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        基于Mann-Kendall法對(duì)洞庭湖區(qū)三口入湖水量趨勢(shì)性分析

        2018-03-21 11:05:56王維俊黎昔春
        中國農(nóng)村水利水電 2018年1期
        關(guān)鍵詞:松滋荊江入湖

        錢 湛,王維俊,黎昔春,宋 平

        (1.湖南省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究總院,湖南 長沙 410007;2.湖南省洞庭湖研究中心,湖南 長沙 410007)

        洞庭湖匯集湘、資、沅、澧四水及湖周中小河流,承接經(jīng)松滋、太平、藕池三口分流。松滋口,太平口,藕池口統(tǒng)稱為荊南三口。荊南三口控制站有新江口、沙道觀、彌陀寺、管家鋪、康家崗。其中新江口水文站位于松滋西支,于1955年1月設(shè)立;沙道觀水文站位于松滋?hào)|支于1951年2月設(shè)立;彌陀寺水文站位于虎渡河,于1952年6月設(shè)立;管家鋪水文站位于藕池東支,于1952年6月設(shè)立;康家崗水文站位于藕池西支,于1952年6月設(shè)立。

        荊南三口分流長江上游來水入湖是洞庭湖來水量的一個(gè)重要組成部分。長江上游來量、來水過程和荊南三口分流能力是影響荊南三口分流量的主要因素[1]。而荊南三口分流能力又受江湖關(guān)系自然演變、下荊江系統(tǒng)裁彎、三峽和葛洲壩運(yùn)用等強(qiáng)人類活動(dòng)影響[2]。在自然演變和強(qiáng)人類活動(dòng)影響下,荊南三口分流能力顯著降低、三口分流量呈減少態(tài)勢(shì),導(dǎo)致湖區(qū)季節(jié)性、工程型水資源供需矛盾凸顯;水生態(tài)功能呈退化態(tài)勢(shì),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[3]。

        為保障湖區(qū)水資源及水生態(tài)環(huán)境安全,本文所有數(shù)據(jù)均采用長江委水文局所保存的相關(guān)資料,進(jìn)行洞庭湖區(qū)三口入湖水量趨勢(shì)性分析,研究成果最終為實(shí)現(xiàn)洞庭湖區(qū)水文條件急劇變化情況下的科學(xué)治水,以及類似區(qū)域河流及湖泊水生態(tài)安全科學(xué)調(diào)控提供科學(xué)參考。

        1 三口年入湖水量分析

        1.1 三口年入湖水量變化

        為便于分析研究三口分流量變化的趨勢(shì)及成因,以重大水利工程建設(shè)為節(jié)點(diǎn),將1959-2013年劃分為5個(gè)時(shí)間段[4]。第一階段:下荊江裁彎以前(1959-1966年);第二階段:下荊江裁彎期(1967-1972年);第三階段:裁彎后至葛洲壩截流之前(1973-1980年);第四階段:葛洲壩運(yùn)用影響期到三峽水庫蓄水前(1981-2002年);第五階段:三峽工程運(yùn)用后(2003-2013年)。

        1959-2013年荊南三口實(shí)測(cè)多年平均入湖水量798 億m3,占同期總?cè)牒康?8%。其中松滋河西支和東支、虎渡河、藕池河?xùn)|支和西支實(shí)測(cè)多年平均徑流量分別為293.9 億m3、94.1 億m3、145.6 億m3、248.9 億m3和15.5 億m3,見圖1及表1。

        圖1 枝城徑流量、三口徑流量、三口分流量逐年變化情況Fig. 1 Change of the runoff of Zhicheng and three outfalls and the flux of three outfalls

        (1)1959-2013年荊南三口分流入湖水量減少趨勢(shì)顯著,三峽水庫蓄水后與下荊江裁彎前兩階段相比,枝城站年徑流量減少了564 億m3,減少幅度為12%;三口合計(jì)分流量減少了851.2 億m3,減少幅度為64%,年平均減少18.9 億m3。

        (2)從分階段三口分流入湖水量變化來看:下荊江裁彎期和下荊江裁彎后兩個(gè)階段(共14年)三口入湖水量減少幅度最大,期間三口年平均分流量減少了近501.5 億m3,占總減少量的58.9%,年平均減少35.8 億m3;下荊江裁彎后至三峽水庫蓄水運(yùn)用前(共22年),三口分流量仍呈逐年減少趨勢(shì),但變化幅度已逐漸趨緩,期間三口年分流量減少了209 億m3、年平均減少9.5 億m3;三峽水庫運(yùn)用后,三口分流量減少幅度進(jìn)步擴(kuò)大,期間三口分流量減少140.7 億m3、年平均減少12.8 億m3。

        (3)從三口五站分流量變化來看:藕池西支管家鋪站年水量減少最多,下荊江裁彎前至2013年,已由584.7 億m3下降至101.8 億m3,松滋西支新江口站水量減少幅度最小,由下荊江裁彎前的330.6 億m3減少到2013年的235.5 億m3。三峽水庫運(yùn)用后與下荊江裁彎前相比,新江口站、沙道觀站、彌陀寺站、管家鋪站、康家崗站年平均水量分別減少95.1、106.4、125.4、482.9和41.4 億m3,分別占三口五站總減少量的11.1%、12.5%、14.7%、56.7%和4.86%。

        1.2 三口年入湖水量變化趨勢(shì)性檢驗(yàn)

        采用Mann-Kendall法進(jìn)行M-K檢驗(yàn),長江上游來水Kendall秩次檢驗(yàn)T檢驗(yàn)量為-1.97,呈下降趨勢(shì);線性回歸檢驗(yàn)T檢驗(yàn)量為-2.31,呈下降趨勢(shì)。荊南三口入湖水量Kendall秩次檢驗(yàn)T檢驗(yàn)量為-6.68,呈顯著下降趨勢(shì);線性回歸檢驗(yàn)T檢驗(yàn)量為-9.34,呈顯著下降趨勢(shì)。由此可知,1959-2013年長江上游來水呈減少趨勢(shì),荊南三口分流入湖水量減少趨勢(shì)顯著。三口年徑流量M-K檢驗(yàn)成果見圖2~圖4。

        圖2 松滋口年徑流量M-K檢驗(yàn)圖Fig.2 M-K checkout of annual runoff of Songzi port gate

        圖3 太平口年徑流量M-K檢驗(yàn)圖Fig.3 M-K checkout of annual runoff of Taiping port gate

        圖4 藕池口年徑流量M-K檢驗(yàn)圖Fig.4 M-K checkout of annual runoff of Ouchi port gate

        圖5 三口年徑流量M-K檢驗(yàn)圖Fig.5 M-K checkout of annual runoff of The three outfalls

        從圖2~4可知,自1971年以來,松滋口年平均徑流量有減少的趨勢(shì),且自1976年起這種減少趨勢(shì)愈發(fā)顯著大大超過臨界水平,表明松滋口年平均徑流量減少的趨勢(shì)是十分顯著的;自1972年以來,太平口年平均徑流量有減少的趨勢(shì),且自1977年起這種減少趨勢(shì)愈發(fā)顯著大大超過臨界水平,表明太平口年平均徑流量減少的趨勢(shì)是十分顯著的;自1969年以來,藕池口年平均徑流量有減少的趨勢(shì),且自1972年起這種減少趨勢(shì)愈發(fā)顯著大大超過臨界水平,表明藕池口年平均徑流量減少的趨勢(shì)是十分顯著的;1959年至1971年,三口合計(jì)年徑流量呈增長趨勢(shì);1971年后,三口合計(jì)年徑流量有下降趨勢(shì),且自1975年起這種下降趨勢(shì)愈發(fā)顯著,大大超過臨界水平,表明三口合計(jì)年徑流量減少的趨勢(shì)是十分顯著的。

        2 三口枯季(10月至次年3月)入湖水量

        2.1 三口枯季入湖水量變化

        1959-2013年荊南三口枯期實(shí)測(cè)多年平均入湖水量118 億m3,占同期總?cè)牒康?5.5%。其中松滋河西支和東支、虎渡河、藕池河?xùn)|支和西支實(shí)測(cè)多年平均枯季徑流量分別為50.8、11.7、22.7、31.4和0.98 億m3。

        圖6 枝城徑流量、三口徑流量、三口分流量逐年枯季變化情況Fig.6 Change of the runoff of Zhicheng and three outfalls and the flux of three outfalls in the dry season

        圖2為長江上游來水(枝城站)、荊南三口分流入湖水量逐年枯期變化過程。從圖上直觀的可以看出,長江上游來水、荊南三口枯期分流入湖水量呈現(xiàn)出減少的態(tài)勢(shì)。從表2可以看出:

        (1)1959-2013年荊南三口枯期分流入湖水量減少趨勢(shì)顯著,三峽水庫蓄水后與下荊江裁彎前兩階段相比,枝城站年枯期平均徑流量減少了144 億m3,減少幅度為10.8%;三口合計(jì)分流量減少了216.6 億m3,減少幅度為83.9%,年枯期平均減少4.81 億m3。

        (2)從分階段三口分流入湖水量變化來看:下荊江裁彎期和下荊江裁彎后兩個(gè)階段(共14年)三口枯期入湖水量減少幅度最大,期間三口年平均分流量減少了近128.4 億m3,占總減少量的59.3%,年平均減少9.2 億m3;下荊江裁彎后至三峽水庫蓄水運(yùn)用前(共22年),三口分流量仍呈逐年減少趨勢(shì),但變化幅度已逐漸趨緩,期間枯期三口年分流量減少了52 億m3、年平均減少2.4 億m3;三峽水庫運(yùn)用后,三口分流量減少幅度進(jìn)步擴(kuò)大,期間枯期三口分流量減少36.2 億m3、年平均減少3.3 億m3。

        (3)從三口五站分流量變化來看:藕池西支管家鋪站年水量減少最多,下荊江裁彎前至2013年,已由106.2 億m3下降至4.8 億m3,松滋西支新江口站水量減少幅度最小,由下荊江裁彎前的74.0 億m3減少到2013年的26.9 億m3。三峽水庫運(yùn)用后與下荊江裁彎前相比,新江口站、沙道觀站、彌陀寺站、管家鋪站、康家崗站年枯期平均水量分別減少47.1、25.5、38.6、101.4和4.0 億m3,分別占三口五站總減少量的21.7%、11.8%、17.8%、46.8%和1.8%。

        表2 荊南三口分時(shí)段枯季徑流量統(tǒng)計(jì) 億m3

        2.2 三口枯季入湖水量變化趨勢(shì)性檢驗(yàn)

        采用Mann-Kendall法進(jìn)行M-K檢驗(yàn),長江上游來水Kendall秩次檢驗(yàn)T檢驗(yàn)量為-1.31,呈下降趨勢(shì);線性回歸檢驗(yàn)T檢驗(yàn)量為-0.96,呈下降趨勢(shì)。荊南三口入湖水量Kendall秩次檢驗(yàn)T檢驗(yàn)量為-6.90,呈顯著下降趨勢(shì);線性回歸檢驗(yàn)T檢驗(yàn)量為-9.24,呈顯著下降趨勢(shì)。由此可知,1959-2013年長江上游枯季來水呈減少趨勢(shì),荊南三口分流枯季入湖水量減少趨勢(shì)顯著。

        圖7 松滋口枯季徑流量M-K檢驗(yàn)圖Fig.7 M-K checkout of annual runoff of Songzi port gate in the dry season

        圖8 太平口枯季徑流量M-K檢驗(yàn)圖Fig.8 M-K checkout of annual runoff of Taiping port gate in the dry season

        圖9 藕池口枯季徑流量M-K檢驗(yàn)圖Fig.9 M-K checkout of annual runoff of Ouchi port gate in the dry season

        圖10 三口合計(jì)枯季徑流量M-K檢驗(yàn)圖Fig.10 M-K checkout of annual runoff of the three outfalls in the dry season

        從圖7-圖10可知,自1972年以來,松滋口枯季平均徑流量有減少的趨勢(shì),且自1978年起這種減少趨勢(shì)愈發(fā)顯著大大超過臨界水平,表明松滋口枯季平均徑流量減少的趨勢(shì)是十分顯著;自1969年以來,太平口枯季平均徑流量有減少的趨勢(shì),且自1974年起這種減少趨勢(shì)愈發(fā)顯著大大超過臨界水平,表明太平口枯季平均徑流量減少的趨勢(shì)是十分顯著;自1969年以來,藕池口枯季平均徑流量有減少的趨勢(shì),且自1973年起這種減少趨勢(shì)愈發(fā)顯著大大超過臨界水平,表明藕池口枯季平均徑流量減少的趨勢(shì)是十分顯著;自1970年以來,三口合計(jì)枯季平均徑流量有減少的趨勢(shì),且自1975年起這種減少趨勢(shì)愈發(fā)顯著大大超過了臨界水平,表明三口合計(jì)枯季平均徑流量減少的趨勢(shì)是十分顯著的。

        3 三口9-10月入湖水量變化趨勢(shì)

        3.1 三口9-10月入湖水量變化

        1959-2013年荊南三口9-10月實(shí)測(cè)多年平均入湖水量238 億m3,占同期總?cè)牒康?5%。其中松滋河西支和東支、虎渡河、藕池河?xùn)|支和西支實(shí)測(cè)多年9-10月平均徑流量分別為87.0、28.5、43.3、74.8和4.41 億m3。

        圖11 枝城、三口、三口合計(jì)歷年9-10月徑流變化情況Fig.11 Change of the runoff of Zhicheng, three outfalls,sum of three outfalls in September to October each year

        圖11為長江上游來水(枝城站)、荊南三口分流入湖水量逐年9-10月變化過程。從圖上直觀的可以看出,長江上游來水、荊南三口9-10月分流入湖水量呈現(xiàn)出減少的態(tài)勢(shì)。從表3可以看出:

        表3 荊南三口分時(shí)段9-10月徑流量統(tǒng)計(jì) 億m3

        (1)1959-2013年荊南三口9-10月分流入湖水量減少趨勢(shì)顯著,三峽水庫蓄水后與下荊江裁彎前兩階段相比,枝城站9-10月平均徑流量減少了381 億m3,減少幅度為30.2%;三口合計(jì)分流量減少了308.9 億m3,減少幅度為72.1%,9-10月平均減少6.86 億m3。

        (2)從分階段三口分流入湖水量變化來看(表3):下荊江裁彎期和下荊江裁彎后兩個(gè)階段(共14年)三口9-10月入湖水量減少幅度最大,期間三口年平均分流量減少了近157.2 億m3,占總減少量的50.9%,年平均減少11.2 億m3;下荊江裁彎后至三峽水庫蓄水運(yùn)用前(共22年),三口分流量仍呈逐年減少趨勢(shì),但變化幅度已逐漸趨緩,期間9-10月三口年分流量減少了97.5 億m3、年平均均減少4.43 億m3;三峽水庫運(yùn)用后,三口分流量減少幅度進(jìn)步擴(kuò)大,期間9-10月三口分流量減少54.2 億m3、年平均減少4.93 億m3。

        (3)從三口五站分流量變化來看:藕池西支管家鋪站年水量減少最多,松滋西支新江口站水量減少幅度最小。三峽水庫運(yùn)用后與下荊江裁彎前相比,新江口站、沙道觀站、彌陀寺站、管家鋪站、康家崗站年9-10月平均水量分別減少42.7、39、43.3、170和13.9 億m3,分別占三口五站總減少量的13.8%、12.6%、14.0%、55.0%和4.5%。

        3.2 三口9-10月入湖水量變化趨勢(shì)性檢驗(yàn)

        采用Mann-Kendall法進(jìn)行M-K檢驗(yàn),長江上游來水Kendall秩次檢驗(yàn)T檢驗(yàn)量為-3.37,呈下降趨勢(shì);線性回歸檢驗(yàn)T檢驗(yàn)量為-3.78,呈下降趨勢(shì)。荊南三口入湖水量Kendall秩次檢驗(yàn)T檢驗(yàn)量為-6.07,呈顯著下降趨勢(shì);線性回歸檢驗(yàn)T檢驗(yàn)量為-7.28,呈顯著下降趨勢(shì)。由此可知,1959-2013年長江上游9-10月來水呈減少趨勢(shì),荊南三口分流9-10月入湖水量減少趨勢(shì)顯著。

        圖12 松滋口9-10月徑流量M-K檢驗(yàn)圖Fig.12 M-K checkout of annual runoff of songzi port gate in September to October each year

        圖13 太平口9-10月徑流量M-K檢驗(yàn)圖Fig.13 M-K checkout of annual runoff of taiping port gate in September to October each year

        圖14 藕池口9-10月徑流量M-K檢驗(yàn)圖Fig.14 M-K checkout of annual runoff of ouchi port gate in September to October each year

        圖15 三口合計(jì)9-10月徑流量M-K檢驗(yàn)圖Fig.15 M-K checkout of annual runoff of the three outfalls in September to October each year

        從圖12-15可知,自1971年以來,松滋口9-10月平均徑流量有減少的趨勢(shì),且自1977年起這種減少趨勢(shì)愈發(fā)顯著大大超過了臨界水平,表明松滋口9-10月平均徑流量減少的趨勢(shì)是十分顯著的;自1972年以來,太平口9-10月平均徑流量有減少的趨勢(shì),且自1986年起這種減少趨勢(shì)愈發(fā)顯著大大超過了臨界水平,表明太平口9-10月平均徑流量減少的趨勢(shì)是十分顯著的;自1970年以來,藕池口9-10月平均徑流量有減少的趨勢(shì),且自1976年起這種減少趨勢(shì)愈發(fā)顯著大大超過了臨界水平,表明藕池口9-10月平均徑流量減少的趨勢(shì)是十分顯著的;自1971年以來,三口合計(jì)9-10月平均徑流量有減少的趨勢(shì),且自1977年起這種減少趨勢(shì)愈發(fā)顯著大大超過了臨界水平,表明三口合計(jì)9-10月平均徑流量減少的趨勢(shì)是十分顯著的。

        4 結(jié) 論

        長江上游來量、來水過程和荊南三口分流能力是影響荊南三口分流量的主要因素。而荊南三口分流能力又受江湖關(guān)系自然演變、下荊江系統(tǒng)裁彎、三峽和葛洲壩運(yùn)用等強(qiáng)人類活動(dòng)影響。在自然演變和強(qiáng)人類活動(dòng)影響下,荊南三口分流能力顯著降低、三口分流量呈減少態(tài)勢(shì)。通過基于Mann-Kendall法對(duì)洞庭湖區(qū)三口入湖水量趨勢(shì)性分析,1959-2013年長江上游年來水、枯季來水和9-10月來水呈減少趨勢(shì),而荊南三口分流年入湖水量、枯季入湖水量和9-10月入湖水量減少趨勢(shì)顯著,其中藕池西支管家鋪站來水量減少最多。

        [1] 周 泓,歐伏平,劉 妍. 十一五期間洞庭湖水環(huán)境質(zhì)量狀況及變化趨勢(shì)分析[J]. 湖南理工學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2011,24(2):88-90.

        [2] 張 季,翟紅娟。洞庭湖湖區(qū)水資源保護(hù)規(guī)劃[J]. 人民長江,2011,42(2):56-58.

        [3] XIONG Y, WANG K L. Eco-compensation effects of the wetland recovery in Dongting Lake area[J]. Journal of Geographical Sciences, 2010,20(3):389-405.

        [4] 賴錫軍, 姜加虎, 黃 群. 洞庭湖地區(qū)水系水動(dòng)力耦合數(shù)值模型[J]. 海洋與湖沼, 2008,(1):74-81.

        [5] 梁亞琳, 黎昔春, 鄭 穎. 洞庭湖徑流變化特性研究[J]. 中國農(nóng)村水利水電, 2015,(5):67-71.

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