荊江三口入洞庭湖水沙演變及成因分析

謝永宏，李 峰，陳心勝，侯志勇

（1.中國(guó)科學(xué)院亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)過(guò)程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南長(zhǎng)沙410125；2.中國(guó)科學(xué)院亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所洞庭湖濕地生態(tài)系統(tǒng)觀測(cè)研究站，湖南岳陽(yáng)414018）

洞庭湖位于湖南省東北部，長(zhǎng)江中游荊江南岸，為中國(guó)第二大淡水湖，是長(zhǎng)江中游最重要的行蓄洪湖泊之一，發(fā)揮著巨大的調(diào)蓄洪水和保護(hù)生物多樣性等重要生態(tài)服務(wù)功能。洞庭湖總面積2625 km2，其多年平均地表徑流達(dá)3126×108m3，約為鄱陽(yáng)湖的3倍，太湖的10倍。入湖徑流按來(lái)源通常分為長(zhǎng)江三口（原為四口，因調(diào)弦口于1958年封堵后只剩下三口）、湖南四水及區(qū)間三部分，其中來(lái)自三口的為1119×108m3，占37.1%，在洞庭湖水資源組成中占有重要地位。洞庭湖的泥沙沉積主要來(lái)自于長(zhǎng)江，湖床年均淤高3.7cm，對(duì)濕地系統(tǒng)演化趨勢(shì)和方向起著決定性作用[1]。近年來(lái)，由于氣候異常、人類高強(qiáng)度干擾（如大型水利工程建設(shè)）等多重因素的影響，湖泊泥沙淤積嚴(yán)重，濕地面積不斷萎縮，洪澇災(zāi)害加劇，生物多樣性受損，生物災(zāi)害頻發(fā)等多種生態(tài)環(huán)境問(wèn)題日趨嚴(yán)峻[2]，而最近幾年（尤其是三峽水庫(kù)蓄水后）幾乎年年都發(fā)生的水資源短缺事件尤為引人關(guān)注，并引發(fā)人們對(duì)濕地生態(tài)環(huán)境加劇惡化的擔(dān)憂[3]。因此，闡明流域水沙演變趨勢(shì)是濕地生態(tài)環(huán)境保護(hù)的重要基礎(chǔ)性工作之一。

河流水沙變化一直是河流地貌、水利工程等領(lǐng)域倍受關(guān)注的科學(xué)問(wèn)題[4,5]。水文特征如水沙的流動(dòng)對(duì)很多因素都很敏感，包括水利工程（如水庫(kù)、大壩、水管理措施）、土地利用變化以及氣候變化等[6,7]。一直以來(lái)，三口水沙演變及其與荊江的關(guān)系一直是生態(tài)水文學(xué)研究的熱點(diǎn)問(wèn)題之一?，F(xiàn)有研究表明，近幾十年來(lái)，荊江三口年徑流量和年輸沙量一直處于減少狀態(tài)，同時(shí)，結(jié)合大型人類活動(dòng)干擾進(jìn)行了分析[3,8-11]。然而，這些研究基本屬于定性研究，量化研究較少?；诖?，本研究的主要目的是通過(guò)Mann-Kendall趨勢(shì)突變檢驗(yàn)、雙累積曲線等方法探討荊江三口入洞庭湖水沙演變的規(guī)律性、突變性及其成因，以期為長(zhǎng)江水資源的管理，洞庭湖治理規(guī)劃的制定以及洞庭湖濕地生態(tài)環(huán)境的保護(hù)提供依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)來(lái)源和研究方法

1.1 水沙數(shù)據(jù)

長(zhǎng)系列水沙數(shù)據(jù)來(lái)源于長(zhǎng)江水利委員會(huì)和《長(zhǎng)江泥沙公報(bào)2003-2008》[12]。本研究以新江口和沙道觀水文站（松滋口）、彌陀市水文站（太平口）、康家崗和管家鋪水文站（藕池口）1956-2008年的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)作為荊江三口入洞庭湖水沙演變分析的基礎(chǔ)，以枝城水文站分析荊江水沙演變（圖1）。主要指標(biāo)包括年徑流量和年輸沙量，三口年徑流量和年輸沙量為松滋口、太平口和藕池口之和。

1.2 研究方法

主要研究方法如下：

（1）采用非參數(shù)Mann-Kendall（以下簡(jiǎn)稱M-K）法檢驗(yàn)趨勢(shì)突變點(diǎn)，具體計(jì)算方法參見(jiàn)符宗斌等[13]。M-K法以時(shí)間序列平穩(wěn)為前提,且時(shí)間序列是隨機(jī)獨(dú)立的，其概率分布等同。設(shè)定原假設(shè)H0：在時(shí)間序列沒(méi)有變化的情況下，設(shè)此序列為x1、x2、x3… xm,用 mi表示第 i個(gè)樣本 xi大于 xj(1≤j≤i)的累計(jì)數(shù),則可以定義統(tǒng)計(jì)量(2≤k≤n)。在原序列隨機(jī)獨(dú)立的假定下，dk的均值、方差分別為:E[dk]=k(k-1)/4，var[dk]=k(k-1)(2k+5)/72(2≤k≤n)。將 dk標(biāo)準(zhǔn)化，得到標(biāo)準(zhǔn)變化量，則UFk=(k=1,2,3…n)，當(dāng) k＞10 時(shí)，UFk收斂于標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布。原假設(shè)H0無(wú)趨勢(shì)，采用雙邊趨勢(shì)檢驗(yàn)，給定一定顯著水平a，在正態(tài)分布表中查得臨界值Ua/2。當(dāng)時(shí)，接受原假設(shè)，則趨勢(shì)不顯著；當(dāng)時(shí),拒絕原假設(shè)，即認(rèn)為趨勢(shì)顯著，且UFk值為正表明具有上升或增加趨勢(shì)，UFk值為負(fù)則意味著下降或者減少趨勢(shì)。把此方法引到反序列中，即按時(shí)間序列 x 逆序 xn、xn-1、xn-2… x1，再重復(fù)上述過(guò)程,同時(shí)使 UBk=-UFk(k=n、n-1、…1)。UFk和 UBk在圖中分別以曲線C1和C2表示，兩條曲線在時(shí)間序列的某一部分發(fā)生交叉，交叉點(diǎn)便是突變點(diǎn)，如果突變點(diǎn)位于給定置信度水平線之間，則突變時(shí)間在統(tǒng)計(jì)意義上是顯著的。

（2）采用雙累積曲線法檢驗(yàn)?zāi)陱搅髁亢湍贻斏沉坷鄯e變化的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。同時(shí)，通過(guò)轉(zhuǎn)折點(diǎn)的獲取估計(jì)了不同時(shí)段的減沙量，即通過(guò)前一時(shí)段的線性模擬方程按后一時(shí)段最后一年的累積徑流量換算得到的后一時(shí)段最后一年理論累積輸沙量。減少輸入總量為后一時(shí)段最后一年的理論累積輸沙量與實(shí)際累積輸沙量的差值，平均減少量為減少輸入總量與后一時(shí)段年數(shù)的比值。

2 荊江枝城站年徑流量和年輸沙量的演變和突變特征

2.1 年徑流量

荊江枝城站在1956-2008年的徑流量多年平均為4406×108m3，總體呈波動(dòng)狀態(tài)（圖2 a）。從重大人類干擾所發(fā)生的不同時(shí)段來(lái)看，除三峽水庫(kù)運(yùn)行后的2003-2008年有所下降外（4113×108m3），總體呈比較穩(wěn)定的趨勢(shì)，如1956-1966年（裁彎前）為 4525× 108m3，1967-1972年（裁彎中）為4302×108m3，1973-1980 年（裁彎 后）為 4441×108m3，1981-2002年（葛洲壩運(yùn)行后）為4441×108m3。2003-2008年間徑流量偏少可能與該時(shí)期內(nèi)長(zhǎng)江上中游地區(qū)雨水偏少密切相關(guān)[3]。M-K統(tǒng)計(jì)分析表明，枝城站年徑流量53a來(lái)呈波動(dòng)變化，且一直處于置信區(qū)間內(nèi)變動(dòng)（＜1.96,P上或P下＞0.05），說(shuō)明未發(fā)生明顯變化。

2.2 年輸沙量

枝城站在1956-2008年輸沙量年平均為449.9×106t，總體上呈波動(dòng)下降趨勢(shì)，以2003年后尤為顯著（圖2b）。從不同時(shí)段看，年輸沙量呈下降趨勢(shì)，1956-1966年（裁彎前）為553.1×106t，1967-1972 年（裁彎中）為 503.6×106t，1973-1980年（裁彎后）為512.5×106t,1981-2002年（葛洲壩運(yùn)行后）為464.4×106t，2003-2008年（三峽水庫(kù)蓄水運(yùn)行后）僅為70.4×106t。M-K統(tǒng)計(jì)分析表明，53a枝城站年輸沙量總體上呈極顯著下降趨勢(shì)（Z=-4.733,P下＜0.01），但存在多個(gè)上升-下降過(guò)程。突變時(shí)間為2003年，且在2000年突破95%的置信區(qū)間?？梢?jiàn)三峽水庫(kù)蓄水運(yùn)行后荊江年輸沙量發(fā)生了實(shí)質(zhì)性變化。

3 荊江三口年徑流量和年輸沙量的演變和突變特征

3.1 年徑流量

三口在1956-2008年徑流量多年平均為859×108m3，占枝城站年平均徑流量的比例(分流比)為19.5%，總體呈明顯下降狀態(tài)（圖3 a）。從不同時(shí)段來(lái)看，年徑流量和分流比均呈明顯下降趨勢(shì)，如1956-1966年（裁彎前）年徑流量為1332×108m3，分流比為29.4%；1967-1972年（裁彎中）年徑流量為1022×108m3，分流比為23.7%；1973-1980年（裁彎后）年徑流量為835×108m3,分流比為18.8%；1981-2002年（葛洲壩運(yùn)行后）年徑流量為685×108m3,分流比為15.4%；2003-2008年（三峽水庫(kù)蓄水運(yùn)行后）年徑流量?jī)H為499×108m3,分流比為12.1%，如上所述，長(zhǎng)江上游雨水偏少，也會(huì)導(dǎo)致三口年徑流量減少。M-K統(tǒng)計(jì)分析表明，三口年徑流量53a來(lái)總體上呈極顯著的下降趨勢(shì)（Z=-6.574,P下＜0.001），但存在多個(gè)上升-下降過(guò)程。突變時(shí)間為1979年，且在1976年突破95%的置信區(qū)間?？梢?jiàn)，裁彎后三口年徑流量發(fā)生了實(shí)質(zhì)性變化。

3.2 年輸沙量

三口在1956-2008年輸沙量多年平均為196×106t，占枝城站年平均輸沙量的比例(分沙比)為24.7%，總體呈明顯下降趨勢(shì)（圖3a）。從不同時(shí)段來(lái)看，年輸沙量和分沙比均呈明顯下降趨勢(shì)，如1956-1966年（裁彎前）年輸沙量為196.0×106t，分沙比為35.4%；1967-1972年（裁彎中）年輸沙量為142.0×106t，分沙比為28.2%；1973-1980年（裁彎后）年輸沙量為110.8×106t，分沙比為21.6%；1981-2002年（葛洲壩運(yùn)行后）年輸沙量為86.6×106t，分沙比為 18.7%；2003-2008年（三峽水庫(kù)蓄水運(yùn)行后）年輸沙量為13.5×106t，分沙比為19.2%。M-K統(tǒng)計(jì)分析表明，三口年輸沙量53a來(lái)總體上呈極顯著下降趨勢(shì)（Z=-7.203,P下＜0.001），但存在多個(gè)上升-下降過(guò)程。突變時(shí)間為1989年，且在1973年突破95%的置信區(qū)間，說(shuō)明裁彎后三口年輸沙量發(fā)生了實(shí)質(zhì)性變化。

圖3 荊江三口代表性水文站1956-2008年的年徑流量（a）和年輸沙量（b）變化特征

4 成因分析

4.1 年徑流量

荊江三口年徑流量的變化與長(zhǎng)江上游來(lái)水關(guān)系密切，因此，影響長(zhǎng)江上游來(lái)水的因素都能影響到三口入湖徑流，包括大型水利工程（如水庫(kù)）、降水量、居民和工農(nóng)業(yè)用水量變化等。通過(guò)枝城水文站與三口年徑流量的雙累積曲線分析表明（圖4），1973年為唯一的一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，經(jīng)計(jì)算，1973-2008年間共減少入湖徑流量為7142.9×108m3，年平均減少198.4×108m3。1967-1972年間為荊江干流人工和自然裁彎時(shí)期，包括1967年5月實(shí)施的中洲子人工裁彎，縮短河長(zhǎng)32.4 km；1969年6月上車灣人工裁彎，縮短河長(zhǎng)29.2 km；1972年7月l9日沙灘子自然裁彎，縮短河長(zhǎng)19 km。裁彎工程完成后，荊江河長(zhǎng)共縮短了約78m，河道曲率由原來(lái)的2.83減少為1.93，荊江水力梯度增加，致使三口分流的流速和流量迅速下降[8,9]。同時(shí)，裁彎導(dǎo)致了下荊江段（藕池口至城陵嘰）比上荊江段（枝城至藕池口）更為強(qiáng)烈的沖刷作用，致使水面比降下降而相對(duì)抬高了三口分流水位，三口分流的流速和流量進(jìn)一步下降。事實(shí)上，裁彎的影響極其深遠(yuǎn)，即使在1980年葛洲壩建成后，其影響仍未停止,荊江仍處于不斷沖刷狀態(tài)，且下荊江段比上荊江段更為強(qiáng)烈[9,14,15]。因此，裁彎是引起三口年徑流量下降的主要原因。盡管此后葛洲壩樞紐工程、三峽水庫(kù)等大型水利工程的建設(shè)，均未對(duì)三口年徑流量的變化產(chǎn)生實(shí)質(zhì)性影響。

除裁彎影響荊江河床的變化外，三口分流河道持續(xù)淤積的影響也是不可忽略的。據(jù)統(tǒng)計(jì)，三口分流河道特別是其尾閭淤積嚴(yán)重，除新江口斷面相對(duì)穩(wěn)定，三口分流河道其他控制斷面河床均呈現(xiàn)單向淤積，1966-1995年期間，沙道觀水文斷面河床平均淤積厚度約1.6m，彌陀寺淤厚1.5m，康家崗和管家鋪兩水文斷面淤厚約4.6m，尾閭河段淤積厚度約為1-2m，局部淤積厚度達(dá)4m。三口分流河道的累積淤積，導(dǎo)致同水位情況下過(guò)流能力降低[11]。因此，受干流及洞庭湖演變等眾多因素的影響，三口分流河道發(fā)生淤積，過(guò)流能力降低，也是影響三口分流減少的原因之一。

圖4 1956-2008年荊江（枝城）和三口間年徑流量雙累積曲線變化

4.2 年輸沙量

荊江三口年輸沙量變化的原因可分兩個(gè)方面，一是自然因素（如降水）導(dǎo)致的年徑流量變化；二是長(zhǎng)江上中游人類活動(dòng)干擾。泥沙移動(dòng)是伴隨水文而發(fā)生的自然現(xiàn)象，即年徑流量對(duì)年輸沙量的調(diào)控作用非常明顯。M-K分析曲線表明，在某些特定時(shí)段（如1956-1972年，1973-2002年，2003-2008年），枝城和三口的徑流量和輸沙量具有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，即年徑流量大，年輸沙量也大。雙累積曲線分析表明，荊江三口年輸沙量有2個(gè)轉(zhuǎn)折期，即1973年和2003年（圖5a）。經(jīng)計(jì)算，1973-2002年間荊江三口共減少的泥沙量為2732.5×106t，年均減少91.1×106t。此段時(shí)間內(nèi)，枝城站和三口的年徑流量和年輸沙量的雙累積曲線關(guān)系均未發(fā)生明顯變化（圖5b,5c），而三口年徑流量和年輸沙量的減少可能仍是裁彎持續(xù)影響的結(jié)果?？梢?jiàn)，荊江人工和自然裁彎導(dǎo)致三口徑流量的持續(xù)減少也是年輸沙量減少的最主要因子。

經(jīng)雙累積曲線方程計(jì)算表明，2003-2008年間荊江三口共減少泥沙量為603.0×106t，年均減少100.5×106t。此時(shí)期枝城站共減少泥沙量為3332.9×106t，年均減少555.5×106t。2003年三峽水庫(kù)蓄水運(yùn)行后，由于庫(kù)內(nèi)攔蓄了約70%的入庫(kù)泥沙（年平均約141.5×106t），庫(kù)壩下游宜昌站年輸沙量比多年平均值減少約80%[16]。經(jīng)計(jì)算，三口的年懸浮泥沙濃度由1991-2002年的1.05 kg/m3大幅下降為2003-2008年的0.25 kg/m3，降幅達(dá)76.2%?？梢?jiàn)，三峽水庫(kù)蓄水后的攔沙作用對(duì)荊江三口輸沙量的減少起到了關(guān)鍵作用。同時(shí)，長(zhǎng)江上游大量水庫(kù)的建設(shè)也是不可忽略的，如在金沙江和嘉陵江干流所修建的大量梯級(jí)水利樞紐工程均具有較大的調(diào)水?dāng)r沙作用，對(duì)減少或減緩三峽水庫(kù)回水變動(dòng)區(qū)的泥沙淤積具有重要作用[17]。此外，長(zhǎng)江上游不斷開(kāi)展的水土保持工程可進(jìn)一步減少三峽水庫(kù)入庫(kù)泥沙量，也有助于三口輸沙量的減少。

圖5 1951-2008年荊江（枝城）或三口年徑流量和年輸沙量雙累積曲線變化

不可否認(rèn)，三峽水庫(kù)蓄水運(yùn)行后荊江三口泥沙輸入的減少使洞庭湖泥沙總輸入量大幅下降，進(jìn)而導(dǎo)致洞庭湖泥沙沉積量大幅減少，有可能達(dá)到泥沙的輸入輸出平衡，這對(duì)洞庭湖濕地演變將產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響，更有助于延緩湖泊老化[18]。然而，三峽水庫(kù)作為季調(diào)節(jié)水庫(kù)，其蓄水運(yùn)行盡管未對(duì)年徑流量產(chǎn)生實(shí)質(zhì)性影響，但可能對(duì)某些特定時(shí)段的徑流量產(chǎn)生影響[19]，進(jìn)而對(duì)洞庭湖濕地水文環(huán)境（如水位）產(chǎn)生影響而促使?jié)竦厣鷳B(tài)系統(tǒng)發(fā)生正向或逆向演替，尚需進(jìn)一步研究。

5 結(jié)論

（1）1956-2008年間枝城年徑流量2003年后有所偏低，可能與長(zhǎng)江上游降水量偏低有關(guān)，但無(wú)顯著性變化；枝城年徑流量、三口年徑流量和年輸沙量總體上呈顯著下降趨勢(shì)。

（2）M-K突變分析表明，枝城年徑流量、三口年徑流量和年輸沙量發(fā)生突變時(shí)間分別為2003年，1979年和1989年，突破5%置信區(qū)間時(shí)間分別為2000年，1976年和1973年。

（3）雙累積曲線法消除徑流量的影響后表明，三口年徑流量只有1973年一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，但年輸沙量有1973年和2003年兩個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)。荊江裁彎是1973年轉(zhuǎn)折點(diǎn)形成的主要原因，特點(diǎn)是通過(guò)徑流量的減少導(dǎo)致輸沙量的減少；三峽水庫(kù)蓄水運(yùn)行是2003年轉(zhuǎn)折點(diǎn)形成的主要原因，特點(diǎn)是懸浮泥沙濃度大幅下降而減少輸沙量。

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