楊文春,朱文祥,谷桂華

(云南省水文水資源局玉溪分局,云南 玉溪 653100)

撫仙湖是中國最大的深水型淡水湖,蓄水總量206.2億m3,綜合水質(zhì)長期保持Ⅰ類,是滇中地區(qū)社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的重要載體和生命線,被列入國家水資源戰(zhàn)略儲備庫?，F(xiàn)行《云南省撫仙湖保護條例》規(guī)定:撫仙湖最高蓄水位為1 723.35 m(1985國家高程基準,下同),最低運行水位為1 721.65 m。2009年以來,撫仙湖水位不斷下降,其間2015—2018年略有上升,但2019年后又逐年下降,至今一直在法定最低運行水位以下波動變化。撫仙湖水位的持續(xù)下降態(tài)勢,使湖泊水環(huán)境與水生態(tài)安全面臨巨大風險。撫仙湖作為珠江源頭第一大湖,其水生態(tài)安全直接關(guān)系滇中地區(qū)和泛珠三角經(jīng)濟圈的生態(tài)安全。因此,分析撫仙湖水位變化特征,剖析氣候變化和人類活動對其的影響,對撫仙湖水生態(tài)保護具有重要意義。

很多學者對湖泊水位變化都有所研究。近年來,段偉利等[1]定量解析了巴爾喀什湖水位、流域氣候和土地利用等變化特征,綜合探討了巴爾喀什湖水位的影響因素;李玉焦等[2]采用集合經(jīng)驗模態(tài)分解、水量平衡和氣候彈性方法,對博斯騰湖近60 a水位變化及其影響因素進行了詳細分析;葉許春等[3]基于對鄱陽湖開放水文系統(tǒng)特點和影響因素的深入分析,定量辨識了諸多因素對湖泊水位變化的影響,并對其作用機制進行了探討;周丹等[4]利用水文資料和氣象資料分析青海湖水位變化特征,揭示水位變化成因,并模擬預測青海湖未來30 a水位變化;韓非等[5]依據(jù)60多年的湖泊水位資料,分析東平湖歷年水位變化特征,探討其變化的自然和人為因素。對撫仙湖水位的相關(guān)研究,近年主要有:李加龍等[6]運用DYRESM水動力模型,對撫仙湖1959—2050年水位進行了模擬;谷桂華等[7]等基于IHA法和RVA法全面分析了撫仙湖生態(tài)水位需求;賀克雕等[8]基于實測水位數(shù)據(jù)研究了撫仙湖水位變化特征;張月霞等[9]利用IWIND-LR模型,模擬了撫仙湖水位變化過程等。參考現(xiàn)有研究成果,根據(jù)撫仙湖水位、出湖流量、流域降水和蒸發(fā)等長系列實測資料,結(jié)合流域內(nèi)有關(guān)人類活動調(diào)查,相對定量分析氣候變化和人類活動對撫仙湖水位變化的影響,以期為流域水資源合理利用、湖泊水生態(tài)環(huán)境保護等提供一定參考。

1 撫仙湖概況

撫仙湖位居滇中盆地中心,位于昆明市東南60 km處,地處長江流域和珠江流域分水嶺地帶,屬珠江流域西江水系,位于滇中湖群五大湖泊(撫仙湖、星云湖、杞麓湖、陽宗海和滇池)的中心部位,與滇池、杞麓湖、陽宗海的水平距離分別為17、18、27 km,南部有2.5 km長的隔河與星云湖相通。跨澄江市、江川區(qū)和華寧縣等三縣市區(qū),地理位置為東經(jīng)102°39′～103°00′,北緯24°13′～24°46′。撫仙湖片區(qū)不僅位于云南省中部地帶,而且也處于昆明、玉溪、曲靖三大城市和個(舊)開(遠)蒙(自)城市群的中心,地理區(qū)位優(yōu)勢十分明顯。撫仙湖地理位置見圖1。

圖1 撫仙湖地理位置

2 數(shù)據(jù)和方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

本次分析采用的水位、流量、降水、蒸發(fā)等數(shù)據(jù)主要來源于云南省水文水資源局玉溪分局澄江海口水文站長期監(jiān)測資料整編成果,以及江川站、澄江站、東大河、梁王河、茶爾山等雨量站降水監(jiān)測整編成果,數(shù)據(jù)可靠;流域水資源開發(fā)利用相關(guān)數(shù)據(jù)來源于水資源公報和第三次水資源調(diào)查評價成果。

2.2 主要方法

2.2.1一元線性回歸法和Mann-Kendall秩次檢驗法

采用線性趨勢分析法中的一元線性回歸法[10]進行撫仙湖水位年際變化趨勢分析。一元線性回歸法研究某一變量隨時間的變化趨勢,建立Y=bX+a,Y為依賴X的變化而變化的某一變量;a、b為回歸方程的截距和斜率,根據(jù)斜率的正負可以得知某變量的變化趨勢(若b>0,則當前系列為增加趨勢;反之為減小趨勢)。

采用Mann-Kendall秩次檢驗法(簡稱M-K法)[11-12]進行撫仙湖年際水位變化趨勢的顯著性檢驗。該方法是世界氣象組織推薦并廣泛使用的時間序列突變檢驗法。它不需要序列服從一定的分布,也不受少數(shù)序列異常值的干擾。因其檢測范圍寬,人為干擾少,定量化程度高,在水文和氣象領(lǐng)域得到了廣泛的應用。

2.2.2湖泊水量平衡法

湖泊水量取決于來水量和排水量之間的動態(tài)平衡關(guān)系,湖泊水量平衡指以湖泊水體為對象,在某時段內(nèi),湖泊水量的增量等于所有進入湖泊的水量減去所有排出湖泊的水量[13]。根據(jù)流域?qū)嶋H,確定撫仙湖水量平衡方程式為:

ΔW=Wr-Wz-(Wg+Wn+Wsh+Wst)аz′-Wc-Wd

(1)

該式簡化后為:

ΔW=Wr-Wz-Wy-Wc-Wd

(2)

式中 ΔW——湖泊時段末與時段初蓄水量之差;Wr——湖泊天然入湖徑流量,主要為降水產(chǎn)生的湖泊天然陸地入湖徑流量與湖面入湖徑流量之和;Wz——湖面蒸發(fā)量;Wg、Wn、Wsh、Wst——湖泊流域內(nèi)人類工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、生活用水量和生態(tài)用水量;аz′——流域內(nèi)人類工業(yè)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用水、生活和生態(tài)用水總量的綜合耗水系數(shù),通常采用0.65;Wy——湖泊流域內(nèi)人類工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、生活用水量和生態(tài)用水量的耗水總量;Wc——湖泊從?？陂l出湖水量;Wd——撫仙湖—星云湖出流改道工程調(diào)入星云湖水量。

2.2.3相對評判法

把撫仙湖水位變化系列劃分為基準期和分析期,以基準期為本底,對分析期各要素作相對比較分析。氣候變化和人類活動對湖泊水位變化的影響率根據(jù)式(3)、(4)估算:

(3)

φv=1-φP

(4)

式中φP——分析期流域降水對湖泊蓄水變化的影響率;WP——根據(jù)基準期流域降水與湖泊蓄水變量關(guān)系得到的分析期流域降水對應的湖泊蓄水變量;W1——分析期湖泊水位對應的湖泊蓄水量;W0——基準期湖泊水位對應的湖泊蓄水量;φv——分析期流域人類活動對湖泊蓄水變化的影響率。

3 水位變化特征

3.1 水位年代際變化特點

1953—2021年,撫仙湖多年平均水位1 722.02 m,最高年平均水位1 723.05 m(2008年)、最低年平均水位1 720.78 m(2014年)。撫仙湖歷年水位變化過程見圖2。

圖2 撫仙湖1953—2021年水位變化過程

把撫仙湖1953—2021年年平均水位按年代際進行平均計算,以1953—1959年代表1950年代(1950s)、1960—1969年代表1960年代(1960s)、1970—1979年代表1970年代(1970s)、1980—1989年代表1980年代(1980s)、1990—1999年代表1990年代(1990s)、2000—2009年代表2000年代(2000s)、2010—2021年代表2010年代(2010s),得到各年代平均水位。

從年代際分析撫仙湖水位變化過程:各年代平均水位最高是2000s(1 722.81 m)、最低是2010s(1 721.43 m)。在2000年以前(1950s—1990s),撫仙湖年代際平均水位漲(落)變幅在-0.27～0.30 m之間;2000s較1990s上漲0.74 m;2010s較2000s下降1.38 m。見表1。

表1 撫仙湖1953—2021年水位年代際變化分析 單位:m

根據(jù)撫仙湖多年水位變化規(guī)律,把平均水位高(低)于撫仙湖多年平均水位0.50 m以上(下)的年代,相對劃分為水位大漲(落)期;把平均水位較多年平均水位相差值在±0.50 m以內(nèi)的年代,相對劃分為水位一般漲落期。則撫仙湖水位2000年以前(1950s—1990s)為一般漲落變化時期,2000s為大漲時期,2010s為大落時期。

根據(jù)上述,結(jié)合圖3中撫仙湖各年代際平均水位過程,可把1953—2021年撫仙湖水位年代際變化特點概化為:漲→落→落→漲→大漲→大落。

圖3 撫仙湖1953—2021年逐年(年代)平均水位過程

3.2 水位變化趨勢

采用一元線性回歸法、肯德爾秩次檢驗法,對撫仙湖1953—2021年系列水位變化趨勢進行分析檢驗,結(jié)果見表2。總體說明1953—2021年撫仙湖水位呈不顯著下降趨勢變化。

表2 撫仙湖水位年際變化趨勢分析

3.3 水位年內(nèi)變化特點

根據(jù)撫仙湖水位漲落變化特點,繪制不同時期的年內(nèi)逐月平均水位過程,見圖4。

a)1953—1999、2000—2009、2010—2021年各階段年內(nèi)月平均水位大小順序為:2000—2009年(大漲時期)大于1953—1999年(一般漲落變化時期)大于2010—2021年(大落時期);2010年以來的近10余年間,月均水位分別比1953—1999、2000—2009年低0.57 、1.38 m。

b)1953—1999年(一般漲落變化時期)、2000—2009年(大漲時期)年內(nèi)平均水位過程均在法定最高蓄水位與最低運行水位之間變化,2010—2021年(大落時期)年內(nèi)平均水位過程均在法定最低運行水位以下變化。

c)3個階段的年內(nèi)變化過程均具有高度相似性,低水位均發(fā)生在5月,高水位基本發(fā)生在10月(9月偶有發(fā)生);一般6—10月為漲水期,11月至次年5月為落水期。

3.4 2010—2021年最低運行水位保障程度

2010—2021年是撫仙湖歷史上較低水位時期,其多年平均水位和年內(nèi)平均水位過程均在法定最低運行水位以下。分別以年、月、日平均水位來分析2010—2021年期間各項水位滿足法定最低運行水位(湖水位大于等于1 721.65 m)的程度,用保證率表示:保證率=滿足年(月、日)數(shù)/總年(月、日)數(shù)×100%。經(jīng)統(tǒng)計計算得到:2010—2021年,撫仙湖年平均水位、月平均水位和日平均水位滿足法定最低運行水位的保證率分別為33.3%、34.7%和35.9%。見表3。

4 影響因素分析

當湖泊水量呈現(xiàn)持續(xù)性減少或增加的趨勢時,是湖泊水量的動態(tài)平衡狀態(tài)已被嚴重打破。近20多年來,撫仙湖水位大幅上升和大幅下降,湖泊水量的變化顯著。

在式(2)中,由于Wr、Wz是降水和蒸發(fā)要素(氣候因子),Wy、Wc和Wd均為人類活動因素,所以認為撫仙湖水位動態(tài)變化的驅(qū)動因素主要是氣候(降水、蒸發(fā)等)變化和人類活動影響,是兩者綜合作用的結(jié)果。

4.1 氣候變化的影響

離散系數(shù)大小反映一組數(shù)據(jù)各值與其平均值之間的差異程度;離散系數(shù)越大,說明這一數(shù)據(jù)組的數(shù)據(jù)分布越不均勻,相反,離散系數(shù)越小,其數(shù)據(jù)組的數(shù)據(jù)分布就越均勻。計算撫仙湖1953—2021年蓄水變化量、流域降水產(chǎn)生的天然入湖水量以及1962—2021年湖面蒸發(fā)水量3個系列的離散系數(shù),見表4。三者的離散系數(shù)比較,最大值是蓄水變量系列為-34.64,最小值是湖面蒸發(fā)量系列為0.06,流域降水產(chǎn)生的天然入湖水量系列的離散系數(shù)為0.29,說明蓄水變量系列年際變化最大,湖面蒸發(fā)水量系列年際變化最小,降水產(chǎn)生的入湖水量系列年際變化較大。

繪制以上3個系列數(shù)據(jù)的歷年變化過程,見圖5。從該圖看出,流域逐年降水產(chǎn)生天然入湖水量過程年際間變化幅度較大(變化范圍在1.6億～6.3億m3),且與撫仙湖逐年蓄水變量過程變化趨勢具有高度一致性;而湖面蒸發(fā)量過程年際間變化起伏幅度較小(變化范圍在2.3億～3.2億m3),其與湖泊蓄水變量過程沒有明顯的對應關(guān)系。

圖5 撫仙湖年蓄水變量、流域降水和湖面蒸發(fā)量變化過程

根據(jù)以上降水和蒸發(fā)的年際變化特點,認為在影響撫仙湖蓄水動態(tài)變化的降水和蒸發(fā)2個主要氣候因子中,蒸發(fā)量作為水量損失項,量大但相對穩(wěn)定,對湖泊蓄水動態(tài)變化影響相對于降水來說較不明顯;降水量作為水量來源項,量大且年際變化也大,較蒸發(fā)顯著影響湖泊水資源量變化大小,是撫仙湖蓄水動態(tài)變化最主要的氣候影響因子。

建立全系列(1953—2021年)和不同時期系列(1953—1999、2000—2009、2010—2021年)流域降水量和撫仙湖蓄水變量的相關(guān)關(guān)系,見圖6,兩者均為線性正相關(guān)關(guān)系,具體表現(xiàn)為:①在全系列(圖6a)中,兩者相關(guān)系數(shù)為0.830 0,說明兩者總體具有較好的相關(guān)關(guān)系;②在1953—1999年系列(圖6b)中,兩者相關(guān)系數(shù)為0.832 6,說明兩者相關(guān)關(guān)系較好;③在2000—2009年系列(圖6c)中,兩者相關(guān)系數(shù)為0.678 0,說明兩者相關(guān)關(guān)系一般;④在2010—2021年系列(圖6d)中,兩者相關(guān)系數(shù)為0.924 7,說明兩者相關(guān)關(guān)系很好。綜合比較以上4點,認為在撫仙湖水位一般漲落變化時期(1953—1999年),流域降水量對湖泊蓄水變化有較大影響;在撫仙湖水位大幅升高的2000—2009年,流域降水對湖泊蓄水變化的影響不大;在撫仙湖水位大幅下降的2010—2021年,流域降水對湖泊水位變化影響較大。

a)1953—2021年降水量與蓄水變量關(guān)系

4.2 人類活動的影響

人類活動對撫仙湖蓄水變量的影響因素有流域水資源開發(fā)利用(含流域內(nèi)水利工程蓄水和流域內(nèi)生產(chǎn)、生活、生態(tài)等用水耗水)、水利工程引起的河湖水系結(jié)構(gòu)的調(diào)整導致河湖水文關(guān)系的改變和湖泊出入水量平衡關(guān)系(如撫仙湖星云湖出流改道工程的運行)等。

撫仙湖流域生產(chǎn)、生活和生態(tài)用水耗水量不同系列年份多年平均情況:1962—1999年為4 789萬m3,2000—2009年為4 544萬m3,2010—2021年為3 882萬m3,流域用耗水呈減少趨勢。流域用耗水對湖泊蓄水變化有一定影響,但是相對于撫仙湖水位的一般漲落變化時期、大幅上升時期和大幅下降時期,其關(guān)系又沒有對應性。

截至2020年,撫仙湖流域內(nèi)水利工程共建成東大河、梁王河2座中型水庫,小(1)型水庫4座,小(2)型水庫21座,小壩塘71座,蓄水工程總庫容3 225萬m3,興利庫容3 017萬m3;引水工程64件,提水工程163件。2座中型水庫和多數(shù)小型水庫都是20世紀五六十年代建成,在1999年以前均在正常蓄水運行當中;在2000—2009年期間,東大河、梁王河2座中型水庫和山?jīng)_河小(1)型水庫以及其他一些小(2)型水庫都陸續(xù)實施了除險加固工程,在工程實施期間,水庫不能正常蓄水,原本應截住蓄在水庫的水都流入撫仙湖;到了2010—2021年期間,以上水庫除險加固工程完成,進行正常蓄水,相應減少了進入撫仙湖的水量。流域內(nèi)水庫工程的蓄水情況與撫仙湖水位的漲落變化基本對應。

?？诤託v年出流情況:1962—1999年期間,年均出流9 305萬m3;2000—2003年期間年均出流16 934萬m3。2002年撫仙湖局部水質(zhì)變化Ⅱ類,為防范生態(tài)風險,管控撫仙湖海口閘,2003年11月?lián)嵯珊?星云湖出流改道工程破土動工,工程于2007年12月完成,2008年5月起撫仙湖湖水經(jīng)隔河流入星云湖。因此,2004—2008年期間?？诤幽昃隽鲀H1 923萬m3,2009年2月?lián)嵯珊？陂l全封閉,至今?？诤游丛俪隽?。在2000—2009年期間?？诤映隽鞅?999年以前減少近8%,這與該時期撫仙湖水位的上升情勢相對應。從撫仙湖與星云湖1990—2020年年平均水位對比,撫仙湖水位自2003年以來受兩湖調(diào)度影響很大。

圖7 撫仙湖與星云湖1990—2020年年平均水位對比分析

撫仙湖-星云湖出流改道工程運行后,撫仙湖于2008、2009、2010年連續(xù)3 a向星云湖調(diào)水共3 804萬m3。從2008年后,星云湖水就不再流向撫仙湖,改變了星云湖歷史上向撫仙湖輸水的情況,從而使撫仙湖年入湖水量大為減少(每年約4 000萬m3)。

4.3 綜合分析

以1953—1999年撫仙湖水位一般漲落時期為基準期,分別對撫仙湖水位大幅升降時期氣候變化(降水變化)和人類活動對水位變化的影響率進行大概的綜合定性分析。對撫仙湖水位變化驅(qū)動因素進行計算并綜合分析,見表5。

表5 撫仙湖水位大幅升降變化的影響因素相對概化分析

a)2000—2009年(湖水位大幅上漲時期),流域降水量與基準期持平,但湖泊水位顯著升高,說明降水不是造成湖泊水位變化的主要因素,主要是人類活動影響:一是流域內(nèi)中小型水庫實施除險加固工程期間,水庫不能正常蓄水,水庫所在河流水量都流入撫仙湖,使入湖水量大增導致湖水位升高;二是?？诤映隽鳒p少,在一定程度上也抬高了湖泊水位。此階段撫仙湖流域降水量921 mm,根據(jù)圖6b得到對應的湖泊蓄水變量為0.068 4億m3,據(jù)式(3)計算得到流域降水對湖泊蓄水變化的影響率為3.9%;據(jù)式(4)計算得到人類活動對湖泊蓄水變化的影響率為96.1%。

b)2010—2021年(湖水位大幅下落時期),首先是流域遭遇連續(xù)5年干旱,降水量減少使入湖水量減少從而導致湖泊水位降低,說明降水對水位變化有較大影響;其次人類活動影響也較大:一是撫仙湖-星云湖出流改道工程運行后,星云湖水不再流入撫仙湖;二是流域內(nèi)中型和部分小型水庫除險加固工程結(jié)束后開始正常蓄水,大量減少了入湖水量。此階段撫仙湖流域降水量875 mm,根據(jù)圖6b得到對應的湖泊蓄水變量為-0.175 4億m3,據(jù)式(3)計算得到流域降水對湖泊蓄水變化的影響率為14.3%;據(jù)式(4)計算得到人類活動對湖泊蓄水變化的影響率為85.7%。

4.4 討論

湖泊蘊含豐富的淡水資源,是區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展的重要支撐。氣候變化和人類活動加劇全球水資源時空分布差異,頻發(fā)的湖泊洪水和干旱問題,影響區(qū)域經(jīng)濟社會用水安全和湖泊生態(tài)系統(tǒng)健康[14]。盡管目前湖泊水文學在水文要素的觀測、湖泊水文過程的模擬等方面取得了突出進展和可喜的成果[15-18],但全球氣候變化加速和社會經(jīng)濟的快速發(fā)展帶來新的水資源問題,給湖泊水文學提出了更新的要求和挑戰(zhàn)。在氣候變化和人類活動共同作用下,撫仙湖水資源量不斷減少,水位不斷降低,水生態(tài)風險日益加劇。目前撫仙湖流域的水文監(jiān)測體系還不夠完善,難于滿足水資源相關(guān)基礎(chǔ)科研需求,導致目前在氣候變化和人類活動對撫仙湖水位的影響研究以及撫仙湖水位在年代尺度上的變化趨勢預測等研究方面存在明顯不足,極大制約了撫仙湖流域水量調(diào)控技術(shù)研究、水資源綜合調(diào)度管理等方面的科技支撐作用。所以,為了打好“湖泊革命”攻堅戰(zhàn),應盡快完善撫仙湖水文監(jiān)測體系,構(gòu)建科學的現(xiàn)代化水文監(jiān)測站網(wǎng),為撫仙湖水資源基礎(chǔ)科研提供可靠的監(jiān)測數(shù)據(jù),為精準治湖和科學治湖提供基礎(chǔ)保障。

5 結(jié)論

a)1953—2021年,撫仙湖多年平均水位1 722.02 m;1950s—2010s,撫仙湖水位年代際變化特點大致為:漲→落→落→漲→大漲→大落;撫仙湖水位呈不顯著下降趨勢變化。

b)撫仙湖年內(nèi)低水位均發(fā)生在5月,高水位基本發(fā)生在10月(9月偶有發(fā)生)。

c)2010—2021年是撫仙湖歷史上最低水位時期,其多年平均水位和年內(nèi)平均水位過程均在法定最低運行水位以下。年、月、日平均水位滿足法定最低運行水位的保證率分別為33.3%、34.7%和35.9%。

d)2000年以來,人類活動是造成撫仙湖水位大幅上升和大幅下降的主要因素。