湖南省水库洪水调蓄能力时空分异研究

2021-10-18杨家亮龙秋波

人民长江 2021年9期

杨家亮龙秋波

摘要：建立湖南省水库空间数据库，运用核函数密度估计法来分析湖南省水库工程的时空演化规律;选取防洪库容作为水库洪水调蓄能力评估指标，来研究湖南省水库洪水调蓄能力的时空分异特征。结果表明：① 湖南省水库数量众多，总库容为514.12亿m3，其中小型水库数量占比高达97.0%，大部分建于20世纪50～70年代，21世纪以来则以大中型水库工程建设为主。② 水库分布与地形地貌特征密切相关，主要分布于海拔50～1 000 m之间的丘陵、岗地和山间盆地。③ 全省水库防洪库容106.00亿m3，洪水调蓄以大型水库为主，其防洪库容占比接近70.0%;从空间分布格局来看，沅江流域水库洪水调蓄能力最强，防洪库容占比接近40.0%，位于湘西北的怀化市、张家界市和常德市防洪库容占比超过50%。④ 不同时期的水库洪水调蓄能力各异，20世纪90年代和70年代是水库洪水调蓄能力提升最大的时期，期间防洪库容增加占比分别为28.1%和18.3%;20世纪80年代处于水库工程建设低潮期，防洪库容增加占比仅为3.4%。

关键词：洪水调蓄能力;防洪库容;核密度函数;时空演化规律;时空分异特征;水库工程;湖南省

中图法分类号：TV1

文献标志码：A

文章编号：1001-4179（2021）09-0016-08

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.09.004

0 引言

开展水库及其洪水调蓄能力的时空分异特征研究，可为水库防洪研究和流域防洪体系建设提供理论和科学支撑[1-2]。水库是最常见的蓄水工程，用以调节河川径流、解决旱涝灾害的主要工程措施[3]。新中国成立以来，湖南省开展了大规模水利水电工程建设。根据湖南省第一次全国水利普查[4]和水利统计年鉴[5]成果，湖南省目前有水库工程14 096座，约占全国的14.5%，是水库数量最多的省份。但是，湖南省97%的水库是小型水库，大部分建于20世纪50～70年代，实际蓄水量少，库容利用效率低，配套渠系质量差，输水效率不高，无力抗大旱，因此急需实施除险加固工程[6-7]。

国内外研究人员关于水库的时空分布及其洪水调蓄能力的研究成果较为丰富。国外学者重点关注生态过程的评估以及水库价值量的研究[8-11]，而较少关注水库建设及其时空分异的评价;国内学者则侧重于研究少数典型水库的洪水调蓄状态及其相应价值计算[12-14]，或者集中于单个水库的防洪调度[15-17]、水质[18-19]、水温[20]、水生态变化方面的研究及其价值量的评估[21-23]等方面。少数研究人员基于部分省区的水库统计信息，研究区域水库工程建设历程及其时空分布，评估其洪水调蓄能力的空间分异特征，估算大型水库调蓄洪水功能的价值[1-2]。然而，受限于数据难以获取的因素，当前的研究尚不能全面反映水库时空分布特征及其洪水调蓄功能的全貌，缺乏区域水库资源比较分析，同时也缺少对湖南省水库资源时空分布较为系统的综合研究。因此，开展湖南省水库工程时空分布规律及其洪水调蓄能力的时空分异特征探索是必要的，而且研究成果可为湖南省水资源规划与管理、保护和可持续利用提供科学依据。

1 研究区概况

湖南省（108°47′E～114°15′E，24°38′N～30°08′N）地处长江中游，因水而名，南绕四水、润泽全境，北拥洞庭、吞吐长江，既得丰水之利，又遭水患之忧。新中国成立70 a来，湖南人民坚持不懈、治水兴湘，初步建成了以水库、堤防、蓄滞洪区为重点的防洪工程体系。与20世纪90年代相比，近10 a来湖南全省年均因洪灾死亡人数从415人下降至36人，洪涝灾害年均损失率从8.56%下降至0.72%。然而，受客观自然地理条件限制，加之现有防洪体系存在薄弱环节，全省经济社会发展仍然受到洪水威胁。目前，全省有88座大中型水库、3 960座小型水库、267座大中型水闸带病运行。进入新时代，防治水旱灾害的要求更高，按照流域规划，防洪体系仍需新增22.90亿m3防洪库容。

湖南省辖13个地级市、1个自治州，国土面积为21.18万 km2，占全国总面积的2.20%。耕地总面积为415.47万hm2（6 232万亩），是全国重要的粮食生产基地，水稻產量常年稳居全国第一。湖南省区位和DEM如图1所示。水库工程的建设对保障湖南全省粮食生产安全至关重要，利用好现有水库资源，充分发挥其洪水调蓄功能，保障区域和流域内人民群众生命财产安全，对湖南省乃至全国的经济社会高质量发展均意义重大。

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源

本文研究采用的水库及其相关数据信息主要来源于《湖南省水利统计年鉴》[5]《中国水利统计年鉴》[24]、湖南省第一次全国水利普查[4]和《湖南省水资源综合规划》[25]，水库信息包括水库名称、类型、所在位置、修建时间、总库容、防洪库容、兴利库容、供水对象等，评估对象为湖南省大、中、小不同规模的水库工程，共计14 096座，涉及14个地级行政区。此外，研究还采用了湖南省行政区划矢量数据、水资源分区矢量数据、DEM数据以及相关社会经济统计数据等。

2.2 研究方法

2.2.1 水库空间数据库构建方法

本次研究收集了湖南省水库的空间统计信息，经前期数据处理，系统梳理了关键要素属性信息;使用ArcGIS地理信息系统，生成水库的空间矢量数据，并结合湖南省DEM数据、河流水系矢量数据、区划边界矢量数据以及社会经济统计数据等进行空间匹配，构建了湖南省水库空间分布数据库。根据水库分布所在地的信息，通过区域统计分析和汇总，可得到各级行政区和流域分区水库数量及其库容特征值等关键信息，并对其进行比较分析。

2.2.2 核函数密度估计法

选用核函数密度估计法（Kernel Density）分析水库工程不同时段的空间分布情况。核密度分析工具用于计算要素在其周围邻域中的密度，通过考察规则区域中点密度的空间变化来研究点的空间聚集模式[26-27]。基本原理是：使用核函数，根据点或折线要素计算每单位面积的量值，以将各个点或折线拟合为光滑锥状表面。本研究结合核函数密度估计法，对湖南省大中型以及小型水库不同时期空间分布的聚集性进行可视化分析，如图2～3所示。

核函数密度估计法的计算公式如下：

2.2.3 水库调蓄能力评估指标

防洪库容，是指防洪高水位至防洪限制水位之间的水库容积，用以控制洪水，满足水库下游防洪保护对象的防洪要求[28]。本次研究选取水库的防洪库容作为评估指标，来衡量区域水库的洪水调蓄能力。

3 结果与分析

3.1 水库数量与水量的时空分布格局

3.1.1 水库工程建设历程

根据对古代水利工程遗迹、史料和年鉴统计资料的分析，可将湖南省水库工程建设划分为以下4个时期：

（1）新中国成立以前，这一时期是利用河泛湿地筑塘坝引水灌溉的时期;

（2）新中国成立之初至改革开放初期，这一时期是大兴水利工程建设时期;

（3）改革开放之初至20世纪末，这一时期是以除险加固、完善配套设施为主;

（4）21世纪之初至今，是推进大型水利工程建设时期。

截至新中国成立初期，湖南省共修建水库16座，总库容约329.00万m3，塘坝150万处，蓄引提水量56亿m3，其中蓄水量为29亿m3[7]。新中国成立后的30 a间，全省上下掀起了一波水利工程建设高潮，共修建水库12 000余座，水库总库容迅速增至200.00亿m3，初步形成了以水库为骨干、塘坝为基础、大中小型工程相结合的灌溉体系。进入20世纪80年代后，根据十一届三中全会提出的国民经济调整方针，湖南省水库建设以加固堤坝、扩大配套为主，共处理病险工程4 768座，着力提升已建工程的效益;同时开始加强用水管理，全面提高全省防洪和抗旱能力。进入新时代以来，湖南省持续推进重大水库工程建设，截至2018年，全省已建成各类水库14 000余座，总库容514.00亿m3，防洪库容106.00亿m3。水库洪水调蓄能力得到了显著提升，水安全保障体系初步建成。

为了更加清晰地展示湖南省不同时期水库工程建设情况，对水库空间矢量数据进行了核密度分析。

（1）从小型水库工程不同时期分布来看：① 20世纪50年代，在全省范围内兴起了一阵水利工程建设热潮，特别是湘中南丘陵区、环洞庭湖丘岗区和湘西北山间盆地区域，新修了大量的小型水库;② 20世纪60～70年代，水利工程建设热度不减，持续在全省范围内兴修水利工程;③ 20世纪80～90年代，水利工程建设热潮减退，主要在湘东北丘陵地区建设了一批小型水库工程，这一时期以水库除险加固为主;④ 2000年以后，小型水库工程建设集中在湘东南丘陵地区和湘西北山区，规模不大。

（2）从大中型水库不同时期分布情况来看：① 20世纪50年代至70年代，大中型水库建设处于高峰期，全省新建大型水库14座，中型水库237座，占比接近现有大中型水库数量的50%;② 20世纪80年代至90年代，大中型水库修建规模不大，以中型水库工程为主，主要集中在衡邵丘陵区和湘西地区，其中湖南省规模最大的东江水库和五强溪水库均修建于20世纪90年代;③ 2000年以后，大中型水库工程建设集中于湖南省西北山区、四水流域上游地区，规模相比前一时期有所增加。

3.1.2 湖南省水库空间分布格局

湖南省水库工程空间分布与全省的地形变化密切相关，超过90%的水库分布在海拔50～1 000 m之间的丘陵、岗地和山间盆地。其中，环洞庭湖丘岗区、湘中南丘陵区、湘南丘陵区以及湘西北山间盆地区域水库密布，湘西北雪峰-武陵山区、湘南南岭山区和湘东幕阜-罗霄山区水库分布稀疏，洞庭湖平原地区水库很少，而湖泊数量众多。

（1）按水库所属行政区分析，衡阳市水库数量最多为1 796座，其次为岳阳市，有1 502座，分别占全省水库总数量的12.7%和10.7%，湘潭市和张家界市的水库数量相对较少，占比分别为2.7%和1.8%。郴州市和怀化市的水库总库容位居全省前列，均超过了110.00亿m3，郴州市因为东江水库的缘故库容较大，怀化市则因沅江干流的几个梯级工程使得总库容较大，娄底市和湘潭市水库总库容相对较小。

（2）按水库所在流域来看，湘江流域水库数量最多，约6 600座，占比接近全省水库总量的50%，流域水库总库容超过220.00亿m3;沅江流域水库数量次之，約2 500座，占比为17.8%，总库容超过了150.00亿m3;省境内珠江流域水库数量不多，约200座，总库容约2.00亿m3。

综前所述，可将湖南省水库的时空分布基本特点概括为以下4个方面：

（1）水库数量多，约占全国水库总数量的1/6，水库总库容约514.00亿m3，人均库容约740 m3;

（2）小型水库数量多，占全省水库总数量的97%，但大中型水库起决定性作用，大中型水库总库容占全省总库容的86%，其中大（1）型水库总库容占比接近50%;

（3）水库分布范围广，遍布全省，平均每15 km2有一座水库，每个县区均至少有一座小（2）型以上规模的水库;

（4）水库分布与地形地貌特征密切相关，主要分布在海拔50～1 000 m之间的环洞庭湖丘岗区、湘中南丘陵区、湘西北山间盆地。

湖南省的水库分布情况如表1所列。

3.2 水库洪水调蓄能力时空分异特征

防洪库容可以直观有效地衡量水库洪水调蓄能力。本次研究系统地收集整理了湖南省大中小型水库的总库容、防洪库容等信息，用以评估湖南省水库洪水调蓄能力的时空分异特征（见图4）。湖南省水库防洪库容106.00亿m3，以大型水库为主，防洪库容超过70.00亿m3，占比67.1%;其中，大（1）型水库防洪库容46.30亿m3，占比超过40.0%，中型水库防洪库容21.10亿m3，占比约20.0%，小型水库防洪库容13.80亿m3，占比为13.0%。四水流域中，沅江防洪库容41.00亿m3，占比接近40.0%，水库洪水调蓄能力最强，湘江、澧水和资水流域占比分别为23.8%、18.0%和15.2%，洞庭湖环湖区的水库防洪库容占比约为3.6%，珠江流域水库防洪库容占比很小，仅为0.6%。地级行政区中，位于湘西北的怀化市、张家界市和常德市防洪库容占比超过50.0%，其中怀化市防洪库容约31.0亿m3，占比超过30.0%，岳阳市、长沙市和湘潭市的防洪库容不大，占比不到2%。

湖南省不同时期水库洪水调蓄能力各异。由表2可知，20世纪50年代，湖南省开启了水利工程建设热潮，该时期末全省防洪库容接近10.00亿m3，水库洪水调蓄能力初具规模，全省第一座大型水库酒埠江水库（位于攸水，防洪库容2.89亿m3）即修建于50年代末期;20世纪60～70年代，全省共修建大型水库13座，中型水库190座，水库防洪能力显著增强，柘溪水库、双牌水库、水府庙水库、欧阳海水库等大型水利设施均完工投入运行，至20世纪70年代末，全省水库防洪库容接近50.00亿m3;20世纪80年代是水利工程建设的低潮期，全省防洪库容仅增加3.58亿m3，铁山水库（位于新墙河，防洪库容0.78亿m3）于1983年完工蓄水;20世纪90年代，全省防洪库容增加了近30.00亿m3，五强溪水库（位于沅江，防洪库容13.60亿m3）、东江水库（位于耒水，防洪库容1.58亿m3）和江垭水库（位于溇水，7.40亿m3）均修建于该时期，全省水库防洪能力得到了极大提升。进入新时代以来，湖南全省相继修建了皂市水库（位于渫水，防洪库容7.83亿m3）、碗米坡水库（位于酉水，防洪库容2.56亿m3）、大洑潭水电站（位于沅江，防洪库容1.41亿m3）等20余座大型水库和60余座中型水库，水库防洪能力得到了进一步提升。截至2018年，全省水库总防洪库容超过了100.00亿m3，初步建成了以水库、堤防和蓄滞洪区为重点的防洪工程体系。

综前所述，湖南省水库洪水调蓄以大型水库为主，其防洪库容占比接近70.0%。从空间分布格局来看，沅江流域水库洪水调蓄能力最强，防洪库容占比接近40%，而位于湘西北的怀化市、张家界市和常德市防洪库容占比超过50%;从时间演变特征来看，不同时期水库洪水调蓄能力各异，20世纪90年代和70年代是水库洪水调蓄能力提升最大的时期，期间防洪库容增加占比分别为28.1%和18.3%，20世纪80年代处于水库工程建设低潮期，防洪库容增加占比仅为3.4%。

4 讨论

洞庭湖流域是中国洪水遭受最频繁且最严重的地区之一，近年来由于气候变化及人类活动的影响，洪灾更加频繁[29-30]。历史资料显示[31-32]，洞庭湖流域平均3 a发生一次较大洪水。近年来，洪涝灾害发生频率呈上升趋势，2016，2017年和2019年流域大洪水，众多水利基础设施受到不同程度损害，严重威胁人民群众生命财产安全。流域防洪能力与对应设计洪量的比值能反映流域防洪需求和资源配置状况[33]。从湖南省四水流域大型控制性水库工程来看，数量偏少，且有1/4为无防洪能力的径流式电站，对江河洪水的调控能力仍然不高。大中型水库总库容占流域年径流量的比例在20%～40%之间（见表3）。资水和沅江大型水库防洪库容占设计洪量的比例均超过了20%，位于干流的柘溪水库和五强溪水库洪水调蓄能力强，提高流域下游地区防洪标准，防洪效益显著。澧水流域大型水库防洪库容占设计洪量的比值虽然超过了25%，但因皂市水库和江垭水库均位于澧水支流，干流缺乏控制性工程，澧水流域下游地区防洪标准不高，仍遭洪水威胁。湘江流域大型水库防洪库容占设计洪量比值不到10%，且由于东江水库、酒埠江水库、洮水水库、水府庙水库等主要控制性工程位于支流，无法控制干流洪水，防洪调蓄能力严重不足。2017年7月，湘江流域发生了历年同期历时最长、范围最广、雨量最多、强度最大的强降雨，湘江长沙河段及其支流水位均超历史峰值。7月3日01：00，长沙水位站观测洪峰水位为39.51 m，超警戒水位3.50 m，超保证水位1.13 m，超历史最高水位0.33 m。

纵观湖南省水库及其洪水调蓄能力特征与不足，未来打造流域防洪安全体系时，应考虑到人口与社会经济分布状况，科学安排洪水出路，构建“一湖四水百城”的防洪格局。针对前述问题，可从以下几个方面采取措施。

（1）增强水库蓄洪能力。通过现有水库工程改扩建或除险加固，扩大水库现有防洪库容，合理新增调蓄空间。

（2）完善四水防洪体系。以水库和堤防为重点，建设防洪控制性水库，加强堤防整治建设。建议新建资水流域金塘冲、澧水流域宜冲桥等防洪水库，实施沅江流域五强溪水库防洪扩容工程。湘江干流因无条件修建控制性防洪水库，建议在主要支流新建防洪水库，有效拦蓄支流洪水，并结合现有大中型水库防洪作用，尽量减轻湘江干流防洪压力。

（3）提升洪水管理水平。运用先进科学技术，建立水库管理制度，改进水库调度方案，提升洪水监测预警和调度水平，加强洪水风险管理，强化防洪应急能力，为防洪安全提供具有弹性的非工程保障措施。

5 结论与展望

运用核函数密度估计法分析湖南省水库工程的时空分布规律，选取防洪库容作为水库洪水调蓄能力评估指标，研究湖南省水库洪水调蓄能力的时空分异特征。得出主要结论如下：

（1）湖南省水库数量众多，小型水库数量占比高达97%，且大部分建于20世纪50～70年代，21世纪以来，以大中型水库工程建设为主。

（2）湖南省水库空间分布与全省地形地貌特征密切相关，水库主要分布于海拔50～1 000 m之间的丘陵、岗地和山间盆地。

（3）湖南省全省總库容为514.12亿m3，防洪库容为106.00亿m3，水库洪水调蓄以大型水库为主，其防洪库容占比接近70.0%;从空间分布格局来看，沅江流域水库洪水调蓄能力最强，防洪库容占比接近40.0%，而位于湘西北的怀化市、张家界市和常德市防洪库容占比超过50.0%。

（4）湖南省不同时期水库的洪水调蓄能力各异，20世纪90年代和70年代是水库洪水调蓄能力提升最大的时期，防洪库容增加占比分别为28.1%和18.3%;20世纪80年代处于水库建设低潮期，防洪库容增加占比仅为3.4%。

本文从水库工程防洪库容的视角探讨了区域水库洪水的调蓄能力，而在实际防洪调度与管理工作中，流域下游地区的堤防、蓄滞洪区等防洪工程和洞庭湖平原区的湖泊亦发挥了重要作用。考虑到洞庭湖平原区的防洪问题一直是湖南省水利工作的重点和难点，未来研究中可综合考虑洞庭湖的防洪效益，开展进一步研究工作。

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