1960-2015年洞庭湖水資源演變特征分析

徐幸儀，伍佑倫，盛 東，何懷光

(湖南省水利水電科學研究院，湖南 長沙 410007)

1 研究背景

水資源是人類生存和發(fā)展不可缺少的重要自然資源，當今水問題日益增多，流域水資源短缺嚴重制約了經(jīng)濟社會發(fā)展[1-2]。通過水資源演變分析，定量研究水資源時空變化規(guī)律并分析其驅(qū)動影響機制，對進一步保護和利用水資源具有重要意義[3]。

洞庭湖是長江中游重要的調(diào)蓄型湖泊，洞庭湖湖泊水資源的保護及管理尤為重要，把握湖泊水資源演變規(guī)律是當今的研究熱點[4-5]。近幾十年來，長江中游及洞庭湖經(jīng)歷過多次工程干預(yù)，如調(diào)弦堵口、下荊江裁彎、三峽水庫建設(shè)等眾多水利工程[6-7]，在全球氣候變化背景下，伴隨著強烈的人類活動，長江與洞庭湖的江湖關(guān)系多變，水資源及生態(tài)資源受到嚴重影響[8-11]。周蕾等[12]基于1956-2015年湖區(qū)實測水文數(shù)據(jù)，利用Mann-Kendall突變檢驗法及主成分分析法研究洞庭湖水位演變特征及驅(qū)動因素；李景保等[13-14]基于三峽運行前后洞庭湖區(qū)長序列實測水文數(shù)據(jù)，對比分析三峽水庫運行對洞庭湖水文情勢的影響；段蘊歆等[15]基于1990-2017年監(jiān)利、城陵磯、螺山水位及流量數(shù)據(jù)，分析三峽水庫運行后的新江湖關(guān)系及江湖交匯區(qū)的頂托作用。前人對洞庭湖區(qū)內(nèi)水位及流量特征變化規(guī)律的研究較多且成果豐富，但以往對洞庭湖水資源的研究多集中在四水、三口和洞庭湖出口斷面等處[16-17]，且水量與水位多為分開單獨研究[18-20]，關(guān)于長江上游來水量及其過程、洞庭湖出口及下游長江水量與水位對洞庭湖水資源演變特征影響的研究較少。

本研究分別選取枝城站、城陵磯(七里山)以及螺山站共3處代表站進行研究，基于長序列水位及流量數(shù)據(jù)，分析洞庭湖1960-2015年的水資源演變情況及長江水文情勢對洞庭湖水資源變化的影響，研究成果可為分析長江與洞庭湖的江湖關(guān)系、洞庭湖水資源的優(yōu)化配置以及洞庭湖的生態(tài)保護等提供重要的參考。

2 研究區(qū)域概況

洞庭湖(東經(jīng)111°14′～113°10′，北緯28°30′～30°23′)是長江出三峽進入中下游平原后的第一個通江大湖，地跨湖南、湖北兩省，是我國第二大淡水湖[21-24]。特殊的地理位置和來水條件使洞庭湖水資源變化一直受到廣泛關(guān)注。洞庭湖作為大型的通江湖泊，其水資源不僅受氣候因素等自然條件的影響，同時也受到人類活動的顯著影響，特別是近50年來水利工程等人類活動影響加劇，洞庭湖水資源呈現(xiàn)出新的特征[25-27]。湖區(qū)面臨水質(zhì)性缺水和季節(jié)性缺水并存的局面；水生態(tài)功能呈退化態(tài)勢，濕地萎縮，生物多樣性降低；水質(zhì)下降，水污染防治壓力加劇[28-30]，對湖區(qū)人民的生產(chǎn)和生活產(chǎn)生了不利影響。研究區(qū)域水系及水文控制站點分布見圖1。

圖1 研究區(qū)域水系及水文控制站點分布

3 研究方法

為研究洞庭湖水資源的年際和年內(nèi)變化特征，采用Mann-Kendall突變檢驗方法對研究區(qū)域內(nèi)3個控制性水文站枝城站、城陵磯(七里山)站、螺山站(下簡稱3站)1960-2015年的年徑流量和年平均水位進行變化趨勢分析，并對三峽工程運行前后(1995-2015年)3站的月平均流量和月平均水位進行分析。

Mann-Kendall檢驗方法是一種非參數(shù)的統(tǒng)計檢驗方法[31]。該方法不僅計算簡便，而且可以明確突變開始的時間和突變區(qū)域，更適用于類型變量和順序變量，是一種常用的突變檢測方法[32]。Mann-Kendall法通過統(tǒng)計量UF來判斷序列呈上升或下降趨勢，正序列統(tǒng)計量UF和逆序列統(tǒng)計量UB大于0，則序列呈上升趨勢；若UF或UB小于0，則序列呈下降趨勢；當UF或UB超過臨界線Ua，表明上升或下降趨勢顯著。若UF和UB線出現(xiàn)交點，且交點在臨界線之間，則突變開始時間為交點對應(yīng)時刻[33]。其原理和具體計算步驟參照文獻[34-35]。

4 洞庭湖徑流量演變趨勢分析

4.1 徑流量年內(nèi)變化規(guī)律分析

對枝城、城陵磯(七里山)、螺山3站1960-2015年的月平均徑流量進行統(tǒng)計和分析，結(jié)果見表1。

表1 1960-2015年不同時段枝城、城陵磯(七里山)、螺山水文站月平均徑流量對比 m3/s

從表1可知，3站徑流量年內(nèi)分配不均勻，其中汛期(4-10月)多年平均徑流量約占多年平均徑流量的80%，主汛期7月份流量最為集中，3站7月份多年月平均徑流量占多年平均徑流量的百分比均達到16%以上，而11月至次年3月多年月平均流量占多年平均流量的百分比均小于6.2%。

三峽工程運行前后13 a對比：分析三峽工程運行前(1990-2002年)與三峽工程運行后(2003-2015年)兩段時間序列發(fā)現(xiàn)，三峽運行后3站汛期(4-10月)變化趨勢相同，徑流量均呈現(xiàn)減少趨勢，3站汛期多年月平均徑流量分別由三峽運行前的19 401、12 286、28 214 m3/s相應(yīng)減少至17 309、9 816、24 743 m3/s，其中主汛期7、8月下降最為明顯，可以看出三峽修建后洞庭湖汛期流量下降顯著；三峽運行后枯水期(12月-次年3月)3站出現(xiàn)明顯不同的變化趨勢，其中枝城站徑流量出現(xiàn)上升趨勢，而城陵磯(七里山)站徑流量卻出現(xiàn)減少趨勢，螺山站基本持平，徑流量變化不大?？菟谥Τ钦緩搅髁砍霈F(xiàn)上升趨勢，反映出三峽對長江的補水調(diào)節(jié)，但洞庭湖城陵磯流量卻呈現(xiàn)下降趨勢，可能與三峽修建后三口分流量減少和湖區(qū)內(nèi)人類活動有關(guān)。

三峽工程運行后與多年平均對比：分析三峽工程運行后(2003-2015年)與多年平均(1960-2015年)兩段時間序列發(fā)現(xiàn)，三峽運行后3站汛期(4-10月)變化趨勢基本相同，除枝城站4-5月徑流量有小幅上升外，其他月份3站均呈現(xiàn)徑流量減少趨勢；三峽運行后枯水期11月，3站徑流量均減少，12月基本持平，次年1-3月徑流量均有所增加?？梢钥闯鋈龒{水庫汛期減少下泄流量和枯水期補水對洞庭湖流量年內(nèi)的調(diào)節(jié)作用明顯。

4.2 流量年際變化趨勢

采用Mann-Kendall突變檢驗方法檢測1960-2015年間洞庭湖流量的突變情況。給定顯著性水平α=0.05，即U0.05=±1.96。計算結(jié)果如圖2～4所示。

由圖2中UF曲線可見，洞庭湖上游長江枝城站60年代至70年代初期UF值大于0，表明該段時間徑流量呈現(xiàn)上升的趨勢，自70年代初到2000年以來徑流量基本變化不大，但在2001-2015年間由于UF值小于0，表明徑流量呈現(xiàn)下降的趨勢，從2011年開始UF超過了臨界線U0.05，表明下降趨勢顯著。據(jù)UF和UB交點位置判斷，洞庭湖上游枝城站徑流量下降是一個突變現(xiàn)象，時間是從2001年以后開始的。而在2002-2006年間UF值大于0，表明該段時間徑流量呈現(xiàn)上升的趨勢，但總體上由于UF值小于U0.05，而且更接近0值，這表明上游徑流量整體上變化不顯著。

圖2 1960-2015年洞庭湖上游長江枝城水文站徑流量M-K突變檢驗 圖3 1960-2015年洞庭湖出口城陵磯(七里山)水文站徑流量M-K突變檢驗

圖3表明，洞庭湖出口城陵磯(七里山)站的UF曲線從1974年開始全部在0值以下，表明洞庭湖出口整體徑流量呈現(xiàn)下降的趨勢，根據(jù)UF和UB曲線交點的位置，可以確定洞庭湖出口徑流量下降是一個突變現(xiàn)象，時間是從1999年以后開始的。

由圖4可看出，洞庭湖下游長江螺山站與洞庭湖上游長江枝城站的UF曲線大體類似但又有所差異，其值也是60年代至70年代初期UF值大于0，表明洞庭湖下游長江螺山站在這一時期內(nèi)整體徑流量呈現(xiàn)上升的趨勢；自70年代初到2000年以來徑流量基本保持不變，但在2006-2015年間UF值小于0，表明徑流量呈現(xiàn)下降的趨勢，但總體上UF值小于U0.05，說明徑流量下降趨勢不顯著。根據(jù)UF和UB曲線交點的位置，可以確定下游徑流量下降也是突變現(xiàn)象，時間是從2003年以后開始的，晚于洞庭湖上游長江枝城站流量突變的時間2 a。總的來說，洞庭湖下游長江螺山站沒有洞庭湖上游長江枝城和出口城陵磯(七里山)站徑流量變化明顯。

圖4 1960-2015年洞庭湖下游長江螺山水文站徑流量M-K突變檢驗 圖5 三峽工程運行前后枝城水文站月平均水位變化

綜上所述，洞庭湖上游長江枝城站和下游長江螺山站整體上徑流量年際變化不顯著，而洞庭湖出口城陵磯(七里山)站徑流量年際變化呈現(xiàn)下降的趨勢。其原因有待進一步深入研究。

5 洞庭湖水位演變情況

5.1 水位年內(nèi)變化規(guī)律分析

對枝城、城陵磯(七里山)、螺山3站1990-2015年的月平均水位進行統(tǒng)計，統(tǒng)計分為三峽工程運行前(1990-2002年)和運行后(2003-2015年)兩段時間序列，結(jié)果見表2和圖5～7。

圖6 三峽工程運行前后城陵磯(七里山)水文站月平均水位變化 圖7 三峽工程運行前后螺山水文站月平均水位變化

對表2和圖5～7中三峽工程運行前與運行后兩段時間序列進行分析發(fā)現(xiàn)，三峽運行后3站汛期(4-10月)變化趨勢相同，月平均水位均呈現(xiàn)減少趨勢，其中主汛期7、8月下降最為明顯；三峽運行后枯水期(1-3月)3站出現(xiàn)水位上升趨勢。

表2 三峽工程運行前后枝城、城陵磯(七里山)、螺山水文站月平均水位對比表 m

上述3站水位年內(nèi)變化規(guī)律體現(xiàn)了三峽水庫汛期減少下泄流量和枯水期向下游補水對洞庭湖水位年內(nèi)調(diào)節(jié)作用明顯。

5.2 水位年際變化趨勢

采用Mann-Kendall突變檢驗方法檢測1960-2015年間洞庭湖水位的突變情況。給定顯著性水平a=0.05，即U0.05=±1.96。計算結(jié)果如圖8～10所示。

由圖8～10可見，洞庭湖上游長江枝城站60年代至70年代初期UF值大于0，表明該時間段枝城年平均水位呈現(xiàn)上升的趨勢，自70年代初到2015年UF值小于0，表明徑流量呈現(xiàn)下降的趨勢，這種下降趨勢從1987年開始甚至超過了顯著性水平0.05臨界線，說明下降趨勢顯著。洞庭湖出口城陵磯(七里山)站的UF曲線從1960-2015年基本全部在0值以上，表明洞庭湖出口整體平均水位呈現(xiàn)上升的趨勢。洞庭湖下游長江螺山站與洞庭湖出口城陵磯(七里山)站的UF曲線大體類似，其值也是基本全部在0值以上，表明洞庭湖下游長江螺山站在1960-2015年間整體年平均水位呈現(xiàn)上升的趨勢，這種上升趨勢從1991年開始甚至超過了顯著性水平0.05臨界線，說明上升趨勢顯著。

圖8 1960-2015年洞庭湖上游長江枝城水文站年平均水位M-K突變檢驗

圖9 1960-2015年洞庭湖出口城陵磯(七里山)水文站年平均水位M-K突變檢驗

圖10 1960-2015年洞庭湖下游長江螺山水文站年平均水位M-K突變檢驗

6 結(jié) 論

(1)洞庭湖水位和流量年際變化趨勢差異明顯，表現(xiàn)在枝城、城陵磯(七里山)、螺山3站變化趨勢大相徑庭。枝城站從2001年開始水位下降趨勢顯著，徑流量整體變化趨勢并不明顯；城陵磯(七里山)站水位呈上升趨勢但徑流量從1999年以后開始突變下降；螺山站水位呈上升趨勢，徑流量變化趨勢并不明顯。

(2)三峽運行后(2003年-2015年)，枝城、城陵磯(七里山)、螺山3站水位與流量年內(nèi)變化基本具有同步性，汛期(4-10月)均呈減少趨勢，枯水期(1-3月)均呈上升趨勢，表明長江水利工程，特別是三峽工程的修建，對洞庭湖水資源的調(diào)節(jié)影響明顯。

本文分析了1960-2015年洞庭湖水資源演變特征，洞庭湖水資源年內(nèi)和年際變化特征是由水文氣象條件、人類活動、水利工程等多種因素影響造成的，需進一步定量分析其影響原因。尤其是城陵磯(七里山)站徑流量從1999年以后下降趨勢顯著，洞庭湖水資源綜合利用和生態(tài)環(huán)境保護形勢嚴峻，亟需深入研究。