1951—2015年洞庭湖水沙演變及人類活動對徑流影響的定量評估

楊 敏，毛德華，劉培亮，劉 文

(1.湖南師范大學 資源與環境科學學院，湖南 長沙 410081； 2.湖南省第二測繪院，湖南 長沙 410118)

流域水文過程對氣候變化和人類活動非常敏感[1]。氣候變化是通過氣溫、降水、蒸發等因素影響流域水循環，而人類活動則主要是通過土地開發、水土保持、水利工程建設等方式改變流域下墊面特性，從而影響流域的水文過程。徑流泥沙是流域水文因子中較為活躍的部分，其變化影響著流域內的生態環境和經濟發展。如何定量評估氣候變化和人類活動對水沙變化的影響，已成為當前水文水資源研究的熱點和難點問題。

洞庭湖位于湖南省北部、長江中游荊江南岸，地跨湘鄂兩省，是中國第二大淡水湖[2]，北納長江的松滋、太平、藕池、調弦四口來水來沙(調弦口于1958年冬封堵，現為三口)，西南接湘、資、沅、澧四水，通過洞庭湖調蓄后經城陵磯再次流入長江，河網密布，河湖交錯，水系十分復雜，水沙變異十分強烈[3-4]。洞庭湖是長江中游最重要的調蓄型湖泊之一，在維系洞庭湖區和長江流域水資源安全，洞庭湖區糧食安全、經濟安全與濕地生態安全等方面具有重要的作用。在全球氣候變化，長江中游先后經歷了調弦堵口、下荊江裁彎，以及葛洲壩、三峽大壩等一系列水利工程建設的背景下，洞庭湖水沙演變規律受氣候變化影響和人類活動的干擾變得愈加復雜，由此引發的洞庭湖區水問題及其連鎖效應也呈現出更加復雜的局面，尤其是旱澇并存、區域性和季節性水資源短缺、流域自然環境持續惡化等一系列問題嚴重制約了湖區經濟社會的可持續發展[3,5]。因此，研究氣候變化和人類活動對洞庭湖水沙變異影響的定量識別及其驅動機理至關重要。

研究人員對于洞庭湖水沙變化特征及其驅動機理開展了一系列研究，如胡光偉等[6]對三峽工程運行后洞庭湖區水沙條件變化特征進行了分析，揭示了影響洞庭湖水沙變異的主要因素；代穩等[7]通過對洞庭湖水沙的階段性研究，分析了影響水沙變化的驅動因素；譚芬芳[8]對洞庭湖入湖徑流量進行了影響量分析。在上述研究成果的基礎上，本研究運用線性趨勢法、M-K非參數檢驗法、滑動T檢驗法、小波分析法等分析洞庭湖入出湖水沙演變特征，構建經驗模型對洞庭湖入出湖水沙進行定量評估，以期為洞庭湖水資源管理和水資源配置工程建設規劃制定提供理論依據。

1 數據來源及研究方法

1.1 數據來源

以湖南四水湘、資、沅、澧控制站湘潭、桃江、桃源、石門及荊江三口松滋口(新江口、沙道觀)、太平口(彌陀寺)、藕池口(康家崗、管家鋪)和城陵磯出口等10個水文站1951—2015年實測水沙數據作為洞庭湖入出湖水沙變化分析的基礎數據，長時間水沙數據來源于湖南省水文水資源勘測局調查資料及《長江泥沙公報》。1960—2015年降水量數據選用洞庭湖區及周邊氣象站月降水量數據，涉及站點包括株洲、岳陽、湘陰、湘潭、桃源、桃江、寧鄉、南縣、馬坡嶺、臨湘、臨澧、澧縣、華容、漢壽、常德、安鄉、沅江、赫山、汨羅等19個站點，數據來源于中國氣象數據共享服務網。

1.2 研究方法

1.2.1 Mann-Kendall(M-K)非參數檢驗法

Mann-Kendall(M-K)非參數檢驗法常用于對水沙長時間序列數據進行趨勢突變檢驗分析，因其不要求原始數據服從特定概率分布，只滿足時間序列隨機獨立即可，因此已被廣泛應用于水文及氣象長時間序列的變化趨勢分析[7-9]。

1.2.2 小波分析法

小波分析是一種窗口大小固定但形狀可變(時寬和頻寬可變)的時頻局部化分析方法，具有多分辨率分析的特點。根據小波分析法的基本原理，運用Matlab軟件得出小波系數等值線圖和小波方差圖，對水沙序列數據的周期性進行分析。小波分析為水文系統長時間尺度分析研究提供了強有力的工具，目前研究手段已基本成熟，其在長時間水沙序列中的研究已有了一系列成果。

1.2.3 降水-徑流多元線性回歸經驗模型

采用降水-徑流多元線性回歸經驗模型定量評估氣候變化對徑流量的影響，其模型公式[10]為

Q=a+bPσc

(1)

式中：Q為計算出的年徑流量，億m3；P為實測年降水量，mm；σ為年內逐月降水量方差；a、b、c為基于基準期實測徑流量、降水量、年內逐月降水量方差值率定的3個常數項。

洞庭湖流域位于亞熱帶季風氣候區，年降水量大，氣象因子中降水量對徑流量的影響最大，因此本研究將降水量作為氣候變化的主要因子，不考慮蒸發量等其他因子的影響。為定量評估氣候變化和人類活動對徑流量變化的影響率，將徑流量序列以突變點為界劃分為基準期和變異期，以年徑流量、實測年降水量及年內逐月降水量方差為基礎，通過構建降水-徑流回歸經驗模型，定量計算變異期內的天然徑流量，變異期徑流量實測值與基準期徑流量的差值為徑流量總的影響量，變異期徑流量計算值與基準期徑流量的差值為變異期降水量變化對徑流量的影響量，其余則為人類活動造成的徑流量的影響量[11-15]。

2 洞庭湖入湖水沙演變特征

2.1 趨勢分析

圖1為洞庭湖入湖水沙變化趨勢。由圖1可看出，入湖徑流量在1983年之前變化較為穩定，無明顯持續上升或下降趨勢，之后在1983—1988、2002—2009年呈下降趨勢，在1989—2001年呈現上升趨勢；輸沙量下降趨勢顯著，除1951—1955、1960—1968、1978—1983年呈現出緩慢的上升趨勢外，其余年份均呈現下降趨勢；洞庭湖入湖歷年徑流量和輸沙量線性擬合曲線的斜率分別為-18.125、-404.46。由此可見，1951—2015年洞庭湖入湖水沙變化均呈現下降趨勢，只是相比較而言，輸沙量下降趨勢更加顯著，以404.46萬t/a的速度減少。

圖1 洞庭湖入湖水沙變化趨勢

2.2 突變點分析

圖2為洞庭湖入湖水沙M-K檢驗統計值。由圖2知，徑流量、輸沙量UF統計值，除徑流量在1951—1955年和輸沙量在1951—1958、1964—1965、1968年為正值外，其余年份均為負值，表明洞庭湖水沙總體上呈現出下降的趨勢。入湖徑流量的UF與UB統計值曲線在1976年相交，之后UF曲線突破了0.05顯著性水平，說明洞庭湖入湖徑流量在1976年發生了突變。輸沙量的UF與UB統計值曲線相交于1993年，但因交點在顯著性水平之外，無法判斷其突變年份，因此結合滑動T檢驗法對洞庭湖入湖輸沙量突變點進行進一步的檢驗。圖3為洞庭湖入湖輸沙量滑動T檢驗結果，由圖3知，入湖輸沙量序列先后于1980、1984、2003年突破顯著性水平，可以認為入湖輸沙量序列發生了突變，因此確定輸沙量突變年份為1980年。

2.3 周期性分析

根據洞庭湖入湖水沙小波分析結果，徑流量存在著4～6、10～13、22～25、33～37 a等4類尺度的周期性規律， 輸沙量存在著12～16、20～25 a等2類尺度的周期性規律，其中徑流量以33～37 a的周期性最為顯著，呈現出3次豐水期-枯水期的交替變化，輸沙量以20～25 a的周期性最為顯著，呈現出4次豐水期-枯水期的交替變化，且變化較為穩定，具有全局性特征。結合小波方差圖可知，洞庭湖入湖徑流量序列主要存在5、11、23、35 a左右變化的主要周期，輸沙量序列主要存在14、23 a左右變化的主要周期，其中徑流量以35 a、輸沙量以23 a左右的小波方差值最大，震蕩最強。可以認為35 a為入湖徑流量變化的第一主周期，23 a為第二主周期，此外還存在著5、11 a左右的周期；23 a為入湖輸沙量變化的第一主周期，14 a為第二主周期。

(a)入湖徑流量

(b)入湖沙量

圖3 洞庭湖入湖輸沙量滑動T檢驗結果

3 洞庭湖出湖(城陵磯)水沙演變特征

3.1 趨勢分析

圖4為城陵磯徑流量和輸沙量5 a滑動趨勢線。由圖4知，在1983年之前城陵磯徑流量是波動變化的，沒有呈現出明顯的變化趨勢，之后在1986—1998年呈微弱的增加趨勢，在1999—2011年呈下降趨勢；1951—2015年城陵磯輸沙量下降趨勢顯著，除個別時間段存在微弱的波動增加趨勢外，整體上呈現顯著的減少趨勢。城陵磯歷年徑流量和輸沙量線性擬合曲線的斜率分別為-17.795和-84.934，表明城陵磯徑流量和輸沙量整體上均呈現出下降趨勢，相比而言，輸沙量下降趨勢較徑流量更為顯著。

圖4 洞庭湖出湖水沙變化趨勢

3.2 突變點分析

圖5為城陵磯水沙M-K檢驗統計值圖。由圖5知，城陵磯徑流量較輸沙量變化更為復雜，曲線波動性較大。徑流量與輸沙量的UF統計值除1951—1956年為正值外，其余年份均為負值，表明城陵磯徑流量與輸沙量在整體上呈現出減少的變化趨勢。徑流量的UF統計值和UB統計值曲線相交于1973年，輸沙量的相交于1981年，且在之后徑流量和輸沙量的UF統計值曲線均突破了95%的置信水平，因此可以認為城陵磯徑流量和輸沙量分別在1973、1981年發生了突變，之后年份變化更加顯著。

3.3 周期性分析

根據城陵磯水沙小波分析結果，城陵磯徑流量存在著3～6、11～13、22～25、31～35 a等4類尺度的周期性規律，輸沙量存在著3～5、10～13、19～25、31～35 a等4類尺度的周期性規律，其中徑流量以31～35 a、輸沙量以19～25 a尺度的周期性最為顯著，均呈現出3次豐水期-枯水期的交替變化，變化較為穩定，呈現出全局性特征。結合水沙小波方差圖可以看出，城陵磯徑流量序列在5、12、25、35 a左右尺度、輸沙量序列在4、11、23、33 a左右尺度小波方差的極值表現較為顯著，說明城陵磯徑流過程存在5、12、25、35 a，輸沙量存在4、11、23、33 a左右變化的主要周期，其中徑流量33 a、輸沙量23 a的小波方差值最大，震蕩最強。可以認為33 a為城陵磯徑流量變化的第一主周期，25 a為第二主周期；23 a為城陵磯輸沙量變化的第一主周期，33 a為第二主周期。

圖5 洞庭湖出湖水沙M-K檢驗統計值

4 人類活動對洞庭湖入出湖水沙影響的貢獻率定量評估

4.1 洞庭湖入出湖水沙關系

流域水沙關系反映了河流徑流量和輸沙量的匹配關系。為分析洞庭湖入出湖水沙之間的相關性，以洞庭湖入出湖水沙時間序列數據為基礎，對洞庭湖入出湖徑流量與輸沙量的關系進行Pearson相關性分析。結果顯示，洞庭湖入湖水沙的Pearson相關系數為0.800，出湖水沙為0.696，入出湖水沙在顯著性水平值P<0.01時均呈現出極顯著的正相關關系，表明洞庭湖入出湖徑流量與輸沙量變化趨勢一致，呈現出“水大沙大，水小沙小”的變化規律。這一分析結果與譚芬芳[8]運用一元線性回歸分析對洞庭湖水沙相關關系的研究結果相符。

4.2 人類活動對徑流量的影響計算

考慮到洞庭湖入出湖水沙之間呈現出一定的正相關關系，計劃定量估算氣候變化與人類活動對洞庭湖入出湖徑流量的影響率。根據之前對洞庭湖入出湖徑流量突變點的分析，將入湖徑流量時間序列劃分為1951—1977年的基準期和1978—2015年的變異期，出湖徑流量時間序列劃分為1951—1973年的基準期和1974—2015年的變異期，以計算氣候變化與人類活動對洞庭湖入出湖徑流量的影響率。為了進一步計算不同時段降水量和人類活動對徑流量的影響量，綜合洞庭湖入出湖徑流變化的特點及人類活動對洞庭湖徑流的影響程度，將整個變異期以2002年為界，劃定為變異期Ⅰ和變異期Ⅱ進行分析。以洞庭湖入出湖基準期的年徑流量、年降水量及年內逐月降水量方差數據為基礎，率定常數項及回歸系數，得到的數學模型為

Q1=1 660.686+10.464Pσ-0.004

(2)

Q2=1 408.389+14.282P0.006

(3)

式中：Q1為入湖徑流量，億m3；Q2為出湖徑流量，億m3；其余符號意義同上。

利用構建的經驗模型，定量估算降水量和人類活動對洞庭湖入出湖徑流量的影響率，計算結果見表1。

表1 降水和人類活動對洞庭湖入出湖徑流量的影響率

注：水沙數據時段為1951—2015年，降水量數據時段為1961—2015年，在計算影響量時采用1961年之后的數據進行計算。

由表1可知，在變異期Ⅰ洞庭湖入出湖降水量實測值均大于基準期，但徑流量實測值卻又都小于基準期，其中：洞庭湖入湖徑流量總減少量為434.79億m3，降水對徑流量變化的影響量為25.19億m3，影響率為-5.79%，人類活動對徑流量減少的影響量為459.98億m3，影響率為105.79%；出湖徑流量總減少量為422.48億m3，降水對徑流量變化的影響量為67.23億m3，影響率為-15.91%，人類活動對徑流量的影響量為489.71億m3，影響率為115.91%。由此可知，在變異期Ⅰ洞庭湖入出湖徑流量受人類活動的影響較大，雖然降水量是增加的，但降水量的增加并未引起徑流量增加，降水量并不是引起徑流量減少的原因，降水量的增加只是減輕了人類活動對徑流量減少的影響程度，徑流量的減少主要是人類活動影響的結果。

在變異期Ⅱ，洞庭湖入出湖降水量、徑流量實測值均小于基準期，其中：洞庭湖入湖徑流量總減少量為793.97億m3，降水量對徑流量減少的影響量為36.56億m3，影響率為4.60%，人類活動對徑流量減少的影響量為757.41億m3，影響率為95.4%；出湖徑流量總減少量為831.14億m3，降水對徑流量減少的影響量為23.31億m3，影響率為2.8%，人類活動對徑流量減少的影響量為807.83億m3，影響率為97.20%。分析可得，這一時段降水量的減少和人類活動共同作用導致洞庭湖入出湖徑流量減少，但人類活動對徑流量的影響遠遠大于降水量對徑流量的影響。

在整個變異期內，洞庭湖入出湖降水量實測值均大于基準期，徑流量實測值均小于基準期，即在整個變異期內洞庭湖入出湖降水量相比基準期是增加的，但實測徑流量均是減少的，其中：入湖徑流量總減少量為548.21億m3，降水變化對徑流量的影響量為5.67億m3，影響率為-1.03%，人類活動對徑流量的影響量為553.88億m3，影響率為101.03%；出湖徑流量總減少量為539.24億m3，降水量變化對徑流量的影響量為41.36億m3，影響率為-7.67%，人類活動對徑流量的影響量為580.60億m3，影響率為107.67%。這表明降水量的變化并不是導致洞庭湖入出湖徑流量減少的主因，人類活動干擾對徑流量的影響遠遠超過降水量對徑流量的影響。

5 結果與討論

(1)洞庭湖入出湖水沙時間序列數據均呈現出下降的趨勢，尤其入湖輸沙量下降趨勢最為顯著，以404.46萬t/a的速率減少。經檢驗，洞庭湖入湖徑流量、入湖輸沙量、出湖徑流量、出湖輸沙量均發生了突變，突變年份分別為1976、1980、1973、1981年，之后年際變化更加顯著。此外，洞庭湖入出湖水沙還存在著不同尺度的周期性變化規律，入湖徑流量變化的第一主周期為35 a，出湖徑流量為33 a，入出湖輸沙量均為23 a，入出湖水沙周期變化規律均較為一致，主周期年份基本接近。

(2)洞庭湖入出湖水沙序列之間呈現出顯著的正相關關系，入湖水沙的Pearson相關系數為0.800，出湖水沙為0.696，且入出湖徑流量與輸沙量變化趨勢基本一致，呈現出“水大沙大，水小沙小”的變化規律。

(3)基于基準期，建立降水-徑流多元線性回歸經驗模型，對洞庭湖入出湖徑流量的影響因素進行了定量評估。洞庭湖入湖徑流量在變異期Ⅰ的總減少量為434.79億m3，其中降水對徑流量變化的影響率為-5.79%、人類活動為105.79%；出湖徑流量在變異期Ⅰ的總減少量為422.48億m3，其中降水對徑流量變化的影響率為-15.91%、人類活動為115.91%。徑流量的減少主要是受人類活動的影響，原因是在1974—2002年這一時段，洞庭湖流域經歷了下荊江裁彎、葛洲壩建設、三峽大壩截流等一系列水利工程建設，對徑流量的干擾十分嚴重，導致徑流量減少。在變異期Ⅱ入湖徑流量的總減少量為793.97億m3，其中降水對徑流量變化的影響率為4.60%、人類活動為95.4%；出湖徑流量的總減少量為831.14億m3，其中降水對徑流量變化的影響率為2.8%、人類活動為97.20%。徑流量的減少受降水量和人類活動的共同影響，原因是在2003—2015年，三峽水庫正式蓄水運行，使得荊江三口入湖水沙量驟減，減輕了洞庭湖的泥沙淤積，湖區徑流分配趨于均勻，改善了洞庭湖枯水期水質，但同時導致了嚴重的季節性缺水。在整個變異期，入湖徑流量的總減少量為548.22億m3，其中降水對徑流量變化的影響率為-1.03%、人類活動為101.03%；出湖徑流量的總減少量為539.24億m3，其中降水對徑流量變化的影響率為-7.67%、人類活動為107.67%。可見，洞庭湖入出湖徑流量在整個變異期內的減少主要是受人類活動的影響。