三峡水库运行后长江中游洪、枯水位变化特征

发布时间：2019-11-08 10:39

【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1955-2012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、11~15 a,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20 a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.
【图文】：

韩剑桥等:三峡水库运行后长江中游洪、枯水位变化特征1219图1三峡水库下游河段概略图Fig．1ThedownstreamreachoftheThreeGorgesＲeservoir2数据来源与研究方法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58a．其中沙市站1991年建站，之前仅测验水位，下游65km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:SP＞SN水位发生趋势性变化SP≤SN水位未发生趋势性变化{(1)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?

韩剑桥等:三峡水库运行后长江中游洪、枯水位变化特征1221图2长江中游各水文站水位残差的时间序列Fig．2TimeseriesofstageresidualsatthemaingaugingstationsalongthemiddleYangtzeＲiver后，上游宜昌、枝城、沙市水文站枯水位波动中心线分别下降0．44、0．29和1．00m，洪水降幅小于枯水降幅;葛洲坝蓄水后，宜昌水文站枯水位、洪水位波动中心线分别下降0．94和0．42m，沙市水文站枯水位波动中心线继续下降了1．53m，洪水位由于1996－1998年的特高水位而抬高0．27m，这些变化特点与荆江裁弯、葛洲坝水库蓄水后水位变化的已有研究成果［23］在趋势上基本一致．在去除人类影响分段求距平值后，水位残差的波动相比原始序列更加规则，但受随机因素的干扰，波动幅度及周期特征仍然难以提取．3．3随机成分滤除及水位趋势性的调整判别采用小波分析方法滤除随机成分，水位残差序列的波动特性较为清晰，且不与原始序列失真(图4)．统计三峡水库蓄水前的平均水位周期、最大水位周期及蓄水后的水位变化周期(图5)，其中枯水位残差蓄水后处于单向下降阶段，洪水位残差处于单向抬升阶段，因此估算得到的蓄水后水位周期是远远偏小的．1)枯水位变化．宜昌、枝城、沙市水文站在蓄水前基本以11a左右作周期波动变化，波峰均在1964、1977、1990、1998年左右出现，仅波幅有所差异，蓄水后水位残差持续降低，周期均已超过20a;螺山、汉口水文站蓄水前以15a左右的周期波动变化，波峰均出现在1968、1982、1998年左右，蓄水后的2003－2012年，水位单向下降，因此各站周期均大于20a，超过蓄水前的最大周期．从残差变幅来看，除了枝城、螺山两站，其他站点在蓄水后的变幅均超过了历史最大变幅．2)洪水位变化．宜昌、枝城、沙市水文站蓄水前以11a左右的周期波动变化，波峰均在1967、197

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