1988-2018年洞庭湖北部地区地表水资源量演变分析

黄 草， 姜 万， 冯迪子， 曾 杭,2， 周 慧

(1.长沙理工大学 水利工程学院， 湖南 长沙 410114； 2.洞庭湖水环境治理与生态修复湖南省重点实验室，湖南 长沙 410114； 3.湖南省水文水资源勘测中心， 湖南 长沙410007)

1 研究背景

洞庭湖是我国第二大淡水湖泊，也是长江中下游重要的调蓄湖泊，对长江中下游的水生态、水环境等方面具有重要作用。由于气候变化以及(长)江(洞庭)湖关系深度调整的影响，特别是长江荆江河段河槽冲深的影响，枯水季松滋、太平、藕池“三口”口门前长江水位下降，“三口”入湖径流量大幅减少，断流时间延长，洞庭湖北部地区已成为湖南省严重干旱缺水区。“三口”断流时间延长、湖泊水位降低、湖面萎缩以及湿地退化导致湖区水生态系统重新调整，从而使生物生境和生物多样性在一定程度上遭到破坏，湖区水生态保护任务更加艰巨复杂。因此，开展洞庭湖北部地区水资源演变规律研究，是解决该地区水资源供需矛盾的基础性研究，对规划和建设水资源配置工程具有十分重要的意义。

我国区域性水资源演变规律的研究始于北方地区，大量研究表明我国华北地区、西北地区、三江源地区等许多河流自1980年以来径流量明显减少[1-5]。宁怡楠等[6]利用M-K检验法和双累积曲线法分析了黄河中游1960-2015年的资料，发现黄河中游径流量显著减少；焦紫岚等[7]利用最小二乘法等方法分析了塔里木河近50年的径流资料，发现塔里木河年径流量呈现逐年减少趋势，减小幅度为3.03×108m3/10a；雷静等[8]分析了人类活动对长江流域水资源量演变趋势的影响，提出了相应的对策措施以及进一步深化研究的建议；管晓祥等[9]利用M-K非参数检验法分析了中国6个不同气候区典型流域水文站55年的水文资料，发现随着近年来气温的不断升高，各流域径流量均出现了不同程度的减少。这些研究对解析气候变化与生态环境的互馈影响以及科学制定流域水资源开发利用方案具有重要的作用。

随着洞庭湖北部地区水资源短缺问题的日益严峻，关于洞庭湖区及洞庭湖西北地区水资源量问题的研究也逐步开展。如，李静芝等[10]构建了洞庭湖生态经济圈水资源供需系统仿真模型，研究了该地区的需水量和供水量；胡春宏等[11]采用定额指标法和趋势预测法计算2030年洞庭湖区总需水量为132.8×108m3，缺水量为24.1×108m3，其中“三口”河系总需水量为49.9×108m3，缺水量为15.1×108m3。在水资源演变规律方面，孙思瑞等[12]通过构建模型并根据各调度方案计算不同方案下洞庭湖出口的水位变化过程，结果表明洞庭湖水位受到了蓄水期三峡水库蓄水的影响，其中10月份受到的影响较大；Cheng等[13]指出受三峡水库蓄水影响，洞庭湖秋季水位下降了0.52～2.26 m，年最低水位时间提前了5～35 d，洞庭湖的水文情势改变度达到了50.4%(中度改变)；徐幸仪等[14]等采用 Mann-Kendall 突变检验方法对洞庭湖出口控制水文站城陵矶(七里山) 及长江干流水文站枝城站、螺山站的1960-2015年流量、水位的年际和年内变化趋势进行分析，结果表明洞庭湖水位和流量年际变化趋势差异明显，表现为枝城、城陵矶(七里山) 、螺山3站的变化趋势大相径庭，同时长江上游水利工程尤其是三峡工程的修建，对洞庭湖水资源的调节影响明显；贺秋华等[15]采用掩膜处理、K-Means聚类方法分析城陵矶多年日观测水位数据，结果表明三峡水库对下泄量的调控在缓解洞庭湖洪涝灾害隐患的同时，也使得低枯水位提前1个月，且对洞庭湖枯水期的补给水量极其有限。目前，江湖关系持续调整，洞庭湖北部地区缺水风险继续增大，有必要立足新江湖关系重新研究该地区的水资源量以及变化趋势，以利于积极应对洞庭湖北部地区的干旱缺水问题。

因此，本文通过研究洞庭湖北部地区1988-2018年降水量、径流量的时空变化，评价分析了洞庭湖北部地区湖南省部分的水资源量及其演变规律；探讨了江湖关系调整对该地区过境水资源量的影响，重点分析了三峡水库蓄水前(1988-2003)、后(2004-2018)该地区过境水资源量的变化趋势，为进一步优化区域水资源配置与调度以及制定合理的水资源开发利用与保护措施提供科学依据。

2 研究区概况及数据来源

2.1 研究区概况

洞庭湖地区地跨湘、鄂两省，是国家生态保护和湖南省生态文明建设的战略要点。本文中洞庭湖北部地区主要为澧水洪道以东、草尾河以北、东洞庭湖以西的湖南省区域，即通常所说的洞庭湖“四口”(松滋口、太平口、藕池口和调弦口)水系地区，具体包括岳阳市的君山区和华容县、益阳市的南县(含大通湖区)和沅江市、常德市的安乡县共5个县级行政区(如图1)，总面积5 980 km2，2018年区域总人口92.2×104，农作物播种面积61.4×104hm2，地区生产总值1 298.3×108元。

2.2 数据来源

(1)降雨数据。选取洞庭湖北部地区时间序列完整、位置分布均匀的6个气象站点(君山、华容、南县、沅江、安乡和岳阳站，见图1)1988-2018年的日降水资料，这6个站点的资料较为完整且典型，能基本反映研究区域的降水特性。

图1 研究区及其水系分布图

(2)径流资料。选取荆南“三河”的5座控制性水文站(弥陀寺、新江口、沙道观，管家铺和康家岗站)1988-2018年的实测日流量数据分析评价研究区的过境水资源量及其变化趋势。

(3)水资源量资料。根据《湖南省第2次水资源调查评价》成果及岳阳、常德和益阳水资源公报成果(其中水资源公报数据年份为2010-2018年)，分析研究区域本地水资源量及其时空变化特征。

3 结果与分析

3.1 降水量及其变化趋势

基于君山、华容、南县、沅江、安乡和岳阳6个气象站1988-2018年的日降水量资料分析，洞庭湖北部地区降水量较丰富，多年平均降水量为1 309.6 mm，2002年降水量最大，为1 809.2 mm，2007年降水量最小，为1 038.6 mm。降水量年内分布以6月份最多，为183.7 mm；12月份最少，仅37.7 mm。

根据降水资料，统计出每10 a洞庭湖北部各区县的年均降水量及整个研究区的年均降水量，如图2所示。由图2可见，洞庭湖北部地区1988-1997年的年均降水量较大，1998-2007和2008-2018年的年均降水量明显减少，各县级行政区的降水量变化与整个地区的整体趋势类似；空间上沅江市的多年平均降水量最大，南县最小，具有南多北少的特点。为了进一步分析该地区年降水量变化趋势，绘制1988-2018年研究区年降水量过程线和5 a滑动平均线，如图3所示。图3表明，1988-2018年该地区的降水量年际间变化较大，年降水量最大值为最小值的1.74倍；1988-1997年降水量呈增大趋势，2000-2008年降水量呈显著减少趋势，2008以后年降水量再次呈上升趋势，但年际变化明显增大。

图2 1988-2018年研究区及各县级行政区分年代年均降水量 图3 1988-2018年研究区年降水量过程线及5a滑动平均线

3.2 本地水资源量

基于《湖南省第2次水资源调查评价》成果及岳阳市、常德市和益阳市的2010-2018年水资源公报成果，分析研究区各县级行政区1988-2018年年均本地水资源量及其变化情况，如图4所示。

分析图4可知，1988-2018年洞庭湖北部地区年均本地水资源量为32.33×108m3，2002年本地水资源量最多，为61.79×108m3，2007年本地水资源量最少，为12.51×108m3，年均本地水资源量最大值为最小值的4.94倍。沅江的本地水资源量年际变化最大，最大值与最小值之比达10.27；君山区的本地水资源量年际变化最小，最大值与最小值之比为3.18。空间上沅江市本地水资源量占比最大，为33.28%，南县最小，为14.37%。

图4 1988-2018年研究区各县级行政区本地水资源量年际变化

为了分析三峡工程建设前后洞庭湖北部地区各县级行政区本地水资源量的变化，将1988-2018年的多年平均水资源量划分为1988-2003年(三峡水库蓄水前)和2004-2018年(三峡水库蓄水后)两个时期进行统计分析，结果见表1。由表1可见，三峡工程蓄水后，洞庭湖北部地区多年平均水资源总量由蓄水前的38.90×108m3减小到蓄水后的30.07×108m3，减小幅度为22.70%。各县级行政区的本地水资源量变化与北部地区的整体趋势类似，5个县市的平均水资源量均有不同程度的减少。其中，沅江市的本地水资源量变化率最大，由13.21×108m3减小到9.69×108m3，减小幅度达26.65%，安乡县最小，减小幅度为16.35%。

表1 1988-2018年三峡水库蓄水前后研究区各县级行政区平均水资源量 108 m3

3.3 过境水资源量

洞庭湖北部地区的过境水资源量是指由荆南“三口”(即松滋口、藕池口和太平口，调弦口已于1958年封堵)分流长江水经松滋河、虎渡河以及藕池河干支流入洞庭湖的水量，其他跨流域调水量不计算在内。近30年来，江湖关系持续调整，“三口”分流水量出现了明显的变化，这是导致洞庭湖西北地区季节性干旱的重要因素之一[16-18]。选取荆南“三河”的5座控制性水文站(弥陀寺、新江口、沙道观，管家铺和康家岗水文站)1988-2018年的实测日流量数据来分析评价研究区的过境水资源量及其变化趋势。

3.3.1 过境水资源年际变化分析 基于荆南“三河”5个水文站的长系列逐日流量数据，分析得出的1988-2018年荆南“三河”年径流量特征值见表2。由表2可看出，1988-2018年荆南“三河”径流量年际波动较大，荆南“三河”的多年平均径流量为537.0×108m3，最大值为1 022.6×108m3，最小值为180.9×108m3，最大值与最小值之比为5.65。其中，藕池河的径流量年际变化最大，最大年径流量与最小年径流量之比达11.48。

表2 1988-2018年荆南“三河”年径流量特征值

为进一步分析三峡工程建设前后荆南“三河”过境水资源量的变化，将1988-2018年的逐日流量序列划分为1988-2003年(三峡水库蓄水前)和2004-2018年(三峡水库蓄水后)两个时期进行统计分析，结果见表3和图5。

表3 1988-2018年三峡水库蓄水前后荆南“三河”径流量及其变化率

由表3和图5可看出，三峡工程蓄水后，荆南“三河”的汛期(4-9月)的分流量减少，由蓄水前的年均552.3×108m3减小到蓄水后的427.4×108m3，减小幅度为22.6%；三峡工程蓄水后，“三河”中汛期径流量变化最大的为虎渡河，减少了34.2%，非汛期(10-翌年3月)虎渡河的分流量反而有所增加，年均非汛期分流量由4.9×108m3增加到5.7×108m3，增长了16.3%，由于非汛期总流量占比很小，虎渡河的多年平均分流量仍然呈减少趋势；蓄水后总年均分流量由蓄水前的608.7×108m3减少到471.4×108m3，减少了22.6%，其中藕池河的年均分流量减小幅度最大，为32.6%。

图5 荆南“三河”径流量年际变化过程线

分别采用参数Pearson线性相关检验法、非参数Mann-Kendall(M-K)秩次相关检验法和Spearman秩次相关检验法[19-20]进一步对1988-2018年荆南“三河”年径流序列进行趋势检验，得到趋势诊断结果，如表4所示。由表4可见，在α=0.05的显著性水平下，1988-2018年松滋河的径流量Pearson线性相关检验的减少趋势不显著，但两种秩次相关检验的减小趋势均为显著， 因此松滋河段的径流量减小显著；虎渡河和藕池河径流量的Pearson线性相关检验的减少趋势和秩次相关检验的减小趋势均为显著。因而，荆南“三河”的径流量存在显著的减小趋势。

表4 1988-2018年荆南“三河”年径流量序列趋势诊断结果(α=0.05)

3.3.2 过境水资源月变化分析 根据荆南“三河”各水文站的径流量序列，统计分析1988-2018年荆南“三河”多年月平均径流量占年平均径流量的百分比，如图6所示。图6表明，径流量的年内分配不均，其中汛期(4-9月)平均径流量大约占多年平均径流量的93.5%以上，松滋口、太平口、藕池口汛期径流量占比分别为91.1%、96. 9%、96.6%。非汛期“三河”来水很少，12-翌年3月基本处于断流状态，这对于研究区非汛期的水资源开发利用非常不利。

图6 1988-2018年荆南“三河”月平均径流量占年平均径流量的百分比 图7 三峡工程蓄水运行前后荆南“三河”月均径流量变化情况

通过计算分析三峡工程蓄水运行前后荆南“三河”各月平均径流量的变化情况，结果如图7所示。由图7可看出，三峡水库蓄水后，12-翌年5月荆南“三河”的径流量有所增大，径流量增加比例最大的为2月，增加了155%；6-10月荆南“三河”的径流量显著减小，径流量减少比例最大的为10月，减少了45%。虽然12-翌年5月荆南“三河”的径流量增加比例较大，但由于径流量增加的绝对值小，对湖区的水资源开发利用影响比较有限；而6-8月主汛期荆南“三河”径流量的减少增大了洞庭湖北部地区的“伏旱”风险，9-10月径流量的减少，将导致洞庭湖枯水期的提前与延长，引发“秋旱”，从而加剧洞庭湖北部地区的水资源短缺。

4 讨 论

基于洞庭湖北部地区1988-2018年的降水和径流资料，本文采用趋势分析、突变分析等方法研究其地表水资源的演变情势，以期为流域水资源开发利用与合理保护、区域引调水工程的规划与建设提供技术支持。

(1)本研究采用了研究区域近30年的水文资料以及湖南省水资源公报资料，数据来源可靠，为分析出科学合理结果提供了基础。从与其他学者的相关研究成果对比来看，李景保等[21]认为三峡大坝建成后洞庭湖北部地区水资源总量减少幅度为25%；贺秋华等[15]提出荆南“三河”径流量减少了109.3×108m3，减少幅度为18.3%，这些结论与本文研究成果基本一致。此外，本文进一步分析了三峡水库蓄水后荆南“三河”径流量的变化情况，其中10月份径流量减小幅度达到了45%，这对该地区的枯水期水资源利用带来了较大的负面影响。

(2)三峡大坝建成运行以来极大提高了流域的调蓄能力，对长江流域特别是荆江河段的防洪减灾有着重要意义。但同时也改变了上下游的水文情势，荆南“三河”的径流量明显减少[16，21]，枯水季洞庭湖北部地区的垸外河流水位大幅降低，低于向垸内引水和补水工程的最低取水水位，从而加剧了该地区的区域性和季节性缺水问题。与此同时，垸内水系由于得不到外河水补充，枯水季难以实现水体流动和交换，垸内水系的水环境问题依然严峻，水质型缺水直接影响了人民的饮水安全。

(3)洞庭湖北部地区季节性和区域性缺水问题，特别是9、10月份的过境水量大幅减少而引发的枯水季提前与延长的问题，使枯水年农业生产用水受到了较大影响，因此需要进一步研究洞庭湖北部地区的水资源配置问题，进而提出科学合理的水资源开发利用方案。一方面是考虑从水资源较为丰沛的长江流域和澧水流域引水，通过水利工程措施调丰补枯，从水量上缓解研究区枯水季缺水问题；另一方面是加强洞庭湖北部地区的垸内与垸外水系连通以及垸内互连，建设垸内水网系统，促进垸内垸外水体的交换，提升水体稀释自净能力，解决水系黑臭化的水质问题。

5 结 论

(1)1988-2003年洞庭湖北部地区年均本地地表水资源量为38.90×108m3，2004-2018年洞庭湖北部地区年均本地地表水资源量为30.07×108m3，减少了22.7%。

(2)荆南“三河”多年平均径流量(即洞庭湖北部地区多年平均过境水资源量)为537.0×108m3，汛期的平均径流量占多年平均的93.5%以上；非汛期荆南“三河”径流量很小，甚至断流。对比1988-2003年(三峡水库蓄水前)，2004-2018年(三峡水库蓄水后)荆南“三河”的总径流减少137.3×108m3，减少率为22.6%。

(3)2004-2018年(三峡水库蓄水后)，荆南“三河”12-翌年5月的径流量有所增加，6-10月的径流量显著减少，其中10月份减少幅度达45%，导致洞庭湖枯水期的提前与延长，甚至引发“秋旱”，加剧了洞庭湖北部地区的水资源短缺。