梯級水庫調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：為精準識別各入洞庭湖水系水量變化對洞庭湖徑流特征的影響，選取沅江作為研究對象，以桃源水文站1966～2018年的流量序列為基礎，采用水文變異診斷系統，對梯級水庫聯合調度下沅江入洞庭湖徑流量的演變特征進行分析。結果表明：在梯級水庫聯合調度影響下，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月徑流整體呈現中變異和弱變異，沅江年均流量總體呈現出減少的態勢;在年內分配演變特征上，沅江徑流的年內分配變化趨勢不顯著。研究成果可為沅江流域水庫群的調度運行等精細化管理提供一定的依據，也可為洞庭湖其他來水分析提供一定參考。

關鍵詞：徑流演變;梯級水庫;水庫調度;水文變異診斷系統;沅江;洞庭湖

1 研究背景

洞庭湖區位于長江中游荊江南岸，跨湘、鄂兩省，北有松滋、太平、藕池三口（調弦口已封堵）分泄長江來水，南面有湘、資、沅、澧四水匯入，經湖泊調蓄后，由岳陽市城陵磯注入長江。洞庭湖是長江流域重要的調蓄湖泊，也是中國傳統的魚米之鄉，是湖南省乃至全國最重要的商品糧油、水產和養殖基地。

近年來，受人類活動、氣候等多方面因素影響，洞庭湖區來水量減少，旱災呈現發生頻率增加、旱情程度加重的趨勢。覃紅燕等[1]從洞庭湖水沙演變的角度對四水的影響進行了分析，認為上游水庫建設導致洞庭湖來沙減少，加之洞庭湖的自身疏浚[2]，對洞庭湖水位降低產生了一定的影響。錢湛[3]、劉培亮[4]等從四水入洞庭湖水量的現狀和變化趨勢入手，認為上游水利工程修建對四水徑流的變化影響主要集中在年內變化。盧翔等[5]認為江湖關系變化、內湖圍墾開發導致調蓄能力退化，也是洞庭湖干旱的主要原因。賀秋華等[6]從三峽水庫運行的角度，得出三峽水庫對下泄量的調控在緩解洞庭湖洪澇災害隱患的同時，也使得低枯水位提前1個月。

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，但四水或三口常作為一個洞庭湖區影響變量進行考慮，對各入湖水系沒有單獨進行更細致和更深入的分析。由于氣候、下墊面條件、上游控制性工程（水庫）布局及運行調度方案不同，各水系入洞庭湖徑流呈現出不盡相同的演變特征。為精準識別各入洞庭湖水系水量變化對洞庭湖徑流特征的影響，本文以沅江作為研究對象，對梯級水庫聯合調度下沅江入洞庭湖徑流量的演變特征進行分析。研究成果可為洞庭湖水資源的精細化管理提供依據，也可為洞庭湖其他來水分析提供一定參考。

2 沅江概況

沅江，又稱沅水，是長江流域洞庭湖湘、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1 033 km，流域面積 8.92萬 km2，多年平均徑流量 650億m3。沅江以洪江、凌津灘為界可分為3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 ‰;洪江至凌津灘為中游河段，長388 km，多為丘陵區，平均比降為0.34‰;凌津灘以下為下游河段，長約92 km，平均比降0.152‰，河谷開闊，階地發育，其中桃源縣城以上為低矮丘陵區，沿岸山丘與堤垸相間，桃源縣城以下為濱湖沖積平原，地勢低洼，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《沅水干流規劃復核報告（2003年）》，沅水干流梯級開發方案為13級，已建成的水電工程有三板溪、掛治、洪江、五強溪、凌津灘等，其中，三板溪為沅水干流的“龍頭”水庫，具有多年調節性能;五強溪為沅水中下游的控制性骨干工程，為季調節水庫。2009年6月，《沅水凌津灘-桃源河段補充規劃報告》同意沅水凌津灘-桃源河段增加一級水電開發梯級（桃源電站），該電站已于2015年投產發電。沅江流域水系及水利工程示意見圖1。

沅江干流總控制站為桃源水文站，屬國家重要水文站，設立于1948年1月，位于湖南省桃源縣漳江鎮延溪村，距河口約50 km，控制集水面積8.52萬 km2。該站為沅江流域的江河治理、防汛抗旱、水資源開發利用及水工程的建設管理提供了系統的水文資料。本文選取桃源水文站為研究測站，對梯級水庫調度影響下沅江入洞庭湖徑流量的演變特征進行了分析。

3 研究方法

水文序列包括確定性成分和隨機性成分，而確定性成分則包括周期、趨勢和跳躍成分。如果水文序列與周期、趨勢和跳躍成分無關，則它是平穩的時間序列，表明整個水文序列具有相同的物理成因，其統計規律滿足一致性。梯級水庫調度對下游水文情勢的影響，主要指對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）分布參數在整個序列時間范圍內發生了變化，即發生了水文變異[8]。

在水文序列變異診斷方法上，針對不同水文序列成分的診斷方法也有所區別，比如診斷跳躍變異的方法有秩和檢驗法、有序聚類法等，診斷趨勢變異的方法有Spearman秩次相關檢驗法、Kendall秩次相關檢驗法等。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。該系統主要考慮了趨勢和跳躍兩種變異形式，由初步診斷、詳細診斷和綜合診斷3個部分組成，不僅可以從整體上識別與檢驗時間序列變異及其變異程度（無變異、弱變異、中變異、強變異、巨變異），而且可以識別非一致性序列發生變異的形式（趨勢、跳躍變異點），檢驗指標全面，權重賦值客觀，診斷結果可信度較高。該系統解決了傳統檢驗方法只能識別單一變異形式，無法從整體上識別與檢驗時間序列變異及其變異程度，以及跳躍變異中單一檢驗方法造成結果不合理，多種檢驗方法導致檢驗結果不一致等問題。因此，本文采用水文變異診斷系統對桃源水文站徑流序列的演變特征進行了分析。

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，選取第一信度水平α=0.05，第二信度水平β=0.01的條件，對桃源水文站月均、年均流量資料序列進行變異分析。

4.1 年際演變特征分析

利用水文變異診斷系統，對桃源水文站月均、年均流量的年際序列進行變異分析，診斷結果見表1。

由表1可知，上游梯級水庫調度對沅江流量的影響主要集中在每年的1～5月，其對年均流量也存在一定的影響。具體而言，沅江6～12月的流量序列表現出了較好的隨機性，說明上游梯級水庫調度對沅江流量影響甚微。1月和3月流量序列出現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年出現了跳躍向下的弱變異。

從表1的變異結果可以看出：由于沅江上游水庫調蓄能力有限，當汛期來水量較大時，沅江水庫群基本無法完全調蓄洪量，僅能在短時段內進行調峰。因此，汛期的月尺度流量序列并未發生變異。同時，水庫群對枯水期的調節作用也有限，1～5月中僅1月和3月的流量序列有所上升，其他月份呈下降態勢，由此可知沅江流域內缺乏統一的水庫群調度運行計劃和管理部門，導致枯水期的變異結果不具有規律性。水庫群長期的調蓄作用，對年徑流序列產生一定的影響，加之流域內河道外用水的不斷增加，沅江河道的水量總體呈現減少的態勢。

4.2 年內演變特征分析

對于年內分配的演變特征分析，利用水文變異診斷系統，選取集中度、集中期、不均勻系數[10]等序列進行變異分析，診斷結果見表2。

從表2可以看出，用于衡量流量年內分配的集中度、集中期、不均勻系數均未出現變異。

5結 論

為精準識別各入洞庭湖水系水量變化對洞庭湖徑流特征的影響，本文以沅江為研究對象，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，對梯級水庫聯合調度下，沅江入洞庭湖徑流量的年際及年內分配演變特征進行分析，主要結論如下。

（1）在徑流年際及年內分配演變特征上，沅江流域內梯級水庫調度對沅江流量的影響主要集中在每年的1～5月，但調節作用有限;加之流域河道外用水的不斷增加，沅江年均流量總體呈現出減少的態勢。

（2）在徑流年內演變特征上，上游梯級水庫調度對沅江流量年內分配產生影響不明顯，衡量流量年內分配的集中度、集中期、不均勻系數則均未出現變異。

（3）從水資源精細化管理的角度，沅江流域反映出的突出問題包括缺乏統一的水庫群調度運行計劃和管理部門，導致水庫群無法最大程度的發揮調洪補枯的作用。根據變異診斷結果，建議沅江流域優化水庫群聯合調度，枯水期重點加大2月、4月進入洞庭湖徑流的補充水量，確保河道內最小生態流量的需要;同時汛期需進一步加強水庫群的防洪調度管理，有效地減小洪峰流量，切實保障沿岸居民的安全。

參考文獻：

[1] 覃紅燕， 謝永宏， 鄒冬生.? 湖南四水入洞庭湖水沙演變及成因分析[J].? 地理科學， 2012，32（5）： 609-615.

[2] 周北達， 李正最.? 洞庭湖河湖疏浚對洪水位影響分析[J].? 水文， 2004， 24（2）： 35-40.

[3] 錢湛， 張雙虎， 卓志宇.? 四水入洞庭湖水量變化趨勢及周期分析[J].? 人民長江， 2014， 45（15）： 39-42.

[4] 劉培亮，毛德華，周慧，等.? 1990～2013年湖南四水入洞庭湖汛期徑流量的變化規律[J].? 水資源保護，2015， 31（4）： 52-61.

[5] 盧翔，唐仁杰. 湖南洞庭湖區干旱特點及成因分析[J].? 人民長江， 2015，S（2）： 9-11.

[6] 賀秋華，余德清，余姝辰，等.? 三峽水庫運行前后洞庭湖水資源量變化[J/OL]. 地球科學：1-2[2020-10-21]. http：//kns.cnki.net/kcms/42.1874.P.20200331.1524.013.html.

[7] 百度百科.? 沅江（長江流域洞庭湖支流）[DB/OL]. https：//baike.baidu.com/ item/%E6%B2%85%E6%B1%9F/3815035？fr=aladdin. 2020-03-03.

[8] 謝平，陳廣才，雷紅富. 基于Hurst系數的水文變異分析方法[J]. 應用基礎與工程科學學報，2009，17（1）：1-82.

[9] 謝平，陳廣才，雷紅富，等. 水文變異診斷系統[J]. 水力發電學報，2010，29（1）：85-91.

[10] 謝平，陳廣才，雷紅富，等. 變化環境下地表水資源評價方法[M]. 北京：科學出版社，2009.

（編輯：李曉濛）