状态,其对水文过程的影响也是最直接的[10-11]。

三峡水库在改善长江流域防洪、发电和航运的同时,也对流域水文过程产生深刻影响,并形成三峡库区这一特殊的地理单元[12-14]。目前,学者们围绕三峡工程引发的水文变化进行了大量探讨,根据研究方法和研究途径大致分3个方面。首先是水文资料的统计分析方面,一般基于水文统计年鉴,获取流域径流、气象和泥沙等数据,对比分析三峡工程影响下水沙变化特征。Yan等[15]研究表明宜昌站在三峡水库运行后,泥沙和径流量均有不同程度下降;李峥嵘等[16]分析发现,三峡水库运行后其下游冬春季旱情明显缓解,而秋季旱情加重。其次是水文数据监测与分析方面,一般通过对不同时空分辨率径流、水位和流速等数据的观测,来分析三峡水库蓄水对库区水文水动力特征的影响。例如,周建军等[17]研究发现,长江干流受水利水电工程影响,河川径流减少且对生态环境造成影响;邹敏等[18]也指出,大坝蓄水前后对万县水文参数影响较大,泥沙数据在蓄水完毕后减少明显。最后是基于水文水动力学方法的模拟分析,一般从三峡水库运行实际出发,构建出库区水文水动力学模拟模型,分析不同蓄水情景的径流效应,并提出洪旱防控的对策建议。例如,肖扬帆等[19]利用MIKE11模型明晰了三峡库区洪水传播规律;Zhao等[20]利用多种模型肯定了三峡大坝运行对防洪和地方开发的有效性,并为其他流域提供研究方案。

综合来看,现有研究多聚焦三峡水库蓄水对长江干流的水文影响,较少关注蓄水影响下库区内小流域的水文变化,而库区拥有众多支流,其径流变化关乎长江流域水资源开发利用和生态屏障建设,因此蓄水影响下的库区小流域径流变化亟待揭示。大宁河、澎溪河和磨刀溪流域位于三峡库区中下游地区,库区季节性蓄水影响其水文过程,且3个小流域流域面积大致相当,均沿长江依次分布并分居南北两岸。通过3个小流域的对比分析,一方面能揭示蓄水影响下水文情势变化,还能在一定程度上探讨不同小流域水文情势的时空差异性。基于此,本文选取大宁河、澎溪河以及磨刀溪3个流域为研究区域,利用2003—2017年的水文资料,采用Mann-Kendall、集中度、集中期和Pearson相关分析等方法,分析小流域径流变化情势并揭示驱动因素,进而为三峡库区水资源管理和生态环境保护提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

三峡库区水系发达、小流域众多,面积超过100 km2的小流域有43个,是长江流域重要的淡水资源储备库[21]。本文选取了靠近库区尾部的大宁河、澎溪河和磨刀溪3个小流域,其中大宁河和澎溪河流域位于北岸,磨刀溪流域位于南岸(图1)。3个小流域均属于亚热带湿润季风气候,降水丰沛,年平均降水量约1 200 mm,年均温约为14.4～16.8 ℃,5—10月为汛期,12月至次年2月为枯水期,汛期径流量约占全年的80%。3个小流域的地理位置面积、河长及控制水文站等信息见表1。

表1 三峡库区小流域的水文概况

图1 研究区概况

自1992年通过三峡大坝建设决议后,先后历经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高水位蓄水运行,该蓄水高度沿用至今,库区回水作用显著增强,对小流域的水文过程影响也日益凸显[22-23]。

1.2 数据来源

为分析蓄水影响下的库区小流域径流变化特征,收集了澎溪河、大宁河和磨刀溪3个流域的日尺度径流、降水资料,主要源自2003—2017年的水文统计年鉴(第三册 第6卷),3个小流域的水文控制站分别为温泉站、巫溪(二)站和长滩站。其中,大宁河流域内包含巫山、巫溪、建楼等14个雨量站,澎溪河流域包含温泉、临江、新华等9个雨量站,磨刀溪流域包含长滩、建南、黄水等7个雨量站,采用泰森多边形法计算流域面平均降水量,各水文气象站点位置见图1。

1.3 研究方法

1.3.1Mann-Kendall非参数检验法

在Mann-Kendall(MK)检验中,原假设H0为时间序列数据(x1,…,xn),是n个独立的、随机变量同分布的样本。假设H1是双边检验,对于所有的k,j≤n,且k≠j,xk和xj的分布是不同的,检验的统计变量S计算为式(1)、(2):

(1)

(2)

S为正态分布,其均值为 0,方差Var(S)=n(n-1)(2n+5)/18。当n>10 时,标准的正态统计变量通过式(3)计算:

(3)

在双边的趋势检验中,在给定的α置信水平上,如果|Z|≥Z1-α/2,则原假设是不可接受的,即在α置信水平上,时间序列数据存在明显的上升或下降趋势。对于统计变量Z,大于0 时,是上升趋势;小于0 时,则是下降趋势。Z的绝对值大于等于 1.64、1.96 时,分别表示通过了信度 0.10、0.05 的显著性检验。

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)常用来反映径流的年内分配特征[24]。在计算时,将每个月的径流量作为向量,月径流量的大小为向量的长度,所处的月份作为向量的方向。1—12月每月的方位角分别为0°,30°,60°,…,330°,并把每个月的径流量分解成x和y两个方向上的分量,x和y方向上的向量合成见式(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)表示了一年中月径流量合成后的总效应,也就是向量合成后重心所指示的角度。

2 结果与分析

2.1 径流量变化特征

2.1.1年均径流变化

图2为3个小流域2003—2017年的年均径流线性趋势和MK检验结果,各小流域年均径流的年际波动较为接近,2003—2006年呈明显下降,2007—2011年呈平稳波动变化,2012—2017年呈快升快落,其中大宁河流域的年际变幅最大。从年均径流均值来看,大宁河、澎溪河和磨刀溪流域的多年径流均值分别为60.96、37.83、33.69 m3/s,年径流最大值均出现于2017年,分别为96.61、52.64、49.16 m3/s,而最小值出现年份不一致,大宁河和澎溪河流域出现于2006年,分别为34.36、23.89 m3/s,而磨刀溪出现于2010年,为24.25 m3/s。从多年趋势来看,大宁河和澎溪河流域均为下降趋势,其线性趋势分别为-0.70、-0.31 m3/(s·a),而磨刀溪流域则呈上升趋势(斜率为0.26 m3/(s·a))。从MK趋势检验来看,3个小流域年均径流趋势均不显著。

图2 2003—2017年三峡库区小流域的年平均径流变化

2.1.2月均径流变化

由图3可知,3个小流域的径流年内分布不均,径流高值主要出现在5—9月,径流低值出现在12月至次年2月,大宁河和澎溪河流域径流最大值均位于7月,而磨刀溪则位于6月。表2为3个小流域2003—2017年月均径流变化趋势结果,大宁河流域在1—8月的径流均呈下降趋势,其中汛期下降最明显,其余月份为上升趋势,其中7月径流趋势最强,为-7.97 m3/(s·a),从MK检验来看, 7月径流下降趋势达到0.1显著性;澎溪河流域的月径流趋势与大宁河类似,主要表现为汛期下降,7月径流下降趋势显著且最大(斜率为-4.09 m3/(s·a));而磨刀溪流域多数月份的径流表现为上升趋势,仅5、8和12月为下降,其中2、12月径流趋势达到0.1的显著性。

表2 2003—2017年三峡库区小流域多年月平均径流变化

a)大宁河

2.1.3径流极值变化

图4为3个小流域2003—2017年径流极值变化过程。从图4a来看,大宁河和澎溪河流域的径流极大值呈下降趋势,而磨刀溪流域呈上升趋势,但趋势变化均未达到显著性。3个小流域径流最大值出现时间不一致,分别为2005年(1 730 m3/s)、2007年(1 420 m3/s)和2011年(1 590 m3/s)。从图4b可知,3个小流域径流极小值均呈下降趋势,但趋势值较小且不显著,径流最小值分别出现在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个小流域径流极大值和极小值的年际变化幅度,在2011年以后有所下降,大宁河流域下降幅度最大,这可能是受到库区降水条件和周期性蓄水的影响。

a)极大值 b)极小值

2.2 径流离散程度变化

2.2.1径流集中度

集中度可反映流域径流年内分配的离散情况,图5统计了3个小流域2003—2017年径流集中度变化过程。3个小流域集中度均呈现下降趋势,从下降趋势值来看,澎溪河流域(斜率为-0.005 4)和大宁河流域(斜率为-0.004 8)较大,磨刀溪流域趋势较小(斜率为-0.001 9),但其MK检验均未超过显著性,这说明在降水和大坝蓄水的影响下,3个小流域的年内分配趋于均衡。此外,从2003—2017年3个小流域的径流集中度变化过程来看,位于北岸的大宁河和澎溪河流域较为接近,而位于南岸的磨刀溪流域集中度年际变幅较大,尤其在2009年之后,3个小流域的径流集中度总体变幅均趋于较低值,这可能与蓄水规律性调节有关。

图5 2003—2017年三峡库区小流域的径流集中度变化

2.2.2径流集中期

集中期可反映流域径流最大值的出现时间,从图6来看,2003—2017年的3个小流域径流集中期主要出现于6—8月份,最小值均出现在2006年,而最大值出现年份不一致。2003—2017年的径流集中期均呈上升趋势,大宁河流域趋势最大(斜率为0.04),磨刀溪流域次之(斜率为0.03),这表明3个小流域的径流最大值出现时间均逐渐推迟,例如大宁河流域,从2009年之前的径流集中期均在8月之前,变为2009年之后的多次出现在8月之后,类似的现象也出现在其余2个小流域。

图6 2003—2017年三峡库区小流域的径流集中期变化

2.3 径流变化情势的影响因素分析

2.3.1降水因素

作为主要补给,降水强度及时空分布对流域径流变化有直接影响。运用Pearson法对3个小流域的降水径流进行相关性分析。从图7来看,3个小流域的径流降水量均呈正相关,大宁河、澎溪河和磨刀溪流域的相关性系数分别为0.848、0.877、0.825,均超过0.01显著性。由此可来看,降水依然是库区3个小流域径流变化的主要因素。

a)大宁河

此外,对比分析了2003—2017年3个小流域的月降水和径流变化趋势(图8)。从图8来看,各小流域存在月径流和降水变化趋势不一致(正负异号)的情况,其中冬季(12、1、2月)频次最高;经计算,大宁河、澎溪河和磨刀溪流域月径流和降水趋势不一致的比例分别为67%、42%和50%。类似的情况也在年径流和降水的趋势变化中有所体现,2003—2017年大宁河流域的降水多年趋势为3.85 mm/a,而该流域的年径流趋势为-0.70 m3/(s·a)。与此同时,对比其MK检验值,二者变化程度也存在较大差异,例如大宁河流域1月、澎溪河流域7月和磨刀溪流域3月等,均呈现出月降水或径流的趋势显著,而另一方趋势不显著的现象(图8)。综合来看,各小流域年内和年际的降水-径流变化趋势存在一定差异,这表明除降水因素外,径流还受到其他因素(如三峡蓄水)的影响。

a)大宁河降水、径流趋势

2.3.2人类活动因素

结合三峡工程建设及其周期性蓄水进程,以全面实施175 m蓄水年份(2009年)为界将研究时段(2003—2017年)划分为2003—2008、2009—2017年两段,来探究周期性蓄水对库区小流域径流变化的影响。图9为两时段3个小流域的月均径流分布,对比来看,大宁河和澎溪河蓄水后径流量年内变化减弱,相比之前,径流年较差分别减少了29%、28%。而磨刀溪蓄水后径流量年内变化增加了18%。总体上来看,2009—2017年流域月径流量更加平缓。

a)大宁河

图10对蓄水前后降水-径流相关关系进行了统计分析。蓄水前后,3个小流域的降水-径流相关性均出现一定程度下降,大宁河、澎溪河和磨刀溪流域的相关系数分别下降了6%、5%和2%。除此之外,蓄水前后各小流域的降水-径流极值的相关性质也发生变化(表3),3个小流域的降水-径流极大值相关性出现不同程度下降,3个小流域分别下降了3%、12%、8%。综上所述,周期性蓄水以来,库区小流域的径流受降水的影响正在逐渐下降,同时三峡大坝的运行一定程度削减了库区小流域的径流洪峰,对库区流域防洪起到积极作用[25-26]。

表3 蓄水前后三峡库区小流域的降水-径流极大值相关分析

a)大宁河

表4表示蓄水前后各小流域的径流-降水平均集中度和集中期。从径流方面来看,蓄水后,大宁河和澎溪河流域径流集中度有所降低,分别下降了8.51%、1.98%;磨刀溪流域径流集中度有微弱增加(0.25%)。与此同时,各小流域径流集中期均有推后,变化幅度分别为4.67%、1.54%、2.97%。结合降水变化来看,各小流域降水的变化幅度均与径流变化不一致。大宁河和澎溪河流域降水变化小于径流变化,分别下降了4.44%、0.63%。磨刀溪降水集中度有小幅度增加(0.69%),且较径流集中度上升更明显。除此之外,各小流域降水集中期与径流集中期变化也不相同。大宁河(3.21%)和磨刀溪(2.13%)降水集中期推迟,变化小于径流集中期的变化;澎溪河流域降水集中期提前了0.37%,而径流集中期推后。

表4 蓄水前后三峡库区小流域的降水、径流的集中度与集中期变化

由此,三峡大坝开始175 m试验性蓄水。大宁河和澎溪河流域径流集中度、集中期在2003—2008、2009—2017年2个时间段的变化程度大于降水集中度和集中期的变化程度;磨刀溪径流集中度和集中期变化虽微弱,但也能看出,磨刀溪流域径流年内分配比降水年内分配均匀。这说明流域径流除了受到降水的直接影响外,三峡库区蓄水也是其径流变化的影响因素。

上述分析,主要从蓄水前后的径流量和离散程度两方面,探讨了三峡大坝建设及其运行引发的库区小流域水文过程变化。总体来看,蓄水之后库区小流域的年际、年内和极值径流均有所下降,多个尺度(年际和极值)的降水-径流相关系数有下降趋势,径流的集中度和集中期下降程度明显超过降水,降水-径流关系趋于复杂化。在以往研究中,主要注重蓄水前后对库区下游流域径流变化产生的影响[12,27]。而本文研究从大坝上游出发,可以看出三峡水库对库区上游小流域的影响也发挥着不可或缺的作用。舒卫民等[28]和岳遥等[29]的研究也证实了蓄水后三峡库区流域径流年内分配趋向均匀。

3 结论

本文利用Mann-Kendall趋势分析、集中度和集中期等方法,对大宁河、澎溪河和磨刀溪各站点2003—2017年降水量和径流量进行计算分析,分析3个小流域在三峡库区蓄水前后的径流变化情势,具体结论如下。

a)径流量变化。2003—2017年,三峡库区3个小流域年径流量主要呈不显著下降趋势;各流域月径流量变化差异较大,大宁河和澎溪河径流汛期(7月)有显著下降趋势,磨刀溪径流非汛期(2月)呈显著上升;各小流域径流极大值为减小趋势,极小值变化不明显。

b)径流离散程度。2003—2017年,库区3个小流域的径流集中度均呈下降趋势,径流年内分配趋向均匀,而径流集中期有所增大,径流极值出现时间延后。

c)175 m蓄水以来,库区小流域的月径流量趋于平缓,降水-径流相关性下降;径流集中度和集中期的变幅大于降水。