1980—2015年资水尾闾水文条件变化分析

，，

(1.湖南省交通规划勘察设计院有限公司，长沙 410008；2.长沙国禹水利水电设计咨询有限公司，长沙 410000)

流域水文条件的变化一直是水资源管理、防洪水利、农业灌溉、水生生态及水上交通等工程领域备受关注的议题[1]。在气候变化及人类活动等影响下，流域水文条件进行相应的调整与改变[2]。目前，国、内外学者对流域水文条件的变化不乏大量的研究[3-5]，但因各行业关注点不同，研究侧重点也不尽一致，如水利、水资源等研究偏重于径流量分析，而内河运输则侧重于对水位的研究。本文利用滑动平均法、M-K法、不均匀系数法等研究方法，对资水尾闾径流量及水位的变化进行分析，以期了解近年流域内水文条件的变化情况，并初步探讨其变化原因及产生的影响，为资水综合开发利用及灾害防治提供科学依据。

1 流域概况

资水属洞庭湖水系的长江支流，是湖南四水之一，有西、南两源，西源赧水发源于湖南省城步县北茅坪坳石井，南源夫夷水发源于广西境内的资源县，两水在双江口汇合，流经邵阳、新化、安化、桃江、益阳等市县，流域面积28 142 km2，全长653 km，是湖南省第三大河流。资水分3支注入洞庭湖，其主河道资水北支经益阳茈湖口流入南洞庭；西支经甘溪港流入万子湖；东支经毛角口到临资口注入湘江，一同汇入洞庭湖。习惯上将桃江以下至河口甘溪港段称为资水尾闾(长约44 km)，如图1所示，其下游至三处入湖(河)口的行洪通道统称为资水洪道，属洞庭湖天然水面的组成部分。

图1 资水尾闾及湖区水文站网分布Fig.1 Regime of the tail of Zishui river and distribution of hydrological stations

2 数据来源和研究方法

2.1 数据来源

资水尾闾控制性水文站主要有桃江、益阳2站。本文基础数据采用2站实测逐日水位、流量资料及长江水利委员会发布的《长江泥沙公报》[6]。桃江站位于桃江县桃花江镇，距河口44 km，测站设立于1941年，为资水入湖控制站。益阳站位于益阳市城区，距河口10 km，于1953年设立，为水位站，1999年由水位站升为水文站，同期开展流量测验。本文取用数据跨度为1980—2015年，共36 a，其中益阳站因测流系列较短，只采用其水位数据。为了进一步分析资水尾闾水文条件变化原因，本文统计分析了与之毗邻的沅江、沙头及湘阴3站水位1995—2015年变化情况，各水文站位置见图1。

2.2 研究方法

2.2.1 滑动平均法

水文序列存在一定波动性，很难从原始序列本身得出随时间变化的规律。滑动平均法相当于低通滤波器，可在一定程度上消除波动的影响，使原始序列光滑，用确定的时间序列的平滑值来显示变化趋势。具体计算方法参照文献[7-8]。

2.2.2 Mann-Kendall突变检验法

Mann-Kendall突变检验法简称M-K法，是一种非参数统计检验方法，其优点是不需要样本遵从一定的分布，也不受少数异常值的干扰，更适用于类型变量和顺序变量，因此已大量运用于水文、气象领域的研究。具体计算方法参照文献[7-8]。

2.2.3 不均匀性与变化幅度

本文采用径流年内分配不均匀系数Cv来反映径流年内分配不均匀性的特征值[9]，它是均方差与时段平均径流量的比值，用式(1)计算,即

(1)

径流年内分配完全调节系数Cr是另外一种年内分配的指标，其计算公式为

(2)

采用相对变化幅度Cm和绝对变化幅度ΔQ两个指标来衡量径流变化幅度，即：

Cm=Qmax/Qmin；

(3)

ΔQ=Qmax-Qmin。

(4)

式中Qmax和Qmin分别为年内最大和最小月径流量。

3 径流量变化分析

3.1 径流量年际变化情况

3.1.1 趋势分析

为分析资水尾闾径流量年际间变化趋势，对桃江水文站1980—2015年年径流量进行5 a滑动平均处理，并进行线性趋势估计(见图2)。由图2可知，资水径流量年际间呈周期性波动，但幅度不大，变化曲线基本呈“W”型。20世纪80年代多数年份径流量位于平均水平以下，资水经历了少水期；而20世纪90年代各年径流量基本位于平均水平之上，资水流域进入丰水期，其中1994年、1998年的径流量明显高于其他年份，为丰水年；至2000年以后，资水又进入少水期，尤以2011年为最枯年。由线性趋势来看，资水径流呈下降趋势，但斜率并不大，相关系数|r|为0.031，表明这种下降趋势并不显著。

图2 桃江站年径流量变化趋势Fig.2 Change trend of annual runoff at Taojiang station

3.1.2 突变分析

突变是指统计量从一种稳定态(或稳定持续的变化趋势)跳跃式地转变到另一种稳定态(或稳定持续的变化趋势)的现象。表现为从一个统计特征到另一个统计特征的急剧变化[7]。为进一步分析资水尾闾径流年际间变化情况，对桃江站年径流量进行M-K突变检验，结果见图3。

图3 桃江站年径流量M-K统计量曲线Fig.3 The Mann-Kendall statistic curves of annual runoff at Taojiang station

由图3可知，资水尾闾年径流量存在多个上升-下降过程，呈波动状态。1980—1983年、1991—2006年，UF统计量为正值，表明年径流量呈增加的变化趋势；而1984—1990年、2007—2015年，UF统计量为负值，年径流量呈减少的变化趋势。虽然径流量呈起伏波动状态，但UF和UB曲线多位于置信区间之内，表明这种变化趋势并不显著。在2003年UF和UB曲线相交，发生突变。

由以上可知，资水尾闾丰、枯水期交替出现，各年间变幅并不大，略有整体下降的趋势，但这一趋势并不显著，可以认为基本持平衡态。

3.2 径流量年内变化情况

资水为内陆河流，径流以降水补给为主，同时受水利枢纽调控的影响。统计桃江站各时期径流量年内分配情况特征(图4、表1)，可以看出，其径流量年内分配呈“单峰型”分布。1—2月份径流量处于低值，3月份随着春汛的到来，径流量增大，6月份达到最大，9月份径流量减少，至12月份进入下一年循环。资水径流量主要集中在4—7月份，这4个月径流量占全年的51%。一般认为资水汛期为4—9月份[2]，但统计分析，在3月份流域已进入春汛，月径流量约占年径流总量的9.12%，要大于9月份5.95%的比重。且这一特征与流域降水情况相符合[10]。从这一角度可以认为，资水尾闾汛期应为3—8月份，而9月份实际已进入枯水期。

图4 桃江站径流量年内分配特征Fig.4 Intra-annualdistributionofrunoffatTaojiangStation

表1 桃江站不同时期月均径流量及分配情况Table 1 Monthly mean runoff and distribution in different periods at Taojiang station

进一步分析径流量年内变化特征(表2)，总体来看，资水尾闾各月径流分配较为均衡，多年统计不均匀系数值为0.44，完全调节系数为0.19，相对变化幅度为3.50，绝对变化幅度为23.68亿m3。

表2 桃江站径流量年内分配统计特征Table 2 Statistical indices of the intra-annualdistribution of runoff at Taojiang Station

4 水位变化分析

4.1 水位年际变化情况

统计分析桃江、益阳2站各年平均水位和最低、最高特征水位变化规律见图5、图6。由图5可知，桃江站水位自2007年后持续走低，均值由之前的33.21 m(85国家高程，下同)降至31.48 m，变幅达1.73 m，发生均值突变。甚至平均每年有66.41%的天数，水位低于2007年前各年低水位的平均值，见表3。

图5 桃江站及益阳站年平均、最低水位变化趋势Fig.5 Change trends of annual average and minimum water level at Taojiang station and Yiyang Station

与桃江站类似，益阳站从2006年发生水位突变，但因受洞庭湖水位顶托影响，降幅并没有桃江站那么显著，降落值为0.8 m。与此对应，各年最低水位也呈下降趋势。

分析2站年最高水位(见图6)，虽然呈锯齿状波动，但并无明显的变化趋势。

图6 桃江、益阳站年最高水位变化趋势Fig.6 Change trends of annual maximum waterlevel at Taojiang station and Yiyang station

年份天数/d比例/%年份天数/d比例/%200725569.862012208.056.83200827274.322013235.064.38200924767.672014205.056.16201022962.742015245.067.12201128778.63平均242.666.41

注：31.77 m为1980—2006年年最低水位平均值

图7 桃江站及益阳站月平均水位变化趋势Fig.7 Change trends of monthly average water level at Taojiang station and Yiyang station

4.2 水位年内变化情况

与径流情况相一致，资水尾闾水位年内分配也呈“单峰型”，见图7。不同的是，因洞庭湖丰水期为4—9月份，水位最高出现在7月份[4]，受洞庭湖顶托影响，益阳站丰水期亦出现于4—9月份，且最高水位出现在7月份；而桃江站受洞庭湖影响较弱，高水位多出现于6月份。受水位降落的影响，桃江站水位改变原有分配，峰型变得尖瘦，表明丰水期各月水位变化幅度增大。

5 水位变化成因及影响初探

5.1 水位变化成因

一般而言，河段水位变化的诱发因素主要来自2个方面:一是因降水、径流等自然条件的变化引起水位相应调整；二是因人为干预改变了原有边界条件，造成水位被动调整。由前文分析知，资水尾闾径流量并未发生显著变化，则其水位突变主要由人为干预造成。

近年来，资水尾闾河道大量采挖砂卵石，床面被采深、拓宽，过流面积增加，河床形态发生了较大变化。如距益阳市下游约2 km的刘公滩河段，受采砂影响，河床整体呈下切状态，最大下切深度达11.0 m(见图8)。与采砂前相比，枯水期断面过流面积增大近1.36倍，导致同流量情况下水位骤降。因枯水期水流归槽，水位降落现象尤为明显。与刘公滩类似，资水尾闾还有多处河段因采砂而受破坏。因河段边界条件发生改变，沿程比降重新调整，河段水位大幅下降。

图8 不同时期刘公滩河段河床横断面Fig.8 Change of riverbed cross section of Liugongtan reach in different periods

另一方面，与资水尾闾相连通的南洞庭湖及湘水洪道的水位变化对益阳、桃江站水位下降也有一定的影响。

资水经甘溪港、茈湖口与南洞庭湖连通。三峡工程运行后江湖关系的演变对洞庭湖水文条件产生着重要的影响。丛振涛等[11]分析了三峡运行前后城陵矶水位的变化情况。三峡运行后城陵矶站年平均水位下降0.54 m，10月份平均水位下降达到1.74 m。与城陵矶站类似，统计分析南洞庭湖沅江站近年水位变化情况(图9、图10)可以看出，较三峡蓄水前，沅江站年平均水位下降约0.55 m，尤其在7—10月份水位下降最为明显。但因枯水期三峡下泄流量较建库前增加，沅江站年最枯水位并无明显变化。

图9 沅江站年平均、最低水位变化趋势Fig.9 Change trend of annual average and minimum water level at Yuanjiang station

图10 三峡运行前后沅江站月平均水位变化Fig.10 Mean monthly water stages at Yuanjiang station before and after the operation of Three Gorges project

资水东支于临资口注入湘江洪道。统计分析湘阴站近年水位变化情况(图11(a))，可以看出，湘阴站水位降落较为明显。2006年后年平均水位较之前降落1.32 m，年最枯水位也呈明显的下降趋势。

洞庭湖及湘水水位均不同程度下降，但其对资水水位的影响却不尽相同。资水水位在一定程度上会受湘水水位下降并溯源上延的影响。如资水洪道沙头站2006年后年平均水位较之前降低了0.61 m(图11(b)),而洞庭湖水位的下降虽然削弱了对资水尾闾的顶托效应，但并没有加剧其水位下降，沙头站枯水水位反而因湖水汇入，基本未发生明显变化;另一方面，河湖关系随资水水位的变化而不断调整(见5.2.2节)，逐渐改变流量互相补给的状态，绝大部分时间皆由洞庭湖流入资水，使资水水位下降得到缓解。

图11 湘阴站及沙头站年平均、最低水位变化趋势Fig.11 Changes of annual average and minimum water level at Xiangyin station and Shatou station

综上，资水尾闾水位降落主要因河道无序采砂及湘水洪道水位下降引起，尤以前者影响最大；洞庭湖水位虽然有所下降，但因河湖关系的改变，湖水补给入河，对缓解资水水位进一步降低有益。

5.2 水位变化产生的影响

5.2.1 对区间水位-流量关系的影响

由上文分析知，近几十年资水尾闾径流量并未发生显著的变化，而水位却发生了均值突变，这一变化势必引起原有水位-流量关系发生较大调整。绘制不同时期桃江站水位-流量关系曲线如图12。可以看出，在同一流量下，2007年之后水位较之前明显降低，在小流量的枯水期，这一现象尤为明显，而中、大洪水时，因受下游水位顶托，降落值有限，两曲线较为相近。

图12 桃江站水位-流量关系曲线Fig.12 Stage-discharge relation curves for Taojiang station in different periods

5.2.2 对河湖关系的影响

图13 益阳站、沅江站不同时期月平均水位变化Fig.13 Changes in monthly average water level at Yiyang station and Yuanjiang station in different periods

洞庭湖沅江至资水甘溪港曾为典型的河湖双向水流河段，每年2—7月份资水涨水，水位高于洞庭湖，资水经甘溪港分洪流入万子湖；8月份至次年1月份则相反，湖水南流，倒灌入资水(见图13(a))。随着资水水位下降，河湖关系也发生改变，益阳站除4月份月平均水位略高于沅江站外，其余月份均低于沅江站(见图13(b))，这就结束了分流入湖的状况，而需要洞庭湖分流来缓解资水水位的降落。

6 结 论

水文条件的改变对流域综合开发、规划及工农业生产、建设等都有着重要的影响。本文通过对近几十年资水尾闾实测水位、流量数据的分析，以期了解水文条件变化规律及突变情况，并初步探求引起水位降落的原因及其带来的影响。

(1)资水尾闾径流量年际间呈周期性波动，丰、枯水期交替出现。在经历了20世纪90年代的丰水期后，自2000年又进入了少水期。通过采用滑动平均法、M-K突变检验等方法，得知资水尾闾年径流量略呈下降的趋势，但这一趋势并不显著。

(2)资水尾闾径流量年内分配呈“单峰型”分布，各月径流量分配较为均衡，多年来并未发生较大变化，多年统计不均匀系数为0.44，相对变化幅度为3.50。径流量主要集中在4—7月份，占全年的51%；受春汛影响，3月份径流量占年径流总量的9.12%，大于9月份5.95%的比重。从这一角度可以认为，资水尾闾汛期应为3—8月份，而9月份实际已进入枯水期。

(3)益阳、桃江站水位分别于2006年和2007年发生均值突变，降落值达0.80 m和1.72 m。究其原因，近年流域内无序采砂及湘水洪道水位下降皆有影响，而尤以前者影响为主；三峡运行后洞庭湖水位有所下降，但因资水水位降低，河湖双向水流互补的关系发生改变，湖水单一补给入河，一定程度上可缓解资水水位进一步降低。

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