近60多年洞庭湖水沙演變特征及其與人類活動(dòng)的關(guān)系

張 琳，馬敬旭，張 倩，于 茹，任 蓓，王一新，張英豪

(聊城大學(xué) 環(huán)境與規(guī)劃學(xué)院，山東 聊城 252059)

1 研究背景

洞庭湖位于湖南省北部、長江荊江河段南岸，是我國第二大淡水湖泊，同時(shí)也是長江流域重要的調(diào)蓄湖泊。洞庭湖(圖1)由東、南、西3個(gè)湖泊組成。其北面有松滋河、虎渡河、藕池河、華容河分別從松滋、太平、藕池、調(diào)弦(1985年堵口)四口分泄長江中游水沙入湖，即四口水系；南、西面有湘江、資水、沅江、澧水四水入湖，即四水水系；入湖水沙經(jīng)湖泊調(diào)蓄后，于城陵磯泄入長江，構(gòu)成復(fù)雜的洞庭湖水系。洞庭湖流域面積26.28萬km2，占長江流域總面積的14.6%。自1950年以來，長江中游河段先后歷經(jīng)了調(diào)弦口堵口建閘(1958年)、下荊江系統(tǒng)裁彎取直、葛洲壩水利工程建設(shè)，以及湖南四水流域先后興建了13 318座大、中、小型水庫和一批水土保持工程，尤其是2003年三峽水庫的蓄水運(yùn)行，使得洞庭湖水沙格局發(fā)生明顯變化。洞庭湖水沙變化研究一直是河流地貌、生態(tài)水文和水利工程等領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)問題之一。

圖1 洞庭湖水系以及主要水文控制站位置Fig.1 Water system of the Dongting Lake and locations of main hydrological stations

目前，洞庭湖水沙演變研究已經(jīng)取得了一定進(jìn)展。李景保等[1]通過對洞庭湖1951—1998年水沙演變過程進(jìn)行分析，指出洞庭湖年徑流量、年輸沙量總體呈同步減小趨勢，且下荊江系統(tǒng)裁彎以及葛洲壩截留是洞庭湖水沙變化的主導(dǎo)因子。李暉等[2]研究表明，洞庭湖水沙演變具有一定的階段性特征，其變化趨勢與人類活動(dòng)(下荊江裁彎、葛洲壩截留、三峽水庫截留等)的影響密切相關(guān)。覃紅燕等[3]對四水入洞庭湖水沙演變進(jìn)行分析，認(rèn)為四水年徑流量變化存在多個(gè)過程，但總體無明顯上升或下降趨勢，年輸沙量總體呈明顯下降趨勢，且植被覆蓋的增加、水庫的建設(shè)等是導(dǎo)致輸沙量減小的主要原因。胡光偉等[4]分析了三峽水庫運(yùn)行對洞庭湖水沙變異的影響，指出三峽工程運(yùn)行以來，三口入洞庭湖徑流量減小43.5%，洞庭湖泥沙淤積量減小幅度達(dá)96.6%。此外，代穩(wěn)等[5]和楊敏等[6]定量分析了降水波動(dòng)以及人類活動(dòng)對洞庭湖水沙變化的影響，指出與降水因素(貢獻(xiàn)率<15%)相比，人類活動(dòng)(貢獻(xiàn)率> 85%)是洞庭湖水沙演變的主要驅(qū)動(dòng)因素。

本文在前人的研究基礎(chǔ)上，以洞庭湖1955—2018年60多年水沙數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，采用Mann-Kendall趨勢性檢驗(yàn)方法，對三口、四水以及城陵磯各水文控制站的年徑流量與年輸沙量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，分析近60多年洞庭湖入湖與出湖水沙演變特征及其與人類活動(dòng)的關(guān)系。同時(shí)，本文采用雙累積曲線法定量分析了人類活動(dòng)(尤其是三峽水利樞紐的蓄水運(yùn)行)對洞庭湖水沙演變的影響。全面分析了60多年洞庭湖水沙演變規(guī)律及其與人類活動(dòng)的關(guān)系，不僅有利于湖區(qū)水資源的有效利用，同時(shí)也有利于洞庭湖湖泊生態(tài)環(huán)境的治理與保護(hù)。

2 數(shù)據(jù)分析方法

本研究選取荊江三口五站(新江口、沙道觀、彌陀寺、康家崗、管家鋪)、四水四站(湘潭、桃江、桃源、石門)，以及城陵磯水文站1955—2018年年徑流量和年輸沙量為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，采用趨勢性檢驗(yàn)、雙累積曲線法等分析方法對近60多年洞庭湖水沙演變特征及其與人類活動(dòng)的關(guān)系進(jìn)行分析。各水文站點(diǎn)水沙數(shù)據(jù)時(shí)間序列均來源于《中國河流泥沙公報(bào)》。

2.1 M-K趨勢性檢驗(yàn)

非參數(shù)Mann-Kendall檢驗(yàn)(M-K檢驗(yàn))常用于水文以及氣象數(shù)據(jù)的趨勢性分析[7-9]。在M-K檢驗(yàn)中，設(shè)原假設(shè)H0為：時(shí)間序列數(shù)據(jù)X=(x1,x2,…,xn)為n個(gè)獨(dú)立的、隨機(jī)變量同分布的樣本，且無變化趨勢；備擇假設(shè)H1為：樣本數(shù)據(jù)X中存在單一變化趨勢。檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量S可由(1)計(jì)算。

(1)

式中sgn為符號(hào)函數(shù)，且表示為

(2)

Mann[10]和Kendall[11]指出，當(dāng)n≥8時(shí)，統(tǒng)計(jì)量S為正態(tài)分布，且其均值為0，方差Var(S)=n(n-1)·(2n+5)/18。標(biāo)準(zhǔn)化檢驗(yàn)變量Zc可表示為

(3)

在雙邊檢驗(yàn)中，對于給定的置信水平α上，如果|Zc|≥Z1-α/2(Z1-ɑ/2為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)偏離，其值可在標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布表中查得)，H0是不可接受的，即在置信水平α上，時(shí)間序列數(shù)據(jù)存在明顯的上升或下降趨勢。Zc> 0，數(shù)據(jù)呈增長趨勢；Zc< 0，數(shù)據(jù)呈下降趨勢；當(dāng)Zc=0時(shí)，|Zc|肯定

2.2 雙累積曲線法

輸沙量變化除受到由氣候變化(如降水量變化)引起的徑流量變化的影響外，還受到人類活動(dòng)(如興修水庫、植樹造林等)的影響[5,12-13]。通過點(diǎn)繪累積徑流量與累積輸沙量的關(guān)系，雙累積曲線法可消除降水量變化對輸沙量的影響，是一種研究除降水(或徑流)因素以外影響河流輸沙量變化的方法[14-16]。在徑流-輸沙量雙累積曲線中，若輸沙量變化只與徑流量變化有關(guān)，累積徑流量與累積輸沙量的關(guān)系為一條直線；若該直線在某一時(shí)間發(fā)生偏折(即直線斜率發(fā)生變化)，則表明降水以外的因素(通常是人類活動(dòng))對輸沙量產(chǎn)生了影響[17-18]。

若以累積徑流量(Qw)為橫坐標(biāo)、累積輸沙量(Qs)為縱坐標(biāo)繪制雙累積曲線，曲線斜率增加表明人類活動(dòng)引起河流輸沙量增加，相反，斜率減小表明人類活動(dòng)導(dǎo)致河流輸沙量減小。此外，利用變點(diǎn)前后時(shí)段的直線斜率，可進(jìn)一步定量估算人類活動(dòng)對輸沙量的影響。首先，分別對斜率變點(diǎn)出現(xiàn)前后時(shí)段的Qw與Qs進(jìn)行線性擬合，建立突變前后時(shí)段線性回歸方程如下。

突變前時(shí)段：

Qs1=a1Qw1+b1；

(4)

突變后時(shí)段：

Qs2=a2Qw2+b2。

(5)

(6)

由人類活動(dòng)引起的輸沙量變化則可表示為

(7)

式中:ΔQs>0表示輸沙量增加；ΔQs<0表示輸沙量減少。

3 結(jié)果與分析

3.1 洞庭湖水沙演變特征

自1955年以來，洞庭湖三口年徑流量與年輸沙量(圖2(a))、四水年輸沙量(圖2(b))以及城陵磯年徑流量與年輸沙量(圖2(c))均呈下降趨勢。通過對三口、四水以及城陵磯年徑流量與年輸沙量時(shí)間序列進(jìn)行M-K趨勢性檢驗(yàn)分析，除四水年徑流量以外，其它序列值在顯著水平α=0.05的檢驗(yàn)變量|Zc| > |Z1-α/2|，時(shí)間序列數(shù)據(jù)存在明顯的變化趨勢，且由于Zc均<0，呈下降趨勢(表1)。

圖2 洞庭湖三口、四水以及城陵磯1955—2018年 年徑流量與年輸沙量時(shí)間序列Fig.2 Time series of annual runoff and sediment discharge in three outlets, four rivers, and Chenglingji from 1955 to 2018

表1 洞庭湖三口、四水以及城陵磯水沙變化M-K 趨勢檢驗(yàn)結(jié)果Table 1 Results of the M-K trend test for flow and sediment variations in three outlets, four rivers, and Chenglingji

自1955年以來，三口入洞庭湖年徑流量與輸沙量均呈明顯下降趨勢(圖2(a))，且與年徑流量(|Zc|=7.31)相比，年輸沙量(|Zc|=8.44)下降趨勢更為明顯。三口輸沙量的減小主要?dú)w因于長江荊江段的系統(tǒng)裁彎取直以及上游水利工程的建設(shè)[3,19-21]。1967—1972年荊江先后經(jīng)歷了中洲子人工裁彎(1967年)、上車灣人工裁彎(1969年)以及沙灘子自然裁彎工程(1972年)。這使得河道曲率下降，水面比降增加，水體流速增加，河道受到強(qiáng)烈沖刷，荊江水位下降而相對抬高了三口分流水位[21-22]。通過對1967—1972年三口年輸沙量進(jìn)行線性擬合，6 a間三口入洞庭湖泥沙量平均每年減小0.25×108t；且裁彎后的1973—1980年，三口平均年輸沙量(1.12×108t/a)較裁彎前(1955—1966年)的平均年輸沙量(1.91×108t/a)減小41.4%。1981年，位于三口上游的葛洲壩工程蓄水運(yùn)行，加之荊江裁彎工程的持續(xù)影響，使得三口輸沙量再次降低。1981—2002年，三口平均年輸沙量(0.86×108t/a)較1973—1980年減小23.2%，較1955—1966年減小55.0%。2003年，三峽水庫135 m蓄水運(yùn)行，大量泥沙淤積于庫區(qū)，使得2003—2018年三口平均年輸沙量降低至0.09×108t/a，較1955—1966年平均年輸沙量減少95.3%。

四水入洞庭湖年徑流量無明顯變化趨勢(表1)，年輸沙量呈略微下降趨勢(圖2(b))。1955—2018年四水入洞庭湖年徑流量無明顯變化趨勢，主要是由于四水流域水系發(fā)育，產(chǎn)水量大，雖然20世紀(jì)60年代到21世紀(jì)初期四水流域修建了一系列水利工程(如1986年建立的東江水庫、1994年建立的五強(qiáng)溪水庫、1998年蓄水運(yùn)行的江埡水庫)，但連年興建的水利工程蓄水主要用于當(dāng)?shù)氐墓まr(nóng)業(yè)生產(chǎn)，未對四水徑流產(chǎn)生根本性影響[1,3]。受四水流域人工水利樞紐影響，加之沿程水土保持工作的開展，四水入洞庭湖年輸沙量呈減小趨勢，但由于四水含沙量較小，水利工程的興建對輸沙量影響較小，年輸沙量呈略微下降趨勢。

自1955年以來，城陵磯年徑流量與輸沙量均呈明顯下降趨勢(圖2(c))，其主要原因?yàn)槿谳斔斏车某掷m(xù)降低。洞庭湖湖區(qū)水沙來源于3部分：三口、四水以及區(qū)間來水來沙。由于區(qū)間來水來沙占洞庭湖總?cè)牒搅髋c入湖泥沙量的比重分別不足10%與3%[20]，洞庭湖水沙主要來源于三口與四水。排除區(qū)間來水，1955—2018年洞庭湖三口與四水輸水輸沙所占比重如圖3所示。從圖3可知，洞庭湖區(qū)水量主要來源于四水(圖3(a))，而泥沙主要來源于三口(圖3(b))。由于三口年徑流量自1955以來逐漸減少(圖2(a))，加之四水年徑流量無明顯變化(圖2(b))，洞庭湖總?cè)牒搅髁恐兴乃急戎刈?955—2018年呈增加趨勢(圖3(a))。通過線性擬合(圖3(a)中虛線所示)，1955—2018年三口年徑流量占入湖總徑流量的比重減少57.8%。2003年三峽水庫建成以前，三口輸沙量占洞庭湖泥沙入湖總量的比重穩(wěn)定(圖3(b)中虛線所示)，1955—2002年三口輸沙量平均占比為79.1%；三峽水庫蓄水運(yùn)行以后，三口輸沙量所占比重波動(dòng)劇烈，且呈下降趨勢，洞庭湖區(qū)泥沙主要來源由三口向四水發(fā)生轉(zhuǎn)變。

圖3 1955—2018年洞庭湖三口與四水輸水輸沙占比Fig.3 Proportions of runoff and sediment discharge in three outlets and four rivers from 1955 to 2018

3.2 洞庭湖湖盆沖淤演變特征

通過對比洞庭湖泥沙輸入與輸出量的差值，1955—2018年洞庭湖湖盆沖淤變化如圖4所示，其中，正值代表泥沙淤積，負(fù)值代表湖盆受到?jīng)_刷。1955—2006年，洞庭湖泥沙沖淤量為正值，湖盆一直處于淤積狀態(tài)，且泥沙淤積量在1955—2006年呈遞減趨勢；2006年之后，泥沙沖淤量轉(zhuǎn)為負(fù)值，湖盆由淤積轉(zhuǎn)為沖刷狀態(tài)。由于2003年之前，洞庭湖入湖泥沙約80%來自于三口(圖3(b))，三口入湖泥沙的減少(圖2(a))是導(dǎo)致洞庭湖湖盆泥沙淤積量減小的主要原因。1955—1966 年，洞庭湖湖區(qū)泥沙年平均淤積量為1.61×108t/a；1967—1972年，荊江河道系統(tǒng)裁彎使得湖盆泥沙淤積量每年平均減少約0.25×108t，1973—1980年洞庭湖年平均淤積量(1.09×108t/a)較1955—1966 年減少32.3%；1980年葛洲壩工程的蓄水運(yùn)行以及2003年三峽工程的建設(shè)，使得洞庭湖泥沙淤積量持續(xù)走低，并在2006年左右整個(gè)湖盆基本達(dá)到?jīng)_淤平衡狀態(tài)，且2006年以后，泥沙年沖淤量為負(fù)值，湖盆處于沖刷狀態(tài)。

圖4 1955—2018年洞庭湖年沖淤量時(shí)間序列Fig.4 Time series of sediment erosion/deposition in Dongting Lake from 1955 to 2018

3.3 洞庭湖水沙變化與人類活動(dòng)的關(guān)系

以累積徑流量為橫坐標(biāo)、累積輸沙量為縱坐標(biāo)，繪制洞庭湖三口、四水以及城陵磯1955—2018年雙累積曲線，如圖5所示。從圖5可知，四水與城陵磯徑流-輸沙雙累積曲線相對平直，曲線斜率變化不大(圖5(b)、圖5(c))；而三口雙累積曲線在2003年發(fā)生明顯偏折，且2003年以后直線斜率小于2003年之前，三口輸沙量減小(圖5(a))。2003年三口徑流-輸沙雙累積曲線發(fā)生偏折，主要原因是三峽水庫的蓄水運(yùn)行攔蓄了河流中攜帶的大量泥沙，使得清水下泄，三口水體中懸浮泥沙濃度減少，輸沙量降低。2003年之前，三口雙累積曲線呈一條直線，斜率無明顯變化。然而，1967—1972年荊江系統(tǒng)裁彎以及1981年葛洲壩水庫蓄水運(yùn)行均導(dǎo)致三口輸沙量減小(圖2(a))，但輸沙量的改變并未在雙累積曲線中反映。這主要是由于荊江系統(tǒng)裁彎雖然降低了三口的分流分沙量，但并未明顯改變?nèi)谒w中的泥沙濃度；葛洲壩為一座低壩-閘壩式水利工程，且在1985年總體上基本達(dá)到懸移質(zhì)泥沙沖淤平衡，對下游水體泥沙濃度影響較小。因此，徑流-輸沙雙累積曲線可用于揭示水體中泥沙濃度發(fā)生變化而導(dǎo)致的輸沙量變化，且泥沙濃度的變化主要是由大型水庫建設(shè)運(yùn)行以及流域內(nèi)水土保持工作造成的。

圖5 1955—2018年洞庭湖三口、四水以及城陵磯徑流- 輸沙雙累積曲線Fig.5 Double cumulative runoff-sediment discharge curves for three outlets, four rivers, and Chenglingji from 1955 to 2018

四水與城陵磯徑流-輸沙雙累積曲線近似直線，但斜率也存在微小差異。四水雙累積曲線斜率變點(diǎn)的出現(xiàn)與沿程水庫建設(shè)存在密切關(guān)系(圖5(b))。1955—2018年，四水雙累積曲線中存在2個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，將曲線分為3個(gè)時(shí)段：第一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)出現(xiàn)于1986年，且1986年之后擬合直線斜率相對1986年之前減小，四水輸沙量減少；第二次轉(zhuǎn)折點(diǎn)出現(xiàn)于1999年，且1999—2018年擬合直線斜率小于1986—1998年時(shí)段，四水輸沙量再次減少。1986年湖南省最大的東江水庫下閘蓄水，庫容91.48×108m3，導(dǎo)致1986年后四水輸沙量減少顯著，是第一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)出現(xiàn)的主要原因；1998年10月澧水支流的江埡水庫下閘蓄水，庫容17.41×108m3，是造成1999年后輸沙量變化的主要原因。由于三口與四水來水來沙經(jīng)洞庭湖調(diào)蓄后由城陵磯匯入長江，因此，與三口、四水相比，城陵磯徑流-輸沙雙累積曲線變化更為平緩，且主要與長江干流水沙變化關(guān)系緊密。如圖5(c)所示，城陵磯雙累積曲線在1981年出現(xiàn)偏折，1981年之后的斜率較1981年之前減小，輸沙量降低。這主要是由于20世紀(jì)70年代下荊江系統(tǒng)裁彎后，荊江河道被固定，三口分流減少，長江下泄水量增大，湖口排水受阻，湖區(qū)水面比降變小，水體含沙量降低，水流輸沙能力減弱[23]。2003年三峽水庫蓄水運(yùn)行，大幅度地減小了三口輸沙量，但其影響并未反映在城陵磯雙累積曲線中。這主要是由于自2003年三峽水庫蓄水運(yùn)行后，三口輸沙大幅減少，洞庭湖湖盆由持續(xù)淤積轉(zhuǎn)變?yōu)闆_刷狀態(tài)(圖4)，徑流攜帶大量湖盆中的泥沙通過城陵磯匯入長江，使得洞庭湖出湖泥沙在入湖泥沙大幅減少的背景下有所增加[24-25]。

依據(jù)雙累積曲線原理，本文對人類活動(dòng)引起的三口、四水以及城陵磯輸沙變化進(jìn)行定量評估。由于三口徑流-輸沙雙累積曲線在2003年出現(xiàn)偏折(圖5(a))，因此，以2003年為界，分別建立1955—2002年和2003—2018年2個(gè)時(shí)段雙累積曲線的線性擬合方程，即

1955—2002年：

Qs1=13.90Qw1-7 950.72，r2=0.998；

(8)

2003—2018年：

Qs2=1.55Qw2+519 736.75，r2=0.945。

(9)

1955—1985年：

Qs1=2.09Qw1-3 227.31 ，r2=0.998 9；

(10)

1986—1998年：

Qs2=1.27Qw2+37 074.85，r2=0.997 9 ；

(11)

1999—2018年：

Qs3=0.52Qw3+92 186.19，r2=0.985 2 。

(12)

1955—1980年：

Qs1=1.71Qw1+6 492.00，r2=0.996 4 ；

(13)

1981—2018年：

Qs2=0.88Qw2+74 919.94，r2=0.991 9 。(14)

將2018年對應(yīng)的城陵磯累積徑流量代入式(13)，并與累積輸沙量進(jìn)行對比，1981—2018年城陵磯輸沙量累積減少8.12×108t，年均減少量為0.21×108t/a。

4 結(jié) 論

(1)M-K趨勢性分析表明，三口年徑流量與輸沙量、四水年輸沙量及城陵磯年徑流量與輸沙量變化均呈顯著下降趨勢，四水年徑流量無明顯趨勢，且以三口年輸沙量變化最為明顯，影響最大。

(2)受長江荊江段河道系統(tǒng)裁彎工程與水利工程建設(shè)等影響，三口輸沙量呈梯級遞減；四水年徑流量因四水水系發(fā)達(dá)，工程蓄水主要用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)而總體沒有發(fā)生明顯變化；城陵磯水沙變化則受到三口、四水及其上游長江干流的多重影響，其徑流泥沙量的減小主要源于三口入洞庭湖的水沙變化，但經(jīng)調(diào)蓄后，三口水沙變化與城陵磯出現(xiàn)不同步現(xiàn)象。

(3)由于三口是洞庭湖泥沙的主要來源，1955—2018年三口輸沙的減少，使得洞庭湖湖盆泥沙淤積量呈顯著減小趨勢，且在2006年，洞庭湖湖盆泥沙由淤積狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)闆_刷狀態(tài)。

(4)采用徑流-輸沙雙累積曲線，定量評估了人類活動(dòng)對洞庭湖水沙演變的影響：三峽水庫的蓄水運(yùn)行，使得三口徑流-輸沙雙累積曲線在2003年出現(xiàn)偏折，2003—2018年三口累積減沙量約為11.07×108t，年均減少量為0.69×108t/a；受四水流域水利工程建設(shè)的影響，四水雙累積曲線分別在1986和1999年發(fā)生偏折，1986—2018年泥沙累積減沙量為7.11×108t，年均減少量為0.22×108t/a；城陵磯雙累積曲線在1981年出現(xiàn)明顯偏折，1981—2018年城陵磯累積減沙量約為8.12×108t，年均減少量為0.21×108t/a。