郭 率，陳 立，許全喜，何小花

（1.武漢大學(xué)水資源與水電工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢430072；2.長(zhǎng)江水利委員會(huì)水文局，武漢430010；3.湖北省水利水電規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)院，武漢430064）

0 引 言

近期，世界各地區(qū)洪澇和干旱災(zāi)害出現(xiàn)的頻率呈明顯的上升趨勢(shì)［1-4］，其原因與全球變暖的不斷加劇，人類對(duì)河流等水資源的干涉影響有關(guān)，包括河流上大規(guī)模梯級(jí)水庫的修建、水文變化、沉積物開采等，對(duì)河流的汛期和枯期進(jìn)行較精確的分期，對(duì)洪澇干旱災(zāi)害的防治、水庫水資源調(diào)度，生態(tài)環(huán)境保護(hù)和人類自身安全保障等具有極其重要的作用［5-7］。

天然條件下長(zhǎng)江流域汛期和枯期的劃分與大氣循環(huán)和氣候變化有直接聯(lián)系，三峽水庫蓄水前普遍認(rèn)為長(zhǎng)江中下游汛期為5-10月。20 世紀(jì)80年代開始，長(zhǎng)江中下游水沙受到人類活動(dòng)的重大影響，干支流梯級(jí)水庫的建設(shè)等改變了河流天然特性，尤其是三峽水庫的修建運(yùn)行，大大影響了壩下游的徑流過程，水庫“削峰補(bǔ)枯”使壩下游河段徑流過程坦化，中枯水歷時(shí)增加，改變了長(zhǎng)江中下游河道天然徑流的時(shí)空分配［8，9］，上游向家壩、溪洛渡等梯級(jí)水庫的建成運(yùn)用對(duì)長(zhǎng)江流域徑流過程及徑流均勻程度的影響進(jìn)一步加?。?0］。顯然上游水庫的“洪蓄枯泄”運(yùn)行模式，改變了下游水文過程，對(duì)流域汛、枯期規(guī)律也有一定影響。許多專家學(xué)者圍繞水庫運(yùn)用對(duì)下游河道水文情勢(shì)的影響進(jìn)行了較多研究［11-13］，且主要分析了三峽水庫運(yùn)用后下游河道月均徑流量變化情況，但進(jìn)一步分析三峽水庫運(yùn)用后月均徑流量的變化對(duì)長(zhǎng)江中下游流域汛、枯期分期規(guī)律影響的研究較少。本文采用雷旭等［14］提出的月徑流序列重構(gòu)方法，對(duì)長(zhǎng)江中下游干流7個(gè)水文站點(diǎn)的月徑流進(jìn)行重新構(gòu)造形成重構(gòu)水文序列，然后運(yùn)用謝平等［15］提出的變異診斷系統(tǒng)檢驗(yàn)重構(gòu)月徑流序列進(jìn)行水文分期，并采用模糊統(tǒng)計(jì)法進(jìn)行對(duì)比分析，從而得到長(zhǎng)江中下游流域汛、枯期變化結(jié)果。對(duì)三峽水庫蓄水后長(zhǎng)江中下游進(jìn)行汛期枯期劃分不僅有利于該區(qū)域防洪，了解水文情勢(shì)變化情況，同時(shí)可以在滿足防洪設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的條件下，優(yōu)化三峽水庫運(yùn)行，協(xié)調(diào)水庫防洪與興利之間的矛盾，提高防洪、發(fā)電、航運(yùn)等綜合效益［16］。

1 研究區(qū)域

長(zhǎng)江干流建設(shè)有葛洲壩、三峽、向家壩、溪洛渡等骨干水利樞紐，漢江流域有丹江口水利樞紐等。其中三峽水利樞紐是長(zhǎng)江流域綜合利用的骨干工程，其主要任務(wù)是防洪、發(fā)電、航運(yùn)等［17］。汛期6-9月，水庫一般在汛限水位145 m 運(yùn)行，超過電站過流能力的水量，通過泄洪壩下泄。僅當(dāng)入庫流量大于5.5 萬m3/s，超出下游荊江河道安全泄量（100年一遇以下洪水，控制枝城站泄量不超過5.67 萬m3/s，100年一遇以上至1 000年一遇洪水，控制枝城站流量不超過8 萬m3/s）時(shí)，水庫攔洪蓄水，庫水位抬高。洪峰過后，庫水位仍降至145 m 運(yùn)行。2009年后在三峽水庫的實(shí)際調(diào)度過程中，適時(shí)進(jìn)行了中小洪水調(diào)度的實(shí)踐?！度龒{（正常運(yùn)行期）-葛洲壩水利樞紐梯級(jí)調(diào)度規(guī)程》（2019年修訂版）［18］規(guī)定三峽水庫汛期運(yùn)行水位浮動(dòng)上限由146.5 m 提高至148 m，兼顧城陵磯地區(qū)防洪補(bǔ)償控制水位由155 m 提高至158 m，汛末庫水位進(jìn)一步優(yōu)化，8月下旬允許上浮至150 m，9月10日水位允許由150 m 提高至150～155 m。逐步優(yōu)化后的調(diào)度方式必然會(huì)對(duì)長(zhǎng)江中下游水文情勢(shì)和江湖關(guān)系產(chǎn)生影響［19，20］。

本文采用1961-2016年（部分年份水文資料缺失，其中枝城站缺1962年資料，沙市站缺1970年資料，監(jiān)利站為1981-2016年資料）長(zhǎng)江中下游流域宜昌-大通7個(gè)水文站點(diǎn)的實(shí)測(cè)月均徑流流量數(shù)據(jù)，依據(jù)葛洲壩工程開始運(yùn)行（1981年）和三峽工程開始運(yùn)行（2003年）兩個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)將其分為3 個(gè)時(shí)段，即1961-1980年天然徑流階段、1981-2002年葛洲壩工程運(yùn)行后、三峽工程運(yùn)用前階段和2003-2016年三峽工程運(yùn)用后階段，計(jì)算每個(gè)站點(diǎn)3 個(gè)時(shí)段的汛期枯期數(shù)值，并采用三峽水庫入庫出庫流量資料（圖1），還原無三峽水庫條件下2003-2016年的月均徑流流量數(shù)據(jù)，并計(jì)算汛期枯期數(shù)值。通過統(tǒng)計(jì)水庫蓄水前后各水文站汛枯期變化規(guī)律，進(jìn)一步明晰三峽水庫運(yùn)行對(duì)下游汛枯期分期的影響。

圖1 三峽水庫入庫出庫月均徑流Fig.1 Average monthly runoff in and out of Three Gorges Reservoir

2 水文分期變化分析

水文序列受到氣象氣候條件、下墊面因素及人類活動(dòng)等因素的影響，而水文資料的變化又反映了受到這些因素的影響程度［15］。大量的實(shí)測(cè)資料表明，流域的水文序列是受到確定因素和隨機(jī)因素的綜合作用的復(fù)雜過程，表現(xiàn)出非線性特征，因此河川徑流序列也包含了表現(xiàn)為水文現(xiàn)象的趨勢(shì)變化和周期性變化的確定成分，以及表現(xiàn)為水文現(xiàn)象的相依性和純隨機(jī)變化，只能用隨機(jī)序列理論來研究的隨機(jī)成分，其過程是一種復(fù)雜的水文現(xiàn)象［21-23］。

一般對(duì)于某個(gè)具體流域，汛期是多年來降雨量較大、洪水發(fā)生比較集中、徑流流量比較大的時(shí)段。汛枯期的劃分是某流域分期設(shè)計(jì)洪水的重要問題，對(duì)水庫調(diào)度、洪旱災(zāi)害防治及生態(tài)環(huán)境保護(hù)具有顯著意義。目前不少學(xué)者對(duì)于水文分期方法進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究，許士國(guó)等［24］認(rèn)為某一地區(qū)或流域的汛期和非汛期是一種模糊現(xiàn)象，提出了采用模糊統(tǒng)計(jì)法進(jìn)行水文分期，劉攀等［25］采用變點(diǎn)分析方法研究了三峽水庫的汛期分期方式，侯玉等［26］提出了應(yīng)用分形理論進(jìn)行水文分期的方法。但是目前對(duì)于三峽水庫運(yùn)用后水庫下游汛枯期變化規(guī)律的研究較少。

2.1 基于變點(diǎn)分析法的水文分期

針對(duì)傳統(tǒng)方法確定汛期和枯期分界點(diǎn)檢驗(yàn)樣本容量少，誤差大等缺點(diǎn)，雷旭等提出了月徑流重構(gòu)方法克服檢驗(yàn)序列容量不足的問題。該方法具體步驟為：根據(jù)研究所分時(shí)段，將每個(gè)時(shí)段各月徑流依次逐年排列，得到重構(gòu)序列：

式中：Ri，j表示第i年第j月徑流值，其中i=1，2，3，…，n，j=1，2，3，…，12，n為每個(gè)時(shí)段水文年長(zhǎng)度。

并采用變異診斷方法檢驗(yàn)重構(gòu)序列RF，得到第一個(gè)變異點(diǎn)，提取該變異點(diǎn)后形成新的重構(gòu)序列（殘差序列）再一次進(jìn)行檢驗(yàn)得到第二個(gè)變異點(diǎn)，根據(jù)變異點(diǎn)所在序列的位置判斷是汛期的起點(diǎn)還是終點(diǎn)。若變異點(diǎn)在序列的前半部分，且變異點(diǎn)在所對(duì)應(yīng)月份樣本的前半部分則所對(duì)應(yīng)月份為汛期的起點(diǎn)，反之變異點(diǎn)在所對(duì)應(yīng)月份樣本的后半部分則所對(duì)應(yīng)月份的下一個(gè)月為汛期的起點(diǎn)；若變異點(diǎn)在序列的后半部分，且變異點(diǎn)在所對(duì)應(yīng)月份樣本的前半部分則所對(duì)應(yīng)的月份的上一個(gè)月為汛期的終點(diǎn)，反之變異點(diǎn)在所對(duì)應(yīng)月份樣本的后半部分則所對(duì)應(yīng)的月份為汛期的終點(diǎn)。

對(duì)于重構(gòu)月徑流序列變異點(diǎn)的檢驗(yàn)方法，目前已有較多研究。本文采用謝平（2009）提出的水文變異診斷系統(tǒng)［15］檢驗(yàn)月徑流重構(gòu)序列，該方法考慮了趨勢(shì)和跳躍兩種變異形式，采用多種檢驗(yàn)指標(biāo)，分為初步診斷、詳細(xì)診斷和綜合診斷三步，克服了采用單一方法時(shí)檢驗(yàn)結(jié)果可信度底，多種方法檢驗(yàn)時(shí)結(jié)果又不一致的問題。初步診斷通過3種方法（過程線法、滑動(dòng)平均法和Hurst 系數(shù)法）判斷所檢驗(yàn)水文序列是否存在變異；若初步診斷存在變異，則進(jìn)行詳細(xì)診斷，詳細(xì)診斷采用了15 種方法從不同角度分析序列是否存在跳躍變異和趨勢(shì)變異；最后對(duì)跳躍和趨勢(shì)變異進(jìn)行綜合診斷，并根據(jù)公式計(jì)算兩者的效率系數(shù)判斷變異形式。

應(yīng)用上述方法對(duì)長(zhǎng)江中下游干流宜昌-大通7 個(gè)水文站的月徑流重構(gòu)序列進(jìn)行變異分析，顯著性水平取α=0.05、β=0.01，得到各站每個(gè)時(shí)段兩個(gè)變異點(diǎn)，并計(jì)算出所對(duì)應(yīng)的月份。以離三峽水庫最近的宜昌站為例，通過變異診斷得到月徑流重構(gòu)序列變異診斷結(jié)果如表1、表2 所示。根據(jù)表1 可以看出，1961-1980年階段宜昌站徑流重構(gòu)序列在第82 個(gè)數(shù)據(jù)處發(fā)生向上跳躍強(qiáng)變異，將該數(shù)據(jù)提取后對(duì)剩下的殘差序列再次進(jìn)行變異分析，發(fā)現(xiàn)在第200個(gè)數(shù)據(jù)處仍然存在向下跳躍強(qiáng)變異；根據(jù)得到的兩個(gè)變異點(diǎn)計(jì)算出所對(duì)應(yīng)的月份為5、10月，根據(jù)兩個(gè)變異點(diǎn)將序列劃分為兩個(gè)時(shí)段，并計(jì)算出每個(gè)時(shí)段的平均徑流量，以序號(hào)82～200 之間的階段為汛期［圖2（a）］。同理其余階段也采用同樣的方法得到汛枯期分界點(diǎn)，1981-2002年階段兩個(gè)變異點(diǎn)為109（↑）、219（↓），其對(duì)應(yīng)的月份為6月、10月，即汛期為6-10月［圖2（b）］。2003-2016年階段的兩個(gè)變異點(diǎn)為54（↑）、111（↓），其對(duì)應(yīng)的月份為5月、9月，即汛期為5-9月［圖2（c）］。去掉三峽水庫調(diào)度的影響后，兩個(gè)變異點(diǎn)為57（↑）、120（↓），其對(duì)應(yīng)的月份為6月、10月，即汛期為6-10月［圖2（d）］。

圖2 宜昌站汛枯期劃分Fig.2 Division of flood and dry seasons of Yichang station from

表1 三峽水庫運(yùn)行前宜昌站年徑流序列變異診斷結(jié)果表Tab.1 The annual runoff sequence variation diagnostic results of Yichang Station before the operation of The Three Gorges Reservoir

續(xù)表1 三峽水庫運(yùn)行前宜昌站年徑流序列變異診斷結(jié)果表

表2 三峽水庫運(yùn)行后宜昌站年徑流序列變異診斷結(jié)果Tab.2 The annual runoff sequence variation diagnostic results of Yichang Station after the operation of The Three Gorges Reservoir

2.2 基于模糊統(tǒng)計(jì)法的水文分期

本文采用模糊統(tǒng)計(jì)法進(jìn)行對(duì)比分析。汛期枯期的劃分本就是一個(gè)模糊現(xiàn)象的劃分，通過把汛期枯期認(rèn)為是時(shí)間論域上的模糊集合，利用其模糊集的隸屬函數(shù)描述汛期的隸屬度，統(tǒng)計(jì)汛期的變化規(guī)律。本文取汛期流量標(biāo)準(zhǔn)QF等于所分階段各站年均流量，并以QF為標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)計(jì)所分階段得到汛期樣本區(qū)間，根據(jù)樣本區(qū)間統(tǒng)計(jì)并計(jì)算各月被覆蓋的次數(shù)和隸屬度。根據(jù)計(jì)算得到各站點(diǎn)每個(gè)月份各階段的隸屬度結(jié)果見表3 和表4。

表3 三峽水庫運(yùn)行前各水文站不同月份汛期隸屬度Tab.3 The membership degree of different months in hydrological stations before the operation of The Three Gorges Reservoir

表4 三峽水庫運(yùn)行后各水文站不同月份汛期隸屬度Tab.4 The membership degree of different months in hydrological stations before the after the operation of The Three Gorges Reservoir

本文選取隸屬度小于0.2、小于0.3 的月份為枯期，其余月份則為汛期。對(duì)長(zhǎng)江中下游干流7個(gè)水文站各階段每個(gè)月份的隸屬度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析得到汛期起止月份。通過變異分析方法和模糊統(tǒng)計(jì)法得到的汛期起止月份如表5所示。

2.3 統(tǒng)計(jì)結(jié)果對(duì)比分析

根據(jù)表5，三峽工程蓄水前階段兩種方法計(jì)算結(jié)果差別較小，1961-1980年階段，變異方法結(jié)果表明各站汛期為5-10月，模糊方法取隸屬度＜0.2 時(shí)，除螺山和大通水文站外，其余各站也認(rèn)為汛期為5-10月，取隸屬度＜0.3 時(shí)，除沙市站外的其余各站汛期為5-10月。1981-2002年階段，兩種方法均表明宜昌至大通段上下游汛期起止月份不一樣，變異方法和模糊方法（隸屬度＜0.3）認(rèn)為宜昌、枝城、沙市和監(jiān)利4個(gè)站汛期為6-10月，而螺山、漢口和大通站汛期為5-10月，存在下游汛期比上游提前一個(gè)月的規(guī)律；模糊方法（隸屬度＜0.2）除宜昌站外，其余各站也表現(xiàn)出同樣的規(guī)律。

表5 兩種方法汛期起止月份統(tǒng)計(jì)結(jié)果對(duì)比表Tab.5 Comparison of statistical results of two methods on the start and end of flood season

此外，兩種方法得出的結(jié)果也存在一定差異性，主要表現(xiàn)在三峽工程建設(shè)完成后的時(shí)段7 個(gè)水文站結(jié)果均有差異，模糊統(tǒng)計(jì)法在兩種隸屬度下各站汛期均為5-10月，變異方法顯示除枝城外的其余水文站汛期為5-9月，表現(xiàn)出比模糊方法得到的汛期終止月份均滯后一個(gè)月的特點(diǎn)，而枝城站表現(xiàn)出汛期起始月份滯后1 個(gè)月，終止月份提前1 個(gè)月的情況。但是在去除由于三峽水庫削峰補(bǔ)枯調(diào)度而影響水庫下游徑流過程后，變異方法除螺山、漢口水文站沒有明顯變化外，其余水文站得到的汛期與1981-2002年階段的結(jié)果一致；而模糊方法也表現(xiàn)出與1981-2002年時(shí)段相似的規(guī)律，取隸屬度＜0.2 時(shí)，枝城站汛期起始月份比該時(shí)段提前一個(gè)月，取隸屬度＜0.3 時(shí)，宜昌站汛期起始月份比該時(shí)段提前一個(gè)月，其余水文站的結(jié)果均與1981-2002年相同。

根據(jù)以上分析，三峽水庫蓄水前，兩種方法得到的汛枯期分期時(shí)間基本一致，當(dāng)模糊統(tǒng)計(jì)法隸屬度＜0.3 時(shí)，兩種方法所得結(jié)果相似度為92%，隸屬度＜0.2時(shí)，相似度也達(dá)到了77%。說明了變異分析方法的可行性，但是模糊統(tǒng)計(jì)法存在主觀性，根據(jù)隸屬度取值的不同統(tǒng)計(jì)結(jié)果也會(huì)存在差異。三峽水庫蓄水后，兩種方法結(jié)果不一致，但是在排除因水庫削峰補(bǔ)枯的影響后，兩種方法結(jié)果差異性較小。

綜合兩種方法可以確定在1961-1980年階段長(zhǎng)江中下游干流7個(gè)水文站汛期為5-10月；1981-2002年階段，宜昌、枝城、沙市和監(jiān)利站的汛期為6-10月，而螺山、漢口和大通站的汛期為5-10月；三峽水庫蓄水后，變異分析方法結(jié)果認(rèn)為各水文站汛期為5-9月，而模糊統(tǒng)計(jì)方法結(jié)果為5-10月。根據(jù)水文分期結(jié)果，統(tǒng)計(jì)蓄水前后5月（消落期）和10月（蓄水期）徑流變化情況，進(jìn)一步分析三峽水庫運(yùn)用對(duì)下游河段汛枯期變化的影響。

以宜昌站為例，宜昌站5月徑流量系列基本在多年平均徑流量11 832 m3/s 上下波動(dòng)，并無明顯減小或增大趨勢(shì)（圖3），三峽水庫蓄水后5月徑流量增加了671 m3/s，而三峽水庫5月（消落期）增加的下泄流量為858 m3/s，其對(duì)流量變化的貢獻(xiàn)率為82.14%（表6），說明5月流量的增加主要是受三峽水庫的影響。三峽水庫運(yùn)用后宜昌站10月徑流量系列明顯減?。▓D3），本文所研究的其他水文站也均為減小趨勢(shì)，且減小幅度超過了24%，而10月徑流量的減少會(huì)對(duì)長(zhǎng)江中下游及通江湖泊造成顯著影響，使河流提前進(jìn)入枯水期。三峽蓄水后宜昌站10月徑流量比1961-2002年階段10月平均徑流量減少了6 136 m3/s，減小幅度達(dá)到了33.66%，三峽水庫10月蓄水影響的貢獻(xiàn)率為47.67%（表6），宜昌站、枝城站徑流量的減少會(huì)直接影響荊江三口分流，減小洞庭湖來水量，影響湖泊生態(tài)環(huán)境。大通站10月徑流量減少了8 037 m3/s，減小幅度為24.14%，同時(shí)在天文大潮的影響下使大通站以下河段鹽水入侵現(xiàn)象嚴(yán)重，對(duì)河口河段生產(chǎn)生活取水等造成顯著影響。

圖3 宜昌站5月和10月徑流量變化Fig.3 Runoff variation of Yichang station in May and October

表6 蓄水前后各站5月和10月月均徑流變化 m3/sTab.6 Monthly average runoff change of each station in May and October before and after impoundment

有研究［23］預(yù)測(cè)，到2030年所有規(guī)劃大壩建成后，宜昌站10月徑流量將比1990年以前減少56.5%。10月徑流量減小幅度遠(yuǎn)大于9月（圖4），到三峽蓄水后平均徑流量比5月還少239 m3/s，所以變異分析法認(rèn)為三峽蓄水后汛期為5-9月，但是10月徑流總量相比于1月、2月仍然較大，模糊統(tǒng)計(jì)法將10月還是隸屬于汛期。

圖4 不同時(shí)段宜昌站各月徑流量變化Fig.4 Monthly runoff variation of Yichang station in different periods

三峽（正常運(yùn)行）-葛洲壩水利樞紐梯級(jí)調(diào)度規(guī)程（2019年修訂版）規(guī)定［15］5月底為汛前消落期，蓄水后階段5月平均增泄流量為858 m3/s，有效抑制了近年來上游來水減小對(duì)水庫下游的影響；汛末蓄水期不早于9月10日，蓄水后階段因三峽水庫蓄水而減小的平均下泄流量為2 925 m3/s，這是10月徑流量減小的主要原因，其次與蓄水后長(zhǎng)江上游來水量趨于減小也有關(guān)。實(shí)際上長(zhǎng)江中下游徑流減小并不只有10月，如宜昌站的8-9月月均徑流量減小也非常顯著，這與三峽水庫實(shí)行中小洪水調(diào)度和近年來沒有發(fā)生特大洪水有關(guān)。

根據(jù)統(tǒng)計(jì)的蓄水前后7 個(gè)水文站5、10月流量變化和三峽水庫消落期增泄流量、蓄水期攔截部分流量對(duì)流量變化的貢獻(xiàn)率結(jié)果，發(fā)現(xiàn)三峽水庫對(duì)宜昌至城陵磯河段流量變化的貢獻(xiàn)率大于城陵磯至大通河段，主要是下游河段除了受三峽水庫調(diào)度的影響外，還受到通江湖泊分匯流和支流入?yún)R的影響。

3 結(jié) 論

（1）天然徑流情況下（1961-1980年），變點(diǎn)分析方法和模糊統(tǒng)計(jì)法結(jié)果均表明長(zhǎng)江中下游干流7個(gè)水文站汛期起止時(shí)間為5-10月。1981-2002年階段，宜昌至城陵磯河段汛期起止時(shí)間為6-10月，城陵磯至大通河段為5-10月，差異性表現(xiàn)在下游河段汛期起始月份比上游河段提前一個(gè)月。

（2）三峽水庫蓄水后，受水庫調(diào)度的影響，兩種方法結(jié)果存在較大差異，變點(diǎn)分析方法表明宜昌至大通汛期為5-9月，模糊統(tǒng)計(jì)方法為5-10月，在去除三峽水庫入庫出庫流量差異后，兩種方法結(jié)果顯示與1981-2002年階段汛期起止時(shí)間相同，即宜昌至城陵磯河段汛期起止時(shí)間為6-10月，城陵磯至大通河段為5-10月。

（3）三峽水庫的運(yùn)用是水庫下游汛枯期起止時(shí)間變化的主要原因。三峽水庫的運(yùn)用對(duì)水庫下游5、10月徑流量變化的影響較大，進(jìn)而影響汛、枯期分期規(guī)律，且對(duì)宜昌至城陵磯河段流量變化的貢獻(xiàn)率大于城陵磯至大通河段。