楊 敏,毛德華,劉培亮,劉 文
(1.湖南師范大學(xué) 資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院,湖南 長(zhǎng)沙 410081; 2.湖南省第二測(cè)繪院,湖南 長(zhǎng)沙 410118)
流域水文過(guò)程對(duì)氣候變化和人類(lèi)活動(dòng)非常敏感[1]。氣候變化是通過(guò)氣溫、降水、蒸發(fā)等因素影響流域水循環(huán),而人類(lèi)活動(dòng)則主要是通過(guò)土地開(kāi)發(fā)、水土保持、水利工程建設(shè)等方式改變流域下墊面特性,從而影響流域的水文過(guò)程。徑流泥沙是流域水文因子中較為活躍的部分,其變化影響著流域內(nèi)的生態(tài)環(huán)境和經(jīng)濟(jì)發(fā)展。如何定量評(píng)估氣候變化和人類(lèi)活動(dòng)對(duì)水沙變化的影響,已成為當(dāng)前水文水資源研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)問(wèn)題。
洞庭湖位于湖南省北部、長(zhǎng)江中游荊江南岸,地跨湘鄂兩省,是中國(guó)第二大淡水湖[2],北納長(zhǎng)江的松滋、太平、藕池、調(diào)弦四口來(lái)水來(lái)沙(調(diào)弦口于1958年冬封堵,現(xiàn)為三口),西南接湘、資、沅、澧四水,通過(guò)洞庭湖調(diào)蓄后經(jīng)城陵磯再次流入長(zhǎng)江,河網(wǎng)密布,河湖交錯(cuò),水系十分復(fù)雜,水沙變異十分強(qiáng)烈[3-4]。洞庭湖是長(zhǎng)江中游最重要的調(diào)蓄型湖泊之一,在維系洞庭湖區(qū)和長(zhǎng)江流域水資源安全,洞庭湖區(qū)糧食安全、經(jīng)濟(jì)安全與濕地生態(tài)安全等方面具有重要的作用。在全球氣候變化,長(zhǎng)江中游先后經(jīng)歷了調(diào)弦堵口、下荊江裁彎,以及葛洲壩、三峽大壩等一系列水利工程建設(shè)的背景下,洞庭湖水沙演變規(guī)律受氣候變化影響和人類(lèi)活動(dòng)的干擾變得愈加復(fù)雜,由此引發(fā)的洞庭湖區(qū)水問(wèn)題及其連鎖效應(yīng)也呈現(xiàn)出更加復(fù)雜的局面,尤其是旱澇并存、區(qū)域性和季節(jié)性水資源短缺、流域自然環(huán)境持續(xù)惡化等一系列問(wèn)題嚴(yán)重制約了湖區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展[3,5]。因此,研究氣候變化和人類(lèi)活動(dòng)對(duì)洞庭湖水沙變異影響的定量識(shí)別及其驅(qū)動(dòng)機(jī)理至關(guān)重要。
研究人員對(duì)于洞庭湖水沙變化特征及其驅(qū)動(dòng)機(jī)理開(kāi)展了一系列研究,如胡光偉等[6]對(duì)三峽工程運(yùn)行后洞庭湖區(qū)水沙條件變化特征進(jìn)行了分析,揭示了影響洞庭湖水沙變異的主要因素;代穩(wěn)等[7]通過(guò)對(duì)洞庭湖水沙的階段性研究,分析了影響水沙變化的驅(qū)動(dòng)因素;譚芬芳[8]對(duì)洞庭湖入湖徑流量進(jìn)行了影響量分析。在上述研究成果的基礎(chǔ)上,本研究運(yùn)用線性趨勢(shì)法、M-K非參數(shù)檢驗(yàn)法、滑動(dòng)T檢驗(yàn)法、小波分析法等分析洞庭湖入出湖水沙演變特征,構(gòu)建經(jīng)驗(yàn)?zāi)P蛯?duì)洞庭湖入出湖水沙進(jìn)行定量評(píng)估,以期為洞庭湖水資源管理和水資源配置工程建設(shè)規(guī)劃制定提供理論依據(jù)。
以湖南四水湘、資、沅、澧控制站湘潭、桃江、桃源、石門(mén)及荊江三口松滋口(新江口、沙道觀)、太平口(彌陀寺)、藕池口(康家崗、管家鋪)和城陵磯出口等10個(gè)水文站1951—2015年實(shí)測(cè)水沙數(shù)據(jù)作為洞庭湖入出湖水沙變化分析的基礎(chǔ)數(shù)據(jù),長(zhǎng)時(shí)間水沙數(shù)據(jù)來(lái)源于湖南省水文水資源勘測(cè)局調(diào)查資料及《長(zhǎng)江泥沙公報(bào)》。1960—2015年降水量數(shù)據(jù)選用洞庭湖區(qū)及周邊氣象站月降水量數(shù)據(jù),涉及站點(diǎn)包括株洲、岳陽(yáng)、湘陰、湘潭、桃源、桃江、寧鄉(xiāng)、南縣、馬坡嶺、臨湘、臨澧、澧縣、華容、漢壽、常德、安鄉(xiāng)、沅江、赫山、汨羅等19個(gè)站點(diǎn),數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)氣象數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)。
1.2.1 Mann-Kendall(M-K)非參數(shù)檢驗(yàn)法
Mann-Kendall(M-K)非參數(shù)檢驗(yàn)法常用于對(duì)水沙長(zhǎng)時(shí)間序列數(shù)據(jù)進(jìn)行趨勢(shì)突變檢驗(yàn)分析,因其不要求原始數(shù)據(jù)服從特定概率分布,只滿足時(shí)間序列隨機(jī)獨(dú)立即可,因此已被廣泛應(yīng)用于水文及氣象長(zhǎng)時(shí)間序列的變化趨勢(shì)分析[7-9]。
1.2.2 小波分析法
小波分析是一種窗口大小固定但形狀可變(時(shí)寬和頻寬可變)的時(shí)頻局部化分析方法,具有多分辨率分析的特點(diǎn)。根據(jù)小波分析法的基本原理,運(yùn)用Matlab軟件得出小波系數(shù)等值線圖和小波方差圖,對(duì)水沙序列數(shù)據(jù)的周期性進(jìn)行分析。小波分析為水文系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間尺度分析研究提供了強(qiáng)有力的工具,目前研究手段已基本成熟,其在長(zhǎng)時(shí)間水沙序列中的研究已有了一系列成果。
1.2.3 降水-徑流多元線性回歸經(jīng)驗(yàn)?zāi)P?/p>
采用降水-徑流多元線性回歸經(jīng)驗(yàn)?zāi)P投吭u(píng)估氣候變化對(duì)徑流量的影響,其模型公式[10]為
Q=a+bPσc
(1)
式中:Q為計(jì)算出的年徑流量,億m3;P為實(shí)測(cè)年降水量,mm;σ為年內(nèi)逐月降水量方差;a、b、c為基于基準(zhǔn)期實(shí)測(cè)徑流量、降水量、年內(nèi)逐月降水量方差值率定的3個(gè)常數(shù)項(xiàng)。
洞庭湖流域位于亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū),年降水量大,氣象因子中降水量對(duì)徑流量的影響最大,因此本研究將降水量作為氣候變化的主要因子,不考慮蒸發(fā)量等其他因子的影響。為定量評(píng)估氣候變化和人類(lèi)活動(dòng)對(duì)徑流量變化的影響率,將徑流量序列以突變點(diǎn)為界劃分為基準(zhǔn)期和變異期,以年徑流量、實(shí)測(cè)年降水量及年內(nèi)逐月降水量方差為基礎(chǔ),通過(guò)構(gòu)建降水-徑流回歸經(jīng)驗(yàn)?zāi)P?,定量?jì)算變異期內(nèi)的天然徑流量,變異期徑流量實(shí)測(cè)值與基準(zhǔn)期徑流量的差值為徑流量總的影響量,變異期徑流量計(jì)算值與基準(zhǔn)期徑流量的差值為變異期降水量變化對(duì)徑流量的影響量,其余則為人類(lèi)活動(dòng)造成的徑流量的影響量[11-15]。
圖1為洞庭湖入湖水沙變化趨勢(shì)。由圖1可看出,入湖徑流量在1983年之前變化較為穩(wěn)定,無(wú)明顯持續(xù)上升或下降趨勢(shì),之后在1983—1988、2002—2009年呈下降趨勢(shì),在1989—2001年呈現(xiàn)上升趨勢(shì);輸沙量下降趨勢(shì)顯著,除1951—1955、1960—1968、1978—1983年呈現(xiàn)出緩慢的上升趨勢(shì)外,其余年份均呈現(xiàn)下降趨勢(shì);洞庭湖入湖歷年徑流量和輸沙量線性擬合曲線的斜率分別為-18.125、-404.46。由此可見(jiàn),1951—2015年洞庭湖入湖水沙變化均呈現(xiàn)下降趨勢(shì),只是相比較而言,輸沙量下降趨勢(shì)更加顯著,以404.46萬(wàn)t/a的速度減少。
圖1 洞庭湖入湖水沙變化趨勢(shì)
圖2為洞庭湖入湖水沙M-K檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)值。由圖2知,徑流量、輸沙量UF統(tǒng)計(jì)值,除徑流量在1951—1955年和輸沙量在1951—1958、1964—1965、1968年為正值外,其余年份均為負(fù)值,表明洞庭湖水沙總體上呈現(xiàn)出下降的趨勢(shì)。入湖徑流量的UF與UB統(tǒng)計(jì)值曲線在1976年相交,之后UF曲線突破了0.05顯著性水平,說(shuō)明洞庭湖入湖徑流量在1976年發(fā)生了突變。輸沙量的UF與UB統(tǒng)計(jì)值曲線相交于1993年,但因交點(diǎn)在顯著性水平之外,無(wú)法判斷其突變年份,因此結(jié)合滑動(dòng)T檢驗(yàn)法對(duì)洞庭湖入湖輸沙量突變點(diǎn)進(jìn)行進(jìn)一步的檢驗(yàn)。圖3為洞庭湖入湖輸沙量滑動(dòng)T檢驗(yàn)結(jié)果,由圖3知,入湖輸沙量序列先后于1980、1984、2003年突破顯著性水平,可以認(rèn)為入湖輸沙量序列發(fā)生了突變,因此確定輸沙量突變年份為1980年。
根據(jù)洞庭湖入湖水沙小波分析結(jié)果,徑流量存在著4~6、10~13、22~25、33~37 a等4類(lèi)尺度的周期性規(guī)律, 輸沙量存在著12~16、20~25 a等2類(lèi)尺度的周期性規(guī)律,其中徑流量以33~37 a的周期性最為顯著,呈現(xiàn)出3次豐水期-枯水期的交替變化,輸沙量以20~25 a的周期性最為顯著,呈現(xiàn)出4次豐水期-枯水期的交替變化,且變化較為穩(wěn)定,具有全局性特征。結(jié)合小波方差圖可知,洞庭湖入湖徑流量序列主要存在5、11、23、35 a左右變化的主要周期,輸沙量序列主要存在14、23 a左右變化的主要周期,其中徑流量以35 a、輸沙量以23 a左右的小波方差值最大,震蕩最強(qiáng)??梢哉J(rèn)為35 a為入湖徑流量變化的第一主周期,23 a為第二主周期,此外還存在著5、11 a左右的周期;23 a為入湖輸沙量變化的第一主周期,14 a為第二主周期。
(a)入湖徑流量
(b)入湖沙量
圖3 洞庭湖入湖輸沙量滑動(dòng)T檢驗(yàn)結(jié)果
圖4為城陵磯徑流量和輸沙量5 a滑動(dòng)趨勢(shì)線。由圖4知,在1983年之前城陵磯徑流量是波動(dòng)變化的,沒(méi)有呈現(xiàn)出明顯的變化趨勢(shì),之后在1986—1998年呈微弱的增加趨勢(shì),在1999—2011年呈下降趨勢(shì);1951—2015年城陵磯輸沙量下降趨勢(shì)顯著,除個(gè)別時(shí)間段存在微弱的波動(dòng)增加趨勢(shì)外,整體上呈現(xiàn)顯著的減少趨勢(shì)。城陵磯歷年徑流量和輸沙量線性擬合曲線的斜率分別為-17.795和-84.934,表明城陵磯徑流量和輸沙量整體上均呈現(xiàn)出下降趨勢(shì),相比而言,輸沙量下降趨勢(shì)較徑流量更為顯著。
圖4 洞庭湖出湖水沙變化趨勢(shì)
圖5為城陵磯水沙M-K檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)值圖。由圖5知,城陵磯徑流量較輸沙量變化更為復(fù)雜,曲線波動(dòng)性較大。徑流量與輸沙量的UF統(tǒng)計(jì)值除1951—1956年為正值外,其余年份均為負(fù)值,表明城陵磯徑流量與輸沙量在整體上呈現(xiàn)出減少的變化趨勢(shì)。徑流量的UF統(tǒng)計(jì)值和UB統(tǒng)計(jì)值曲線相交于1973年,輸沙量的相交于1981年,且在之后徑流量和輸沙量的UF統(tǒng)計(jì)值曲線均突破了95%的置信水平,因此可以認(rèn)為城陵磯徑流量和輸沙量分別在1973、1981年發(fā)生了突變,之后年份變化更加顯著。
根據(jù)城陵磯水沙小波分析結(jié)果,城陵磯徑流量存在著3~6、11~13、22~25、31~35 a等4類(lèi)尺度的周期性規(guī)律,輸沙量存在著3~5、10~13、19~25、31~35 a等4類(lèi)尺度的周期性規(guī)律,其中徑流量以31~35 a、輸沙量以19~25 a尺度的周期性最為顯著,均呈現(xiàn)出3次豐水期-枯水期的交替變化,變化較為穩(wěn)定,呈現(xiàn)出全局性特征。結(jié)合水沙小波方差圖可以看出,城陵磯徑流量序列在5、12、25、35 a左右尺度、輸沙量序列在4、11、23、33 a左右尺度小波方差的極值表現(xiàn)較為顯著,說(shuō)明城陵磯徑流過(guò)程存在5、12、25、35 a,輸沙量存在4、11、23、33 a左右變化的主要周期,其中徑流量33 a、輸沙量23 a的小波方差值最大,震蕩最強(qiáng)??梢哉J(rèn)為33 a為城陵磯徑流量變化的第一主周期,25 a為第二主周期;23 a為城陵磯輸沙量變化的第一主周期,33 a為第二主周期。
圖5 洞庭湖出湖水沙M-K檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)值
流域水沙關(guān)系反映了河流徑流量和輸沙量的匹配關(guān)系。為分析洞庭湖入出湖水沙之間的相關(guān)性,以洞庭湖入出湖水沙時(shí)間序列數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),對(duì)洞庭湖入出湖徑流量與輸沙量的關(guān)系進(jìn)行Pearson相關(guān)性分析。結(jié)果顯示,洞庭湖入湖水沙的Pearson相關(guān)系數(shù)為0.800,出湖水沙為0.696,入出湖水沙在顯著性水平值P<0.01時(shí)均呈現(xiàn)出極顯著的正相關(guān)關(guān)系,表明洞庭湖入出湖徑流量與輸沙量變化趨勢(shì)一致,呈現(xiàn)出“水大沙大,水小沙小”的變化規(guī)律。這一分析結(jié)果與譚芬芳[8]運(yùn)用一元線性回歸分析對(duì)洞庭湖水沙相關(guān)關(guān)系的研究結(jié)果相符。
考慮到洞庭湖入出湖水沙之間呈現(xiàn)出一定的正相關(guān)關(guān)系,計(jì)劃定量估算氣候變化與人類(lèi)活動(dòng)對(duì)洞庭湖入出湖徑流量的影響率。根據(jù)之前對(duì)洞庭湖入出湖徑流量突變點(diǎn)的分析,將入湖徑流量時(shí)間序列劃分為1951—1977年的基準(zhǔn)期和1978—2015年的變異期,出湖徑流量時(shí)間序列劃分為1951—1973年的基準(zhǔn)期和1974—2015年的變異期,以計(jì)算氣候變化與人類(lèi)活動(dòng)對(duì)洞庭湖入出湖徑流量的影響率。為了進(jìn)一步計(jì)算不同時(shí)段降水量和人類(lèi)活動(dòng)對(duì)徑流量的影響量,綜合洞庭湖入出湖徑流變化的特點(diǎn)及人類(lèi)活動(dòng)對(duì)洞庭湖徑流的影響程度,將整個(gè)變異期以2002年為界,劃定為變異期Ⅰ和變異期Ⅱ進(jìn)行分析。以洞庭湖入出湖基準(zhǔn)期的年徑流量、年降水量及年內(nèi)逐月降水量方差數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),率定常數(shù)項(xiàng)及回歸系數(shù),得到的數(shù)學(xué)模型為
Q1=1 660.686+10.464Pσ-0.004
(2)
Q2=1 408.389+14.282P0.006
(3)
式中:Q1為入湖徑流量,億m3;Q2為出湖徑流量,億m3;其余符號(hào)意義同上。
利用構(gòu)建的經(jīng)驗(yàn)?zāi)P停抗浪憬邓亢腿祟?lèi)活動(dòng)對(duì)洞庭湖入出湖徑流量的影響率,計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。
表1 降水和人類(lèi)活動(dòng)對(duì)洞庭湖入出湖徑流量的影響率
注:水沙數(shù)據(jù)時(shí)段為1951—2015年,降水量數(shù)據(jù)時(shí)段為1961—2015年,在計(jì)算影響量時(shí)采用1961年之后的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。
由表1可知,在變異期Ⅰ洞庭湖入出湖降水量實(shí)測(cè)值均大于基準(zhǔn)期,但徑流量實(shí)測(cè)值卻又都小于基準(zhǔn)期,其中:洞庭湖入湖徑流量總減少量為434.79億m3,降水對(duì)徑流量變化的影響量為25.19億m3,影響率為-5.79%,人類(lèi)活動(dòng)對(duì)徑流量減少的影響量為459.98億m3,影響率為105.79%;出湖徑流量總減少量為422.48億m3,降水對(duì)徑流量變化的影響量為67.23億m3,影響率為-15.91%,人類(lèi)活動(dòng)對(duì)徑流量的影響量為489.71億m3,影響率為115.91%。由此可知,在變異期Ⅰ洞庭湖入出湖徑流量受人類(lèi)活動(dòng)的影響較大,雖然降水量是增加的,但降水量的增加并未引起徑流量增加,降水量并不是引起徑流量減少的原因,降水量的增加只是減輕了人類(lèi)活動(dòng)對(duì)徑流量減少的影響程度,徑流量的減少主要是人類(lèi)活動(dòng)影響的結(jié)果。
在變異期Ⅱ,洞庭湖入出湖降水量、徑流量實(shí)測(cè)值均小于基準(zhǔn)期,其中:洞庭湖入湖徑流量總減少量為793.97億m3,降水量對(duì)徑流量減少的影響量為36.56億m3,影響率為4.60%,人類(lèi)活動(dòng)對(duì)徑流量減少的影響量為757.41億m3,影響率為95.4%;出湖徑流量總減少量為831.14億m3,降水對(duì)徑流量減少的影響量為23.31億m3,影響率為2.8%,人類(lèi)活動(dòng)對(duì)徑流量減少的影響量為807.83億m3,影響率為97.20%。分析可得,這一時(shí)段降水量的減少和人類(lèi)活動(dòng)共同作用導(dǎo)致洞庭湖入出湖徑流量減少,但人類(lèi)活動(dòng)對(duì)徑流量的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于降水量對(duì)徑流量的影響。
在整個(gè)變異期內(nèi),洞庭湖入出湖降水量實(shí)測(cè)值均大于基準(zhǔn)期,徑流量實(shí)測(cè)值均小于基準(zhǔn)期,即在整個(gè)變異期內(nèi)洞庭湖入出湖降水量相比基準(zhǔn)期是增加的,但實(shí)測(cè)徑流量均是減少的,其中:入湖徑流量總減少量為548.21億m3,降水變化對(duì)徑流量的影響量為5.67億m3,影響率為-1.03%,人類(lèi)活動(dòng)對(duì)徑流量的影響量為553.88億m3,影響率為101.03%;出湖徑流量總減少量為539.24億m3,降水量變化對(duì)徑流量的影響量為41.36億m3,影響率為-7.67%,人類(lèi)活動(dòng)對(duì)徑流量的影響量為580.60億m3,影響率為107.67%。這表明降水量的變化并不是導(dǎo)致洞庭湖入出湖徑流量減少的主因,人類(lèi)活動(dòng)干擾對(duì)徑流量的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)降水量對(duì)徑流量的影響。
(1)洞庭湖入出湖水沙時(shí)間序列數(shù)據(jù)均呈現(xiàn)出下降的趨勢(shì),尤其入湖輸沙量下降趨勢(shì)最為顯著,以404.46萬(wàn)t/a的速率減少。經(jīng)檢驗(yàn),洞庭湖入湖徑流量、入湖輸沙量、出湖徑流量、出湖輸沙量均發(fā)生了突變,突變年份分別為1976、1980、1973、1981年,之后年際變化更加顯著。此外,洞庭湖入出湖水沙還存在著不同尺度的周期性變化規(guī)律,入湖徑流量變化的第一主周期為35 a,出湖徑流量為33 a,入出湖輸沙量均為23 a,入出湖水沙周期變化規(guī)律均較為一致,主周期年份基本接近。
(2)洞庭湖入出湖水沙序列之間呈現(xiàn)出顯著的正相關(guān)關(guān)系,入湖水沙的Pearson相關(guān)系數(shù)為0.800,出湖水沙為0.696,且入出湖徑流量與輸沙量變化趨勢(shì)基本一致,呈現(xiàn)出“水大沙大,水小沙小”的變化規(guī)律。
(3)基于基準(zhǔn)期,建立降水-徑流多元線性回歸經(jīng)驗(yàn)?zāi)P?,?duì)洞庭湖入出湖徑流量的影響因素進(jìn)行了定量評(píng)估。洞庭湖入湖徑流量在變異期Ⅰ的總減少量為434.79億m3,其中降水對(duì)徑流量變化的影響率為-5.79%、人類(lèi)活動(dòng)為105.79%;出湖徑流量在變異期Ⅰ的總減少量為422.48億m3,其中降水對(duì)徑流量變化的影響率為-15.91%、人類(lèi)活動(dòng)為115.91%。徑流量的減少主要是受人類(lèi)活動(dòng)的影響,原因是在1974—2002年這一時(shí)段,洞庭湖流域經(jīng)歷了下荊江裁彎、葛洲壩建設(shè)、三峽大壩截流等一系列水利工程建設(shè),對(duì)徑流量的干擾十分嚴(yán)重,導(dǎo)致徑流量減少。在變異期Ⅱ入湖徑流量的總減少量為793.97億m3,其中降水對(duì)徑流量變化的影響率為4.60%、人類(lèi)活動(dòng)為95.4%;出湖徑流量的總減少量為831.14億m3,其中降水對(duì)徑流量變化的影響率為2.8%、人類(lèi)活動(dòng)為97.20%。徑流量的減少受降水量和人類(lèi)活動(dòng)的共同影響,原因是在2003—2015年,三峽水庫(kù)正式蓄水運(yùn)行,使得荊江三口入湖水沙量驟減,減輕了洞庭湖的泥沙淤積,湖區(qū)徑流分配趨于均勻,改善了洞庭湖枯水期水質(zhì),但同時(shí)導(dǎo)致了嚴(yán)重的季節(jié)性缺水。在整個(gè)變異期,入湖徑流量的總減少量為548.22億m3,其中降水對(duì)徑流量變化的影響率為-1.03%、人類(lèi)活動(dòng)為101.03%;出湖徑流量的總減少量為539.24億m3,其中降水對(duì)徑流量變化的影響率為-7.67%、人類(lèi)活動(dòng)為107.67%??梢?jiàn),洞庭湖入出湖徑流量在整個(gè)變異期內(nèi)的減少主要是受人類(lèi)活動(dòng)的影響。