湖南省水庫洪水調蓄能力時空分異研究

楊家亮 龍秋波

摘要：建立湖南省水庫空間數據庫，運用核函數密度估計法來分析湖南省水庫工程的時空演化規律;選取防洪庫容作為水庫洪水調蓄能力評估指標，來研究湖南省水庫洪水調蓄能力的時空分異特征。結果表明：① 湖南省水庫數量眾多，總庫容為514.12億m3，其中小型水庫數量占比高達97.0%，大部分建于20世紀50～70年代，21世紀以來則以大中型水庫工程建設為主。② 水庫分布與地形地貌特征密切相關，主要分布于海拔50～1 000 m之間的丘陵、崗地和山間盆地。③ 全省水庫防洪庫容106.00億m3，洪水調蓄以大型水庫為主，其防洪庫容占比接近70.0%;從空間分布格局來看，沅江流域水庫洪水調蓄能力最強，防洪庫容占比接近40.0%，位于湘西北的懷化市、張家界市和常德市防洪庫容占比超過50%。④ 不同時期的水庫洪水調蓄能力各異，20世紀90年代和70年代是水庫洪水調蓄能力提升最大的時期，期間防洪庫容增加占比分別為28.1%和18.3%;20世紀80年代處于水庫工程建設低潮期，防洪庫容增加占比僅為3.4%。

關 鍵 詞：洪水調蓄能力;防洪庫容;核密度函數;時空演化規律;時空分異特征;水庫工程;湖南省

中圖法分類號：TV1

文獻標志碼：A

文章編號：1001-4179（2021）09-0016-08

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.09.004

0 引 言

開展水庫及其洪水調蓄能力的時空分異特征研究，可為水庫防洪研究和流域防洪體系建設提供理論和科學支撐[1-2]。水庫是最常見的蓄水工程，用以調節河川徑流、解決旱澇災害的主要工程措施[3]。新中國成立以來，湖南省開展了大規模水利水電工程建設。根據湖南省第一次全國水利普查[4]和水利統計年鑒[5]成果，湖南省目前有水庫工程14 096座，約占全國的14.5%，是水庫數量最多的省份。但是，湖南省97%的水庫是小型水庫，大部分建于20世紀50～70年代，實際蓄水量少，庫容利用效率低，配套渠系質量差，輸水效率不高，無力抗大旱，因此急需實施除險加固工程[6-7]。

國內外研究人員關于水庫的時空分布及其洪水調蓄能力的研究成果較為豐富。國外學者重點關注生態過程的評估以及水庫價值量的研究[8-11]，而較少關注水庫建設及其時空分異的評價;國內學者則側重于研究少數典型水庫的洪水調蓄狀態及其相應價值計算[12-14]，或者集中于單個水庫的防洪調度[15-17]、水質[18-19]、水溫[20]、水生態變化方面的研究及其價值量的評估[21-23]等方面。少數研究人員基于部分省區的水庫統計信息，研究區域水庫工程建設歷程及其時空分布，評估其洪水調蓄能力的空間分異特征，估算大型水庫調蓄洪水功能的價值[1-2]。然而，受限于數據難以獲取的因素，當前的研究尚不能全面反映水庫時空分布特征及其洪水調蓄功能的全貌，缺乏區域水庫資源比較分析，同時也缺少對湖南省水庫資源時空分布較為系統的綜合研究。因此，開展湖南省水庫工程時空分布規律及其洪水調蓄能力的時空分異特征探索是必要的，而且研究成果可為湖南省水資源規劃與管理、保護和可持續利用提供科學依據。

1 研究區概況

湖南省（108°47′E～114°15′E，24°38′N～30°08′N）地處長江中游，因水而名，南繞四水、潤澤全境，北擁洞庭、吞吐長江，既得豐水之利，又遭水患之憂。新中國成立70 a來，湖南人民堅持不懈、治水興湘，初步建成了以水庫、堤防、蓄滯洪區為重點的防洪工程體系。與20世紀90年代相比，近10 a來湖南全省年均因洪災死亡人數從415人下降至36人，洪澇災害年均損失率從8.56%下降至0.72%。然而，受客觀自然地理條件限制，加之現有防洪體系存在薄弱環節，全省經濟社會發展仍然受到洪水威脅。目前，全省有88座大中型水庫、3 960座小型水庫、267座大中型水閘帶病運行。進入新時代，防治水旱災害的要求更高，按照流域規劃，防洪體系仍需新增22.90億m3防洪庫容。

湖南省轄13個地級市、1個自治州，國土面積為21.18萬 km2，占全國總面積的2.20%。耕地總面積為415.47萬hm2（6 232萬畝），是全國重要的糧食生產基地，水稻產量常年穩居全國第一。湖南省區位和DEM如圖1所示。水庫工程的建設對保障湖南全省糧食生產安全至關重要，利用好現有水庫資源，充分發揮其洪水調蓄功能，保障區域和流域內人民群眾生命財產安全，對湖南省乃至全國的經濟社會高質量發展均意義重大。

2 數據來源與研究方法

2.1 數據來源

本文研究采用的水庫及其相關數據信息主要來源于《湖南省水利統計年鑒》[5]《中國水利統計年鑒》[24]、湖南省第一次全國水利普查[4]和《湖南省水資源綜合規劃》[25]，水庫信息包括水庫名稱、類型、所在位置、修建時間、總庫容、防洪庫容、興利庫容、供水對象等，評估對象為湖南省大、中、小不同規模的水庫工程，共計14 096座，涉及14個地級行政區。此外，研究還采用了湖南省行政區劃矢量數據、水資源分區矢量數據、DEM數據以及相關社會經濟統計數據等。

2.2 研究方法

2.2.1 水庫空間數據庫構建方法

本次研究收集了湖南省水庫的空間統計信息，經前期數據處理，系統梳理了關鍵要素屬性信息;使用ArcGIS地理信息系統，生成水庫的空間矢量數據，并結合湖南省DEM數據、河流水系矢量數據、區劃邊界矢量數據以及社會經濟統計數據等進行空間匹配，構建了湖南省水庫空間分布數據庫。根據水庫分布所在地的信息，通過區域統計分析和匯總，可得到各級行政區和流域分區水庫數量及其庫容特征值等關鍵信息，并對其進行比較分析。

2.2.2 核函數密度估計法

選用核函數密度估計法（Kernel Density）分析水庫工程不同時段的空間分布情況。核密度分析工具用于計算要素在其周圍鄰域中的密度，通過考察規則區域中點密度的空間變化來研究點的空間聚集模式[26-27]。基本原理是：使用核函數，根據點或折線要素計算每單位面積的量值，以將各個點或折線擬合為光滑錐狀表面。本研究結合核函數密度估計法，對湖南省大中型以及小型水庫不同時期空間分布的聚集性進行可視化分析，如圖2～3所示。

核函數密度估計法的計算公式如下：

2.2.3 水庫調蓄能力評估指標

防洪庫容，是指防洪高水位至防洪限制水位之間的水庫容積，用以控制洪水，滿足水庫下游防洪保護對象的防洪要求[28]。本次研究選取水庫的防洪庫容作為評估指標，來衡量區域水庫的洪水調蓄能力。

3 結果與分析

3.1 水庫數量與水量的時空分布格局

3.1.1 水庫工程建設歷程

根據對古代水利工程遺跡、史料和年鑒統計資料的分析，可將湖南省水庫工程建設劃分為以下4個時期：

（1）新中國成立以前，這一時期是利用河泛濕地筑塘壩引水灌溉的時期;

（2）新中國成立之初至改革開放初期，這一時期是大興水利工程建設時期;

（3）改革開放之初至20世紀末，這一時期是以除險加固、完善配套設施為主;

（4）21世紀之初至今，是推進大型水利工程建設時期。

截至新中國成立初期，湖南省共修建水庫16座，總庫容約329.00萬m3，塘壩150萬處，蓄引提水量56億m3，其中蓄水量為29億m3[7]。新中國成立后的30 a間，全省上下掀起了一波水利工程建設高潮，共修建水庫12 000余座，水庫總庫容迅速增至200.00億m3，初步形成了以水庫為骨干、塘壩為基礎、大中小型工程相結合的灌溉體系。進入20世紀80年代后，根據十一屆三中全會提出的國民經濟調整方針，湖南省水庫建設以加固堤壩、擴大配套為主，共處理病險工程4 768座，著力提升已建工程的效益;同時開始加強用水管理，全面提高全省防洪和抗旱能力。進入新時代以來，湖南省持續推進重大水庫工程建設，截至2018年，全省已建成各類水庫14 000余座，總庫容514.00億m3，防洪庫容106.00億m3。水庫洪水調蓄能力得到了顯著提升，水安全保障體系初步建成。

為了更加清晰地展示湖南省不同時期水庫工程建設情況，對水庫空間矢量數據進行了核密度分析。

（1）從小型水庫工程不同時期分布來看：① 20世紀50年代，在全省范圍內興起了一陣水利工程建設熱潮，特別是湘中南丘陵區、環洞庭湖丘崗區和湘西北山間盆地區域，新修了大量的小型水庫;② 20世紀60～70年代，水利工程建設熱度不減，持續在全省范圍內興修水利工程;③ 20世紀80～90年代，水利工程建設熱潮減退，主要在湘東北丘陵地區建設了一批小型水庫工程，這一時期以水庫除險加固為主;④ 2000年以后，小型水庫工程建設集中在湘東南丘陵地區和湘西北山區，規模不大。

（2）從大中型水庫不同時期分布情況來看：① 20世紀50年代至70年代，大中型水庫建設處于高峰期，全省新建大型水庫14座，中型水庫237座，占比接近現有大中型水庫數量的50%;② 20世紀80年代至90年代，大中型水庫修建規模不大，以中型水庫工程為主，主要集中在衡邵丘陵區和湘西地區，其中湖南省規模最大的東江水庫和五強溪水庫均修建于20世紀90年代;③ 2000年以后，大中型水庫工程建設集中于湖南省西北山區、四水流域上游地區，規模相比前一時期有所增加。

3.1.2 湖南省水庫空間分布格局

湖南省水庫工程空間分布與全省的地形變化密切相關，超過90%的水庫分布在海拔50～1 000 m之間的丘陵、崗地和山間盆地。其中，環洞庭湖丘崗區、湘中南丘陵區、湘南丘陵區以及湘西北山間盆地區域水庫密布，湘西北雪峰-武陵山區、湘南南嶺山區和湘東幕阜-羅霄山區水庫分布稀疏，洞庭湖平原地區水庫很少，而湖泊數量眾多。

（1）按水庫所屬行政區分析，衡陽市水庫數量最多為1 796座，其次為岳陽市，有1 502座，分別占全省水庫總數量的12.7%和10.7%，湘潭市和張家界市的水庫數量相對較少，占比分別為2.7%和1.8%。郴州市和懷化市的水庫總庫容位居全省前列，均超過了110.00億m3，郴州市因為東江水庫的緣故庫容較大，懷化市則因沅江干流的幾個梯級工程使得總庫容較大，婁底市和湘潭市水庫總庫容相對較小。

（2）按水庫所在流域來看，湘江流域水庫數量最多，約6 600座，占比接近全省水庫總量的50%，流域水庫總庫容超過220.00億m3;沅江流域水庫數量次之，約2 500座，占比為17.8%，總庫容超過了150.00億m3;省境內珠江流域水庫數量不多，約200座，總庫容約2.00億m3。

綜前所述，可將湖南省水庫的時空分布基本特點概括為以下4個方面：

（1）水庫數量多，約占全國水庫總數量的1/6，水庫總庫容約514.00億m3，人均庫容約740 m3;

（2）小型水庫數量多，占全省水庫總數量的97%，但大中型水庫起決定性作用，大中型水庫總庫容占全省總庫容的86%，其中大（1）型水庫總庫容占比接近50%;

（3）水庫分布范圍廣，遍布全省，平均每15 km2有一座水庫，每個縣區均至少有一座小（2）型以上規模的水庫;

（4）水庫分布與地形地貌特征密切相關，主要分布在海拔50～1 000 m之間的環洞庭湖丘崗區、湘中南丘陵區、湘西北山間盆地。

湖南省的水庫分布情況如表1所列。

3.2 水庫洪水調蓄能力時空分異特征

防洪庫容可以直觀有效地衡量水庫洪水調蓄能力。本次研究系統地收集整理了湖南省大中小型水庫的總庫容、防洪庫容等信息，用以評估湖南省水庫洪水調蓄能力的時空分異特征（見圖4）。湖南省水庫防洪庫容106.00億m3，以大型水庫為主，防洪庫容超過70.00億m3，占比67.1%;其中，大（1）型水庫防洪庫容46.30億m3，占比超過40.0%，中型水庫防洪庫容21.10億m3，占比約20.0%，小型水庫防洪庫容13.80億m3，占比為13.0%。四水流域中，沅江防洪庫容41.00億m3，占比接近40.0%，水庫洪水調蓄能力最強，湘江、澧水和資水流域占比分別為23.8%、18.0%和15.2%，洞庭湖環湖區的水庫防洪庫容占比約為3.6%，珠江流域水庫防洪庫容占比很小，僅為0.6%。地級行政區中，位于湘西北的懷化市、張家界市和常德市防洪庫容占比超過50.0%，其中懷化市防洪庫容約31.0億m3，占比超過30.0%，岳陽市、長沙市和湘潭市的防洪庫容不大，占比不到2%。

湖南省不同時期水庫洪水調蓄能力各異。由表2可知，20世紀50年代，湖南省開啟了水利工程建設熱潮，該時期末全省防洪庫容接近10.00億m3，水庫洪水調蓄能力初具規模，全省第一座大型水庫酒埠江水庫（位于攸水，防洪庫容2.89億m3）即修建于50年代末期;20世紀60～70年代，全省共修建大型水庫13座，中型水庫190座，水庫防洪能力顯著增強，柘溪水庫、雙牌水庫、水府廟水庫、歐陽海水庫等大型水利設施均完工投入運行，至20世紀70年代末，全省水庫防洪庫容接近50.00億m3;20世紀80年代是水利工程建設的低潮期，全省防洪庫容僅增加3.58億m3，鐵山水庫（位于新墻河，防洪庫容0.78億m3）于1983年完工蓄水;20世紀90年代，全省防洪庫容增加了近30.00億m3，五強溪水庫（位于沅江，防洪庫容13.60億m3）、東江水庫（位于耒水，防洪庫容1.58億m3）和江埡水庫（位于溇水，7.40億m3）均修建于該時期，全省水庫防洪能力得到了極大提升。進入新時代以來，湖南全省相繼修建了皂市水庫（位于渫水，防洪庫容7.83億m3）、碗米坡水庫（位于酉水，防洪庫容2.56億m3）、大洑潭水電站（位于沅江，防洪庫容1.41億m3）等20余座大型水庫和60余座中型水庫，水庫防洪能力得到了進一步提升。截至2018年，全省水庫總防洪庫容超過了100.00億m3，初步建成了以水庫、堤防和蓄滯洪區為重點的防洪工程體系。

綜前所述，湖南省水庫洪水調蓄以大型水庫為主，其防洪庫容占比接近70.0%。從空間分布格局來看，沅江流域水庫洪水調蓄能力最強，防洪庫容占比接近40%，而位于湘西北的懷化市、張家界市和常德市防洪庫容占比超過50%;從時間演變特征來看，不同時期水庫洪水調蓄能力各異，20世紀90年代和70年代是水庫洪水調蓄能力提升最大的時期，期間防洪庫容增加占比分別為28.1%和18.3%，20世紀80年代處于水庫工程建設低潮期，防洪庫容增加占比僅為3.4%。

4 討 論

洞庭湖流域是中國洪水遭受最頻繁且最嚴重的地區之一，近年來由于氣候變化及人類活動的影響，洪災更加頻繁[29-30]。歷史資料顯示[31-32]，洞庭湖流域平均3 a發生一次較大洪水。近年來，洪澇災害發生頻率呈上升趨勢，2016，2017年和2019年流域大洪水，眾多水利基礎設施受到不同程度損害，嚴重威脅人民群眾生命財產安全。流域防洪能力與對應設計洪量的比值能反映流域防洪需求和資源配置狀況[33]。從湖南省四水流域大型控制性水庫工程來看，數量偏少，且有1/4為無防洪能力的徑流式電站，對江河洪水的調控能力仍然不高。大中型水庫總庫容占流域年徑流量的比例在20%～40%之間（見表3）。資水和沅江大型水庫防洪庫容占設計洪量的比例均超過了20%，位于干流的柘溪水庫和五強溪水庫洪水調蓄能力強，提高流域下游地區防洪標準，防洪效益顯著。澧水流域大型水庫防洪庫容占設計洪量的比值雖然超過了25%，但因皂市水庫和江埡水庫均位于澧水支流，干流缺乏控制性工程，澧水流域下游地區防洪標準不高，仍遭洪水威脅。湘江流域大型水庫防洪庫容占設計洪量比值不到10%，且由于東江水庫、酒埠江水庫、洮水水庫、水府廟水庫等主要控制性工程位于支流，無法控制干流洪水，防洪調蓄能力嚴重不足。2017年7月，湘江流域發生了歷年同期歷時最長、范圍最廣、雨量最多、強度最大的強降雨，湘江長沙河段及其支流水位均超歷史峰值。7月3日01：00，長沙水位站觀測洪峰水位為39.51 m，超警戒水位3.50 m，超保證水位1.13 m，超歷史最高水位0.33 m。

縱觀湖南省水庫及其洪水調蓄能力特征與不足，未來打造流域防洪安全體系時，應考慮到人口與社會經濟分布狀況，科學安排洪水出路，構建“一湖四水百城”的防洪格局。針對前述問題，可從以下幾個方面采取措施。

（1）增強水庫蓄洪能力。通過現有水庫工程改擴建或除險加固，擴大水庫現有防洪庫容，合理新增調蓄空間。

（2）完善四水防洪體系。以水庫和堤防為重點，建設防洪控制性水庫，加強堤防整治建設。建議新建資水流域金塘沖、澧水流域宜沖橋等防洪水庫，實施沅江流域五強溪水庫防洪擴容工程。湘江干流因無條件修建控制性防洪水庫，建議在主要支流新建防洪水庫，有效攔蓄支流洪水，并結合現有大中型水庫防洪作用，盡量減輕湘江干流防洪壓力。

（3）提升洪水管理水平。運用先進科學技術，建立水庫管理制度，改進水庫調度方案，提升洪水監測預警和調度水平，加強洪水風險管理，強化防洪應急能力，為防洪安全提供具有彈性的非工程保障措施。

5 結論與展望

運用核函數密度估計法分析湖南省水庫工程的時空分布規律，選取防洪庫容作為水庫洪水調蓄能力評估指標，研究湖南省水庫洪水調蓄能力的時空分異特征。得出主要結論如下：

（1）湖南省水庫數量眾多，小型水庫數量占比高達97%，且大部分建于20世紀50～70年代，21世紀以來，以大中型水庫工程建設為主。

（2）湖南省水庫空間分布與全省地形地貌特征密切相關，水庫主要分布于海拔50～1 000 m之間的丘陵、崗地和山間盆地。

（3）湖南省全省總庫容為514.12億m3，防洪庫容為106.00億m3，水庫洪水調蓄以大型水庫為主，其防洪庫容占比接近70.0%;從空間分布格局來看，沅江流域水庫洪水調蓄能力最強，防洪庫容占比接近40.0%，而位于湘西北的懷化市、張家界市和常德市防洪庫容占比超過50.0%。

（4）湖南省不同時期水庫的洪水調蓄能力各異，20世紀90年代和70年代是水庫洪水調蓄能力提升最大的時期，防洪庫容增加占比分別為28.1%和18.3%;20世紀80年代處于水庫建設低潮期，防洪庫容增加占比僅為3.4%。

本文從水庫工程防洪庫容的視角探討了區域水庫洪水的調蓄能力，而在實際防洪調度與管理工作中，流域下游地區的堤防、蓄滯洪區等防洪工程和洞庭湖平原區的湖泊亦發揮了重要作用。考慮到洞庭湖平原區的防洪問題一直是湖南省水利工作的重點和難點，未來研究中可綜合考慮洞庭湖的防洪效益，開展進一步研究工作。

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（編輯：趙秋云）