荊南三口流域水系連通性變化對(duì)水資源開發(fā)利用的影響

代 穩(wěn)，王金鳳，陜振沛，張美竹

(1.六盤水師范學(xué)院旅游與歷史文化學(xué)院，貴州 六盤水 553004； 2.六盤水師范學(xué)院烏蒙山區(qū)發(fā)展研究院，貴州 六盤水 553004)

水資源承載的載體是河湖水系，河湖水系連通狀況與徑流的變化和水資源量相互作用，密切相關(guān)[1]。近年來，由于氣候變化和人類活動(dòng)的雙重壓力，流域水系連通狀況受到深遠(yuǎn)的影響[2-5]，尤其城市化對(duì)水系連通變化產(chǎn)生較大影響[6-12]。水系連通發(fā)生變化必然引起徑流特征變化，進(jìn)而影響水資源開發(fā)利用，但目前關(guān)于水系連通狀況與水資源開發(fā)利用規(guī)律的研究成果還很少。

長(zhǎng)江荊南三口水系既是連接長(zhǎng)江中游的重要紐帶，也是溝通長(zhǎng)江與洞庭湖的通道。已有研究表明，長(zhǎng)江荊南三口水系2016年水系連通性、水系連通環(huán)度、節(jié)點(diǎn)連接率、水文連通性、水系連通度均在1955年的基礎(chǔ)上有所減小，以節(jié)點(diǎn)連接率下降尤為突出[13]。環(huán)境變化下荊南三口水系年徑流量呈下降趨勢(shì)，整體干旱頻率偏高且干旱事件發(fā)生的次數(shù)增多[14]，干旱歷時(shí)增長(zhǎng)，干旱強(qiáng)度增大，峰值增高[1]，水系連通功能基本呈下降趨勢(shì)[15]。為揭示荊南三口水系連通性的變化與該地區(qū)水資源開發(fā)利用之間的關(guān)系，本文運(yùn)用Mann-Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)法[16]和Sen’s slope趨勢(shì)變化強(qiáng)度分析水系連通性變異后荊南三口流域水位演變情勢(shì)，利用算術(shù)平均法、最大值函數(shù)、最小值函數(shù)、離差系數(shù)、年際極值比、不均勻系數(shù)等識(shí)別水系連通性變異后荊南三口年徑流量變化情況，并從水資源量、水文干旱、水資源開發(fā)利用角度探討了水系連通性變異對(duì)荊南三口流域水資源開發(fā)利用的影響，以期為荊南三口流域探求徑流演變規(guī)律、來水預(yù)報(bào)、防洪及實(shí)施河湖水系連通工程等提供參考。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

荊江是指長(zhǎng)江干流枝城站(湖北省宜都市)至城陵磯河段(湖南省岳陽(yáng)市)的總稱，全長(zhǎng)約為 360 km，分為上荊江和下荊江，其南岸的松滋、虎渡和藕池三口(調(diào)弦口于1958年堵口)，習(xí)慣上稱為荊南三口，主要分泄長(zhǎng)江水沙補(bǔ)給洞庭湖(圖1)。荊南三口流域總面積約為4 150 km2，主要河流有松滋河?xùn)|支、松滋河西支、虎渡河、藕池河?xùn)|支、藕池河西支，可劃分5個(gè)等級(jí)，2016年5等級(jí)河流4條、4等級(jí)12條、3等級(jí)16條、2等級(jí)30條、1等級(jí)70條。近年來，由于受氣候變化和以水利工程為主的人類活動(dòng)的影響，荊南三口流域水系結(jié)構(gòu)連通性、水系水力連通性發(fā)生各種變化[17]，從而導(dǎo)致該水系水文情勢(shì)日趨復(fù)雜，造成荊南三口流域出現(xiàn)水資源短缺問題。

1.2 數(shù)據(jù)來源

將新江口、沙道觀、彌陀寺、管家鋪、康家崗5個(gè)水文站點(diǎn)(圖1)1956—2017年實(shí)測(cè)的月徑流量、水位作為研究的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。1956—2009年月徑流量、水位數(shù)據(jù)主要來自長(zhǎng)江水利委員會(huì)，2010—2017年相關(guān)數(shù)據(jù)主要來自湖南省水利廳和湖南省水情綜合日?qǐng)?bào)表；使用已有統(tǒng)計(jì)多年平均斷流天數(shù)推算變異前后多年平均斷流天數(shù)；濕地面積的數(shù)據(jù)來源于遙感影像數(shù)據(jù)的處理、解譯、分類和提取；生物多樣性指標(biāo)原始數(shù)據(jù)取自湖南省洞庭湖環(huán)境保護(hù)監(jiān)測(cè)站、洞庭湖生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心以及相關(guān)的研究[18-20]；地表水農(nóng)業(yè)灌溉供水、河流水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)取自洞庭湖四口河系防洪、水資源與水環(huán)境研究報(bào)告及湖南省水資源公報(bào)；一年中河道能夠通航的天數(shù)數(shù)據(jù)來源于湖南省水運(yùn)管理局以及設(shè)計(jì)水位推算；水庫(kù)庫(kù)容數(shù)據(jù)來源于《湖南省洞庭湖區(qū)防洪治澇工作手冊(cè)》。

圖1 荊南三口流域水系

2 研究方法

2.1 模糊綜合評(píng)價(jià)法

模糊綜合評(píng)價(jià)法根據(jù)模糊數(shù)學(xué)的隸屬度理論把對(duì)受到多種因素制約的水系連通性評(píng)價(jià)轉(zhuǎn)化為定量評(píng)價(jià)，通過構(gòu)建模糊綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系、權(quán)重向量、隸屬矩陣來完成對(duì)水系連通性評(píng)價(jià)。

2.2 保證率劃分豐平枯典型年的方法

為便于揭示水系連通性變異對(duì)荊南三口流域水資源開發(fā)利用的影響程度，通過計(jì)算荊南三口流域5個(gè)水文站1956—1989年和1990—2017年徑流序列的經(jīng)驗(yàn)頻率，先進(jìn)行排頻計(jì)算，利用皮爾遜Ⅲ型曲線進(jìn)行配線，得到各頻率情況下所對(duì)應(yīng)的徑流量值，再分別取水系連通性變異前后P=25%、50%、75%所對(duì)應(yīng)的徑流量值作為豐、平、枯水年的設(shè)計(jì)值，然后選取與設(shè)計(jì)值相等或接近的年份作為相應(yīng)的豐平枯代表年。

2.3 游程理論

采用游程理論進(jìn)行水文干旱的確定，即將流量小于某一閾值(通常以各月徑流量分位數(shù)，如25分位數(shù))時(shí)來劃分水文干旱，水文干旱特征包含水文干旱歷時(shí)(干旱從開始到結(jié)束所持續(xù)的時(shí)間)、水文干旱強(qiáng)度(在干旱時(shí)期內(nèi)徑流的缺水總量)和水文干旱峰值(在干旱時(shí)期內(nèi)河流的最小流量，反映最大缺水量)3個(gè)參數(shù)[1]。

3 水系連通性變異后荊南三口水文情勢(shì)演變特征

3.1 水系連通性變異點(diǎn)的確定

運(yùn)用模糊綜合評(píng)價(jià)法計(jì)算河道斷流率、濕地面積變化率、生物多樣性指標(biāo)、河流水質(zhì)達(dá)標(biāo)率、地表水農(nóng)業(yè)灌溉供水率、河道通航能力、水庫(kù)調(diào)節(jié)能力指數(shù)、親水舒適度8個(gè)指標(biāo)(圖2)最大隸屬度值，通過取大取小法復(fù)合運(yùn)算，判別出荊南三口流域水系連通性1956年為Ⅰ級(jí)，1989年為Ⅲ級(jí)，2008年和2016年均為Ⅱ級(jí)，4個(gè)典型評(píng)價(jià)年份中1989年水系連通性變化較大。從河流自然屬性、社會(huì)屬性的角度(河網(wǎng)中河段的長(zhǎng)度、河段的重要程度、過水能力、過水能力指數(shù)、河網(wǎng)中河段的平均寬度構(gòu)建水系連通性函數(shù))評(píng)價(jià)水系連通度，荊南三口流域河系水系連通度在0.018 2～0.014 5之間波動(dòng)，由于荊南三口諸河河長(zhǎng)、河寬縮短變窄，過水能力減弱，1989年的水系連通度為最小值，表明荊南三口水系連通性在1989年前后發(fā)生了突變[1,21]。

圖2 水系連通性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

對(duì)比水系連通性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)(表1)，從水系連通自然功能和社會(huì)功能評(píng)價(jià)結(jié)果可以看出，1989年研究區(qū)自然功能、綜合功能評(píng)價(jià)值先降低后上升，社會(huì)功能評(píng)價(jià)值先上升后降低(表2)。

綜上，為了有效分析水系連通性變異后荊南三口流域水位、流量演變規(guī)律及其對(duì)水資源開發(fā)利用的影響機(jī)理，本文以水系連通性變異時(shí)間(1989年)為節(jié)點(diǎn)，將1956—2017年時(shí)間序列劃分為兩個(gè)時(shí)段：1956—1989年(基準(zhǔn)期)，1990—2017年(變異期)。

表1 水系連通性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

表2 荊南三口流域水系連通性評(píng)價(jià)結(jié)果

3.2 水位演變情勢(shì)

采用Mann-Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)法[16]計(jì)算出水系連通性變異前后荊南三口流域年平均水位、年最高水位、年最低水位Mann-Kendall統(tǒng)計(jì)量Z值、趨勢(shì)大小的傾斜度β值，結(jié)果如表3所示。由表3可知，水系連通性變異前后荊南三口年平均水位統(tǒng)計(jì)量Z值均為負(fù)，意味著年平均水位總體呈下降變化趨勢(shì)，但此變化趨勢(shì)不顯著；年最高水位由不顯著下降趨勢(shì)變?yōu)轱@著下降趨勢(shì)，下降速率由每10 a 0.13 m增至0.61 m；年最低水位由不顯著下降趨勢(shì)變?yōu)轱@著上升趨勢(shì)。由此可見，水系連通性變異后荊南三口流域年平均水位演變情勢(shì)與基準(zhǔn)期相似，變化不大，年最高水位下降趨勢(shì)顯著且下降快，年最低水位變化趨勢(shì)顯著。由此認(rèn)為，水系連通性變異后荊南三口流域特征水位變化趨勢(shì)顯著，年平均水位降低，年最高水位、年最低水位年際相差增大，易造成旱澇災(zāi)害，對(duì)水資源開發(fā)利用產(chǎn)生消極影響。

表3 水系連通性變異后荊南三口流域特征水位Man-Kendall趨勢(shì)變化

3.3 徑流量變化特征

為了識(shí)別水系連通性變異后荊南三口流域年徑流量情勢(shì)變化，利用算術(shù)平均法、最大值函數(shù)、最小值函數(shù)、離差系數(shù)、年際極值比、不均勻系數(shù)計(jì)算研究區(qū)徑流變化特征值。結(jié)果表明：水系連通性變異后三口流域多年平均徑流量540.20億m3，比變異前1 004.65億m3少464.45億m3，年徑流量最大值少693.03億m3，最小值少362.48億m3，這意味著水系連通性變異后荊南三口流域年徑流量較少，不利于水資源開發(fā)利用；變異前研究區(qū)年徑流量離差系數(shù)、年際極值比、不均勻系數(shù)分別為0.308 1、3.18和1.05，變異后分別為0.307 5、5.71和1.22，說明水系連通性變異后年徑流量年際變化幅度大，年內(nèi)分配不均勻，意味著徑流量不穩(wěn)定，易形成洪澇災(zāi)害，對(duì)水資源開發(fā)利用產(chǎn)生不利影響。由此可見，水系連通性變異后荊南三口流域年徑流量較小，變化幅度大且年內(nèi)分配不均勻，水資源開發(fā)利用難度增大。

4 水系連通性變異對(duì)水資源開發(fā)利用的影響

4.1 對(duì)水資源量的影響

水系連通是河湖水系上保持流動(dòng)水流和脈絡(luò)相通的通道，該通道在一定程度上反映河湖水系連通狀況和水流的連續(xù)性，其水系連通程度對(duì)水資源多寡具有一定的指示作用。鑒于此，根據(jù)1956—2017年荊南三口流域四站(新江口無斷流)斷流天數(shù)與水系連通度數(shù)據(jù)，計(jì)算出斷流天數(shù)與水系連通度的Pearson相關(guān)系數(shù)為0.78，這表明，水系連通度與水資源量關(guān)系密切，即荊南三口流域水資源變化受水系連通程度的影響。由河流數(shù)量、河長(zhǎng)、河網(wǎng)密度、水面率、支流發(fā)育系數(shù)、河網(wǎng)復(fù)雜度、水系分維數(shù)與水資源的相關(guān)系數(shù)可知，表征水系連通狀況的7個(gè)水系結(jié)構(gòu)參數(shù)在一定程度上對(duì)水資源量產(chǎn)生極其重要的影響。

通過計(jì)算水系連通性變異前后徑流序列的經(jīng)驗(yàn)頻率，選取1966年、1959年、1972年分別代表變異前的豐水年、平水年和枯水年，1996年、2008年、1994年分別代表變異后的豐水年、平水年和枯水年。將水系連通性變異前后荊南三口流域典型年月徑流量和年徑流量作對(duì)比分析，結(jié)果表明，水系連通性變異后，荊南三口流域豐水年、平水年、枯水年年徑流量分別減少522.06億m3、416.26億m3和251.20億m3，這意味著研究區(qū)典型年水資源量減少同等數(shù)量，其原因除了與荊南三口流域同期降雨偏少密切相關(guān)外，與河流數(shù)量減少、河道長(zhǎng)度縮短、河網(wǎng)密度減小、水面率降低等存在很大關(guān)系。從典型年月徑流量來分析，水系連通性變異后，荊南三口流域豐水年7月月徑流量增加7.28億m3，其余月份月徑流量均為減少，其中9月減少了258.46億m3，月徑流量小于1億m3的月份由1個(gè)增至4個(gè)，且最小值由0.81億m3(3月)減至0.07億m3(1月)；平水年9月、11月月徑流量增加，其余月份為減少，其中3月、4月、5月、6月、7月、8月、10月月徑流量降幅達(dá)到10億m3以上，甚至有的月份超過100億m3，1—3月月徑流量均小于0.5億m3；枯水年2月、10月、12月月徑流量增加，其余9個(gè)月份為減少，月徑流量最大值均未超過100億m3，1—3月月徑流量均小于0.15億m3，4月、5月、11月、12月月徑流量在3.9億～8.9億m3。由此認(rèn)為，水系連通性變異后荊南三口流域年徑流量呈下降趨勢(shì)，不同典型年減少程度不同，枯水年年內(nèi)水資源調(diào)配次數(shù)多(3次增加)，月水資源量偏少，平水年次之(2次增加)，月水資源量較變異前降幅大，豐水年一般(1次增加)，月水資源量年內(nèi)變化幅度大。從水資源開發(fā)利用的角度上講，水系連通性變異后荊南三口流域水資源開發(fā)利用難度增大。

4.2 對(duì)水文干旱的影響

水文干旱是指河川徑流低于其正常值的現(xiàn)象，表征可利用水量在特定面積、特定時(shí)段內(nèi)的短缺。如果在一段時(shí)期內(nèi)，流量持續(xù)低于某一特定的閥值，則認(rèn)為發(fā)生了水文干旱，水文干旱的發(fā)生對(duì)水資源開發(fā)利用帶來嚴(yán)重的沖擊。運(yùn)用游程理論定量識(shí)別出荊南三口河系水文干旱特征變量為干旱歷時(shí)、干旱強(qiáng)度和峰值。對(duì)比分析水系連通性變異前后水文干旱特征變量，結(jié)果表明，水系連通性變異后荊南三口河系水文干旱次數(shù)呈增長(zhǎng)趨勢(shì)[1]，不同河系的增長(zhǎng)幅度不同，松滋河?xùn)|支水文干旱次數(shù)由34年62次增至28年134次，松滋河西支由71次增至220次，虎渡河由76次增至201次，藕池河?xùn)|支由233次增至239次，藕池河西支由107次增至215次；水文干旱歷時(shí)增長(zhǎng)，較高干旱歷時(shí)頻次增大，平均干旱歷時(shí)增大，以藕池河?xùn)|支康家崗為例，干旱歷時(shí)最大值從13個(gè)月增至19個(gè)月，9個(gè)月干旱歷時(shí)頻次增多，10個(gè)月、15個(gè)月干旱歷時(shí)開始出現(xiàn)，干旱歷時(shí)平均值從6個(gè)月增至7個(gè)月；水文干旱強(qiáng)度和峰值增加，最大值、平均值和中位數(shù)均呈上升趨勢(shì)。由此可見，水系連通性變異后荊南三口河系水文干旱次數(shù)增多，干旱歷時(shí)增長(zhǎng)，較高干旱歷時(shí)頻次和平均干旱歷時(shí)增大，干旱強(qiáng)度和峰值增大，這意味著出現(xiàn)干旱事件的頻次概率增大，時(shí)間增長(zhǎng)，缺水量增多，水資源短缺問題嚴(yán)峻，對(duì)水資源開發(fā)利用造成負(fù)面影響。

4.3 對(duì)水資源開發(fā)利用的影響

隨著水系連通性在20世紀(jì)90年代發(fā)生明顯變異，荊南三口松滋河?xùn)|支、松滋河西支、虎渡河、藕池河?xùn)|支、藕池河西支平均徑流量比變異前有著不同程度的減少，這勢(shì)必對(duì)水資源開發(fā)利用造成一定影響。鑒于此，為定量識(shí)別水系連通性對(duì)荊南三口流域不同河系水資源開發(fā)利用的影響，本文從水系連通性變異前后不同河系徑流量變化趨勢(shì)、斷流天數(shù)變化過程視角做進(jìn)一步探討。

由圖3可知，水系連通性變異后荊南三口流域五河系徑流量呈不均勻下降趨勢(shì)，各河系多年平均徑流量大小順序的位置除藕池河西支有影響外，其余保持不變，從大到小依次為松滋河?xùn)|支、藕池河西支、虎渡河、松滋河西支、藕池河?xùn)|支，說明水系連通性變異對(duì)三口流域五河系徑流量影響具有同向性，無選擇性影響。根據(jù)各水文站徑流量變化過程線可知，水系連通性變異后，松滋河?xùn)|支年徑流量由在300億m3上下波動(dòng)變?yōu)槌蔬f減變化趨勢(shì)，年徑流量最低值為84.12億m3；松滋河西支年徑流量遞減率比變異前降低，但在變異前的基礎(chǔ)上持續(xù)遞減，其徑流量最低值僅為4.42億m3；虎渡河年徑流量變異后在變異前的基礎(chǔ)上下降率持續(xù)遞減，年際變幅較大，最大年徑流量達(dá)到180億m3，最小值只有十幾億m3；藕池河?xùn)|支年徑流量本身就只有50億m3，變異后在變異前的基礎(chǔ)上下降率持續(xù)遞減，使得有的年份年徑流量低于0.5億m3；藕池河西支由遞減變化趨勢(shì)變?yōu)槿踉黾于厔?shì)，但總體還是低于變異前，年徑流量高于藕池河西支、虎渡河、松滋河?xùn)|支，低于松滋河?xùn)|支。水系連通性變異后三口流域五河系年徑流量地區(qū)分配不均衡，年際相差大，對(duì)三口流域內(nèi)水資源開發(fā)利用極為不利。主要表現(xiàn)在：一是枯水年可開發(fā)利用的水資源減少，且河系之間差異較大，松滋河?xùn)|支1994年徑流量168.1億m3，松滋河西支29.44億m3，虎渡河76.45億m3，藕池河?xùn)|支2.231億m3，藕池河西支67.47億m3，季節(jié)性缺水問題突出；二是受地形因素限制，三口流域興建提引水利工程不能有效解決工程性缺水問題。

(a) 新江口和沙道觀水文站

(b) 彌陀寺和管官鋪水文站

(c) 康家崗水文站

通過對(duì)荊南三口流域四站(沙道觀、彌陀寺、管家鋪、康家崗)不同時(shí)段平均斷流天數(shù)對(duì)比可知，水系連通功能變異下，松滋河?xùn)|支沙道觀站多年平均斷流天數(shù)比變異前增加約131 d;虎渡河彌陀寺站多年平均斷流天數(shù)比變異前增加約101 d，藕池河西支站管家鋪站多年平均斷流天數(shù)比變異前增加約 88 d，其東支康家崗多年平均斷流天數(shù)比變異前增加約23 d，斷流天數(shù)的增加意味著可利用水資源量的減少，進(jìn)而加劇了水資源開發(fā)利用的難度。斷流天數(shù)的增加，水系連通不流暢，水流持續(xù)性打斷，水資源短缺現(xiàn)象嚴(yán)重。據(jù)統(tǒng)計(jì)，藕池河西支管家鋪站11月至次年4月常出現(xiàn)斷流，一年中斷流天數(shù)達(dá)到 267 d[21]，季節(jié)性水資源短缺問題凸顯，旱災(zāi)頻發(fā)，尤其是水系連通性變異后斷流時(shí)間的延長(zhǎng)，使得旱災(zāi)頻率增大。

5 結(jié) 論

a.水系連通性變異后荊南三口流域特征水位變化趨勢(shì)顯著，年平均水位降低，年最高水位、年最低水位年際相差增大，年徑流量較小，變化幅度大且年內(nèi)分配不均勻，易造成旱澇災(zāi)害，對(duì)水資源開發(fā)利用產(chǎn)生消極影響。

b.水系連通性變異后荊南三口流域年徑流量呈下降趨勢(shì)，月水資源量較變異前降幅大，從水資源開發(fā)利用的角度上講，水系連通性變異后荊南三口流域水資源開發(fā)利用難度增大。

c.水系連通性變異后荊南三口流域河系水文干旱次數(shù)增多，干旱歷時(shí)增長(zhǎng)，較高干旱歷時(shí)頻次和平均干旱歷時(shí)增大，干旱強(qiáng)度和峰值增多，這意味著出現(xiàn)干旱事件的頻次概率增大，時(shí)間增長(zhǎng)，缺水量增多，水資源短缺問題嚴(yán)峻。

d.水系連通性變異后荊南三口流域五河系年徑流量地區(qū)分配不均衡，年際相差大，1994年松滋河?xùn)|支徑流量168.1億m3，松滋河西支29.44億m3，虎渡河76.45億m3，藕池河?xùn)|支2.231億m3，藕池河西支67.47億m3，對(duì)荊南三口流域內(nèi)水資源開發(fā)利用極為不利。