張 琳，馬敬旭，張 倩，于 茹，任 蓓，王一新，張英豪

(聊城大學 環(huán)境與規(guī)劃學院，山東 聊城 252059)

1 研究背景

洞庭湖位于湖南省北部、長江荊江河段南岸，是我國第二大淡水湖泊，同時也是長江流域重要的調蓄湖泊。洞庭湖(圖1)由東、南、西3個湖泊組成。其北面有松滋河、虎渡河、藕池河、華容河分別從松滋、太平、藕池、調弦(1985年堵口)四口分泄長江中游水沙入湖，即四口水系；南、西面有湘江、資水、沅江、澧水四水入湖，即四水水系；入湖水沙經湖泊調蓄后，于城陵磯泄入長江，構成復雜的洞庭湖水系。洞庭湖流域面積26.28萬km2，占長江流域總面積的14.6%。自1950年以來，長江中游河段先后歷經了調弦口堵口建閘(1958年)、下荊江系統(tǒng)裁彎取直、葛洲壩水利工程建設，以及湖南四水流域先后興建了13 318座大、中、小型水庫和一批水土保持工程，尤其是2003年三峽水庫的蓄水運行，使得洞庭湖水沙格局發(fā)生明顯變化。洞庭湖水沙變化研究一直是河流地貌、生態(tài)水文和水利工程等領域研究的熱點問題之一。

圖1 洞庭湖水系以及主要水文控制站位置Fig.1 Water system of the Dongting Lake and locations of main hydrological stations

目前，洞庭湖水沙演變研究已經取得了一定進展。李景保等[1]通過對洞庭湖1951—1998年水沙演變過程進行分析，指出洞庭湖年徑流量、年輸沙量總體呈同步減小趨勢，且下荊江系統(tǒng)裁彎以及葛洲壩截留是洞庭湖水沙變化的主導因子。李暉等[2]研究表明，洞庭湖水沙演變具有一定的階段性特征，其變化趨勢與人類活動(下荊江裁彎、葛洲壩截留、三峽水庫截留等)的影響密切相關。覃紅燕等[3]對四水入洞庭湖水沙演變進行分析，認為四水年徑流量變化存在多個過程，但總體無明顯上升或下降趨勢，年輸沙量總體呈明顯下降趨勢，且植被覆蓋的增加、水庫的建設等是導致輸沙量減小的主要原因。胡光偉等[4]分析了三峽水庫運行對洞庭湖水沙變異的影響，指出三峽工程運行以來，三口入洞庭湖徑流量減小43.5%，洞庭湖泥沙淤積量減小幅度達96.6%。此外，代穩(wěn)等[5]和楊敏等[6]定量分析了降水波動以及人類活動對洞庭湖水沙變化的影響，指出與降水因素(貢獻率<15%)相比，人類活動(貢獻率> 85%)是洞庭湖水沙演變的主要驅動因素。

本文在前人的研究基礎上，以洞庭湖1955—2018年60多年水沙數據為基礎，采用Mann-Kendall趨勢性檢驗方法，對三口、四水以及城陵磯各水文控制站的年徑流量與年輸沙量進行統(tǒng)計分析，分析近60多年洞庭湖入湖與出湖水沙演變特征及其與人類活動的關系。同時，本文采用雙累積曲線法定量分析了人類活動(尤其是三峽水利樞紐的蓄水運行)對洞庭湖水沙演變的影響。全面分析了60多年洞庭湖水沙演變規(guī)律及其與人類活動的關系，不僅有利于湖區(qū)水資源的有效利用，同時也有利于洞庭湖湖泊生態(tài)環(huán)境的治理與保護。

2 數據分析方法

本研究選取荊江三口五站(新江口、沙道觀、彌陀寺、康家崗、管家鋪)、四水四站(湘潭、桃江、桃源、石門)，以及城陵磯水文站1955—2018年年徑流量和年輸沙量為基礎數據，采用趨勢性檢驗、雙累積曲線法等分析方法對近60多年洞庭湖水沙演變特征及其與人類活動的關系進行分析。各水文站點水沙數據時間序列均來源于《中國河流泥沙公報》。

2.1 M-K趨勢性檢驗

非參數Mann-Kendall檢驗(M-K檢驗)常用于水文以及氣象數據的趨勢性分析[7-9]。在M-K檢驗中，設原假設H0為：時間序列數據X=(x1,x2,…,xn)為n個獨立的、隨機變量同分布的樣本，且無變化趨勢；備擇假設H1為：樣本數據X中存在單一變化趨勢。檢驗統(tǒng)計量S可由(1)計算。

(1)

式中sgn為符號函數，且表示為

(2)

Mann[10]和Kendall[11]指出，當n≥8時，統(tǒng)計量S為正態(tài)分布，且其均值為0，方差Var(S)=n(n-1)·(2n+5)/18。標準化檢驗變量Zc可表示為

(3)

在雙邊檢驗中，對于給定的置信水平α上，如果|Zc|≥Z1-α/2(Z1-ɑ/2為標準正態(tài)偏離，其值可在標準正態(tài)分布表中查得)，H0是不可接受的，即在置信水平α上，時間序列數據存在明顯的上升或下降趨勢。Zc> 0，數據呈增長趨勢；Zc< 0，數據呈下降趨勢；當Zc=0時，|Zc|肯定

2.2 雙累積曲線法

輸沙量變化除受到由氣候變化(如降水量變化)引起的徑流量變化的影響外，還受到人類活動(如興修水庫、植樹造林等)的影響[5,12-13]。通過點繪累積徑流量與累積輸沙量的關系，雙累積曲線法可消除降水量變化對輸沙量的影響，是一種研究除降水(或徑流)因素以外影響河流輸沙量變化的方法[14-16]。在徑流-輸沙量雙累積曲線中，若輸沙量變化只與徑流量變化有關，累積徑流量與累積輸沙量的關系為一條直線；若該直線在某一時間發(fā)生偏折(即直線斜率發(fā)生變化)，則表明降水以外的因素(通常是人類活動)對輸沙量產生了影響[17-18]。

若以累積徑流量(Qw)為橫坐標、累積輸沙量(Qs)為縱坐標繪制雙累積曲線，曲線斜率增加表明人類活動引起河流輸沙量增加，相反，斜率減小表明人類活動導致河流輸沙量減小。此外，利用變點前后時段的直線斜率，可進一步定量估算人類活動對輸沙量的影響。首先，分別對斜率變點出現前后時段的Qw與Qs進行線性擬合，建立突變前后時段線性回歸方程如下。

突變前時段：

Qs1=a1Qw1+b1；

(4)

突變后時段：

Qs2=a2Qw2+b2。

(5)

(6)

由人類活動引起的輸沙量變化則可表示為

(7)

式中:ΔQs>0表示輸沙量增加；ΔQs<0表示輸沙量減少。

3 結果與分析

3.1 洞庭湖水沙演變特征

自1955年以來，洞庭湖三口年徑流量與年輸沙量(圖2(a))、四水年輸沙量(圖2(b))以及城陵磯年徑流量與年輸沙量(圖2(c))均呈下降趨勢。通過對三口、四水以及城陵磯年徑流量與年輸沙量時間序列進行M-K趨勢性檢驗分析，除四水年徑流量以外，其它序列值在顯著水平α=0.05的檢驗變量|Zc| > |Z1-α/2|，時間序列數據存在明顯的變化趨勢，且由于Zc均<0，呈下降趨勢(表1)。

圖2 洞庭湖三口、四水以及城陵磯1955—2018年 年徑流量與年輸沙量時間序列Fig.2 Time series of annual runoff and sediment discharge in three outlets, four rivers, and Chenglingji from 1955 to 2018

表1 洞庭湖三口、四水以及城陵磯水沙變化M-K 趨勢檢驗結果Table 1 Results of the M-K trend test for flow and sediment variations in three outlets, four rivers, and Chenglingji

自1955年以來，三口入洞庭湖年徑流量與輸沙量均呈明顯下降趨勢(圖2(a))，且與年徑流量(|Zc|=7.31)相比，年輸沙量(|Zc|=8.44)下降趨勢更為明顯。三口輸沙量的減小主要歸因于長江荊江段的系統(tǒng)裁彎取直以及上游水利工程的建設[3,19-21]。1967—1972年荊江先后經歷了中洲子人工裁彎(1967年)、上車灣人工裁彎(1969年)以及沙灘子自然裁彎工程(1972年)。這使得河道曲率下降，水面比降增加，水體流速增加，河道受到強烈沖刷，荊江水位下降而相對抬高了三口分流水位[21-22]。通過對1967—1972年三口年輸沙量進行線性擬合，6 a間三口入洞庭湖泥沙量平均每年減小0.25×108t；且裁彎后的1973—1980年，三口平均年輸沙量(1.12×108t/a)較裁彎前(1955—1966年)的平均年輸沙量(1.91×108t/a)減小41.4%。1981年，位于三口上游的葛洲壩工程蓄水運行，加之荊江裁彎工程的持續(xù)影響，使得三口輸沙量再次降低。1981—2002年，三口平均年輸沙量(0.86×108t/a)較1973—1980年減小23.2%，較1955—1966年減小55.0%。2003年，三峽水庫135 m蓄水運行，大量泥沙淤積于庫區(qū)，使得2003—2018年三口平均年輸沙量降低至0.09×108t/a，較1955—1966年平均年輸沙量減少95.3%。

四水入洞庭湖年徑流量無明顯變化趨勢(表1)，年輸沙量呈略微下降趨勢(圖2(b))。1955—2018年四水入洞庭湖年徑流量無明顯變化趨勢，主要是由于四水流域水系發(fā)育，產水量大，雖然20世紀60年代到21世紀初期四水流域修建了一系列水利工程(如1986年建立的東江水庫、1994年建立的五強溪水庫、1998年蓄水運行的江埡水庫)，但連年興建的水利工程蓄水主要用于當地的工農業(yè)生產，未對四水徑流產生根本性影響[1,3]。受四水流域人工水利樞紐影響，加之沿程水土保持工作的開展，四水入洞庭湖年輸沙量呈減小趨勢，但由于四水含沙量較小，水利工程的興建對輸沙量影響較小，年輸沙量呈略微下降趨勢。

自1955年以來，城陵磯年徑流量與輸沙量均呈明顯下降趨勢(圖2(c))，其主要原因為三口輸水輸沙的持續(xù)降低。洞庭湖湖區(qū)水沙來源于3部分：三口、四水以及區(qū)間來水來沙。由于區(qū)間來水來沙占洞庭湖總入湖徑流與入湖泥沙量的比重分別不足10%與3%[20]，洞庭湖水沙主要來源于三口與四水。排除區(qū)間來水，1955—2018年洞庭湖三口與四水輸水輸沙所占比重如圖3所示。從圖3可知，洞庭湖區(qū)水量主要來源于四水(圖3(a))，而泥沙主要來源于三口(圖3(b))。由于三口年徑流量自1955以來逐漸減少(圖2(a))，加之四水年徑流量無明顯變化(圖2(b))，洞庭湖總入湖徑流量中四水所占比重自1955—2018年呈增加趨勢(圖3(a))。通過線性擬合(圖3(a)中虛線所示)，1955—2018年三口年徑流量占入湖總徑流量的比重減少57.8%。2003年三峽水庫建成以前，三口輸沙量占洞庭湖泥沙入湖總量的比重穩(wěn)定(圖3(b)中虛線所示)，1955—2002年三口輸沙量平均占比為79.1%；三峽水庫蓄水運行以后，三口輸沙量所占比重波動劇烈，且呈下降趨勢，洞庭湖區(qū)泥沙主要來源由三口向四水發(fā)生轉變。

圖3 1955—2018年洞庭湖三口與四水輸水輸沙占比Fig.3 Proportions of runoff and sediment discharge in three outlets and four rivers from 1955 to 2018

3.2 洞庭湖湖盆沖淤演變特征

通過對比洞庭湖泥沙輸入與輸出量的差值，1955—2018年洞庭湖湖盆沖淤變化如圖4所示，其中，正值代表泥沙淤積，負值代表湖盆受到沖刷。1955—2006年，洞庭湖泥沙沖淤量為正值，湖盆一直處于淤積狀態(tài)，且泥沙淤積量在1955—2006年呈遞減趨勢；2006年之后，泥沙沖淤量轉為負值，湖盆由淤積轉為沖刷狀態(tài)。由于2003年之前，洞庭湖入湖泥沙約80%來自于三口(圖3(b))，三口入湖泥沙的減少(圖2(a))是導致洞庭湖湖盆泥沙淤積量減小的主要原因。1955—1966 年，洞庭湖湖區(qū)泥沙年平均淤積量為1.61×108t/a；1967—1972年，荊江河道系統(tǒng)裁彎使得湖盆泥沙淤積量每年平均減少約0.25×108t，1973—1980年洞庭湖年平均淤積量(1.09×108t/a)較1955—1966 年減少32.3%；1980年葛洲壩工程的蓄水運行以及2003年三峽工程的建設，使得洞庭湖泥沙淤積量持續(xù)走低，并在2006年左右整個湖盆基本達到沖淤平衡狀態(tài)，且2006年以后，泥沙年沖淤量為負值，湖盆處于沖刷狀態(tài)。

圖4 1955—2018年洞庭湖年沖淤量時間序列Fig.4 Time series of sediment erosion/deposition in Dongting Lake from 1955 to 2018

3.3 洞庭湖水沙變化與人類活動的關系

以累積徑流量為橫坐標、累積輸沙量為縱坐標，繪制洞庭湖三口、四水以及城陵磯1955—2018年雙累積曲線，如圖5所示。從圖5可知，四水與城陵磯徑流-輸沙雙累積曲線相對平直，曲線斜率變化不大(圖5(b)、圖5(c))；而三口雙累積曲線在2003年發(fā)生明顯偏折，且2003年以后直線斜率小于2003年之前，三口輸沙量減小(圖5(a))。2003年三口徑流-輸沙雙累積曲線發(fā)生偏折，主要原因是三峽水庫的蓄水運行攔蓄了河流中攜帶的大量泥沙，使得清水下泄，三口水體中懸浮泥沙濃度減少，輸沙量降低。2003年之前，三口雙累積曲線呈一條直線，斜率無明顯變化。然而，1967—1972年荊江系統(tǒng)裁彎以及1981年葛洲壩水庫蓄水運行均導致三口輸沙量減小(圖2(a))，但輸沙量的改變并未在雙累積曲線中反映。這主要是由于荊江系統(tǒng)裁彎雖然降低了三口的分流分沙量，但并未明顯改變三口水體中的泥沙濃度；葛洲壩為一座低壩-閘壩式水利工程，且在1985年總體上基本達到懸移質泥沙沖淤平衡，對下游水體泥沙濃度影響較小。因此，徑流-輸沙雙累積曲線可用于揭示水體中泥沙濃度發(fā)生變化而導致的輸沙量變化，且泥沙濃度的變化主要是由大型水庫建設運行以及流域內水土保持工作造成的。

圖5 1955—2018年洞庭湖三口、四水以及城陵磯徑流- 輸沙雙累積曲線Fig.5 Double cumulative runoff-sediment discharge curves for three outlets, four rivers, and Chenglingji from 1955 to 2018

四水與城陵磯徑流-輸沙雙累積曲線近似直線，但斜率也存在微小差異。四水雙累積曲線斜率變點的出現與沿程水庫建設存在密切關系(圖5(b))。1955—2018年，四水雙累積曲線中存在2個轉折點，將曲線分為3個時段：第一個轉折點出現于1986年，且1986年之后擬合直線斜率相對1986年之前減小，四水輸沙量減少；第二次轉折點出現于1999年，且1999—2018年擬合直線斜率小于1986—1998年時段，四水輸沙量再次減少。1986年湖南省最大的東江水庫下閘蓄水，庫容91.48×108m3，導致1986年后四水輸沙量減少顯著，是第一個轉折點出現的主要原因；1998年10月澧水支流的江埡水庫下閘蓄水，庫容17.41×108m3，是造成1999年后輸沙量變化的主要原因。由于三口與四水來水來沙經洞庭湖調蓄后由城陵磯匯入長江，因此，與三口、四水相比，城陵磯徑流-輸沙雙累積曲線變化更為平緩，且主要與長江干流水沙變化關系緊密。如圖5(c)所示，城陵磯雙累積曲線在1981年出現偏折，1981年之后的斜率較1981年之前減小，輸沙量降低。這主要是由于20世紀70年代下荊江系統(tǒng)裁彎后，荊江河道被固定，三口分流減少，長江下泄水量增大，湖口排水受阻，湖區(qū)水面比降變小，水體含沙量降低，水流輸沙能力減弱[23]。2003年三峽水庫蓄水運行，大幅度地減小了三口輸沙量，但其影響并未反映在城陵磯雙累積曲線中。這主要是由于自2003年三峽水庫蓄水運行后，三口輸沙大幅減少，洞庭湖湖盆由持續(xù)淤積轉變?yōu)闆_刷狀態(tài)(圖4)，徑流攜帶大量湖盆中的泥沙通過城陵磯匯入長江，使得洞庭湖出湖泥沙在入湖泥沙大幅減少的背景下有所增加[24-25]。

依據雙累積曲線原理，本文對人類活動引起的三口、四水以及城陵磯輸沙變化進行定量評估。由于三口徑流-輸沙雙累積曲線在2003年出現偏折(圖5(a))，因此，以2003年為界，分別建立1955—2002年和2003—2018年2個時段雙累積曲線的線性擬合方程，即

1955—2002年：

Qs1=13.90Qw1-7 950.72，r2=0.998；

(8)

2003—2018年：

Qs2=1.55Qw2+519 736.75，r2=0.945。

(9)

1955—1985年：

Qs1=2.09Qw1-3 227.31 ，r2=0.998 9；

(10)

1986—1998年：

Qs2=1.27Qw2+37 074.85，r2=0.997 9 ；

(11)

1999—2018年：

Qs3=0.52Qw3+92 186.19，r2=0.985 2 。

(12)

1955—1980年：

Qs1=1.71Qw1+6 492.00，r2=0.996 4 ；

(13)

1981—2018年：

Qs2=0.88Qw2+74 919.94，r2=0.991 9 。(14)

將2018年對應的城陵磯累積徑流量代入式(13)，并與累積輸沙量進行對比，1981—2018年城陵磯輸沙量累積減少8.12×108t，年均減少量為0.21×108t/a。

4 結 論

(1)M-K趨勢性分析表明，三口年徑流量與輸沙量、四水年輸沙量及城陵磯年徑流量與輸沙量變化均呈顯著下降趨勢，四水年徑流量無明顯趨勢，且以三口年輸沙量變化最為明顯，影響最大。

(2)受長江荊江段河道系統(tǒng)裁彎工程與水利工程建設等影響，三口輸沙量呈梯級遞減；四水年徑流量因四水水系發(fā)達，工程蓄水主要用于工農業(yè)生產而總體沒有發(fā)生明顯變化；城陵磯水沙變化則受到三口、四水及其上游長江干流的多重影響，其徑流泥沙量的減小主要源于三口入洞庭湖的水沙變化，但經調蓄后，三口水沙變化與城陵磯出現不同步現象。

(3)由于三口是洞庭湖泥沙的主要來源，1955—2018年三口輸沙的減少，使得洞庭湖湖盆泥沙淤積量呈顯著減小趨勢，且在2006年，洞庭湖湖盆泥沙由淤積狀態(tài)轉變?yōu)闆_刷狀態(tài)。

(4)采用徑流-輸沙雙累積曲線，定量評估了人類活動對洞庭湖水沙演變的影響：三峽水庫的蓄水運行，使得三口徑流-輸沙雙累積曲線在2003年出現偏折，2003—2018年三口累積減沙量約為11.07×108t，年均減少量為0.69×108t/a；受四水流域水利工程建設的影響，四水雙累積曲線分別在1986和1999年發(fā)生偏折，1986—2018年泥沙累積減沙量為7.11×108t，年均減少量為0.22×108t/a；城陵磯雙累積曲線在1981年出現明顯偏折，1981—2018年城陵磯累積減沙量約為8.12×108t，年均減少量為0.21×108t/a。