人类活动对洞庭湖区荆南三河径流变化的定量影响

张洪波，曹 巍，张双虎，张艳平

(1.长安大学 环境科学与工程学院，陕西 西安 710054； 2.长安大学 旱区地下水文与生态效应教育部重点实验室，陕西 西安 710054； 3.中国水利水电科学研究院 水资源研究所，北京 100038)

0 引 言

近年来，受气候变化和人类活动双重影响，部分地区的河流水文过程发生了显著变异[1-2]，一系列的非一致性特征对传统水文学的应用假设提出了严峻的挑战[3]。传统水文学认为，水文序列是将具有同一统计指标的水文参数值按其发生的时间先后顺序排列而成的数列，依据其时间序列特性，可基于已有历史数据对未来的水文变化进行预测；当非一致性问题出现时，水文序列的统计特征参数发生变化，由历史数据推估未来水文走向的假设也将不复存在[4]。从成因角度来看，水文序列主要受确定性因素影响，同时许多随机和不确定性因素也在扰动径流过程。因此，水文时间序列常被划分为确定性成分和随机性成分。随机性成分为由随机和不确定性因素综合作用引起的不规则震荡，往往很难从物理机制角度加以解释或描述；而确定性成分则基于一定的物理机制形成，如地球公转和自转使水文序列包含确定性的(年、月)周期成分，以及气候变化导致的水文序列在一定时间内表现出明显的趋势变化等。水文序列的非一致性变化也主要集中在确定性成分上，如气候的趋势性变化、下垫面条件的非逆转改变等都会影响流域产汇流过程，进而形成差异性的水文序列；此外，人类大规模的涉水活动也会改变河道内原有的水流情势，使水文序列发生变异。由于水文序列系多因素综合驱动的结果，故不同因素导致的变异成分在时域上存在叠加问题，很难被肉眼直接观察到，因此，多需要通过统计学检验方法来识别与诊断[3]。

目前，水文变异识别方法众多，其中大量的统计学方法被引入到了水文序列均值变异诊断领域，如累积距平法，(滑动)t检验，(滑动)F检验，线性回归法，STARS法[5]，CUSUM、Pettitt、Mann-Whitney U检验，Wilcoxon秩和检验，Mann-Kendall等非参数检验法和Bayesian变异分析法等。趋势变异虽被频繁提及，但因受到统计时段的影响，全局性趋势和局部性趋势较难界定，故并未有公认的检验方法。而水文序列的方差变异虽渐受重视，但识别方法较少，常见的仅有Rodionov法[6]和迭代累积平方和(Iterative Cumulative Sums of Squares,ICSS)法[7]。从以上分析不难发现，尽管学术界对不同水文统计参数的变异特征均有研究，但对从多参数进行水文序列综合变异分析极为有限，亟待开展研究。

荆南三河位于洞庭湖口门河系中，长江水通过其分流分沙进入洞庭湖，经湖泊调蓄后从城陵矶重汇长江，是连接长江与洞庭湖的纽带。长江与洞庭湖相互作用、相互影响，形成了独特的江湖关系[8-16]。江湖关系的变化影响着区域洪涝灾害防治、水资源开发利用和湿地生态环境保护等问题，是长江中游和通江湖泊治理的核心问题之一[17]。20世纪50年代以来，在洞庭湖区和荆江上下河段发生了大规模、高频次的人类活动，例如拦河建坝、疏河建闸、河道裁弯、修堤筑岸、围湖造田等，对荆南三河的径流过程和江湖水沙交换造成了深刻影响[18-21]。本文拟采用STARS法和ICSS法从均值和方差两个角度识别荆南三河水文变异的类型和时间，并通过梳理与水文变异同期发生的重大人类活动，揭示引起荆南三河水文变异的物理成因，探求人类活动对江湖演变关系的定量影响。

1 研究区概况

1.1 流域水系

荆南三河水系最早被称为四口河系，其是洞庭湖区的一部分，范围包括荆江南岸，洞庭湖北面松滋、太平、藕池、调弦四口及其分流到洞庭湖的河道(松滋河、虎渡河、藕池河、华容河，也称荆南四河)所组成的复杂河网。四口河系庞大，总面积约9 812 km2，约占洞庭湖区总面积的51%。四口河系地区是典型的平原水网区，夹有低山丘陵分布，大致形成北高南低、西高东低的趋势，地势上由较高的松滋河、虎渡河、藕池河渐次向最低的华容河出口过渡，受洪水冲决、泥沙淤积、水流冲刷切割的影响，河流总体由北向南流动，并受地形影响相互串流、相互交织。20世纪50年代以来，为了治理长江水患，四口河系及周边开展了大规模的涉水活动，如中子洲裁弯、上车湾裁弯、沙滩子裁弯、三峡水库建设与运行等，一系列的水事活动，使得区域径流量不断衰减，河流特征渐弱，平原特征发育明显[22-24]。图1显示了洞庭湖区河系范围及重要水事活动。四口河系之所以现在称为荆南三河，主要是因为1958年为控制江水入湖、扩大湖区耕地面积，在调弦口修建调弦口闸，同时在湖南境内的旗杆嘴兴建了六门闸，将其与洞庭湖分离。至此，原洞庭湖荆南四口分流演变为荆南三口分流，荆南四河演变为荆南三河，包括松滋河、虎渡河和藕池河。

1.2 水文站点分布及数据来源

新江口站是荆南三口分流松滋河(西支)的基本控制站，测验断面距松滋口42 km，距松滋河东、西支分流处12.5 km；沙道观站是松滋河(东支)的基本控制站，测验断面距松滋口47 km，距松滋河东、西支分流处17.5 km；弥陀寺站是虎渡河基本控制站，测验断面距太平口4.9 km；康家岗站是藕池河(西支)的基本控制站，测验断面距藕池口13.9 km，距藕池河东、西支分流处3 km；管家铺站是藕池河(东支)的基本控制站，测验断面距藕池口12.5 km，距藕池河东、西分流处2.6 km；康家岗站和管家铺站相距甚近，直线距离不足1 km。5个水文站基本覆盖了荆南三河所有干支流，且均为国家级水文站。本次主要收集了荆南三河五站(新江口站、沙道观站、弥陀寺站、管家铺站和康家岗站)1959～2014年的年径流数据，数据来源于湖南水文水资源勘测局和湖南省水利水电勘测设计研究总院。通过对径流序列的变异检验，本文将重点探讨其均值与方差变异特征，并透过归因分析，定量识别人类活动对荆南三河径流变化的影响。

2 分析方法

2.1 均值变异检验方法——STARS法

STARS法是Rodionov在2004年提出的一种连续数据过程技术[5-6]。该方法可在连续分析中采用类似滑窗的方法对序列进行均值跳跃变点的检验。STARS法的特点是能在最短的延迟期限内估计跳跃变异发生时间，克服了其他方法在时间序列末尾检验效能下降的缺点，并能准确判别零假设(假设跳跃变异是存在的)的有效性。

根据t检验确定具有统计意义的两个相邻跳跃变异序列均值之间的差异(Ddiff)。其表达式为

(1)

采用类似滑窗的连续过程技术，计算序列中每个变量与其之前l个变量均值的差值，若差值的绝对值大于Ddiff，则该点成为可能的跳跃变异点，记其位置为j；进一步计算其后l-1个变量与该均值的差值，若所有差值的符号保持一致，则说明位于位置j的变异点是显著的，若差值的符号不一致，则说明位于位置j的变异点并不显著，即该点不是变异点，滑窗向前滑动一步，重复上述步骤，直到序列结束。

需要说明的是，无论时间序列是高斯、红噪声过程，还是由不同统计特性的真实序列片段组成，统计检测并不能区分STARS法和其他方法孰优孰劣。对该方法取得结果的正确解释，需要理解截断长度l对变异识别结果的影响。截断长度l决定片段的最小长度，也正是基于截断长度l，变异的量级才能保持完整性。对所有发生一个标准差量级或少于一个标准差量级的跳跃变异，如果持续时间小于l，则其会被过滤出去；但对于具有两个标准差量级及以上的跳跃变异，持续时间少于l的片段也能通过检测[6]。

2.2 方差变异检验方法——ICSS法

ICSS法是一种中心化的累积平方和法[7]，配合迭代算法可实现多方差变异点的识别。

对于只存在一个变异点的情况，Dk曲线能提供一个满意的结果；而当存在一个以上变异点时，在大多数情况下，Dk曲线只显示出了两个变异点中更显著的一个。也就是说，当Dk函数被用于有两个及以上方差变异点的序列时，仅有较显著的那个很可能会被找到，其他点可能被忽略，即发生掩蔽效应。针对多个方差变异点的情况，Inclan等进一步优化了ICSS法[7]。其基本思想是对序列片段连续使用Dk函数的迭代方法：对整个序列用Dk函数进行检验，如果检测出一个可能的变异点，则把整个序列以变异点为界分为前后两个序列片段，然后对两个序列片段分别用Dk函数进行检验，如此下去直到所有的序列片段没有显著的变异点为止。为了确定变异点的显著性，将所有可能变异点按升序排列，构成变异点序列，计算每个变异点前后相邻两个变异点之间序列的Dk函数，若其最大值越过事先给定的置信边界，则该最大值位置处的点为新的可能变异点，否则说明该变异点并不显著，对新的变异点序列重复该操作直至变异点个数不再发生变化为止，即认为其收敛，此时的变异点序列即为最终的变异点序列。

图2 荆南三河五站年径流序列均值变异检验Fig.2 Mean Variation Test Results of Annual Measured Runoff Series at Five Stations of Three Streams in the Southern Jingjiang River

3 结果分析与讨论

3.1 变异检验结果

将洞庭湖区荆南三河五站的径流数据分别代入STARS法和ICSS法进行变异检验。由于ICSS法要求序列均值平稳，故在计算方差变异前，需应用STARS法的均值识别结果将序列进行均值平稳化处理。本文中均值变异检验和方差变异检验的显著性水平均取0.05，相关计算结果见图2、3。在均值变异上，新江口站、沙道观站、弥陀寺站、康家岗站和管家铺站年径流序列都检测到了向下的均值跳跃，即径流在变异点后有所缩减：新江口站于2006年发生了均值跳跃；沙道观站分别于1969年和2001年发生了两次均值跳跃；弥陀寺站于1969年和2001年发生两次均值跳跃；康家岗站于1969年发生了均值跳跃；管家铺站于1966年和1971年发生了向下的均值跳跃，且两次变异仅相距4年，变化较其他站点更为频繁、剧烈。方差变异主要发生于康家岗站，1966年该站实测径流发生方差跳跃变异，其后振动幅度明显减小，是5个站点中唯一的方差变异站。

从荆南三河五站的均值变异检验与方差变异检验结果不难发现，荆南三河在时域上变化较大，不仅河流水量有显著缩减，其年际特征上也存在一定变化，这种变化可能对洞庭湖区的江湖水量交换与水安全情势存在潜在影响，应当引起相关水管理部门的充分重视。

图3 荆南三河五站年径流序列方差变异检验Fig.3 Variance Variation Test Results of Annual Measured Runoff Series at Five Stations of Three Streams in the Southern Jingjiang River

3.2 变异归因分析

由以上分析可知，荆南三河五站年径流序列均发生了不同类型和不同程度的水文变异，且以向下均值跳跃变异为主。这种现象的发生并非偶然，而是与长江上游及荆南三河地区发生的强人类活动密切相关[25-28]。虽然长江上游的降水量在时域上也存在一定的趋势变化，但其主要集中在1958年之前和2010年之后[29]，故对本文的分析序列并无大的影响，遂可认为研究时域内的径流变异归因还是以相关人类活动为主。为了分析引起荆南三河径流变异的物理成因，将与变异同期发生的强人类活动统计于表1中(葛洲坝水电站为径流式电站，其运行期不

改变年际径流过程，故水电站运行不列入重大人类活动)，各分流口门距三峡大坝和下荆江(藕池口以上为上荆江，以下为下荆江)裁弯处的距离见图4。

注：“—”表示未发生变异。

由表1可以看出，变异点主要集中在两个时段，即1969～1971年和2001～2006年。在1969～1971年，荆南三河地区大规模的人类活动主要有3次，即中子洲裁弯、上车湾裁弯和沙滩子裁弯。上车湾裁弯对荆南三河的径流过程造成极大的影响，引起了松滋河东支(沙道观站)、虎渡河(弥陀寺站)和藕池河西支(康家岗站)3条河流发生水文变异，致使3条河流的水量急剧减少，这也是对荆南三河的径流过程影响最为显著的人类活动。中子洲裁弯影响有限，仅导致管家铺站径流序列发生均值跳跃变异。康家岗站径流序列因受到中子洲裁弯和上车湾裁弯两次裁弯的叠加影响，于1966年发生了方差变异，其后振幅减小明显。此外，管家铺站在1966年第一次均值变异的4年后，再次发生均值变异。结合上游几个站点的变异情况，综合考虑认为管家铺站1971年的变异是受上车湾裁弯后形成主航道的影响，而葛洲坝电站的建设非其主要影响因素。从空间来看，管家铺站和康家岗站均靠近藕池口，是距离下荆江裁弯最近的站点(图4)，故其受下荆江裁弯的影响也最大[30-32]，不仅造成管家铺站、康家岗站的均值跳跃变异，还造成康家岗站的方差跳跃变异，导致藕池河中支和东支的水量大量减少，分流能力持续减弱。而上游站点与这两站相比，变异幅度明显次之(图2、3)。

2001～2006年，影响荆南三河径流变化的因素主要是上游三峡水库蓄水运行。由表1可知，2001年三峡水库开始蓄水，导致沙道观站和弥陀寺站年径

流序列发生向下的均值跳跃变异，使得松滋河东支和虎渡河的水量在1969年发生大幅减少后，又在2001年进一步加剧，分流能力进一步减弱。2006年，随着三峡水库全面建成并蓄水至156 m，新江口站年径流序列发生向下的跳跃变异，松滋河西支的分流能力也被削弱。从空间位置来看，新江口站、沙道观站和弥陀寺站都位于上荆江水系，靠近上游的三峡水库，这3站在2001～2006年均发生一定程度的变异，但受分流影响，不同站点的变化略有不同。

综合以上分析可知，荆南三河的河道裁弯和上游三峡水库蓄水是其径流发生变异的主要原因。从空间规律来看，靠近三峡水库的上荆江水系新江口站、沙道观站和弥陀寺站都在2001～2006年发生了均值变异，康家岗站和管家铺站因距离三峡水库较远，2001～2006年基本无变异。而靠近下荆江裁弯处较近的管家铺站、康家岗站、沙道观站和弥陀寺站受中子洲裁弯和上车湾裁弯取直影响，均在1969～1971年发生均值变异，康家岗站还伴有方差变异。距离裁弯处较远的新江口站则主要响应了三峡水库的蓄变影响，基本未受下荆江裁弯的影响。

3.3 定量影响评估

为了定量识别各站径流序列对两大归因的响应，将各站均值和方差的变化幅度统计于表2中。受上车湾裁弯影响的站点包括沙道观站、弥陀寺站和康家岗站，但裁弯对这3站径流序列的影响程度却不尽相同。上车湾裁弯对康家岗站径流序列的影响最为显著，均值减小了78.12%，对沙道观站径流序列的影响居中，均值减小了43.64%，对弥陀寺站径流序列的影响最弱，均值减小了34.05%。从变化程度和空间分布看，愈靠近裁弯处，其影响愈剧烈。

表2 变异前后序列均值和方差统计结果Tab.2 Statistical Results of the Mean and Variance of the Series Before and After Variation

注：“—”表示未发生变异。

中子洲裁弯主要影响管家铺站和康家岗站的径流序列，其中管家铺站径流均值减小了24.15%，而康家岗站径流序列的方差减小了74.23%，导致康家岗站径流序列的年际波动幅度大幅减小，藕池河西支水量的年际分配更趋于平坦化。统计数据显示，管家铺站径流序列均值在1966年和1971年两次向下跳跃变异后，径流量减小了近73%，仅次于所有站点中变化最为剧烈的康家岗站。同时，由图1可知，康家岗站和管家铺站同属藕池河水系，两站直线距离不足1 km，下荆江裁弯导致整个藕池河的径流量相比1966年之前减少了469.41×108m3，严重影响洞庭湖区入湖水量，威胁洞庭湖水安全。

三峡水库蓄水的影响主要涉及与其距离较近的新江口站、沙道观站和弥陀寺站。统计结果显示，沙道观站和弥陀寺站的径流序列均值在2001年前后分别减小了41.68%和36.52%，而新江口站径流序列则在2006年三峡大坝全线建成后发生变异，均值减小了27.30%。对比这3站的总体变异特点，发现荆南三河地区的河道裁弯和上游三峡水库蓄水对沙道观站和弥陀寺站径流序列所造成的变异幅度基本相当，但在绝对量值上，无疑荆南三河地区的河道裁弯的影响更大。而新江口站因距离裁弯处较远，径流序列只受三峡水库蓄水影响，虽然其变异程度只有27.30%，但其绝对量值却是这3站中最大的，应引起足够的重视。

综合以上分析，荆南三河地区的河道裁弯影响水系中的沙道观站、弥陀寺站、康家岗站和管家铺站，减少流入洞庭湖水量约614×108m3，而上游三峡水库蓄水影响荆南三河水系新江口站、沙道观站和弥陀寺站，减少流入洞庭湖水量约174×108m3，两者合计影响近788×108m3的流入洞庭湖水量，占1966年之前荆南三河入湖水量的59.37%。

4 结 语

(1)洞庭湖区荆南三河水系新江口站、沙道观站、弥陀寺站、康家岗站和管家铺站均发生了径流均值跳跃变异，且变异点主要集中在1969～1971年和2001～2006年两个时段。此外，只有康家岗站径流序列于1966年发生了方差变异。

(2)荆南三河地区的河道裁弯和上游三峡水库蓄水是引发其径流发生变异的主要原因。河道裁弯驱动了1969～1971年沙道观站、弥陀寺站、康家岗站和管家铺站的均值跳跃变异和方差变异；三峡水库蓄水驱动了2001～2006年新江口站、沙道观站和弥陀寺站的均值跳跃变异。从空间分布来看，人类活动对径流序列的影响具有空间规律性，即人类活动只能影响到距其较近的河流，且随距离增加，影响趋小，而距其较远的河流基本不受影响，但受分流口条件影响，各站点径流变异略有差异。

(3)上车湾裁弯影响站点包括沙道观站、弥陀寺站和康家岗站，影响程度(径流均值变化幅度减少量)分别为43.64%、34.05%和78.12%；中子洲裁弯主要影响管家铺站和康家岗站，其中管家铺站径流均值减小24.15%，康家岗站径流序列方差减小74.23%；管家铺站径流序列经1966年和1971年两次跳跃变异后，径流量减小了近73%；三峡水库蓄水的影响主要涉及新江口站、沙道观站和弥陀寺站，影响程度分别为27.30%、41.68%和36.52%。

(4)对比沙道观站和弥陀寺站的径流变异特点，发现荆南三河地区的河道裁弯和上游三峡水库蓄水对这两站径流序列所造成的变异幅度基本相当，但在绝对量值上，荆南三河地区河道裁弯的影响更大。

(5)荆南三河地区的河道裁弯影响沙道观站、弥陀寺站、康家岗站和管家铺站，减少流入洞庭湖水量约614×108m3，而上游三峡水库蓄水影响荆南三河新江口站、沙道观站和弥陀寺站，减少流入洞庭湖水量约174×108m3，两者合计约788×108m3，占1966年之前荆南三河流入湖水量的59.37%。

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