尹思危,胡慧靈,王躍峰,2*,雷超桂

(1 重慶師范大學(xué)地理與旅游學(xué)院,重慶 401331;2 三峽庫(kù)區(qū)地表過(guò)程與環(huán)境遙感重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶 401331)

徑流是水循環(huán)的重要環(huán)節(jié),其變化對(duì)流域水資源開(kāi)發(fā)利用意義重大[1]。近年來(lái),全球眾多流域的徑流和水文情勢(shì)發(fā)生改變,甚至引發(fā)洪旱災(zāi)害、水環(huán)境惡化等問(wèn)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(guò)改變降水和氣溫等影響流域徑流,城市化則主要通過(guò)改變土地利用影響水文過(guò)程,而水利工程則多通過(guò)修建水庫(kù)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(nèi)的自然狀態(tài),其對(duì)水文過(guò)程的影響也是最直接的[10-11]。

三峽水庫(kù)在改善長(zhǎng)江流域防洪、發(fā)電和航運(yùn)的同時(shí),也對(duì)流域水文過(guò)程產(chǎn)生深刻影響,并形成三峽庫(kù)區(qū)這一特殊的地理單元[12-14]。目前,學(xué)者們圍繞三峽工程引發(fā)的水文變化進(jìn)行了大量探討,根據(jù)研究方法和研究途徑大致分3個(gè)方面。首先是水文資料的統(tǒng)計(jì)分析方面,一般基于水文統(tǒng)計(jì)年鑒,獲取流域徑流、氣象和泥沙等數(shù)據(jù),對(duì)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(kù)運(yùn)行后,泥沙和徑流量均有不同程度下降;李崢嶸等[16]分析發(fā)現(xiàn),三峽水庫(kù)運(yùn)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(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)與分析方面,一般通過(guò)對(duì)不同時(shí)空分辨率徑流、水位和流速等數(shù)據(jù)的觀測(cè),來(lái)分析三峽水庫(kù)蓄水對(duì)庫(kù)區(qū)水文水動(dòng)力特征的影響。例如,周建軍等[17]研究發(fā)現(xiàn),長(zhǎng)江干流受水利水電工程影響,河川徑流減少且對(duì)生態(tài)環(huán)境造成影響;鄒敏等[18]也指出,大壩蓄水前后對(duì)萬(wàn)縣水文參數(shù)影響較大,泥沙數(shù)據(jù)在蓄水完畢后減少明顯。最后是基于水文水動(dòng)力學(xué)方法的模擬分析,一般從三峽水庫(kù)運(yùn)行實(shí)際出發(fā),構(gòu)建出庫(kù)區(qū)水文水動(dòng)力學(xué)模擬模型,分析不同蓄水情景的徑流效應(yīng),并提出洪旱防控的對(duì)策建議。例如,肖揚(yáng)帆等[19]利用MIKE11模型明晰了三峽庫(kù)區(qū)洪水傳播規(guī)律;Zhao等[20]利用多種模型肯定了三峽大壩運(yùn)行對(duì)防洪和地方開(kāi)發(fā)的有效性,并為其他流域提供研究方案。

綜合來(lái)看,現(xiàn)有研究多聚焦三峽水庫(kù)蓄水對(duì)長(zhǎng)江干流的水文影響,較少關(guān)注蓄水影響下庫(kù)區(qū)內(nèi)小流域的水文變化,而庫(kù)區(qū)擁有眾多支流,其徑流變化關(guān)乎長(zhǎng)江流域水資源開(kāi)發(fā)利用和生態(tài)屏障建設(shè),因此蓄水影響下的庫(kù)區(qū)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(kù)區(qū)中下游地區(qū),庫(kù)區(qū)季節(jié)性蓄水影響其水文過(guò)程,且3個(gè)小流域流域面積大致相當(dāng),均沿長(zhǎng)江依次分布并分居南北兩岸。通過(guò)3個(gè)小流域的對(duì)比分析,一方面能揭示蓄水影響下水文情勢(shì)變化,還能在一定程度上探討不同小流域水文情勢(shì)的時(shí)空差異性?；诖?本文選取大寧河、澎溪河以及磨刀溪3個(gè)流域?yàn)檠芯繀^(qū)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(guān)分析等方法,分析小流域徑流變化情勢(shì)并揭示驅(qū)動(dòng)因素,進(jìn)而為三峽庫(kù)區(qū)水資源管理和生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

三峽庫(kù)區(qū)水系發(fā)達(dá)、小流域眾多,面積超過(guò)100 km2的小流域有43個(gè),是長(zhǎng)江流域重要的淡水資源儲(chǔ)備庫(kù)[21]。本文選取了靠近庫(kù)區(qū)尾部的大寧河、澎溪河和磨刀溪3個(gè)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(gè)小流域均屬于亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)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(gè)小流域的地理位置面積、河長(zhǎng)及控制水文站等信息見(jiàn)表1。

表1 三峽庫(kù)區(qū)小流域的水文概況

圖1 研究區(qū)概況

自1992年通過(guò)三峽大壩建設(shè)決議后,先后歷經(jīng)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(yùn)行,該蓄水高度沿用至今,庫(kù)區(qū)回水作用顯著增強(qiáng),對(duì)小流域的水文過(guò)程影響也日益凸顯[22-23]。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

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

1.3 研究方法

1.3.1Mann-Kendall非參數(shù)檢驗(yàn)法

在Mann-Kendall(MK)檢驗(yàn)中,原假設(shè)H0為時(shí)間序列數(shù)據(jù)(x1,…,xn),是n個(gè)獨(dú)立的、隨機(jī)變量同分布的樣本。假設(shè)H1是雙邊檢驗(yàn),對(duì)于所有的k,j≤n,且k≠j,xk和xj的分布是不同的,檢驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)變量S計(jì)算為式(1)、(2):

(1)

(2)

S為正態(tài)分布,其均值為 0,方差Var(S)=n(n-1)(2n+5)/18。當(dāng)n>10 時(shí),標(biāo)準(zhǔn)的正態(tài)統(tǒng)計(jì)變量通過(guò)式(3)計(jì)算:

(3)

在雙邊的趨勢(shì)檢驗(yàn)中,在給定的α置信水平上,如果|Z|≥Z1-α/2,則原假設(shè)是不可接受的,即在α置信水平上,時(shí)間序列數(shù)據(jù)存在明顯的上升或下降趨勢(shì)。對(duì)于統(tǒng)計(jì)變量Z,大于0 時(shí),是上升趨勢(shì);小于0 時(shí),則是下降趨勢(shì)。Z的絕對(duì)值大于等于 1.64、1.96 時(shí),分別表示通過(guò)了信度 0.10、0.05 的顯著性檢驗(yàn)。

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(lái)反映徑流的年內(nèi)分配特征[24]。在計(jì)算時(shí),將每個(gè)月的徑流量作為向量,月徑流量的大小為向量的長(zhǎng)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(gè)月的徑流量分解成x和y兩個(gè)方向上的分量,x和y方向上的向量合成見(jiàn)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(yīng),也就是向量合成后重心所指示的角度。

2 結(jié)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(gè)小流域2003—2017年的年均徑流線性趨勢(shì)和MK檢驗(yàn)結(jié)果,各小流域年均徑流的年際波動(dòng)較為接近,2003—2006年呈明顯下降,2007—2011年呈平穩(wěn)波動(dòng)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(lái)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(xiàn)于2017年,分別為96.61、52.64、49.16 m3/s,而最小值出現(xiàn)年份不一致,大寧河和澎溪河流域出現(xiàn)于2006年,分別為34.36、23.89 m3/s,而磨刀溪出現(xiàn)于2010年,為24.25 m3/s。從多年趨勢(shì)來(lái)看,大寧河和澎溪河流域均為下降趨勢(shì),其線性趨勢(shì)分別為-0.70、-0.31 m3/(s·a),而磨刀溪流域則呈上升趨勢(shì)(斜率為0.26 m3/(s·a))。從MK趨勢(shì)檢驗(yàn)來(lái)看,3個(gè)小流域年均徑流趨勢(shì)均不顯著。

圖2 2003—2017年三峽庫(kù)區(qū)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(gè)小流域的徑流年內(nèi)分布不均,徑流高值主要出現(xiàn)在5—9月,徑流低值出現(xiàn)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?jiǎng)t位于6月。表2為3個(gè)小流域2003—2017年月均徑流變化趨勢(shì)結(jié)果,大寧河流域在1—8月的徑流均呈下降趨勢(shì),其中汛期下降最明顯,其余月份為上升趨勢(shì),其中7月徑流趨勢(shì)最強(qiáng),為-7.97 m3/(s·a),從MK檢驗(yàn)來(lái)看, 7月徑流下降趨勢(shì)達(dá)到0.1顯著性;澎溪河流域的月徑流趨勢(shì)與大寧河類似,主要表現(xiàn)為汛期下降,7月徑流下降趨勢(shì)顯著且最大(斜率為-4.09 m3/(s·a));而磨刀溪流域多數(shù)月份的徑流表現(xiàn)為上升趨勢(shì),僅5、8和12月為下降,其中2、12月徑流趨勢(shì)達(dá)到0.1的顯著性。

表2 2003—2017年三峽庫(kù)區(qū)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(gè)小流域2003—2017年徑流極值變化過(guò)程。從圖4a來(lái)看,大寧河和澎溪河流域的徑流極大值呈下降趨勢(shì),而磨刀溪流域呈上升趨勢(shì),但趨勢(shì)變化均未達(dá)到顯著性。3個(gè)小流域徑流最大值出現(xiàn)時(shí)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(gè)小流域徑流極小值均呈下降趨勢(shì),但趨勢(shì)值較小且不顯著,徑流最小值分別出現(xiàn)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(gè)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(kù)區(qū)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(nèi)分配的離散情況,圖5統(tǒng)計(jì)了3個(gè)小流域2003—2017年徑流集中度變化過(guò)程。3個(gè)小流域集中度均呈現(xiàn)下降趨勢(shì),從下降趨勢(shì)值來(lái)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(shì)較小(斜率為-0.001 9),但其MK檢驗(yàn)均未超過(guò)顯著性,這說(shuō)明在降水和大壩蓄水的影響下,3個(gè)小流域的年內(nèi)分配趨于均衡。此外,從2003—2017年3個(gè)小流域的徑流集中度變化過(guò)程來(lái)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(gè)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(guī)律性調(diào)節(jié)有關(guān)。

圖5 2003—2017年三峽庫(kù)區(qū)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(xiàn)時(shí)間,從圖6來(lái)看,2003—2017年的3個(gè)小流域徑流集中期主要出現(xiàn)于6—8月份,最小值均出現(xiàn)在2006年,而最大值出現(xiàn)年份不一致。2003—2017年的徑流集中期均呈上升趨勢(shì),大寧河流域趨勢(shì)最大(斜率為0.04),磨刀溪流域次之(斜率為0.03),這表明3個(gè)小流域的徑流最大值出現(xiàn)時(shí)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?yōu)?009年之后的多次出現(xiàn)在8月之后,類似的現(xiàn)象也出現(xiàn)在其余2個(gè)小流域。

圖6 2003—2017年三峽庫(kù)區(qū)小流域的徑流集中期變化

2.3 徑流變化情勢(shì)的影響因素分析

2.3.1降水因素

作為主要補(bǔ)給,降水強(qiáng)度及時(shí)空分布對(duì)流域徑流變化有直接影響。運(yùn)用Pearson法對(duì)3個(gè)小流域的降水徑流進(jìn)行相關(guān)性分析。從圖7來(lái)看,3個(gè)小流域的徑流降水量均呈正相關(guān),大寧河、澎溪河和磨刀溪流域的相關(guān)性系數(shù)分別為0.848、0.877、0.825,均超過(guò)0.01顯著性。由此可來(lái)看,降水依然是庫(kù)區(qū)3個(gè)小流域徑流變化的主要因素。

a)大寧河

此外,對(duì)比分析了2003—2017年3個(gè)小流域的月降水和徑流變化趨勢(shì)(圖8)。從圖8來(lái)看,各小流域存在月徑流和降水變化趨勢(shì)不一致(正負(fù)異號(hào))的情況,其中冬季(12、1、2月)頻次最高;經(jīng)計(jì)算,大寧河、澎溪河和磨刀溪流域月徑流和降水趨勢(shì)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(shì)變化中有所體現(xiàn),2003—2017年大寧河流域的降水多年趨勢(shì)為3.85 mm/a,而該流域的年徑流趨勢(shì)為-0.70 m3/(s·a)。與此同時(shí),對(duì)比其MK檢驗(yàn)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(xiàn)出月降水或徑流的趨勢(shì)顯著,而另一方趨勢(shì)不顯著的現(xiàn)象(圖8)。綜合來(lái)看,各小流域年內(nèi)和年際的降水-徑流變化趨勢(shì)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(shì)

2.3.2人類活動(dòng)因素

結(jié)合三峽工程建設(shè)及其周期性蓄水進(jìn)程,以全面實(shí)施175 m蓄水年份(2009年)為界將研究時(shí)段(2003—2017年)劃分為2003—2008、2009—2017年兩段,來(lái)探究周期性蓄水對(duì)庫(kù)區(qū)小流域徑流變化的影響。圖9為兩時(shí)段3個(gè)小流域的月均徑流分布,對(duì)比來(lái)看,大寧河和澎溪河蓄水后徑流量年內(nèi)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(nèi)變化增加了18%。總體上來(lái)看,2009—2017年流域月徑流量更加平緩。

a)大寧河

圖10對(duì)蓄水前后降水-徑流相關(guān)關(guān)系進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析。蓄水前后,3個(gè)小流域的降水-徑流相關(guān)性均出現(xiàn)一定程度下降,大寧河、澎溪河和磨刀溪流域的相關(guān)系數(shù)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(guān)性質(zhì)也發(fā)生變化(表3),3個(gè)小流域的降水-徑流極大值相關(guān)性出現(xiàn)不同程度下降,3個(gè)小流域分別下降了3%、12%、8%。綜上所述,周期性蓄水以來(lái),庫(kù)區(qū)小流域的徑流受降水的影響正在逐漸下降,同時(shí)三峽大壩的運(yùn)行一定程度削減了庫(kù)區(qū)小流域的徑流洪峰,對(duì)庫(kù)區(qū)流域防洪起到積極作用[25-26]。

表3 蓄水前后三峽庫(kù)區(qū)小流域的降水-徑流極大值相關(guān)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(lái)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(shí),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(jié)合降水變化來(lái)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(kù)區(qū)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(kāi)始175 m試驗(yàn)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(gè)時(shí)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(nèi)分配比降水年內(nèi)分配均勻。這說(shuō)明流域徑流除了受到降水的直接影響外,三峽庫(kù)區(qū)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(shè)及其運(yùn)行引發(fā)的庫(kù)區(qū)小流域水文過(guò)程變化。總體來(lái)看,蓄水之后庫(kù)區(qū)小流域的年際、年內(nèi)和極值徑流均有所下降,多個(gè)尺度(年際和極值)的降水-徑流相關(guān)系數(shù)有下降趨勢(shì),徑流的集中度和集中期下降程度明顯超過(guò)降水,降水-徑流關(guān)系趨于復(fù)雜化。在以往研究中,主要注重蓄水前后對(duì)庫(kù)區(qū)下游流域徑流變化產(chǎn)生的影響[12,27]。而本文研究從大壩上游出發(fā),可以看出三峽水庫(kù)對(duì)庫(kù)區(qū)上游小流域的影響也發(fā)揮著不可或缺的作用。舒衛(wèi)民等[28]和岳遙等[29]的研究也證實(shí)了蓄水后三峽庫(kù)區(qū)流域徑流年內(nèi)分配趨向均勻。

3 結(jié)論

本文利用Mann-Kendall趨勢(shì)分析、集中度和集中期等方法,對(duì)大寧河、澎溪河和磨刀溪各站點(diǎn)2003—2017年降水量和徑流量進(jìn)行計(jì)算分析,分析3個(gè)小流域在三峽庫(kù)區(qū)蓄水前后的徑流變化情勢(shì),具體結(jié)論如下。

a)徑流量變化。2003—2017年,三峽庫(kù)區(qū)3個(gè)小流域年徑流量主要呈不顯著下降趨勢(shì);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(shì),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(shì),極小值變化不明顯。

b)徑流離散程度。2003—2017年,庫(kù)區(qū)3個(gè)小流域的徑流集中度均呈下降趨勢(shì),徑流年內(nèi)分配趨向均勻,而徑流集中期有所增大,徑流極值出現(xiàn)時(shí)間延后。

c)175 m蓄水以來(lái),庫(kù)區(qū)小流域的月徑流量趨于平緩,降水-徑流相關(guān)性下降;徑流集中度和集中期的變幅大于降水。