1953—2021年抚仙湖水位变化特征及驱动因素分析

杨文春,朱文祥,谷桂华

(云南省水文水资源局玉溪分局,云南 玉溪 653100)

抚仙湖是中国最大的深水型淡水湖,蓄水总量206.2亿m3,综合水质长期保持Ⅰ类,是滇中地区社会经济可持续发展的重要载体和生命线,被列入国家水资源战略储备库。现行《云南省抚仙湖保护条例》规定:抚仙湖最高蓄水位为1 723.35 m(1985国家高程基准,下同),最低运行水位为1 721.65 m。2009年以来,抚仙湖水位不断下降,其间2015—2018年略有上升,但2019年后又逐年下降,至今一直在法定最低运行水位以下波动变化。抚仙湖水位的持续下降态势,使湖泊水环境与水生态安全面临巨大风险。抚仙湖作为珠江源头第一大湖,其水生态安全直接关系滇中地区和泛珠三角经济圈的生态安全。因此,分析抚仙湖水位变化特征,剖析气候变化和人类活动对其的影响,对抚仙湖水生态保护具有重要意义。

很多学者对湖泊水位变化都有所研究。近年来,段伟利等[1]定量解析了巴尔喀什湖水位、流域气候和土地利用等变化特征,综合探讨了巴尔喀什湖水位的影响因素;李玉焦等[2]采用集合经验模态分解、水量平衡和气候弹性方法,对博斯腾湖近60 a水位变化及其影响因素进行了详细分析;叶许春等[3]基于对鄱阳湖开放水文系统特点和影响因素的深入分析,定量辨识了诸多因素对湖泊水位变化的影响,并对其作用机制进行了探讨;周丹等[4]利用水文资料和气象资料分析青海湖水位变化特征,揭示水位变化成因,并模拟预测青海湖未来30 a水位变化;韩非等[5]依据60多年的湖泊水位资料,分析东平湖历年水位变化特征,探讨其变化的自然和人为因素。对抚仙湖水位的相关研究,近年主要有:李加龙等[6]运用DYRESM水动力模型,对抚仙湖1959—2050年水位进行了模拟;谷桂华等[7]等基于IHA法和RVA法全面分析了抚仙湖生态水位需求;贺克雕等[8]基于实测水位数据研究了抚仙湖水位变化特征;张月霞等[9]利用IWIND-LR模型,模拟了抚仙湖水位变化过程等。参考现有研究成果,根据抚仙湖水位、出湖流量、流域降水和蒸发等长系列实测资料,结合流域内有关人类活动调查,相对定量分析气候变化和人类活动对抚仙湖水位变化的影响,以期为流域水资源合理利用、湖泊水生态环境保护等提供一定参考。

1 抚仙湖概况

抚仙湖位居滇中盆地中心,位于昆明市东南60 km处,地处长江流域和珠江流域分水岭地带,属珠江流域西江水系,位于滇中湖群五大湖泊(抚仙湖、星云湖、杞麓湖、阳宗海和滇池)的中心部位,与滇池、杞麓湖、阳宗海的水平距离分别为17、18、27 km,南部有2.5 km长的隔河与星云湖相通。跨澄江市、江川区和华宁县等三县市区,地理位置为东经102°39′～103°00′,北纬24°13′～24°46′。抚仙湖片区不仅位于云南省中部地带,而且也处于昆明、玉溪、曲靖三大城市和个(旧)开(远)蒙(自)城市群的中心,地理区位优势十分明显。抚仙湖地理位置见图1。

图1 抚仙湖地理位置

2 数据和方法

2.1 数据来源

本次分析采用的水位、流量、降水、蒸发等数据主要来源于云南省水文水资源局玉溪分局澄江海口水文站长期监测资料整编成果,以及江川站、澄江站、东大河、梁王河、茶尔山等雨量站降水监测整编成果,数据可靠;流域水资源开发利用相关数据来源于水资源公报和第三次水资源调查评价成果。

2.2 主要方法

2.2.1一元线性回归法和Mann-Kendall秩次检验法

采用线性趋势分析法中的一元线性回归法[10]进行抚仙湖水位年际变化趋势分析。一元线性回归法研究某一变量随时间的变化趋势,建立Y=bX+a,Y为依赖X的变化而变化的某一变量;a、b为回归方程的截距和斜率,根据斜率的正负可以得知某变量的变化趋势(若b>0,则当前系列为增加趋势;反之为减小趋势)。

采用Mann-Kendall秩次检验法(简称M-K法)[11-12]进行抚仙湖年际水位变化趋势的显著性检验。该方法是世界气象组织推荐并广泛使用的时间序列突变检验法。它不需要序列服从一定的分布,也不受少数序列异常值的干扰。因其检测范围宽,人为干扰少,定量化程度高,在水文和气象领域得到了广泛的应用。

2.2.2湖泊水量平衡法

湖泊水量取决于来水量和排水量之间的动态平衡关系,湖泊水量平衡指以湖泊水体为对象,在某时段内,湖泊水量的增量等于所有进入湖泊的水量减去所有排出湖泊的水量[13]。根据流域实际,确定抚仙湖水量平衡方程式为:

ΔW=Wr-Wz-(Wg+Wn+Wsh+Wst)аz′-Wc-Wd

(1)

该式简化后为:

ΔW=Wr-Wz-Wy-Wc-Wd

(2)

式中 ΔW——湖泊时段末与时段初蓄水量之差;Wr——湖泊天然入湖径流量,主要为降水产生的湖泊天然陆地入湖径流量与湖面入湖径流量之和;Wz——湖面蒸发量;Wg、Wn、Wsh、Wst——湖泊流域内人类工农业生产、生活用水量和生态用水量;аz′——流域内人类工业、农业生产用水、生活和生态用水总量的综合耗水系数,通常采用0.65;Wy——湖泊流域内人类工农业生产、生活用水量和生态用水量的耗水总量;Wc——湖泊从海口闸出湖水量;Wd——抚仙湖—星云湖出流改道工程调入星云湖水量。

2.2.3相对评判法

把抚仙湖水位变化系列划分为基准期和分析期,以基准期为本底,对分析期各要素作相对比较分析。气候变化和人类活动对湖泊水位变化的影响率根据式(3)、(4)估算:

(3)

φv=1-φP

(4)

式中φP——分析期流域降水对湖泊蓄水变化的影响率;WP——根据基准期流域降水与湖泊蓄水变量关系得到的分析期流域降水对应的湖泊蓄水变量;W1——分析期湖泊水位对应的湖泊蓄水量;W0——基准期湖泊水位对应的湖泊蓄水量;φv——分析期流域人类活动对湖泊蓄水变化的影响率。

3 水位变化特征

3.1 水位年代际变化特点

1953—2021年,抚仙湖多年平均水位1 722.02 m,最高年平均水位1 723.05 m(2008年)、最低年平均水位1 720.78 m(2014年)。抚仙湖历年水位变化过程见图2。

图2 抚仙湖1953—2021年水位变化过程

把抚仙湖1953—2021年年平均水位按年代际进行平均计算,以1953—1959年代表1950年代(1950s)、1960—1969年代表1960年代(1960s)、1970—1979年代表1970年代(1970s)、1980—1989年代表1980年代(1980s)、1990—1999年代表1990年代(1990s)、2000—2009年代表2000年代(2000s)、2010—2021年代表2010年代(2010s),得到各年代平均水位。

从年代际分析抚仙湖水位变化过程:各年代平均水位最高是2000s(1 722.81 m)、最低是2010s(1 721.43 m)。在2000年以前(1950s—1990s),抚仙湖年代际平均水位涨(落)变幅在-0.27～0.30 m之间;2000s较1990s上涨0.74 m;2010s较2000s下降1.38 m。见表1。

表1 抚仙湖1953—2021年水位年代际变化分析 单位:m

根据抚仙湖多年水位变化规律,把平均水位高(低)于抚仙湖多年平均水位0.50 m以上(下)的年代,相对划分为水位大涨(落)期;把平均水位较多年平均水位相差值在±0.50 m以内的年代,相对划分为水位一般涨落期。则抚仙湖水位2000年以前(1950s—1990s)为一般涨落变化时期,2000s为大涨时期,2010s为大落时期。

根据上述,结合图3中抚仙湖各年代际平均水位过程,可把1953—2021年抚仙湖水位年代际变化特点概化为:涨→落→落→涨→大涨→大落。

图3 抚仙湖1953—2021年逐年(年代)平均水位过程

3.2 水位变化趋势

采用一元线性回归法、肯德尔秩次检验法,对抚仙湖1953—2021年系列水位变化趋势进行分析检验,结果见表2。总体说明1953—2021年抚仙湖水位呈不显著下降趋势变化。

表2 抚仙湖水位年际变化趋势分析

3.3 水位年内变化特点

根据抚仙湖水位涨落变化特点,绘制不同时期的年内逐月平均水位过程,见图4。

a)1953—1999、2000—2009、2010—2021年各阶段年内月平均水位大小顺序为:2000—2009年(大涨时期)大于1953—1999年(一般涨落变化时期)大于2010—2021年(大落时期);2010年以来的近10余年间,月均水位分别比1953—1999、2000—2009年低0.57 、1.38 m。

b)1953—1999年(一般涨落变化时期)、2000—2009年(大涨时期)年内平均水位过程均在法定最高蓄水位与最低运行水位之间变化,2010—2021年(大落时期)年内平均水位过程均在法定最低运行水位以下变化。

c)3个阶段的年内变化过程均具有高度相似性,低水位均发生在5月,高水位基本发生在10月(9月偶有发生);一般6—10月为涨水期,11月至次年5月为落水期。

3.4 2010—2021年最低运行水位保障程度

2010—2021年是抚仙湖历史上较低水位时期,其多年平均水位和年内平均水位过程均在法定最低运行水位以下。分别以年、月、日平均水位来分析2010—2021年期间各项水位满足法定最低运行水位(湖水位大于等于1 721.65 m)的程度,用保证率表示:保证率=满足年(月、日)数/总年(月、日)数×100%。经统计计算得到:2010—2021年,抚仙湖年平均水位、月平均水位和日平均水位满足法定最低运行水位的保证率分别为33.3%、34.7%和35.9%。见表3。

4 影响因素分析

当湖泊水量呈现持续性减少或增加的趋势时,是湖泊水量的动态平衡状态已被严重打破。近20多年来,抚仙湖水位大幅上升和大幅下降,湖泊水量的变化显著。

在式(2)中,由于Wr、Wz是降水和蒸发要素(气候因子),Wy、Wc和Wd均为人类活动因素,所以认为抚仙湖水位动态变化的驱动因素主要是气候(降水、蒸发等)变化和人类活动影响,是两者综合作用的结果。

4.1 气候变化的影响

离散系数大小反映一组数据各值与其平均值之间的差异程度;离散系数越大,说明这一数据组的数据分布越不均匀,相反,离散系数越小,其数据组的数据分布就越均匀。计算抚仙湖1953—2021年蓄水变化量、流域降水产生的天然入湖水量以及1962—2021年湖面蒸发水量3个系列的离散系数,见表4。三者的离散系数比较,最大值是蓄水变量系列为-34.64,最小值是湖面蒸发量系列为0.06,流域降水产生的天然入湖水量系列的离散系数为0.29,说明蓄水变量系列年际变化最大,湖面蒸发水量系列年际变化最小,降水产生的入湖水量系列年际变化较大。

绘制以上3个系列数据的历年变化过程,见图5。从该图看出,流域逐年降水产生天然入湖水量过程年际间变化幅度较大(变化范围在1.6亿～6.3亿m3),且与抚仙湖逐年蓄水变量过程变化趋势具有高度一致性;而湖面蒸发量过程年际间变化起伏幅度较小(变化范围在2.3亿～3.2亿m3),其与湖泊蓄水变量过程没有明显的对应关系。

图5 抚仙湖年蓄水变量、流域降水和湖面蒸发量变化过程

根据以上降水和蒸发的年际变化特点,认为在影响抚仙湖蓄水动态变化的降水和蒸发2个主要气候因子中,蒸发量作为水量损失项,量大但相对稳定,对湖泊蓄水动态变化影响相对于降水来说较不明显;降水量作为水量来源项,量大且年际变化也大,较蒸发显著影响湖泊水资源量变化大小,是抚仙湖蓄水动态变化最主要的气候影响因子。

建立全系列(1953—2021年)和不同时期系列(1953—1999、2000—2009、2010—2021年)流域降水量和抚仙湖蓄水变量的相关关系,见图6,两者均为线性正相关关系,具体表现为:①在全系列(图6a)中,两者相关系数为0.830 0,说明两者总体具有较好的相关关系;②在1953—1999年系列(图6b)中,两者相关系数为0.832 6,说明两者相关关系较好;③在2000—2009年系列(图6c)中,两者相关系数为0.678 0,说明两者相关关系一般;④在2010—2021年系列(图6d)中,两者相关系数为0.924 7,说明两者相关关系很好。综合比较以上4点,认为在抚仙湖水位一般涨落变化时期(1953—1999年),流域降水量对湖泊蓄水变化有较大影响;在抚仙湖水位大幅升高的2000—2009年,流域降水对湖泊蓄水变化的影响不大;在抚仙湖水位大幅下降的2010—2021年,流域降水对湖泊水位变化影响较大。

a)1953—2021年降水量与蓄水变量关系

4.2 人类活动的影响

人类活动对抚仙湖蓄水变量的影响因素有流域水资源开发利用(含流域内水利工程蓄水和流域内生产、生活、生态等用水耗水)、水利工程引起的河湖水系结构的调整导致河湖水文关系的改变和湖泊出入水量平衡关系(如抚仙湖星云湖出流改道工程的运行)等。

抚仙湖流域生产、生活和生态用水耗水量不同系列年份多年平均情况:1962—1999年为4 789万m3,2000—2009年为4 544万m3,2010—2021年为3 882万m3,流域用耗水呈减少趋势。流域用耗水对湖泊蓄水变化有一定影响,但是相对于抚仙湖水位的一般涨落变化时期、大幅上升时期和大幅下降时期,其关系又没有对应性。

截至2020年,抚仙湖流域内水利工程共建成东大河、梁王河2座中型水库,小(1)型水库4座,小(2)型水库21座,小坝塘71座,蓄水工程总库容3 225万m3,兴利库容3 017万m3;引水工程64件,提水工程163件。2座中型水库和多数小型水库都是20世纪五六十年代建成,在1999年以前均在正常蓄水运行当中;在2000—2009年期间,东大河、梁王河2座中型水库和山冲河小(1)型水库以及其他一些小(2)型水库都陆续实施了除险加固工程,在工程实施期间,水库不能正常蓄水,原本应截住蓄在水库的水都流入抚仙湖;到了2010—2021年期间,以上水库除险加固工程完成,进行正常蓄水,相应减少了进入抚仙湖的水量。流域内水库工程的蓄水情况与抚仙湖水位的涨落变化基本对应。

海口河历年出流情况:1962—1999年期间,年均出流9 305万m3;2000—2003年期间年均出流16 934万m3。2002年抚仙湖局部水质变化Ⅱ类,为防范生态风险,管控抚仙湖海口闸,2003年11月抚仙湖-星云湖出流改道工程破土动工,工程于2007年12月完成,2008年5月起抚仙湖湖水经隔河流入星云湖。因此,2004—2008年期间海口河年均出流仅1 923万m3,2009年2月抚仙湖海口闸全封闭,至今海口河未再出流。在2000—2009年期间海口河出流比1999年以前减少近8%,这与该时期抚仙湖水位的上升情势相对应。从抚仙湖与星云湖1990—2020年年平均水位对比,抚仙湖水位自2003年以来受两湖调度影响很大。

图7 抚仙湖与星云湖1990—2020年年平均水位对比分析

抚仙湖-星云湖出流改道工程运行后,抚仙湖于2008、2009、2010年连续3 a向星云湖调水共3 804万m3。从2008年后,星云湖水就不再流向抚仙湖,改变了星云湖历史上向抚仙湖输水的情况,从而使抚仙湖年入湖水量大为减少(每年约4 000万m3)。

4.3 综合分析

以1953—1999年抚仙湖水位一般涨落时期为基准期,分别对抚仙湖水位大幅升降时期气候变化(降水变化)和人类活动对水位变化的影响率进行大概的综合定性分析。对抚仙湖水位变化驱动因素进行计算并综合分析,见表5。

表5 抚仙湖水位大幅升降变化的影响因素相对概化分析

a)2000—2009年(湖水位大幅上涨时期),流域降水量与基准期持平,但湖泊水位显著升高,说明降水不是造成湖泊水位变化的主要因素,主要是人类活动影响:一是流域内中小型水库实施除险加固工程期间,水库不能正常蓄水,水库所在河流水量都流入抚仙湖,使入湖水量大增导致湖水位升高;二是海口河出流减少,在一定程度上也抬高了湖泊水位。此阶段抚仙湖流域降水量921 mm,根据图6b得到对应的湖泊蓄水变量为0.068 4亿m3,据式(3)计算得到流域降水对湖泊蓄水变化的影响率为3.9%;据式(4)计算得到人类活动对湖泊蓄水变化的影响率为96.1%。

b)2010—2021年(湖水位大幅下落时期),首先是流域遭遇连续5年干旱,降水量减少使入湖水量减少从而导致湖泊水位降低,说明降水对水位变化有较大影响;其次人类活动影响也较大:一是抚仙湖-星云湖出流改道工程运行后,星云湖水不再流入抚仙湖;二是流域内中型和部分小型水库除险加固工程结束后开始正常蓄水,大量减少了入湖水量。此阶段抚仙湖流域降水量875 mm,根据图6b得到对应的湖泊蓄水变量为-0.175 4亿m3,据式(3)计算得到流域降水对湖泊蓄水变化的影响率为14.3%;据式(4)计算得到人类活动对湖泊蓄水变化的影响率为85.7%。

4.4 讨论

湖泊蕴含丰富的淡水资源,是区域经济发展的重要支撑。气候变化和人类活动加剧全球水资源时空分布差异,频发的湖泊洪水和干旱问题,影响区域经济社会用水安全和湖泊生态系统健康[14]。尽管目前湖泊水文学在水文要素的观测、湖泊水文过程的模拟等方面取得了突出进展和可喜的成果[15-18],但全球气候变化加速和社会经济的快速发展带来新的水资源问题,给湖泊水文学提出了更新的要求和挑战。在气候变化和人类活动共同作用下,抚仙湖水资源量不断减少,水位不断降低,水生态风险日益加剧。目前抚仙湖流域的水文监测体系还不够完善,难于满足水资源相关基础科研需求,导致目前在气候变化和人类活动对抚仙湖水位的影响研究以及抚仙湖水位在年代尺度上的变化趋势预测等研究方面存在明显不足,极大制约了抚仙湖流域水量调控技术研究、水资源综合调度管理等方面的科技支撑作用。所以,为了打好“湖泊革命”攻坚战,应尽快完善抚仙湖水文监测体系,构建科学的现代化水文监测站网,为抚仙湖水资源基础科研提供可靠的监测数据,为精准治湖和科学治湖提供基础保障。

5 结论

a)1953—2021年,抚仙湖多年平均水位1 722.02 m;1950s—2010s,抚仙湖水位年代际变化特点大致为:涨→落→落→涨→大涨→大落;抚仙湖水位呈不显著下降趋势变化。

b)抚仙湖年内低水位均发生在5月,高水位基本发生在10月(9月偶有发生)。

c)2010—2021年是抚仙湖历史上最低水位时期,其多年平均水位和年内平均水位过程均在法定最低运行水位以下。年、月、日平均水位满足法定最低运行水位的保证率分别为33.3%、34.7%和35.9%。

d)2000年以来,人类活动是造成抚仙湖水位大幅上升和大幅下降的主要因素。