长江上游干流近期水沙变化规律分析

摘要: 通过对长江上游干流几个主要控制水文站点近50 多年水文资料的搜集、整理, 分析了长江上游水沙变化的过程、变化特点和变化趋势。分析表明, 近50 多年来长江上游干流河道来水量没有明显的趋势性变化,而输沙量有减少的趋势; 受三峡水库蓄水拦沙和库区上游来沙减少两个主要因素的影响, 2003 年以来长江中下游来沙量明显减少。长江上游水沙年内分配的特点是年内径流量和输沙量均集中于汛期5~ 10月, 且输沙量更为集中; 多年来上述年内分配规律并未发生大的变化。近50 多年, 长江上游干流河段年径流量时间序列以12 a为主周期发生丰、枯变化; 长江上游来水来沙总体呈正相关性。趋势分析表明, 目前, 长江上游来水相对偏枯, 之后几年又将进入一个丰水期; 随着长江上游水土保持? 长治工程的逐步建设和多座水库蓄水拦沙作用的显现, 长江上游总来沙量在水库平衡期内仍将处于一个较低的水平。

关键词: 水沙情势; 变化规律; 多时间尺度; 趋势分析; 长江上游干流

中图法分类号: P641  文献标志码: A 文章编号: 1001- 4179(2010) 10- 0005- 04

长江是我国第一大河, 其丰富的水沙资源对沿江两岸社会经济可持续发展、人民群众生产生活等具有重要的影响, 在全国水资源综合配置中也起着不可替代的作用。长江水沙主要来自长江上游, 根据最新水文统计资料(1950~ 2008 年) , 长江上游出口控制站-宜昌水文站多年平均年径流量为4 328 亿m3 , 多年平均年输沙量为4. 48 亿t, 分别为长江下游大通水文站的48. 3%和112. 6% 。

近年来, 长江上游水沙变化出现了新的特点, 包括水沙总量变化和过程变化, 其变化主要受气候条件、流域下垫面条件及人类活动等多方面因素影响。其中,人类活动影响是主要影响因素, 包括长江上游干、支流修建的大量水利枢纽工程, 以及水土保持综合治理工程等。[1]

本文通过对长江上游干流屏山、朱沱、寸滩和宜昌4 个主要控制水文站点近50 多年实测水文资料的搜集、整理, 对长江上游水沙变化的过程、变化特点和变化趋势进行了分析(图1) 。

图1 长江上游主要水文测站位置示意

长江上游水沙主要来自金沙江、岷江、沱江、嘉陵江和乌江等河流, 而河道悬移质输沙主要来源于金沙江和嘉陵江。金沙江屏山站集水面积占宜昌站的48. 2%(表1) , 但其径流量和输沙量分别占宜昌站的33. 3%和54. 2%; 朱沱站与寸滩站相比, 其多年平均年径流量占宜昌站的百分比由61. 7% 增至79. 7%, 而多年平均年输沙量占宜昌站的百分比由65. 8% 增至90. 65%, 说明嘉陵江来沙量占长江上游泥沙的比重更大。

表1 长江上游水沙地区组成

1  水沙年际变化规律

图2 给出了长江上游干流主要水文测站近期年径流量、输沙量变化过程。由图2 可知, 近50 多年来长江上游干流河道来水量没有明显趋势性的变化, 而输沙量则有减少的趋势, 特别是2000 年以来, 各站年输沙量减少明显。20 世纪80 年代至2000 年由于受人类活动的影响, 金沙江流域产沙增加, 导致屏山、朱沱两站在此期间输沙量增加。

图2 长江上游干流主要水文测站年径流量、输沙量变化过程

通常采用变差系数Cv 来反映一个时间序列相对其平均值的离散程度。由计算可知, 长江上游干流各站年输沙量过程的变幅明显大于年径流量过程。如屏山站历年径流量的变差系数为0.158, 输沙量的变差系数为0.362, 说明金沙江径流量的年际变化较小, 水量比较稳定, 而输沙量的年际变化比径流量大。再如宜昌站历年径流量的变差系数为0. 110, 输沙量的变差系数为0.395, 输沙量变幅较大。

自2003 年蓄水运用以来, 三峡水库库区淤积了大量泥沙。根据三峡水库上下游的清溪场、黄陵庙两个水文站的全年实测资料对比分析计算得出, 2003 年6 月~ 2007 年12 月共计有6. 4 亿t 泥沙淤积在三峡水库内, 而出库泥沙仅3. 1 亿t , 水库排沙比约32. 7%。

根据表1 分析结果, 2003 年以来长江上游干流各站年径流量与多年平均值相比变化不大, 而年输沙量则明显减小, 如屏山站2003~ 2008 年平均径流量为1447 亿m3 , 多年平均年径流量为1 438 亿m3 , 二者相差仅9 亿m3 , 而年输沙量则分别为1. 56 亿t 和2. 43 亿t。因此, 三峡工程蓄水运用以来长江中下游来沙量减少, 三峡水库拦沙和库区上游来沙减少是两个主要原因。

2  水沙年内分配变化

长江上游水沙年内分配的特点是年内径流量和输沙量均集中于汛期5~10 月, 且输沙量更为集中(一般在95% 以上) 。如宜昌站多年汛期径流量占全年的79. 2%, 输沙量占全年的96. 3% , 寸滩站多年汛期输沙量占全年的97. 8% 。从时间变化看, 上述年内分配规律并未发生大的变化。

水利工程修建后水库下游河道汛期径流量比重一般减小, 非汛期比重一般增加。目前, 长江上游干流除三峡工程外尚无建成的大型水利枢纽, 支流上已建有一些大中型水利工程, 如雅砻江二滩水电站、岷江紫坪铺电站、乌江梯级电站、嘉陵江支流上的宝珠寺电站等。现有研究成果表明, 二滩水电站、乌江梯级电站、宝珠寺电站等单个电站运行对下游宜昌断面枯期径流有明显加大作用。随着长江上游多个大中型水利工程的逐步建成运用, 水库群综合调度运用对下游河道径流的调节作用仍有待作进一步分析研究。

3  水沙时间序列变化周期及趋势预测

3. 1  年径流量时间序列变化特性

本文对屏山、朱沱、寸滩和宜昌4 站近期年径流量时间序列变化的周期性进行了分析, 屏山水文站水文资料年限为1956~ 2008 年, 朱沱站资料年限为1954~ 2008 年, 寸滩站资料年限为1950~ 2008 年, 宜昌站为1950~ 2008 年, 分析方法采用小波分析法。

首先将屏山、朱沱、寸滩和宜昌站年径流量资料进行距平处理, 对处理后的年径流量时间序列进行小波变换分析计算。分析结果表明: 屏山站年径流量序列存在明显的年际丰枯周期变化特征, 主要存在35~ 40a、5~ 15 a 及5 a以下3 类尺度的周期变化规律, 其中5~ 15 a、3 5~ 40 a 尺度的周期变化较清晰, 波动极值点分布规律明显, 径流变化表现出明显的突变特征, 而小于5 a以下尺度左右的年径流周期变化频率快, 且波动极值点分布散乱; 朱沱站年径流量主要存在10~15 a、35~ 40 a 尺度的变化周期, 波动极值点分布规律明显; 寸滩站10~ 15 a 类型尺度的周期变化最为清晰; 而宜昌站年径流量10~ 15 a 类型尺度的周期变化比较清晰。

综合分析屏山、朱沱、寸滩、宜昌4 站年径流量时间序列周期变化特征可知(表2) , 在过去50 多年的时间内, 长江上游干流河段年径流量时间序列比较一致地以12 a为主周期发生丰、枯变化, 第二、第三周期分别为16~ 18 a、35~ 36 a。绘制以12 a尺度为变化主周期的小波实部系数过程图(图3) , 可从中分析出年径流量变化过程与趋势, 小波系数为正时是丰水期, 为负时是枯水期。

由图3 可以看出, 对于12 a尺度的变化主周期,长江上游干流在50 多年内经历了4 个枯水期- 丰水期的周期变化。目前, 长江上游来水仍处于相对偏枯的年份, 之后几年又将进入一个丰水期。

表2  屏山、朱沱、寸滩、宜昌4 站年径流量时间序列变化周期

需要指出的是, 宜昌以上长江干支流已建、在建和拟建许多大中型水库, 这些水库在拦蓄泥沙、调节长江中下游水文过程方面作用明显, 但这些水库对径流的调节能力有限, 一般为年内调节型水库(包括三峡水库) , 对年总来水量的影响不大。因此, 以上对年径流量变化的预测方法仍具有一定的实用性。

3. 2  水沙相关分析及输沙量预测

本文对屏山、朱沱、寸滩、宜昌各站年径流量与年输沙量时间序列进行了互相关性分析, 并利用t 分布进行相关性检验(置信水平a = 0. 05) , 结果见表3。

表3 屏山、朱沱、寸滩、宜昌四站年径流量、年输沙量互相关系数及检验

图3  年径流量序列小波变换系数实部过程线(a = 12)

根据统计计算结果, 各站年径流量与年输沙量时间序列经检验均为互相关序列, 因此, 长江上游来水来沙总体呈正相关性, 即径流量越大, 输沙量也就越大。目前, 长江上游来水偏枯, 来沙量也相对较少。未来,在长江上游实施的“长治”工程的基础上, 随着多个大、中型水库蓄水拦沙作用的显现, 长江上游总体来沙量在水库平衡期内仍将处于一个较低的水平。

4  结论

(1) 近50 多年来长江上游干流河道来水量没有明显趋势性的变化, 而输沙量有减少的趋势; 受三峡水库蓄水拦沙和库区上游来沙减少两个主要因素的影响, 2003 年以来长江中下游来沙量明显减少。

(2) 长江上游水沙年内分配的特点是, 年内径流量和输沙量均集中于汛期5~ 10 月, 且输沙量更为集中; 多年来上述年内分配规律并未发生大的变化。

(3) 近50 多年, 长江上游干流河段年径流量时间序列比较一致地以12 a为主周期发生丰、枯变化; 长江上游来水来沙总体呈正相关性。

(4) 趋势分析表明, 目前, 长江上游来水相对偏枯, 之后几年又将进入一个丰水期; 随着长江上游水土保持 长治工程的逐步建设和多个水库蓄水拦沙作用的显现, 长江上游总来沙量在水库平衡期内仍将处于一个较低的水平。

参考文献:

[ 1]  蔺秋生, 董耀华. 长江水沙变化模式初探[ J] . 人民长江, 2008, 39( 5) : 9- 11.

[ 2]  蔺秋生, 范北林, 黄莉. 宜昌水文站年径流量演变多时间尺度分析[ J ] . 长江科学院院报, 2009, 26( 4) : 1- 3.

作者简介: 蔺秋生, 男, 工程师, 硕士, 主要从事河湖演变与整治及相关模拟技术方面的研究。