韩剑桥;孙昭华;杨云平
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【摘 要】流域大型水库蓄水后,坝下游河道调整过程中的洪、枯水位变化,对下游水安全、水生态和水资源利用影响甚大.利用19552012年长江中游各水文站水位、流量等资料,采用改进的时间序列分析方法,对三峡水库运行前后长江中游洪、枯水位变化特征进行了研究,结果表明:三峡水库蓄水前长江中游洪、枯水位变化的周期长度分别为9～14、11～15a,在假设三峡水库运行后水位无趋势性变化的前提下,估算得到的水位变化周期长度基本在20a以上,蓄水前的自然周期性已被打破,枯水位发生趋势性下降且无复归迹象,而洪水位波动周期虽有所延长,但上升幅度未超过历史波动变幅,仅可确定洪水位没有明显的下降趋势.三峡水库蓄水后坝下游长距离冲刷,枯水河槽冲刷量占平滩河槽的比例逐年增加,累计至2013年已达91.5％,是枯水位下降的主控因素.河槽冲刷导致的床沙粗化增加了河道床面阻力,高程在平滩水位附近的滩体上覆盖的大量植被增加了水流流动阻力,同时大量航道整治、护岸、码头等工程主体部分布设在枯水位以上,综合因素作用使得洪水河槽阻力增加.三峡水库蓄水后,虽然枯水期流量补偿作用显著削弱了枯水位下降的效应,但枯水位下降事实已经形成,不利于航道水深的提高及通Snaglt
江湖泊枯水期的水量存蓄,洪水位未明显下降,同级流量下的江湖槽蓄量不会明显调整.%The flood and low stage adjustments in downstream reach of reservoir projects have an important effect on water security,water ecology and water resource utilization.The variation features of the water stages are studied in the middle Yangtze River after impoundment of the TGR,based on the hydrological data via one improved method of the time series analysis.The results and conclusions are as follows: The low water stage exhibited a decreasing trend due to its periodic time increased from 9-14 years to more than 20 years,while the flood stage had no decreasing trend because its change amplitude was less than the max value in history.The main reason for low stage decline is that the erosion amounts in low flow channel increased year by year,when its proportion accounted for the proportion of bank-full channel even reached at 91.5％ in 2013.The river resistance has led to flood stage rising which increased by sand coarsening,vegetation coverage in beach above bank-full stage,and other projects such as navigation regulation,revetment,and wharf etc.Change in the water stages is harmful to the improvement of channel depth and the water storage in the reservoir,although the fl
ow discharge compensation of reservoir improves the low flow stage.The water-storage capacities of lakes have no change because the flood stage is not significantly decreased.
【期刊名称】《湖泊科学》
【年(卷),期】2017(029)005
【总页数】10页(P1217-1226)
【关键词】三峡水库;水位变化;时间序列分析方法;防洪效益;长江中游
【作 者】韩剑桥;孙昭华;杨云平
【作者单位】西北农林科技大学,杨凌 712100;武汉大学水资源与水电工程国家重点实验室,武汉 430072;武汉大学水资源与水电工程国家重点实验室,武汉 430072;交通运输部天津水运工程科学研究院,天津 300456
大望路中学【正文语种】中 文
流域大型水库蓄水后，蓄洪补枯作用改变了水库下游的流量过程，在清水下泄导致的冲刷过程叠加作用下，河道滩槽冲刷不均，洪水位和枯水位可能出现阶段性或趋势性的变化[1-2]. 尼罗河阿斯旺大坝修建后，坝下游河床平均下切0.45 m，水位下降0.8 m，水面比降减小[3]；科罗拉多河哥伦峡大坝、密苏里河福特佩克大坝等水坝的下游河道也出现了水位下降，水流纵比降变缓的现象[4-5]；中国汉江丹江口水库修建后，下游黄家港、襄阳水文站流量小于5000 m3/s时，水位下降1.5～1.7 m，流量大于10000 m3/s时，水位无明显降低趋势[6]；美国密苏里河建库后，在枯水位下降超过2.5 m的同时，坝下游堪萨斯城洪水位抬高近1 m[7]. 综上，水库下游河道枯水位下降，而洪水位降幅相对较小甚至有所抬升的水位变化特点，在国内外多条河流上得到了证实. 枯水位下降与河床下切幅度的大小关系，决定着航道条件的优劣[8]，也控制着枯水期通江湖泊出口的侵蚀基准面，洪水位变化则是防洪[9-10]、江湖关系调整[11]等更为关注的内容，因此开展水库下游洪、枯水位变化的研究具有重要意义.长沙市基础教育管理平台
三峡水库是世界上规模最大的水利枢纽，在其下游的水沙输移、河床调整、床沙粗化等方面，国内外学者进行了大量研究. 针对枯水位变化，三峡水库蓄水前众多研究单位预测成果一致认为长江中游枯水位将大幅下降，水库蓄水后，航道治理研究人员考虑水库不同运行
阶段对枯水流量的补偿作用，对枯水位与航道水深的关系开展了大量研究[12-13]. 但对于洪水位的变化，则一直都存在争议，部分研究[14-15]认为洪水位将会下降，由此增加的防洪效益巨大，另外一部分研究[16]则认为洪水位变幅不大，防洪效益有限. 三峡水库蓄水后原型观测资料显示，虽然各站最低水位明显升高，但长江中游同流量下枯水位下降比较明显，与预测结果基本一致[17]，最高水位有所降低，但同流量下洪水位并未明显下降. 三峡水库运行后坝下游的同流量下洪水位是否存在下降趋势，即使结合蓄水后观测资料也难以做出判断，其主要原因有两个：一方面是由于年内水位流量关系的不恒定性，即使采用校正因素法、落差指数拟合法等单值化处理方法也难以形成稳定的水位流量关系曲线，并且以此为据生成的水位时间序列难以具有统一的误差标准[18]；另一方面，年际之间水位波动性强，同流量下水位在大水年抬升、小水年回落等非工程因素影响下的波动特性在天然情况下也普遍存在[19-20]，三峡水库蓄水后的短期时间内，水位变化是趋势性调整，还是正常的周期性波动，很难在水位时间序列中加以识别.
鉴于以上问题，本文利用长江中游各水文站1955-2012年水位、流量等资料，采用改进的时间序列分析方法以分离提取水位变化的周期性、趋势性、随机性特征，由此判断水位是否发生趋势性调整；结合河床形态、床面阻力、水流阻力及重点人类活动等要素，分析长
江中游洪、枯水位变化的成因，并探讨水位变化对通江湖泊出流、航道条件等的影响.
长江中游自宜昌至湖口约955 km，其中宜昌至枝城河段长61 km，是山区河流向平原河流的过渡河段，河床为卵石夹砂组成；枝城至城陵矶河段习称荆江，南岸自上而下分别有松滋、太平、藕池“三口”分流入洞庭湖，集纳湘、资、沅、醴“四水”的洞庭湖出流在城陵矶附近汇入长江干流[17]. 城陵矶至湖口河段河床组成为细砂及极细砂，其间有汉江、鄱阳湖水系分别在汉口、湖口入汇(图1).体外冲击波碎石
长江中游一直是水利、航道部门治理、开发的重点河段，自1950s以来，以稳定河道、开发河流资源为目的，修建了众多水库，实施了堤防加固、护岸工程、航道整治、岸线利用等工程. 大型人类活动有：1968-1972年下荆江实施的系统裁弯工程，主要对中洲子、上车湾河段进行了人工裁弯，沙滩子河段发生自然裁弯；1981年建成的葛洲坝水利枢纽工程，导致坝下游河道发生冲刷[6]；2003年6月三峡水利枢纽蓄水运用，在蓄水初期坝前蓄水位为135 m，在2006年汛末实现了156 m蓄水，在2008年汛末蓄水水位达到172.8 m，2009年以后为175 m正常蓄水位，水库运行以来削减来沙量达80%以上[17].
2.1 数据来源
收集了宜昌、枝城、沙市、螺山、汉口站的水位、流量资料，时段为1955-2012年，跨度为58 a. 其中沙市站1991年建站，之前仅测验水位，下游65 km处设有新厂站，两站之间无分汇流，因此1991年之前沙市站流量资料直接引用新厂站实测数据补齐. 监利站受洞庭湖出流随机成分的影响，水位-流量关系散乱[17]，本文暂不涉及其水位变化. 数据来自于长江水利委员会水文局，高程基准均为黄海高程.
2.2 研究方法
2.2.1 水位趋势性调整判别指标的选取 对水位趋势性的判别，一般是从水位时间序列中提取趋势成分进行研究，但蓄水后周期成分与趋势成分可能相互掺杂，在2003年至今短时间尺度上难以分离. 由于趋势成分可以看作是周期长度比实测序列长得多的长周期成分，如存在趋势性变化，掺杂趋势成分的时间序列周期时间必然延长[21]，因此本文采用比较三峡工程影响前后水位变化周期特征的方法，以此判断蓄水后水位是否发生趋势性调整. 其具体过程是基于反证法的思路：首先从水位数据中识别出历史水位波动特征，包括周期、振幅等；其次，假设三峡水库蓄水对长江中游水位无趋势性影响，即水库蓄水前后长江中游水位一直处于同种变化状态，由此得到最近一个周期的变化特征；最后，将最近一个变化周
期与历史周期的特征值进行比较，若二者差异巨大，则说明假设不成立，即水库蓄水前水位变化的历史规律已被打破. 其判别指标如下：
式中，SP为三峡水库蓄水后的水位周期，SN为三峡水库蓄水前的水位周期.
从三峡水库蓄水前、后水位周期波动特性的差别来考察水位变化特点，需首先生成水位时间序列、消除水位时间序列中重要人类活动引起的趋势成分，进而滤除随机成分，提取周期性特征进行对比分析.rs690
2.2.2 水位时间序列的生成方法 选取连续的3日水位和流量数据取平均值，以消除水流涨落、测量等水位流量关系不恒定引起的随机误差. 针对水位-流量关系误差在时间序列上的不一致问题，将多年水位-流量关系做二次多项式回归曲线，以同一特征流量下，特定年份水位相对多年平均回归曲线的残差平均值形成水文残差时间序列来反映水位的时间变化特点，残差平均值计算依据公式(2)，水位残差时间序列可描述为公式(3)[22]：
式中，分别为每组水位、流量数据的残差、实测值和回归曲线预测值；分别为特定年份n的残差平均值与该年份中第j组水位流量数据残差；M为年份n内的实测点个数；N为时间序列长度.
考虑到特定特征流量所对应的水位、流量数据点相对较少，因此将确定水位的特征流量扩展为以特征流量为中心，特征流量±5%范围的流量区间，5%的数值为随机选取. 对于少数在特征流量区间内无流量数据的年份，水位残差依据前后年份数据线性插值取得. 特征流量的选取既要反映出洪、枯水位特性，又要保证较长时期的一致性，结合实测资料分析，宜昌、枝城、沙市、螺山、汉口水文站的枯水特征流量分别取6000、6000、6000、7500和12000 m3/s，接近多年平均流量的一半，水流未充满河槽，洪水特征流量分别取40000、40000、35000、40000和40000 m3/s，水流淹没河漫滩，可反映出洪水特性.
2.2.3 基于人类活动的水位残差时间序列趋势性成分消除方法 研究河段内曾发生过多次影响重大的人类活动，所以采用传统水文时间序列趋势线消除趋势性成分的方法并不适用. 本文采用按人类活动年代为分界分时段取波动中心值计算距平的方法，将趋势性成分滤除. 其中距平是指原始信号与平均值(波动中心)的差值，更易凸显时间序列中的实际波动特性. 根据工程强度的影响，以下荆江裁弯、葛洲坝水利工程运用、三峡水库运用为界分为4个时段，其中葛洲坝水利工程运用后的阶段3与阶段4统一计算波动中心线数值.
2.2.4 随机成分滤除与周期性特征提取方法 对于水位时间序列中随机成分的滤除问题，主
要应用小波分析方法. 基于人类活动的水位残差距平时间序列消除高频成分后的低频成分即为水位残差序列的周期波动成分. 采用Mallat快速算法，小波函数采用Daubecheis 4正交小波，小波母函数ψ(t)时间序列f(kΔt)(k=1、2、…、N)的离散小波的基本计算公式为：
式中，a为尺度因子，反映小波的周期长度；b为时间因子，反映时间上的平移；Δt为取样时间间隔；是ψ(t)的复共轭函数；Wf(a，b)称小波(变换)系数.
周期性特征以周期长度来衡量. 蓄水前周期长度的统计以两个波峰之间的时距为准，并将各个周期长度算术平均值作为平均周期长度，蓄水后没有完整周期，且大多数站点水位残差在蓄水后处于单向变化状态，因此可将其考虑为1/2周期，进而推算整个周期时间，需要说明的是当前水位波动并未完成1/2个周期，以此推算的周期长度只是为了对比蓄水前后的变化，不能用以估算调整达到新平衡点的时间.
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