荊江三口入洞庭湖水沙演變及成因分析

謝永宏，李 峰，陳心勝，侯志勇

（1.中國科學院亞熱帶農業生態研究所亞熱帶農業生態過程重點實驗室，湖南長沙410125；2.中國科學院亞熱帶農業生態研究所洞庭湖濕地生態系統觀測研究站，湖南岳陽414018）

洞庭湖位于湖南省東北部，長江中游荊江南岸，為中國第二大淡水湖，是長江中游最重要的行蓄洪湖泊之一，發揮著巨大的調蓄洪水和保護生物多樣性等重要生態服務功能。洞庭湖總面積2625 km2，其多年平均地表徑流達3126×108m3，約為鄱陽湖的3倍，太湖的10倍。入湖徑流按來源通常分為長江三口（原為四口，因調弦口于1958年封堵后只剩下三口）、湖南四水及區間三部分，其中來自三口的為1119×108m3，占37.1%，在洞庭湖水資源組成中占有重要地位。洞庭湖的泥沙沉積主要來自于長江，湖床年均淤高3.7cm，對濕地系統演化趨勢和方向起著決定性作用[1]。近年來，由于氣候異常、人類高強度干擾（如大型水利工程建設）等多重因素的影響，湖泊泥沙淤積嚴重，濕地面積不斷萎縮，洪澇災害加劇，生物多樣性受損，生物災害頻發等多種生態環境問題日趨嚴峻[2]，而最近幾年（尤其是三峽水庫蓄水后）幾乎年年都發生的水資源短缺事件尤為引人關注，并引發人們對濕地生態環境加劇惡化的擔憂[3]。因此，闡明流域水沙演變趨勢是濕地生態環境保護的重要基礎性工作之一。

河流水沙變化一直是河流地貌、水利工程等領域倍受關注的科學問題[4,5]。水文特征如水沙的流動對很多因素都很敏感，包括水利工程（如水庫、大壩、水管理措施）、土地利用變化以及氣候變化等[6,7]。一直以來，三口水沙演變及其與荊江的關系一直是生態水文學研究的熱點問題之一。現有研究表明，近幾十年來，荊江三口年徑流量和年輸沙量一直處于減少狀態，同時，結合大型人類活動干擾進行了分析[3,8-11]。然而，這些研究基本屬于定性研究，量化研究較少。基于此，本研究的主要目的是通過Mann-Kendall趨勢突變檢驗、雙累積曲線等方法探討荊江三口入洞庭湖水沙演變的規律性、突變性及其成因，以期為長江水資源的管理，洞庭湖治理規劃的制定以及洞庭湖濕地生態環境的保護提供依據。

1 數據來源和研究方法

1.1 水沙數據

長系列水沙數據來源于長江水利委員會和《長江泥沙公報2003-2008》[12]。本研究以新江口和沙道觀水文站（松滋口）、彌陀市水文站（太平口）、康家崗和管家鋪水文站（藕池口）1956-2008年的實測數據作為荊江三口入洞庭湖水沙演變分析的基礎，以枝城水文站分析荊江水沙演變（圖1）。主要指標包括年徑流量和年輸沙量，三口年徑流量和年輸沙量為松滋口、太平口和藕池口之和。

1.2 研究方法

主要研究方法如下：

（1）采用非參數Mann-Kendall（以下簡稱M-K）法檢驗趨勢突變點，具體計算方法參見符宗斌等[13]。M-K法以時間序列平穩為前提,且時間序列是隨機獨立的，其概率分布等同。設定原假設H0：在時間序列沒有變化的情況下，設此序列為x1、x2、x3… xm,用 mi表示第 i個樣本 xi大于 xj(1≤j≤i)的累計數,則可以定義統計量(2≤k≤n)。在原序列隨機獨立的假定下，dk的均值、方差分別為:E[dk]=k(k-1)/4，var[dk]=k(k-1)(2k+5)/72(2≤k≤n)。將 dk標準化，得到標準變化量，則UFk=(k=1,2,3…n)，當 k＞10 時，UFk收斂于標準正態分布。原假設H0無趨勢，采用雙邊趨勢檢驗，給定一定顯著水平a，在正態分布表中查得臨界值Ua/2。當時，接受原假設，則趨勢不顯著；當時,拒絕原假設，即認為趨勢顯著，且UFk值為正表明具有上升或增加趨勢，UFk值為負則意味著下降或者減少趨勢。把此方法引到反序列中，即按時間序列 x 逆序 xn、xn-1、xn-2… x1，再重復上述過程,同時使 UBk=-UFk(k=n、n-1、…1)。UFk和 UBk在圖中分別以曲線C1和C2表示，兩條曲線在時間序列的某一部分發生交叉，交叉點便是突變點，如果突變點位于給定置信度水平線之間，則突變時間在統計意義上是顯著的。

（2）采用雙累積曲線法檢驗年徑流量和年輸沙量累積變化的轉折點。同時，通過轉折點的獲取估計了不同時段的減沙量，即通過前一時段的線性模擬方程按后一時段最后一年的累積徑流量換算得到的后一時段最后一年理論累積輸沙量。減少輸入總量為后一時段最后一年的理論累積輸沙量與實際累積輸沙量的差值，平均減少量為減少輸入總量與后一時段年數的比值。

2 荊江枝城站年徑流量和年輸沙量的演變和突變特征

2.1 年徑流量

荊江枝城站在1956-2008年的徑流量多年平均為4406×108m3，總體呈波動狀態（圖2 a）。從重大人類干擾所發生的不同時段來看，除三峽水庫運行后的2003-2008年有所下降外（4113×108m3），總體呈比較穩定的趨勢，如1956-1966年（裁彎前）為 4525× 108m3，1967-1972年（裁彎中）為4302×108m3，1973-1980 年（裁彎 后）為 4441×108m3，1981-2002年（葛洲壩運行后）為4441×108m3。2003-2008年間徑流量偏少可能與該時期內長江上中游地區雨水偏少密切相關[3]。M-K統計分析表明，枝城站年徑流量53a來呈波動變化，且一直處于置信區間內變動（＜1.96,P上或P下＞0.05），說明未發生明顯變化。

2.2 年輸沙量

枝城站在1956-2008年輸沙量年平均為449.9×106t，總體上呈波動下降趨勢，以2003年后尤為顯著（圖2b）。從不同時段看，年輸沙量呈下降趨勢，1956-1966年（裁彎前）為553.1×106t，1967-1972 年（裁彎中）為 503.6×106t，1973-1980年（裁彎后）為512.5×106t,1981-2002年（葛洲壩運行后）為464.4×106t，2003-2008年（三峽水庫蓄水運行后）僅為70.4×106t。M-K統計分析表明，53a枝城站年輸沙量總體上呈極顯著下降趨勢（Z=-4.733,P下＜0.01），但存在多個上升-下降過程。突變時間為2003年，且在2000年突破95%的置信區間。可見三峽水庫蓄水運行后荊江年輸沙量發生了實質性變化。

3 荊江三口年徑流量和年輸沙量的演變和突變特征

3.1 年徑流量

三口在1956-2008年徑流量多年平均為859×108m3，占枝城站年平均徑流量的比例(分流比)為19.5%，總體呈明顯下降狀態（圖3 a）。從不同時段來看，年徑流量和分流比均呈明顯下降趨勢，如1956-1966年（裁彎前）年徑流量為1332×108m3，分流比為29.4%；1967-1972年（裁彎中）年徑流量為1022×108m3，分流比為23.7%；1973-1980年（裁彎后）年徑流量為835×108m3,分流比為18.8%；1981-2002年（葛洲壩運行后）年徑流量為685×108m3,分流比為15.4%；2003-2008年（三峽水庫蓄水運行后）年徑流量僅為499×108m3,分流比為12.1%，如上所述，長江上游雨水偏少，也會導致三口年徑流量減少。M-K統計分析表明，三口年徑流量53a來總體上呈極顯著的下降趨勢（Z=-6.574,P下＜0.001），但存在多個上升-下降過程。突變時間為1979年，且在1976年突破95%的置信區間。可見，裁彎后三口年徑流量發生了實質性變化。

3.2 年輸沙量

三口在1956-2008年輸沙量多年平均為196×106t，占枝城站年平均輸沙量的比例(分沙比)為24.7%，總體呈明顯下降趨勢（圖3a）。從不同時段來看，年輸沙量和分沙比均呈明顯下降趨勢，如1956-1966年（裁彎前）年輸沙量為196.0×106t，分沙比為35.4%；1967-1972年（裁彎中）年輸沙量為142.0×106t，分沙比為28.2%；1973-1980年（裁彎后）年輸沙量為110.8×106t，分沙比為21.6%；1981-2002年（葛洲壩運行后）年輸沙量為86.6×106t，分沙比為 18.7%；2003-2008年（三峽水庫蓄水運行后）年輸沙量為13.5×106t，分沙比為19.2%。M-K統計分析表明，三口年輸沙量53a來總體上呈極顯著下降趨勢（Z=-7.203,P下＜0.001），但存在多個上升-下降過程。突變時間為1989年，且在1973年突破95%的置信區間，說明裁彎后三口年輸沙量發生了實質性變化。

圖3 荊江三口代表性水文站1956-2008年的年徑流量（a）和年輸沙量（b）變化特征

4 成因分析

4.1 年徑流量

荊江三口年徑流量的變化與長江上游來水關系密切，因此，影響長江上游來水的因素都能影響到三口入湖徑流，包括大型水利工程（如水庫）、降水量、居民和工農業用水量變化等。通過枝城水文站與三口年徑流量的雙累積曲線分析表明（圖4），1973年為唯一的一個轉折點，經計算，1973-2008年間共減少入湖徑流量為7142.9×108m3，年平均減少198.4×108m3。1967-1972年間為荊江干流人工和自然裁彎時期，包括1967年5月實施的中洲子人工裁彎，縮短河長32.4 km；1969年6月上車灣人工裁彎，縮短河長29.2 km；1972年7月l9日沙灘子自然裁彎，縮短河長19 km。裁彎工程完成后，荊江河長共縮短了約78m，河道曲率由原來的2.83減少為1.93，荊江水力梯度增加，致使三口分流的流速和流量迅速下降[8,9]。同時，裁彎導致了下荊江段（藕池口至城陵嘰）比上荊江段（枝城至藕池口）更為強烈的沖刷作用，致使水面比降下降而相對抬高了三口分流水位，三口分流的流速和流量進一步下降。事實上，裁彎的影響極其深遠，即使在1980年葛洲壩建成后，其影響仍未停止,荊江仍處于不斷沖刷狀態，且下荊江段比上荊江段更為強烈[9,14,15]。因此，裁彎是引起三口年徑流量下降的主要原因。盡管此后葛洲壩樞紐工程、三峽水庫等大型水利工程的建設，均未對三口年徑流量的變化產生實質性影響。

除裁彎影響荊江河床的變化外，三口分流河道持續淤積的影響也是不可忽略的。據統計，三口分流河道特別是其尾閭淤積嚴重，除新江口斷面相對穩定，三口分流河道其他控制斷面河床均呈現單向淤積，1966-1995年期間，沙道觀水文斷面河床平均淤積厚度約1.6m，彌陀寺淤厚1.5m，康家崗和管家鋪兩水文斷面淤厚約4.6m，尾閭河段淤積厚度約為1-2m，局部淤積厚度達4m。三口分流河道的累積淤積，導致同水位情況下過流能力降低[11]。因此，受干流及洞庭湖演變等眾多因素的影響，三口分流河道發生淤積，過流能力降低，也是影響三口分流減少的原因之一。

圖4 1956-2008年荊江（枝城）和三口間年徑流量雙累積曲線變化

4.2 年輸沙量

荊江三口年輸沙量變化的原因可分兩個方面，一是自然因素（如降水）導致的年徑流量變化；二是長江上中游人類活動干擾。泥沙移動是伴隨水文而發生的自然現象，即年徑流量對年輸沙量的調控作用非常明顯。M-K分析曲線表明，在某些特定時段（如1956-1972年，1973-2002年，2003-2008年），枝城和三口的徑流量和輸沙量具有很好的對應關系，即年徑流量大，年輸沙量也大。雙累積曲線分析表明，荊江三口年輸沙量有2個轉折期，即1973年和2003年（圖5a）。經計算，1973-2002年間荊江三口共減少的泥沙量為2732.5×106t，年均減少91.1×106t。此段時間內，枝城站和三口的年徑流量和年輸沙量的雙累積曲線關系均未發生明顯變化（圖5b,5c），而三口年徑流量和年輸沙量的減少可能仍是裁彎持續影響的結果。可見，荊江人工和自然裁彎導致三口徑流量的持續減少也是年輸沙量減少的最主要因子。

經雙累積曲線方程計算表明，2003-2008年間荊江三口共減少泥沙量為603.0×106t，年均減少100.5×106t。此時期枝城站共減少泥沙量為3332.9×106t，年均減少555.5×106t。2003年三峽水庫蓄水運行后，由于庫內攔蓄了約70%的入庫泥沙（年平均約141.5×106t），庫壩下游宜昌站年輸沙量比多年平均值減少約80%[16]。經計算，三口的年懸浮泥沙濃度由1991-2002年的1.05 kg/m3大幅下降為2003-2008年的0.25 kg/m3，降幅達76.2%。可見，三峽水庫蓄水后的攔沙作用對荊江三口輸沙量的減少起到了關鍵作用。同時，長江上游大量水庫的建設也是不可忽略的，如在金沙江和嘉陵江干流所修建的大量梯級水利樞紐工程均具有較大的調水攔沙作用，對減少或減緩三峽水庫回水變動區的泥沙淤積具有重要作用[17]。此外，長江上游不斷開展的水土保持工程可進一步減少三峽水庫入庫泥沙量，也有助于三口輸沙量的減少。

圖5 1951-2008年荊江（枝城）或三口年徑流量和年輸沙量雙累積曲線變化

不可否認，三峽水庫蓄水運行后荊江三口泥沙輸入的減少使洞庭湖泥沙總輸入量大幅下降，進而導致洞庭湖泥沙沉積量大幅減少，有可能達到泥沙的輸入輸出平衡，這對洞庭湖濕地演變將產生深遠的影響，更有助于延緩湖泊老化[18]。然而，三峽水庫作為季調節水庫，其蓄水運行盡管未對年徑流量產生實質性影響，但可能對某些特定時段的徑流量產生影響[19]，進而對洞庭湖濕地水文環境（如水位）產生影響而促使濕地生態系統發生正向或逆向演替，尚需進一步研究。

5 結論

（1）1956-2008年間枝城年徑流量2003年后有所偏低，可能與長江上游降水量偏低有關，但無顯著性變化；枝城年徑流量、三口年徑流量和年輸沙量總體上呈顯著下降趨勢。

（2）M-K突變分析表明，枝城年徑流量、三口年徑流量和年輸沙量發生突變時間分別為2003年，1979年和1989年，突破5%置信區間時間分別為2000年，1976年和1973年。

（3）雙累積曲線法消除徑流量的影響后表明，三口年徑流量只有1973年一個轉折點，但年輸沙量有1973年和2003年兩個轉折點。荊江裁彎是1973年轉折點形成的主要原因，特點是通過徑流量的減少導致輸沙量的減少；三峽水庫蓄水運行是2003年轉折點形成的主要原因，特點是懸浮泥沙濃度大幅下降而減少輸沙量。

[1]黃金國.洞庭湖區濕地退化現狀及保護對策[J].水土保持通報,2005,4(12):261-263.

[2]謝永宏,王克林,任勃,等.洞庭湖生態環境的演變、問題及保護措施[J].農業現代化研究,2007,28(6):678-681.

[3]ChangJ,LiJB,LuDQ,etal.ThehydrologicaleffectbetweenJingjiang River and Dongting Lake during the initial period of Three Gorges Project operation[J].Journal of Geographical Sciences,2010,20(5):771-786.

[4]門寶輝,劉昌明,夏軍,等.南水北調西線一期工程調水區徑流量與影響因子關系分析——以達曲為例[J].地理科學,2006,26(6):674-681.

[5]CrokeJ,Mockler S,FogartyP,etal.Sedimentconcentration changes in runoff pathways from a forest road network and the resultant spatial pattern of catchment connectivity[J].Geomorphology,2005,68(3-4):257-268.

[6]徐海量,葉茂,宋郁東.塔里木河源流區氣候變化和年徑流量關系初探[J].地理科學,2007,27(2):219-224.

[7]李子君,李秀彬.近45年來降水變化和人類活動對潮河流域年徑流量的影響[J].地理科學,2008,28(6):809-813.

[8]方春明,曹文洪,魯文,等.荊江裁彎造成藕池河急劇淤積與分流分沙減少分析[J].泥沙研究,2002(2):40-45.

[9]方春明,毛繼新,魯文.長江中游與洞庭湖泥沙問題研究[M].北京：中國水利水電出版社,2004.

[10]李景保,王克林,秦建新,等.洞庭湖年徑流泥沙的演變特征及其動因[J].地理學報,2005,60(3):503-510.

[11]穆錦斌,張小峰,許全喜.荊江三口分流分沙變化研究[J].水利水運工程學報,2008(3):22-28.

[12]水利部長江水利委員會.長江泥沙公報2003-2009[M].武漢：長江出版社,2003-2009.

[13]符宗斌,王強.氣候突變的定義和檢驗方法[J].大氣科學,1992,16(6):482-493.

[14]方春明,毛繼新,陳緒堅.三峽工程蓄水運行后荊江三口分流河道沖淤變化模擬[J].中國水利水電科學研究院學報.2007(5):181-185.

[15]廖小永,盧金友,黎禮剛.三峽水庫蓄水運行后荊江河道特性變化研究[J].人民長江,2007,38(11):88-91.

[16]李景寶,代勇,歐朝敏,等.長江三峽水庫蓄水運用對洞庭湖水沙特性的影響[J].水土保持學報,2011,25(3):215-219.

[17]張緒進,母德偉,陳賢煒.上游來水來沙變化及對三峽水庫回水變動區泥沙淤積的影響[J].水運工程,2009,430(8):94-97.

[18]謝永宏,陳心勝.三峽工程對洞庭湖濕地植被演替的影響[J].農業現代化研究,2008,29(6):684-687.

[19]黃群,孫占東,姜家虎.三峽水庫運行對洞庭湖水位影響分析[J].湖泊科學,2011,23(3):424-428.