中图分类号: TV14811 文献标识码: A 文章编号: 100126791 (2009) 0120080206
Periodic characters of sediment load and runoff changes in the Yangtze River basin in the past 40 years, China
ZHANGQiang1,2,CHEN Gui-ya3,XU Chong-yu4,XU Yong-peng5,LIU Chun-ling2,JIANG Tong1
(1.State Key Laboratory of Lake Science and Environment,Nanjing Institute of Geography and Limnology,CAS,Nanjing 210008,China;
2. Institute of SPACe and Earth Information Science,The Chinese UNIversity of Hong Kong,Hong Kong,China;
3.Changjiang Water Resources Commission,Ministry of Water Resources,Wuhan 430000,China;
4.Department of Geosciences,University of Oslo,Sem Saelands Vei1,Blinderm,N20316 Oslo,Norway;
5. School of Geographic and Oceanographic Sciences of Nanjing University,Nanjing 210093,China)
Abstract : Monthly mean sediment load and runoff changes in the past 40 years are analyzed at Pingshan station, Yichang station, Datong station and Hankou station along the mainstream of the Yangtze River basin and Beipei station in the tributary of the Yangtze River basin, with the help of wavelet transform method.The results indicate that: ①the wavelet transform method is the proper method for detecting the influences of water reservoirs on transportation of sediment load and runoff changes.The influences of water reservoirs on sediment load are more serious that those on runoff changes; ②Gezhouba dam exerts less influences on runoff changes and sediment load.The down-cut of the riverbed occurrs after the operation of Gezhouba dam, but this influences are not enough to remove the 1-year-period of runoff and sediment load changes; ③The Three Gorges dam exerts increasing influences on sediment load transportation, removing the 1-year-period sediment load of sediment load changes,but shows no influences on runoff changes. The influences of Three Gorges damon sediment load are adverse to the distance to the Three Gorges dam; ④The influences of water reservoirs on sediment load and runoff changes is related to the size of the river catchment.The sensitivity of influences of water reservoirs on sediment load is less in the larger river catchment.
Key words : sediment and runoff changes ; periodic character ; wavelet transform; the Yangtze River basin
流域水沙变化一直是河流地貌、水利工程等领域倍受关注的科学问题[1 ,2 ] , 对于长江水沙变化已有大量研究[3～5] , 人类活动, 如土地利用、水库、河道疏浚、河道裁弯工程等均可改变河道冲淤以及水沙时空分布。但人类活动究竟以什么方式, 在多大程度上影响长江流域水沙变化, 还存在不同看法。黄煜龄等[6 ]认为上游修建大库容水库可在一定的年限内起到拦沙作用, 从而减少三峡水库的淤积量。许炯心[7 ]则认为, 森林对全流域性长历时暴雨所造成的特大洪水的削减作用是有限的, 要解决洪水泥沙问题, 应生物措施与工程措施并重。石国钰等[8 ]认为长江上游已建水库群拦沙淤积对三峡水库入库沙量影响不大。三峡工程的建设将从根本上改变长江流域水沙时空变化[9 ] , 但其影响程度与特征值得进一步研究。本文利用长江干流主要控制站(屏山站、宜昌站、汉口站与大通站) 以及1 个支流站点(嘉陵江的北碚站) 的水沙序列,探讨近40 年来长江流域水沙变化及水库等可能影响, 本文不讨论气候变化对径流量以及输沙率变化的影响。
1 数据与研究方法
1.1 数据
本文所用数据为长江流域5 个水文站的月均流量(m3/ s) 与输沙率(kg/ s) , 即分别为位于长江干流的屏山、宜昌、汉口与大通与位于长江支流的嘉陵江流域北碚站(表1) 。径流资料有部分月份数据缺失, 如有的1 年中有近10 个月份的数据缺失, 或者连续缺测年数在3 年以内, 处理方法是将相同月份多年数据组成一个时间序列, 用三次样条函数内插方式补齐数据[10 ]。如果连续缺测年数在3 年以上, 则缺测部分弃去不用。由于缺测数据较少, 内插数据满足分析精度需要。
表1 长江流域5 个水文站点水沙数据
Table 1 Information of runoff and sediment load changes in five stations in the Yangtze River basin
1.2 方法
本文所用小波的母小波函数为Morlet 小波, 即Ψo (η) =π- 1/ 4e iωoηe - η2/ 2。此函数均值为0 , 且在时—频空间上具有很好的对称性[11 ]。计算方法详见文献[11 ]。气候变化具有周期性, 特别以1 年为显著, 流量主要受降水影响[12 ], 因而流量也应有1 年周期, 同样, 河道输沙率主要受流量变化的影响,特别是洪峰流量的影响, 因而河道输沙率也应具有1 年的显著周期。人类活动(如水库) 将改变这一时频特征, 这一原理已被成功运用于美国大峡谷克罗拉多河流域水库对河道水沙变化影响研究[12 ] 。本文拟用小波变换的方法研究长江流域水利工程对河道水沙变化影响,从而为评估三峡工程对长江中下游河道冲淤变化提供科学依据。
2 结果分析
2.1 干流站点
屏山站流量变化主要以1 年为显著周期(达到95 %的置信度水平, 下文同) (图1 (a) ) , 个别时段有0.5 年的显著周期, 且1 年周期在整个研究时段内未有间断现象。水沙变化小波功率谱的1 年、0.5 年与0.25 年周期是降水季节与年际变化结果。径流受降水影响, 而输沙率与径流变化又有密切联系, 这是水沙变化小波功率图谱中出现上述3 个周期分量的物理意义解释。其它各站水沙变化中出现的上述3 个周期, 其物理意义与此相同。输沙率变化与径流量变化有所差异, 主要表现为小波功率谱值波动较流量变化大, 流量变化的一个小的波动可能导致输沙率变化比较大的波动, 这主要是由于流量与悬移质输沙量存在下述数学关系: Qm = KQ n , 其中,Qm 为悬移质输沙量, Q 为流量, n 为大于1 的指数, K 为来沙系数, 与上游泥沙供应量有关[13 ,14]。如上游泥沙供应不变, 即K 不变, 则流量与悬移质输沙量即存在单一的指数关系, 小的流量变化ΔQ , 由于存在一个大于1 的指数n , 则对应较大悬移质输沙量变化ΔQm , 这是上述径流量与输沙率变化小波功率图谱存在差异的主要物理机理。同时, 无论是流量变化的小波图式还是输沙率变化的小波图式, 小波功率谱波动较大的时段与长江流域发生大洪水的时段相对应, 如1998 年洪水, 在输沙率与流量变化的小波图式中均有反映。同时, 输沙率变化的小波图式较流量变化的小波图式复杂, 表明影响输沙率变化的因素较影响流量变化的因素多。另外,大致在2003 年以后, 输沙率变化的1 年周期似乎有间断, 但由于在影响锥U 形曲线附近, 分析结果不可靠。
图中粗实线圈定的区域为95 %置信度水平, U 形线表示影响锥范围(下图与此同)
图1 屏山站流量(a) 与输沙率(b) 小波变换图式
Fig.1 Continuous wavelet power spectrum for the normalized time series of monthly runoff
(a) and monthly sediment yields (b) of Pingshan station
宜昌与屏山站流量与输沙率小波变换图式相似(图1、图2)。流量小波功率谱变化波动幅度较小, 且由95 %置信度水平线(图中粗实线) 组成的区域波动变化较稳定, 而输沙率变化幅度则相对较大, 且1 年、015年与0125 年等周期同时出现, 与屏山站相似的是, 大洪水时, 流量变化与输沙率变化的小波转换均表现出大的波动变化, 但从流量变化的小波变换图式来看, 宜昌站小波功率谱波动变化幅度较屏山站流量变化小波功率谱波动变化幅度小, 但1998 年洪水仍可以在宜昌站流量变化的小波变换图式中看出。葛洲坝位于宜昌上游,建于1970 年, 19 世纪80 年代早期开始投入使用, 总库容1518 亿m3 , 但葛洲坝为低水头径流式发电站, 对河道水沙变化影响不显著, 葛洲坝蓄水后, 导致宜昌断面下切, 水位下降[15 ]。但从图2 可以看出, 宜昌站输沙变化并未受到葛洲坝的影响, 或者说其影响还未达到使输沙率变化1 年周期受到影响, 葛洲坝为低水头径流式发电站, 来多少水, 就下泄多少水, 从而对泥沙变化影响也不是太大。而输沙率变化自2002 年以后其1 年周期就消失了。三峡工程在2002 年6 月份开始蓄水, 图2 输沙率小波变换图式表明, 三峡大坝的建设已经对下游河道输沙率产生重要的影响, 这一点应引起有关部门的重视。
图2 宜昌站流量(a) 与输沙率(b) 小波变换图式
Fig.2 Continuous wavelet power spectrum for the normalized time series of monthly runoff
(a) and monthly sediment yields (b) of Yichang station
总体上看, 汉口站流量与输沙率变化和宜昌站流量与输沙率变化小波变换图式差别不大(图3) , 所不同的是, 相对于宜昌站来讲, 汉口站无论是流量变化还是输沙率变化, 其0.5 年与0.25 年周期较弱。流量变化1年周期自始至终贯穿于整个时间序列, 而输沙率变化的1 年周期大致在2003 年以后消失。
图3 汉口站流量(a) 与输沙率(b) 小波变换图式
Fig.3 Continuous wavelet power spectrum for the normalized time series of monthly runoff
(a) and monthly sediment yields (b) of Hankou station
大通站流量与输沙率变化小波变换图式(图4) 表现出与汉口站类似的特征, 流量变化小波变换图式显示出大洪水(如1998 年洪水) 对流量变化在周期上的影响。输沙率变化1 年周期非常明显, 但015 年与0125 年周期变化与汉口站类似, 但与宜昌站与屏山站相比较而言, 相对较弱, 主要表现在95 %置信度水平范围较小, 且时段也较少。另外, 输沙率变化1 年周期大致在2003 年左右也消失, 与汉口站类似。图2、图3 与图4 综合表明, 从输沙率周期变化受三峡大坝的影响来讲, 宜昌站要比汉口与大通站受三峡大坝拦沙影响强。主要反映在其1 年周期消失的时间要早于汉口站与大通站。这是由于水库拦截的沙量并不等于下游系统输出站输出沙量的减少。因为水库下游河道将发生泥沙淤积, 包括河道本身的冲淤调整与区间水沙汇入补偿等动态变化, 因此实际情况是非常复杂的, 是一个复杂的动态过程。离库体越远, 其受库体拦截沙量的影响就越小。
图4 大通站流量(a) 与输沙率(b) 小波变换图式
Fig.4 Continuous wavelet power spectrum for the normalized time series of monthly runoff
(a) and monthly sediment yields (b) of Datong station
2.2 支流站点
嘉陵江流域北碚站流量与输沙率小波变换图式(图5)与干流站流量变化小波变换图式明显不同的是, 北碚站流量变化1 年周期存在间断现象, 且输沙率变化1 年周期间断现象更为明显, 大致在1985 年以后北碚站输沙率变化1 年周期彻底消失。据研究[7 ], 1963 年以来, 正是四川“三线”建设大规模开展的时间, 嘉陵江上游山区的植被遭到破坏, 随之而来在十年动乱中的毁林开荒使增沙趋势继续保持下去, 从而使1963 - 1968 年北碚站输沙率变化的小波功率谱值存在显著区域, 且此区域贯穿1 年, 0.5 年以及0.25 年等周期。从1968 年开始, 水库发挥了较强的拦沙作用, 使输沙率发生了显著下降, 从而使输沙率变化1 年周期自1968 年开始消失, 只有在长江流域发生1980 年与1983 年两次大洪水时, 输沙率小波功率谱在此两个时段显示两个较大的小波功率谱值显著区域, 显示水库对悬移质输沙拦截的影响。另外, 嘉陵江流域降水呈显著下降趋势[16 ], 从而造成北碚站流量也呈下降趋势[17 ], 流量与输沙量指数关系表明, 输沙量的变化对于流量的变化非常敏感, 北碚站年径流量变化分析表明[17 ] , 1985 年以来北碚站流量变化下降趋势显著, 从而导致北碚站悬移质输沙率显著下降, 从而影响其1 年, 甚至0.5 年与0.25 年的变化周期, 使这3 个周期组分在1985 年以后消失。
图5 北碚站流量(a) 与输沙率(b) 小波变换图式
Fig.5 Continuous wavelet power spectrum for the normalized time series of monthly runoff
(a) and monthly sediment yields (b) of Beipei station
3 结论
(1) 水利工程对流量变化的影响要远小于对河道输沙率的影响。同时, 输沙率变化受到多种因素的影响,这是文中所研究的5 个水文站输沙率变化小波变换图式较流量变化小波变换图式复杂的主要原因。流量的一个小的波动均可以导致输沙率较大的波动变化, 因此, 可以认为, 河道输沙率变化比流量变化更能反映流域气候变化、人类活动等对流域水沙变化的影响。
(2) 三峡大坝已经对长江中下游河道输沙率变化产生深远影响, 主要表现在输沙率1 年周期的变化上。从2003 年5月28日开始, 三峡水库的拦水截沙作用即开始出现, 随后下泄水沙逐步减少, 至5月31日拦沙率已达90 % , 6月8～9日甚至达99 % , 显示三峡水库对河道泥沙拦截的影响。水利工程对河道水沙变化的影响还受到流域尺度的影响, 流域尺度越小, 河道水沙变化受水利工程建设的影响就越敏感, 其滞后性就越短。嘉陵江流域的北碚站水沙变化受水利工程的影响较干流站受水利工程的影响敏感, 其影响的滞后期较干流站为短。
致谢: 本文所用水文数据均由水利部长江水利委员会水文局提供, 谨此致谢。
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作者简介: 张强(1974 - ) , 男, 山东沂水人, 副研究员, 博士, 主要从事气候变化与旱涝灾害、水文统计与模拟、长江流域河道演变与河道沉积物输移等研究.
