洞庭湖三口河系地区径流演变情势与农业用水面临的挑战

李 杨，杨文尧(.湖南农业大学经济学院，长沙 408；.国防科技大学信息系统与管理学院，长沙 40073)

随着全球气候变暖以及人类对水资源大规模开发利用，地表径流正发生显著变化[1]。这种变化已经不是一般意义上的随气候变化而呈现出的年内与年际变化，而是更多地烙上了人为因素的影响。在全球继续变暖的情况下，探索自然变化和人类活动影响的水资源演变规律是一个新的科学问题[2]。洞庭湖三口河系(松滋、虎渡、藕池三口)既是连接长江中游的纽带，又是沟通洞庭湖北部地区的水流通道。新中国成立以来，随着调弦口堵口(1958年)、下荆江三处裁弯(藕池至城陵矶段称下荆江1967-1972年)、葛洲坝截流发电(1981年)、三峡水库蓄水(2003年)等水利工程的相继运行，使长江中下游河道及三口水文规律发生了较大变化。因此，三口分流及江湖关系等问题受到众多学者的关注。彭玉明、段文忠等[3]研究了荆江三口的水沙变化，并提出五河并流的三口洪道治理设想；卢金友[4]探讨了荆江三口分流分沙规律；郭小虎等[5]重点研究了人类活动对荆江三口分流分沙的影响；渠庚、唐峰等[6]对洞庭湖入湖、出湖的水沙变化进行了研究等。然而这些研究只考虑了人类活动(水利工程)影响，未考虑气候变化的影响。鉴于此，本文通过Mann-kendall[7,8]、累积量斜率变化率比较法[9]等方法分析洞庭湖三口径流演变特征、影响因素，揭示径流变化对农业水资源开发利用的影响，以期为合理开发利用农业水资源提供科学依据。

1 数据来源及处理

分析三口径流时间序列变化特征的资料年限为1951-2012年; 由于降水资料不连续，为了使径流时间序列与降水时间序列同步，以松滋口(新江口和沙道观水文站)、虎渡河(弥陀寺水文站)、藕池口(康家岗和管家铺水文站)1960 -2012年的实测径流数据作为三口年径流趋势分析的依据，以南县气象站、澧县气象站、安乡气象站和华容等15个气象站的1960-2012年的实测降水数据作为降水因素分析的依据。水文数据来自于湖南省水利水电勘测设计研究总院；气象数据来自于中国气象局国家气候信息中心气候资料室提供的洞庭湖流域的国家气象站的降水资料，且所有的数据通过95%置信度均一性检验。

2 三口河系径流时间序列变化特征

2.1 三口河系径流年内变化

根据松滋(新江口、沙道观)、虎渡河(弥陀寺)、藕池河(康家岗、管家铺)三口5个控制站1959-2012年枯水期月平均流量统计(表1) 分析显示， 2003-2012年与1959-2002年枯水期各月平均流量都有一定的差值，即减少值， 其中以11月到次年4月的平均流减幅最大， 这说明三口河系径流量减少主要发生在三峡水库蓄水期(每年9月15日至10月31日为汛末蓄水期)。

表1 洞庭湖三口河系逐月平均流量统计表 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变化

分析不同时期长江干流枝城站和松滋、太平、藕池三口多年平均径流和枯季(10月-次年3月)径流变化特征(表2、表3)表明，长江干流枝城站多年平均径流量为4 384 亿m3，逐期变化不大。三口多年平均径流量由1951-1958年的1 479 亿m3，减少到2003-2012年的496 亿m3，减少983 亿m3，衰减幅度达66.5%。三峡水库蓄水后(2003-2012年)三口径流量为496 亿m3，分流比(三口各站径流量与长江枝城站径流量之比)为12.2%，其中2006年由于水量总体偏枯、水位较低，三口径流量仅183 亿m3、分流比6.2%，居历年最小值。长江干流枝城站枯期多年平均径流量1228亿m3，三口枯期多年平均径流量由1951-1958年的234 亿m3，减少到2003-2012年的52 亿m3，减少182 亿m3，递减幅度达77.8%。由此表明，三口在1951-2012年间多年平均径流量与分流比均呈逐期减少趋势，其中以枯水期的减幅最大。

3 三口河系径流变化趋势及其突变特征

为了进一步揭示三口河系径流的演变特征，运用Mann-Kendall非参数统计检验方法分析三口五站(新江口、沙道观、弥陀寺、康家岗、管家铺)多年平均汛期径流及年径流时间序列变化趋势。Mann-Kendall非参数统计检验方法，即非参数检验方法也称无分布检验，其优点是不需要样本遵从一定的分布，也不受少数异常值的干扰，更适用于类型变量和顺序变量，计算也比较简便。过去20年国际上关于Mann-Kendall方法应用研究的实例非常之多，已经广泛应用于检验水文气象资料的趋势成分，包括水质、流量、气温和降雨序列等[10-13]。

表2 长江干流枝城站和三口各站年径流与三口分流比 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 长江干流枝城站和三口各站枯期径流与三口分流比 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 三口河系汛期径流变化趋势

通过对三口多年汛期(5-10月)平均径流变化趋势分析可知，1960-2012年荆南三口汛期径流序列的M-K统计量为-6.139 2，其绝对值远小于显著性α=0.05时的临界值1.96，这说明三口汛期径流量年际变化趋势性为显著减少。从三口汛期径流量统计图上(图1)亦可看出，三口汛期径流量呈明显减少趋势。

图1 三口河系汛期径流变化趋势Fig.1 The runoff trend in the Three Outlets River System in flood season

再利用M-K突变分析法对三口汛期径流量的突变特征进行分析(图2)。三口河系汛期径流正、逆序列M-K统计量序列曲线的交点位于1972-1974年之间与1981-1983年之间，经相关分析可知，三口汛期径流变化过程中的突变年份为1973年和1982年。

图2 三口河系汛期径流M-K趋势变化过程图Fig.2 The M-K trend of the runoff in the Three Outlets River System in flood season

3.2 三口河系年径流变化趋势分析

对三口河系五个水文站统计序列年径流量进行M-K趋势检验分析(表4)。从表中可知，五站及五站总的径流序列M-K统计量分别为-3.993，-6.328 6，-6.707 4，-5.176 6，-7.117 8和-6.581 2，这些绝对值均远大于显著性α=0.05时的临界值1.96，说明三口径流量年际变化趋势性为显著减少。

表4 1960-2012年三口河系年均径流序列M-K统计检验结果Tab.4 the M-K test result of the annual average runoff series of the Three Outlets River System in 1960-2012

图3为三口河系1960-2012年的年均径流正序M-K统计量序列，从图3上可以明显看出，总体上讲三口的年径流增减趋势基本一致，但从各时段上看，在20世纪60年代前期三口年径流均为较显著增加，从1969年开始出现减少趋势，并从1973年开始超过显著性α=0.05的临界值-1.96，此后基本上呈持续减少趋势。

图3 三口年均径流系列正序M-K趋势变化过程图Fig.3 The forward M-K trend process of the annual average runoff of three outlets

利用M-K突变检验法, 分析三口河系及各站年径流序列变化过程中的突变点(图4)。三口河系总年径流正、逆序列M-K统计量序列变化曲线的交点位于1972-1974年之间和1981-1983年之间，表明三口河系年径流量发生趋势性变化的突变年份为1973年和1982年。这两个突变年份的出现，主要是由于人类兴修大型水利工程所致, 即1967-1972 年为下荆江(藕池口至城陵矶段)人工和自然裁弯时期，包括1967年5月实施的中洲子人工裁弯，缩短河长32.4 km；1969 年6月上车湾人工裁弯，缩短河长29.2 km；1972年7月19日沙滩子自然裁弯，缩短河长19 km。三处弯道裁弯后，荆江长度共缩短约78 km。受其影响，荆江曲率由原来的2.83减少为1.93，水力梯度增大，致使三口分流量减少[14,15]。1981年1月4日葛洲坝水利枢纽蓄水，三口年径流量呈递减趋势, 但递减幅度不大。2003年三峡水库拦蓄后清水下泄，上荆江(枝城至藕池口)河床冲刷下切，水位下降，三口入湖门槛抬高[16,17]，使三口断流时间延长和分流量减少，从而导致三口径流量进一步减少，但未出现突变年份。

图4 Mann-Kendall 检测法对三口河系年均径流变化趋势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 三口河系地区年降水突变年份

通过运用M-K突变分析法研究三口河系地区年降水量的变化趋势及其突变特征(图5)表明。1960-2012年三口河系地区年降水M-K统计量为1.225 8，小于显著性α=0.05 时的临界值1.96，说明三口流域年降水变化趋势性不显著增加。三口流域降水正、逆序列M-K统计量序列曲线的交点位于1967-1969年之间，由此判定该地区年降水量序列变化过程中的突变年份为1968年, 与径流突变年份不一致, 表明导致三口径流变化的主要因素并非是降水量。

图5 三口河系地区年降水量序列M-K统计量Fig.5 The M-K statistic of the annual precipitation series of the Three Outlets River System

4 降水量与水利工程对径流减小的影响贡献率

地表径流变化是区域气候因素与人类活动共同作用的结果。由前述的径流演变过程分析可知，三口河系径流减少主要与流域降水量变化及长江干流不同时期水利工程的运行密切相关。另一方面考虑资料的可取性，这里将降水量代表气候因子，将水利工程代表人类活动，以此分析它们各自对径流量减少的贡献率。

4.1 突变年份分割时期的径流量、降水量与年份之间的关系

基于径流量变化的两个突变点即1973年、1982年,将三口河系径流序列划分为3个不同时期：AR：1960-1973，BR：1973-1982和CR:1982-2012。将这3个时期的累积径流量与年份之间的关系[图6(a)]分别拟合为相互关系式,如式(1)、式(2)和式(3)，其中自变量x为年份，因变量Y为累积径流量(亿m3)，下标代表不同时期：

图6 三口河系累积径流量、累积降水量与年份之关系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)

以降水量变化中的突变点即1968年为界将三口河系地区年降水量序列划分为两个不同时期：AP：1960-1968，BP：1968-2012。这两个时期的累积降水量与年份之间关系[图6(b)]分别拟合出式(4)和式(5)所示的相互关系式，其中自变量x为年份，因变量Y为累积降水量(mm)，下标代表不同时期：

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，各拟合关系式的相关系数(R2) 都非常高，除了一个为0.986 9外，其他4个关系式都在0.99以上，表明具有较高的可信度。

这里必须指出的是，根据M-K检验法分析的三口河系径流突变年份(1973年与1982年)与降水突变年份(1968年)并不一致。鉴于此，本文只考虑长江干流大型水利工程运行对径流变化的影响，并将无人类活动(水利工程)影响的时段即1960-1968年作为基准期(在利用累计量斜率变化率比较法进行计算时亦以此时段为准)。

4.2 降水量和水利工程对径流量减小的影响贡献率

运用多元回归方法来分离自然和人类活动对径流量变化的贡献率比较常用，但因为各影响因素的权重赋值存在人为性，不同研究者得出的有关同一研究对象的研究结果相差较大，表明该方法存在较大局限性。为了更准确地解决这个问题，本研究采用一个新的分析方法：即累积量斜率变化率比较法[18]。其基本原理是假设累积径流量-年份线性关系式的斜率在突变点前后两个时期分别为SRa和SRb(亿m3/a)；累积降水量-年份线性关系式斜率在拐点前后两个时期分别为SPa和SPb(mm/a)，则有:

累积径流量斜率变化率RSR(%) 为：

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

(6)

累积降水量斜率变化率RSP(%) 为：

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

(7)

式中：RSR、RSP为正数表示斜率增大，为负数表示斜率减小。

鉴于此,降水量变化对径流量变化的贡献率CP(%)可以表示为：

CP=100RSP/RSP=

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

(8)

若不考虑气温变化导致蒸散量变化引起的径流量变化，则水利工程对径流量变化影响的贡献率CH(%)可表示为：

CH=100-CP

(9)

为便于分析不同时期降水量、水利工程对三口河系径流量减小的各自影响贡献率的变化，综合考虑径流和降水变化过程中的突变点，首先确定累积径流量和降水量序列变化中的两个拐点即1973年、1982年，然后将1973年、1982年前后分割为三个时期：1960-1973年、1974-1982年和1983-2012年，分别称为AR(其中1960-1968年为AR1时期即为基准期，1969-1973年为AR2时期)、BR和CR时期。然后将BR与AR1时期相比，累积径流量-年份线性关系式的斜率减少1 422.510 5 亿m3/a，减小率为36.27%(表5)。然后与同时期相比，累积降水量-年份线性关系式的斜率增加268.118 9 mm/a，增加率为5.53%(表6)。由人类活动基本无影响的AR1时期的累积径流量-年份的线性关系可知，假设BR时期无水利工程的干拢，则上述两个斜率的减小率应该是相等的。实际上地表径流变化是人为因素与自然因素综合作用的结果。通过公式(8)和公式(9)的实际计算结果可知，BR时期与AR1时期相比，降水量增加对径流量减少的影响贡献率为15.25%，而水利工程对径流量减少的影响贡献率为84.75%。CR时期与AR1时期相比，累积径流量-年份线性关系式的斜率减少1 969.989 5 亿m3/a，减少率为50.24%(表5)，这是降水量变化和水利工程运行共同影响的结果。同时期相比，累积降水量的增加率仍为5.53%(表6)。再根据公式(8)和公式(9)计算结果可知，CR时期与AR1时期相比，降水量增加对径流量减少的影响贡献率为11.01%，而水利工程对径流量减少的影响贡献率为88.99%，由此认为，近数十年来导致三口河系径流减少的主要因素是各个时期的水利工程。

表5 三口河系累积量径流斜率及其变化率Tab.5 The slope and its change ratio of the cumulative runoff of the Three Outlets River System

表6 三口河系累积量降水斜率及其变化率Tab.6 The slope and its change ratio of the cumulative precipitation of the Three Outlets River System

5 农业可持续发展中水资源利用面临的挑战

由上述分析的三口河系径流演变趋势表明：一是受降水变化及水利工程运行的综合影响，无论是枯水期径流量，还是多年平均径流量都呈明显减少趋势，尤其是以枯水期的减少量最显著；二是从农业水资源角度上讲，三口分流是洞庭湖三口河岸地区南县、华容、安乡等城镇供水及农业用水的主要来源，三口径流量的减少，则意味着该区在农业可持续发展中面临着水资源开发利用的严重挑战。

5.1 三口河系地区旱灾频发

洞庭湖三口河系地区工程性缺水与季节性缺水日益严重，致使农业干旱在四季均有可能发生，其中以伏秋连旱持续时间最长，有的年份可长达100多天。据统计分析，在1970-2012年间三口河系地区干旱年份有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年三口河系地区农作物受旱面积117.05 hm2，年均3.26 hm2。其中，1978年和2006年是本区罕见的旱灾年景。1978年该地区发生春、夏、秋连旱灾害，其中，南县受灾面积0.514 hm2；华容县春季受灾面积4.0 hm2，伏秋旱受灾面积3.72 hm2；安乡县共发生3次干旱，累计受旱面积8.41 hm2。2006年汛期降水量较同期偏少，蒸发量又大，加上三口分流量减少，导致洞庭湖三口河系地区发生了自2000年以来最严重的旱灾。其中，南县受旱面积3.4 hm2；华容县共发生2次大面积的干旱，第一次干旱共l6座水库及2950座山塘干涸，3.2 hm2农作物受灾，第二次干旱共35座水库及4130座山塘干涸，0.54 hm2农作物受灾，两次旱灾共造成农业直接经济损失6 000多万元；8月下旬，安乡县先后有2.5 hm2农作物受夏伏旱的影响，抗旱补救资金达500万元。

5.2 三峡水库蓄水后枯期水资源短缺更明显

因三峡水库蓄水库大坝清水下泄，长江中下游河道全线冲刷，上荆江(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、沙道观、弥陀寺、管家铺、沙道观)水位相应降低，导致三口断流时间延长，入湖分流量进一步减少，最终给三口河系地区的农业水资源开发利用造成不利影响，主要表现在两方面：其一是三口分流的逐期减小，导致该地区农业可利用水资源量逐年减少，特别是在枯水期季节性缺水问题日益突出：另一方面该区地势平坦，受地势等自然因素的限制，难以建设蓄水工程。现状供水以引提方式为主，而现有工程对水资源时空调节能力有限，加之三口河系在枯期水位很低，总的断流时间延长，使得引提水设施难以正常运行取水，工程性缺水现象加剧。受这两方面的综合影响，该地区的水资源不能满足农业生产的需水要求，2003年以来几乎每都给农业生产造成了不同程度的直接经济损失[19]。

5.3 不同水平年农业水资源供需存在较大缺口

据湖南省水利水电勘测设计研究总院对洞庭湖荆南三口河系地区2020、2030年的供、需水平衡状况(在现状水平年基础上，未考虑新水源开发等措施)计算分析表明：如果不采取开发水源等措施，随着经济社会的不断发展，各行业用水的缺口将日益增大，到2020 年，洞庭湖三口河系地区90%保证率总缺水量为44 127 万m3，其中农业生产缺水39 652万m3; 到2030年，该地区90%保证率总缺水量为43 362 万m3，其中农业生产缺水35 579 万m3。2030年农业生产缺水量之所以有所减少是由于有效灌溉面积增幅不大，灌溉水利用率有所提高，农业产业结构调整等原因所致。但总体上看农业水资源供需存在较大缺口，这表明三口河系地区农业可持续发展将受到水资源的约束，同时对水资源开发利用也提出了更高的要求。

6 结 语

(1)利用M-K检验分析法得出三口河系年径流变化趋势及汛期径流变化趋势都显著减少，年径流变化过程中的突变年份为1973年与1982年即1973年的转折点主要是华容河堵口，下荆江3处裁弯导致径流量减少引起的， 1982 年的转折点主要是下荆江3处裁弯和葛洲坝水利枢纽蓄水叠加影响导致的。各时期降水突变年份发生在1968年，与水利工程突变年份不一致。根据实测资料分析引起径流减少的主要原因是水利工程，本文将1973年、1982年作为分离水利工程与年降水量对径流变化影响贡献率的突变年份。

(2)以1960-1968年为基准期，运用累积量斜率变化率比较方法，计算得到流域降水量变化和水利工程运行对洞庭湖三口径流量减小的影响贡献率是：在1974-1982 年间分别为15.25%和84.75%，在1983-2012年间依次为11.01%及88.99%，水利工程运行对径流的影响贡献率呈缓慢增大趋势，而年降水量的贡献率呈缓慢减小趋势。

(3)三口河系径流是三口河岸地区城镇供水及农业用水的主要来源。从农业水资源角度上讲，三口河系径流的减少，则意味着水资源量的减少。随着本区农业生产规模的不断扩大，工程性缺水与季节性缺水问题日益凸现，到2020年在90%保证率下的总缺水量为44 127万m3，其中农业生产缺水39 652 万m3，表明农业供需水量缺口对该区农业可持续发展将产生不同程度的约束。

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