梯級(jí)水庫(kù)調(diào)度影響下沅江入洞庭湖徑流量演變特征分析

陳繼祖 許斌 孫可可

摘要：為精準(zhǔn)識(shí)別各入洞庭湖水系水量變化對(duì)洞庭湖徑流特征的影響，選取沅江作為研究對(duì)象，以桃源水文站1966～2018年的流量序列為基礎(chǔ)，采用水文變異診斷系統(tǒng)，對(duì)梯級(jí)水庫(kù)聯(lián)合調(diào)度下沅江入洞庭湖徑流量的演變特征進(jìn)行分析。結(jié)果表明：在梯級(jí)水庫(kù)聯(lián)合調(diào)度影響下，加之流域河道外用水的不斷增加等因素，在年際演變特征上，1～5月徑流整體呈現(xiàn)中變異和弱變異，沅江年均流量總體呈現(xiàn)出減少的態(tài)勢(shì);在年內(nèi)分配演變特征上，沅江徑流的年內(nèi)分配變化趨勢(shì)不顯著。研究成果可為沅江流域水庫(kù)群的調(diào)度運(yùn)行等精細(xì)化管理提供一定的依據(jù)，也可為洞庭湖其他來(lái)水分析提供一定參考。

關(guān)鍵詞：徑流演變;梯級(jí)水庫(kù);水庫(kù)調(diào)度;水文變異診斷系統(tǒng);沅江;洞庭湖

1 研究背景

洞庭湖區(qū)位于長(zhǎng)江中游荊江南岸，跨湘、鄂兩省，北有松滋、太平、藕池三口（調(diào)弦口已封堵）分泄長(zhǎng)江來(lái)水，南面有湘、資、沅、澧四水匯入，經(jīng)湖泊調(diào)蓄后，由岳陽(yáng)市城陵磯注入長(zhǎng)江。洞庭湖是長(zhǎng)江流域重要的調(diào)蓄湖泊，也是中國(guó)傳統(tǒng)的魚米之鄉(xiāng)，是湖南省乃至全國(guó)最重要的商品糧油、水產(chǎn)和養(yǎng)殖基地。

近年來(lái)，受人類活動(dòng)、氣候等多方面因素影響，洞庭湖區(qū)來(lái)水量減少，旱災(zāi)呈現(xiàn)發(fā)生頻率增加、旱情程度加重的趨勢(shì)。覃紅燕等[1]從洞庭湖水沙演變的角度對(duì)四水的影響進(jìn)行了分析，認(rèn)為上游水庫(kù)建設(shè)導(dǎo)致洞庭湖來(lái)沙減少，加之洞庭湖的自身疏浚[2]，對(duì)洞庭湖水位降低產(chǎn)生了一定的影響。錢湛[3]、劉培亮[4]等從四水入洞庭湖水量的現(xiàn)狀和變化趨勢(shì)入手，認(rèn)為上游水利工程修建對(duì)四水徑流的變化影響主要集中在年內(nèi)變化。盧翔等[5]認(rèn)為江湖關(guān)系變化、內(nèi)湖圍墾開發(fā)導(dǎo)致調(diào)蓄能力退化，也是洞庭湖干旱的主要原因。賀秋華等[6]從三峽水庫(kù)運(yùn)行的角度，得出三峽水庫(kù)對(duì)下泄量的調(diào)控在緩解洞庭湖洪澇災(zāi)害隱患的同時(shí)，也使得低枯水位提前1個(gè)月。

綜上，四水和三口是影響洞庭湖徑流特征的主要因素已成為基本共識(shí)，但四水或三口常作為一個(gè)洞庭湖區(qū)影響變量進(jìn)行考慮，對(duì)各入湖水系沒(méi)有單獨(dú)進(jìn)行更細(xì)致和更深入的分析。由于氣候、下墊面條件、上游控制性工程（水庫(kù)）布局及運(yùn)行調(diào)度方案不同，各水系入洞庭湖徑流呈現(xiàn)出不盡相同的演變特征。為精準(zhǔn)識(shí)別各入洞庭湖水系水量變化對(duì)洞庭湖徑流特征的影響，本文以沅江作為研究對(duì)象，對(duì)梯級(jí)水庫(kù)聯(lián)合調(diào)度下沅江入洞庭湖徑流量的演變特征進(jìn)行分析。研究成果可為洞庭湖水資源的精細(xì)化管理提供依據(jù)，也可為洞庭湖其他來(lái)水分析提供一定參考。

2 沅江概況

沅江，又稱沅水，是長(zhǎng)江流域洞庭湖湘、資、沅、澧四水中的第二大水系，也是湖南省的第二大河流[7]。沅江干流全長(zhǎng)1 033 km，流域面積 8.92萬(wàn) km2，多年平均徑流量 650億m3。沅江以洪江、凌津?yàn)榻缈煞譃?段。沅江干流洪江以上為上游河段，多為高山峻嶺，海拔1 000 m左右，平均比降1.61 ‰;洪江至凌津?yàn)橹杏魏佣?，長(zhǎng)388 km，多為丘陵區(qū)，平均比降為0.34‰;凌津?yàn)┮韵聻橄掠魏佣?，長(zhǎng)約92 km，平均比降0.152‰，河谷開闊，階地發(fā)育，其中桃源縣城以上為低矮丘陵區(qū)，沿岸山丘與堤垸相間，桃源縣城以下為濱湖沖積平原，地勢(shì)低洼，兩岸基本為防洪堤垸。

沅江干流總落差1 033 m，流域水能資源豐富。根據(jù)《沅水干流規(guī)劃復(fù)核報(bào)告（2003年）》，沅水干流梯級(jí)開發(fā)方案為13級(jí)，已建成的水電工程有三板溪、掛治、洪江、五強(qiáng)溪、凌津?yàn)┑?，其中，三板溪為沅水干流的“龍頭”水庫(kù)，具有多年調(diào)節(jié)性能;五強(qiáng)溪為沅水中下游的控制性骨干工程，為季調(diào)節(jié)水庫(kù)。2009年6月，《沅水凌津?yàn)?桃源河段補(bǔ)充規(guī)劃報(bào)告》同意沅水凌津?yàn)?桃源河段增加一級(jí)水電開發(fā)梯級(jí)（桃源電站），該電站已于2015年投產(chǎn)發(fā)電。沅江流域水系及水利工程示意見(jiàn)圖1。

沅江干流總控制站為桃源水文站，屬國(guó)家重要水文站，設(shè)立于1948年1月，位于湖南省桃源縣漳江鎮(zhèn)延溪村，距河口約50 km，控制集水面積8.52萬(wàn) km2。該站為沅江流域的江河治理、防汛抗旱、水資源開發(fā)利用及水工程的建設(shè)管理提供了系統(tǒng)的水文資料。本文選取桃源水文站為研究測(cè)站，對(duì)梯級(jí)水庫(kù)調(diào)度影響下沅江入洞庭湖徑流量的演變特征進(jìn)行了分析。

3 研究方法

水文序列包括確定性成分和隨機(jī)性成分，而確定性成分則包括周期、趨勢(shì)和跳躍成分。如果水文序列與周期、趨勢(shì)和跳躍成分無(wú)關(guān)，則它是平穩(wěn)的時(shí)間序列，表明整個(gè)水文序列具有相同的物理成因，其統(tǒng)計(jì)規(guī)律滿足一致性。梯級(jí)水庫(kù)調(diào)度對(duì)下游水文情勢(shì)的影響，主要指對(duì)水文序列的確定性成分造成的影響，即水文序列的分布形式或（和）分布參數(shù)在整個(gè)序列時(shí)間范圍內(nèi)發(fā)生了變化，即發(fā)生了水文變異[8]。

在水文序列變異診斷方法上，針對(duì)不同水文序列成分的診斷方法也有所區(qū)別，比如診斷跳躍變異的方法有秩和檢驗(yàn)法、有序聚類法等，診斷趨勢(shì)變異的方法有Spearman秩次相關(guān)檢驗(yàn)法、Kendall秩次相關(guān)檢驗(yàn)法等。2010年，謝平等[9]提出了用于水文水資源序列變異診斷的水文變異診斷系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要考慮了趨勢(shì)和跳躍兩種變異形式，由初步診斷、詳細(xì)診斷和綜合診斷3個(gè)部分組成，不僅可以從整體上識(shí)別與檢驗(yàn)時(shí)間序列變異及其變異程度（無(wú)變異、弱變異、中變異、強(qiáng)變異、巨變異），而且可以識(shí)別非一致性序列發(fā)生變異的形式（趨勢(shì)、跳躍變異點(diǎn)），檢驗(yàn)指標(biāo)全面，權(quán)重賦值客觀，診斷結(jié)果可信度較高。該系統(tǒng)解決了傳統(tǒng)檢驗(yàn)方法只能識(shí)別單一變異形式，無(wú)法從整體上識(shí)別與檢驗(yàn)時(shí)間序列變異及其變異程度，以及跳躍變異中單一檢驗(yàn)方法造成結(jié)果不合理，多種檢驗(yàn)方法導(dǎo)致檢驗(yàn)結(jié)果不一致等問(wèn)題。因此，本文采用水文變異診斷系統(tǒng)對(duì)桃源水文站徑流序列的演變特征進(jìn)行了分析。

4演變特征分析

本文選取桃源水文站1966～2018年日尺度水文資料，利用水文變異診斷系統(tǒng)，選取第一信度水平α=0.05，第二信度水平β=0.01的條件，對(duì)桃源水文站月均、年均流量資料序列進(jìn)行變異分析。

4.1 年際演變特征分析

利用水文變異診斷系統(tǒng)，對(duì)桃源水文站月均、年均流量的年際序列進(jìn)行變異分析，診斷結(jié)果見(jiàn)表1。

由表1可知，上游梯級(jí)水庫(kù)調(diào)度對(duì)沅江流量的影響主要集中在每年的1～5月，其對(duì)年均流量也存在一定的影響。具體而言，沅江6～12月的流量序列表現(xiàn)出了較好的隨機(jī)性，說(shuō)明上游梯級(jí)水庫(kù)調(diào)度對(duì)沅江流量影響甚微。1月和3月流量序列出現(xiàn)了跳躍向上的中變異，跳躍年份分別為1989年和1988年。2，4，5月流量序列出現(xiàn)了跳躍向下的變異，變異程度分別為弱變異、弱變異、中變異，跳躍年份分別為2009，1977年和1977年。年均流量序列則于2004年出現(xiàn)了跳躍向下的弱變異。

從表1的變異結(jié)果可以看出：由于沅江上游水庫(kù)調(diào)蓄能力有限，當(dāng)汛期來(lái)水量較大時(shí)，沅江水庫(kù)群基本無(wú)法完全調(diào)蓄洪量，僅能在短時(shí)段內(nèi)進(jìn)行調(diào)峰。因此，汛期的月尺度流量序列并未發(fā)生變異。同時(shí)，水庫(kù)群對(duì)枯水期的調(diào)節(jié)作用也有限，1～5月中僅1月和3月的流量序列有所上升，其他月份呈下降態(tài)勢(shì)，由此可知沅江流域內(nèi)缺乏統(tǒng)一的水庫(kù)群調(diào)度運(yùn)行計(jì)劃和管理部門，導(dǎo)致枯水期的變異結(jié)果不具有規(guī)律性。水庫(kù)群長(zhǎng)期的調(diào)蓄作用，對(duì)年徑流序列產(chǎn)生一定的影響，加之流域內(nèi)河道外用水的不斷增加，沅江河道的水量總體呈現(xiàn)減少的態(tài)勢(shì)。

4.2 年內(nèi)演變特征分析

對(duì)于年內(nèi)分配的演變特征分析，利用水文變異診斷系統(tǒng)，選取集中度、集中期、不均勻系數(shù)[10]等序列進(jìn)行變異分析，診斷結(jié)果見(jiàn)表2。

從表2可以看出，用于衡量流量年內(nèi)分配的集中度、集中期、不均勻系數(shù)均未出現(xiàn)變異。

5結(jié) 論

為精準(zhǔn)識(shí)別各入洞庭湖水系水量變化對(duì)洞庭湖徑流特征的影響，本文以沅江為研究對(duì)象，選取桃源水文站1966～2018年的逐日流量序列，采用水文變異診斷系統(tǒng)，對(duì)梯級(jí)水庫(kù)聯(lián)合調(diào)度下，沅江入洞庭湖徑流量的年際及年內(nèi)分配演變特征進(jìn)行分析，主要結(jié)論如下。

（1）在徑流年際及年內(nèi)分配演變特征上，沅江流域內(nèi)梯級(jí)水庫(kù)調(diào)度對(duì)沅江流量的影響主要集中在每年的1～5月，但調(diào)節(jié)作用有限;加之流域河道外用水的不斷增加，沅江年均流量總體呈現(xiàn)出減少的態(tài)勢(shì)。

（2）在徑流年內(nèi)演變特征上，上游梯級(jí)水庫(kù)調(diào)度對(duì)沅江流量年內(nèi)分配產(chǎn)生影響不明顯，衡量流量年內(nèi)分配的集中度、集中期、不均勻系數(shù)則均未出現(xiàn)變異。

（3）從水資源精細(xì)化管理的角度，沅江流域反映出的突出問(wèn)題包括缺乏統(tǒng)一的水庫(kù)群調(diào)度運(yùn)行計(jì)劃和管理部門，導(dǎo)致水庫(kù)群無(wú)法最大程度的發(fā)揮調(diào)洪補(bǔ)枯的作用。根據(jù)變異診斷結(jié)果，建議沅江流域優(yōu)化水庫(kù)群聯(lián)合調(diào)度，枯水期重點(diǎn)加大2月、4月進(jìn)入洞庭湖徑流的補(bǔ)充水量，確保河道內(nèi)最小生態(tài)流量的需要;同時(shí)汛期需進(jìn)一步加強(qiáng)水庫(kù)群的防洪調(diào)度管理，有效地減小洪峰流量，切實(shí)保障沿岸居民的安全。

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（編輯：李曉濛）