1. 引言

三峡水库位于长江上游，作为骨干性水利工程，蓄水运行后对中下游产生了极为深远的影响。长江中下游是我国社会生产力和经济最繁荣的地区之一，尤其是近年来经济飞速增长，用水需求也随之急速攀升 [1]。但在十几年前长江就已经被世界自然基金会(WWF)列为世界十大水资源危机河流之一 [2]。由于人类高强度的活动干扰，长江流域已经出现了一些生态环境问题，并引起了政府部门的高度重视和国内外学者的普遍关注 [3]。习总书记2018年视察长江明确地指出长江经济带发展的根本方向和实践基准：“共抓大保护，不搞大开发” [4]。胡向阳研究了三峡水库利用洪水资源增大效益的可行性方案 [5]；多年试验性蓄水实践表明适度的滞洪调度，既能减轻长江中下游的防洪压力，又可以提高洪水资源利用率 [6]。仲志余教授从三峡水库运行前后长江中下游汛期水位的变化，告诉我们三峡水库是长江中下游的防洪调度中不可或缺关键因素 [7]。因此了解和研究三峡水库的径流调节作用有利于优化水库调度方案，充分发挥防洪、发电和航运效益，对于推动我国经济增长具有重大现实意义。

2. 研究区域

长江流域介于24˚30'~35˚45'N，90˚33'~122˚25'E之间(见图1)，形状呈东西长、南北短的狭长形，流域总面积180万km²，是中国流域面积最广的河流。长江流域贯穿我国三大阶梯，流域内地貌类型复杂多样，地势大致由西北向东南倾斜，平均高程约1650 m，总落差约5400 m。长江干流全长约6300 km，以湖北宜昌和江西湖口为界划分为上中下游。长江流域大部分地区受到典型的亚热带季风气候影响，夏季高温多雨，冬季低温少雨，年内降水分配很不均匀。流域内人口众多、物产丰盛、水运条件得天独厚，自古就是我国重要的工农业生产基地；中下游地区河湖密布，江湖相通，为江河洪水的调蓄做出了巨大贡献 [8]。

三峡工程位于我国湖北省宜昌市(见图1)，1994年12月正式开工；1997年完成大江截流，意味着第一期工程结束。2003年三峡工程开始围堰蓄水；2006年大坝全线建成，进入汛末初期蓄水阶段，水库已具备了一定的调蓄能力，可同时发挥防洪、发电、航运三大效益；2009年修建完毕，总工期长达17年。三峡水库蓄水至175 m时，库容为393 × 10⁸ m³；防洪限制水位为145 m，防洪库容为222 × 10⁸ m³ [9]。

3. 数据与方法

3.1. 数据说明

收集了三峡水库2006~2017年每天2、8、14、20时四个时间段的出入库流量和水位数据(www.cjh.com.cn

和www.ctg.com.cn)。分别对日、月、年数据求均值得到相应的出入库流量和水位数据，然后利用公式W = Qt(Q表示断面平均流量，t表示时间)求得日、月、年的出入库径流量。

3.2. 主要研究方法

1) Mann-Kendall趋势检验

Mann-Kendall属于非参数统计分析法，简称M-K法，其优点是样本无需遵从一定的分布，结果不受少数异常值干扰，被广泛应用于降水、径流、气温等统计分析。Z为时间序列的统计量，当Z > 0时，表示增加趋势；Z < 0时，则反之。若Z的绝对值大于等于1.96、2.56，表示该序列的变化趋势分别通过了置信度95%、99%的显著性检验 [10]。

2) 不均匀系数

不均匀系数C_vy常用于反映年内径流量分配不均匀程度。C_vy是一个可用于不同时间和空间的同类比较分析的综合性指标，难度小，适用性强，应用较广 [11]。C_vy值越大，表示年内径流分配越不均匀，即年内各月径流量差异越大；反之亦然。

3) 集中度C_d和集中期D

集中度是反映径流量在年内的集中程度，集中期则表示年内径流量最集中的月份。此法将年内各月径流量视为向量，把月径流量的大小作为向量的长度，根据各月的顺序依次选取不同的矢量方向。将一年12个月视为一个圆周360˚，每个月相当于30˚，然后对各月径流量进行失量分解求和，合成矢量的值占年径流量的百分比为年径流量集中度，合成矢量的方向为集中期 [12]。

4. 三峡水库运行对长江中下游径流调节分析

4.1. 出库径流量各月分配及其年际变化

2006~2017年三峡水库月出库径流量年内分配统计结果见表1：三峡水库出库径流量主要集中分布在5~10月，占全年的66.6%~77.9%，其中6~9月各月平均径流量占比均大于10%，总径流量占全年的55.7%。最大月(7月)出库径流量占全年的13.6%~25.3%，最小月(2月)仅为2.2%~4.2%，最大月是最小月的3.2~11.5倍。最大月径流量年际间波动较大，最小月较稳定。出库径流量绝对变化幅度ΔR(ΔR = r_max − r_min，r_max和r_min分别表示年内月径流量最大值和最小值)的最大值为882 × 10⁸ m³，其相对变化幅度C_m(C_m = r_max/r_min)为6.9 [11]，出现在2012年；最小值均出现在2017年，分别为400 × 10⁸ m³和3.5。水库调节后，出库径流量变化幅度减小，尤其是最近几年来变化更小，由此可见三峡水库年内径流调节的削峰补枯效果显著。从整体来看，三峡水库入库径流量年内分配很不均匀，汛期峰高量大易涝，枯水期径流量偏低易旱；水库削峰补枯调节后年内分配更加均匀，有利于长江中下游水资源的开发利用和管理，促进社会经济的发展。

4.2. 出库径流量季节分配的年际特征

三峡水库2006~2008年为汛末蓄水的初期，2009~2017年处于175 m试验性蓄水期。两个蓄水期的可调节库容不同，势必会影响水库径流调节作用的发挥，所以本文将2006~2017年划分为2个时段进行径流量季节分配分析，结果如表2。

由表2可知：各时段季节径流量距平值有正有负，说明季节径流量在不同时段存在相对丰枯变化。其中，春季、夏季、冬季在2006~2008年相对偏枯，在2009~2017年相对偏丰；秋季在两个时段的相对丰枯变化情况与之相反。两个时段内季节平均径流量分配规律一致，均为：夏季 > 秋季 > 春季 > 冬季。通过对比两个蓄水时段内季节平均径流量在该时段内年均径流量的占比，发现春夏冬三季都增加了，唯独秋季减少。秋季距平值在这两个时段显示的相对丰枯变化情况也恰好与其它三季相反，初步推断是2008年后三峡水库抬升蓄水水位，加大秋季蓄水量所致。三峡水库春冬两季出库径流量的占比在2009~2017年175 m蓄水期明显增大，秋季明显减小，说明水库通过径流调节削减了秋季径流量，增加了春冬两季的径流量。水库增加蓄水量后，对出库径流量季节分配的调控更加明显，调节效果较显著。

4.3. 汛期与非汛期出库径流量的变化

三峡水库出库径流量汛期与非汛期分配情况如表3：2006~2017年汛期(6~9月)平均径流量是2176 × 10⁸ m³，年均占比为55.7%；非汛期(11月~翌年5月)为1712 × 10⁸ m³，占44.3%。丰水年汛期径流量全年占比高于2006~2017年的汛期均值，非汛期低于均值；枯水年反之。2015~2017年径流量相对较大，但汛枯期年内占比情况却与上述相反。这种异常的年内汛枯期分配变化情况恰好与历年各月、季节的分配变化分析结果大致相同。从图2中可以看出，汛期径流量的波动性较大，且与年变化基本一致；非汛期径流量较稳定，呈增加趋势且越来越显著，尤其是2017年已明显大于汛期。从表3和图2可以看出，2015~2017年三峡水库汛期出库径流量的年内占比相对下降，非汛期相对上升，波动幅度也相对减小，表明2015年后三峡水库的径流调节效果更加明显。

4.4. 出库径流量年际趋势性

4.4.1. 月径流量趋势分析

为定量分析三峡水库历年各月出库径流量的变化趋势，本文运用M-K法对2006~2017年出库径流量进行统计分析(表4)。表4显示：三峡水库除了7~10月，其余各月出库径流量均为增加趋势，其中3、4、5、6四个月增加趋势显著，12月、1月、2月增加趋势非常显著，11月份增加趋势不显著。虽然8~10月份呈减少趋势，但并不显著。

注：“+”表示原序列有增加趋势，“-”表示原序列有减少趋势；“*”表示趋势性显著；“**”表示趋势性非常显著。

4.4.2. 季节径流量趋势

为了更加准确地分析三峡水库出库季节径流量的变化趋势，本文对2006~2017年宜昌站和三峡水库出库年径流量进行了M-K法趋势性检验，Z值分别为1.44、0.89，均呈不显著性增加趋势，与图3的线性趋势一致。从图4来看，水库四季出库径流量与年径流量的趋势性一致，都有增加趋势，其中春季增加速率最快，冬季次之，秋季较低，夏季最低。由长江径流量季节分配规律可知，对年径流量增加贡献最大的季节应该是夏季，因为夏季径流量的年内占比最大，但增加速率结果显示：春季的贡献最大，夏季的贡献最小。由此可知，三峡水库运行后削峰补枯作用对季节径流量分配的影响显著。

5. 三峡水库运行前后长江中下游径流对比分析

5.1. 出入库径流量变化过程

三峡水库属于季节性调节水库，每年的出入库径流量基本相当。只有个别年份出入库径流量差异较大，如2006年、2008年和2015年，这与当年降水量和水库调度有关(表5)。其中，2006年是长江流域发生大旱上游来水量减少和三峡水库第二期首次蓄水的共同作用 [13]；2008是初次175 m试验性蓄水所致；2015年是因为长江中下游来水大量增加，为了降低中下游的防洪压力，水库降低了下泄流量 [14]。

从2006~2017年三峡水库各月平均出入库径流量来看，最大值出现在7月，最小值在2月，年内各月分配很不均匀且呈现非对称的单峰形态(图5)。1~5月径流量出库大于入库，7月、9月和10月相反，出库小于入库，6月、8月、11月和12月出入库无明显变化；出入库径流量的变化过程和曲线形态基本一致。入库径流量年内绝对变化幅度为571 × 10⁸ m³，相对变化幅度为6.2；出库分别为526 × 10⁸ m³和4.8，三峡水库调节后径流量变化幅度明显缩小，削峰补枯效果较为显著。

5.2. 出入库径流量年内特征值对比

5.2.1. 特征值分析

为了更好地了解和研究三峡水库的径流调节作用，本文对出入库径流量进行了年内分配特征值统计分析，结果图6。

从绝对变化幅度ΔR来看，出入库均值分别为573 × 10⁸ m³和642 × 10⁸ m³，相差约130 × 10⁸ m³。2006~2009年，出入库径流量的绝对变化幅度差值很小；其余各年差值相对较大(图6(a))。由此可知，2006~2009年三峡水库的削峰补枯作用与2010~2017年相比较弱。

观察三峡水库出入库径流量的相对变化幅度C_m值的变化过程(图6(b))，可以发现入库的波动性较出库为大，C_m值整体呈减少的趋势；2010年和2012~2014年对C_m值的影响较大，是由于这几年入库径流量及其波动性较大。

从不均匀系数C_vy值和集中度C_d值的变化过程(图6(c)和图6(d))来看，2006~2008年出入库几乎完全重合；2009年出库开始小于入库，差值逐渐增大并趋于稳定，但整体呈减少趋势。这些现象说明三峡水库径流调节作用在2006~2009年相对微弱，之后影响开始逐渐增大，2012~2017年出入库径流量年内分配比例逐渐趋于稳定。

2006~2017年三峡水库径流量集中期D均为出库略小于入库，多年平均出入库径流量集中期分别为209˚和218˚。出径流量集中期减小，意味着集中期提前，全年径流量集中中心出现从8月份向7月份转变的趋势。

5.2.2. 变化原因分析

水库径流调节作用是通过不同的调度方式改变天然径流过程，从而达到区域水资源合理开发利用的目的。因此，水库径流调节强度主要是受到水库上游来水、库容、调度方案等因素的影响。

2006~2008年三峡水库处于汛末蓄水初期，库容有限，所能发挥的径流调节作用较小，对出库径流量的影响不大。2009年三峡水库开始175 m试验性蓄水，可调节库容增大，随着蓄水经验的累积，径流调节作用效果越来越显著，出入库径流量特征值的差异逐渐增大。由于三峡水库汛期拦水削峰防洪，使汛期各月出库径流量下降；非汛期水库泄水发电，出库径流量增加，所以出库径流量年内分配差异减小。据统计，到2017年为止，长江上游修建了13,000多座水坝，共计库容约1590 × 10⁸ m³ [3]，随着长江上游水库群联合调度的日益完善，对中下游的防洪态势和维护河流水系健康更为有利。

6. 结论

本文利用三峡水库的相关水文资料对水库的径流调节作用进行了分析和研究，得出以下主要结论：三峡水库主要对径流量年内分配进行调节；春季、冬季及非汛期出库径流量增加，秋季和汛期减少，各月分配变化情况与上述情况基本一致。经过三峡水库径流调节后，出库径流量年内变化幅度缩小，集中度降低，削峰补枯效果显著，集中期从8月提前到7月。2009年以后水库对出库径流量年内分配的调节较为显著。

基金项目

国家自然科学基金项目(41361003)和江西省教育厅科技项目(GJJ180903)资助。

参考文献

参考文献