洞庭湖三口河系地區徑流演變情勢與農業用水面臨的挑戰

李 楊，楊文堯(.湖南農業大學經濟學院，長沙 408；.國防科技大學信息系統與管理學院，長沙 40073)

隨著全球氣候變暖以及人類對水資源大規模開發利用，地表徑流正發生顯著變化[1]。這種變化已經不是一般意義上的隨氣候變化而呈現出的年內與年際變化，而是更多地烙上了人為因素的影響。在全球繼續變暖的情況下，探索自然變化和人類活動影響的水資源演變規律是一個新的科學問題[2]。洞庭湖三口河系(松滋、虎渡、藕池三口)既是連接長江中游的紐帶，又是溝通洞庭湖北部地區的水流通道。新中國成立以來，隨著調弦口堵口(1958年)、下荊江三處裁彎(藕池至城陵磯段稱下荊江1967-1972年)、葛洲壩截流發電(1981年)、三峽水庫蓄水(2003年)等水利工程的相繼運行，使長江中下游河道及三口水文規律發生了較大變化。因此，三口分流及江湖關系等問題受到眾多學者的關注。彭玉明、段文忠等[3]研究了荊江三口的水沙變化，并提出五河并流的三口洪道治理設想；盧金友[4]探討了荊江三口分流分沙規律；郭小虎等[5]重點研究了人類活動對荊江三口分流分沙的影響；渠庚、唐峰等[6]對洞庭湖入湖、出湖的水沙變化進行了研究等。然而這些研究只考慮了人類活動(水利工程)影響，未考慮氣候變化的影響。鑒于此，本文通過Mann-kendall[7,8]、累積量斜率變化率比較法[9]等方法分析洞庭湖三口徑流演變特征、影響因素，揭示徑流變化對農業水資源開發利用的影響，以期為合理開發利用農業水資源提供科學依據。

1 數據來源及處理

分析三口徑流時間序列變化特征的資料年限為1951-2012年; 由于降水資料不連續，為了使徑流時間序列與降水時間序列同步，以松滋口(新江口和沙道觀水文站)、虎渡河(彌陀寺水文站)、藕池口(康家崗和管家鋪水文站)1960 -2012年的實測徑流數據作為三口年徑流趨勢分析的依據，以南縣氣象站、澧縣氣象站、安鄉氣象站和華容等15個氣象站的1960-2012年的實測降水數據作為降水因素分析的依據。水文數據來自于湖南省水利水電勘測設計研究總院；氣象數據來自于中國氣象局國家氣候信息中心氣候資料室提供的洞庭湖流域的國家氣象站的降水資料，且所有的數據通過95%置信度均一性檢驗。

2 三口河系徑流時間序列變化特征

2.1 三口河系徑流年內變化

根據松滋(新江口、沙道觀)、虎渡河(彌陀寺)、藕池河(康家崗、管家鋪)三口5個控制站1959-2012年枯水期月平均流量統計(表1) 分析顯示， 2003-2012年與1959-2002年枯水期各月平均流量都有一定的差值，即減少值， 其中以11月到次年4月的平均流減幅最大， 這說明三口河系徑流量減少主要發生在三峽水庫蓄水期(每年9月15日至10月31日為汛末蓄水期)。

表1 洞庭湖三口河系逐月平均流量統計表 m3/sTab.1 The monthly average runoff of the Three Outlets River System of Dongting Lake

2.2 三口河系年分流比逐期變化

分析不同時期長江干流枝城站和松滋、太平、藕池三口多年平均徑流和枯季(10月-次年3月)徑流變化特征(表2、表3)表明，長江干流枝城站多年平均徑流量為4 384 億m3，逐期變化不大。三口多年平均徑流量由1951-1958年的1 479 億m3，減少到2003-2012年的496 億m3，減少983 億m3，衰減幅度達66.5%。三峽水庫蓄水后(2003-2012年)三口徑流量為496 億m3，分流比(三口各站徑流量與長江枝城站徑流量之比)為12.2%，其中2006年由于水量總體偏枯、水位較低，三口徑流量僅183 億m3、分流比6.2%，居歷年最小值。長江干流枝城站枯期多年平均徑流量1228億m3，三口枯期多年平均徑流量由1951-1958年的234 億m3，減少到2003-2012年的52 億m3，減少182 億m3，遞減幅度達77.8%。由此表明，三口在1951-2012年間多年平均徑流量與分流比均呈逐期減少趨勢，其中以枯水期的減幅最大。

3 三口河系徑流變化趨勢及其突變特征

為了進一步揭示三口河系徑流的演變特征，運用Mann-Kendall非參數統計檢驗方法分析三口五站(新江口、沙道觀、彌陀寺、康家崗、管家鋪)多年平均汛期徑流及年徑流時間序列變化趨勢。Mann-Kendall非參數統計檢驗方法，即非參數檢驗方法也稱無分布檢驗，其優點是不需要樣本遵從一定的分布，也不受少數異常值的干擾，更適用于類型變量和順序變量，計算也比較簡便。過去20年國際上關于Mann-Kendall方法應用研究的實例非常之多，已經廣泛應用于檢驗水文氣象資料的趨勢成分，包括水質、流量、氣溫和降雨序列等[10-13]。

表2 長江干流枝城站和三口各站年徑流與三口分流比 Tab.2 The runoff of the Zhicheng Station, the stations in three outlets and the diversion ratio of the stations in three outlets

表3 長江干流枝城站和三口各站枯期徑流與三口分流比 Tab.3 The runoff of the Zhicheng Station, the stations in three outlets and the diversion ratio of the stations in three outlets in dry season

3.1 三口河系汛期徑流變化趨勢

通過對三口多年汛期(5-10月)平均徑流變化趨勢分析可知，1960-2012年荊南三口汛期徑流序列的M-K統計量為-6.139 2，其絕對值遠小于顯著性α=0.05時的臨界值1.96，這說明三口汛期徑流量年際變化趨勢性為顯著減少。從三口汛期徑流量統計圖上(圖1)亦可看出，三口汛期徑流量呈明顯減少趨勢。

圖1 三口河系汛期徑流變化趨勢Fig.1 The runoff trend in the Three Outlets River System in flood season

再利用M-K突變分析法對三口汛期徑流量的突變特征進行分析(圖2)。三口河系汛期徑流正、逆序列M-K統計量序列曲線的交點位于1972-1974年之間與1981-1983年之間，經相關分析可知，三口汛期徑流變化過程中的突變年份為1973年和1982年。

圖2 三口河系汛期徑流M-K趨勢變化過程圖Fig.2 The M-K trend of the runoff in the Three Outlets River System in flood season

3.2 三口河系年徑流變化趨勢分析

對三口河系五個水文站統計序列年徑流量進行M-K趨勢檢驗分析(表4)。從表中可知，五站及五站總的徑流序列M-K統計量分別為-3.993，-6.328 6，-6.707 4，-5.176 6，-7.117 8和-6.581 2，這些絕對值均遠大于顯著性α=0.05時的臨界值1.96，說明三口徑流量年際變化趨勢性為顯著減少。

表4 1960-2012年三口河系年均徑流序列M-K統計檢驗結果Tab.4 the M-K test result of the annual average runoff series of the Three Outlets River System in 1960-2012

圖3為三口河系1960-2012年的年均徑流正序M-K統計量序列，從圖3上可以明顯看出，總體上講三口的年徑流增減趨勢基本一致，但從各時段上看，在20世紀60年代前期三口年徑流均為較顯著增加，從1969年開始出現減少趨勢，并從1973年開始超過顯著性α=0.05的臨界值-1.96，此后基本上呈持續減少趨勢。

圖3 三口年均徑流系列正序M-K趨勢變化過程圖Fig.3 The forward M-K trend process of the annual average runoff of three outlets

利用M-K突變檢驗法, 分析三口河系及各站年徑流序列變化過程中的突變點(圖4)。三口河系總年徑流正、逆序列M-K統計量序列變化曲線的交點位于1972-1974年之間和1981-1983年之間，表明三口河系年徑流量發生趨勢性變化的突變年份為1973年和1982年。這兩個突變年份的出現，主要是由于人類興修大型水利工程所致, 即1967-1972 年為下荊江(藕池口至城陵磯段)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19日沙灘子自然裁彎，縮短河長19 km。三處彎道裁彎后，荊江長度共縮短約78 km。受其影響，荊江曲率由原來的2.83減少為1.93，水力梯度增大，致使三口分流量減少[14,15]。1981年1月4日葛洲壩水利樞紐蓄水，三口年徑流量呈遞減趨勢, 但遞減幅度不大。2003年三峽水庫攔蓄后清水下泄，上荊江(枝城至藕池口)河床沖刷下切，水位下降，三口入湖門檻抬高[16,17]，使三口斷流時間延長和分流量減少，從而導致三口徑流量進一步減少，但未出現突變年份。

圖4 Mann-Kendall 檢測法對三口河系年均徑流變化趨勢Fig.4 The change trend of the annual average runoff of the Three Outlets River System based on the M-K test method

3.3 三口河系地區年降水突變年份

通過運用M-K突變分析法研究三口河系地區年降水量的變化趨勢及其突變特征(圖5)表明。1960-2012年三口河系地區年降水M-K統計量為1.225 8，小于顯著性α=0.05 時的臨界值1.96，說明三口流域年降水變化趨勢性不顯著增加。三口流域降水正、逆序列M-K統計量序列曲線的交點位于1967-1969年之間，由此判定該地區年降水量序列變化過程中的突變年份為1968年, 與徑流突變年份不一致, 表明導致三口徑流變化的主要因素并非是降水量。

圖5 三口河系地區年降水量序列M-K統計量Fig.5 The M-K statistic of the annual precipitation series of the Three Outlets River System

4 降水量與水利工程對徑流減小的影響貢獻率

地表徑流變化是區域氣候因素與人類活動共同作用的結果。由前述的徑流演變過程分析可知，三口河系徑流減少主要與流域降水量變化及長江干流不同時期水利工程的運行密切相關。另一方面考慮資料的可取性，這里將降水量代表氣候因子，將水利工程代表人類活動，以此分析它們各自對徑流量減少的貢獻率。

4.1 突變年份分割時期的徑流量、降水量與年份之間的關系

基于徑流量變化的兩個突變點即1973年、1982年,將三口河系徑流序列劃分為3個不同時期：AR：1960-1973，BR：1973-1982和CR:1982-2012。將這3個時期的累積徑流量與年份之間的關系[圖6(a)]分別擬合為相互關系式,如式(1)、式(2)和式(3)，其中自變量x為年份，因變量Y為累積徑流量(億m3)，下標代表不同時期：

圖6 三口河系累積徑流量、累積降水量與年份之關系Fig.6 The relation between the cumulative、the relation between the cumulative precipitation runoff and the year of the Three Outlets River System

YAR=3 921.491 1x-7 680 561.172 8R2=0.983 6 (1)

YBR=2 498.980 6x-4 876 487.258 5R2=0.996 8 (2)

YCR=1 951.501 6x-3 788 538.292 3R2=0.995 6 (3)

以降水量變化中的突變點即1968年為界將三口河系地區年降水量序列劃分為兩個不同時期：AP：1960-1968，BP：1968-2012。這兩個時期的累積降水量與年份之間關系[圖6(b)]分別擬合出式(4)和式(5)所示的相互關系式，其中自變量x為年份，因變量Y為累積降水量(mm)，下標代表不同時期：

YAP=4 851.981 7x-9 506 132.560R2=0.998 6

(4)

YBP=5 120.100 6x-10 035 839.189R2=0.999 6

(5)

由上述分析可知，各擬合關系式的相關系數(R2) 都非常高，除了一個為0.986 9外，其他4個關系式都在0.99以上，表明具有較高的可信度。

這里必須指出的是，根據M-K檢驗法分析的三口河系徑流突變年份(1973年與1982年)與降水突變年份(1968年)并不一致。鑒于此，本文只考慮長江干流大型水利工程運行對徑流變化的影響，并將無人類活動(水利工程)影響的時段即1960-1968年作為基準期(在利用累計量斜率變化率比較法進行計算時亦以此時段為準)。

4.2 降水量和水利工程對徑流量減小的影響貢獻率

運用多元回歸方法來分離自然和人類活動對徑流量變化的貢獻率比較常用，但因為各影響因素的權重賦值存在人為性，不同研究者得出的有關同一研究對象的研究結果相差較大，表明該方法存在較大局限性。為了更準確地解決這個問題，本研究采用一個新的分析方法：即累積量斜率變化率比較法[18]。其基本原理是假設累積徑流量-年份線性關系式的斜率在突變點前后兩個時期分別為SRa和SRb(億m3/a)；累積降水量-年份線性關系式斜率在拐點前后兩個時期分別為SPa和SPb(mm/a)，則有:

累積徑流量斜率變化率RSR(%) 為：

RSR=100 (SRa-SRb)/SRb=100 (SRa/SRb-1)

(6)

累積降水量斜率變化率RSP(%) 為：

RSP=100 (SPa-SPb)/SPb=100 (SPa/SPb-1)

(7)

式中：RSR、RSP為正數表示斜率增大，為負數表示斜率減小。

鑒于此,降水量變化對徑流量變化的貢獻率CP(%)可以表示為：

CP=100RSP/RSP=

100 (SPa/SPb-1)/(SRa/SRb-1)

(8)

若不考慮氣溫變化導致蒸散量變化引起的徑流量變化，則水利工程對徑流量變化影響的貢獻率CH(%)可表示為：

CH=100-CP

(9)

為便于分析不同時期降水量、水利工程對三口河系徑流量減小的各自影響貢獻率的變化，綜合考慮徑流和降水變化過程中的突變點，首先確定累積徑流量和降水量序列變化中的兩個拐點即1973年、1982年，然后將1973年、1982年前后分割為三個時期：1960-1973年、1974-1982年和1983-2012年，分別稱為AR(其中1960-1968年為AR1時期即為基準期，1969-1973年為AR2時期)、BR和CR時期。然后將BR與AR1時期相比，累積徑流量-年份線性關系式的斜率減少1 422.510 5 億m3/a，減小率為36.27%(表5)。然后與同時期相比，累積降水量-年份線性關系式的斜率增加268.118 9 mm/a，增加率為5.53%(表6)。由人類活動基本無影響的AR1時期的累積徑流量-年份的線性關系可知，假設BR時期無水利工程的干攏，則上述兩個斜率的減小率應該是相等的。實際上地表徑流變化是人為因素與自然因素綜合作用的結果。通過公式(8)和公式(9)的實際計算結果可知，BR時期與AR1時期相比，降水量增加對徑流量減少的影響貢獻率為15.25%，而水利工程對徑流量減少的影響貢獻率為84.75%。CR時期與AR1時期相比，累積徑流量-年份線性關系式的斜率減少1 969.989 5 億m3/a，減少率為50.24%(表5)，這是降水量變化和水利工程運行共同影響的結果。同時期相比，累積降水量的增加率仍為5.53%(表6)。再根據公式(8)和公式(9)計算結果可知，CR時期與AR1時期相比，降水量增加對徑流量減少的影響貢獻率為11.01%，而水利工程對徑流量減少的影響貢獻率為88.99%，由此認為，近數十年來導致三口河系徑流減少的主要因素是各個時期的水利工程。

表5 三口河系累積量徑流斜率及其變化率Tab.5 The slope and its change ratio of the cumulative runoff of the Three Outlets River System

表6 三口河系累積量降水斜率及其變化率Tab.6 The slope and its change ratio of the cumulative precipitation of the Three Outlets River System

5 農業可持續發展中水資源利用面臨的挑戰

由上述分析的三口河系徑流演變趨勢表明：一是受降水變化及水利工程運行的綜合影響，無論是枯水期徑流量，還是多年平均徑流量都呈明顯減少趨勢，尤其是以枯水期的減少量最顯著；二是從農業水資源角度上講，三口分流是洞庭湖三口河岸地區南縣、華容、安鄉等城鎮供水及農業用水的主要來源，三口徑流量的減少，則意味著該區在農業可持續發展中面臨著水資源開發利用的嚴重挑戰。

5.1 三口河系地區旱災頻發

洞庭湖三口河系地區工程性缺水與季節性缺水日益嚴重，致使農業干旱在四季均有可能發生，其中以伏秋連旱持續時間最長，有的年份可長達100多天。據統計分析，在1970-2012年間三口河系地區干旱年份有1971、1972、1974、1975、1976、1978、1984、1985、1986、1988、1990、1997、2001、2006、2009、2011年等，其中特大干旱年份有l978、1984、1986、2001、2011和2006年。1970-2012年三口河系地區農作物受旱面積117.05 hm2，年均3.26 hm2。其中，1978年和2006年是本區罕見的旱災年景。1978年該地區發生春、夏、秋連旱災害，其中，南縣受災面積0.514 hm2；華容縣春季受災面積4.0 hm2，伏秋旱受災面積3.72 hm2；安鄉縣共發生3次干旱，累計受旱面積8.41 hm2。2006年汛期降水量較同期偏少，蒸發量又大，加上三口分流量減少，導致洞庭湖三口河系地區發生了自2000年以來最嚴重的旱災。其中，南縣受旱面積3.4 hm2；華容縣共發生2次大面積的干旱，第一次干旱共l6座水庫及2950座山塘干涸，3.2 hm2農作物受災，第二次干旱共35座水庫及4130座山塘干涸，0.54 hm2農作物受災，兩次旱災共造成農業直接經濟損失6 000多萬元；8月下旬，安鄉縣先后有2.5 hm2農作物受夏伏旱的影響，抗旱補救資金達500萬元。

5.2 三峽水庫蓄水后枯期水資源短缺更明顯

因三峽水庫蓄水庫大壩清水下泄，長江中下游河道全線沖刷，上荊江(枝城-藕池口段)河床下切水位降低，使洞庭湖三口五站(新江口、沙道觀、彌陀寺、管家鋪、沙道觀)水位相應降低，導致三口斷流時間延長，入湖分流量進一步減少，最終給三口河系地區的農業水資源開發利用造成不利影響，主要表現在兩方面：其一是三口分流的逐期減小，導致該地區農業可利用水資源量逐年減少，特別是在枯水期季節性缺水問題日益突出：另一方面該區地勢平坦，受地勢等自然因素的限制，難以建設蓄水工程。現狀供水以引提方式為主，而現有工程對水資源時空調節能力有限，加之三口河系在枯期水位很低，總的斷流時間延長，使得引提水設施難以正常運行取水，工程性缺水現象加劇。受這兩方面的綜合影響，該地區的水資源不能滿足農業生產的需水要求，2003年以來幾乎每都給農業生產造成了不同程度的直接經濟損失[19]。

5.3 不同水平年農業水資源供需存在較大缺口

據湖南省水利水電勘測設計研究總院對洞庭湖荊南三口河系地區2020、2030年的供、需水平衡狀況(在現狀水平年基礎上，未考慮新水源開發等措施)計算分析表明：如果不采取開發水源等措施，隨著經濟社會的不斷發展，各行業用水的缺口將日益增大，到2020 年，洞庭湖三口河系地區90%保證率總缺水量為44 127 萬m3，其中農業生產缺水39 652萬m3; 到2030年，該地區90%保證率總缺水量為43 362 萬m3，其中農業生產缺水35 579 萬m3。2030年農業生產缺水量之所以有所減少是由于有效灌溉面積增幅不大，灌溉水利用率有所提高，農業產業結構調整等原因所致。但總體上看農業水資源供需存在較大缺口，這表明三口河系地區農業可持續發展將受到水資源的約束，同時對水資源開發利用也提出了更高的要求。

6 結 語

(1)利用M-K檢驗分析法得出三口河系年徑流變化趨勢及汛期徑流變化趨勢都顯著減少，年徑流變化過程中的突變年份為1973年與1982年即1973年的轉折點主要是華容河堵口，下荊江3處裁彎導致徑流量減少引起的， 1982 年的轉折點主要是下荊江3處裁彎和葛洲壩水利樞紐蓄水疊加影響導致的。各時期降水突變年份發生在1968年，與水利工程突變年份不一致。根據實測資料分析引起徑流減少的主要原因是水利工程，本文將1973年、1982年作為分離水利工程與年降水量對徑流變化影響貢獻率的突變年份。

(2)以1960-1968年為基準期，運用累積量斜率變化率比較方法，計算得到流域降水量變化和水利工程運行對洞庭湖三口徑流量減小的影響貢獻率是：在1974-1982 年間分別為15.25%和84.75%，在1983-2012年間依次為11.01%及88.99%，水利工程運行對徑流的影響貢獻率呈緩慢增大趨勢，而年降水量的貢獻率呈緩慢減小趨勢。

(3)三口河系徑流是三口河岸地區城鎮供水及農業用水的主要來源。從農業水資源角度上講，三口河系徑流的減少，則意味著水資源量的減少。隨著本區農業生產規模的不斷擴大，工程性缺水與季節性缺水問題日益凸現，到2020年在90%保證率下的總缺水量為44 127萬m3，其中農業生產缺水39 652 萬m3，表明農業供需水量缺口對該區農業可持續發展將產生不同程度的約束。

□

[1] Li Lin，H Shen，S Dai， et al．Response of runoff to climate change and its future tendency in the source region of Yellow River[J]．Journal of Geographical Sciences，2012，22(3)：431-440.

[2] 葉許春，張 奇，劉 健，等．氣候變化和人類活動對鄱陽湖流域徑流變化的影響研究[J]．冰川凍土，2009，31(5)：835-842.

[3] 彭玉明，段文忠，陳文華.荊江三口變化及治理設想[J].泥沙研究，2007(6)：59-65.

[4] 盧金友.荊江三口分流分沙變化規律研究[J].泥沙研究，1996，(4)：54-61.

[5] 郭小虎，韓向東，朱勇輝,等.三峽水庫的調蓄作用對荊江三口分流的影響[J].水電能源科學，2010，28(11)：48-51.

[6] 渠 庚，唐 峰，劉小斌.荊江三口與洞庭湖水沙變化及影響[J].水資源與水工程學報，2007，18(3)：94-97,100.

[7] 史紅玲，胡春宏，王延貴,等.淮河流域水沙變化趨勢及其成因分析[J].水利學報，2012，43(5)：571-579.

[8] 秦年秀，姜 彤，許崇育.長江流域徑流趨勢變化及突變分析[J]. 長江流域資源與環境，2005，14(5)：589-594.

[9] 王隨繼，閆云霞，顏 明,等.皇甫川流域降水和人類活動對徑流量變化的貢獻率分析——累積量斜率變化率比較方法的提出及應用[J].地理學報，2012，67(3)：388-397.

[10] 王金花，康玲玲，余 輝，等．氣候變化對黃河上游天然徑流量影響分析[J]．干旱區地理，2005，28(3)：288-291.

[11] Donald H．Burn，Mohamed A．Hag Elnur．Detection of hydrologic trends and variability[J]．Journal of Hydrology，2002，255：107-122.

[12] 覃愛基，陳雪英，鄭艷霞，等．宜昌徑流時間序列的統計分析[J]．水文，1993，77(5)：23-27.

[13] 秦年秀，姜四龍，王金星，等．長江流域徑流趨勢變化及突變分析[J]．長江流域資源與環境，2005，(5)：589-594.

[14] 謝永宏，李 峰，陳心勝,等.荊江三口入洞庭湖水沙演變及成因分析[J].農業現代化研究，2012，33(2)：203-206.

[15] 方春明，曹文洪，魯 文,等.荊江裁灣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.

[16] 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.

[17] 戴仕寶, 楊世倫, 趙華云， 等. 三峽水庫蓄水運用初期長江中下游河道沖淤響應[J]. 泥沙研究, 2005,(5):35-39.

[18] 王隨繼，閆云霞，顏 明，等.皇甫川流域降水和人類活動對徑流量變化的貢獻率分析一累積量斜率變化率比較方法的提出及應用[J].地理學報，2012，67(3):388-397.

[19] 李景保，鐘一葦， 周永強, 等.三峽水庫運行對洞庭湖北部地區水資源開發利用的影響[J]. 自然資源學報，2013，28(9):1 583-1 593.