荆江三口入洞庭湖水沙演变及成因分析

2012-07-10谢永宏陈心胜侯志勇

农业现代化研究 2012年2期

谢永宏，李峰，陈心胜，侯志勇

（1.中国科学院亚热带农业生态研究所亚热带农业生态过程重点实验室，湖南长沙410125；2.中国科学院亚热带农业生态研究所洞庭湖湿地生态系统观测研究站，湖南岳阳414018）

洞庭湖位于湖南省东北部，长江中游荆江南岸，为中国第二大淡水湖，是长江中游最重要的行蓄洪湖泊之一，发挥着巨大的调蓄洪水和保护生物多样性等重要生态服务功能。洞庭湖总面积2625 km2，其多年平均地表径流达3126×108m3，约为鄱阳湖的3倍，太湖的10倍。入湖径流按来源通常分为长江三口（原为四口，因调弦口于1958年封堵后只剩下三口）、湖南四水及区间三部分，其中来自三口的为1119×108m3，占37.1%，在洞庭湖水资源组成中占有重要地位。洞庭湖的泥沙沉积主要来自于长江，湖床年均淤高3.7cm，对湿地系统演化趋势和方向起着决定性作用[1]。近年来，由于气候异常、人类高强度干扰（如大型水利工程建设）等多重因素的影响，湖泊泥沙淤积严重，湿地面积不断萎缩，洪涝灾害加剧，生物多样性受损，生物灾害频发等多种生态环境问题日趋严峻[2]，而最近几年（尤其是三峡水库蓄水后）几乎年年都发生的水资源短缺事件尤为引人关注，并引发人们对湿地生态环境加剧恶化的担忧[3]。因此，阐明流域水沙演变趋势是湿地生态环境保护的重要基础性工作之一。

河流水沙变化一直是河流地貌、水利工程等领域倍受关注的科学问题[4,5]。水文特征如水沙的流动对很多因素都很敏感，包括水利工程（如水库、大坝、水管理措施）、土地利用变化以及气候变化等[6,7]。一直以来，三口水沙演变及其与荆江的关系一直是生态水文学研究的热点问题之一。现有研究表明，近几十年来，荆江三口年径流量和年输沙量一直处于减少状态，同时，结合大型人类活动干扰进行了分析[3,8-11]。然而，这些研究基本属于定性研究，量化研究较少。基于此，本研究的主要目的是通过Mann-Kendall趋势突变检验、双累积曲线等方法探讨荆江三口入洞庭湖水沙演变的规律性、突变性及其成因，以期为长江水资源的管理，洞庭湖治理规划的制定以及洞庭湖湿地生态环境的保护提供依据。

1 数据来源和研究方法

1.1 水沙数据

长系列水沙数据来源于长江水利委员会和《长江泥沙公报2003-2008》[12]。本研究以新江口和沙道观水文站（松滋口）、弥陀市水文站（太平口）、康家岗和管家铺水文站（藕池口）1956-2008年的实测数据作为荆江三口入洞庭湖水沙演变分析的基础，以枝城水文站分析荆江水沙演变（图1）。主要指标包括年径流量和年输沙量，三口年径流量和年输沙量为松滋口、太平口和藕池口之和。

1.2 研究方法

主要研究方法如下：

（1）采用非参数Mann-Kendall（以下简称M-K）法检验趋势突变点，具体计算方法参见符宗斌等[13]。M-K法以时间序列平稳为前提,且时间序列是随机独立的，其概率分布等同。设定原假设H0：在时间序列没有变化的情况下，设此序列为x1、x2、x3… xm,用 mi表示第 i个样本 xi大于 xj(1≤j≤i)的累计数,则可以定义统计量(2≤k≤n)。在原序列随机独立的假定下，dk的均值、方差分别为:E[dk]=k(k-1)/4，var[dk]=k(k-1)(2k+5)/72(2≤k≤n)。将 dk标准化，得到标准变化量，则UFk=(k=1,2,3…n)，当 k＞10 时，UFk收敛于标准正态分布。原假设H0无趋势，采用双边趋势检验，给定一定显著水平a，在正态分布表中查得临界值Ua/2。当时，接受原假设，则趋势不显著；当时,拒绝原假设，即认为趋势显著，且UFk值为正表明具有上升或增加趋势，UFk值为负则意味着下降或者减少趋势。把此方法引到反序列中，即按时间序列 x 逆序 xn、xn-1、xn-2… x1，再重复上述过程,同时使 UBk=-UFk(k=n、n-1、…1)。UFk和 UBk在图中分别以曲线C1和C2表示，两条曲线在时间序列的某一部分发生交叉，交叉点便是突变点，如果突变点位于给定置信度水平线之间，则突变时间在统计意义上是显著的。

（2）采用双累积曲线法检验年径流量和年输沙量累积变化的转折点。同时，通过转折点的获取估计了不同时段的减沙量，即通过前一时段的线性模拟方程按后一时段最后一年的累积径流量换算得到的后一时段最后一年理论累积输沙量。减少输入总量为后一时段最后一年的理论累积输沙量与实际累积输沙量的差值，平均减少量为减少输入总量与后一时段年数的比值。

2 荆江枝城站年径流量和年输沙量的演变和突变特征

2.1 年径流量

荆江枝城站在1956-2008年的径流量多年平均为4406×108m3，总体呈波动状态（图2 a）。从重大人类干扰所发生的不同时段来看，除三峡水库运行后的2003-2008年有所下降外（4113×108m3），总体呈比较稳定的趋势，如1956-1966年（裁弯前）为 4525× 108m3，1967-1972年（裁弯中）为4302×108m3，1973-1980 年（裁弯后）为 4441×108m3，1981-2002年（葛洲坝运行后）为4441×108m3。2003-2008年间径流量偏少可能与该时期内长江上中游地区雨水偏少密切相关[3]。M-K统计分析表明，枝城站年径流量53a来呈波动变化，且一直处于置信区间内变动（＜1.96,P上或P下＞0.05），说明未发生明显变化。

2.2 年输沙量

枝城站在1956-2008年输沙量年平均为449.9×106t，总体上呈波动下降趋势，以2003年后尤为显著（图2b）。从不同时段看，年输沙量呈下降趋势，1956-1966年（裁弯前）为553.1×106t，1967-1972 年（裁弯中）为 503.6×106t，1973-1980年（裁弯后）为512.5×106t,1981-2002年（葛洲坝运行后）为464.4×106t，2003-2008年（三峡水库蓄水运行后）仅为70.4×106t。M-K统计分析表明，53a枝城站年输沙量总体上呈极显著下降趋势（Z=-4.733,P下＜0.01），但存在多个上升-下降过程。突变时间为2003年，且在2000年突破95%的置信区间。可见三峡水库蓄水运行后荆江年输沙量发生了实质性变化。

3 荆江三口年径流量和年输沙量的演变和突变特征

3.1 年径流量

三口在1956-2008年径流量多年平均为859×108m3，占枝城站年平均径流量的比例(分流比)为19.5%，总体呈明显下降状态（图3 a）。从不同时段来看，年径流量和分流比均呈明显下降趋势，如1956-1966年（裁弯前）年径流量为1332×108m3，分流比为29.4%；1967-1972年（裁弯中）年径流量为1022×108m3，分流比为23.7%；1973-1980年（裁弯后）年径流量为835×108m3,分流比为18.8%；1981-2002年（葛洲坝运行后）年径流量为685×108m3,分流比为15.4%；2003-2008年（三峡水库蓄水运行后）年径流量仅为499×108m3,分流比为12.1%，如上所述，长江上游雨水偏少，也会导致三口年径流量减少。M-K统计分析表明，三口年径流量53a来总体上呈极显著的下降趋势（Z=-6.574,P下＜0.001），但存在多个上升-下降过程。突变时间为1979年，且在1976年突破95%的置信区间。可见，裁弯后三口年径流量发生了实质性变化。

3.2 年输沙量

三口在1956-2008年输沙量多年平均为196×106t，占枝城站年平均输沙量的比例(分沙比)为24.7%，总体呈明显下降趋势（图3a）。从不同时段来看，年输沙量和分沙比均呈明显下降趋势，如1956-1966年（裁弯前）年输沙量为196.0×106t，分沙比为35.4%；1967-1972年（裁弯中）年输沙量为142.0×106t，分沙比为28.2%；1973-1980年（裁弯后）年输沙量为110.8×106t，分沙比为21.6%；1981-2002年（葛洲坝运行后）年输沙量为86.6×106t，分沙比为 18.7%；2003-2008年（三峡水库蓄水运行后）年输沙量为13.5×106t，分沙比为19.2%。M-K统计分析表明，三口年输沙量53a来总体上呈极显著下降趋势（Z=-7.203,P下＜0.001），但存在多个上升-下降过程。突变时间为1989年，且在1973年突破95%的置信区间，说明裁弯后三口年输沙量发生了实质性变化。

图3 荆江三口代表性水文站1956-2008年的年径流量（a）和年输沙量（b）变化特征

4 成因分析

4.1 年径流量

荆江三口年径流量的变化与长江上游来水关系密切，因此，影响长江上游来水的因素都能影响到三口入湖径流，包括大型水利工程（如水库）、降水量、居民和工农业用水量变化等。通过枝城水文站与三口年径流量的双累积曲线分析表明（图4），1973年为唯一的一个转折点，经计算，1973-2008年间共减少入湖径流量为7142.9×108m3，年平均减少198.4×108m3。1967-1972年间为荆江干流人工和自然裁弯时期，包括1967年5月实施的中洲子人工裁弯，缩短河长32.4 km；1969年6月上车湾人工裁弯，缩短河长29.2 km；1972年7月l9日沙滩子自然裁弯，缩短河长19 km。裁弯工程完成后，荆江河长共缩短了约78m，河道曲率由原来的2.83减少为1.93，荆江水力梯度增加，致使三口分流的流速和流量迅速下降[8,9]。同时，裁弯导致了下荆江段（藕池口至城陵叽）比上荆江段（枝城至藕池口）更为强烈的冲刷作用，致使水面比降下降而相对抬高了三口分流水位，三口分流的流速和流量进一步下降。事实上，裁弯的影响极其深远，即使在1980年葛洲坝建成后，其影响仍未停止,荆江仍处于不断冲刷状态，且下荆江段比上荆江段更为强烈[9,14,15]。因此，裁弯是引起三口年径流量下降的主要原因。尽管此后葛洲坝枢纽工程、三峡水库等大型水利工程的建设，均未对三口年径流量的变化产生实质性影响。

除裁弯影响荆江河床的变化外，三口分流河道持续淤积的影响也是不可忽略的。据统计，三口分流河道特别是其尾闾淤积严重，除新江口断面相对稳定，三口分流河道其他控制断面河床均呈现单向淤积，1966-1995年期间，沙道观水文断面河床平均淤积厚度约1.6m，弥陀寺淤厚1.5m，康家岗和管家铺两水文断面淤厚约4.6m，尾闾河段淤积厚度约为1-2m，局部淤积厚度达4m。三口分流河道的累积淤积，导致同水位情况下过流能力降低[11]。因此，受干流及洞庭湖演变等众多因素的影响，三口分流河道发生淤积，过流能力降低，也是影响三口分流减少的原因之一。

图4 1956-2008年荆江（枝城）和三口间年径流量双累积曲线变化

4.2 年输沙量

荆江三口年输沙量变化的原因可分两个方面，一是自然因素（如降水）导致的年径流量变化；二是长江上中游人类活动干扰。泥沙移动是伴随水文而发生的自然现象，即年径流量对年输沙量的调控作用非常明显。M-K分析曲线表明，在某些特定时段（如1956-1972年，1973-2002年，2003-2008年），枝城和三口的径流量和输沙量具有很好的对应关系，即年径流量大，年输沙量也大。双累积曲线分析表明，荆江三口年输沙量有2个转折期，即1973年和2003年（图5a）。经计算，1973-2002年间荆江三口共减少的泥沙量为2732.5×106t，年均减少91.1×106t。此段时间内，枝城站和三口的年径流量和年输沙量的双累积曲线关系均未发生明显变化（图5b,5c），而三口年径流量和年输沙量的减少可能仍是裁弯持续影响的结果。可见，荆江人工和自然裁弯导致三口径流量的持续减少也是年输沙量减少的最主要因子。

经双累积曲线方程计算表明，2003-2008年间荆江三口共减少泥沙量为603.0×106t，年均减少100.5×106t。此时期枝城站共减少泥沙量为3332.9×106t，年均减少555.5×106t。2003年三峡水库蓄水运行后，由于库内拦蓄了约70%的入库泥沙（年平均约141.5×106t），库坝下游宜昌站年输沙量比多年平均值减少约80%[16]。经计算，三口的年悬浮泥沙浓度由1991-2002年的1.05 kg/m3大幅下降为2003-2008年的0.25 kg/m3，降幅达76.2%。可见，三峡水库蓄水后的拦沙作用对荆江三口输沙量的减少起到了关键作用。同时，长江上游大量水库的建设也是不可忽略的，如在金沙江和嘉陵江干流所修建的大量梯级水利枢纽工程均具有较大的调水拦沙作用，对减少或减缓三峡水库回水变动区的泥沙淤积具有重要作用[17]。此外，长江上游不断开展的水土保持工程可进一步减少三峡水库入库泥沙量，也有助于三口输沙量的减少。

图5 1951-2008年荆江（枝城）或三口年径流量和年输沙量双累积曲线变化

不可否认，三峡水库蓄水运行后荆江三口泥沙输入的减少使洞庭湖泥沙总输入量大幅下降，进而导致洞庭湖泥沙沉积量大幅减少，有可能达到泥沙的输入输出平衡，这对洞庭湖湿地演变将产生深远的影响，更有助于延缓湖泊老化[18]。然而，三峡水库作为季调节水库，其蓄水运行尽管未对年径流量产生实质性影响，但可能对某些特定时段的径流量产生影响[19]，进而对洞庭湖湿地水文环境（如水位）产生影响而促使湿地生态系统发生正向或逆向演替，尚需进一步研究。

5 结论

（1）1956-2008年间枝城年径流量2003年后有所偏低，可能与长江上游降水量偏低有关，但无显著性变化；枝城年径流量、三口年径流量和年输沙量总体上呈显著下降趋势。

（2）M-K突变分析表明，枝城年径流量、三口年径流量和年输沙量发生突变时间分别为2003年，1979年和1989年，突破5%置信区间时间分别为2000年，1976年和1973年。

（3）双累积曲线法消除径流量的影响后表明，三口年径流量只有1973年一个转折点，但年输沙量有1973年和2003年两个转折点。荆江裁弯是1973年转折点形成的主要原因，特点是通过径流量的减少导致输沙量的减少；三峡水库蓄水运行是2003年转折点形成的主要原因，特点是悬浮泥沙浓度大幅下降而减少输沙量。

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