徐幸儀，伍佑倫，盛 東，何懷光

(湖南省水利水電科學(xué)研究院，湖南 長(zhǎng)沙 410007)

1 研究背景

水資源是人類(lèi)生存和發(fā)展不可缺少的重要自然資源，當(dāng)今水問(wèn)題日益增多，流域水資源短缺嚴(yán)重制約了經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展[1-2]。通過(guò)水資源演變分析，定量研究水資源時(shí)空變化規(guī)律并分析其驅(qū)動(dòng)影響機(jī)制，對(duì)進(jìn)一步保護(hù)和利用水資源具有重要意義[3]。

洞庭湖是長(zhǎng)江中游重要的調(diào)蓄型湖泊，洞庭湖湖泊水資源的保護(hù)及管理尤為重要，把握湖泊水資源演變規(guī)律是當(dāng)今的研究熱點(diǎn)[4-5]。近幾十年來(lái)，長(zhǎng)江中游及洞庭湖經(jīng)歷過(guò)多次工程干預(yù)，如調(diào)弦堵口、下荊江裁彎、三峽水庫(kù)建設(shè)等眾多水利工程[6-7]，在全球氣候變化背景下，伴隨著強(qiáng)烈的人類(lèi)活動(dòng)，長(zhǎng)江與洞庭湖的江湖關(guān)系多變，水資源及生態(tài)資源受到嚴(yán)重影響[8-11]。周蕾等[12]基于1956-2015年湖區(qū)實(shí)測(cè)水文數(shù)據(jù)，利用Mann-Kendall突變檢驗(yàn)法及主成分分析法研究洞庭湖水位演變特征及驅(qū)動(dòng)因素；李景保等[13-14]基于三峽運(yùn)行前后洞庭湖區(qū)長(zhǎng)序列實(shí)測(cè)水文數(shù)據(jù)，對(duì)比分析三峽水庫(kù)運(yùn)行對(duì)洞庭湖水文情勢(shì)的影響；段蘊(yùn)歆等[15]基于1990-2017年監(jiān)利、城陵磯、螺山水位及流量數(shù)據(jù)，分析三峽水庫(kù)運(yùn)行后的新江湖關(guān)系及江湖交匯區(qū)的頂托作用。前人對(duì)洞庭湖區(qū)內(nèi)水位及流量特征變化規(guī)律的研究較多且成果豐富，但以往對(duì)洞庭湖水資源的研究多集中在四水、三口和洞庭湖出口斷面等處[16-17]，且水量與水位多為分開(kāi)單獨(dú)研究[18-20]，關(guān)于長(zhǎng)江上游來(lái)水量及其過(guò)程、洞庭湖出口及下游長(zhǎng)江水量與水位對(duì)洞庭湖水資源演變特征影響的研究較少。

本研究分別選取枝城站、城陵磯(七里山)以及螺山站共3處代表站進(jìn)行研究，基于長(zhǎng)序列水位及流量數(shù)據(jù)，分析洞庭湖1960-2015年的水資源演變情況及長(zhǎng)江水文情勢(shì)對(duì)洞庭湖水資源變化的影響，研究成果可為分析長(zhǎng)江與洞庭湖的江湖關(guān)系、洞庭湖水資源的優(yōu)化配置以及洞庭湖的生態(tài)保護(hù)等提供重要的參考。

2 研究區(qū)域概況

洞庭湖(東經(jīng)111°14′～113°10′，北緯28°30′～30°23′)是長(zhǎng)江出三峽進(jìn)入中下游平原后的第一個(gè)通江大湖，地跨湖南、湖北兩省，是我國(guó)第二大淡水湖[21-24]。特殊的地理位置和來(lái)水條件使洞庭湖水資源變化一直受到廣泛關(guān)注。洞庭湖作為大型的通江湖泊，其水資源不僅受氣候因素等自然條件的影響，同時(shí)也受到人類(lèi)活動(dòng)的顯著影響，特別是近50年來(lái)水利工程等人類(lèi)活動(dòng)影響加劇，洞庭湖水資源呈現(xiàn)出新的特征[25-27]。湖區(qū)面臨水質(zhì)性缺水和季節(jié)性缺水并存的局面；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[28-30]，對(duì)湖區(qū)人民的生產(chǎn)和生活產(chǎn)生了不利影響。研究區(qū)域水系及水文控制站點(diǎn)分布見(jiàn)圖1。

圖1 研究區(qū)域水系及水文控制站點(diǎn)分布

3 研究方法

為研究洞庭湖水資源的年際和年內(nèi)變化特征，采用Mann-Kendall突變檢驗(yàn)方法對(duì)研究區(qū)域內(nèi)3個(gè)控制性水文站枝城站、城陵磯(七里山)站、螺山站(下簡(jiǎn)稱3站)1960-2015年的年徑流量和年平均水位進(jìn)行變化趨勢(shì)分析，并對(duì)三峽工程運(yùn)行前后(1995-2015年)3站的月平均流量和月平均水位進(jìn)行分析。

Mann-Kendall檢驗(yàn)方法是一種非參數(shù)的統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法[31]。該方法不僅計(jì)算簡(jiǎn)便，而且可以明確突變開(kāi)始的時(shí)間和突變區(qū)域，更適用于類(lèi)型變量和順序變量，是一種常用的突變檢測(cè)方法[32]。Mann-Kendall法通過(guò)統(tǒng)計(jì)量UF來(lái)判斷序列呈上升或下降趨勢(shì)，正序列統(tǒng)計(jì)量UF和逆序列統(tǒng)計(jì)量UB大于0，則序列呈上升趨勢(shì)；若UF或UB小于0，則序列呈下降趨勢(shì)；當(dāng)UF或UB超過(guò)臨界線Ua，表明上升或下降趨勢(shì)顯著。若UF和UB線出現(xiàn)交點(diǎn)，且交點(diǎn)在臨界線之間，則突變開(kāi)始時(shí)間為交點(diǎn)對(duì)應(yīng)時(shí)刻[33]。其原理和具體計(jì)算步驟參照文獻(xiàn)[34-35]。

4 洞庭湖徑流量演變趨勢(shì)分析

4.1 徑流量年內(nèi)變化規(guī)律分析

對(duì)枝城、城陵磯(七里山)、螺山3站1960-2015年的月平均徑流量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 1960-2015年不同時(shí)段枝城、城陵磯(七里山)、螺山水文站月平均徑流量對(duì)比 m3/s

從表1可知，3站徑流量年內(nèi)分配不均勻，其中汛期(4-10月)多年平均徑流量約占多年平均徑流量的80%，主汛期7月份流量最為集中，3站7月份多年月平均徑流量占多年平均徑流量的百分比均達(dá)到16%以上，而11月至次年3月多年月平均流量占多年平均流量的百分比均小于6.2%。

三峽工程運(yùn)行前后13 a對(duì)比：分析三峽工程運(yùn)行前(1990-2002年)與三峽工程運(yùn)行后(2003-2015年)兩段時(shí)間序列發(fā)現(xiàn)，三峽運(yùn)行后3站汛期(4-10月)變化趨勢(shì)相同，徑流量均呈現(xiàn)減少趨勢(shì)，3站汛期多年月平均徑流量分別由三峽運(yùn)行前的19 401、12 286、28 214 m3/s相應(yīng)減少至17 309、9 816、24 743 m3/s，其中主汛期7、8月下降最為明顯，可以看出三峽修建后洞庭湖汛期流量下降顯著；三峽運(yùn)行后枯水期(12月-次年3月)3站出現(xiàn)明顯不同的變化趨勢(shì)，其中枝城站徑流量出現(xiàn)上升趨勢(shì)，而城陵磯(七里山)站徑流量卻出現(xiàn)減少趨勢(shì)，螺山站基本持平，徑流量變化不大。枯水期枝城站徑流量出現(xiàn)上升趨勢(shì)，反映出三峽對(duì)長(zhǎng)江的補(bǔ)水調(diào)節(jié)，但洞庭湖城陵磯流量卻呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，可能與三峽修建后三口分流量減少和湖區(qū)內(nèi)人類(lèi)活動(dòng)有關(guān)。

三峽工程運(yùn)行后與多年平均對(duì)比：分析三峽工程運(yùn)行后(2003-2015年)與多年平均(1960-2015年)兩段時(shí)間序列發(fā)現(xiàn)，三峽運(yùn)行后3站汛期(4-10月)變化趨勢(shì)基本相同，除枝城站4-5月徑流量有小幅上升外，其他月份3站均呈現(xiàn)徑流量減少趨勢(shì)；三峽運(yùn)行后枯水期11月，3站徑流量均減少，12月基本持平，次年1-3月徑流量均有所增加?？梢钥闯鋈龒{水庫(kù)汛期減少下泄流量和枯水期補(bǔ)水對(duì)洞庭湖流量年內(nèi)的調(diào)節(jié)作用明顯。

4.2 流量年際變化趨勢(shì)

采用Mann-Kendall突變檢驗(yàn)方法檢測(cè)1960-2015年間洞庭湖流量的突變情況。給定顯著性水平α=0.05，即U0.05=±1.96。計(jì)算結(jié)果如圖2～4所示。

由圖2中UF曲線可見(jiàn)，洞庭湖上游長(zhǎng)江枝城站60年代至70年代初期UF值大于0，表明該段時(shí)間徑流量呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)，自70年代初到2000年以來(lái)徑流量基本變化不大，但在2001-2015年間由于UF值小于0，表明徑流量呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，從2011年開(kāi)始UF超過(guò)了臨界線U0.05，表明下降趨勢(shì)顯著。據(jù)UF和UB交點(diǎn)位置判斷，洞庭湖上游枝城站徑流量下降是一個(gè)突變現(xiàn)象，時(shí)間是從2001年以后開(kāi)始的。而在2002-2006年間UF值大于0，表明該段時(shí)間徑流量呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)，但總體上由于UF值小于U0.05，而且更接近0值，這表明上游徑流量整體上變化不顯著。

圖2 1960-2015年洞庭湖上游長(zhǎng)江枝城水文站徑流量M-K突變檢驗(yàn) 圖3 1960-2015年洞庭湖出口城陵磯(七里山)水文站徑流量M-K突變檢驗(yàn)

圖3表明，洞庭湖出口城陵磯(七里山)站的UF曲線從1974年開(kāi)始全部在0值以下，表明洞庭湖出口整體徑流量呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，根據(jù)UF和UB曲線交點(diǎn)的位置，可以確定洞庭湖出口徑流量下降是一個(gè)突變現(xiàn)象，時(shí)間是從1999年以后開(kāi)始的。

由圖4可看出，洞庭湖下游長(zhǎng)江螺山站與洞庭湖上游長(zhǎng)江枝城站的UF曲線大體類(lèi)似但又有所差異，其值也是60年代至70年代初期UF值大于0，表明洞庭湖下游長(zhǎng)江螺山站在這一時(shí)期內(nèi)整體徑流量呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)；自70年代初到2000年以來(lái)徑流量基本保持不變，但在2006-2015年間UF值小于0，表明徑流量呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，但總體上UF值小于U0.05，說(shuō)明徑流量下降趨勢(shì)不顯著。根據(jù)UF和UB曲線交點(diǎn)的位置，可以確定下游徑流量下降也是突變現(xiàn)象，時(shí)間是從2003年以后開(kāi)始的，晚于洞庭湖上游長(zhǎng)江枝城站流量突變的時(shí)間2 a?？偟膩?lái)說(shuō)，洞庭湖下游長(zhǎng)江螺山站沒(méi)有洞庭湖上游長(zhǎng)江枝城和出口城陵磯(七里山)站徑流量變化明顯。

圖4 1960-2015年洞庭湖下游長(zhǎng)江螺山水文站徑流量M-K突變檢驗(yàn) 圖5 三峽工程運(yùn)行前后枝城水文站月平均水位變化

綜上所述，洞庭湖上游長(zhǎng)江枝城站和下游長(zhǎng)江螺山站整體上徑流量年際變化不顯著，而洞庭湖出口城陵磯(七里山)站徑流量年際變化呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)。其原因有待進(jìn)一步深入研究。

5 洞庭湖水位演變情況

5.1 水位年內(nèi)變化規(guī)律分析

對(duì)枝城、城陵磯(七里山)、螺山3站1990-2015年的月平均水位進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)分為三峽工程運(yùn)行前(1990-2002年)和運(yùn)行后(2003-2015年)兩段時(shí)間序列，結(jié)果見(jiàn)表2和圖5～7。

圖6 三峽工程運(yùn)行前后城陵磯(七里山)水文站月平均水位變化 圖7 三峽工程運(yùn)行前后螺山水文站月平均水位變化

對(duì)表2和圖5～7中三峽工程運(yùn)行前與運(yùn)行后兩段時(shí)間序列進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，三峽運(yùn)行后3站汛期(4-10月)變化趨勢(shì)相同，月平均水位均呈現(xiàn)減少趨勢(shì)，其中主汛期7、8月下降最為明顯；三峽運(yùn)行后枯水期(1-3月)3站出現(xiàn)水位上升趨勢(shì)。

表2 三峽工程運(yùn)行前后枝城、城陵磯(七里山)、螺山水文站月平均水位對(duì)比表 m

上述3站水位年內(nèi)變化規(guī)律體現(xiàn)了三峽水庫(kù)汛期減少下泄流量和枯水期向下游補(bǔ)水對(duì)洞庭湖水位年內(nèi)調(diào)節(jié)作用明顯。

5.2 水位年際變化趨勢(shì)

采用Mann-Kendall突變檢驗(yàn)方法檢測(cè)1960-2015年間洞庭湖水位的突變情況。給定顯著性水平a=0.05，即U0.05=±1.96。計(jì)算結(jié)果如圖8～10所示。

由圖8～10可見(jiàn)，洞庭湖上游長(zhǎng)江枝城站60年代至70年代初期UF值大于0，表明該時(shí)間段枝城年平均水位呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)，自70年代初到2015年UF值小于0，表明徑流量呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，這種下降趨勢(shì)從1987年開(kāi)始甚至超過(guò)了顯著性水平0.05臨界線，說(shuō)明下降趨勢(shì)顯著。洞庭湖出口城陵磯(七里山)站的UF曲線從1960-2015年基本全部在0值以上，表明洞庭湖出口整體平均水位呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)。洞庭湖下游長(zhǎng)江螺山站與洞庭湖出口城陵磯(七里山)站的UF曲線大體類(lèi)似，其值也是基本全部在0值以上，表明洞庭湖下游長(zhǎng)江螺山站在1960-2015年間整體年平均水位呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)，這種上升趨勢(shì)從1991年開(kāi)始甚至超過(guò)了顯著性水平0.05臨界線，說(shuō)明上升趨勢(shì)顯著。

圖8 1960-2015年洞庭湖上游長(zhǎng)江枝城水文站年平均水位M-K突變檢驗(yàn)

圖9 1960-2015年洞庭湖出口城陵磯(七里山)水文站年平均水位M-K突變檢驗(yàn)

圖10 1960-2015年洞庭湖下游長(zhǎng)江螺山水文站年平均水位M-K突變檢驗(yàn)

6 結(jié) 論

(1)洞庭湖水位和流量年際變化趨勢(shì)差異明顯，表現(xiàn)在枝城、城陵磯(七里山)、螺山3站變化趨勢(shì)大相徑庭。枝城站從2001年開(kāi)始水位下降趨勢(shì)顯著，徑流量整體變化趨勢(shì)并不明顯；城陵磯(七里山)站水位呈上升趨勢(shì)但徑流量從1999年以后開(kāi)始突變下降；螺山站水位呈上升趨勢(shì)，徑流量變化趨勢(shì)并不明顯。

(2)三峽運(yùn)行后(2003年-2015年)，枝城、城陵磯(七里山)、螺山3站水位與流量年內(nèi)變化基本具有同步性，汛期(4-10月)均呈減少趨勢(shì)，枯水期(1-3月)均呈上升趨勢(shì)，表明長(zhǎng)江水利工程，特別是三峽工程的修建，對(duì)洞庭湖水資源的調(diào)節(jié)影響明顯。

本文分析了1960-2015年洞庭湖水資源演變特征，洞庭湖水資源年內(nèi)和年際變化特征是由水文氣象條件、人類(lèi)活動(dòng)、水利工程等多種因素影響造成的，需進(jìn)一步定量分析其影響原因。尤其是城陵磯(七里山)站徑流量從1999年以后下降趨勢(shì)顯著，洞庭湖水資源綜合利用和生態(tài)環(huán)境保護(hù)形勢(shì)嚴(yán)峻，亟需深入研究。