水庫建設(shè)對贛江流域水沙情勢的影響

胡 強，王 姣 ，劉 穎，吳 曉 彬

(1.江西省水利科學(xué)研究院，江西 南昌 330029； 2.江西省水工安全工程技術(shù)研究中心，江西 南昌 330029)

近幾十年來，由于氣候變化和人類活動的影響，鄱陽湖出現(xiàn)了枯水期水位連創(chuàng)新低、湖區(qū)面積縮減、旱澇急轉(zhuǎn)和濕地生態(tài)系統(tǒng)遭受破壞等現(xiàn)象，鄱陽湖流域的徑流量和輸沙量發(fā)生了一定的變化，水庫等水利工程的建設(shè)與水土保持工程對其有深刻的影響，引起了社會的廣泛關(guān)注[1-2]。贛江作為鄱陽湖流域最大的河流，研究其水沙特征變化對河湖關(guān)系、流域開發(fā)均具有重要意義。游海林[3]采用多種數(shù)值分析方法對贛江外洲站1950～2016年徑流的變化特征進行了分析。鄭海金[4]采用Mann-Kendall(M-K)法和T檢驗法對贛江外洲站1970～2009年長時間序列的年徑流量和年輸沙量進行了分析。肖洋[5]采用肯德爾秩次相關(guān)檢驗法、有序聚類分析和秩和檢驗法、小波分析法分析了贛江下游外洲站1950～2011年水沙的趨勢性、跳躍性和周期性等變化規(guī)律。國內(nèi)學(xué)者對贛江水沙情勢的變化特征做了許多研究，但現(xiàn)有研究多采用近50 a的水沙資料，但近10 a贛江流域水庫建設(shè)進程加快，針對水庫建設(shè)對贛江流域近60 a長序列特性變化趨勢的影響鮮有研究。因此，本文重點分析近60 a水庫建設(shè)對贛江流域水沙情勢的影響，為將來流域開發(fā)和管理提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

贛江發(fā)源于石城縣洋地鄉(xiāng)石寮東部，河口位于永修縣吳城鎮(zhèn)望江亭，主河道長823 km，上游為典型的輻射狀水系，流域內(nèi)水系發(fā)達。贛江為鄱陽湖水系五大河流之首，流域面積82 809 km2，占鄱陽湖流域總面積的51%，其中98.45%流域面積在江西省境內(nèi)，是江西省第一大河流。流域東臨撫河流域，西以羅霄山脈與湘江流域毗鄰，南以大庾嶺、九連山與東江、北江為界，北通鄱陽湖。流域東西窄而南北長，南北最長550 km，東西平均寬約148 km，呈不規(guī)則四邊形[6-8]。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

本文采用贛江主要控制站壩上、吉安、外洲1953～2017年徑流量和1956～2017年輸沙量數(shù)據(jù)(局部缺失年份采用水沙相關(guān)插補延長)，數(shù)據(jù)來源于江西省水文局和《中國河流泥沙公報》。統(tǒng)計水庫包括大(1)型、大(2)型和中型水庫三類，統(tǒng)計時間截止至2018年。贛江流域主要水文站點與水庫如圖1所示。

圖1 贛江流域主要水文站點與水庫示意Fig.1 Locations of major hydrostations and reservoirs in Ganjiang River Basin

2.2 研究方法

大多學(xué)者采用數(shù)學(xué)方法分析水沙的變化特征，常用的方法有過程線法、線性回歸法、Mann-Kendall(M-K)檢驗法、雙累積曲線法及小波變換法等等。過程線法是最常用的分析方法，分別以時間、徑流量或輸沙量為橫縱坐標(biāo)，點繪流域徑流量與輸沙量隨時間的變化過程，可直觀反映流域水沙變化的趨勢。距平累積法是按時間序列將每年的距平值進行累加，得到距平累積序列。結(jié)合水文序列實測值和距平累積曲線的波動特征，可判斷水文序列演變的變化趨勢。雙累積曲線是將同期內(nèi)兩個變量的連續(xù)累積值繪制在直角坐標(biāo)系中，常用于水文氣象要素的一致性檢驗、缺值的插補或資料校正，以及水文氣象要素的趨勢性變化及其強度的分析。

本文主要采用水沙過程線法、距平累積法和雙累計曲線法3種研究方法對贛江徑流量、輸沙量進行變化特征和趨勢性分析。

3 結(jié)果與討論

3.1 贛江流域水庫建設(shè)歷程及現(xiàn)狀

據(jù)不完全統(tǒng)計，截至2018年底，贛江流域已修建完成大中型水庫共132座，其中大(1)型2座，大(2)型14座，中型116座；累計總庫容約94.59億m3，防洪庫容約24.42億m3。其中，16座大型水庫總庫容約57.14億m3，占已建成大中型水庫總庫容的60%以上。水庫數(shù)量變化和庫容年際變化過程見表1和圖2。

表1 贛江流域新增水庫數(shù)量及庫容年際變化Tab.1 Numbers and capacity of new built reservoirs in Ganjiang River Basin

圖2 贛江流域水庫數(shù)量及庫容年際變化過程Fig.2 Interannual variation of reservoir quantity and storage capacity in Ganjiang River Basin

分析水庫數(shù)量變化過程可知，20世紀(jì)50年代中期至70年代末是贛江流域大中型水庫數(shù)量增長最快的時期，水庫總數(shù)從幾座增長至1979年的100座，占已注冊登記數(shù)量的76%。其中大型水庫11座，占比68.8%，中型水庫89座，占比76.7%。20世紀(jì)80年代開始，水庫建設(shè)數(shù)量增速較緩，1980～1989、1990～1999年兩個10 a間，大中型水庫建成數(shù)量分別為5，10座。2000～2018年，大中型水庫建設(shè)進程明顯加快，新增大型水庫3座，中型水庫14座。

分析水庫庫容變化過程可知，贛江流域水庫建設(shè)可分為5個階段：① 1955～1957年緩慢增長期。該時間段建有大中型水庫7座，總庫容僅9.34億m3，流域內(nèi)大(2) 型水庫僅1座(上猶江水庫)，總庫容增長緩慢。② 1958～1968年極速增長期。1958年為水庫建設(shè)高峰期，新建中型水庫35座，總庫容增長以中型水庫為主。至20世紀(jì)60年代末期，總庫容迅速增長為43.95億m3，約為上一階段的1.7倍。③ 1969～1977年平緩增長期。該時間段新增大型水庫2座(團結(jié)水庫、萬安水庫)，20世紀(jì)70年代新增總庫容約為60年代的2倍。④ 1978～2009年平緩增長期。20世紀(jì)80，90年代新增庫容1.3億，4.09億m3，21世紀(jì)前十年新增庫容5.22億m3。⑤ 2010～2018年快速增長期。該時間段水庫總庫容增長量超過前30 a的總和，總庫容增長以大型水庫為主(峽江水利樞紐工程)。

從以上建設(shè)過程來看，贛江流域水庫建設(shè)進程近年來明顯加快，水庫數(shù)量、總庫容均有較大的提升。

3.2 贛江流域水沙情勢變化

3.2.1年際變化

由水沙變化特征統(tǒng)計成果(表2，3)可知：贛江壩上、吉安、外洲3個站徑流量序列最大值均出現(xiàn)在20世紀(jì)90年代，主要受同期長江流域降雨量增加的影響，但年徑流量序列總體無顯著變化趨勢。20世紀(jì)輸沙量呈減少趨勢，尤其是90年代輸沙量減少非常明顯，壩上、吉安、外洲平均輸沙量分別占80年代的74.9%，45.2%，58.5%。本文采用變異系數(shù)與極值比判斷水文情勢的變化程度：變異系數(shù)=(標(biāo)準(zhǔn)偏差/平均值)×100%，極值比=最大值/最小值。壩上、吉安、外洲徑流量變異系數(shù)為0.284～0.312，極值比4.51～5.08；輸沙量變異系數(shù)為0.615～0.640，極值比15.49～23.38。根據(jù)水沙資料繪制徑流量、輸沙量變化過程線(見圖3)可知：3個站的徑流量年際變化比較平緩，輸沙量的年際波動比較劇烈。

表2 贛江流域水沙變化特征Tab.2 Variation characteristics of water and sediment in Ganjiang River Basin

表3 贛江流域水沙年代變化特征統(tǒng)計Tab.3 Statistical table of time characteristics of water and sediment in Ganjiang River Basin

圖3 贛江主要控制站年徑流量和輸沙量變化過程線Fig.3 Process curves of annual runoff and sediment transport in Ganjiang River

3.2.2年內(nèi)變化

由水沙年內(nèi)特征統(tǒng)計成果(見表4)可知：壩上、吉安、外洲1～12月份徑流量和輸沙量均呈先增加后減少的變化趨勢。徑流量最大值均出現(xiàn)在6月份，4～7月份徑流量分別占全年的53.4%，57.9%，59.3%；輸沙量的年內(nèi)分配與徑流量的基本一致，輸沙量主要集中在4～7月份，分別占全年的69.8%，70.9%，76.6%。

表4 贛江流域水沙年內(nèi)變化特征統(tǒng)計Tab.4 Annual variation characteristics of water and sediment in Ganjiang River Basin

3.2.3變化趨勢分析

繪制壩上、吉安、外洲站年徑流量、輸沙量距平累積曲線(見圖4～5)。60余年來，贛江徑流量呈上升與下降交替變化的波動趨勢，大致以1972，1991，2003，2011年為界，可分為1954～1972年的枯水期、1973～1991年的波動期、1992～2003年的豐水期、2004～2011年的枯水期以及2012～2016豐水期。其中，1954～1972年徑流呈波動減少的趨勢，1973～1991年徑流表現(xiàn)為增長與減小交替，這與文獻[9]的結(jié)論相近。徑流量突變時間方面，彭俊[10]、孫鵬[11]、游海林[3]等認為徑流量發(fā)生突變的年份為1991，1992年。

圖4 贛江主要控制站年徑流量距平累積曲線Fig.4 Cumulative curve of annual runoff anomaly at the main control station in Ganjiang River

圖5 贛江主要控制站年輸沙量距平累積曲線Fig.5 Cumulative curve of annual sediment transport anomaly at the main control stations in Ganjiang River

從輸沙量距平累積曲線來看，60余年來贛江輸沙量呈單一的先增長后減少的趨勢。流域輸沙量年際變化階段可分為1956～1961年的豐沙期、1962～1967年的平沙期、1968～1984年的豐沙期、1985～1992年的平沙期以及1993～2018年的枯沙期。輸沙量突變時間方面，彭俊[10]、劉星根[12-13]分析認為外洲站輸沙序列突變點為1996，1995年，孫鵬[8]、熊森雅[14]認為1989，1998年突變極顯著，顧朝軍[9]等認為外洲站輸沙量分別在1984和1992年發(fā)生突變。

3.3 水庫建設(shè)對水沙情勢的影響

國內(nèi)學(xué)者的研究成果表明，水庫建設(shè)是流域水沙變化的重要影響因素之一[12]。為進一步研究二者的影響關(guān)系，繪制贛江壩上、吉安、外洲徑流量-輸沙量累積曲線(見圖6)。

圖6 贛江主要控制站徑流量-輸沙量累積曲線Fig.6 Runoff-sediment accumulation curve of the main control station in Ganjiang River

壩上站累積曲線斜率出現(xiàn)2次明顯的轉(zhuǎn)折，分別為1984，1995年。1981年初，大(1)型水庫油羅口水庫基本完工。1984年，贛江上游進行了水土流失試驗示范治理，水土保持治理初顯成效。20世紀(jì)90年代后，贛江流域?qū)嵤┝艘幌盗兴帘３种攸c治理工程，加上大批水利工程的先后建成，年輸沙量在1995年再次發(fā)生突變[15]。由表3可知，1990 s與2000 s相對于1980 s，平均輸沙量分別減少25.1%，61.3%。

吉安站累積曲線在1991年斜率發(fā)生明顯轉(zhuǎn)折。1990年8月，贛江流域庫容最大的大(1)型水庫萬安水庫(庫容22.16億m3)建成并下閘蓄水。多年平均年入庫沙量742萬t，多年平均泥沙淤積量400萬t，大大減少了贛江下游的泥沙量[11]。由表3可知，水庫建成后(1990～1999年)的平均輸沙量比上一個10 a減少54.8%。

外洲站累積曲線斜率出現(xiàn)3次明顯的轉(zhuǎn)折，分別在1969，1991，2012年，表明流域水沙特性發(fā)生變化。① 第1次轉(zhuǎn)折出現(xiàn)在1969年。贛江上中游在1969年開工建設(shè)5座，分別為白云山水庫、社上水庫、長岡水庫、老營盤水庫、油羅口水庫。② 第2次轉(zhuǎn)折出現(xiàn)在1991年。1990年建成的萬安水庫攔沙導(dǎo)致下游河道含沙量、輸沙量減少。③ 第3次轉(zhuǎn)折出現(xiàn)在2012年。2012年8月，大(1) 型水庫峽江水利樞紐工程(庫容11.87億m3)實現(xiàn)截流，改變了年輸沙量的年際變化。由表3可知，水庫建設(shè)導(dǎo)致2010～2017相對于2000～2009平均輸沙量減少30.3%。

因此，大型水庫的建設(shè)與流域輸沙量有很強的相關(guān)性。

4 結(jié) 論

(1) 近年來，贛江流域水庫建設(shè)進程明顯加快，水庫數(shù)量、總庫容均有較大的提升。

(2) 贛江主要控制站徑流量、輸沙量年內(nèi)變化不大，年際變化顯著。年徑流量序列總體無顯著變化，呈現(xiàn)上升與下降交替變化的波動趨勢；輸沙量呈先增長后減少的趨勢，在1990年后更為顯著。

(3) 贛江壩上、吉安、外洲三站雙累積曲線斜率轉(zhuǎn)折點時間段均有大型水庫建設(shè)和水土保持治理工程實施，表明贛江流域水沙特性變化與水庫建設(shè)關(guān)系密切。