三峡工程蓄水前后进出库水沙特性及径流量时间序列变化周期分析

第43卷第1期四川大学学报(工程科学版)Vol. 43 No. 12011 年 1 丿|JOUKNAL OF SICHUAN UNIVEKSITY (ENG1NEEK1NG SCIENCE EDITION )Jan. 2011文章编号:1009087 (2011 )014X)58-06三峡工程蓄水前后进出库水沙特性及径流量时间序列变化周期分析刘同宦心，蔺秋生2,姚仕明2(1.我汉大学水资源9水电T.程科学国家ifi点实验空.湖北武汉430072:2. K江科学院河流研究所湖北武汉430010；3清华大学水沙科学与水利水电工程国家虫点实脸室北京100084 摘要:选取怏江上游干、支流主要水文站为代表站根据水文泥沙观测资料对三峡水库进出库水沙特性进行r 较为系统的分析对比分析各站三峡丁程需水询后年径流敲、年输;少忙、年旳侖沙忙等水沙待征值的变化待性。另 外，运用小波分析的多分辨率功能，对朱沱、寸滩和宜目站1950 -2008年年径流址时间序列资料进行/多时何尺 度分析分析结果表明：三峽水库蓿水运用后，入库水虽勺多年平均值比变化不大但来沙员明显偏少；在过去50 多年的时间内长江上游干流河段年径流城时间序列比较一致地以12年为主周期进行丰、枯变化H前长江卜.游 来水仍处于相对偏枯的年份。关健词:三峡工程;水沙变化特性;时间序列;小波分析中图分类号:TVI2;TVI6文献标志码:AAnalysis of Three Gorges Reservoir Water-sediment and the Period ofChange of Temporal Series of Annual RunoffUU Tang-Iman 2 ,U. Qiirheng .YA() Shi-filing2(1. State Key Lab. of Water Resources and Hydropoiver Eng. Sei. Wuhan Univ Wuhan 430072 .China；2. Changjiang River Scimlifk Hwimh Insl. .Wuhan 430010.Chinu;3. State Key Lab. of Hydroscience and Eng. Tsinghua Univ. , Beijing 1(XX)84 .China )Abstract: Acconling to hydrologic and sediment observation data. the flow and sediment features flowing into and out of Three Gorges Reservoir wore aiialyz(*l systunalieally By nelecling repnpntative hyin tlu1 inuhi-4iine scale |M)int Jhe tiiiu* series of annual runoff data from 1950 to 2008 of Zhutno. Cuntan and Yichang station was analyzecl. Tlw results indicated that the ratio of reservoir inflow volume to the multi-ear average discharge changes little after the Three Gorges Pmject storing water, but the sediment conceiilration is significantly less than nurmal. In the past 50 years, the annual runoff time series of the upper reaches of the Yangtze River periodically varies* presenlinp ib a cycle of alunlan(ae-l()w-til)iineri(l is 12-5ear. At present. the incoming mnoff of the upper reaches of the Yangtze River lies at a relative low status.Key words: Tlmn4 Gorges Pnject; flow-sediment variation; I inu1 series: wavekH analysis第43卷第1期四川大学学报(工程科学版)Vol. 43 No. 12011 年 1 丿|JOUKNAL OF SICHUAN UNIVEKSITY (ENG1NEEK1NG SCIENCE EDITION )Jan. 2011第43卷第1期四川大学学报(工程科学版)Vol. 43 No. 12011 年 1 丿|JOUKNAL OF SICHUAN UNIVEKSITY (ENG1NEEK1NG SCIENCE EDITION )Jan. 201120世纪90年代以來长江上游年水虽变化不收稿日期：2O1O-O3 -1)基金项目：水利部公益性行业专项经费项目Q00901003 ”中央 级公益性科研院所基本科研业务费资助项目 (YN HJ9029 )作者简介：刘同宦0981-).男洌上生.研究方向:水力学及河 流动力学.E-mail: liuth mail, cisri. cn大，但年输沙磧呈减少趋势，特别是2003年二:峡水 庄蓄水后年输沙星减少更多。随着三峡水庫运用 时间的延长整个水库淤积会继续发展，上游建库减 沙的作用会不断显现.径流过程也会受到改变。这 种新的形势将会对库区干、支流交汇区水沙运动和 河床冲淤形态特征产牛.很大的影响。蔺秋生等“、 董耀华等2通过对长江干、支流主要控制水文站点 近50多年0950 2005年)水文资料的搜集、整理,第1期刘同宦等:三峡匸程蓄水前后进出库水沙特性及径流试时间序列变化周期分析59对长江水沙变化的过程、特点和趋孙进行J介绍并 初步分析探讨J长江近年水沙变化的规律、模式。 陈显维等根据水文泥沙观测资料，对三峡水库进 出庫水沙特性进行了较为系统的分析。戴明龙等4 以嘉陵江流域为典型河流从水沙地区组成、含沙竝 变化、來沙系数变化、各流吊级禽沙笊变化、水沙年内 变化等方面研究了苴水沙过程变异，并分析了变异原 因。戴会超等利用实测年径流帚和年输沙量双累 积曲线统汁分析法及Speannan秩次相关法检验分析 了三峡上游來水來沙减少的事实，并统il得到了近期 來水來沙址的相关关系。郭生练等以长江干流及 支流主要控制站的径流泥沙资料为甚础分析了门 1989年实施“长治” 丁程以來三峡水库以匕流域的水 土流失状况和影响入库沙就的主要因素同时探讨了 减少三峡水库人库沙址的对策措施。府仁寿等7根 据1950年以來的水文资料研究了长江宜目站在三峡 工程修建前的水沙变化趋如预测三峡水库运川后, 在2003 -2012年以及2013年金沙江上建成金安桥、 溪洛渡和向家坝3个大型水电站后宜吕的水沙变化趋孙。三峡丁程需水运川后将从根本上改变长江流 域水沙时空变化8，但其影响程度与特征值得进一步 研究。作者选取长江干流控制站朱沱、寸滩、宜目以 及支流嘉陵江北碼和乌江武隆水文站为代表站,对比 分析冬站三峡工程蓄水前后年径流鈕、年输沙虽、年 均含沙量等水沙特征值的变化待性另外，运用小波 分析的多分辨率功能对朱沱、寸滩和宜昌站1950 200年年径流秋时间序列资料进行J多时间尺度分 析。1 长江上游干支流河段主要控制站水沙特性1.1三峡库区干支流三峡水库径流主要來自长江上游干流和嘉陵 江、乌江等河流而悬移质泥沙主要来源于金沙江和 嘉陵江。朱沱和寸滩均为长江上游干流的控制站。 近20多年來，长江上游径流量变化不人，但输沙量 减少明显，长江上游干流和主要支流控制站水沙特 性详见表1。第1期刘同宦等:三峡匸程蓄水前后进出库水沙特性及径流试时间序列变化周期分析59表I长江上游主要控制站水沙特性变化特点Tab. 1 Characteristics of runofT and sediment characteristic values in the upper reaches of the Yangtze River朱沱寸滩武隆北陪统片年份径流秋/(10* n?)输沙吐/(10* t)径流fit，(IO8 in3 )输沙於/(108 1 )径流就/ao8 m3 )输沙肚/(108 1)径流血(!08 11/ )输沙;d/(IO8 t )1956 -2008年平均值2 6452.953 4183.97490.70.251649.01.0511991 -2008年平均值2 4752.413 1)42.77472.90. 158520.90.3142003 年2 5921.913 3612.()6461.00. 144678.00. 3062004 年2 6761.643 315L73510.00. 108516.00. 1752005 年2 9942.313 8872.70373.00.044810.00.4232006 年2 0091.132 4791.09288.00.030381.00.0302007 年2 3842.013 1242.10524.80. 104665.30.2732008 年2 7502.123 4252.13491.50.039586.40. 1432003 2008年平均値2 5681.853 2651.97441.40.08606. 10.230第1期刘同宦等:三峡匸程蓄水前后进出库水沙特性及径流试时间序列变化周期分析59近十多年來朱沱站年均径流量利输沙量分别为 2 475 x 108 n?和 2.41 x 108 t,与多年均值(1956 2008年)相比,径流量偏小约6. 4%，输沙最偏小约 18% ；1991 -2(X)8年寸滩站年均径流城和输沙分别 为 3 114x10* n?和 2.77 xlO8 I,与多年均值(1956 2008年)相比,径流量偏小约10%输沙蜃偏小约 33%苴中嘉凌江减沙杲为明显北硝站近20年输 沙量较多年均值(19562008年)偏小约70%，乌江 武隆站近20年输沙就絞多年均值(1956 -2008年) 偏小约37% o三峡水库蓄水运用后，入库水虽与多 年平均值相比变化不大，但來沙量明显偏少。2003-2008年长江干流寸滩站年径流量分别为3 361 x 103 315 x 103 887 x 102 479 x 103 124 x 103 425 x 108m3 ,年输沙量分别为2.06 x 1 0 1.73xlO2.7 xl01.09 x 102. 10 x 102. 13 x 1(/l,除2006年为特枯年份外其他5年与多年均 值相比，径流竝变化不大但输沙量减少较多；三峡 蒂水后(2(X)3 -2(X)8年)干流朱沱站年均输沙晴比 多年平均值约偏小37% ,于流寸滩站年均输沙就比 多年平均值约偏小50%,主要支流嘉陵江北硝站年 输沙试约偏小78% ,乌江武隆站年输沙屋约偏小 68%.第1期刘同宦等:三峡匸程蓄水前后进出库水沙特性及径流试时间序列变化周期分析59第1期刘同宦等:三峡1 K川：进出库水沙特性及时间序列$化周期分析611.2宜昌站站多年水文资料统计按葛洲坝.三峡水库蓄水初期宜昌水文站(宜冷站位于爲洲坝枢纽下游约运用时间分段，其水沙特征统讣表见表2。8.9 km处)是三峡水库出库水沙的控制站。利用该表2宜昌站水文泥沙特征值统计表Tab. 2 Characteristics of runoff and sediment characteristic values in Yichang station统it年份平均流賦/多年平均风大展小沆秋/ 多年平均忿移质 多年平均育沙试/多年平均恳移质(n?(IOM n? ) (m5 s-1 ) (m1 -s-1 ) 输沙O0g t) (kg m*3 )中值粒轻/mm葛洲坝水利枢纽营水前 (1890 1980 年)菩水后至 三峡蓄水前 (1981 -2002 年)14 30013 8004 5184 34871 10070 800135 139 nt运行期Q003 2曲年)12 4003 92061 100=峡水利Z纽156 m运行期(2007 年)12 7004 00450 200175 m试验期0008 年)13 2004 18638 9002 7705. 151. )80.0212 8204.591.050.0122 8900.7020. 1660.0054 0200.5270.1310.0034 3600.3190.0770.003第1期刘同宦等:三峡1 K川：进出库水沙特性及时间序列$化周期分析61第1期刘同宦等:三峡1 K川：进出库水沙特性及时间序列$化周期分析61备注我洲坝裕水运用前悬移质输沙賦及含沙磺统计时段为1950 980年第1期刘同宦等:三峡1 K川：进出库水沙特性及时间序列$化周期分析61爲洲坝水利枢纽蓄水运用以前(1890 1980 年),宜昌站多年平均径流虽4 518 x 1081多年最大 流最7】100 m/s,多年最小流ft 2 770 m3/s,多年平 均流量14 300 m3/s,多年平均悬移质输沙量515 X 108 t多年平均含沙量1.18 kg/m舄洲坝水利枢 纽为低水头径流式枢纽，背水运川后，坝询水位稳 定在66 m附近俣淞基面)，对上游來水不起调肯 作用,來水过程基本无变化來沙过程稍右改变，主 要表现为：我洲坝蓄水运用后中枯水期水序拦蓄了 部分泥沙，输沙城有所减小减小为蓄水运用后 (1981 -2002 年)的 4 . 59 x 108 t,减少约 11%。三 峡水库135139 m运行期，对宜昌站悬移质年输沙 量彫响较大,2003 2006年多年平均年输沙虽为 0.702 x10s I,仅为葛洲坝蓄水运用前的13.6%，三 峡水库156 m蓄水运行后，宜昌站输沙虽进一步减 少,2007 年仅为 0.527 x JO8 1,2(X)8 年仅为 0. 319 x 108 to另外,三峡水库蓄水运用后受水库的调蓄作 用，宜昌站洪峰流tt有所削减，枯水期流tt有所增 加，宜昌站最大流量由三峡水库蓄水运用前(1981 -2002 年)的 70 800 m3/s,减小为 2003 -2008 年的 61 100 m3/so由表2还可以看出随着蔑洲坝水利枢纽及三 峡水利枢纽的蒂水运用宜昌站悬移质呈明显细化 的趋势。爲洲坝陰水运川前，多年平均悬移质中值 粒径为0.021 min,4S洲坝蓄水运用后到三峡蓄水运 用前多年平均悬移质中值粒径减小为0.012 wn,三 峡水库135 139 m运行期、三峡水库156 m运行期 中值粒径进一步减小，分别为0. 005 mm.O. 003 min o2长江上游干流主要控制站年径流量时间 序列变化周期作者对朱沱、J滩和宜耳3站近期年径流最时 间序列变化周期性进行了分析朱沱站水文资料年 限1954 -2008年，寸滩站资料年限1950 -2008年, 宜昌站1950 -2(X)8年，分析方法采用小波分析法。水文时间序列的统计持性是随时间变化的并 表现;I； 一定的多时间尺度周期特性，即时1(1)以这种 周期变化，时而以另一种周期变化，并且在同一时段 中乂包含各种时间尺度的周期变化。运用小波分析 的多分辨率功能，将为揭示水文时间序列在时域中 存在的多层次时间尺度结构和局部化特征，了解苴 在不同时间尺度(周期)上的变化特征为水文分 析、预测提供朿要依据。右关小波分析理论、方法参 见文献8-9。彗先将朱沱、寸滩和宜宵站年径流屋资料距平 处理对处理后的年径流虽时间序列进行小波变换 分析计算。图1为小波变换系数实部等值线图实线表示 正值表征年径流就偏丰状态，虚线表示负值，表征 年径流療偏枯状态.正负值交界面上的零值表征径 流虽丰、枯变化的突变点。由图1可以看出，朱沱站年径流蜃存在明显的 年际变化特征，主要存在35 40 a、10 15 u及5 a5045403530252015105 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 时域参数/a(a)朱沱站5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55时域参数加(b)寸淹站5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55吋域参数/a(c)官昌站图1朱沱、寸滩和宜昌站年径流屋序列小波变换系数 实部等值线图Fig. 1 Natural contour map of characteristics of the wavelet coefficients of annual runoff series in control station以下3类尺度的周期变化规律，其中.10-15 a.35 40a左右尺度的周期变化校清晰，波动极值点分 布规律明显,径流变化表现出明显的突变特征而小 于5 a以下尺度左右的年径流周期变化频率快且 波动极值点分布散乱；寸滩站年径流就主要存在25 35 a、IO15 a及5 a以下3类尺度的周期变化规 律其中，1015 a类型尺度的周期变化最为清晰, 波动极值点分伟规律明显；而宜昌站年径流址主要 存在30 35 aJO 15 a及5 u以下3类尺度的周期 变化规律，其中J0-15 a类型尺度的周期变化比较 消晰波动极值点分布规律明味径流变化表现岀了 明显的突变特征。图2为小波变换系数模部等值线图。小波系数 的模平方相当于小波能量谱，可从中分析出不同尺 度(周期)的振荡能量。当模平方越大苴对应时间 和尺度的周期性越明显。时域参数&(3)朱沱站510 15 20 25 30 35 40 45 50 55时域参数九(b)寸漢站5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55时域参数/a(c)宜昌站图2朱沱.寸滩和宜昌站年径流虽序列小波变换系数 模部等值线图Fig. 2 Simulate contour map of characteristics of the wavelet coefficients of annua) runofT series in control station由图2可以石出，朱沱站10 a和35 a左右尺度 的振荡能虽较强，说明年径流址变化对应这2个时 段的周期性比较明显；寸滩站存在2个比较明显的 能球聚集中心：5 1() a尺度和15 a左右尺度且以 62四川大学学报（工程科学版）第43卷5-10 a类熨尺度的振荡能球最强；而宜昌站模部等 值线图上,振荡能量较强的主要集中在10-15 a尺 度和30-35 a尺度，其中，10 a左右尺度对应的能 量最强，说明10 “左右的周期变化比较明显。为了进一步分析朱沱、寸滩、宜昌3站年径流蜃 变化的主周期，给出了小波方差图（图3）。小波方 差图能反映水文序列随不同时间尺度（周期）d的 波动强弱悄况从ifii町以方便地杳找该序列中尺度 倜期）。由图3可以看到，朱沱站年径流序列主要 存在12 a.16和36 “左右尺度的周期，其中峰值 最大的对应12 a尺度，为主周期，说明朱沱站年径 流过程主要存在12 “左右的变化周期，第2周期为 36 a;寸滩站的主周期为12 a尺度第2周期为17 叭宜昌站的主周期为12 a第2周期为16 a湍能帑厶、（b）寸滩站图3朱沱、寸滩和宜昌站年径流虽序列小波方差图Fig. 3 Variognim of characteristics of the wavelet coef-ficients of annual runoff series in control station 综合分析朱沱、寸滩、宜昌3站年径流就时间序 列周期变化特征可知滾3 ）,在过去50多年的时间 内，长江上游干流河段年径流屋时间序列比较一致 地以12 a为主周期进行丰、枯变化，目前，长江上游 來水仍处于相对偏枯的年份。表3朱沱、寸滩、宜昌3站年径流虽时间序列变化周期表 Tab. 3 Change cycle of time series of annual runoff series in control station站名研究时段-变化周期九第丨第2第3朱沱1954 2008 年1236)6寸滩1950 2008 年121730宜H1950 2008 年1216353结论1）三峡水库蓄水运川后，入库水就与多年平均 值比变化不大，但來沙屋明显偏少，其屮尤以必陵江 减沙谥为严巫。三峡菩水后（2003 2008年），干流 朱沱站年均输沙蜃比多年平均值约偏小37% ,干流 寸滩站年均输沙员比多年平均值约偏小50% ,主要 支流嘉陵江北碼站年输沙伙约偏小78% 乌江武隆 站年输沙療约偏小68% o2）三峡水库蓄水运用后，受水库的调蓄作用, 宜胃站洪峰流星仃所削减，枯水期流虽仃所增加宜 昌站锻大流虽由三峡水库蓄水运用前（1981 2002 年）的 70 800 m3/s,减小为 2003 2（X）8 年的 61 KX）/ s3 ）在过去5（）多年的时间内长江上游干流河 段年径流皐时间序列比絞一致地以12年为主周期 进行丰、枯变化.目前长江上游來水仍处相对偏 枯的年份。参考文献：1 | Lin Qiusheng, Dong Yaohua The change |attem of waler-in Yangtze River basin j Jourmil of YangtzeRiver.2008,39 6 ）:9 - 11.蔺秋生，董耀华.长江水沙变化模式初探J人民长江,2008.39 6 ）:9-11.2 Dong Yaohua, Hui Xiaoxiao. 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