洞庭湖四水流域入湖徑流量變化特征及影響因素分析

熊 鷹 袁海平 何 力

(長沙理工大學(xué)水利工程學(xué)院，湖南 長沙 410114)

洞庭湖是長江流域重要的吞吐型淡水湖，洞庭湖的徑流量變化對整個長江流域的生態(tài)以及環(huán)境有著顯著的影響，洞庭湖流域的徑流量變化分析研究一直是河流地貌、生態(tài)水文等領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)問題之一[1]。近年來，受氣候變化和人類活動的影響，洞庭湖出現(xiàn)了洪水調(diào)蓄能力下降、生態(tài)破壞與污染嚴(yán)重、富營養(yǎng)化日趨突出、生物多樣性下降等問題，引起了社會的廣泛關(guān)注，很多研究者從不同方面對洞庭湖展開了研究。

湘江、資江、沅江、澧水(以下簡稱四水)是湖南省四條主要的河流，流經(jīng)湖南省大部分地級市。洞庭湖的入湖徑流量相當(dāng)一部分由湖南四水提供，占比54.6%。近年來，由于河湖關(guān)系的變化以及長江干流大型水利工程的建設(shè)，洞庭湖來自長江三口的徑流呈逐年減少的趨勢，而四水入湖徑流量占洞庭湖全年總徑流的比重有逐漸上升的趨勢[2]，四水入湖徑流量占比增大，四水重要性上升。由于人類活動和其他自然因素的影響，四水入洞庭湖的徑流量呈緩慢下降的趨勢[3]，因此分析湖南四水徑流量的變化特征，可以為洞庭湖流域內(nèi)水資源的合理配置及生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供理論依據(jù)。一些國內(nèi)學(xué)者對湖南四水流域和洞庭湖出入徑流的變化規(guī)律作了大量探討[4-7]，但大多是對整個洞庭湖出入徑流量年內(nèi)分配或年際變化規(guī)律進(jìn)行分析，幾乎沒有專門針對四水流域入湖徑流量變化規(guī)律方面的研究。另外，目前國內(nèi)對洞庭湖汛期徑流量變化的研究比較少，而且大多還集中在對長江和黃河的汛期徑流量研究[8-9]，因此研究四水入湖徑流量變化特征和影響因素，可為湖南省水資源的開發(fā)利用和經(jīng)濟(jì)社會的可持續(xù)發(fā)展提供理論依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)來源和分析方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

湖南四水入湖口水文站，分別為湘江湘潭水文站、資江桃江水文站、沅江桃源水文站、澧水石門水文站。徑流量數(shù)據(jù)來源于湖南水文水資源勘測中心。本文選取四個入湖口水文站的長系列徑流數(shù)據(jù)和降雨量數(shù)據(jù)。

1.2 研究方法

利用Mann-Kendall非參數(shù)趨勢檢驗(yàn)法(簡稱M-K趨勢分析法)對洞庭湖流域的徑流量進(jìn)行分析，具體方法如下[10]：

設(shè)水文要素序列，表示第k個樣本的累計(jì)數(shù)，定義統(tǒng)計(jì)量：

(1)

(2)

在假設(shè)時間序列隨機(jī)獨(dú)立的情況下，Sk的均值和方差分別為

E[Sk]=k(k-1)/4,var[Sk]=

k(k-1)(2k+1)/72,1≤k≤N

(3)

將Sk標(biāo)準(zhǔn)化：

(4)

按照時間序列x的逆序列,xN,xN-1,…,x1,重復(fù)以上的計(jì)算公式，得出

UBk=-UFk,k=n,n-1,…,1

(5)

其中UFk為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布，是按時間序列x計(jì)算出的統(tǒng)計(jì)量序列，給定0.05顯著性水平及0.01極顯著水平，即Uα(0.05)=±1.96，Uα(0.01)=±2.58。UFk>2.58，表示極顯著上升；1.96

2 洞庭湖四水流域入湖徑流量變化特征分析

2.1 徑流量年內(nèi)分布特征分析

洞庭湖四水流域1959—2018年多年月平均徑流量值如表1所列。

表1 徑流月平均值 單位：億m3

由表1可知，湘江和沅江全年徑流量總和分別占四水徑流量總和的39.5%和38.3%，加起來占比77.8%。每年的5、6月基本上是四水徑流量的峰值時期，6月湘江、沅江總徑流量為213.47億m3，占比四水全年的13.37%；每年的12和1月是四水徑流量最小時期，12月總量為59.2m3，占四水全年總和的3.54%，6月的徑流量是12月的4.8倍。四水的徑流量主要集中在每年的4—7月，總量為963.6億m3，占四水全年總和的57.65%。

2.2 年徑流量豐枯情況分析

根據(jù)相關(guān)規(guī)范，對洞庭湖四水多年徑流量進(jìn)行豐枯劃分，按徑流量的距平百分率ki劃分為5個級別：ki<-20%為枯水；-20%≤ki<-10%為偏枯；-10%≤ki<0%為平水；10%≤ki<20%為偏豐；ki>20%為豐水。根據(jù)公式計(jì)算的結(jié)果，得出

選取昆明醫(yī)科大學(xué)2018年3—7月下學(xué)期2015級醫(yī)學(xué)影像專業(yè)本科生共101人作為研究對象，將其隨機(jī)分為A組和B組進(jìn)行見習(xí)教學(xué)，A組為教改組，B組為對照組。A組49人，男生18人，女生31人，年齡為20～22歲，平均年齡為（21.0±1.5）歲；B組52人，男生20人，女生32人，年齡為19～22歲，平均年齡為（21.0±1.2）歲。兩組學(xué)生的一般資料對比，差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05），具有可比性。

1959—2018年四水共有豐水年7年，占11.7%，主要分布在1970年、1973年、1994年、1998年等?？菟?年，占15%，主要分布在1964年、1974年、2010年等。偏豐年和偏枯年分別為12年和10年，占比為36.7%。平水年為22年，占比為36.7%。

2.3 徑流量的變差系數(shù)

徑流量變差系數(shù)如表2所列。

由表2可知，四水徑流量總和的變差系數(shù)Cv=0.175，說明四水徑流量的年際波動比較平緩。其中沅江的變差系數(shù)Cv=0.180，是四水中數(shù)值最小的，說明沅江的年徑流量在四水中最為穩(wěn)定；湘江徑流變差為0.247，資江的變差系數(shù)為0.2，年徑流量有一定浮動；澧水的變差系數(shù)值最大，為0.261，說明澧水的年徑流量波動較大。

表2 徑流變差系數(shù)值

2.4 四水入湖水量變化趨勢

1959—2018年，四水徑流量多年平均值為1664億m3，其中湘江為656億m3，資江為225億m3，沅江為638億m3，澧水為145億m3。

四水年入湖徑流量值和多年平均值如圖1所示，由圖1可知，四水總徑流量的變化趨勢不大。湘江和沅江的徑流量總體上平緩上升，資江基本保持不變，上下有一定浮動，澧水的徑流量有一定下降。

圖1 四水徑流量總和

湘江1962—1968年、1984—1992年、2007—2013年的徑流量平均值低于多年平均值，屬于枯水年份；1995—2003年的徑流量平均值大于多年平均值，屬于豐水年份。資江1965—1974年、1990—2004年的徑流量平均值大于多年平均值，屬于豐水年份；1980—1994年、2005—2013年屬于枯水年份。沅江1965—1975年、1990—2004年屬于豐水年份；1979—1990年、2005—2014年的徑流量平均值小于多年平均值，屬于枯水年份。澧水1986—1992年屬于豐水年份，1992—2001年的平均值小于多年平均值，屬于枯水年份。

2.5 徑流量的M-K趨勢分析

各個站點(diǎn)的多年趨勢變化如表3所列。

表3 四水M-K統(tǒng)計(jì)值

資江的M-K值為0.561，未超過顯著性檢驗(yàn)的臨界值，說明年徑流量的增長緩慢。

沅江的M-K值為0.47，未超過顯著性檢驗(yàn)的臨界值，說明徑流量增長緩慢。

澧水的M-K值為-0.272，未超過顯著性檢驗(yàn)的臨界值，說明徑流量減少的趨勢不明顯。

四水徑流總量M-K值的變化如圖2所示，由圖2可知，湘江徑流量在1959—1989年基本無變化，1989—2003呈上升趨勢，2003年以后變化不明顯，未達(dá)到α=0.05(±1.96)顯著性檢驗(yàn)的臨界值。突變點(diǎn)發(fā)生在1990年。

圖2 徑流總量M-K統(tǒng)計(jì)值

資江1959—1987年徑流量變化有一定波動，1987—2002年緩慢增長，2002—2014年下降不明顯。均未達(dá)到α=0.05(±1.96)顯著性檢驗(yàn)的臨界值。突變點(diǎn)在1972年。徑流量減少的年份為1990—2003年。

沅江1959—1969年徑流量有一定的增長，徑流量減少的年份為1970—1989年、1990—2003年，2003年以后有增長的趨勢。除了1970年達(dá)到α=0.05(±1.96)顯著性檢驗(yàn)的臨界值外，其余年份均未達(dá)到α=0.05(±1.96)顯著性檢驗(yàn)的臨界值。突變點(diǎn)發(fā)生在1966年和1988年。

1959—1964年澧水徑流量增長緩慢，徑流量減少的年份為1974—1979年，1975—2018年徑流變化趨勢不明顯，均未達(dá)到α=0.05(±1.96)顯著性檢驗(yàn)的臨界值。

四水徑流量增加的年份為1968—1984年、1989—2003年，徑流量減少的年份為1985—1988年、2003—2011年。但均未達(dá)到α=0.05(±1.96)顯著性檢驗(yàn)的臨界值，因此增加或減少的幅度并不大。突變點(diǎn)發(fā)生在1968年和1989年。

3 影響因素分析

受降雨量變化的影響，徑流量也發(fā)生相應(yīng)的變化，如圖3所示，徑流量和降雨量成高度的正相關(guān)性[11]。

圖3 降雨量和徑流量的關(guān)系

由于受自然因素和人類活動的影響，洞庭湖四水徑流量發(fā)生了變化。洞庭湖流域四水的月均降水量和月均徑流量之間具有良好的相關(guān)性，流域降水以及人類活動是影響四水徑流變化的主要因素。

可見，洞庭湖四水徑流量受降水的影響并不大，水庫建設(shè)及土地利用變化等人類活動極有可能是造成洞庭湖四水流域徑流年內(nèi)階段性變化的重要因素。

4 結(jié) 論

a.自1959年以來，總體來看四水流域的總徑流量變化有一定程度的減少，四水徑流量增加的年份為1989—2003年，四水徑流量減少的年份為2003—2011年，四水入湖徑流量變化的時間拐點(diǎn)為2003年。

b.受降雨量變化的影響，徑流量也發(fā)生相應(yīng)的變化，洞庭湖四水入湖徑流量與降水量之間成高度的正相關(guān)性，呈現(xiàn)出“雨大水大,雨小水小”的變化趨勢。由結(jié)果知,澧水徑流量的波動較小,其他三水的波動幅度較大,雖然四水年入湖徑流量未見顯著的增長或減少趨勢,但四水徑流量的年內(nèi)分配有一定的變化。

c.流域地貌發(fā)育、降水等自然因素，以及水利、林業(yè)工程和土地利用變化等人類活動是影響四水流域入湖徑流量的主要因素，其中人類活動因素的影響占比最大，所以影響洞庭湖四水流域徑流量變化的主要因素是人類活動。