基于Mann-Kendall法對(duì)洞庭湖區(qū)三口入湖水量趨勢(shì)性分析

錢 湛，王維俊，黎昔春，宋 平

(1.湖南省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究總院，湖南 長(zhǎng)沙 410007；2.湖南省洞庭湖研究中心，湖南 長(zhǎng)沙 410007)

洞庭湖匯集湘、資、沅、澧四水及湖周中小河流，承接經(jīng)松滋、太平、藕池三口分流。松滋口，太平口，藕池口統(tǒng)稱為荊南三口。荊南三口控制站有新江口、沙道觀、彌陀寺、管家鋪、康家崗。其中新江口水文站位于松滋西支，于1955年1月設(shè)立；沙道觀水文站位于松滋?hào)|支于1951年2月設(shè)立；彌陀寺水文站位于虎渡河，于1952年6月設(shè)立；管家鋪水文站位于藕池東支，于1952年6月設(shè)立；康家崗水文站位于藕池西支，于1952年6月設(shè)立。

荊南三口分流長(zhǎng)江上游來(lái)水入湖是洞庭湖來(lái)水量的一個(gè)重要組成部分。長(zhǎng)江上游來(lái)量、來(lái)水過程和荊南三口分流能力是影響荊南三口分流量的主要因素[1]。而荊南三口分流能力又受江湖關(guān)系自然演變、下荊江系統(tǒng)裁彎、三峽和葛洲壩運(yùn)用等強(qiáng)人類活動(dòng)影響[2]。在自然演變和強(qiáng)人類活動(dòng)影響下，荊南三口分流能力顯著降低、三口分流量呈減少態(tài)勢(shì)，導(dǎo)致湖區(qū)季節(jié)性、工程型水資源供需矛盾凸顯；水生態(tài)功能呈退化態(tài)勢(shì)，濕地萎縮，生物多樣性降低；水質(zhì)下降，水污染防治壓力加劇[3]。

為保障湖區(qū)水資源及水生態(tài)環(huán)境安全，本文所有數(shù)據(jù)均采用長(zhǎng)江委水文局所保存的相關(guān)資料，進(jìn)行洞庭湖區(qū)三口入湖水量趨勢(shì)性分析，研究成果最終為實(shí)現(xiàn)洞庭湖區(qū)水文條件急劇變化情況下的科學(xué)治水，以及類似區(qū)域河流及湖泊水生態(tài)安全科學(xué)調(diào)控提供科學(xué)參考。

1 三口年入湖水量分析

1.1 三口年入湖水量變化

為便于分析研究三口分流量變化的趨勢(shì)及成因，以重大水利工程建設(shè)為節(jié)點(diǎn)，將1959-2013年劃分為5個(gè)時(shí)間段[4]。第一階段：下荊江裁彎以前(1959-1966年)；第二階段：下荊江裁彎期(1967-1972年)；第三階段：裁彎后至葛洲壩截流之前(1973-1980年)；第四階段：葛洲壩運(yùn)用影響期到三峽水庫(kù)蓄水前(1981-2002年)；第五階段：三峽工程運(yùn)用后(2003-2013年)。

1959-2013年荊南三口實(shí)測(cè)多年平均入湖水量798 億m3，占同期總?cè)牒康?8%。其中松滋河西支和東支、虎渡河、藕池河?xùn)|支和西支實(shí)測(cè)多年平均徑流量分別為293.9 億m3、94.1 億m3、145.6 億m3、248.9 億m3和15.5 億m3，見圖1及表1。

圖1 枝城徑流量、三口徑流量、三口分流量逐年變化情況Fig. 1 Change of the runoff of Zhicheng and three outfalls and the flux of three outfalls

(1)1959-2013年荊南三口分流入湖水量減少趨勢(shì)顯著，三峽水庫(kù)蓄水后與下荊江裁彎前兩階段相比，枝城站年徑流量減少了564 億m3，減少幅度為12%；三口合計(jì)分流量減少了851.2 億m3，減少幅度為64%，年平均減少18.9 億m3。

(2)從分階段三口分流入湖水量變化來(lái)看：下荊江裁彎期和下荊江裁彎后兩個(gè)階段(共14年)三口入湖水量減少幅度最大，期間三口年平均分流量減少了近501.5 億m3，占總減少量的58.9%，年平均減少35.8 億m3；下荊江裁彎后至三峽水庫(kù)蓄水運(yùn)用前(共22年)，三口分流量仍呈逐年減少趨勢(shì)，但變化幅度已逐漸趨緩，期間三口年分流量減少了209 億m3、年平均減少9.5 億m3；三峽水庫(kù)運(yùn)用后，三口分流量減少幅度進(jìn)步擴(kuò)大，期間三口分流量減少140.7 億m3、年平均減少12.8 億m3。

(3)從三口五站分流量變化來(lái)看：藕池西支管家鋪站年水量減少最多，下荊江裁彎前至2013年，已由584.7 億m3下降至101.8 億m3，松滋西支新江口站水量減少幅度最小，由下荊江裁彎前的330.6 億m3減少到2013年的235.5 億m3。三峽水庫(kù)運(yùn)用后與下荊江裁彎前相比，新江口站、沙道觀站、彌陀寺站、管家鋪站、康家崗站年平均水量分別減少95.1、106.4、125.4、482.9和41.4 億m3，分別占三口五站總減少量的11.1%、12.5%、14.7%、56.7%和4.86%。

1.2 三口年入湖水量變化趨勢(shì)性檢驗(yàn)

采用Mann-Kendall法進(jìn)行M-K檢驗(yàn)，長(zhǎng)江上游來(lái)水Kendall秩次檢驗(yàn)T檢驗(yàn)量為-1.97，呈下降趨勢(shì)；線性回歸檢驗(yàn)T檢驗(yàn)量為-2.31，呈下降趨勢(shì)。荊南三口入湖水量Kendall秩次檢驗(yàn)T檢驗(yàn)量為-6.68,呈顯著下降趨勢(shì)；線性回歸檢驗(yàn)T檢驗(yàn)量為-9.34，呈顯著下降趨勢(shì)。由此可知，1959-2013年長(zhǎng)江上游來(lái)水呈減少趨勢(shì)，荊南三口分流入湖水量減少趨勢(shì)顯著。三口年徑流量M-K檢驗(yàn)成果見圖2～圖4。

圖2 松滋口年徑流量M-K檢驗(yàn)圖Fig.2 M-K checkout of annual runoff of Songzi port gate

圖3 太平口年徑流量M-K檢驗(yàn)圖Fig.3 M-K checkout of annual runoff of Taiping port gate

圖4 藕池口年徑流量M-K檢驗(yàn)圖Fig.4 M-K checkout of annual runoff of Ouchi port gate

圖5 三口年徑流量M-K檢驗(yàn)圖Fig.5 M-K checkout of annual runoff of The three outfalls

從圖2～4可知，自1971年以來(lái)，松滋口年平均徑流量有減少的趨勢(shì)，且自1976年起這種減少趨勢(shì)愈發(fā)顯著大大超過臨界水平，表明松滋口年平均徑流量減少的趨勢(shì)是十分顯著的；自1972年以來(lái)，太平口年平均徑流量有減少的趨勢(shì)，且自1977年起這種減少趨勢(shì)愈發(fā)顯著大大超過臨界水平，表明太平口年平均徑流量減少的趨勢(shì)是十分顯著的；自1969年以來(lái)，藕池口年平均徑流量有減少的趨勢(shì)，且自1972年起這種減少趨勢(shì)愈發(fā)顯著大大超過臨界水平，表明藕池口年平均徑流量減少的趨勢(shì)是十分顯著的；1959年至1971年，三口合計(jì)年徑流量呈增長(zhǎng)趨勢(shì)；1971年后，三口合計(jì)年徑流量有下降趨勢(shì)，且自1975年起這種下降趨勢(shì)愈發(fā)顯著，大大超過臨界水平，表明三口合計(jì)年徑流量減少的趨勢(shì)是十分顯著的。

2 三口枯季(10月至次年3月)入湖水量

2.1 三口枯季入湖水量變化

1959-2013年荊南三口枯期實(shí)測(cè)多年平均入湖水量118 億m3，占同期總?cè)牒康?5.5%。其中松滋河西支和東支、虎渡河、藕池河?xùn)|支和西支實(shí)測(cè)多年平均枯季徑流量分別為50.8、11.7、22.7、31.4和0.98 億m3。

圖6 枝城徑流量、三口徑流量、三口分流量逐年枯季變化情況Fig.6 Change of the runoff of Zhicheng and three outfalls and the flux of three outfalls in the dry season

圖2為長(zhǎng)江上游來(lái)水(枝城站)、荊南三口分流入湖水量逐年枯期變化過程。從圖上直觀的可以看出，長(zhǎng)江上游來(lái)水、荊南三口枯期分流入湖水量呈現(xiàn)出減少的態(tài)勢(shì)。從表2可以看出：

(1)1959-2013年荊南三口枯期分流入湖水量減少趨勢(shì)顯著，三峽水庫(kù)蓄水后與下荊江裁彎前兩階段相比，枝城站年枯期平均徑流量減少了144 億m3，減少幅度為10.8%；三口合計(jì)分流量減少了216.6 億m3，減少幅度為83.9%，年枯期平均減少4.81 億m3。

(2)從分階段三口分流入湖水量變化來(lái)看：下荊江裁彎期和下荊江裁彎后兩個(gè)階段(共14年)三口枯期入湖水量減少幅度最大，期間三口年平均分流量減少了近128.4 億m3，占總減少量的59.3%，年平均減少9.2 億m3；下荊江裁彎后至三峽水庫(kù)蓄水運(yùn)用前(共22年)，三口分流量仍呈逐年減少趨勢(shì)，但變化幅度已逐漸趨緩，期間枯期三口年分流量減少了52 億m3、年平均減少2.4 億m3；三峽水庫(kù)運(yùn)用后，三口分流量減少幅度進(jìn)步擴(kuò)大，期間枯期三口分流量減少36.2 億m3、年平均減少3.3 億m3。

(3)從三口五站分流量變化來(lái)看：藕池西支管家鋪站年水量減少最多，下荊江裁彎前至2013年，已由106.2 億m3下降至4.8 億m3，松滋西支新江口站水量減少幅度最小，由下荊江裁彎前的74.0 億m3減少到2013年的26.9 億m3。三峽水庫(kù)運(yùn)用后與下荊江裁彎前相比，新江口站、沙道觀站、彌陀寺站、管家鋪站、康家崗站年枯期平均水量分別減少47.1、25.5、38.6、101.4和4.0 億m3，分別占三口五站總減少量的21.7%、11.8%、17.8%、46.8%和1.8%。

表2 荊南三口分時(shí)段枯季徑流量統(tǒng)計(jì) 億m3

2.2 三口枯季入湖水量變化趨勢(shì)性檢驗(yàn)

采用Mann-Kendall法進(jìn)行M-K檢驗(yàn)，長(zhǎng)江上游來(lái)水Kendall秩次檢驗(yàn)T檢驗(yàn)量為-1.31，呈下降趨勢(shì)；線性回歸檢驗(yàn)T檢驗(yàn)量為-0.96，呈下降趨勢(shì)。荊南三口入湖水量Kendall秩次檢驗(yàn)T檢驗(yàn)量為-6.90,呈顯著下降趨勢(shì)；線性回歸檢驗(yàn)T檢驗(yàn)量為-9.24，呈顯著下降趨勢(shì)。由此可知，1959-2013年長(zhǎng)江上游枯季來(lái)水呈減少趨勢(shì)，荊南三口分流枯季入湖水量減少趨勢(shì)顯著。

圖7 松滋口枯季徑流量M-K檢驗(yàn)圖Fig.7 M-K checkout of annual runoff of Songzi port gate in the dry season

圖8 太平口枯季徑流量M-K檢驗(yàn)圖Fig.8 M-K checkout of annual runoff of Taiping port gate in the dry season

圖9 藕池口枯季徑流量M-K檢驗(yàn)圖Fig.9 M-K checkout of annual runoff of Ouchi port gate in the dry season

圖10 三口合計(jì)枯季徑流量M-K檢驗(yàn)圖Fig.10 M-K checkout of annual runoff of the three outfalls in the dry season

從圖7-圖10可知，自1972年以來(lái)，松滋口枯季平均徑流量有減少的趨勢(shì)，且自1978年起這種減少趨勢(shì)愈發(fā)顯著大大超過臨界水平，表明松滋口枯季平均徑流量減少的趨勢(shì)是十分顯著；自1969年以來(lái)，太平口枯季平均徑流量有減少的趨勢(shì)，且自1974年起這種減少趨勢(shì)愈發(fā)顯著大大超過臨界水平，表明太平口枯季平均徑流量減少的趨勢(shì)是十分顯著；自1969年以來(lái)，藕池口枯季平均徑流量有減少的趨勢(shì)，且自1973年起這種減少趨勢(shì)愈發(fā)顯著大大超過臨界水平，表明藕池口枯季平均徑流量減少的趨勢(shì)是十分顯著；自1970年以來(lái)，三口合計(jì)枯季平均徑流量有減少的趨勢(shì)，且自1975年起這種減少趨勢(shì)愈發(fā)顯著大大超過了臨界水平，表明三口合計(jì)枯季平均徑流量減少的趨勢(shì)是十分顯著的。

3 三口9-10月入湖水量變化趨勢(shì)

3.1 三口9-10月入湖水量變化

1959-2013年荊南三口9-10月實(shí)測(cè)多年平均入湖水量238 億m3，占同期總?cè)牒康?5%。其中松滋河西支和東支、虎渡河、藕池河?xùn)|支和西支實(shí)測(cè)多年9-10月平均徑流量分別為87.0、28.5、43.3、74.8和4.41 億m3。

圖11 枝城、三口、三口合計(jì)歷年9-10月徑流變化情況Fig.11 Change of the runoff of Zhicheng, three outfalls,sum of three outfalls in September to October each year

圖11為長(zhǎng)江上游來(lái)水(枝城站)、荊南三口分流入湖水量逐年9-10月變化過程。從圖上直觀的可以看出，長(zhǎng)江上游來(lái)水、荊南三口9-10月分流入湖水量呈現(xiàn)出減少的態(tài)勢(shì)。從表3可以看出：

表3 荊南三口分時(shí)段9-10月徑流量統(tǒng)計(jì) 億m3

(1)1959-2013年荊南三口9-10月分流入湖水量減少趨勢(shì)顯著，三峽水庫(kù)蓄水后與下荊江裁彎前兩階段相比，枝城站9-10月平均徑流量減少了381 億m3，減少幅度為30.2%；三口合計(jì)分流量減少了308.9 億m3，減少幅度為72.1%，9-10月平均減少6.86 億m3。

(2)從分階段三口分流入湖水量變化來(lái)看(表3)：下荊江裁彎期和下荊江裁彎后兩個(gè)階段(共14年)三口9-10月入湖水量減少幅度最大，期間三口年平均分流量減少了近157.2 億m3，占總減少量的50.9%，年平均減少11.2 億m3；下荊江裁彎后至三峽水庫(kù)蓄水運(yùn)用前(共22年)，三口分流量仍呈逐年減少趨勢(shì)，但變化幅度已逐漸趨緩，期間9-10月三口年分流量減少了97.5 億m3、年平均均減少4.43 億m3；三峽水庫(kù)運(yùn)用后，三口分流量減少幅度進(jìn)步擴(kuò)大，期間9-10月三口分流量減少54.2 億m3、年平均減少4.93 億m3。

(3)從三口五站分流量變化來(lái)看：藕池西支管家鋪站年水量減少最多，松滋西支新江口站水量減少幅度最小。三峽水庫(kù)運(yùn)用后與下荊江裁彎前相比，新江口站、沙道觀站、彌陀寺站、管家鋪站、康家崗站年9-10月平均水量分別減少42.7、39、43.3、170和13.9 億m3，分別占三口五站總減少量的13.8%、12.6%、14.0%、55.0%和4.5%。

3.2 三口9-10月入湖水量變化趨勢(shì)性檢驗(yàn)

采用Mann-Kendall法進(jìn)行M-K檢驗(yàn)，長(zhǎng)江上游來(lái)水Kendall秩次檢驗(yàn)T檢驗(yàn)量為-3.37，呈下降趨勢(shì)；線性回歸檢驗(yàn)T檢驗(yàn)量為-3.78，呈下降趨勢(shì)。荊南三口入湖水量Kendall秩次檢驗(yàn)T檢驗(yàn)量為-6.07,呈顯著下降趨勢(shì)；線性回歸檢驗(yàn)T檢驗(yàn)量為-7.28，呈顯著下降趨勢(shì)。由此可知，1959-2013年長(zhǎng)江上游9-10月來(lái)水呈減少趨勢(shì)，荊南三口分流9-10月入湖水量減少趨勢(shì)顯著。

圖12 松滋口9-10月徑流量M-K檢驗(yàn)圖Fig.12 M-K checkout of annual runoff of songzi port gate in September to October each year

圖13 太平口9-10月徑流量M-K檢驗(yàn)圖Fig.13 M-K checkout of annual runoff of taiping port gate in September to October each year

圖14 藕池口9-10月徑流量M-K檢驗(yàn)圖Fig.14 M-K checkout of annual runoff of ouchi port gate in September to October each year

圖15 三口合計(jì)9-10月徑流量M-K檢驗(yàn)圖Fig.15 M-K checkout of annual runoff of the three outfalls in September to October each year

從圖12-15可知，自1971年以來(lái)，松滋口9-10月平均徑流量有減少的趨勢(shì)，且自1977年起這種減少趨勢(shì)愈發(fā)顯著大大超過了臨界水平，表明松滋口9-10月平均徑流量減少的趨勢(shì)是十分顯著的；自1972年以來(lái)，太平口9-10月平均徑流量有減少的趨勢(shì)，且自1986年起這種減少趨勢(shì)愈發(fā)顯著大大超過了臨界水平，表明太平口9-10月平均徑流量減少的趨勢(shì)是十分顯著的；自1970年以來(lái)，藕池口9-10月平均徑流量有減少的趨勢(shì)，且自1976年起這種減少趨勢(shì)愈發(fā)顯著大大超過了臨界水平，表明藕池口9-10月平均徑流量減少的趨勢(shì)是十分顯著的；自1971年以來(lái)，三口合計(jì)9-10月平均徑流量有減少的趨勢(shì)，且自1977年起這種減少趨勢(shì)愈發(fā)顯著大大超過了臨界水平，表明三口合計(jì)9-10月平均徑流量減少的趨勢(shì)是十分顯著的。

4 結(jié) 論

長(zhǎng)江上游來(lái)量、來(lái)水過程和荊南三口分流能力是影響荊南三口分流量的主要因素。而荊南三口分流能力又受江湖關(guān)系自然演變、下荊江系統(tǒng)裁彎、三峽和葛洲壩運(yùn)用等強(qiáng)人類活動(dòng)影響。在自然演變和強(qiáng)人類活動(dòng)影響下，荊南三口分流能力顯著降低、三口分流量呈減少態(tài)勢(shì)。通過基于Mann-Kendall法對(duì)洞庭湖區(qū)三口入湖水量趨勢(shì)性分析，1959-2013年長(zhǎng)江上游年來(lái)水、枯季來(lái)水和9-10月來(lái)水呈減少趨勢(shì)，而荊南三口分流年入湖水量、枯季入湖水量和9-10月入湖水量減少趨勢(shì)顯著，其中藕池西支管家鋪站來(lái)水量減少最多。

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