撫仙湖水位變化特征及影響因素研究

鄧 欣,司 源,楊 坪 宏,劉 曉 波,董 飛,李 廷 真

(1.重慶三峽學院 環境與化學工程學院,重慶 404020; 2.中國水利水電科學研究院 流域水循環模擬與調控國家重點實驗室,北京 100038; 3.云南省水文水資源局,云南 昆明 650106)

0 引 言

湖泊是水陸與大氣物質交換的樞紐,承擔能量流動、物質循環及信息傳遞的重要作用[1-2]。湖泊作為區域水系生態環境的重要組成部分,在調節徑流、改善區域生態環境和保持生物多樣性方面起著重要作用,可作為天然“指示器”反映區域生態環境狀況和氣候變化,此外水利工程建設、土地利用、取用水等人類活動會對湖泊產生一定影響[3-5]。湖泊水位能最直觀地反映湖泊水情,水位波動不僅會引起水質變化,還會影響湖泊生態系統的結構與功能。研究湖泊水位變化特征及影響因素對流域水資源開發利用、水環境保護以及水生態安全保障具有重要意義[6-8]。

近年來,諸多學者針對不同區域湖泊的水文變化情勢進行了研究。劉柏君等[9]基于西北半干旱區湖泊岱海湖1959～2018年的水文氣象數據,通過Mann-Kendall檢驗、Hurst系數法等統計學方法以及Partial Mantel檢驗法構建湖區水文模型來分析湖區水位變化趨勢,得出研究時段湖泊水位顯著下降主要是由氣候變化與水土資源開發利用所導致的。盛昱鳳等[10]基于南方濕潤地區太湖1960～2018年的水位數據,采用Mann-Kendall突變檢驗、Morlet小波分析等方法分析太湖水位變化特征及影響因素,指出2000年以前太湖水位對降水的響應十分敏感,而2000年后隨水利工程建設太湖水位受人為調控影響而趨于穩定。不同氣候條件下影響不同區域湖泊水位變化的因素不盡相同,需結合湖泊水情采用一定方法量化分割氣候變化與人類活動的影響,從而提出針對性的調控措施。

撫仙湖是中國蓄水量最大的深水型淡水湖泊,是滇中地區社會經濟可持續發展的重要載體和生命線[11]。2008年撫仙湖-星云湖出流改道工程完成,由于撫仙湖成為星云湖的上級湖,撫仙湖入湖來源減少,導致水位相較于2008年以前下降現象極為明顯。近幾十年來,氣候變化和人類活動的疊加影響[12],導致撫仙湖水文情勢發生變化。然而,當前研究主要針對撫仙湖水位趨勢的變化特征[11,13-14],缺乏氣候變化與人類活動對撫仙湖水位變化影響的研究,難以為合理確定變化環境下的撫仙湖生態水位提供參考。綜上,本文以撫仙湖為對象,基于1953～2020年逐日實測水文數據,借助趨勢檢驗、突變檢驗、水量平衡、累積量斜率變化率等方法分析撫仙湖水位變化趨勢及規律,探究湖面降水和蒸發、入湖徑流等分項對湖泊水量變化的影響,量化氣候變化和人類活動因素對撫仙湖水位變化的貢獻,以期為撫仙湖水位的預測及調控提供參考。

1 材料及方法

1.1 研究區概況

撫仙湖(24°21′28″N～24°38′00″N,102°49′12″E～102°57′26″E)地處云南省玉溪市境內,居滇中盆地中心,距昆明市東南60 km,橫跨澄江市、江川縣與華寧縣,隸屬南盤江流域西江水系。撫仙湖流域面積674.69 km2,水域面積216.6 km2,湖體南北長31.4 km,湖最寬處11.8 km,湖岸線總長100.8 km,最大水深158.9 m,平均水深95.2 m,湖體總蓄水量206.2億m3,占云南省九大高原湖泊總蓄水量的71.8%[15]。撫仙湖地屬中亞熱帶半濕潤季風氣候,具有四季如春、干濕分明的氣候特征。常年平均氣溫15.5 ℃,多年平均降雨量800～1 100 mm,全年80%～90%降雨量集中于雨季5～10月。蒸發量一般大于降水量,介于1 200～1 900 mm之間。撫仙湖流域水系及監測站點位分布見圖1。

圖1 撫仙湖流域水系及監測站點分布

1.2 數據來源

撫仙湖1953～2020年逐日水位數據采用海口水文站實測水位數據。撫仙湖流域1962～2020年降水、蒸發、徑流數據由云南省水文水資源局玉溪分局提供。其中,降水數據來自海口水文站、江川氣象站、澄江氣象站、東大河水庫、梁王河水庫、茶爾山水庫6個站點;蒸發數據來自海口水文站。需要說明的是,撫仙湖流域平均蒸發量參考趙耀等[16]文獻中澄江市、華寧縣、江川縣基本氣象觀測站數據,根據海口站1962～2020年蒸發量與3站平均蒸發量的相關關系擬合線性關系式,將3站平均蒸發量插補延長至1962～2020年系列長度。

1.3 研究方法

1.3.1趨勢檢驗

Mann-Kendall趨勢檢驗[17]定義的檢驗統計量S的計算公式為

(1)

式中:S為檢驗統計量;x為時間序列數據,其中xi、xj分別為第i、j時間序列對應的觀測值,且i

(2)

式中:Z為正值表示上升趨勢,負值表示減少趨勢,Z的絕對值大于等于1.645、1.96、2.576時表示分別通過了置信度90%、95%、99%的顯著性檢驗。

1.3.2突變檢驗

采用累積距平法[18]與Pettitt突變檢驗法[19]綜合確定時間序列突變點。根據累積距平值的起伏可判斷時間序列的演變趨勢及變化,并通過累積距平的轉點判斷其突變點。

Pettitt突變檢驗通過給出一個觀測數據序列X|xτ,τ=1,2,3,…,n,n為樣本大小,若序列在τ(1≤τ≤n-1)處出現變化點[20],則定義相應的Pettitt統計量Uτ,n為

(3)

令K=max(|Uτ,n|),則認為K所在的T時刻為可能的變化點位置[21]。對應變化點的顯著性水平為

P≌2exp[-6K2/(n3+n2)]

(4)

若P≤0.05,則認為T時刻為統計上顯著的變化點位置。

1.3.3水量平衡

根據水量平衡原理[22-24],湖泊水量平衡方程可表示為

ΔVi=Pi-Ei+Ri-Qi+ε

(5)

式中:ΔVi為i年湖體水量變化量;Pi為i年湖面降雨量;Ei為i年湖面蒸發量;Ri為i年地表入湖徑流量;Qi為i年出湖水量,包括出湖徑流量和直接從湖體取水量;ε為水量平衡方程中的余項,包括不能通過實際觀測獲取的地下水交換量及誤差。

1.3.4累積量斜率變化率法

累積量斜率變化率法[25]用于定量評估氣候變化與人類活動對徑流變化的貢獻程度。假設年徑流量變化受降水與蒸發影響,降水、蒸發、徑流隨年份的累積曲線斜率則為同倍比變化。將變量所有影響因素的綜合定義為100,根據各種影響因素隨時間累積斜率占變量累積斜率變化率的比值推求各種影響因素對變量的影響程度[26-28]。計算公式為

RSR=100×(SRa-SRb)/SRb=100×(SRa/SRb-1)

(6)

RSP=100×(SPa-SPb)/SPb=100×(SPa/SPb-1)

(7)

RSE=100×(SEa-SEb)/SEb=100×(SEa/SEb-1)

(8)

CP=100×RSP/RSR

(9)

CE=-100×RSE/RSR

(10)

CH=100-CP-CE

(11)

式中:RSR,RSP,RSE為變化期徑流、降水、蒸發的變化率;SRb,SPb,SEb為基準期徑流、降水、蒸發的年累積斜率;SRa,SPa,SEa為變化期徑流、降水、蒸發的年累積斜率;CP,CE,CH為變化期降水、蒸發、人類活動對徑流變化的貢獻率。

2 結果與分析

2.1 撫仙湖水位變化特征

2.1.1年際變化特征

1953～2020年撫仙湖海口站逐年水位變化過程見圖2,在研究時段內撫仙湖年均水位保持在1 720.78～1 723.05 m,多年平均水位為1 722.03 m;最高年均水位出現在2008年,為1 723.05 m;最低年均水位出現在2014年,為1 720.78 m;最低年均水位與最高年均水位之間的差值為2.27 m。采用Mann-Kendall趨勢檢驗分析水位變化過程趨勢性,檢驗結果為Z=|-0.259|<1.645,α=0.398>0.1即沒有通過置信度90%的顯著性檢驗,表明撫仙湖水位68 a間雖呈下降趨勢但趨勢并不明顯,下降的平均速率約0.001 7 m/a。1953～2020年撫仙湖海口站逐年水位累積距平結果見圖3。在68 a間撫仙湖水位整體呈現上升(1953～1974年)-下降(1975～1994年)-上升(1995～2011年)-下降(2012～2020年)的趨勢。累積年均水位高于多年平均年均水位(即累積正距平)有37 a,低于多年平均年均水位(即累積負距平)有29 a,兩者相等的有2 a。其中,累積正距平主要集中于1962～1981年、2002～2019年;累積負距平主要集中于1953～1961年、1982～2001年。通過曲線明顯的上下起伏可診斷出發生突變的時間為1974,1994,2011年。

圖3 1953～2020年撫仙湖海口站逐年水位累積距平結果

采用Pettitt突變檢驗分析海口站1953～2020年年均水位序列突變性,檢驗結果見圖4(a),檢測出突變點為2011年,顯著性水平P<0.1。進一步以2011年為界將水位序列劃分為1953～2011年、2012～2020年2個序列,檢驗結果見圖4(b),1953～2011年序列具有顯著性突變點1994年,顯著性水平P<0.01,而2012～2020年序列則沒有檢驗到顯著性突變點。綜合累積距平與Pettitt突變檢驗的結果,確定撫仙湖歷史水位序列突變年份為1994年和2011年。

圖4 1953～2020年撫仙湖水位序列Pettitt突變檢驗結果

2.1.2年內變化特征

根據水位序列突變性檢驗結果可將研究時段劃分為3個階段,分別為:1953～1994年、1995～2011年、2012～2020年。3個階段的多年平均月均水位過程見圖5,年內水位變化均呈下降-上升-下降的趨勢。3個階段中最高月均水位均出現在10月,分別為1 722.23,1 722.92,1 721.53 m;最低月均水位出現在5月,分別為1 721.65,1 722.35,1 721.09 m。

圖5 3個階段撫仙湖多年平均月均水位過程

撫仙湖月均水位的季節性變化見圖6。3個階段均呈先上升后下降的趨勢,均為秋季月均水位最高,平均值分別為1 722.20,1 722.90,1 721.50 m;春季月均水位最低,平均值分別為1 721.71,1 722.41,1 721.12 m。從四季25～75分位數閾值變化來看,1995～2011年、2012～2020年兩個階段夏季水位閾值范圍波動最大,分別為1 722.93～1 722.30 m、1 721.67～1 720.89 m;1953～1994年階段四季的分位數變化波動不明顯。經分析可知,云南省雨季是5～10月,湖泊水位對入湖流量的響應具有滯后性[29],一般雨季結束前后才達到一年中的峰值,汛期由于夏季暴雨使水位在6～8月上漲,汛期結束后10月達到年內月均水位的峰值,從11月至次年5月由于得不到水源補充而下降。

圖6 3個階段撫仙湖月均水位季節變化箱型圖

2.2 撫仙湖水位變化影響因素分析

2.2.1水量平衡要素分析

對撫仙湖1962～2020年湖面降水、湖面蒸發以及入湖徑流序列數據進行趨勢檢驗,見圖7。檢驗結果為:Z降=|-1.32|<1.645,Z蒸=|-1.61|<1.645,Z徑=|-3.49|≥2.576時,置信水平α降=0.09<0.1,α蒸=0.054<0.1,α徑=0.000 2<0.01。由此可知,撫仙湖湖面降水、湖面蒸發均呈下降趨勢,但不顯著,沒有通過趨勢檢驗;徑流呈明顯的下降趨勢,通過置信度99%的顯著性檢驗。

圖7 1962～2020年撫仙湖湖面降水量、湖面蒸發量及入湖徑流量年際變化趨勢

根據歷年資料,在出流改道工程之前(即2008年以前),撫仙湖自海口河多年平均出湖水量0.934億m3,2008～2010年間出湖水量包含撫仙湖經隔河流入星云湖與直接從湖體取水,2010年以后的出湖水量主要為直接從湖體取水。水量平衡分析結果見表1。1962～1994年階段,入湖徑流量占湖泊補給量的48.3%,湖面降水占51.7%;湖面蒸發量占湖水消耗量的74.4%,出湖水量與湖體直接取水量占25.6%;1994年與1962年湖泊蓄水量相比,湖水量減少約1.618億m3,同期水位下降約0.76 m。1995～2011年階段,入湖徑流量占湖泊補給量的46.8%,湖面降水占53.2%;湖面蒸發量占湖水消耗量的76.8%,出湖水量與湖體直接取水量占23.2%;2011年與1994年湖泊蓄水量相比,湖水量增加約0.745億m3,同期水位上升約0.35 m。2012～2020年階段,入湖徑流占湖泊補給量的35.0%,湖面降水占65.0%;湖面蒸發量占湖水消耗量的95.4%,出湖水量與湖體直接取水量占4.6%;2020年與2011年湖泊蓄水量相比,湖水量減少約1.461億m3,同期水位下降約0.69 m。1962～1994年階段與1995～2011年階段相比,水量平衡各分項變化量及占比相差不大,而從1995～2011年階段到2012～2020年階段,入湖徑流、出湖水量與其他分項相比變化量較大,多年平均入湖徑流下降0.626億m3,出湖水量減少的情況下,水位仍在下降,表明水位受入湖徑流影響較大。

表1 撫仙湖3個階段水量平衡分析結果

2.2.2氣候變化和人類活動對入湖徑流的影響

根據累積徑流-年份相關圖的拐點,再結合撫仙湖-星云湖的出流改道工程竣工時間,綜合考慮后選取1974年和2008年為撫仙湖流域徑流序列的劃分節點,將研究時段劃分為階段A(1962～1974年)、階段B(1975～2008年)和階段C(2009～2020年)3個時期。各階段流域年徑流量、年降雨量、年蒸發量累積曲線見圖8。經累積量斜率變化率公式計算,各階段流域降水、蒸發、徑流的累積斜率變化率,以及氣候變化和人類活動對流域徑流變化的貢獻率結果見表2。與階段A相比,階段B氣候變化貢獻率為10.0%,人類活動貢獻率為90.0%,階段C氣候變化貢獻率為18.1%,人類活動貢獻率為81.9%。結果表明,氣候變化對徑流的貢獻率在10.0%～18.1%之間,人類活動對徑流的貢獻率在81.9%～90.0%之間,人類活動對徑流減少的影響遠大于氣候變化對徑流減少的影響,雖然C階段人類活動的貢獻率明顯下降,但人類活動仍是影響撫仙湖流域徑流減少最主要的因素。

表2 氣候變化和人類活動對徑流變化的貢獻率

圖8 撫仙湖流域累積年徑流量、累積年降水量、累積年蒸發量

3 討 論

3.1 撫仙湖水位保障程度分析

2008～2014年,撫仙湖水位驟降2.27 m,2008年為歷史最高水位1 723.05 m,2014年達到歷史最低水位1 720.78 m,一方面由于2008年撫仙湖-星云湖出流改道工程竣工后,湖水改由撫仙湖流向星云湖從而導致撫仙湖水位迅速下降。另一方面與2009～2013年連續5 a大旱有關,撫仙湖流域降水量大幅減少,枯水影響導致其水位急劇下降至68 a來歷史最低水位。根據2016年修訂的《云南省撫仙湖保護條例》以及2021年水利部印發的《第二批重點河湖生態流量保障目標》可知,撫仙湖最高蓄水位為1 723.35 m,調度管理目標水位為1 721.65 m,主要控制斷面海口的最小生態水位為1 720.77 m。通過2017～2020年撫仙湖日尺度水位資料分析,逐日水位均滿足最小生態水位1 720.77m要求。統計撫仙湖水位高于調度管理目標1 721.65 m的情況,結果見圖9。2017年全年日均水位達到調度管理目標的天數占38%,最低日均水位為1 721.06 m;2018年全年日均水位達到調度管理目標的天數占86%,最低日均水位為1 721.61 m;2019年全年日均水位達到調度管理目標的天數占87%,最低日均水位為1 721.41 m;然而,2020年全年日均水位均未達到調度管理目標,最低日均水位為1 721.11 m。可以看出,在出流改道工程實施后撫仙湖入湖徑流來源減少且流域內農業、工業、生活均有從湖體直接取用水的現狀條件下,如逢干旱少雨年份,撫仙湖水位保障仍存在一定難度,需持續關注撫仙湖水位變化情況,及時采取相應措施提高水位保障程度,這對于維持撫仙湖生態系統健康有極為重要的作用。

圖9 2017～2020年撫仙湖日均水位保障程度分析

3.2 撫仙湖人類活動貢獻分析

據水量平衡分析結果,入湖徑流減少可能是未來引起撫仙湖水位下降的主要因素。通過累積量斜率變化率法計算了氣候變化與人類活動對徑流的貢獻率可知,現階段人類活動對流域徑流量減小的影響占主導作用,且2009～2020年階段較之1975～2008年階段貢獻率有所降低。從流域水資源利用角度來說,根據1962～2020年撫仙湖流域用水量統計(如圖10所示),撫仙湖流域1962～1974年多年平均用水量0.594 6億m3,1975～2008年多年平均用水量0.781 6億m3,2009～2020年多年平均用水量0.592 0億m3;1962～2020年期間撫仙湖流域用水量整體經歷先上升后下降的過程,特別是2012年以后撫仙湖流域用水量整體呈波動下降趨勢,這與2012年最嚴格水資源管理制度實行后撫仙湖開始實施取水許可管理有關。流域內的工業于2017年底已全部搬遷至流域外的工業園區,包括提古高新區、東溪哨磷化工區和蛟龍潭輕工區等,均位于徑流區的東北角和西北角,流域內工業搬遷在一定程度上緩解了撫仙湖水資源短缺和用水問題。此外,2016年開始運行的大龍潭調水工程對于加大撫仙湖徑流區生產生活補水力度具有重要作用,同時甸垛龍潭引水工程尚在建設中,其主要作用是替代澄江市海口鎮和右所鎮沿湖居民的生產生活用水,從而減少從撫仙湖取水。總體而言,人類活動對撫仙湖流域入湖徑流的影響雖有所減小但仍占據主導作用。針對這一特點,提出撫仙湖水位保障的措施建議如下:① 將撫仙湖生態紅線劃定區域納入湖泊保護條例,控制流域內城鎮建設規模和人口規模,調整流域內產業結構;② 適當降低流域內水資源開發利用率,嚴格節水,提高再生水利用率;③ 研究外流域調水方案可行性,充分考慮大龍潭調水工程、甸垛龍潭引水工程等工程建成實施后外調水與本地水的優化配置方案。

圖10 1962～2020年撫仙湖流域用水量過程

4 結 論

本文采用多種統計方法分析了撫仙湖水位年際、年內變化特征,運用累積量斜率變化率法定量估算了氣候變化和人類活動對水位變化的影響。主要結論如下:

(1) 1953～2020年撫仙湖水位年際變化特征整體呈上升-下降-上升-下降趨勢,特別是2008～2014年7年間,撫仙湖水位驟降了2.27 m,2014年達到歷史最低水位1 720.78 m;綜合累積距平法和Pettitt突變檢驗法得出水位序列存在1994、2011年2個突變點;水位年內變化特征為10月最高、5月最低,年內水位波動范圍在0～2 m。

(2) 經水量平衡分析可知,與其他分項相比,2012～2020年多年平均入湖徑流減少量較大,是導致該階段撫仙湖水位下降的主要因素之一。以1962～1974年為基準期,采用累積量斜率變化率法量化分析了不同階段氣候變化和人類活動對撫仙湖流域徑流變化的影響,發現人類活動影響占主導作用但近年來貢獻率有所降低,1975～2008年階段,氣候變化與人類活動的相對貢獻率分別為10.0%和90.0%;2009～2020年階段,氣候變化與人類活動的相對貢獻率分別為18.1%和81.9%。

(3) 人類活動對徑流貢獻率的減少與流域取水許可管理實施、工業園區搬遷、引調水工程運行等方面因素有關。從2017～2020年撫仙湖日均水位情況來看,與調度管理目標1 721.65 m相比,水位保障仍存在一定難度。針對目前撫仙湖水位保障度情況,建議從撫仙湖生態水位維持和流域水資源可持續利用角度出發,減少人類活動對湖泊水位的影響,例如從湖體取水等,在保障流域生活用水的前提下,適當降低流域內水資源開發利用率,提高再生水利用率,研究外流域調水方案可行性,為持續保障撫仙湖水位穩定和生態系統健康提供支撐條件。