胡 強(qiáng)，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(lái)，由于氣候變化和人類(lèi)活動(dòng)的影響，鄱陽(yáng)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(yáng)湖流域的徑流量和輸沙量發(fā)生了一定的變化，水庫(kù)等水利工程的建設(shè)與水土保持工程對(duì)其有深刻的影響，引起了社會(huì)的廣泛關(guān)注[1-2]。贛江作為鄱陽(yáng)湖流域最大的河流，研究其水沙特征變化對(duì)河湖關(guān)系、流域開(kāi)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(duì)贛江外洲站1950～2016年徑流的變化特征進(jìn)行了分析。鄭海金[4]采用Mann-Kendall(M-K)法和T檢驗(yàn)法對(duì)贛江外洲站1970～2009年長(zhǎng)時(shí)間序列的年徑流量和年輸沙量進(jìn)行了分析。肖洋[5]采用肯德?tīng)栔却蜗嚓P(guān)檢驗(yàn)法、有序聚類(lèi)分析和秩和檢驗(yàn)法、小波分析法分析了贛江下游外洲站1950～2011年水沙的趨勢(shì)性、跳躍性和周期性等變化規(guī)律。國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)贛江水沙情勢(shì)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(kù)建設(shè)進(jìn)程加快，針對(duì)水庫(kù)建設(shè)對(duì)贛江流域近60 a長(zhǎng)序列特性變化趨勢(shì)的影響鮮有研究。因此，本文重點(diǎn)分析近60 a水庫(kù)建設(shè)對(duì)贛江流域水沙情勢(shì)的影響，為將來(lái)流域開(kāi)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(zhǎng)823 km，上游為典型的輻射狀水系，流域內(nèi)水系發(fā)達(dá)。贛江為鄱陽(yáng)湖水系五大河流之首，流域面積82 809 km2，占鄱陽(yáng)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(yáng)湖。流域東西窄而南北長(zhǎng)，南北最長(zhǎng)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(lái)源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)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(bǔ)延長(zhǎng))，數(shù)據(jù)來(lái)源于江西省水文局和《中國(guó)河流泥沙公報(bào)》。統(tǒng)計(jì)水庫(kù)包括大(1)型、大(2)型和中型水庫(kù)三類(lèi)，統(tǒng)計(jì)時(shí)間截止至2018年。贛江流域主要水文站點(diǎn)與水庫(kù)如圖1所示。

圖1 贛江流域主要水文站點(diǎn)與水庫(kù)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(guò)程線(xiàn)法、線(xiàn)性回歸法、Mann-Kendall(M-K)檢驗(yàn)法、雙累積曲線(xiàn)法及小波變換法等等。過(guò)程線(xiàn)法是最常用的分析方法，分別以時(shí)間、徑流量或輸沙量為橫縱坐標(biāo)，點(diǎn)繪流域徑流量與輸沙量隨時(shí)間的變化過(guò)程，可直觀反映流域水沙變化的趨勢(shì)。距平累積法是按時(shí)間序列將每年的距平值進(jìn)行累加，得到距平累積序列。結(jié)合水文序列實(shí)測(cè)值和距平累積曲線(xiàn)的波動(dòng)特征，可判斷水文序列演變的變化趨勢(shì)。雙累積曲線(xiàn)是將同期內(nèi)兩個(gè)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(yàn)、缺值的插補(bǔ)或資料校正，以及水文氣象要素的趨勢(shì)性變化及其強(qiáng)度的分析。

本文主要采用水沙過(guò)程線(xiàn)法、距平累積法和雙累計(jì)曲線(xiàn)法3種研究方法對(duì)贛江徑流量、輸沙量進(jìn)行變化特征和趨勢(shì)性分析。

3 結(jié)果與討論

3.1 贛江流域水庫(kù)建設(shè)歷程及現(xiàn)狀

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

表1 贛江流域新增水庫(kù)數(shù)量及庫(kù)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(kù)數(shù)量及庫(kù)容年際變化過(guò)程Fig.2 Interannual variation of reservoir quantity and storage capacity in Ganjiang River Basin

分析水庫(kù)數(shù)量變化過(guò)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(kù)數(shù)量增長(zhǎng)最快的時(shí)期，水庫(kù)總數(shù)從幾座增長(zhǎng)至1979年的100座，占已注冊(cè)登記數(shù)量的76%。其中大型水庫(kù)11座，占比68.8%，中型水庫(kù)89座，占比76.7%。20世紀(jì)80年代開(kāi)始，水庫(kù)建設(shè)數(shù)量增速較緩，1980～1989、1990～1999年兩個(gè)10 a間，大中型水庫(kù)建成數(shù)量分別為5，10座。2000～2018年，大中型水庫(kù)建設(shè)進(jìn)程明顯加快，新增大型水庫(kù)3座，中型水庫(kù)14座。

分析水庫(kù)庫(kù)容變化過(guò)程可知，贛江流域水庫(kù)建設(shè)可分為5個(gè)階段：① 1955～1957年緩慢增長(zhǎng)期。該時(shí)間段建有大中型水庫(kù)7座，總庫(kù)容僅9.34億m3，流域內(nèi)大(2) 型水庫(kù)僅1座(上猶江水庫(kù))，總庫(kù)容增長(zhǎng)緩慢。② 1958～1968年極速增長(zhǎng)期。1958年為水庫(kù)建設(shè)高峰期，新建中型水庫(kù)35座，總庫(kù)容增長(zhǎng)以中型水庫(kù)為主。至20世紀(jì)60年代末期，總庫(kù)容迅速增長(zhǎng)為43.95億m3，約為上一階段的1.7倍。③ 1969～1977年平緩增長(zhǎng)期。該時(shí)間段新增大型水庫(kù)2座(團(tuán)結(jié)水庫(kù)、萬(wàn)安水庫(kù))，20世紀(jì)70年代新增總庫(kù)容約為60年代的2倍。④ 1978～2009年平緩增長(zhǎng)期。20世紀(jì)80，90年代新增庫(kù)容1.3億，4.09億m3，21世紀(jì)前十年新增庫(kù)容5.22億m3。⑤ 2010～2018年快速增長(zhǎng)期。該時(shí)間段水庫(kù)總庫(kù)容增長(zhǎng)量超過(guò)前30 a的總和，總庫(kù)容增長(zhǎng)以大型水庫(kù)為主(峽江水利樞紐工程)。

從以上建設(shè)過(guò)程來(lái)看，贛江流域水庫(kù)建設(shè)進(jìn)程近年來(lái)明顯加快，水庫(kù)數(shù)量、總庫(kù)容均有較大的提升。

3.2 贛江流域水沙情勢(shì)變化

3.2.1年際變化

由水沙變化特征統(tǒng)計(jì)成果(表2，3)可知：贛江壩上、吉安、外洲3個(gè)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(zhǎng)江流域降雨量增加的影響，但年徑流量序列總體無(wú)顯著變化趨勢(shì)。20世紀(jì)輸沙量呈減少趨勢(shì)，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(shì)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(guò)程線(xiàn)(見(jiàn)圖3)可知：3個(gè)站的徑流量年際變化比較平緩，輸沙量的年際波動(dòng)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(jì)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(guò)程線(xiàn)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(jì)成果(見(jiàn)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(shì)。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(jì)Tab.4 Annual variation characteristics of water and sediment in Ganjiang River Basin

3.2.3變化趨勢(shì)分析

繪制壩上、吉安、外洲站年徑流量、輸沙量距平累積曲線(xiàn)(見(jiàn)圖4～5)。60余年來(lái)，贛江徑流量呈上升與下降交替變化的波動(dòng)趨勢(shì)，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(dòng)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(dòng)減少的趨勢(shì)，1973～1991年徑流表現(xiàn)為增長(zhǎng)與減小交替，這與文獻(xiàn)[9]的結(jié)論相近。徑流量突變時(shí)間方面，彭俊[10]、孫鵬[11]、游海林[3]等認(rèn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)來(lái)看，60余年來(lái)贛江輸沙量呈單一的先增長(zhǎng)后減少的趨勢(shì)。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(shí)間方面，彭俊[10]、劉星根[12-13]分析認(rèn)為外洲站輸沙序列突變點(diǎn)為1996，1995年，孫鵬[8]、熊森雅[14]認(rèn)為1989，1998年突變極顯著，顧朝軍[9]等認(rèn)為外洲站輸沙量分別在1984和1992年發(fā)生突變。

3.3 水庫(kù)建設(shè)對(duì)水沙情勢(shì)的影響

國(guó)內(nèi)學(xué)者的研究成果表明，水庫(kù)建設(shè)是流域水沙變化的重要影響因素之一[12]。為進(jìn)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(xiàn)(見(jiàn)圖6)。

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

壩上站累積曲線(xiàn)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(kù)油羅口水庫(kù)基本完工。1984年，贛江上游進(jìn)行了水土流失試驗(yàn)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(diǎn)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(duì)于1980 s，平均輸沙量分別減少25.1%，61.3%。

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

外洲站累積曲線(xiàn)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(kāi)工建設(shè)5座，分別為白云山水庫(kù)、社上水庫(kù)、長(zhǎng)岡水庫(kù)、老營(yíng)盤(pán)水庫(kù)、油羅口水庫(kù)。② 第2次轉(zhuǎn)折出現(xiàn)在1991年。1990年建成的萬(wàn)安水庫(kù)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(kù)峽江水利樞紐工程(庫(kù)容11.87億m3)實(shí)現(xiàn)截流，改變了年輸沙量的年際變化。由表3可知，水庫(kù)建設(shè)導(dǎo)致2010～2017相對(duì)于2000～2009平均輸沙量減少30.3%。

因此，大型水庫(kù)的建設(shè)與流域輸沙量有很強(qiáng)的相關(guān)性。

4 結(jié) 論

(1) 近年來(lái)，贛江流域水庫(kù)建設(shè)進(jìn)程明顯加快，水庫(kù)數(shù)量、總庫(kù)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(wú)顯著變化，呈現(xiàn)上升與下降交替變化的波動(dòng)趨勢(shì)；輸沙量呈先增長(zhǎng)后減少的趨勢(shì)，在1990年后更為顯著。

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