湖南資水水沙變化特征及成因分析

(1.郴州水文水資源勘測局，湖南 郴州 423000；2.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué) 生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院，湖南 長沙 410128； 3.湖南省水文水資源勘測局，湖南 長沙 410000)

資水是湖南第三大河，西以雪峰山與沅江分界，東隔衡山與湘江毗鄰，左源為發(fā)源于湖南省城步縣北茅坪黃馬界的赧水，右源為發(fā)源于廣西資源縣的夫夷水，兩河在邵陽縣雙江口匯合后始稱資水。資水流經(jīng)邵陽市納邵水，新邵以下納石馬江、大洋江、渠江，安化以下納數(shù)溪、洢溪、沂溪等支流，于益陽市甘溪港注入洞庭湖。資水流域面積28 211 km2，全長653 km，平均坡降1.44%。資水流域地勢西南高東北低，自西南蜿蜒流向東北，上下游海拔相差較大；河流大部分流經(jīng)丘陵與山谷，河谷兩岸山脈逼近，雨水集流快，河流水位陡漲陡落，具有山溪性河流的特征。

河川徑流受氣候、地貌、植被等自然條件以及人類活動的綜合影響。隨著全球變暖和人類活動影響的加劇，徑流發(fā)生了顯著的時空變化，直接影響了流域水資源的配置、開發(fā)與利用，以及河流生態(tài)系統(tǒng)的物理、化學(xué)和生物過程[1-2]。為了實現(xiàn)水資源的優(yōu)化管理和可持續(xù)利用，研究水資源在氣候變化和人類活動影響下的時空變化規(guī)律具有重大意義[3]。

本文運用M-K趨勢檢驗和雙累積曲線法討論資水水沙演變的趨勢性和突變性，并對成因進(jìn)行分析，以期為資水流域水資源管理、資水尾閭濕地生態(tài)保護(hù)提供參考。

1 數(shù)據(jù)來源和研究方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

桃江站為資水入洞庭湖控制站，集水面積26 748 km2，控制資水流域面積的 94.8%。研究的主要數(shù)據(jù)包括資水1956～2016年的年降雨量、桃江站1956～2016年逐月徑流量和1959～2016年輸沙量。

1.2 研究方法

(1)采用Mann-Kendall非參數(shù)秩次相關(guān)檢驗法(簡稱“M-K法”)[4]，檢驗徑流量和輸沙量時間序列的趨勢性和突變性。當(dāng)統(tǒng)計變量Z為正值時表示增加趨勢，為負(fù)值時表示減少趨勢，絕對值大于等于1.28,1.64,2.32時分別表示通過90%，95%，99%的檢驗。用M-K法檢測突變時，UFK為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布，若UFK的絕對值大于Uα/2時，表示序列趨勢變化明顯。當(dāng)UFk與UBk在臨界線之間有交點時，交點所對應(yīng)時間為突變開始的時間。

(2)采用雙累積曲線法檢驗輸沙量和徑流量變化的趨勢轉(zhuǎn)折點。該方法是檢驗兩個參數(shù)間關(guān)系一致性及其變化的常用方法。雙累積曲線是在直角坐標(biāo)系中繪制的同期內(nèi)一個變量的連續(xù)累積值與另一個變量連續(xù)累積值的關(guān)系線，它可用于水文氣象要素一致性的檢驗、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[5]。

2 資水水沙變化特征

2.1 年徑流量變化

桃江站1956～2016年的多年平均流量為 223.7×108m3，采用M-K法檢驗，Z=0.70，無明顯變化趨勢。逐年徑流量變化呈波動狀態(tài)(見圖1)，最小值(135.5×108m3)出現(xiàn)在1963年，最大值(358.9×108m3)出現(xiàn)在1994年。

圖1 1956～2016年資水徑流量的變化

圖2 資水不同年代徑流量年內(nèi)分配的變化

2.2 月徑流量變化

資水桃江站徑流量年內(nèi)分配不均，每年3月至8月為豐水期，9月至次年的2月為枯水期，徑流量最大值出現(xiàn)在5月，最小值出現(xiàn)在12月。不同年代的徑流量年內(nèi)分配變化見圖2。月徑流量最大值(89.16×108m3)出現(xiàn)在1998年6月，最小值(1.551×108m3)出現(xiàn)在1956年12月。1950s，1960s，1970s和1980s中連續(xù)最大月徑流量出現(xiàn)在4～6月，3個月的總徑流量分別占4個不同年代全年徑流量的55.4%，45.4%，45.5%和37.2%。1990s，2000s和2010s中連續(xù)最大月徑流量出現(xiàn)在5～7月，3個月的總徑流量分別占3個年代全年徑流量的41.8%，42.3%和53.5%。

M-K法檢驗結(jié)果(見圖3)表明：①1月(Z=2.49)和7月(Z=2.39)通過置信水平檢驗，月徑流量有明顯上升趨勢(見圖3(a))，突變時間均發(fā)生在1965年。1956～1964年1月平均徑流量為6.666×108m3, 1965～2016年1月平均徑流量為10.58×108m3，增加58.7%。②1956～1964年7月平均徑流量為14.59×108m3,1965～2016年7月平均徑流量為 28.36×108m3，增加94.4%(見圖3(b) )。③5月Z值為-1.86，呈顯著下降趨勢，突變時間發(fā)生在1959年。1956～1958年5月平均徑流量為 59.64×108m3,1959～2016年5月平均徑流量為33.42×108m3，減小44.0%(見圖3(c))。其他各月的Z的絕對值均小于1.64，無趨勢變化。

圖3 桃江站1，7月和5月徑流量M-K法檢驗統(tǒng)計值

2.3 年輸沙量變化

桃江站1959～2016年的多年平均輸沙量為141×104t，總體呈波動下降趨勢(見圖4)。年輸沙量最大值(583×104t)出現(xiàn)在1969年，最小值(2.47×104t)出現(xiàn)在2009年。

圖4 資水桃江站年輸沙量變化

M-K法檢驗表明：Z值為-4.15，1959～2016年輸沙量呈明顯下降趨勢，突變時間為1999年(見圖5)。1956～1998年年平均輸沙量180×104t， 1999～2016年的年平均輸沙量53.8×104t，減少了 70.1%。

3 成因分析

3.1 徑流量變化

對資水年降雨量與年徑流量進(jìn)行了線性回歸分析[6]，二者高度相關(guān)(R2=0.732 8，見圖6)。用M-K法對1956～2016年年降雨量進(jìn)行分析，Z值為 0.89，年降雨量無明顯變化趨勢。分析結(jié)果表明，資水流域年降雨量在近60多年里保持相對穩(wěn)定，逐月徑流量的突變可能是人為調(diào)控的結(jié)果。眾多研究表明，水利工程的建設(shè)極大改變了流域徑流在上下游間和季節(jié)間的既有分配格局，導(dǎo)致自然水文情勢的變化[7-8]。資水流域現(xiàn)已建5座大型水庫：柘溪(Ⅰ級，)、筱溪(Ⅱ級)、馬跡塘(Ⅱ級)、修山(Ⅱ級)和六都寨(Ⅱ級)，均以發(fā)電為主，兼顧防洪、灌溉、航運及其他綜合利用。其中，柘溪水庫是資水流域最大的水庫，總庫容是其他大型水庫總庫容之和的 6.9倍，占多年年均徑流量的16.0%。柘溪水庫修建于1960s初期，與逐月徑流量1月，5月，7月發(fā)生的突變時間吻合，水庫蓄水削峰防洪和水力發(fā)電等人為分配調(diào)節(jié)導(dǎo)致月徑流量發(fā)生顯著變化。

圖6 資水1956～2016年降雨量與年徑流量關(guān)系

3.2 輸沙量

1959～2016年徑流量和輸沙量雙累積曲線檢驗(見圖7)表明， 轉(zhuǎn)折期出現(xiàn)在1999年， 與M-K法檢驗結(jié)果一致。 采用雙累積曲線趨勢方程對資水桃江站1999～2016年輸沙量進(jìn)行估算， 資水入洞庭湖輸沙總量人為減少 2.124×107t， 年均減少118×104t， 占多年平均年輸沙量的83.7%。 導(dǎo)致輸沙量變化的主要原因包括徑流變化[9]、 水庫修建[10]和流域生態(tài)環(huán)境(水土保持工程)改善等。 柘溪水庫修建于20世紀(jì)60年代初， 該研究所用輸沙量資料始于1959年， 難以檢驗柘溪水庫對資水流域年輸沙量的實際影響。 1956～2016年流域年降雨量和年徑流量的趨勢檢驗表明， 二者皆沒有顯著趨勢性變化， 因此基本可以判定水庫修建和水土保持工程建設(shè)是導(dǎo)致資水流域年輸沙量減少的主要原因。 資水流域建成大中型水庫40余座， 總庫容19×108m3， 水庫建設(shè)是導(dǎo)致資水流域輸沙量變化的重要驅(qū)動因素[11]。 1980s以來， 湖南省廣泛開展綠化造林、 封山育林和生態(tài)公益林建設(shè)等[12]， 對改善流域生態(tài)環(huán)境， 減少資水流域產(chǎn)沙過程也發(fā)揮了重要作用。

圖7 資水1959～2016年年徑流量與年輸沙量雙累積曲線變化

4 結(jié) 論

基于1956～2016年資水桃江站長時間水文系列資料分析結(jié)果表明：

(1)資水流域1956～2016年年徑流量總體呈波動狀態(tài)，無明顯變化趨勢；1月與7月徑流量在1965年后有顯著增加趨勢；5月徑流量在1959年后有顯著下降趨勢；月徑流量格局的變化主要受柘溪水庫建設(shè)的影響。

(2)資水流域1959～2016年輸沙量總體呈明顯下降趨勢，突變時間發(fā)生在1999年，年輸沙量發(fā)生變化的主要原因是流域梯級水庫的修建和流域生態(tài)環(huán)境改善措施的實施。