洞庭湖四水流域入湖径流量变化特征及影响因素分析

熊 鹰 袁海平 何 力

(长沙理工大学水利工程学院，湖南 长沙 410114)

洞庭湖是长江流域重要的吞吐型淡水湖，洞庭湖的径流量变化对整个长江流域的生态以及环境有着显著的影响，洞庭湖流域的径流量变化分析研究一直是河流地貌、生态水文等领域研究的热点问题之一[1]。近年来，受气候变化和人类活动的影响，洞庭湖出现了洪水调蓄能力下降、生态破坏与污染严重、富营养化日趋突出、生物多样性下降等问题，引起了社会的广泛关注，很多研究者从不同方面对洞庭湖展开了研究。

湘江、资江、沅江、澧水(以下简称四水)是湖南省四条主要的河流，流经湖南省大部分地级市。洞庭湖的入湖径流量相当一部分由湖南四水提供，占比54.6%。近年来，由于河湖关系的变化以及长江干流大型水利工程的建设，洞庭湖来自长江三口的径流呈逐年减少的趋势，而四水入湖径流量占洞庭湖全年总径流的比重有逐渐上升的趋势[2]，四水入湖径流量占比增大，四水重要性上升。由于人类活动和其他自然因素的影响，四水入洞庭湖的径流量呈缓慢下降的趋势[3]，因此分析湖南四水径流量的变化特征，可以为洞庭湖流域内水资源的合理配置及生态环境保护提供理论依据。一些国内学者对湖南四水流域和洞庭湖出入径流的变化规律作了大量探讨[4-7]，但大多是对整个洞庭湖出入径流量年内分配或年际变化规律进行分析，几乎没有专门针对四水流域入湖径流量变化规律方面的研究。另外，目前国内对洞庭湖汛期径流量变化的研究比较少，而且大多还集中在对长江和黄河的汛期径流量研究[8-9]，因此研究四水入湖径流量变化特征和影响因素，可为湖南省水资源的开发利用和经济社会的可持续发展提供理论依据。

1 数据来源和分析方法

1.1 数据来源

湖南四水入湖口水文站，分别为湘江湘潭水文站、资江桃江水文站、沅江桃源水文站、澧水石门水文站。径流量数据来源于湖南水文水资源勘测中心。本文选取四个入湖口水文站的长系列径流数据和降雨量数据。

1.2 研究方法

利用Mann-Kendall非参数趋势检验法(简称M-K趋势分析法)对洞庭湖流域的径流量进行分析，具体方法如下[10]：

设水文要素序列，表示第k个样本的累计数，定义统计量：

(1)

(2)

在假设时间序列随机独立的情况下，Sk的均值和方差分别为

E[Sk]=k(k-1)/4,var[Sk]=

k(k-1)(2k+1)/72,1≤k≤N

(3)

将Sk标准化：

(4)

按照时间序列x的逆序列,xN,xN-1,…,x1,重复以上的计算公式，得出

UBk=-UFk,k=n,n-1,…,1

(5)

其中UFk为标准正态分布，是按时间序列x计算出的统计量序列，给定0.05显著性水平及0.01极显著水平，即Uα(0.05)=±1.96，Uα(0.01)=±2.58。UFk>2.58，表示极显著上升；1.96

2 洞庭湖四水流域入湖径流量变化特征分析

2.1 径流量年内分布特征分析

洞庭湖四水流域1959—2018年多年月平均径流量值如表1所列。

表1 径流月平均值 单位：亿m3

由表1可知，湘江和沅江全年径流量总和分别占四水径流量总和的39.5%和38.3%，加起来占比77.8%。每年的5、6月基本上是四水径流量的峰值时期，6月湘江、沅江总径流量为213.47亿m3，占比四水全年的13.37%；每年的12和1月是四水径流量最小时期，12月总量为59.2m3，占四水全年总和的3.54%，6月的径流量是12月的4.8倍。四水的径流量主要集中在每年的4—7月，总量为963.6亿m3，占四水全年总和的57.65%。

2.2 年径流量丰枯情况分析

根据相关规范，对洞庭湖四水多年径流量进行丰枯划分，按径流量的距平百分率ki划分为5个级别：ki<-20%为枯水；-20%≤ki<-10%为偏枯；-10%≤ki<0%为平水；10%≤ki<20%为偏丰；ki>20%为丰水。根据公式计算的结果，得出

选取昆明医科大学2018年3—7月下学期2015级医学影像专业本科生共101人作为研究对象，将其随机分为A组和B组进行见习教学，A组为教改组，B组为对照组。A组49人，男生18人，女生31人，年龄为20～22岁，平均年龄为（21.0±1.5）岁；B组52人，男生20人，女生32人，年龄为19～22岁，平均年龄为（21.0±1.2）岁。两组学生的一般资料对比，差异无统计学意义（P＞0.05），具有可比性。

1959—2018年四水共有丰水年7年，占11.7%，主要分布在1970年、1973年、1994年、1998年等。枯水年9年，占15%，主要分布在1964年、1974年、2010年等。偏丰年和偏枯年分别为12年和10年，占比为36.7%。平水年为22年，占比为36.7%。

2.3 径流量的变差系数

径流量变差系数如表2所列。

由表2可知，四水径流量总和的变差系数Cv=0.175，说明四水径流量的年际波动比较平缓。其中沅江的变差系数Cv=0.180，是四水中数值最小的，说明沅江的年径流量在四水中最为稳定；湘江径流变差为0.247，资江的变差系数为0.2，年径流量有一定浮动；澧水的变差系数值最大，为0.261，说明澧水的年径流量波动较大。

表2 径流变差系数值

2.4 四水入湖水量变化趋势

1959—2018年，四水径流量多年平均值为1664亿m3，其中湘江为656亿m3，资江为225亿m3，沅江为638亿m3，澧水为145亿m3。

四水年入湖径流量值和多年平均值如图1所示，由图1可知，四水总径流量的变化趋势不大。湘江和沅江的径流量总体上平缓上升，资江基本保持不变，上下有一定浮动，澧水的径流量有一定下降。

图1 四水径流量总和

湘江1962—1968年、1984—1992年、2007—2013年的径流量平均值低于多年平均值，属于枯水年份；1995—2003年的径流量平均值大于多年平均值，属于丰水年份。资江1965—1974年、1990—2004年的径流量平均值大于多年平均值，属于丰水年份；1980—1994年、2005—2013年属于枯水年份。沅江1965—1975年、1990—2004年属于丰水年份；1979—1990年、2005—2014年的径流量平均值小于多年平均值，属于枯水年份。澧水1986—1992年属于丰水年份，1992—2001年的平均值小于多年平均值，属于枯水年份。

2.5 径流量的M-K趋势分析

各个站点的多年趋势变化如表3所列。

表3 四水M-K统计值

资江的M-K值为0.561，未超过显著性检验的临界值，说明年径流量的增长缓慢。

沅江的M-K值为0.47，未超过显著性检验的临界值，说明径流量增长缓慢。

澧水的M-K值为-0.272，未超过显著性检验的临界值，说明径流量减少的趋势不明显。

四水径流总量M-K值的变化如图2所示，由图2可知，湘江径流量在1959—1989年基本无变化，1989—2003呈上升趋势，2003年以后变化不明显，未达到α=0.05(±1.96)显著性检验的临界值。突变点发生在1990年。

图2 径流总量M-K统计值

资江1959—1987年径流量变化有一定波动，1987—2002年缓慢增长，2002—2014年下降不明显。均未达到α=0.05(±1.96)显著性检验的临界值。突变点在1972年。径流量减少的年份为1990—2003年。

沅江1959—1969年径流量有一定的增长，径流量减少的年份为1970—1989年、1990—2003年，2003年以后有增长的趋势。除了1970年达到α=0.05(±1.96)显著性检验的临界值外，其余年份均未达到α=0.05(±1.96)显著性检验的临界值。突变点发生在1966年和1988年。

1959—1964年澧水径流量增长缓慢，径流量减少的年份为1974—1979年，1975—2018年径流变化趋势不明显，均未达到α=0.05(±1.96)显著性检验的临界值。

四水径流量增加的年份为1968—1984年、1989—2003年，径流量减少的年份为1985—1988年、2003—2011年。但均未达到α=0.05(±1.96)显著性检验的临界值，因此增加或减少的幅度并不大。突变点发生在1968年和1989年。

3 影响因素分析

受降雨量变化的影响，径流量也发生相应的变化，如图3所示，径流量和降雨量成高度的正相关性[11]。

图3 降雨量和径流量的关系

由于受自然因素和人类活动的影响，洞庭湖四水径流量发生了变化。洞庭湖流域四水的月均降水量和月均径流量之间具有良好的相关性，流域降水以及人类活动是影响四水径流变化的主要因素。

可见，洞庭湖四水径流量受降水的影响并不大，水库建设及土地利用变化等人类活动极有可能是造成洞庭湖四水流域径流年内阶段性变化的重要因素。

4 结 论

a.自1959年以来，总体来看四水流域的总径流量变化有一定程度的减少，四水径流量增加的年份为1989—2003年，四水径流量减少的年份为2003—2011年，四水入湖径流量变化的时间拐点为2003年。

b.受降雨量变化的影响，径流量也发生相应的变化，洞庭湖四水入湖径流量与降水量之间成高度的正相关性，呈现出“雨大水大,雨小水小”的变化趋势。由结果知,澧水径流量的波动较小,其他三水的波动幅度较大,虽然四水年入湖径流量未见显著的增长或减少趋势,但四水径流量的年内分配有一定的变化。

c.流域地貌发育、降水等自然因素，以及水利、林业工程和土地利用变化等人类活动是影响四水流域入湖径流量的主要因素，其中人类活动因素的影响占比最大，所以影响洞庭湖四水流域径流量变化的主要因素是人类活动。