梯级水库调度影响下沅江入洞庭湖径流量演变特征分析

陈继祖 许斌 孙可可

摘要：为精准识别各入洞庭湖水系水量变化对洞庭湖径流特征的影响，选取沅江作为研究对象，以桃源水文站1966～2018年的流量序列为基础，采用水文变异诊断系统，对梯级水库联合调度下沅江入洞庭湖径流量的演變特征进行分析。结果表明：在梯级水库联合调度影响下，加之流域河道外用水的不断增加等因素，在年际演变特征上，1～5月径流整体呈现中变异和弱变异，沅江年均流量总体呈现出减少的态势;在年内分配演变特征上，沅江径流的年内分配变化趋势不显著。研究成果可为沅江流域水库群的调度运行等精细化管理提供一定的依据，也可为洞庭湖其他来水分析提供一定参考。

关键词：径流演变;梯级水库;水库调度;水文变异诊断系统;沅江;洞庭湖

1 研究背景

洞庭湖区位于长江中游荆江南岸，跨湘、鄂两省，北有松滋、太平、藕池三口（调弦口已封堵）分泄长江来水，南面有湘、资、沅、澧四水汇入，经湖泊调蓄后，由岳阳市城陵矶注入长江。洞庭湖是长江流域重要的调蓄湖泊，也是中国传统的鱼米之乡，是湖南省乃至全国最重要的商品粮油、水产和养殖基地。

近年来，受人类活动、气候等多方面因素影响，洞庭湖区来水量减少，旱灾呈现发生频率增加、旱情程度加重的趋势。覃红燕等[1]从洞庭湖水沙演变的角度对四水的影响进行了分析，认为上游水库建设导致洞庭湖来沙减少，加之洞庭湖的自身疏浚[2]，对洞庭湖水位降低产生了一定的影响。钱湛[3]、刘培亮[4]等从四水入洞庭湖水量的现状和变化趋势入手，认为上游水利工程修建对四水径流的变化影响主要集中在年内变化。卢翔等[5]认为江湖关系变化、内湖围垦开发导致调蓄能力退化，也是洞庭湖干旱的主要原因。贺秋华等[6]从三峡水库运行的角度，得出三峡水库对下泄量的调控在缓解洞庭湖洪涝灾害隐患的同时，也使得低枯水位提前1个月。

综上，四水和三口是影响洞庭湖径流特征的主要因素已成为基本共识，但四水或三口常作为一个洞庭湖区影响变量进行考虑，对各入湖水系没有单独进行更细致和更深入的分析。由于气候、下垫面条件、上游控制性工程（水库）布局及运行调度方案不同，各水系入洞庭湖径流呈现出不尽相同的演变特征。为精准识别各入洞庭湖水系水量变化对洞庭湖径流特征的影响，本文以沅江作为研究对象，对梯级水库联合调度下沅江入洞庭湖径流量的演变特征进行分析。研究成果可为洞庭湖水资源的精细化管理提供依据，也可为洞庭湖其他来水分析提供一定参考。

2 沅江概况

沅江，又称沅水，是长江流域洞庭湖湘、资、沅、澧四水中的第二大水系，也是湖南省的第二大河流[7]。沅江干流全长1 033 km，流域面积 8.92万 km2，多年平均径流量 650亿m3。沅江以洪江、凌津滩为界可分为3段。沅江干流洪江以上为上游河段，多为高山峻岭，海拔1 000 m左右，平均比降1.61 ‰;洪江至凌津滩为中游河段，长388 km，多为丘陵区，平均比降为0.34‰;凌津滩以下为下游河段，长约92 km，平均比降0.152‰，河谷开阔，阶地发育，其中桃源县城以上为低矮丘陵区，沿岸山丘与堤垸相间，桃源县城以下为滨湖冲积平原，地势低洼，两岸基本为防洪堤垸。

沅江干流总落差1 033 m，流域水能资源丰富。根据《沅水干流规划复核报告（2003年）》，沅水干流梯级开发方案为13级，已建成的水电工程有三板溪、挂治、洪江、五强溪、凌津滩等，其中，三板溪为沅水干流的“龙头”水库，具有多年调节性能;五强溪为沅水中下游的控制性骨干工程，为季调节水库。2009年6月，《沅水凌津滩-桃源河段补充规划报告》同意沅水凌津滩-桃源河段增加一级水电开发梯级（桃源电站），该电站已于2015年投产发电。沅江流域水系及水利工程示意见图1。

沅江干流总控制站为桃源水文站，属国家重要水文站，设立于1948年1月，位于湖南省桃源县漳江镇延溪村，距河口约50 km，控制集水面积8.52万 km2。该站为沅江流域的江河治理、防汛抗旱、水资源开发利用及水工程的建设管理提供了系统的水文资料。本文选取桃源水文站为研究测站，对梯级水库调度影响下沅江入洞庭湖径流量的演变特征进行了分析。

3 研究方法

水文序列包括确定性成分和随机性成分，而确定性成分则包括周期、趋势和跳跃成分。如果水文序列与周期、趋势和跳跃成分无关，则它是平稳的时间序列，表明整个水文序列具有相同的物理成因，其统计规律满足一致性。梯级水库调度对下游水文情势的影响，主要指对水文序列的确定性成分造成的影响，即水文序列的分布形式或（和）分布参数在整个序列时间范围内发生了变化，即发生了水文变异[8]。

在水文序列变异诊断方法上，针对不同水文序列成分的诊断方法也有所区别，比如诊断跳跃变异的方法有秩和检验法、有序聚类法等，诊断趋势变异的方法有Spearman秩次相关检验法、Kendall秩次相关检验法等。2010年，谢平等[9]提出了用于水文水资源序列变异诊断的水文变异诊断系统。该系统主要考虑了趋势和跳跃两种变异形式，由初步诊断、详细诊断和综合诊断3个部分组成，不仅可以从整体上识别与检验时间序列变异及其变异程度（无变异、弱变异、中变异、强变异、巨变异），而且可以识别非一致性序列发生变异的形式（趋势、跳跃变异点），检验指标全面，权重赋值客观，诊断结果可信度较高。该系统解决了传统检验方法只能识别单一变异形式，无法从整体上识别与检验时间序列变异及其变异程度，以及跳跃变异中单一检验方法造成结果不合理，多种检验方法导致检验结果不一致等问题。因此，本文采用水文变异诊断系统对桃源水文站径流序列的演变特征进行了分析。

4演变特征分析

本文选取桃源水文站1966～2018年日尺度水文资料，利用水文变异诊断系统，选取第一信度水平α=0.05，第二信度水平β=0.01的条件，对桃源水文站月均、年均流量资料序列进行变异分析。

4.1 年际演变特征分析

利用水文变异诊断系统，对桃源水文站月均、年均流量的年际序列进行变异分析，诊断结果见表1。

由表1可知，上游梯级水库调度对沅江流量的影响主要集中在每年的1～5月，其对年均流量也存在一定的影响。具体而言，沅江6～12月的流量序列表现出了较好的随机性，说明上游梯级水库调度对沅江流量影响甚微。1月和3月流量序列出现了跳跃向上的中变异，跳跃年份分别为1989年和1988年。2，4，5月流量序列出现了跳跃向下的变异，变异程度分别为弱变异、弱变异、中变异，跳跃年份分别为2009，1977年和1977年。年均流量序列则于2004年出现了跳跃向下的弱变异。

从表1的变异结果可以看出：由于沅江上游水库调蓄能力有限，当汛期来水量较大时，沅江水库群基本无法完全调蓄洪量，仅能在短时段内进行调峰。因此，汛期的月尺度流量序列并未发生变异。同时，水库群对枯水期的调节作用也有限，1～5月中仅1月和3月的流量序列有所上升，其他月份呈下降态势，由此可知沅江流域内缺乏统一的水库群调度运行计划和管理部门，导致枯水期的变异结果不具有规律性。水库群长期的调蓄作用，对年径流序列产生一定的影响，加之流域内河道外用水的不断增加，沅江河道的水量总体呈现减少的态势。

4.2 年内演变特征分析

对于年内分配的演变特征分析，利用水文变异诊断系统，选取集中度、集中期、不均匀系数[10]等序列进行变异分析，诊断结果见表2。

从表2可以看出，用于衡量流量年内分配的集中度、集中期、不均匀系数均未出现变异。

5结 论

为精准识别各入洞庭湖水系水量变化对洞庭湖径流特征的影响，本文以沅江为研究对象，选取桃源水文站1966～2018年的逐日流量序列，采用水文变异诊断系统，对梯级水库联合调度下，沅江入洞庭湖径流量的年际及年内分配演变特征进行分析，主要结论如下。

（1）在径流年际及年内分配演变特征上，沅江流域内梯级水库调度对沅江流量的影响主要集中在每年的1～5月，但调节作用有限;加之流域河道外用水的不断增加，沅江年均流量总体呈现出减少的态势。

（2）在径流年内演变特征上，上游梯级水库调度对沅江流量年内分配产生影响不明显，衡量流量年内分配的集中度、集中期、不均匀系数则均未出现变异。

（3）从水资源精细化管理的角度，沅江流域反映出的突出问题包括缺乏统一的水库群调度运行计划和管理部门，导致水库群无法最大程度的发挥调洪补枯的作用。根据变异诊断结果，建议沅江流域优化水库群联合调度，枯水期重点加大2月、4月进入洞庭湖径流的补充水量，确保河道内最小生态流量的需要;同时汛期需进一步加强水库群的防洪调度管理，有效地减小洪峰流量，切实保障沿岸居民的安全。

参考文献：

[1] 覃红燕， 谢永宏， 邹冬生.  湖南四水入洞庭湖水沙演变及成因分析[J].  地理科學， 2012，32（5）： 609-615.

[2] 周北达， 李正最.  洞庭湖河湖疏浚对洪水位影响分析[J].  水文， 2004， 24（2）： 35-40.

[3] 钱湛， 张双虎， 卓志宇.  四水入洞庭湖水量变化趋势及周期分析[J].  人民长江， 2014， 45（15）： 39-42.

[4] 刘培亮，毛德华，周慧，等.  1990～2013年湖南四水入洞庭湖汛期径流量的变化规律[J].  水资源保护，2015， 31（4）： 52-61.

[5] 卢翔，唐仁杰. 湖南洞庭湖区干旱特点及成因分析[J].  人民长江， 2015，S（2）： 9-11.

[6] 贺秋华，余德清，余姝辰，等.  三峡水库运行前后洞庭湖水资源量变化[J/OL]. 地球科学：1-2[2020-10-21]. http：//kns.cnki.net/kcms/42.1874.P.20200331.1524.013.html.

[7] 百度百科.  沅江（长江流域洞庭湖支流）[DB/OL]. https：//baike.baidu.com/ item/%E6%B2%85%E6%B1%9F/3815035？fr=aladdin. 2020-03-03.

[8] 谢平，陈广才，雷红富. 基于Hurst系数的水文变异分析方法[J]. 应用基础与工程科学学报，2009，17（1）：1-82.

[9] 谢平，陈广才，雷红富，等. 水文变异诊断系统[J]. 水力发电学报，2010，29（1）：85-91.

[10] 谢平，陈广才，雷红富，等. 变化环境下地表水资源评价方法[M]. 北京：科学出版社，2009.

（编辑：李晓濛）