长江水利委员会水文局，湖北 武汉

收稿日期：2022年4月27日；录用日期：2022年6月7日；发布日期：2022年6月29日

摘要

金沙江中下游干流、支流雅砻江梯级水电站相继建成运行，使得进入金沙江下游水沙特性出现了一些新变化。本文采用水文变异诊断系统对金沙江下游干流关键控制站的年径流量、年输沙量序列进行了变异诊断及归因分析。主要结果为，金沙江下游水沙关系发生明显变化，主要体现在径流量总体变化不大，但输沙量明显减少。石鼓、白鹤滩、向家坝站年径流量序列未发生变异，受面平均降水突变式跃升的影响，攀枝花站年径流量序列在1997年发生向上的跳跃变异。因极端降水增加致使产沙变大，石鼓站年输沙量在1997年发生向上的跳跃变异；因金沙江中游水库建设的影响，攀枝花、向家坝站年输沙量在2010年发生向下的跳跃变异；因攀枝花至华弹区间年输沙量显著减少，白鹤滩站年输沙量在2002年发生向下的跳跃变异。

关键词

金沙江下游，水沙序列变异，年径流量，年输沙量，归因分析

Variation Diagnosis and Attribution Analysis of Flow and Sediment Sequences in the Lower Reaches of Jinsha River

Kebing Chen, Chenggang Yang, Ming Xiong^*, Lingling Zhu

Bureau of Hydrology, Changjiang Water Resources Commission, Wuhan Hubei

Received: Apr. 27^th, 2022; accepted: Jun. 7^th, 2022; published: Jun. 29^th, 2022

ABSTRACT

The cascade hydropower station in the middle and lower reaches of the Jinsha River and tributary Yalong River has been completed and put into operation, which has brought some new changes in the characteristics of flow and sediment entering the lower reaches of the Jinsha River. In this paper, the variation diagnosis and attribution analysis of the series of annual runoff and annual sediment load of key control stations in the lower reaches of the Jinsha River were carried out using the hydrological variation diagnosis method. The main results are that the relationship between flow and sediment in the lower reaches of the Jinsha River has changed significantly, which is mainly reflected in the fact that the overall change in runoff is not large, but the amount of sediment load is significantly reduced. The annual runoff sequence of Shigu, Baihetan, and Xiangjiaba stations did not change, but the annual runoff sequence of Panzhihua station jumped upward in 1997 due to the sudden jump in average precipitation. Due to the increase of extreme precipitation, the sediment production increased, and the annual sediment load at Shigu station jumped upward in 1997. Due to the influence of the construction of the reservoirs in the middle reaches of the Jinsha River, the annual sediment load of Panzhihua and Xiangjiaba stations experienced a downward jump variation in 2010. Due to the significant decrease in the annual sediment production from Panzhihua to Huatan, the annual sediment load at Baihetan station jumped downward in 2002.

Keywords:Lower Reaches of Jinsha River, Variation of Flow and Sediment Sequence, Annual Runoff, Annual Sediment Load, Attribution Analysis

Copyright © 2022 by author(s) and Wuhan University.

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1. 引言

2010~2015年，金沙江中游干流梨园、阿海、金安桥、龙开口、鲁地拉、观音岩等6个梯级水电站，2012~2021年金沙江下游干流乌东德、白鹤滩、溪洛渡、向家坝梯级水电站相继建成运行，支流雅砻江锦屏一级、锦屏二级、官地、桐子林等梯级水电站陆续建成、蓄水运用，使得金沙江下游水沙特性出现了一些新变化，集中表现为水量过程的调平和沙量的大幅减少，整体改变了金沙江下游的水沙条件。

朱玲玲等 [1] 以金沙江下游干支流主要控制站水文、泥沙资料分析为基础，揭示了金沙江下游水沙变化特征及其影响。研究结果表明，金沙江下游水沙异源，中游及干流梯级相继建成运用后，下游沙量大幅度减少，对梯级水库库区及坝下游泥沙冲淤、三峡入库沙量影响显著。秦蕾蕾等 [2] 根据金沙江下游主要控制水文站的水沙资料，对不同时段不同区间的水沙变化特性进行统计分析，并采用输沙法计算溪洛渡和向家坝梯级水库运用以来的拦沙情况。研究结果表明，攀枝花站以上流域为少水少沙区，攀枝花至白鹤滩区间(不含雅砻江)为少水多沙区，白鹤滩至向家坝区间为多水多沙区。金沙江下游干流代表水文站的水沙相关关系以沙量单向减少为主。刘尚武等 [3] 以金沙江流域直门达、屏山等水文站实测资料为依据，采用Manner-Kendall趋势检验、水文统计等方法对金沙江悬移质输沙特性进行了分析。结果显示：金沙江水沙分布具有明显的水沙异源特性，不同区域水沙模数差异较大。1998年前金沙江年径流量和年输沙量无明显趋势性变化，受人类活动影响较小；1998年后金沙江流域不同区域水沙变化差异明显，金沙江上游年输沙量呈增加趋势，金沙江中、下游呈减沙趋势，特别是进入21世纪后，减沙趋势更加明显。杜泽东等 [4] 以金沙江溪洛渡水库干支流主要控制站的水沙资料及历年断面数据为基础，采用输沙量法、断面法和统计分析，对其入出库水沙特征及泥沙冲淤规律进行研究。研究结果表明：与可行性研究阶段相比，2008~2019年，溪洛渡入库年径流量变化不大，年径流量为1334亿m³，相较于可行性研究阶段偏少7.36%；入库沙量大幅度偏少，年平均总入库沙量为1.127亿t，相较于可行性研究阶段偏少54.37%。

在上述研究的基础上，为加强对金沙江下游水沙序列的特性变化和整体分析、判断与归因，本文基于金沙江下游干流关键控制站长序列观测资料，针对年径流量、年输沙量序列进行统计分析与变异诊断，并对年径流量、年输沙量序列的变异时间、变异形式、变异程度以及变异的原因开展深入研究。

2. 水沙序列变异分析方法

由于水沙序列变异形式比较复杂，为得到可靠的径流、输沙量序列变异形式及程度，需要使用不同的统计方法进行综合分析。本文采用谢平等提出的水文变异诊断系统 [5] 对年径流量、年输沙量序列进行诊断分析，该系统曾用于西北江三角洲的水沙序列分析 [6]；针对洞庭湖三口洪峰流量和水位变异特性分析，孙思瑞、谢平等 [7] 使用该系统，取得了较好的结果。其分析流程简述如下，见图1，具体步骤详见文献 [5] [7]。

诊断系统分析流程可分为三个阶段：初步诊断，即定性和定量判断序列是否存在变异，并对变异程度进行初步分类；详细诊断，即利用多种检测方法，综合判断和分析序列的跳跃、趋势变异；综合诊断，确定最终变异形式，同时导出结果。在具体使用中，诊断系统会进行多次循环计算，将扣除跳跃、趋势等确定性成分后的剩余序列作为新序列放入诊断系统中再次进行计算。为了合理量化各变异形式的显著性，系统将序列变异程度划分为无、弱、中、强、巨五个等级，无变异表示变异不显著。如Hurst系数法一般采用R/S分析原理来计算水文序列的Hurst系数，然后根据变异程度分级表 [8] 来判断序列的变异程度，如该系数位于0.924与1.0之间时，变异程度为巨变异。

图1. 水文变异诊断系统流程图

3. 研究区域及数据

金沙江干流以石鼓和攀枝花为界，分为上、中、下游，研究以金沙江下游干流关键控制站点攀枝花、白鹤滩(华弹)、向家坝(屏山)的水文资料为主要分析对象，为了更好地对比分析水沙变化规律，将金沙江上游的干流控制站石鼓也纳入分析范围。其中，华弹站2015年7月由水文站改为水位站，其2015年以来的径流、泥沙观测资料改为下游37.5 km的白鹤滩站，其集水面积为43.03万km²，较华弹站集水面积42.59万km²增加0.44万km²，增幅1.0%。屏山水文站于2012年6月改为水位站，其后的径流、输沙资料改为向家坝水电站下游2 km的向家坝水文站，向家坝站集水面积为45.88万km²，较屏山站集水面积45.85万km²增加0.03万km²，增幅不足0.1%。表1统计了研究站点水沙年际变化情况，站点历年径流量、输沙量过程线如图2所示。

表1. 水文站水沙年际变化统计

注：1、1998年前均值统计年份：石鼓、攀枝花、华弹、屏山站分别为1952~1997年、1966~1997年、1958~1997年、1954~1997年；2、变化率1、2、3分别指2021年相对于1998年前均值、1998~2010年及2011~2021年均值的变化。

图2. 历年径流量和输沙量过程线

4. 结果分析

4.1. 水沙序列变异诊断结果分析

借助水文变异诊断系统，对研究站点的年径流量、年输沙量序列进行变异分析，以石鼓站年输沙量序列为例，在初步诊断序列存在中变异后，进行跳跃和趋势的详细诊断。多种跳跃诊断方法均显示有显著性跳跃发生，其中滑动T、Lee-Heghinan、有序聚类、滑动秩和、Mann-kendall、BAYES等多种检验方法得到变异点为1997年，而三种趋势检验方法得到序列可能存在趋势变异的结果。最后进行综合诊断，通过比较跳跃和趋势变异形式的效率系数，确定该序列为跳跃变异，变异点为1997年。各站诊断结果如表2所示。

金沙江上游石鼓站水沙量年际间呈波动性变化，水量无明显趋势性变化，沙量在1997年发生方向向上的跳跃弱变异(见图3(a))，多年平均径流量和输沙量分别为427亿m³和2730万t，2021年径流量和输沙量分别为449亿m³和2140万t，水量偏大5.2%，沙量偏少21.6%。与2020年相比，径流量仅偏小12.9%，但输沙量偏少达65.9%。2021年输沙量减少可能与金沙江上游水库建设有一定关系，金沙江上游巴塘至石鼓长约965 km，规划采用13级开发。叶巴滩、巴塘电站已分别于2019年、2020年实现大江截流，苏洼龙水电站于2021年1月31日成功下闸蓄水，拉哇水电站于2021年11月29日实现大江截流。

表2. 变异诊断结果

攀枝花站水沙量年际间呈波动性变化，水量在1997年发生方向向上的跳跃中变异，沙量在2010年发生方向向下的跳跃强变异(见图3(b))。2011~2021年，攀枝花站年平均径流量和输沙量分别为570亿m³和590万t，径流量与多年均值基本相当，但输沙量较多年均值偏少86.4%。2011年后输沙量减少与金沙江中游水库建设有一定关系，共6个梯级水库自2010年相继建成和运行后(梨园(2014年11月)、阿海(2011年12月)、金安桥(2010年11月)、龙开口(2012年11月)、鲁地拉(2013年4月)、观音岩(2014年10月))，来自于金沙江上游和中游的泥沙基本被这6级水库拦截，使得攀枝花站径流量变化不大，但输沙量大幅度减少。

白鹤滩站水量序列无明显趋势性变化，沙量在2002年发生方向向下的跳跃中变异(见图3(c))。2011~2021年，白鹤滩站年平均径流量和输沙量分别为1210亿m³和6705万t，径流量与多年均值基本相当，但输沙量较多年均值偏少57%。2021年，白鹤滩站径流量和输沙量分别为1055亿m³和438万t，水量偏小，沙量减少明显。与1998年前均值相比，水量偏小13.5%，沙量偏少97.5%；与1998~2010年均值相比，水量偏小23.6%，沙量则偏少96.8%；与2011~2021年均值相比，水量偏小12.8%，沙量则偏少93.5%。与白鹤滩电站可研阶段设计采用值(径流量1321亿m³，输沙量16,800万t)相比，水量偏小20.1%，沙量偏少97.4%。受上游白鹤滩电站蓄水的影响，2021年白鹤滩站的输沙量变化明显，与2020年相比偏少90.0%。

向家坝站水量序列无明显趋势性变化，沙量在2010年发生方向向下的跳跃强变异(见图3(d))。2011~2021年，向家坝年平均径流量和输沙量分别为1353亿m³和1985万t，径流量较多年均值偏小4.7%，但输沙量较多年均值减少90.4%。近年来，受上游水库拦蓄作用，该站沙量大幅减少，如2020年、2021年输沙量分别为125、109万t，不足多年均值1%的水平。

4.2. 变异归因分析

石鼓、白鹤滩、向家坝年径流量未发生变异，此结果也同已有研究成果 [3] 较为一致。张海荣等 [9] 分析了金

图3. 输沙量序列变异图

沙江流域1966~2010年降水和径流资料，得到攀枝花站集水区域的面平均年降水趋势存在突变点，在1997年之后显著增加的结论。降水量的变化可能导致了径流变化，致使攀枝花站年径流发生向上的突变。

已有研究表明 [10]，基于1961~2017年长江流域逐日降水量资料，金沙江石鼓以上易发生极端多雨事件，除1993年外均发生在1998年(含)以后；考虑到极值降水是区域侵蚀产沙及河流输沙的主要动力，石鼓站年输沙量在1997年发生向上的跳跃变异，与极端降水的增加可能存在一定的关联。袁晶等 [11] 基于1956年以来流域内水库及实测水沙资料，分析了金沙江流域水库拦沙情况，得到2011年以来，随着金沙江中下游以及雅砻江梯级水库群的陆续建成，流域内水库群年均拦沙量达1.92亿t，对屏山站同期年均输沙量的减少权重在90%以上的结论。故因金沙江中游水库建设的影响，可能导致攀枝花、向家坝站年输沙量在2010年发生向下的跳跃变异。比较两站跳跃变异的计算过程，攀枝花站跳跃综合权重为0.91大于向家坝站的0.70，跳跃综合显著性前者为6较后者的4更大，考虑两站点的地理位置分布情况，攀枝花站距金沙江中游水库更近，因此其输沙量受影响的程度更为显著。而对于白鹤滩站的年输沙量，有研究表明 [3] 攀枝花至华弹区间年输沙量显著减少，在2003年出现向下的突变点，故白鹤滩站输沙量因区间来沙减小，提前发生了变异。

考虑到金沙江上游苏洼龙、叶巴滩、巴塘、拉哇等电站，下游乌东德、白鹤滩电站投入运营不久的情况，今后一段时期有必要进一步加强观测，进行水沙序列分析，总结得到水库建设后研究区域水沙序列的最新规律。

5. 结论

为探讨金沙江中下游干流、支流雅砻江梯级水电站相继建成运行对金沙江下游水沙情势的影响，本文借助水文变异诊断系统，基于石鼓、攀枝花、白鹤滩(华弹)、向家坝(屏山)等水文站长系列的年径流量、年输沙量数据，开展数据统计与序列变异分析，得到研究结论如下：

1) 2011~2021年，研究站点年径流量与多年均值相比变化程度不大，而输沙量除石鼓外均明显减少，攀枝花、白鹤滩、向家坝输沙量分别为590、6705、1985万t，较之多年均值沙量分别偏少86.4%、57.0%、90.4%。表明金沙江下游水沙关系发生明显变化，主要体现在径流量总体变化不大，但输沙量明显减少。

2) 对于研究四站点，年输沙量整体变异强度为中、强，年径流量为无、中变异，输沙量的变化更加明显。石鼓、白鹤滩、向家坝站年径流量序列未发生变异，受流域面平均降水突变式跃升的影响，攀枝花站年径流量序列在1997年发生向上的跳跃变异。因极端降水增加致使产沙变大，石鼓站年输沙量在1997年发生向上的跳跃变异；因金沙江中游水库建设的影响，攀枝花、向家坝站年输沙量在2010年发生向下的跳跃变异；因攀枝花至华弹区间年输沙量显著减少，白鹤滩站年输沙量在2002年发生向下的跳跃变异。

基金项目

研究内容得到长江水科学研究联合基金(U2040218)资助。

文章引用

陈柯兵,杨成刚,熊 明,朱玲玲. 金沙江下游水沙序列变异诊断及归因分析
Variation Diagnosis and Attribution Analysis of Flow and Sediment Sequences in the Lower Reaches of Jinsha River[J]. 水资源研究, 2022, 11(03): 267-273. https://doi.org/10.12677/JWRR.2022.113029

参考文献