湖南省水库与干旱情势空间匹配关系研究

危润初， 李淑雅， 欧阳琦， 龙秋波， 樊鸣放

(1.长沙理工大学 水利工程学院， 湖南 长沙 410114； 2.水沙科学与水灾害防治湖南省重点实验室，湖南 长沙 410114； 3.洞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；4.湖南省水利水电勘测设计规划研究总院有限公司， 湖南 长沙 410007)

1 研究背景

我国是一个水库大国，全国建有各类型的水库共98 822座，合理优化水库布局与管理是贯彻习近平总书记提出的“节水优先、空间均衡、系统治理、两手发力”新时代治水思路的必要要求。区域水库数量及分布首先是受人类需求所驱动，但同时也受到区域的地理环境所制约[1]。宏观地理环境是区域构造、岩性、气候等条件的综合[2]，在具有同一地理背景的区域内部，建库环境在空间上具有一定的均一性，但是在具有不同地理背景区域间的建库环境往往差别较大[3]。这种差别最终反映为以水库规模、水库数量、兴利库容等为表征的工程蓄供水能力的差异。多年来，学者们从局部空间尺度对水库建库条件开展了大量研究，主要集中在构造的稳定性[4]、库区基岩的防渗能力[5-6]、地形条件[7]等方面。虽然近年来有部分学者开始关注到区域水利工程分布的差异[8-9]，但均是以行政区划为单元开展的对比分析，很少有从宏观地理分异的角度进行分析。

受大气环流、下垫面等空间差异的影响[10-12]，不同地理区域间的多年气象干旱情势往往会有所差异[11,13]。近年来，有关干旱空间分异的研究方兴未艾[14-17]，但是大多数研究仅是从降水的角度进行对比，而事实上降水并不能反映干旱的全部面貌[18]。不同地理背景区域在土壤保水能力、土地利用模式、经济开发强度等方面存在差异，在遭遇同等气象干旱情况下的干旱烈度也会存在差异[19-20]。因此，对于某一地理区域来说，水库调节能力、气象干旱情势和区域需水强度三者之间会形成特定的匹配关系，充分理解不同地理区域的这种匹配关系对科学开展水利空间规划具有重要意义。

本文选择水库数量全国最多、地理分异明显的湖南省作为研究对象，对全省各类型水库按地理单元开展空间分区统计，并从分区人口、耕地、多年干旱情势等方面开展对比研究，力求揭示湖南省各地理分区水库调节能力、气象干旱情势和潜在的需水强度之间的匹配关系，为湖南省水利工程规划提供一定的理论参考。

2 数据来源与研究方法

2.1 研究区概况

湖南省地处云贵高原向江南丘陵地貌的过渡地带，整体呈北向开口的簸箕状地形。区内地形以山地、丘陵为主，且碳酸盐类岩石广布，岩溶发育强烈，岩溶区主要分布在湘西北、湘中和湘东南地区[21]。湖南省属大陆性亚热带季风湿润气候，夏秋季节多旱，降水较为集中，多年平均降雨量为1 450 mm。省内河网密布，水系发达，湘、资、沅、澧四大水系流入洞庭湖，经城陵矶汇入长江，形成较为完整的洞庭湖水系，水资源量丰富。全省耕地主要分布在洞庭湖平原区及湘中丘陵盆地一带，湘西、湘东南山地及一般丘陵区则以林地为主[22]。

湖南省是我国的水利大省，截止2016年，全省共建成各类型水库14 000多座，水库数量居全国第一，其中大型水库47座，中型水库362座。但是，受气候条件的影响，干旱仍然是制约湖南省经济社会发展的主要灾害因素之一。自新中国成立以来，湖南省旱灾年均成灾面积达104×104hm2，其中中旱以上面积为50×104hm2[23]。从空间分布上看，衡邵盆地是湖南省气象特旱频次与程度最突出的区域，其次为洞庭湖区[24]。

2.2 数据来源

本研究收集的主要数据及其来源为：(1)湖南省各类型水库的总库容、兴利库容，数据源为湖南省2019年水库信息数据库(数据统计至2016年)；(2)各县、市区面积、耕地面积等，数据源为湖南省2019年农业信息数据库(数据统计至2018年)；(3)各县、市、区常住人口，数据源为湖南省各市州统计信息网；(4)湖南省97个气象站(1981-2017年)的日降水监测资料，数据源为湖南省气象中心。

2.3 研究方法

2.3.1 空间对比分析 综合地层岩性[25]、地形、地貌[22]等因素，以县级行政区为基本单元将湖南省划分为9个区域，分别为：湘西北岩溶山地区(Ⅰ区)，湘西雪峰山地区(Ⅱ区)，湘中南岩溶丘陵区(Ⅲ区)，湘东南岩溶丘陵区(Ⅳ区)，湘东南罗霄-南岭山地区(Ⅴ区)，湘东南一般丘陵区(Ⅵ区)，湘东北丘陵区(Ⅶ区)，湘东北山地区(Ⅷ区)和洞庭湖区(Ⅸ区)，区域划分及水库分布见图1。

图1 湖南省地理条件区域划分及水库分布

本次研究即以上述9个区域为研究对象，通过对省内不同地理背景条件下的14 000多座水库开展分区空间统计，对比研究湖南省水库分布与干旱情势的空间匹配关系。

2.3.2 标准化降水指数(SPI) 标准化降水指数(SPI)是表征时段降水量出现概率多少的指标[13]，被很多学者应用于区域干旱程度的对比，其计算简单且具有多时间尺度的优点[13,26-27]。一般认为3个月时间尺度的标准化降水指数能够很好地反映农业缺水程度[15]。考虑到年内农业耕作时间，本研究仅将4-9月份的干旱情况开展空间对比。

按照文献[28]中的方法，计算研究区各年4-9月份3个月时间尺度的标准化降水指数(SPI-3)[28]，并按照干旱分级标准(表1)对各月进行干旱级别划分，利用公式(1)计算得到各气象站4-9月重旱级别以上的干旱频率Pi，并绘制干旱频率空间分布图。

表1 SPI干旱等级划分标准[28]

(1)

式中：n为发生重旱及以上干旱级别的次数；N为样本总数；i代表不同的气象站点。

3 结果与分析

3.1 湖南省水库分区统计

根据湖南省水库信息数据库2019年数据，对各分区各类型水库数据进行统计，并对水库数量密度及总库容密度进行分区对比，结果分别如表2和图2所示。

由表2可知，湖南省共建有大型水库47座、中型水库362座、小型水库13 688座，水库总库容分别为365.6×108、92.9×108和70.8×108m3。由图2(a)中水库数量密度的空间分布来看，湘东南一般丘陵区(Ⅵ区)最大，达到了1 046 座/104km2，其次分别为洞庭湖区(Ⅸ区)、湘中南岩溶丘陵区(Ⅲ区)、湘东南岩溶丘陵区(Ⅳ区)和湘东北丘陵区(Ⅶ区)，均超过了750 座/104km2，其余各区不大于550 座/104km2。需要指出的是，洞庭湖区虽然总体拥有较高的水库密度，但是该区水库主要分布在环湖高台地区，形成了全省水库密度最大的环湖水库带，而在洞庭湖平原腹地水库密度极小。由图2(b)中水库总库容密度的空间分布来看，湘东南罗霄-南岭山地区(Ⅴ区)拥有全省最大的库容密度值，但主要为东江水库、涔天河水库等大型水库所贡献，而小型水库的库容密度为全省各分区最低。此外，湘西雪峰山地区(Ⅱ区)大型水库库容密度也高达32.5×104m3/km2，仅次于湘东南罗霄-南岭山地区(Ⅴ区)。湘西北岩溶区(Ⅰ区)、湘东南一般丘陵区(Ⅵ区)大型水库库容密度处于第二层次的水平，库容密度在12.0×104～13.9×104m3/km2之间，而其余各区大型水库库容密度均在5.6×104m3/km2以下。就中小型水库库容密度而言，除湘东南罗霄-南岭山地区(Ⅴ区)外，其余各区库容密度在6.7×104～9.9×104m3/km2之间，其中库容密度最大为洞庭湖区(Ⅸ区)，其次为湘东南一般丘陵区(Ⅵ区)，最小为湘东南岩溶丘陵区(Ⅳ区)和湘东北丘陵区(Ⅶ区)。

图2 2019年湖南省水库数量密度及总库容密度分区对比

表2 2019年湖南省水库分区统计结果

3.2 湖南省水库供水能力与人口、耕地匹配分区对比

为了进一步分析湖南省水库供水能力与耕地、人口等分布的空间匹配情况，对全省按分区统计了耕地面积与人口，并根据各分区水库总兴利库容计算得到单位面积兴利库容与人均兴利库容，结果见表3和图3。

表3 湖南省水库兴利库容分区统计

图3 湖南省分区单位面积兴利库容与人均兴利库容空间分布

兴利库容又称调节库容，相较总库容，更能够直接反映水库的供水能力[29]。由表3和图3可知，全省单位面积兴利库容与人均兴利库容空间变化基本一致，空间上的分布呈现出明显的规律性。湘东南罗霄-南岭山地区拥有全省最高的单位面积兴利库容与人均兴利库容，分别为54 397.32 m3/hm2和3 286.53 m3，远超过其他各区。该区的这种特性主要由区内的3个特大型水库决定，包括东江水库(兴利库容52.5×108m3)、涔天河水库(兴利库容9.92×108m3)和双牌水库(兴利库容2.43×108m3)。湘西雪峰山地区和湘西北岩溶山地区处于第2层次，单位面积兴利库容和人均兴利库容分别为10 000～15 000 m3/hm2和790～1 100 m3。湘西地区位于云贵高原与江南丘陵的过渡地带，主要为山地地形，人口密度和耕地面积占比均处于全省较低水平，且该区拥有全省数量最多的大型水库，因此湘西两个区域拥有较高的水库供水能力。其余6个区整体处于第3层次，单位面积兴利库容和人均兴利库容分别在5 500 m3/hm2和340 m3以下，其中湘东北丘陵区单位面积兴利库容和人均兴利库容均为全省最低，分别仅为2 402.06 m3/hm2和87.60 m3。湘中南岩溶丘陵区与湘东南岩溶丘陵区单位面积兴利库容分别为3 285.75和3 430.22 m3/hm2，人均兴利库容分别为192.73和205.40 m3，两者非常接近。洞庭湖区受湖区平原水库数量太少、耕地面积占比和人口密度大的影响，单位面积兴利库容和人均兴利库容也分别仅为2 836.27 m3/hm2和207.89 m3。

3.3 湖南省水库供水能力与气象干旱匹配关系分析

收集湖南省97个气象站1981-2017年的日降水监测资料，统计得出湖南省多年平均降水量；基于标准化降水指数(SPI)及干旱分级标准，利用公式(1)得到湖南省各气象站1981-2017年4-9月3个月时间尺度的重旱级别及以上干旱频率空间分布，结果见图4。

由图4(a)可以看出，湖南省多年平均降水量空间分布变化较大。东部降水量丰富，其范围始于雪峰山脉北端，向湘东、湘南地区延伸，年均降水量约为1 400～1 600 mm。而洞庭湖区、湘西地区、邵阳岩溶盆地为湖南省三大降水量低值区，年均降水量仅为1 240～1 360 mm。而由图4(b)重旱以上频率的空间分布来看，湘中的衡邵娄盆地至湘西南一带是湖南省内重旱频率最大的区域，多在6.74%～7.46%之间。湘东北和湘东南则是省内重旱频率小值区，多在5.48%～6.38%之间，最小约为5.29%。

图4 湖南省多年平均降水量与重旱频率空间分布

一般认为，水库调节库容增大，径流调节能力增强，能够抵御的干旱烈度就越高[30]，即水库的调节能力对其所在区域干旱灾害的最终烈度有重要影响。而水利工程与干旱情势的空间匹配还会进一步影响水利工程群整体应对干旱的能力[29]，合理建设水利工程是区域应对干旱的强有力的支撑[31]。对前述水库的空间分布特征与多年平均降雨量、重旱频率空间分布展开对比可以看出，湖南省水库供水能力与干旱的空间分布存在明显的失衡错位。如在湘东南山地区，年平均降雨量大，重旱频率也相对较低，但是该区拥有全省最大的单位面积兴利库容和人均兴利库容，而在湘中南岩溶丘陵区以及湘东南一般丘陵区的西部，年平均降雨量小，重旱频率也大，但是单位面积兴利库容与人均兴利库容仅高于洞庭湖区和湘东北丘陵区，即该区存在明显的气象干旱与工程供水能力差的效应叠加。对于湘西北岩溶山地区和湘西雪峰山地区而言，虽然年均降雨量小、重旱频率也大，但是这两个地区的水库供水能力要远大于湘中南岩溶丘陵区。湘东南岩溶丘陵区在地质、地形、区内水库供水能力等方面与湘中南岩溶丘陵区近似，但是该区年均降雨量更大、重旱频率小，因此湘东南岩溶丘陵区的整体多年干旱情势好于湘中南岩溶丘陵区。洞庭湖区是全省三大降雨低值区之一，但是该区重旱频率全省最低，同时在外围岗地区拥有全省密度最大的中小水库群，在平原腹地河网密布，因此该区多年干旱情势也相对较好。

4 讨 论

(1)本研究主要基于地质与地形条件对湖南省进行分区，受数据来源的限制，选择以县级行政区为基本数据单元开展分区对比，但仍然与传统地貌分区[32]保持了较好的一致性。由于很多县级行政区跨越两个甚至多个地貌区，因此本文的不同分区边界存在一定失真，但是总体上对分区统计结果不会产生大的影响。另外，很多大型水库的主要服务区域往往为其下游的其他分区，而并非为水库坝址所在分区，这也会给分区统计结果带来较大影响。这种现象主要出现在湘东南罗霄-南岭山地区，但是为了更加清晰地反映出不同地理环境下水库的分布特征，本文未进行区域数据转移。

(2)湖南省水库空间分异与区域地形及地质等条件密切相关，图5为湖南省地形高程分布及地质简图。非岩溶山地区普遍山原耸立、河谷深切，地形变化较大，建库条件优良，大型水库数量和库容密度均较大，而在湘西北岩溶区，虽然地形切割强烈，但因区域岩溶特性，大型水库数量和库容密度明显要小于湘东南罗霄-南岭山地区和湘西雪峰山地区。在各丘陵区，地形起伏较小，优越的河流水文条件对水库建设显得更为重要，中小型水库占据主导地位，而大型水库密度相对较低。湘中南岩溶丘陵区和湘东南岩溶丘陵区均属典型构造溶蚀、剥蚀丘陵地貌区，极少发育大型地下水系统，主要分布中小型水库，大型水库密度处于全省较低水平。湘东北丘陵区与湘东南一般丘陵区地质、地貌条件近似，受湘江干流枢纽工程的贡献，大型水库密度要明显大于湘中南岩溶丘陵区和湘东南岩溶丘陵区，但不同的是，湘东北丘陵区是湖南省城市化的核心区域，其经济比重与人口密度均为全省最大，因此该区单位面积兴利库容和人均兴利库容均处于全省最低水平。湘东北山地区地处罗霄山脉北段，受断陷盆地的影响，湘东北山地区的山区河流流程一般较短，因此该区大型水库库容密度远低于其他山地区。洞庭湖区地势低平，在洞庭湖平原腹地，河湖纵横，水库密度极低；但在平原外围的岗地区，地层岩性仍以第四系沉积物为主，地貌主要以低山及微丘为主，受耕地面积大所带来的供水需求的驱动，岗地区拥有全省密度最大的水库群，这就使得洞庭湖区整体拥有全省最大的中小型水库库容密度。

图5 湖南省地形高程分布及地质简图

(3)湖南省现有水库空间分布特征差异明显，山地区单位面积水库库容要高于丘陵区和平原区，但是本次研究是以县级行政区统计数据为基础的大分区对比，掩盖了一些局部问题。就湖南省干旱情况而言，全省历史干旱总体上表现为谷地、盆地地区干旱严重且多发，而湖区及山地地区发生干旱情况相对较少[23]。山地耕地占比小，且山区林地有较强的水资源调蓄能力，但是在某些山地区域，特别是在湘西北岩溶山地区，耕地分散、地形复杂，灌区不配套，农业灌溉缺水等问题仍然难以解决。此外，在洞庭湖区，自三峡大坝运行以来，长江与洞庭湖之间的“江湖关系”也发生了很大变化，长江“四口”来水量减小、枯季洞庭湖水位逐年降低，使得湖区的干旱情势发生了很大转变，洞庭湖区的干旱问题正日益突出[33]。从长远来看，需要通过跨区域调水工程、平原水库工程及地下水开发工程来根本解决湖区缺水问题。

(4)区域干旱是多种干旱共同作用的结果。湘中南岩溶丘陵区受地质条件限制，多发育岩溶丘陵，耕地面积占比与人口密度均处在湖南省前列，经济社会需水量较大，但同时该区是湖南省有名的“旱极”，不仅多年平均降雨量要较外围地区少100 mm，而且气象干旱频率和程度也要大于其他区域[34]，因此该区域也被称之为“衡邵干旱走廊”。以往有关“衡邵干旱走廊”的研究多集中在气象方面，而从本文的统计结果来看，自然条件制约下的低水利工程调节能力也是本区干旱情势的重要影响因素。对于该地区的治理，需要加大区域统筹，通过新建大型水库及灌区工程来切实提高区域内的供水能力以提高整个区域的抗旱能力。

5 结 论

(1)湖南省水库分布具有明显的空间分异特征，与区域地质、地形等条件密切相关。湘东南一般丘陵区水库数量密度最大，其次为洞庭湖区、湘中南岩溶丘陵区、湘东南岩溶丘陵区和湘东北丘陵区，各山地区相对较小。从水库库容密度来看，湘东南罗霄-南岭山地区最大，其次为湘西雪峰山地区、湘西北岩溶山地区和湘东南一般丘陵区，但这些区域大型水库库容值占主导地位。在大部分丘陵区和洞庭湖区，主要以中小型水库为主。同样，不同分区水库供水能力与人口、耕地的匹配关系也有很大差异。湘东南罗霄-南岭山地区拥有最大的单位面积兴利库容和人均兴利库容，最大分别可达54 397.32 m3/hm2和3 286.53 m3，其次为湘西雪峰山地区、湘西北岩溶山地区、湘东南一般丘陵区和湘东北山地区。湘中南岩溶丘陵区、湘东南岩溶丘陵区、湘东北丘陵区和洞庭湖区单位面积兴利库容和人均兴利库容为全省最低，分别在3 450 m3/hm2和210 m3以内。

(2)湖南省水库供水能力与干旱的空间分布存在明显的失衡错位。湖南省年均降雨量总体呈现出“东多西少”的特征，其中洞庭湖区、衡邵盆地、湘西地区是湖南省三大降雨低值中心。而从重旱频率的空间分布来看，湘中的衡邵盆地至湘西南一带是湖南省内重旱频率最大的区域，在6.74%～7.46%之间，湘东北和湘东南则是省内重旱频率小值区，多在5.48%～6.38%之间。衡邵盆地不仅为降雨低值区，而且表现为较高的重旱频率，同时该区拥有较高的耕地面积与人口密度，工程供水能力也偏低，同时又地处岩溶区，下垫面保水能力不足，多因素的综合叠加影响，使该区域成为干旱情势最为严重的“衡邵干旱走廊”。