湖南省水庫洪水調(diào)蓄能力時空分異研究

楊家亮 龍秋波

摘要：建立湖南省水庫空間數(shù)據(jù)庫，運用核函數(shù)密度估計法來分析湖南省水庫工程的時空演化規(guī)律;選取防洪庫容作為水庫洪水調(diào)蓄能力評估指標(biāo)，來研究湖南省水庫洪水調(diào)蓄能力的時空分異特征。結(jié)果表明：① 湖南省水庫數(shù)量眾多，總庫容為514.12億m3，其中小型水庫數(shù)量占比高達(dá)97.0%，大部分建于20世紀(jì)50～70年代，21世紀(jì)以來則以大中型水庫工程建設(shè)為主。② 水庫分布與地形地貌特征密切相關(guān)，主要分布于海拔50～1 000 m之間的丘陵、崗地和山間盆地。③ 全省水庫防洪庫容106.00億m3，洪水調(diào)蓄以大型水庫為主，其防洪庫容占比接近70.0%;從空間分布格局來看，沅江流域水庫洪水調(diào)蓄能力最強(qiáng)，防洪庫容占比接近40.0%，位于湘西北的懷化市、張家界市和常德市防洪庫容占比超過50%。④ 不同時期的水庫洪水調(diào)蓄能力各異，20世紀(jì)90年代和70年代是水庫洪水調(diào)蓄能力提升最大的時期，期間防洪庫容增加占比分別為28.1%和18.3%;20世紀(jì)80年代處于水庫工程建設(shè)低潮期，防洪庫容增加占比僅為3.4%。

關(guān) 鍵 詞：洪水調(diào)蓄能力;防洪庫容;核密度函數(shù);時空演化規(guī)律;時空分異特征;水庫工程;湖南省

中圖法分類號：TV1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1001-4179（2021）09-0016-08

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.09.004

0 引 言

開展水庫及其洪水調(diào)蓄能力的時空分異特征研究，可為水庫防洪研究和流域防洪體系建設(shè)提供理論和科學(xué)支撐[1-2]。水庫是最常見的蓄水工程，用以調(diào)節(jié)河川徑流、解決旱澇災(zāi)害的主要工程措施[3]。新中國成立以來，湖南省開展了大規(guī)模水利水電工程建設(shè)。根據(jù)湖南省第一次全國水利普查[4]和水利統(tǒng)計年鑒[5]成果，湖南省目前有水庫工程14 096座，約占全國的14.5%，是水庫數(shù)量最多的省份。但是，湖南省97%的水庫是小型水庫，大部分建于20世紀(jì)50～70年代，實際蓄水量少，庫容利用效率低，配套渠系質(zhì)量差，輸水效率不高，無力抗大旱，因此急需實施除險加固工程[6-7]。

國內(nèi)外研究人員關(guān)于水庫的時空分布及其洪水調(diào)蓄能力的研究成果較為豐富。國外學(xué)者重點關(guān)注生態(tài)過程的評估以及水庫價值量的研究[8-11]，而較少關(guān)注水庫建設(shè)及其時空分異的評價;國內(nèi)學(xué)者則側(cè)重于研究少數(shù)典型水庫的洪水調(diào)蓄狀態(tài)及其相應(yīng)價值計算[12-14]，或者集中于單個水庫的防洪調(diào)度[15-17]、水質(zhì)[18-19]、水溫[20]、水生態(tài)變化方面的研究及其價值量的評估[21-23]等方面。少數(shù)研究人員基于部分省區(qū)的水庫統(tǒng)計信息，研究區(qū)域水庫工程建設(shè)歷程及其時空分布，評估其洪水調(diào)蓄能力的空間分異特征，估算大型水庫調(diào)蓄洪水功能的價值[1-2]。然而，受限于數(shù)據(jù)難以獲取的因素，當(dāng)前的研究尚不能全面反映水庫時空分布特征及其洪水調(diào)蓄功能的全貌，缺乏區(qū)域水庫資源比較分析，同時也缺少對湖南省水庫資源時空分布較為系統(tǒng)的綜合研究。因此，開展湖南省水庫工程時空分布規(guī)律及其洪水調(diào)蓄能力的時空分異特征探索是必要的，而且研究成果可為湖南省水資源規(guī)劃與管理、保護(hù)和可持續(xù)利用提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

湖南?。?08°47′E～114°15′E，24°38′N～30°08′N）地處長江中游，因水而名，南繞四水、潤澤全境，北擁洞庭、吞吐長江，既得豐水之利，又遭水患之憂。新中國成立70 a來，湖南人民堅持不懈、治水興湘，初步建成了以水庫、堤防、蓄滯洪區(qū)為重點的防洪工程體系。與20世紀(jì)90年代相比，近10 a來湖南全省年均因洪災(zāi)死亡人數(shù)從415人下降至36人，洪澇災(zāi)害年均損失率從8.56%下降至0.72%。然而，受客觀自然地理條件限制，加之現(xiàn)有防洪體系存在薄弱環(huán)節(jié)，全省經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展仍然受到洪水威脅。目前，全省有88座大中型水庫、3 960座小型水庫、267座大中型水閘帶病運行。進(jìn)入新時代，防治水旱災(zāi)害的要求更高，按照流域規(guī)劃，防洪體系仍需新增22.90億m3防洪庫容。

湖南省轄13個地級市、1個自治州，國土面積為21.18萬 km2，占全國總面積的2.20%。耕地總面積為415.47萬hm2（6 232萬畝），是全國重要的糧食生產(chǎn)基地，水稻產(chǎn)量常年穩(wěn)居全國第一。湖南省區(qū)位和DEM如圖1所示。水庫工程的建設(shè)對保障湖南全省糧食生產(chǎn)安全至關(guān)重要，利用好現(xiàn)有水庫資源，充分發(fā)揮其洪水調(diào)蓄功能，保障區(qū)域和流域內(nèi)人民群眾生命財產(chǎn)安全，對湖南省乃至全國的經(jīng)濟(jì)社會高質(zhì)量發(fā)展均意義重大。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

本文研究采用的水庫及其相關(guān)數(shù)據(jù)信息主要來源于《湖南省水利統(tǒng)計年鑒》[5]《中國水利統(tǒng)計年鑒》[24]、湖南省第一次全國水利普查[4]和《湖南省水資源綜合規(guī)劃》[25]，水庫信息包括水庫名稱、類型、所在位置、修建時間、總庫容、防洪庫容、興利庫容、供水對象等，評估對象為湖南省大、中、小不同規(guī)模的水庫工程，共計14 096座，涉及14個地級行政區(qū)。此外，研究還采用了湖南省行政區(qū)劃矢量數(shù)據(jù)、水資源分區(qū)矢量數(shù)據(jù)、DEM數(shù)據(jù)以及相關(guān)社會經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計數(shù)據(jù)等。

2.2 研究方法

2.2.1 水庫空間數(shù)據(jù)庫構(gòu)建方法

本次研究收集了湖南省水庫的空間統(tǒng)計信息，經(jīng)前期數(shù)據(jù)處理，系統(tǒng)梳理了關(guān)鍵要素屬性信息;使用ArcGIS地理信息系統(tǒng)，生成水庫的空間矢量數(shù)據(jù)，并結(jié)合湖南省DEM數(shù)據(jù)、河流水系矢量數(shù)據(jù)、區(qū)劃邊界矢量數(shù)據(jù)以及社會經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計數(shù)據(jù)等進(jìn)行空間匹配，構(gòu)建了湖南省水庫空間分布數(shù)據(jù)庫。根據(jù)水庫分布所在地的信息，通過區(qū)域統(tǒng)計分析和匯總，可得到各級行政區(qū)和流域分區(qū)水庫數(shù)量及其庫容特征值等關(guān)鍵信息，并對其進(jìn)行比較分析。

2.2.2 核函數(shù)密度估計法

選用核函數(shù)密度估計法（Kernel Density）分析水庫工程不同時段的空間分布情況。核密度分析工具用于計算要素在其周圍鄰域中的密度，通過考察規(guī)則區(qū)域中點密度的空間變化來研究點的空間聚集模式[26-27]。基本原理是：使用核函數(shù)，根據(jù)點或折線要素計算每單位面積的量值，以將各個點或折線擬合為光滑錐狀表面。本研究結(jié)合核函數(shù)密度估計法，對湖南省大中型以及小型水庫不同時期空間分布的聚集性進(jìn)行可視化分析，如圖2～3所示。

核函數(shù)密度估計法的計算公式如下：

2.2.3 水庫調(diào)蓄能力評估指標(biāo)

防洪庫容，是指防洪高水位至防洪限制水位之間的水庫容積，用以控制洪水，滿足水庫下游防洪保護(hù)對象的防洪要求[28]。本次研究選取水庫的防洪庫容作為評估指標(biāo)，來衡量區(qū)域水庫的洪水調(diào)蓄能力。

3 結(jié)果與分析

3.1 水庫數(shù)量與水量的時空分布格局

3.1.1 水庫工程建設(shè)歷程

根據(jù)對古代水利工程遺跡、史料和年鑒統(tǒng)計資料的分析，可將湖南省水庫工程建設(shè)劃分為以下4個時期：

（1）新中國成立以前，這一時期是利用河泛濕地筑塘壩引水灌溉的時期;

（2）新中國成立之初至改革開放初期，這一時期是大興水利工程建設(shè)時期;

（3）改革開放之初至20世紀(jì)末，這一時期是以除險加固、完善配套設(shè)施為主;

（4）21世紀(jì)之初至今，是推進(jìn)大型水利工程建設(shè)時期。

截至新中國成立初期，湖南省共修建水庫16座，總庫容約329.00萬m3，塘壩150萬處，蓄引提水量56億m3，其中蓄水量為29億m3[7]。新中國成立后的30 a間，全省上下掀起了一波水利工程建設(shè)高潮，共修建水庫12 000余座，水庫總庫容迅速增至200.00億m3，初步形成了以水庫為骨干、塘壩為基礎(chǔ)、大中小型工程相結(jié)合的灌溉體系。進(jìn)入20世紀(jì)80年代后，根據(jù)十一屆三中全會提出的國民經(jīng)濟(jì)調(diào)整方針，湖南省水庫建設(shè)以加固堤壩、擴(kuò)大配套為主，共處理病險工程4 768座，著力提升已建工程的效益;同時開始加強(qiáng)用水管理，全面提高全省防洪和抗旱能力。進(jìn)入新時代以來，湖南省持續(xù)推進(jìn)重大水庫工程建設(shè)，截至2018年，全省已建成各類水庫14 000余座，總庫容514.00億m3，防洪庫容106.00億m3。水庫洪水調(diào)蓄能力得到了顯著提升，水安全保障體系初步建成。

為了更加清晰地展示湖南省不同時期水庫工程建設(shè)情況，對水庫空間矢量數(shù)據(jù)進(jìn)行了核密度分析。

（1）從小型水庫工程不同時期分布來看：① 20世紀(jì)50年代，在全省范圍內(nèi)興起了一陣水利工程建設(shè)熱潮，特別是湘中南丘陵區(qū)、環(huán)洞庭湖丘崗區(qū)和湘西北山間盆地區(qū)域，新修了大量的小型水庫;② 20世紀(jì)60～70年代，水利工程建設(shè)熱度不減，持續(xù)在全省范圍內(nèi)興修水利工程;③ 20世紀(jì)80～90年代，水利工程建設(shè)熱潮減退，主要在湘東北丘陵地區(qū)建設(shè)了一批小型水庫工程，這一時期以水庫除險加固為主;④ 2000年以后，小型水庫工程建設(shè)集中在湘東南丘陵地區(qū)和湘西北山區(qū)，規(guī)模不大。

（2）從大中型水庫不同時期分布情況來看：① 20世紀(jì)50年代至70年代，大中型水庫建設(shè)處于高峰期，全省新建大型水庫14座，中型水庫237座，占比接近現(xiàn)有大中型水庫數(shù)量的50%;② 20世紀(jì)80年代至90年代，大中型水庫修建規(guī)模不大，以中型水庫工程為主，主要集中在衡邵丘陵區(qū)和湘西地區(qū)，其中湖南省規(guī)模最大的東江水庫和五強(qiáng)溪水庫均修建于20世紀(jì)90年代;③ 2000年以后，大中型水庫工程建設(shè)集中于湖南省西北山區(qū)、四水流域上游地區(qū)，規(guī)模相比前一時期有所增加。

3.1.2 湖南省水庫空間分布格局

湖南省水庫工程空間分布與全省的地形變化密切相關(guān)，超過90%的水庫分布在海拔50～1 000 m之間的丘陵、崗地和山間盆地。其中，環(huán)洞庭湖丘崗區(qū)、湘中南丘陵區(qū)、湘南丘陵區(qū)以及湘西北山間盆地區(qū)域水庫密布，湘西北雪峰-武陵山區(qū)、湘南南嶺山區(qū)和湘東幕阜-羅霄山區(qū)水庫分布稀疏，洞庭湖平原地區(qū)水庫很少，而湖泊數(shù)量眾多。

（1）按水庫所屬行政區(qū)分析，衡陽市水庫數(shù)量最多為1 796座，其次為岳陽市，有1 502座，分別占全省水庫總數(shù)量的12.7%和10.7%，湘潭市和張家界市的水庫數(shù)量相對較少，占比分別為2.7%和1.8%。郴州市和懷化市的水庫總庫容位居全省前列，均超過了110.00億m3，郴州市因為東江水庫的緣故庫容較大，懷化市則因沅江干流的幾個梯級工程使得總庫容較大，婁底市和湘潭市水庫總庫容相對較小。

（2）按水庫所在流域來看，湘江流域水庫數(shù)量最多，約6 600座，占比接近全省水庫總量的50%，流域水庫總庫容超過220.00億m3;沅江流域水庫數(shù)量次之，約2 500座，占比為17.8%，總庫容超過了150.00億m3;省境內(nèi)珠江流域水庫數(shù)量不多，約200座，總庫容約2.00億m3。

綜前所述，可將湖南省水庫的時空分布基本特點概括為以下4個方面：

（1）水庫數(shù)量多，約占全國水庫總數(shù)量的1/6，水庫總庫容約514.00億m3，人均庫容約740 m3;

（2）小型水庫數(shù)量多，占全省水庫總數(shù)量的97%，但大中型水庫起決定性作用，大中型水庫總庫容占全省總庫容的86%，其中大（1）型水庫總庫容占比接近50%;

（3）水庫分布范圍廣，遍布全省，平均每15 km2有一座水庫，每個縣區(qū)均至少有一座?。?）型以上規(guī)模的水庫;

（4）水庫分布與地形地貌特征密切相關(guān)，主要分布在海拔50～1 000 m之間的環(huán)洞庭湖丘崗區(qū)、湘中南丘陵區(qū)、湘西北山間盆地。

湖南省的水庫分布情況如表1所列。

3.2 水庫洪水調(diào)蓄能力時空分異特征

防洪庫容可以直觀有效地衡量水庫洪水調(diào)蓄能力。本次研究系統(tǒng)地收集整理了湖南省大中小型水庫的總庫容、防洪庫容等信息，用以評估湖南省水庫洪水調(diào)蓄能力的時空分異特征（見圖4）。湖南省水庫防洪庫容106.00億m3，以大型水庫為主，防洪庫容超過70.00億m3，占比67.1%;其中，大（1）型水庫防洪庫容46.30億m3，占比超過40.0%，中型水庫防洪庫容21.10億m3，占比約20.0%，小型水庫防洪庫容13.80億m3，占比為13.0%。四水流域中，沅江防洪庫容41.00億m3，占比接近40.0%，水庫洪水調(diào)蓄能力最強(qiáng)，湘江、澧水和資水流域占比分別為23.8%、18.0%和15.2%，洞庭湖環(huán)湖區(qū)的水庫防洪庫容占比約為3.6%，珠江流域水庫防洪庫容占比很小，僅為0.6%。地級行政區(qū)中，位于湘西北的懷化市、張家界市和常德市防洪庫容占比超過50.0%，其中懷化市防洪庫容約31.0億m3，占比超過30.0%，岳陽市、長沙市和湘潭市的防洪庫容不大，占比不到2%。

湖南省不同時期水庫洪水調(diào)蓄能力各異。由表2可知，20世紀(jì)50年代，湖南省開啟了水利工程建設(shè)熱潮，該時期末全省防洪庫容接近10.00億m3，水庫洪水調(diào)蓄能力初具規(guī)模，全省第一座大型水庫酒埠江水庫（位于攸水，防洪庫容2.89億m3）即修建于50年代末期;20世紀(jì)60～70年代，全省共修建大型水庫13座，中型水庫190座，水庫防洪能力顯著增強(qiáng)，柘溪水庫、雙牌水庫、水府廟水庫、歐陽海水庫等大型水利設(shè)施均完工投入運行，至20世紀(jì)70年代末，全省水庫防洪庫容接近50.00億m3;20世紀(jì)80年代是水利工程建設(shè)的低潮期，全省防洪庫容僅增加3.58億m3，鐵山水庫（位于新墻河，防洪庫容0.78億m3）于1983年完工蓄水;20世紀(jì)90年代，全省防洪庫容增加了近30.00億m3，五強(qiáng)溪水庫（位于沅江，防洪庫容13.60億m3）、東江水庫（位于耒水，防洪庫容1.58億m3）和江埡水庫（位于溇水，7.40億m3）均修建于該時期，全省水庫防洪能力得到了極大提升。進(jìn)入新時代以來，湖南全省相繼修建了皂市水庫（位于渫水，防洪庫容7.83億m3）、碗米坡水庫（位于酉水，防洪庫容2.56億m3）、大洑潭水電站（位于沅江，防洪庫容1.41億m3）等20余座大型水庫和60余座中型水庫，水庫防洪能力得到了進(jìn)一步提升。截至2018年，全省水庫總防洪庫容超過了100.00億m3，初步建成了以水庫、堤防和蓄滯洪區(qū)為重點的防洪工程體系。

綜前所述，湖南省水庫洪水調(diào)蓄以大型水庫為主，其防洪庫容占比接近70.0%。從空間分布格局來看，沅江流域水庫洪水調(diào)蓄能力最強(qiáng)，防洪庫容占比接近40%，而位于湘西北的懷化市、張家界市和常德市防洪庫容占比超過50%;從時間演變特征來看，不同時期水庫洪水調(diào)蓄能力各異，20世紀(jì)90年代和70年代是水庫洪水調(diào)蓄能力提升最大的時期，期間防洪庫容增加占比分別為28.1%和18.3%，20世紀(jì)80年代處于水庫工程建設(shè)低潮期，防洪庫容增加占比僅為3.4%。

4 討 論

洞庭湖流域是中國洪水遭受最頻繁且最嚴(yán)重的地區(qū)之一，近年來由于氣候變化及人類活動的影響，洪災(zāi)更加頻繁[29-30]。歷史資料顯示[31-32]，洞庭湖流域平均3 a發(fā)生一次較大洪水。近年來，洪澇災(zāi)害發(fā)生頻率呈上升趨勢，2016，2017年和2019年流域大洪水，眾多水利基礎(chǔ)設(shè)施受到不同程度損害，嚴(yán)重威脅人民群眾生命財產(chǎn)安全。流域防洪能力與對應(yīng)設(shè)計洪量的比值能反映流域防洪需求和資源配置狀況[33]。從湖南省四水流域大型控制性水庫工程來看，數(shù)量偏少，且有1/4為無防洪能力的徑流式電站，對江河洪水的調(diào)控能力仍然不高。大中型水庫總庫容占流域年徑流量的比例在20%～40%之間（見表3）。資水和沅江大型水庫防洪庫容占設(shè)計洪量的比例均超過了20%，位于干流的柘溪水庫和五強(qiáng)溪水庫洪水調(diào)蓄能力強(qiáng)，提高流域下游地區(qū)防洪標(biāo)準(zhǔn)，防洪效益顯著。澧水流域大型水庫防洪庫容占設(shè)計洪量的比值雖然超過了25%，但因皂市水庫和江埡水庫均位于澧水支流，干流缺乏控制性工程，澧水流域下游地區(qū)防洪標(biāo)準(zhǔn)不高，仍遭洪水威脅。湘江流域大型水庫防洪庫容占設(shè)計洪量比值不到10%，且由于東江水庫、酒埠江水庫、洮水水庫、水府廟水庫等主要控制性工程位于支流，無法控制干流洪水，防洪調(diào)蓄能力嚴(yán)重不足。2017年7月，湘江流域發(fā)生了歷年同期歷時最長、范圍最廣、雨量最多、強(qiáng)度最大的強(qiáng)降雨，湘江長沙河段及其支流水位均超歷史峰值。7月3日01：00，長沙水位站觀測洪峰水位為39.51 m，超警戒水位3.50 m，超保證水位1.13 m，超歷史最高水位0.33 m。

縱觀湖南省水庫及其洪水調(diào)蓄能力特征與不足，未來打造流域防洪安全體系時，應(yīng)考慮到人口與社會經(jīng)濟(jì)分布狀況，科學(xué)安排洪水出路，構(gòu)建“一湖四水百城”的防洪格局。針對前述問題，可從以下幾個方面采取措施。

（1）增強(qiáng)水庫蓄洪能力。通過現(xiàn)有水庫工程改擴(kuò)建或除險加固，擴(kuò)大水庫現(xiàn)有防洪庫容，合理新增調(diào)蓄空間。

（2）完善四水防洪體系。以水庫和堤防為重點，建設(shè)防洪控制性水庫，加強(qiáng)堤防整治建設(shè)。建議新建資水流域金塘沖、澧水流域宜沖橋等防洪水庫，實施沅江流域五強(qiáng)溪水庫防洪擴(kuò)容工程。湘江干流因無條件修建控制性防洪水庫，建議在主要支流新建防洪水庫，有效攔蓄支流洪水，并結(jié)合現(xiàn)有大中型水庫防洪作用，盡量減輕湘江干流防洪壓力。

（3）提升洪水管理水平。運用先進(jìn)科學(xué)技術(shù)，建立水庫管理制度，改進(jìn)水庫調(diào)度方案，提升洪水監(jiān)測預(yù)警和調(diào)度水平，加強(qiáng)洪水風(fēng)險管理，強(qiáng)化防洪應(yīng)急能力，為防洪安全提供具有彈性的非工程保障措施。

5 結(jié)論與展望

運用核函數(shù)密度估計法分析湖南省水庫工程的時空分布規(guī)律，選取防洪庫容作為水庫洪水調(diào)蓄能力評估指標(biāo)，研究湖南省水庫洪水調(diào)蓄能力的時空分異特征。得出主要結(jié)論如下：

（1）湖南省水庫數(shù)量眾多，小型水庫數(shù)量占比高達(dá)97%，且大部分建于20世紀(jì)50～70年代，21世紀(jì)以來，以大中型水庫工程建設(shè)為主。

（2）湖南省水庫空間分布與全省地形地貌特征密切相關(guān)，水庫主要分布于海拔50～1 000 m之間的丘陵、崗地和山間盆地。

（3）湖南省全省總庫容為514.12億m3，防洪庫容為106.00億m3，水庫洪水調(diào)蓄以大型水庫為主，其防洪庫容占比接近70.0%;從空間分布格局來看，沅江流域水庫洪水調(diào)蓄能力最強(qiáng)，防洪庫容占比接近40.0%，而位于湘西北的懷化市、張家界市和常德市防洪庫容占比超過50.0%。

（4）湖南省不同時期水庫的洪水調(diào)蓄能力各異，20世紀(jì)90年代和70年代是水庫洪水調(diào)蓄能力提升最大的時期，防洪庫容增加占比分別為28.1%和18.3%;20世紀(jì)80年代處于水庫建設(shè)低潮期，防洪庫容增加占比僅為3.4%。

本文從水庫工程防洪庫容的視角探討了區(qū)域水庫洪水的調(diào)蓄能力，而在實際防洪調(diào)度與管理工作中，流域下游地區(qū)的堤防、蓄滯洪區(qū)等防洪工程和洞庭湖平原區(qū)的湖泊亦發(fā)揮了重要作用。考慮到洞庭湖平原區(qū)的防洪問題一直是湖南省水利工作的重點和難點，未來研究中可綜合考慮洞庭湖的防洪效益，開展進(jìn)一步研究工作。

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（編輯：趙秋云）