洞庭湖区典型堤垸产流分析研究

赵文刚，宋 雯，李家兵

（1. 湖南省水利水电科学研究院，湖南 长沙 410007； 2. 安乡县董家垱水文站，湖南 常德 415600）

前 言

堤垸作为抵御洪水侵袭、安置移民、保障经济发展的重要屏障，是江河湖泊自然演变和人工围湖造田共同作用形成的独特地域单元[1]。

洞庭湖作为全国第二大湖泊和誉名天下的“粮仓”。自明代以来洲滩围垦持续不断，受泥沙淤积、围湖造田、退田还湖等方式共同作用，截止目前，湖区存在11 个重点垸、24 个蓄洪垸、180 个一般垸，为湖区乃至整个长江中下游的发展提供了保障。

与常规流域产汇流不同，堤垸一般作为封闭的小流域，其产汇流受人类活动影响较大，下垫面改变、泵站调节等的共同作用使得堤垸径流系数增大、汇流时间缩短。常规研究中将洞庭湖区间的水量作为输入直接导入江湖研究系统，主要由于湖区内部的产汇流机制特别是堤垸区的产汇流未明确。

安乡县作为洞庭湖区堤垸与河网交汇的典型代表，以往的研究由于缺乏实测资料支持，对于其产汇流机制的探讨较少。本文将以安乡县为研究对象，结合降雨、泵站排涝等实测资料，研究堤垸的产汇流，以期为洞庭湖区间水量研究提供支持。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

安乡县位于洞庭湖西北部，处于湘鄂两省、四市（常德、益阳、岳阳、荆州）、八县（鼎城、汉寿、澧县、津市、南县、公安、石首、华容）交界处，辖12 乡镇、2 农场，面积1 087 km2，属洞庭湖生态经济区核心圈层，是长江“三口”（太平口、藕池口、松滋口）泄洪与澧水注入洞庭湖的必经之地。地质构造为安乡凹陷，地表99%以上为新生界第四系全新统冲积物，水位埋深2 m 左右[2]。

年均天然降水量13.12 亿m3；8 条过境客水年均径流量994.69 亿m3，其中澧水洪道、松虎洪道、自治局河、大湖口河、虎渡河、官垱河分别为314.616，416.3，271.5，133.1，195.64，31.74 亿m3。垸内湖泊、哑河仍为140 个（条）。

8 条河流将安乡县分割成5 个独立堤垸：安化垸、安昌大垸、安造大垸、安澧大垸、安保大垸。

安化垸东线为栗林河和藕池河中支，从湖北界—汪家闸—南县界陈家渡止，约29.55 km；西线为官垱河，从湖北界—致惠水管—南县界止，约31.63 km；北线为湖南湖北界线；南线为安乡和南县的界限。安化垸集雨面积为7 846.67 hm2（117 700 亩），耕地面积为4 406.73 hm2（66 101 亩）。现有电排17 处。

安昌大垸东线为官垱河，从湖北界—生昌北间堤—八珍闸—南县界止，约44.35 km；西线为虎渡河，从湖北界—黄市咀—中孚闸—小河口止，约39.9 km；北线为湖南湖北界线。

南线为安乡县和南县的界限。安昌垸集雨面积为11 510.20 hm2（172 653 亩），耕地面积为5 089.27 hm2（76 339 亩）。现有电排18 处。

安造大垸东线为虎渡河，从黄山头镇—刘家河—小河口—蹇家渡—芦苇场止，约37.34 km；西线为松滋河东支和松虎洪道，从湖北界—松荫尖—芦苇场止，约41.83 km；北线为湖南湖北界线。安造大垸集雨面积为20 459.60 hm2（306 894 亩），耕地面积为10 465.27 hm2（156 979 亩）。现有电排26 处。

安澧大垸东线为大湖口河，从东坝口—汪家拐—小望角止，约33.08 km；西线为自治局河，从东坝口—新码头—小望角止，约35.52 km。安澧大垸集雨面积为12 273.13 hm2（184 097 亩），耕地面积为5 981.2 hm2（89 718 亩）。现有电排16 处。

安保大垸东线为松虎洪道，从跛子渡—大京港低闸—新建电排—蔡家滩止，约45.9 km；西线为澧水洪道，从跛子渡—岩剅口—红卫闸—蔡家滩止，约54.09 km。安保大垸集雨面积为35 511.40 hm2（532671 亩），耕地面积为17 744.87hm2（266173 亩）。现有电排20 处。

1.2 数据来源与处理

日降雨资料采用2018 年长江水利委员会安乡站数据，并在研究区域内布设2 处雨量器验证资料的代表性；研究范围内取排水资料采用实地调查法获取（共计取排水泵站、水闸112 处）。

2 研究方法

本研究采用数理统计的基本方法对降雨、径流的最大值、标准差、均值、变异系数进行分析；相关性分析采用spss 21 皮尔逊双侧检验；线性回归采用Excel 2017 自带拟合算法。

3 结果计算与分析

3.1 各因子统计规律分析

通过对2018 年安乡县5 个堤垸的降雨、径流、外河取用水资料进行统计性分析，如表1 所示。从表1 可以看出安造、安保、安昌、安化、安澧5 大垸的降雨、径流以及外河取用水量变异系数均大于1，属强变异；以安澧垸外河取用水量的变异程度最大，安造垸外河取用水量的变异程度最小；各堤垸间的径流变异程度差异性不大（除安造、安昌外），说明相同雨量下径流差异性远小于取用水的差异性，这可能主要由各个堤垸内产业构成、人口数量、耕种方式不同导致，即人类活动差异性造成。各堤垸降雨、取用水、径流标准差均较大，说明降雨、径流、取用水年内分布不均，图1 各堤垸降雨、径流、用水量的分布图也反映了年内分布情况。其中安保垸径流标准差最大，说明安保垸径流的离散程度最高。

表1 各堤垸降雨、径流、取用水统计指标

3.2 因子间相关性分析

3.2.1 降雨量与径流量相关性分析

通过spss 软件皮尔逊相关性计算发现：5 个堤垸内的径流与降雨均具有极显著相关趋势，说明降雨是堤垸内径流产生的重要因素。从相关性来看，安化垸>安昌垸>安澧垸>安保垸>安造垸，可能由于相对于安澧垸，安化垸范围内人类活动影响作用较小。

为进一步量化堤垸内的产流与降雨量间的相关关系，通过线性拟合的方式研究了各堤垸径流与降雨量间的函数关系，见表2 和图2。从图中可以看出降雨量较小时，径流量变化范围较大，这可能主要因为一方面降雨量较小时为缓解区域干旱或用水紧张，从外河抽取大量的水满足日常生产、生活，农业用水以及部分生活用水汇集后又形成新的径流；另一方面，由于安乡县地处澧水、荆南四水交汇处，区域降水较小时，澧水、荆南四水可能水量较大，通过一定路径进入垸内。从拟合程度来看，安澧垸（R2=0.346 3）>安昌垸（R2=0.298 3）>安化垸（R2=0.247 5）>安保垸（R2=0.239 5）>安造垸（R2=0.097 8）。此外，从单位降雨产生的径流量来看，安保垸（k=5.801 7）>安造垸（k=2.668 9）>安昌垸（k=1.849 6）>安化垸（k=1.587）>安澧垸（k=1.388）。

3.2.2 堤垸内径流量、取用水量相关性分析

相关性分析发现，堤垸内径流量与取用水量存在相关性，但相关性不显著。图3 也反映了这一规律，同一径流量条件下，取用水量变化在0～80 万m3；同一取水量条件下，径流量0～1 300 万m3。这主要可能因为堤垸区人类活动与自然变化的共同作用，其中人类活动的影响作用对径流的变化更为直接、显著。

图1 各堤垸降雨、径流、取用水年内分布情况

表2 各堤垸降雨、径流相关性分析

图2 堤垸降雨、径流相关关系分析

表3 堤垸内取用水量、径流相关性分析

图3 堤垸内取用水量、径流相关关系分析

4 结 论

本文研究堤垸内的产流，忽略地下水、蒸发以及外河水位等因素对其的影响。主要得到以下结论：

1）堤垸内径流与降雨均极显著相关。

2）径流与降雨拟合关系，安澧垸（R2=0.346 3）>安昌垸（R2=0.298 3）>安化垸（R2=0.247 5）>安保垸（R2=0.239 5）>安造垸（R2=0.097 8）。

3）单位降雨产生的径流量：安保垸（k=5.801 7）>安造垸（k=2.668 9）>安昌垸（k=1.849 6）>安化垸（k=1.587）>安澧垸（k=1.388）。

4）堤垸内径流量与取用水量存在相关性，但相关性不显著。

5 问题与不足

本文研究堤垸内的产流，忽略地下水、蒸发以及外河水位等因素对其的影响。下一步研究需引入蒸发、外河水位、人类活动等因素对于径流形成的定量作用。