洞庭湖區(qū)典型堤垸產(chǎn)流分析研究

趙文剛，宋 雯，李家兵

（1. 湖南省水利水電科學(xué)研究院，湖南 長沙 410007； 2. 安鄉(xiāng)縣董家垱水文站，湖南 常德 415600）

前 言

堤垸作為抵御洪水侵襲、安置移民、保障經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要屏障，是江河湖泊自然演變和人工圍湖造田共同作用形成的獨(dú)特地域單元[1]。

洞庭湖作為全國第二大湖泊和譽(yù)名天下的“糧倉”。自明代以來洲灘圍墾持續(xù)不斷，受泥沙淤積、圍湖造田、退田還湖等方式共同作用，截止目前，湖區(qū)存在11 個重點(diǎn)垸、24 個蓄洪垸、180 個一般垸，為湖區(qū)乃至整個長江中下游的發(fā)展提供了保障。

與常規(guī)流域產(chǎn)匯流不同，堤垸一般作為封閉的小流域，其產(chǎn)匯流受人類活動影響較大，下墊面改變、泵站調(diào)節(jié)等的共同作用使得堤垸徑流系數(shù)增大、匯流時間縮短。常規(guī)研究中將洞庭湖區(qū)間的水量作為輸入直接導(dǎo)入江湖研究系統(tǒng)，主要由于湖區(qū)內(nèi)部的產(chǎn)匯流機(jī)制特別是堤垸區(qū)的產(chǎn)匯流未明確。

安鄉(xiāng)縣作為洞庭湖區(qū)堤垸與河網(wǎng)交匯的典型代表，以往的研究由于缺乏實測資料支持，對于其產(chǎn)匯流機(jī)制的探討較少。本文將以安鄉(xiāng)縣為研究對象，結(jié)合降雨、泵站排澇等實測資料，研究堤垸的產(chǎn)匯流，以期為洞庭湖區(qū)間水量研究提供支持。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

安鄉(xiāng)縣位于洞庭湖西北部，處于湘鄂兩省、四市（常德、益陽、岳陽、荊州）、八縣（鼎城、漢壽、澧縣、津市、南縣、公安、石首、華容）交界處，轄12 鄉(xiāng)鎮(zhèn)、2 農(nóng)場，面積1 087 km2，屬洞庭湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)核心圈層，是長江“三口”（太平口、藕池口、松滋口）泄洪與澧水注入洞庭湖的必經(jīng)之地。地質(zhì)構(gòu)造為安鄉(xiāng)凹陷，地表99%以上為新生界第四系全新統(tǒng)沖積物，水位埋深2 m 左右[2]。

年均天然降水量13.12 億m3；8 條過境客水年均徑流量994.69 億m3，其中澧水洪道、松虎洪道、自治局河、大湖口河、虎渡河、官垱河分別為314.616，416.3，271.5，133.1，195.64，31.74 億m3。垸內(nèi)湖泊、啞河仍為140 個（條）。

8 條河流將安鄉(xiāng)縣分割成5 個獨(dú)立堤垸：安化垸、安昌大垸、安造大垸、安澧大垸、安保大垸。

安化垸東線為栗林河和藕池河中支，從湖北界—汪家閘—南縣界陳家渡止，約29.55 km；西線為官垱河，從湖北界—致惠水管—南縣界止，約31.63 km；北線為湖南湖北界線；南線為安鄉(xiāng)和南縣的界限。安化垸集雨面積為7 846.67 hm2（117 700 畝），耕地面積為4 406.73 hm2（66 101 畝）?，F(xiàn)有電排17 處。

安昌大垸東線為官垱河，從湖北界—生昌北間堤—八珍閘—南縣界止，約44.35 km；西線為虎渡河，從湖北界—黃市咀—中孚閘—小河口止，約39.9 km；北線為湖南湖北界線。

南線為安鄉(xiāng)縣和南縣的界限。安昌垸集雨面積為11 510.20 hm2（172 653 畝），耕地面積為5 089.27 hm2（76 339 畝）?，F(xiàn)有電排18 處。

安造大垸東線為虎渡河，從黃山頭鎮(zhèn)—劉家河—小河口—蹇家渡—蘆葦場止，約37.34 km；西線為松滋河?xùn)|支和松虎洪道，從湖北界—松蔭尖—蘆葦場止，約41.83 km；北線為湖南湖北界線。安造大垸集雨面積為20 459.60 hm2（306 894 畝），耕地面積為10 465.27 hm2（156 979 畝）?，F(xiàn)有電排26 處。

安澧大垸東線為大湖口河，從東壩口—汪家拐—小望角止，約33.08 km；西線為自治局河，從東壩口—新碼頭—小望角止，約35.52 km。安澧大垸集雨面積為12 273.13 hm2（184 097 畝），耕地面積為5 981.2 hm2（89 718 畝）?，F(xiàn)有電排16 處。

安保大垸東線為松虎洪道，從跛子渡—大京港低閘—新建電排—蔡家灘止，約45.9 km；西線為澧水洪道，從跛子渡—巖剅口—紅衛(wèi)閘—蔡家灘止，約54.09 km。安保大垸集雨面積為35 511.40 hm2（532671 畝），耕地面積為17 744.87hm2（266173 畝）?，F(xiàn)有電排20 處。

1.2 數(shù)據(jù)來源與處理

日降雨資料采用2018 年長江水利委員會安鄉(xiāng)站數(shù)據(jù)，并在研究區(qū)域內(nèi)布設(shè)2 處雨量器驗證資料的代表性；研究范圍內(nèi)取排水資料采用實地調(diào)查法獲取（共計取排水泵站、水閘112 處）。

2 研究方法

本研究采用數(shù)理統(tǒng)計的基本方法對降雨、徑流的最大值、標(biāo)準(zhǔn)差、均值、變異系數(shù)進(jìn)行分析；相關(guān)性分析采用spss 21 皮爾遜雙側(cè)檢驗；線性回歸采用Excel 2017 自帶擬合算法。

3 結(jié)果計算與分析

3.1 各因子統(tǒng)計規(guī)律分析

通過對2018 年安鄉(xiāng)縣5 個堤垸的降雨、徑流、外河取用水資料進(jìn)行統(tǒng)計性分析，如表1 所示。從表1 可以看出安造、安保、安昌、安化、安澧5 大垸的降雨、徑流以及外河取用水量變異系數(shù)均大于1，屬強(qiáng)變異；以安澧垸外河取用水量的變異程度最大，安造垸外河取用水量的變異程度最小；各堤垸間的徑流變異程度差異性不大（除安造、安昌外），說明相同雨量下徑流差異性遠(yuǎn)小于取用水的差異性，這可能主要由各個堤垸內(nèi)產(chǎn)業(yè)構(gòu)成、人口數(shù)量、耕種方式不同導(dǎo)致，即人類活動差異性造成。各堤垸降雨、取用水、徑流標(biāo)準(zhǔn)差均較大，說明降雨、徑流、取用水年內(nèi)分布不均，圖1 各堤垸降雨、徑流、用水量的分布圖也反映了年內(nèi)分布情況。其中安保垸徑流標(biāo)準(zhǔn)差最大，說明安保垸徑流的離散程度最高。

表1 各堤垸降雨、徑流、取用水統(tǒng)計指標(biāo)

3.2 因子間相關(guān)性分析

3.2.1 降雨量與徑流量相關(guān)性分析

通過spss 軟件皮爾遜相關(guān)性計算發(fā)現(xiàn)：5 個堤垸內(nèi)的徑流與降雨均具有極顯著相關(guān)趨勢，說明降雨是堤垸內(nèi)徑流產(chǎn)生的重要因素。從相關(guān)性來看，安化垸>安昌垸>安澧垸>安保垸>安造垸，可能由于相對于安澧垸，安化垸范圍內(nèi)人類活動影響作用較小。

為進(jìn)一步量化堤垸內(nèi)的產(chǎn)流與降雨量間的相關(guān)關(guān)系，通過線性擬合的方式研究了各堤垸徑流與降雨量間的函數(shù)關(guān)系，見表2 和圖2。從圖中可以看出降雨量較小時，徑流量變化范圍較大，這可能主要因為一方面降雨量較小時為緩解區(qū)域干旱或用水緊張，從外河抽取大量的水滿足日常生產(chǎn)、生活，農(nóng)業(yè)用水以及部分生活用水匯集后又形成新的徑流；另一方面，由于安鄉(xiāng)縣地處澧水、荊南四水交匯處，區(qū)域降水較小時，澧水、荊南四水可能水量較大，通過一定路徑進(jìn)入垸內(nèi)。從擬合程度來看，安澧垸（R2=0.346 3）>安昌垸（R2=0.298 3）>安化垸（R2=0.247 5）>安保垸（R2=0.239 5）>安造垸（R2=0.097 8）。此外，從單位降雨產(chǎn)生的徑流量來看，安保垸（k=5.801 7）>安造垸（k=2.668 9）>安昌垸（k=1.849 6）>安化垸（k=1.587）>安澧垸（k=1.388）。

3.2.2 堤垸內(nèi)徑流量、取用水量相關(guān)性分析

相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)，堤垸內(nèi)徑流量與取用水量存在相關(guān)性，但相關(guān)性不顯著。圖3 也反映了這一規(guī)律，同一徑流量條件下，取用水量變化在0～80 萬m3；同一取水量條件下，徑流量0～1 300 萬m3。這主要可能因為堤垸區(qū)人類活動與自然變化的共同作用，其中人類活動的影響作用對徑流的變化更為直接、顯著。

圖1 各堤垸降雨、徑流、取用水年內(nèi)分布情況

表2 各堤垸降雨、徑流相關(guān)性分析

圖2 堤垸降雨、徑流相關(guān)關(guān)系分析

表3 堤垸內(nèi)取用水量、徑流相關(guān)性分析

圖3 堤垸內(nèi)取用水量、徑流相關(guān)關(guān)系分析

4 結(jié) 論

本文研究堤垸內(nèi)的產(chǎn)流，忽略地下水、蒸發(fā)以及外河水位等因素對其的影響。主要得到以下結(jié)論：

1）堤垸內(nèi)徑流與降雨均極顯著相關(guān)。

2）徑流與降雨擬合關(guān)系，安澧垸（R2=0.346 3）>安昌垸（R2=0.298 3）>安化垸（R2=0.247 5）>安保垸（R2=0.239 5）>安造垸（R2=0.097 8）。

3）單位降雨產(chǎn)生的徑流量：安保垸（k=5.801 7）>安造垸（k=2.668 9）>安昌垸（k=1.849 6）>安化垸（k=1.587）>安澧垸（k=1.388）。

4）堤垸內(nèi)徑流量與取用水量存在相關(guān)性，但相關(guān)性不顯著。

5 問題與不足

本文研究堤垸內(nèi)的產(chǎn)流，忽略地下水、蒸發(fā)以及外河水位等因素對其的影響。下一步研究需引入蒸發(fā)、外河水位、人類活動等因素對于徑流形成的定量作用。