1951—2015年洞庭湖水沙演变及人类活动对径流影响的定量评估

杨 敏，毛德华，刘培亮，刘 文

(1.湖南师范大学 资源与环境科学学院，湖南 长沙 410081； 2.湖南省第二测绘院，湖南 长沙 410118)

流域水文过程对气候变化和人类活动非常敏感[1]。气候变化是通过气温、降水、蒸发等因素影响流域水循环，而人类活动则主要是通过土地开发、水土保持、水利工程建设等方式改变流域下垫面特性，从而影响流域的水文过程。径流泥沙是流域水文因子中较为活跃的部分，其变化影响着流域内的生态环境和经济发展。如何定量评估气候变化和人类活动对水沙变化的影响，已成为当前水文水资源研究的热点和难点问题。

洞庭湖位于湖南省北部、长江中游荆江南岸，地跨湘鄂两省，是中国第二大淡水湖[2]，北纳长江的松滋、太平、藕池、调弦四口来水来沙(调弦口于1958年冬封堵，现为三口)，西南接湘、资、沅、澧四水，通过洞庭湖调蓄后经城陵矶再次流入长江，河网密布，河湖交错，水系十分复杂，水沙变异十分强烈[3-4]。洞庭湖是长江中游最重要的调蓄型湖泊之一，在维系洞庭湖区和长江流域水资源安全，洞庭湖区粮食安全、经济安全与湿地生态安全等方面具有重要的作用。在全球气候变化，长江中游先后经历了调弦堵口、下荆江裁弯，以及葛洲坝、三峡大坝等一系列水利工程建设的背景下，洞庭湖水沙演变规律受气候变化影响和人类活动的干扰变得愈加复杂，由此引发的洞庭湖区水问题及其连锁效应也呈现出更加复杂的局面，尤其是旱涝并存、区域性和季节性水资源短缺、流域自然环境持续恶化等一系列问题严重制约了湖区经济社会的可持续发展[3,5]。因此，研究气候变化和人类活动对洞庭湖水沙变异影响的定量识别及其驱动机理至关重要。

研究人员对于洞庭湖水沙变化特征及其驱动机理开展了一系列研究，如胡光伟等[6]对三峡工程运行后洞庭湖区水沙条件变化特征进行了分析，揭示了影响洞庭湖水沙变异的主要因素；代稳等[7]通过对洞庭湖水沙的阶段性研究，分析了影响水沙变化的驱动因素；谭芬芳[8]对洞庭湖入湖径流量进行了影响量分析。在上述研究成果的基础上，本研究运用线性趋势法、M-K非参数检验法、滑动T检验法、小波分析法等分析洞庭湖入出湖水沙演变特征，构建经验模型对洞庭湖入出湖水沙进行定量评估，以期为洞庭湖水资源管理和水资源配置工程建设规划制定提供理论依据。

1 数据来源及研究方法

1.1 数据来源

以湖南四水湘、资、沅、澧控制站湘潭、桃江、桃源、石门及荆江三口松滋口(新江口、沙道观)、太平口(弥陀寺)、藕池口(康家岗、管家铺)和城陵矶出口等10个水文站1951—2015年实测水沙数据作为洞庭湖入出湖水沙变化分析的基础数据，长时间水沙数据来源于湖南省水文水资源勘测局调查资料及《长江泥沙公报》。1960—2015年降水量数据选用洞庭湖区及周边气象站月降水量数据，涉及站点包括株洲、岳阳、湘阴、湘潭、桃源、桃江、宁乡、南县、马坡岭、临湘、临澧、澧县、华容、汉寿、常德、安乡、沅江、赫山、汨罗等19个站点，数据来源于中国气象数据共享服务网。

1.2 研究方法

1.2.1 Mann-Kendall(M-K)非参数检验法

Mann-Kendall(M-K)非参数检验法常用于对水沙长时间序列数据进行趋势突变检验分析，因其不要求原始数据服从特定概率分布，只满足时间序列随机独立即可，因此已被广泛应用于水文及气象长时间序列的变化趋势分析[7-9]。

1.2.2 小波分析法

小波分析是一种窗口大小固定但形状可变(时宽和频宽可变)的时频局部化分析方法，具有多分辨率分析的特点。根据小波分析法的基本原理，运用Matlab软件得出小波系数等值线图和小波方差图，对水沙序列数据的周期性进行分析。小波分析为水文系统长时间尺度分析研究提供了强有力的工具，目前研究手段已基本成熟，其在长时间水沙序列中的研究已有了一系列成果。

1.2.3 降水-径流多元线性回归经验模型

采用降水-径流多元线性回归经验模型定量评估气候变化对径流量的影响，其模型公式[10]为

Q=a+bPσc

(1)

式中：Q为计算出的年径流量，亿m3；P为实测年降水量，mm；σ为年内逐月降水量方差；a、b、c为基于基准期实测径流量、降水量、年内逐月降水量方差值率定的3个常数项。

洞庭湖流域位于亚热带季风气候区，年降水量大，气象因子中降水量对径流量的影响最大，因此本研究将降水量作为气候变化的主要因子，不考虑蒸发量等其他因子的影响。为定量评估气候变化和人类活动对径流量变化的影响率，将径流量序列以突变点为界划分为基准期和变异期，以年径流量、实测年降水量及年内逐月降水量方差为基础，通过构建降水-径流回归经验模型，定量计算变异期内的天然径流量，变异期径流量实测值与基准期径流量的差值为径流量总的影响量，变异期径流量计算值与基准期径流量的差值为变异期降水量变化对径流量的影响量，其余则为人类活动造成的径流量的影响量[11-15]。

2 洞庭湖入湖水沙演变特征

2.1 趋势分析

图1为洞庭湖入湖水沙变化趋势。由图1可看出，入湖径流量在1983年之前变化较为稳定，无明显持续上升或下降趋势，之后在1983—1988、2002—2009年呈下降趋势，在1989—2001年呈现上升趋势；输沙量下降趋势显著，除1951—1955、1960—1968、1978—1983年呈现出缓慢的上升趋势外，其余年份均呈现下降趋势；洞庭湖入湖历年径流量和输沙量线性拟合曲线的斜率分别为-18.125、-404.46。由此可见，1951—2015年洞庭湖入湖水沙变化均呈现下降趋势，只是相比较而言，输沙量下降趋势更加显著，以404.46万t/a的速度减少。

图1 洞庭湖入湖水沙变化趋势

2.2 突变点分析

图2为洞庭湖入湖水沙M-K检验统计值。由图2知，径流量、输沙量UF统计值，除径流量在1951—1955年和输沙量在1951—1958、1964—1965、1968年为正值外，其余年份均为负值，表明洞庭湖水沙总体上呈现出下降的趋势。入湖径流量的UF与UB统计值曲线在1976年相交，之后UF曲线突破了0.05显著性水平，说明洞庭湖入湖径流量在1976年发生了突变。输沙量的UF与UB统计值曲线相交于1993年，但因交点在显著性水平之外，无法判断其突变年份，因此结合滑动T检验法对洞庭湖入湖输沙量突变点进行进一步的检验。图3为洞庭湖入湖输沙量滑动T检验结果，由图3知，入湖输沙量序列先后于1980、1984、2003年突破显著性水平，可以认为入湖输沙量序列发生了突变，因此确定输沙量突变年份为1980年。

2.3 周期性分析

根据洞庭湖入湖水沙小波分析结果，径流量存在着4～6、10～13、22～25、33～37 a等4类尺度的周期性规律， 输沙量存在着12～16、20～25 a等2类尺度的周期性规律，其中径流量以33～37 a的周期性最为显著，呈现出3次丰水期-枯水期的交替变化，输沙量以20～25 a的周期性最为显著，呈现出4次丰水期-枯水期的交替变化，且变化较为稳定，具有全局性特征。结合小波方差图可知，洞庭湖入湖径流量序列主要存在5、11、23、35 a左右变化的主要周期，输沙量序列主要存在14、23 a左右变化的主要周期，其中径流量以35 a、输沙量以23 a左右的小波方差值最大，震荡最强。可以认为35 a为入湖径流量变化的第一主周期，23 a为第二主周期，此外还存在着5、11 a左右的周期；23 a为入湖输沙量变化的第一主周期，14 a为第二主周期。

(a)入湖径流量

(b)入湖沙量

图3 洞庭湖入湖输沙量滑动T检验结果

3 洞庭湖出湖(城陵矶)水沙演变特征

3.1 趋势分析

图4为城陵矶径流量和输沙量5 a滑动趋势线。由图4知，在1983年之前城陵矶径流量是波动变化的，没有呈现出明显的变化趋势，之后在1986—1998年呈微弱的增加趋势，在1999—2011年呈下降趋势；1951—2015年城陵矶输沙量下降趋势显著，除个别时间段存在微弱的波动增加趋势外，整体上呈现显著的减少趋势。城陵矶历年径流量和输沙量线性拟合曲线的斜率分别为-17.795和-84.934，表明城陵矶径流量和输沙量整体上均呈现出下降趋势，相比而言，输沙量下降趋势较径流量更为显著。

图4 洞庭湖出湖水沙变化趋势

3.2 突变点分析

图5为城陵矶水沙M-K检验统计值图。由图5知，城陵矶径流量较输沙量变化更为复杂，曲线波动性较大。径流量与输沙量的UF统计值除1951—1956年为正值外，其余年份均为负值，表明城陵矶径流量与输沙量在整体上呈现出减少的变化趋势。径流量的UF统计值和UB统计值曲线相交于1973年，输沙量的相交于1981年，且在之后径流量和输沙量的UF统计值曲线均突破了95%的置信水平，因此可以认为城陵矶径流量和输沙量分别在1973、1981年发生了突变，之后年份变化更加显著。

3.3 周期性分析

根据城陵矶水沙小波分析结果，城陵矶径流量存在着3～6、11～13、22～25、31～35 a等4类尺度的周期性规律，输沙量存在着3～5、10～13、19～25、31～35 a等4类尺度的周期性规律，其中径流量以31～35 a、输沙量以19～25 a尺度的周期性最为显著，均呈现出3次丰水期-枯水期的交替变化，变化较为稳定，呈现出全局性特征。结合水沙小波方差图可以看出，城陵矶径流量序列在5、12、25、35 a左右尺度、输沙量序列在4、11、23、33 a左右尺度小波方差的极值表现较为显著，说明城陵矶径流过程存在5、12、25、35 a，输沙量存在4、11、23、33 a左右变化的主要周期，其中径流量33 a、输沙量23 a的小波方差值最大，震荡最强。可以认为33 a为城陵矶径流量变化的第一主周期，25 a为第二主周期；23 a为城陵矶输沙量变化的第一主周期，33 a为第二主周期。

图5 洞庭湖出湖水沙M-K检验统计值

4 人类活动对洞庭湖入出湖水沙影响的贡献率定量评估

4.1 洞庭湖入出湖水沙关系

流域水沙关系反映了河流径流量和输沙量的匹配关系。为分析洞庭湖入出湖水沙之间的相关性，以洞庭湖入出湖水沙时间序列数据为基础，对洞庭湖入出湖径流量与输沙量的关系进行Pearson相关性分析。结果显示，洞庭湖入湖水沙的Pearson相关系数为0.800，出湖水沙为0.696，入出湖水沙在显著性水平值P<0.01时均呈现出极显著的正相关关系，表明洞庭湖入出湖径流量与输沙量变化趋势一致，呈现出“水大沙大，水小沙小”的变化规律。这一分析结果与谭芬芳[8]运用一元线性回归分析对洞庭湖水沙相关关系的研究结果相符。

4.2 人类活动对径流量的影响计算

考虑到洞庭湖入出湖水沙之间呈现出一定的正相关关系，计划定量估算气候变化与人类活动对洞庭湖入出湖径流量的影响率。根据之前对洞庭湖入出湖径流量突变点的分析，将入湖径流量时间序列划分为1951—1977年的基准期和1978—2015年的变异期，出湖径流量时间序列划分为1951—1973年的基准期和1974—2015年的变异期，以计算气候变化与人类活动对洞庭湖入出湖径流量的影响率。为了进一步计算不同时段降水量和人类活动对径流量的影响量，综合洞庭湖入出湖径流变化的特点及人类活动对洞庭湖径流的影响程度，将整个变异期以2002年为界，划定为变异期Ⅰ和变异期Ⅱ进行分析。以洞庭湖入出湖基准期的年径流量、年降水量及年内逐月降水量方差数据为基础，率定常数项及回归系数，得到的数学模型为

Q1=1 660.686+10.464Pσ-0.004

(2)

Q2=1 408.389+14.282P0.006

(3)

式中：Q1为入湖径流量，亿m3；Q2为出湖径流量，亿m3；其余符号意义同上。

利用构建的经验模型，定量估算降水量和人类活动对洞庭湖入出湖径流量的影响率，计算结果见表1。

表1 降水和人类活动对洞庭湖入出湖径流量的影响率

注：水沙数据时段为1951—2015年，降水量数据时段为1961—2015年，在计算影响量时采用1961年之后的数据进行计算。

由表1可知，在变异期Ⅰ洞庭湖入出湖降水量实测值均大于基准期，但径流量实测值却又都小于基准期，其中：洞庭湖入湖径流量总减少量为434.79亿m3，降水对径流量变化的影响量为25.19亿m3，影响率为-5.79%，人类活动对径流量减少的影响量为459.98亿m3，影响率为105.79%；出湖径流量总减少量为422.48亿m3，降水对径流量变化的影响量为67.23亿m3，影响率为-15.91%，人类活动对径流量的影响量为489.71亿m3，影响率为115.91%。由此可知，在变异期Ⅰ洞庭湖入出湖径流量受人类活动的影响较大，虽然降水量是增加的，但降水量的增加并未引起径流量增加，降水量并不是引起径流量减少的原因，降水量的增加只是减轻了人类活动对径流量减少的影响程度，径流量的减少主要是人类活动影响的结果。

在变异期Ⅱ，洞庭湖入出湖降水量、径流量实测值均小于基准期，其中：洞庭湖入湖径流量总减少量为793.97亿m3，降水量对径流量减少的影响量为36.56亿m3，影响率为4.60%，人类活动对径流量减少的影响量为757.41亿m3，影响率为95.4%；出湖径流量总减少量为831.14亿m3，降水对径流量减少的影响量为23.31亿m3，影响率为2.8%，人类活动对径流量减少的影响量为807.83亿m3，影响率为97.20%。分析可得，这一时段降水量的减少和人类活动共同作用导致洞庭湖入出湖径流量减少，但人类活动对径流量的影响远远大于降水量对径流量的影响。

在整个变异期内，洞庭湖入出湖降水量实测值均大于基准期，径流量实测值均小于基准期，即在整个变异期内洞庭湖入出湖降水量相比基准期是增加的，但实测径流量均是减少的，其中：入湖径流量总减少量为548.21亿m3，降水变化对径流量的影响量为5.67亿m3，影响率为-1.03%，人类活动对径流量的影响量为553.88亿m3，影响率为101.03%；出湖径流量总减少量为539.24亿m3，降水量变化对径流量的影响量为41.36亿m3，影响率为-7.67%，人类活动对径流量的影响量为580.60亿m3，影响率为107.67%。这表明降水量的变化并不是导致洞庭湖入出湖径流量减少的主因，人类活动干扰对径流量的影响远远超过降水量对径流量的影响。

5 结果与讨论

(1)洞庭湖入出湖水沙时间序列数据均呈现出下降的趋势，尤其入湖输沙量下降趋势最为显著，以404.46万t/a的速率减少。经检验，洞庭湖入湖径流量、入湖输沙量、出湖径流量、出湖输沙量均发生了突变，突变年份分别为1976、1980、1973、1981年，之后年际变化更加显著。此外，洞庭湖入出湖水沙还存在着不同尺度的周期性变化规律，入湖径流量变化的第一主周期为35 a，出湖径流量为33 a，入出湖输沙量均为23 a，入出湖水沙周期变化规律均较为一致，主周期年份基本接近。

(2)洞庭湖入出湖水沙序列之间呈现出显著的正相关关系，入湖水沙的Pearson相关系数为0.800，出湖水沙为0.696，且入出湖径流量与输沙量变化趋势基本一致，呈现出“水大沙大，水小沙小”的变化规律。

(3)基于基准期，建立降水-径流多元线性回归经验模型，对洞庭湖入出湖径流量的影响因素进行了定量评估。洞庭湖入湖径流量在变异期Ⅰ的总减少量为434.79亿m3，其中降水对径流量变化的影响率为-5.79%、人类活动为105.79%；出湖径流量在变异期Ⅰ的总减少量为422.48亿m3，其中降水对径流量变化的影响率为-15.91%、人类活动为115.91%。径流量的减少主要是受人类活动的影响，原因是在1974—2002年这一时段，洞庭湖流域经历了下荆江裁弯、葛洲坝建设、三峡大坝截流等一系列水利工程建设，对径流量的干扰十分严重，导致径流量减少。在变异期Ⅱ入湖径流量的总减少量为793.97亿m3，其中降水对径流量变化的影响率为4.60%、人类活动为95.4%；出湖径流量的总减少量为831.14亿m3，其中降水对径流量变化的影响率为2.8%、人类活动为97.20%。径流量的减少受降水量和人类活动的共同影响，原因是在2003—2015年，三峡水库正式蓄水运行，使得荆江三口入湖水沙量骤减，减轻了洞庭湖的泥沙淤积，湖区径流分配趋于均匀，改善了洞庭湖枯水期水质，但同时导致了严重的季节性缺水。在整个变异期，入湖径流量的总减少量为548.22亿m3，其中降水对径流量变化的影响率为-1.03%、人类活动为101.03%；出湖径流量的总减少量为539.24亿m3，其中降水对径流量变化的影响率为-7.67%、人类活动为107.67%。可见，洞庭湖入出湖径流量在整个变异期内的减少主要是受人类活动的影响。