1960-2015年洞庭湖水资源演变特征分析

徐幸仪，伍佑伦，盛 东，何怀光

(湖南省水利水电科学研究院，湖南 长沙 410007)

1 研究背景

水资源是人类生存和发展不可缺少的重要自然资源，当今水问题日益增多，流域水资源短缺严重制约了经济社会发展[1-2]。通过水资源演变分析，定量研究水资源时空变化规律并分析其驱动影响机制，对进一步保护和利用水资源具有重要意义[3]。

洞庭湖是长江中游重要的调蓄型湖泊，洞庭湖湖泊水资源的保护及管理尤为重要，把握湖泊水资源演变规律是当今的研究热点[4-5]。近几十年来，长江中游及洞庭湖经历过多次工程干预，如调弦堵口、下荆江裁弯、三峡水库建设等众多水利工程[6-7]，在全球气候变化背景下，伴随着强烈的人类活动，长江与洞庭湖的江湖关系多变，水资源及生态资源受到严重影响[8-11]。周蕾等[12]基于1956-2015年湖区实测水文数据，利用Mann-Kendall突变检验法及主成分分析法研究洞庭湖水位演变特征及驱动因素；李景保等[13-14]基于三峡运行前后洞庭湖区长序列实测水文数据，对比分析三峡水库运行对洞庭湖水文情势的影响；段蕴歆等[15]基于1990-2017年监利、城陵矶、螺山水位及流量数据，分析三峡水库运行后的新江湖关系及江湖交汇区的顶托作用。前人对洞庭湖区内水位及流量特征变化规律的研究较多且成果丰富，但以往对洞庭湖水资源的研究多集中在四水、三口和洞庭湖出口断面等处[16-17]，且水量与水位多为分开单独研究[18-20]，关于长江上游来水量及其过程、洞庭湖出口及下游长江水量与水位对洞庭湖水资源演变特征影响的研究较少。

本研究分别选取枝城站、城陵矶(七里山)以及螺山站共3处代表站进行研究，基于长序列水位及流量数据，分析洞庭湖1960-2015年的水资源演变情况及长江水文情势对洞庭湖水资源变化的影响，研究成果可为分析长江与洞庭湖的江湖关系、洞庭湖水资源的优化配置以及洞庭湖的生态保护等提供重要的参考。

2 研究区域概况

洞庭湖(东经111°14′～113°10′，北纬28°30′～30°23′)是长江出三峡进入中下游平原后的第一个通江大湖，地跨湖南、湖北两省，是我国第二大淡水湖[21-24]。特殊的地理位置和来水条件使洞庭湖水资源变化一直受到广泛关注。洞庭湖作为大型的通江湖泊，其水资源不仅受气候因素等自然条件的影响，同时也受到人类活动的显著影响，特别是近50年来水利工程等人类活动影响加剧，洞庭湖水资源呈现出新的特征[25-27]。湖区面临水质性缺水和季节性缺水并存的局面；水生态功能呈退化态势，湿地萎缩，生物多样性降低；水质下降，水污染防治压力加剧[28-30]，对湖区人民的生产和生活产生了不利影响。研究区域水系及水文控制站点分布见图1。

图1 研究区域水系及水文控制站点分布

3 研究方法

为研究洞庭湖水资源的年际和年内变化特征，采用Mann-Kendall突变检验方法对研究区域内3个控制性水文站枝城站、城陵矶(七里山)站、螺山站(下简称3站)1960-2015年的年径流量和年平均水位进行变化趋势分析，并对三峡工程运行前后(1995-2015年)3站的月平均流量和月平均水位进行分析。

Mann-Kendall检验方法是一种非参数的统计检验方法[31]。该方法不仅计算简便，而且可以明确突变开始的时间和突变区域，更适用于类型变量和顺序变量，是一种常用的突变检测方法[32]。Mann-Kendall法通过统计量UF来判断序列呈上升或下降趋势，正序列统计量UF和逆序列统计量UB大于0，则序列呈上升趋势；若UF或UB小于0，则序列呈下降趋势；当UF或UB超过临界线Ua，表明上升或下降趋势显著。若UF和UB线出现交点，且交点在临界线之间，则突变开始时间为交点对应时刻[33]。其原理和具体计算步骤参照文献[34-35]。

4 洞庭湖径流量演变趋势分析

4.1 径流量年内变化规律分析

对枝城、城陵矶(七里山)、螺山3站1960-2015年的月平均径流量进行统计和分析，结果见表1。

表1 1960-2015年不同时段枝城、城陵矶(七里山)、螺山水文站月平均径流量对比 m3/s

从表1可知，3站径流量年内分配不均匀，其中汛期(4-10月)多年平均径流量约占多年平均径流量的80%，主汛期7月份流量最为集中，3站7月份多年月平均径流量占多年平均径流量的百分比均达到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%。

三峡工程运行前后13 a对比：分析三峡工程运行前(1990-2002年)与三峡工程运行后(2003-2015年)两段时间序列发现，三峡运行后3站汛期(4-10月)变化趋势相同，径流量均呈现减少趋势，3站汛期多年月平均径流量分别由三峡运行前的19 401、12 286、28 214 m3/s相应减少至17 309、9 816、24 743 m3/s，其中主汛期7、8月下降最为明显，可以看出三峡修建后洞庭湖汛期流量下降显著；三峡运行后枯水期(12月-次年3月)3站出现明显不同的变化趋势，其中枝城站径流量出现上升趋势，而城陵矶(七里山)站径流量却出现减少趋势，螺山站基本持平，径流量变化不大。枯水期枝城站径流量出现上升趋势，反映出三峡对长江的补水调节，但洞庭湖城陵矶流量却呈现下降趋势，可能与三峡修建后三口分流量减少和湖区内人类活动有关。

三峡工程运行后与多年平均对比：分析三峡工程运行后(2003-2015年)与多年平均(1960-2015年)两段时间序列发现，三峡运行后3站汛期(4-10月)变化趋势基本相同，除枝城站4-5月径流量有小幅上升外，其他月份3站均呈现径流量减少趋势；三峡运行后枯水期11月，3站径流量均减少，12月基本持平，次年1-3月径流量均有所增加。可以看出三峡水库汛期减少下泄流量和枯水期补水对洞庭湖流量年内的调节作用明显。

4.2 流量年际变化趋势

采用Mann-Kendall突变检验方法检测1960-2015年间洞庭湖流量的突变情况。给定显著性水平α=0.05，即U0.05=±1.96。计算结果如图2～4所示。

由图2中UF曲线可见，洞庭湖上游长江枝城站60年代至70年代初期UF值大于0，表明该段时间径流量呈现上升的趋势，自70年代初到2000年以来径流量基本变化不大，但在2001-2015年间由于UF值小于0，表明径流量呈现下降的趋势，从2011年开始UF超过了临界线U0.05，表明下降趋势显著。据UF和UB交点位置判断，洞庭湖上游枝城站径流量下降是一个突变现象，时间是从2001年以后开始的。而在2002-2006年间UF值大于0，表明该段时间径流量呈现上升的趋势，但总体上由于UF值小于U0.05，而且更接近0值，这表明上游径流量整体上变化不显著。

图2 1960-2015年洞庭湖上游长江枝城水文站径流量M-K突变检验 图3 1960-2015年洞庭湖出口城陵矶(七里山)水文站径流量M-K突变检验

图3表明，洞庭湖出口城陵矶(七里山)站的UF曲线从1974年开始全部在0值以下，表明洞庭湖出口整体径流量呈现下降的趋势，根据UF和UB曲线交点的位置，可以确定洞庭湖出口径流量下降是一个突变现象，时间是从1999年以后开始的。

由图4可看出，洞庭湖下游长江螺山站与洞庭湖上游长江枝城站的UF曲线大体类似但又有所差异，其值也是60年代至70年代初期UF值大于0，表明洞庭湖下游长江螺山站在这一时期内整体径流量呈现上升的趋势；自70年代初到2000年以来径流量基本保持不变，但在2006-2015年间UF值小于0，表明径流量呈现下降的趋势，但总体上UF值小于U0.05，说明径流量下降趋势不显著。根据UF和UB曲线交点的位置，可以确定下游径流量下降也是突变现象，时间是从2003年以后开始的，晚于洞庭湖上游长江枝城站流量突变的时间2 a。总的来说，洞庭湖下游长江螺山站没有洞庭湖上游长江枝城和出口城陵矶(七里山)站径流量变化明显。

图4 1960-2015年洞庭湖下游长江螺山水文站径流量M-K突变检验 图5 三峡工程运行前后枝城水文站月平均水位变化

综上所述，洞庭湖上游长江枝城站和下游长江螺山站整体上径流量年际变化不显著，而洞庭湖出口城陵矶(七里山)站径流量年际变化呈现下降的趋势。其原因有待进一步深入研究。

5 洞庭湖水位演变情况

5.1 水位年内变化规律分析

对枝城、城陵矶(七里山)、螺山3站1990-2015年的月平均水位进行统计，统计分为三峡工程运行前(1990-2002年)和运行后(2003-2015年)两段时间序列，结果见表2和图5～7。

图6 三峡工程运行前后城陵矶(七里山)水文站月平均水位变化 图7 三峡工程运行前后螺山水文站月平均水位变化

对表2和图5～7中三峡工程运行前与运行后两段时间序列进行分析发现，三峡运行后3站汛期(4-10月)变化趋势相同，月平均水位均呈现减少趋势，其中主汛期7、8月下降最为明显；三峡运行后枯水期(1-3月)3站出现水位上升趋势。

表2 三峡工程运行前后枝城、城陵矶(七里山)、螺山水文站月平均水位对比表 m

上述3站水位年内变化规律体现了三峡水库汛期减少下泄流量和枯水期向下游补水对洞庭湖水位年内调节作用明显。

5.2 水位年际变化趋势

采用Mann-Kendall突变检验方法检测1960-2015年间洞庭湖水位的突变情况。给定显著性水平a=0.05，即U0.05=±1.96。计算结果如图8～10所示。

由图8～10可见，洞庭湖上游长江枝城站60年代至70年代初期UF值大于0，表明该时间段枝城年平均水位呈现上升的趋势，自70年代初到2015年UF值小于0，表明径流量呈现下降的趋势，这种下降趋势从1987年开始甚至超过了显著性水平0.05临界线，说明下降趋势显著。洞庭湖出口城陵矶(七里山)站的UF曲线从1960-2015年基本全部在0值以上，表明洞庭湖出口整体平均水位呈现上升的趋势。洞庭湖下游长江螺山站与洞庭湖出口城陵矶(七里山)站的UF曲线大体类似，其值也是基本全部在0值以上，表明洞庭湖下游长江螺山站在1960-2015年间整体年平均水位呈现上升的趋势，这种上升趋势从1991年开始甚至超过了显著性水平0.05临界线，说明上升趋势显著。

图8 1960-2015年洞庭湖上游长江枝城水文站年平均水位M-K突变检验

图9 1960-2015年洞庭湖出口城陵矶(七里山)水文站年平均水位M-K突变检验

图10 1960-2015年洞庭湖下游长江螺山水文站年平均水位M-K突变检验

6 结 论

(1)洞庭湖水位和流量年际变化趋势差异明显，表现在枝城、城陵矶(七里山)、螺山3站变化趋势大相径庭。枝城站从2001年开始水位下降趋势显著，径流量整体变化趋势并不明显；城陵矶(七里山)站水位呈上升趋势但径流量从1999年以后开始突变下降；螺山站水位呈上升趋势，径流量变化趋势并不明显。

(2)三峡运行后(2003年-2015年)，枝城、城陵矶(七里山)、螺山3站水位与流量年内变化基本具有同步性，汛期(4-10月)均呈减少趋势，枯水期(1-3月)均呈上升趋势，表明长江水利工程，特别是三峡工程的修建，对洞庭湖水资源的调节影响明显。

本文分析了1960-2015年洞庭湖水资源演变特征，洞庭湖水资源年内和年际变化特征是由水文气象条件、人类活动、水利工程等多种因素影响造成的，需进一步定量分析其影响原因。尤其是城陵矶(七里山)站径流量从1999年以后下降趋势显著，洞庭湖水资源综合利用和生态环境保护形势严峻，亟需深入研究。