1988-2018年洞庭湖北部地區(qū)地表水資源量演變分析

黃 草， 姜 萬(wàn)， 馮迪子， 曾 杭,2， 周 慧

(1.長(zhǎng)沙理工大學(xué) 水利工程學(xué)院， 湖南 長(zhǎng)沙 410114； 2.洞庭湖水環(huán)境治理與生態(tài)修復(fù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙 410114； 3.湖南省水文水資源勘測(cè)中心， 湖南 長(zhǎng)沙410007)

1 研究背景

洞庭湖是我國(guó)第二大淡水湖泊，也是長(zhǎng)江中下游重要的調(diào)蓄湖泊，對(duì)長(zhǎng)江中下游的水生態(tài)、水環(huán)境等方面具有重要作用。由于氣候變化以及(長(zhǎng))江(洞庭)湖關(guān)系深度調(diào)整的影響，特別是長(zhǎng)江荊江河段河槽沖深的影響，枯水季松滋、太平、藕池“三口”口門(mén)前長(zhǎng)江水位下降，“三口”入湖徑流量大幅減少，斷流時(shí)間延長(zhǎng)，洞庭湖北部地區(qū)已成為湖南省嚴(yán)重干旱缺水區(qū)?！叭凇睌嗔鲿r(shí)間延長(zhǎng)、湖泊水位降低、湖面萎縮以及濕地退化導(dǎo)致湖區(qū)水生態(tài)系統(tǒng)重新調(diào)整，從而使生物生境和生物多樣性在一定程度上遭到破壞，湖區(qū)水生態(tài)保護(hù)任務(wù)更加艱巨復(fù)雜。因此，開(kāi)展洞庭湖北部地區(qū)水資源演變規(guī)律研究，是解決該地區(qū)水資源供需矛盾的基礎(chǔ)性研究，對(duì)規(guī)劃和建設(shè)水資源配置工程具有十分重要的意義。

我國(guó)區(qū)域性水資源演變規(guī)律的研究始于北方地區(qū)，大量研究表明我國(guó)華北地區(qū)、西北地區(qū)、三江源地區(qū)等許多河流自1980年以來(lái)徑流量明顯減少[1-5]。寧怡楠等[6]利用M-K檢驗(yàn)法和雙累積曲線法分析了黃河中游1960-2015年的資料，發(fā)現(xiàn)黃河中游徑流量顯著減少；焦紫嵐等[7]利用最小二乘法等方法分析了塔里木河近50年的徑流資料，發(fā)現(xiàn)塔里木河年徑流量呈現(xiàn)逐年減少趨勢(shì)，減小幅度為3.03×108m3/10a；雷靜等[8]分析了人類(lèi)活動(dòng)對(duì)長(zhǎng)江流域水資源量演變趨勢(shì)的影響，提出了相應(yīng)的對(duì)策措施以及進(jìn)一步深化研究的建議；管曉祥等[9]利用M-K非參數(shù)檢驗(yàn)法分析了中國(guó)6個(gè)不同氣候區(qū)典型流域水文站55年的水文資料，發(fā)現(xiàn)隨著近年來(lái)氣溫的不斷升高，各流域徑流量均出現(xiàn)了不同程度的減少。這些研究對(duì)解析氣候變化與生態(tài)環(huán)境的互饋影響以及科學(xué)制定流域水資源開(kāi)發(fā)利用方案具有重要的作用。

隨著洞庭湖北部地區(qū)水資源短缺問(wèn)題的日益嚴(yán)峻，關(guān)于洞庭湖區(qū)及洞庭湖西北地區(qū)水資源量問(wèn)題的研究也逐步開(kāi)展。如，李靜芝等[10]構(gòu)建了洞庭湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)圈水資源供需系統(tǒng)仿真模型，研究了該地區(qū)的需水量和供水量；胡春宏等[11]采用定額指標(biāo)法和趨勢(shì)預(yù)測(cè)法計(jì)算2030年洞庭湖區(qū)總需水量為132.8×108m3，缺水量為24.1×108m3，其中“三口”河系總需水量為49.9×108m3，缺水量為15.1×108m3。在水資源演變規(guī)律方面，孫思瑞等[12]通過(guò)構(gòu)建模型并根據(jù)各調(diào)度方案計(jì)算不同方案下洞庭湖出口的水位變化過(guò)程，結(jié)果表明洞庭湖水位受到了蓄水期三峽水庫(kù)蓄水的影響，其中10月份受到的影響較大；Cheng等[13]指出受三峽水庫(kù)蓄水影響，洞庭湖秋季水位下降了0.52～2.26 m，年最低水位時(shí)間提前了5～35 d，洞庭湖的水文情勢(shì)改變度達(dá)到了50.4%(中度改變)；徐幸儀等[14]等采用 Mann-Kendall 突變檢驗(yàn)方法對(duì)洞庭湖出口控制水文站城陵磯(七里山) 及長(zhǎng)江干流水文站枝城站、螺山站的1960-2015年流量、水位的年際和年內(nèi)變化趨勢(shì)進(jìn)行分析，結(jié)果表明洞庭湖水位和流量年際變化趨勢(shì)差異明顯，表現(xiàn)為枝城、城陵磯(七里山) 、螺山3站的變化趨勢(shì)大相徑庭，同時(shí)長(zhǎng)江上游水利工程尤其是三峽工程的修建，對(duì)洞庭湖水資源的調(diào)節(jié)影響明顯；賀秋華等[15]采用掩膜處理、K-Means聚類(lèi)方法分析城陵磯多年日觀測(cè)水位數(shù)據(jù)，結(jié)果表明三峽水庫(kù)對(duì)下泄量的調(diào)控在緩解洞庭湖洪澇災(zāi)害隱患的同時(shí)，也使得低枯水位提前1個(gè)月，且對(duì)洞庭湖枯水期的補(bǔ)給水量極其有限。目前，江湖關(guān)系持續(xù)調(diào)整，洞庭湖北部地區(qū)缺水風(fēng)險(xiǎn)繼續(xù)增大，有必要立足新江湖關(guān)系重新研究該地區(qū)的水資源量以及變化趨勢(shì)，以利于積極應(yīng)對(duì)洞庭湖北部地區(qū)的干旱缺水問(wèn)題。

因此，本文通過(guò)研究洞庭湖北部地區(qū)1988-2018年降水量、徑流量的時(shí)空變化，評(píng)價(jià)分析了洞庭湖北部地區(qū)湖南省部分的水資源量及其演變規(guī)律；探討了江湖關(guān)系調(diào)整對(duì)該地區(qū)過(guò)境水資源量的影響，重點(diǎn)分析了三峽水庫(kù)蓄水前(1988-2003)、后(2004-2018)該地區(qū)過(guò)境水資源量的變化趨勢(shì)，為進(jìn)一步優(yōu)化區(qū)域水資源配置與調(diào)度以及制定合理的水資源開(kāi)發(fā)利用與保護(hù)措施提供科學(xué)依據(jù)。

2 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)來(lái)源

2.1 研究區(qū)概況

洞庭湖地區(qū)地跨湘、鄂兩省，是國(guó)家生態(tài)保護(hù)和湖南省生態(tài)文明建設(shè)的戰(zhàn)略要點(diǎn)。本文中洞庭湖北部地區(qū)主要為澧水洪道以東、草尾河以北、東洞庭湖以西的湖南省區(qū)域，即通常所說(shuō)的洞庭湖“四口”(松滋口、太平口、藕池口和調(diào)弦口)水系地區(qū)，具體包括岳陽(yáng)市的君山區(qū)和華容縣、益陽(yáng)市的南縣(含大通湖區(qū))和沅江市、常德市的安鄉(xiāng)縣共5個(gè)縣級(jí)行政區(qū)(如圖1)，總面積5 980 km2，2018年區(qū)域總?cè)丝?2.2×104，農(nóng)作物播種面積61.4×104hm2，地區(qū)生產(chǎn)總值1 298.3×108元。

2.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

(1)降雨數(shù)據(jù)。選取洞庭湖北部地區(qū)時(shí)間序列完整、位置分布均勻的6個(gè)氣象站點(diǎn)(君山、華容、南縣、沅江、安鄉(xiāng)和岳陽(yáng)站，見(jiàn)圖1)1988-2018年的日降水資料，這6個(gè)站點(diǎn)的資料較為完整且典型，能基本反映研究區(qū)域的降水特性。

圖1 研究區(qū)及其水系分布圖

(2)徑流資料。選取荊南“三河”的5座控制性水文站(彌陀寺、新江口、沙道觀，管家鋪和康家崗站)1988-2018年的實(shí)測(cè)日流量數(shù)據(jù)分析評(píng)價(jià)研究區(qū)的過(guò)境水資源量及其變化趨勢(shì)。

(3)水資源量資料。根據(jù)《湖南省第2次水資源調(diào)查評(píng)價(jià)》成果及岳陽(yáng)、常德和益陽(yáng)水資源公報(bào)成果(其中水資源公報(bào)數(shù)據(jù)年份為2010-2018年)，分析研究區(qū)域本地水資源量及其時(shí)空變化特征。

3 結(jié)果與分析

3.1 降水量及其變化趨勢(shì)

基于君山、華容、南縣、沅江、安鄉(xiāng)和岳陽(yáng)6個(gè)氣象站1988-2018年的日降水量資料分析，洞庭湖北部地區(qū)降水量較豐富，多年平均降水量為1 309.6 mm，2002年降水量最大，為1 809.2 mm，2007年降水量最小，為1 038.6 mm。降水量年內(nèi)分布以6月份最多，為183.7 mm；12月份最少，僅37.7 mm。

根據(jù)降水資料，統(tǒng)計(jì)出每10 a洞庭湖北部各區(qū)縣的年均降水量及整個(gè)研究區(qū)的年均降水量，如圖2所示。由圖2可見(jiàn)，洞庭湖北部地區(qū)1988-1997年的年均降水量較大，1998-2007和2008-2018年的年均降水量明顯減少，各縣級(jí)行政區(qū)的降水量變化與整個(gè)地區(qū)的整體趨勢(shì)類(lèi)似；空間上沅江市的多年平均降水量最大，南縣最小，具有南多北少的特點(diǎn)。為了進(jìn)一步分析該地區(qū)年降水量變化趨勢(shì)，繪制1988-2018年研究區(qū)年降水量過(guò)程線和5 a滑動(dòng)平均線，如圖3所示。圖3表明，1988-2018年該地區(qū)的降水量年際間變化較大，年降水量最大值為最小值的1.74倍；1988-1997年降水量呈增大趨勢(shì)，2000-2008年降水量呈顯著減少趨勢(shì)，2008以后年降水量再次呈上升趨勢(shì)，但年際變化明顯增大。

圖2 1988-2018年研究區(qū)及各縣級(jí)行政區(qū)分年代年均降水量 圖3 1988-2018年研究區(qū)年降水量過(guò)程線及5a滑動(dòng)平均線

3.2 本地水資源量

基于《湖南省第2次水資源調(diào)查評(píng)價(jià)》成果及岳陽(yáng)市、常德市和益陽(yáng)市的2010-2018年水資源公報(bào)成果，分析研究區(qū)各縣級(jí)行政區(qū)1988-2018年年均本地水資源量及其變化情況，如圖4所示。

分析圖4可知，1988-2018年洞庭湖北部地區(qū)年均本地水資源量為32.33×108m3，2002年本地水資源量最多，為61.79×108m3，2007年本地水資源量最少，為12.51×108m3，年均本地水資源量最大值為最小值的4.94倍。沅江的本地水資源量年際變化最大，最大值與最小值之比達(dá)10.27；君山區(qū)的本地水資源量年際變化最小，最大值與最小值之比為3.18?？臻g上沅江市本地水資源量占比最大，為33.28%，南縣最小，為14.37%。

圖4 1988-2018年研究區(qū)各縣級(jí)行政區(qū)本地水資源量年際變化

為了分析三峽工程建設(shè)前后洞庭湖北部地區(qū)各縣級(jí)行政區(qū)本地水資源量的變化，將1988-2018年的多年平均水資源量劃分為1988-2003年(三峽水庫(kù)蓄水前)和2004-2018年(三峽水庫(kù)蓄水后)兩個(gè)時(shí)期進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果見(jiàn)表1。由表1可見(jiàn)，三峽工程蓄水后，洞庭湖北部地區(qū)多年平均水資源總量由蓄水前的38.90×108m3減小到蓄水后的30.07×108m3，減小幅度為22.70%。各縣級(jí)行政區(qū)的本地水資源量變化與北部地區(qū)的整體趨勢(shì)類(lèi)似，5個(gè)縣市的平均水資源量均有不同程度的減少。其中，沅江市的本地水資源量變化率最大，由13.21×108m3減小到9.69×108m3，減小幅度達(dá)26.65%，安鄉(xiāng)縣最小，減小幅度為16.35%。

表1 1988-2018年三峽水庫(kù)蓄水前后研究區(qū)各縣級(jí)行政區(qū)平均水資源量 108 m3

3.3 過(guò)境水資源量

洞庭湖北部地區(qū)的過(guò)境水資源量是指由荊南“三口”(即松滋口、藕池口和太平口，調(diào)弦口已于1958年封堵)分流長(zhǎng)江水經(jīng)松滋河、虎渡河以及藕池河干支流入洞庭湖的水量，其他跨流域調(diào)水量不計(jì)算在內(nèi)。近30年來(lái)，江湖關(guān)系持續(xù)調(diào)整，“三口”分流水量出現(xiàn)了明顯的變化，這是導(dǎo)致洞庭湖西北地區(qū)季節(jié)性干旱的重要因素之一[16-18]。選取荊南“三河”的5座控制性水文站(彌陀寺、新江口、沙道觀，管家鋪和康家崗水文站)1988-2018年的實(shí)測(cè)日流量數(shù)據(jù)來(lái)分析評(píng)價(jià)研究區(qū)的過(guò)境水資源量及其變化趨勢(shì)。

3.3.1 過(guò)境水資源年際變化分析 基于荊南“三河”5個(gè)水文站的長(zhǎng)系列逐日流量數(shù)據(jù)，分析得出的1988-2018年荊南“三河”年徑流量特征值見(jiàn)表2。由表2可看出，1988-2018年荊南“三河”徑流量年際波動(dòng)較大，荊南“三河”的多年平均徑流量為537.0×108m3，最大值為1 022.6×108m3，最小值為180.9×108m3，最大值與最小值之比為5.65。其中，藕池河的徑流量年際變化最大，最大年徑流量與最小年徑流量之比達(dá)11.48。

表2 1988-2018年荊南“三河”年徑流量特征值

為進(jìn)一步分析三峽工程建設(shè)前后荊南“三河”過(guò)境水資源量的變化，將1988-2018年的逐日流量序列劃分為1988-2003年(三峽水庫(kù)蓄水前)和2004-2018年(三峽水庫(kù)蓄水后)兩個(gè)時(shí)期進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果見(jiàn)表3和圖5。

表3 1988-2018年三峽水庫(kù)蓄水前后荊南“三河”徑流量及其變化率

由表3和圖5可看出，三峽工程蓄水后，荊南“三河”的汛期(4-9月)的分流量減少，由蓄水前的年均552.3×108m3減小到蓄水后的427.4×108m3，減小幅度為22.6%；三峽工程蓄水后，“三河”中汛期徑流量變化最大的為虎渡河，減少了34.2%，非汛期(10-翌年3月)虎渡河的分流量反而有所增加，年均非汛期分流量由4.9×108m3增加到5.7×108m3，增長(zhǎng)了16.3%，由于非汛期總流量占比很小，虎渡河的多年平均分流量仍然呈減少趨勢(shì)；蓄水后總年均分流量由蓄水前的608.7×108m3減少到471.4×108m3，減少了22.6%，其中藕池河的年均分流量減小幅度最大，為32.6%。

圖5 荊南“三河”徑流量年際變化過(guò)程線

分別采用參數(shù)Pearson線性相關(guān)檢驗(yàn)法、非參數(shù)Mann-Kendall(M-K)秩次相關(guān)檢驗(yàn)法和Spearman秩次相關(guān)檢驗(yàn)法[19-20]進(jìn)一步對(duì)1988-2018年荊南“三河”年徑流序列進(jìn)行趨勢(shì)檢驗(yàn)，得到趨勢(shì)診斷結(jié)果，如表4所示。由表4可見(jiàn)，在α=0.05的顯著性水平下，1988-2018年松滋河的徑流量Pearson線性相關(guān)檢驗(yàn)的減少趨勢(shì)不顯著，但兩種秩次相關(guān)檢驗(yàn)的減小趨勢(shì)均為顯著， 因此松滋河段的徑流量減小顯著；虎渡河和藕池河徑流量的Pearson線性相關(guān)檢驗(yàn)的減少趨勢(shì)和秩次相關(guān)檢驗(yàn)的減小趨勢(shì)均為顯著。因而，荊南“三河”的徑流量存在顯著的減小趨勢(shì)。

表4 1988-2018年荊南“三河”年徑流量序列趨勢(shì)診斷結(jié)果(α=0.05)

3.3.2 過(guò)境水資源月變化分析 根據(jù)荊南“三河”各水文站的徑流量序列，統(tǒng)計(jì)分析1988-2018年荊南“三河”多年月平均徑流量占年平均徑流量的百分比，如圖6所示。圖6表明，徑流量的年內(nèi)分配不均，其中汛期(4-9月)平均徑流量大約占多年平均徑流量的93.5%以上，松滋口、太平口、藕池口汛期徑流量占比分別為91.1%、96. 9%、96.6%。非汛期“三河”來(lái)水很少，12-翌年3月基本處于斷流狀態(tài)，這對(duì)于研究區(qū)非汛期的水資源開(kāi)發(fā)利用非常不利。

圖6 1988-2018年荊南“三河”月平均徑流量占年平均徑流量的百分比 圖7 三峽工程蓄水運(yùn)行前后荊南“三河”月均徑流量變化情況

通過(guò)計(jì)算分析三峽工程蓄水運(yùn)行前后荊南“三河”各月平均徑流量的變化情況，結(jié)果如圖7所示。由圖7可看出，三峽水庫(kù)蓄水后，12-翌年5月荊南“三河”的徑流量有所增大，徑流量增加比例最大的為2月，增加了155%；6-10月荊南“三河”的徑流量顯著減小，徑流量減少比例最大的為10月，減少了45%。雖然12-翌年5月荊南“三河”的徑流量增加比例較大，但由于徑流量增加的絕對(duì)值小，對(duì)湖區(qū)的水資源開(kāi)發(fā)利用影響比較有限；而6-8月主汛期荊南“三河”徑流量的減少增大了洞庭湖北部地區(qū)的“伏旱”風(fēng)險(xiǎn)，9-10月徑流量的減少，將導(dǎo)致洞庭湖枯水期的提前與延長(zhǎng)，引發(fā)“秋旱”，從而加劇洞庭湖北部地區(qū)的水資源短缺。

4 討 論

基于洞庭湖北部地區(qū)1988-2018年的降水和徑流資料，本文采用趨勢(shì)分析、突變分析等方法研究其地表水資源的演變情勢(shì)，以期為流域水資源開(kāi)發(fā)利用與合理保護(hù)、區(qū)域引調(diào)水工程的規(guī)劃與建設(shè)提供技術(shù)支持。

(1)本研究采用了研究區(qū)域近30年的水文資料以及湖南省水資源公報(bào)資料，數(shù)據(jù)來(lái)源可靠，為分析出科學(xué)合理結(jié)果提供了基礎(chǔ)。從與其他學(xué)者的相關(guān)研究成果對(duì)比來(lái)看，李景保等[21]認(rèn)為三峽大壩建成后洞庭湖北部地區(qū)水資源總量減少幅度為25%；賀秋華等[15]提出荊南“三河”徑流量減少了109.3×108m3，減少幅度為18.3%，這些結(jié)論與本文研究成果基本一致。此外，本文進(jìn)一步分析了三峽水庫(kù)蓄水后荊南“三河”徑流量的變化情況，其中10月份徑流量減小幅度達(dá)到了45%，這對(duì)該地區(qū)的枯水期水資源利用帶來(lái)了較大的負(fù)面影響。

(2)三峽大壩建成運(yùn)行以來(lái)極大提高了流域的調(diào)蓄能力，對(duì)長(zhǎng)江流域特別是荊江河段的防洪減災(zāi)有著重要意義。但同時(shí)也改變了上下游的水文情勢(shì)，荊南“三河”的徑流量明顯減少[16，21]，枯水季洞庭湖北部地區(qū)的垸外河流水位大幅降低，低于向垸內(nèi)引水和補(bǔ)水工程的最低取水水位，從而加劇了該地區(qū)的區(qū)域性和季節(jié)性缺水問(wèn)題。與此同時(shí)，垸內(nèi)水系由于得不到外河水補(bǔ)充，枯水季難以實(shí)現(xiàn)水體流動(dòng)和交換，垸內(nèi)水系的水環(huán)境問(wèn)題依然嚴(yán)峻，水質(zhì)型缺水直接影響了人民的飲水安全。

(3)洞庭湖北部地區(qū)季節(jié)性和區(qū)域性缺水問(wèn)題，特別是9、10月份的過(guò)境水量大幅減少而引發(fā)的枯水季提前與延長(zhǎng)的問(wèn)題，使枯水年農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用水受到了較大影響，因此需要進(jìn)一步研究洞庭湖北部地區(qū)的水資源配置問(wèn)題，進(jìn)而提出科學(xué)合理的水資源開(kāi)發(fā)利用方案。一方面是考慮從水資源較為豐沛的長(zhǎng)江流域和澧水流域引水，通過(guò)水利工程措施調(diào)豐補(bǔ)枯，從水量上緩解研究區(qū)枯水季缺水問(wèn)題；另一方面是加強(qiáng)洞庭湖北部地區(qū)的垸內(nèi)與垸外水系連通以及垸內(nèi)互連，建設(shè)垸內(nèi)水網(wǎng)系統(tǒng)，促進(jìn)垸內(nèi)垸外水體的交換，提升水體稀釋自?xún)裟芰?，解決水系黑臭化的水質(zhì)問(wèn)題。

5 結(jié) 論

(1)1988-2003年洞庭湖北部地區(qū)年均本地地表水資源量為38.90×108m3，2004-2018年洞庭湖北部地區(qū)年均本地地表水資源量為30.07×108m3，減少了22.7%。

(2)荊南“三河”多年平均徑流量(即洞庭湖北部地區(qū)多年平均過(guò)境水資源量)為537.0×108m3，汛期的平均徑流量占多年平均的93.5%以上；非汛期荊南“三河”徑流量很小，甚至斷流。對(duì)比1988-2003年(三峽水庫(kù)蓄水前)，2004-2018年(三峽水庫(kù)蓄水后)荊南“三河”的總徑流減少137.3×108m3，減少率為22.6%。

(3)2004-2018年(三峽水庫(kù)蓄水后)，荊南“三河”12-翌年5月的徑流量有所增加，6-10月的徑流量顯著減少，其中10月份減少幅度達(dá)45%，導(dǎo)致洞庭湖枯水期的提前與延長(zhǎng)，甚至引發(fā)“秋旱”，加劇了洞庭湖北部地區(qū)的水資源短缺。