荆南三口流域水系连通性变化对水资源开发利用的影响

代 稳，王金凤，陕振沛，张美竹

(1.六盘水师范学院旅游与历史文化学院，贵州 六盘水 553004； 2.六盘水师范学院乌蒙山区发展研究院，贵州 六盘水 553004)

水资源承载的载体是河湖水系，河湖水系连通状况与径流的变化和水资源量相互作用，密切相关[1]。近年来，由于气候变化和人类活动的双重压力，流域水系连通状况受到深远的影响[2-5]，尤其城市化对水系连通变化产生较大影响[6-12]。水系连通发生变化必然引起径流特征变化，进而影响水资源开发利用，但目前关于水系连通状况与水资源开发利用规律的研究成果还很少。

长江荆南三口水系既是连接长江中游的重要纽带，也是沟通长江与洞庭湖的通道。已有研究表明，长江荆南三口水系2016年水系连通性、水系连通环度、节点连接率、水文连通性、水系连通度均在1955年的基础上有所减小，以节点连接率下降尤为突出[13]。环境变化下荆南三口水系年径流量呈下降趋势，整体干旱频率偏高且干旱事件发生的次数增多[14]，干旱历时增长，干旱强度增大，峰值增高[1]，水系连通功能基本呈下降趋势[15]。为揭示荆南三口水系连通性的变化与该地区水资源开发利用之间的关系，本文运用Mann-Kendall趋势检验法[16]和Sen’s slope趋势变化强度分析水系连通性变异后荆南三口流域水位演变情势，利用算术平均法、最大值函数、最小值函数、离差系数、年际极值比、不均匀系数等识别水系连通性变异后荆南三口年径流量变化情况，并从水资源量、水文干旱、水资源开发利用角度探讨了水系连通性变异对荆南三口流域水资源开发利用的影响，以期为荆南三口流域探求径流演变规律、来水预报、防洪及实施河湖水系连通工程等提供参考。

1 研究区概况与数据来源

1.1 研究区概况

荆江是指长江干流枝城站(湖北省宜都市)至城陵矶河段(湖南省岳阳市)的总称，全长约为 360 km，分为上荆江和下荆江，其南岸的松滋、虎渡和藕池三口(调弦口于1958年堵口)，习惯上称为荆南三口，主要分泄长江水沙补给洞庭湖(图1)。荆南三口流域总面积约为4 150 km2，主要河流有松滋河东支、松滋河西支、虎渡河、藕池河东支、藕池河西支，可划分5个等级，2016年5等级河流4条、4等级12条、3等级16条、2等级30条、1等级70条。近年来，由于受气候变化和以水利工程为主的人类活动的影响，荆南三口流域水系结构连通性、水系水力连通性发生各种变化[17]，从而导致该水系水文情势日趋复杂，造成荆南三口流域出现水资源短缺问题。

1.2 数据来源

将新江口、沙道观、弥陀寺、管家铺、康家岗5个水文站点(图1)1956—2017年实测的月径流量、水位作为研究的基础数据。1956—2009年月径流量、水位数据主要来自长江水利委员会，2010—2017年相关数据主要来自湖南省水利厅和湖南省水情综合日报表；使用已有统计多年平均断流天数推算变异前后多年平均断流天数；湿地面积的数据来源于遥感影像数据的处理、解译、分类和提取；生物多样性指标原始数据取自湖南省洞庭湖环境保护监测站、洞庭湖生态环境监测中心以及相关的研究[18-20]；地表水农业灌溉供水、河流水质监测数据取自洞庭湖四口河系防洪、水资源与水环境研究报告及湖南省水资源公报；一年中河道能够通航的天数数据来源于湖南省水运管理局以及设计水位推算；水库库容数据来源于《湖南省洞庭湖区防洪治涝工作手册》。

图1 荆南三口流域水系

2 研究方法

2.1 模糊综合评价法

模糊综合评价法根据模糊数学的隶属度理论把对受到多种因素制约的水系连通性评价转化为定量评价，通过构建模糊综合评价指标体系、权重向量、隶属矩阵来完成对水系连通性评价。

2.2 保证率划分丰平枯典型年的方法

为便于揭示水系连通性变异对荆南三口流域水资源开发利用的影响程度，通过计算荆南三口流域5个水文站1956—1989年和1990—2017年径流序列的经验频率，先进行排频计算，利用皮尔逊Ⅲ型曲线进行配线，得到各频率情况下所对应的径流量值，再分别取水系连通性变异前后P=25%、50%、75%所对应的径流量值作为丰、平、枯水年的设计值，然后选取与设计值相等或接近的年份作为相应的丰平枯代表年。

2.3 游程理论

采用游程理论进行水文干旱的确定，即将流量小于某一阈值(通常以各月径流量分位数，如25分位数)时来划分水文干旱，水文干旱特征包含水文干旱历时(干旱从开始到结束所持续的时间)、水文干旱强度(在干旱时期内径流的缺水总量)和水文干旱峰值(在干旱时期内河流的最小流量，反映最大缺水量)3个参数[1]。

3 水系连通性变异后荆南三口水文情势演变特征

3.1 水系连通性变异点的确定

运用模糊综合评价法计算河道断流率、湿地面积变化率、生物多样性指标、河流水质达标率、地表水农业灌溉供水率、河道通航能力、水库调节能力指数、亲水舒适度8个指标(图2)最大隶属度值，通过取大取小法复合运算，判别出荆南三口流域水系连通性1956年为Ⅰ级，1989年为Ⅲ级，2008年和2016年均为Ⅱ级，4个典型评价年份中1989年水系连通性变化较大。从河流自然属性、社会属性的角度(河网中河段的长度、河段的重要程度、过水能力、过水能力指数、河网中河段的平均宽度构建水系连通性函数)评价水系连通度，荆南三口流域河系水系连通度在0.018 2～0.014 5之间波动，由于荆南三口诸河河长、河宽缩短变窄，过水能力减弱，1989年的水系连通度为最小值，表明荆南三口水系连通性在1989年前后发生了突变[1,21]。

图2 水系连通性评价指标体系

对比水系连通性评价标准(表1)，从水系连通自然功能和社会功能评价结果可以看出，1989年研究区自然功能、综合功能评价值先降低后上升，社会功能评价值先上升后降低(表2)。

综上，为了有效分析水系连通性变异后荆南三口流域水位、流量演变规律及其对水资源开发利用的影响机理，本文以水系连通性变异时间(1989年)为节点，将1956—2017年时间序列划分为两个时段：1956—1989年(基准期)，1990—2017年(变异期)。

表1 水系连通性评价标准

表2 荆南三口流域水系连通性评价结果

3.2 水位演变情势

采用Mann-Kendall趋势检验法[16]计算出水系连通性变异前后荆南三口流域年平均水位、年最高水位、年最低水位Mann-Kendall统计量Z值、趋势大小的倾斜度β值，结果如表3所示。由表3可知，水系连通性变异前后荆南三口年平均水位统计量Z值均为负，意味着年平均水位总体呈下降变化趋势，但此变化趋势不显著；年最高水位由不显著下降趋势变为显著下降趋势，下降速率由每10 a 0.13 m增至0.61 m；年最低水位由不显著下降趋势变为显著上升趋势。由此可见，水系连通性变异后荆南三口流域年平均水位演变情势与基准期相似，变化不大，年最高水位下降趋势显著且下降快，年最低水位变化趋势显著。由此认为，水系连通性变异后荆南三口流域特征水位变化趋势显著，年平均水位降低，年最高水位、年最低水位年际相差增大，易造成旱涝灾害，对水资源开发利用产生消极影响。

表3 水系连通性变异后荆南三口流域特征水位Man-Kendall趋势变化

3.3 径流量变化特征

为了识别水系连通性变异后荆南三口流域年径流量情势变化，利用算术平均法、最大值函数、最小值函数、离差系数、年际极值比、不均匀系数计算研究区径流变化特征值。结果表明：水系连通性变异后三口流域多年平均径流量540.20亿m3，比变异前1 004.65亿m3少464.45亿m3，年径流量最大值少693.03亿m3，最小值少362.48亿m3，这意味着水系连通性变异后荆南三口流域年径流量较少，不利于水资源开发利用；变异前研究区年径流量离差系数、年际极值比、不均匀系数分别为0.308 1、3.18和1.05，变异后分别为0.307 5、5.71和1.22，说明水系连通性变异后年径流量年际变化幅度大，年内分配不均匀，意味着径流量不稳定，易形成洪涝灾害，对水资源开发利用产生不利影响。由此可见，水系连通性变异后荆南三口流域年径流量较小，变化幅度大且年内分配不均匀，水资源开发利用难度增大。

4 水系连通性变异对水资源开发利用的影响

4.1 对水资源量的影响

水系连通是河湖水系上保持流动水流和脉络相通的通道，该通道在一定程度上反映河湖水系连通状况和水流的连续性，其水系连通程度对水资源多寡具有一定的指示作用。鉴于此，根据1956—2017年荆南三口流域四站(新江口无断流)断流天数与水系连通度数据，计算出断流天数与水系连通度的Pearson相关系数为0.78，这表明，水系连通度与水资源量关系密切，即荆南三口流域水资源变化受水系连通程度的影响。由河流数量、河长、河网密度、水面率、支流发育系数、河网复杂度、水系分维数与水资源的相关系数可知，表征水系连通状况的7个水系结构参数在一定程度上对水资源量产生极其重要的影响。

通过计算水系连通性变异前后径流序列的经验频率，选取1966年、1959年、1972年分别代表变异前的丰水年、平水年和枯水年，1996年、2008年、1994年分别代表变异后的丰水年、平水年和枯水年。将水系连通性变异前后荆南三口流域典型年月径流量和年径流量作对比分析，结果表明，水系连通性变异后，荆南三口流域丰水年、平水年、枯水年年径流量分别减少522.06亿m3、416.26亿m3和251.20亿m3，这意味着研究区典型年水资源量减少同等数量，其原因除了与荆南三口流域同期降雨偏少密切相关外，与河流数量减少、河道长度缩短、河网密度减小、水面率降低等存在很大关系。从典型年月径流量来分析，水系连通性变异后，荆南三口流域丰水年7月月径流量增加7.28亿m3，其余月份月径流量均为减少，其中9月减少了258.46亿m3，月径流量小于1亿m3的月份由1个增至4个，且最小值由0.81亿m3(3月)减至0.07亿m3(1月)；平水年9月、11月月径流量增加，其余月份为减少，其中3月、4月、5月、6月、7月、8月、10月月径流量降幅达到10亿m3以上，甚至有的月份超过100亿m3，1—3月月径流量均小于0.5亿m3；枯水年2月、10月、12月月径流量增加，其余9个月份为减少，月径流量最大值均未超过100亿m3，1—3月月径流量均小于0.15亿m3，4月、5月、11月、12月月径流量在3.9亿～8.9亿m3。由此认为，水系连通性变异后荆南三口流域年径流量呈下降趋势，不同典型年减少程度不同，枯水年年内水资源调配次数多(3次增加)，月水资源量偏少，平水年次之(2次增加)，月水资源量较变异前降幅大，丰水年一般(1次增加)，月水资源量年内变化幅度大。从水资源开发利用的角度上讲，水系连通性变异后荆南三口流域水资源开发利用难度增大。

4.2 对水文干旱的影响

水文干旱是指河川径流低于其正常值的现象，表征可利用水量在特定面积、特定时段内的短缺。如果在一段时期内，流量持续低于某一特定的阀值，则认为发生了水文干旱，水文干旱的发生对水资源开发利用带来严重的冲击。运用游程理论定量识别出荆南三口河系水文干旱特征变量为干旱历时、干旱强度和峰值。对比分析水系连通性变异前后水文干旱特征变量，结果表明，水系连通性变异后荆南三口河系水文干旱次数呈增长趋势[1]，不同河系的增长幅度不同，松滋河东支水文干旱次数由34年62次增至28年134次，松滋河西支由71次增至220次，虎渡河由76次增至201次，藕池河东支由233次增至239次，藕池河西支由107次增至215次；水文干旱历时增长，较高干旱历时频次增大，平均干旱历时增大，以藕池河东支康家岗为例，干旱历时最大值从13个月增至19个月，9个月干旱历时频次增多，10个月、15个月干旱历时开始出现，干旱历时平均值从6个月增至7个月；水文干旱强度和峰值增加，最大值、平均值和中位数均呈上升趋势。由此可见，水系连通性变异后荆南三口河系水文干旱次数增多，干旱历时增长，较高干旱历时频次和平均干旱历时增大，干旱强度和峰值增大，这意味着出现干旱事件的频次概率增大，时间增长，缺水量增多，水资源短缺问题严峻，对水资源开发利用造成负面影响。

4.3 对水资源开发利用的影响

随着水系连通性在20世纪90年代发生明显变异，荆南三口松滋河东支、松滋河西支、虎渡河、藕池河东支、藕池河西支平均径流量比变异前有着不同程度的减少，这势必对水资源开发利用造成一定影响。鉴于此，为定量识别水系连通性对荆南三口流域不同河系水资源开发利用的影响，本文从水系连通性变异前后不同河系径流量变化趋势、断流天数变化过程视角做进一步探讨。

由图3可知，水系连通性变异后荆南三口流域五河系径流量呈不均匀下降趋势，各河系多年平均径流量大小顺序的位置除藕池河西支有影响外，其余保持不变，从大到小依次为松滋河东支、藕池河西支、虎渡河、松滋河西支、藕池河东支，说明水系连通性变异对三口流域五河系径流量影响具有同向性，无选择性影响。根据各水文站径流量变化过程线可知，水系连通性变异后，松滋河东支年径流量由在300亿m3上下波动变为呈递减变化趋势，年径流量最低值为84.12亿m3；松滋河西支年径流量递减率比变异前降低，但在变异前的基础上持续递减，其径流量最低值仅为4.42亿m3；虎渡河年径流量变异后在变异前的基础上下降率持续递减，年际变幅较大，最大年径流量达到180亿m3，最小值只有十几亿m3；藕池河东支年径流量本身就只有50亿m3，变异后在变异前的基础上下降率持续递减，使得有的年份年径流量低于0.5亿m3；藕池河西支由递减变化趋势变为弱增加趋势，但总体还是低于变异前，年径流量高于藕池河西支、虎渡河、松滋河东支，低于松滋河东支。水系连通性变异后三口流域五河系年径流量地区分配不均衡，年际相差大，对三口流域内水资源开发利用极为不利。主要表现在：一是枯水年可开发利用的水资源减少，且河系之间差异较大，松滋河东支1994年径流量168.1亿m3，松滋河西支29.44亿m3，虎渡河76.45亿m3，藕池河东支2.231亿m3，藕池河西支67.47亿m3，季节性缺水问题突出；二是受地形因素限制，三口流域兴建提引水利工程不能有效解决工程性缺水问题。

(a) 新江口和沙道观水文站

(b) 弥陀寺和管官铺水文站

(c) 康家岗水文站

通过对荆南三口流域四站(沙道观、弥陀寺、管家铺、康家岗)不同时段平均断流天数对比可知，水系连通功能变异下，松滋河东支沙道观站多年平均断流天数比变异前增加约131 d;虎渡河弥陀寺站多年平均断流天数比变异前增加约101 d，藕池河西支站管家铺站多年平均断流天数比变异前增加约 88 d，其东支康家岗多年平均断流天数比变异前增加约23 d，断流天数的增加意味着可利用水资源量的减少，进而加剧了水资源开发利用的难度。断流天数的增加，水系连通不流畅，水流持续性打断，水资源短缺现象严重。据统计，藕池河西支管家铺站11月至次年4月常出现断流，一年中断流天数达到 267 d[21]，季节性水资源短缺问题凸显，旱灾频发，尤其是水系连通性变异后断流时间的延长，使得旱灾频率增大。

5 结 论

a.水系连通性变异后荆南三口流域特征水位变化趋势显著，年平均水位降低，年最高水位、年最低水位年际相差增大，年径流量较小，变化幅度大且年内分配不均匀，易造成旱涝灾害，对水资源开发利用产生消极影响。

b.水系连通性变异后荆南三口流域年径流量呈下降趋势，月水资源量较变异前降幅大，从水资源开发利用的角度上讲，水系连通性变异后荆南三口流域水资源开发利用难度增大。

c.水系连通性变异后荆南三口流域河系水文干旱次数增多，干旱历时增长，较高干旱历时频次和平均干旱历时增大，干旱强度和峰值增多，这意味着出现干旱事件的频次概率增大，时间增长，缺水量增多，水资源短缺问题严峻。

d.水系连通性变异后荆南三口流域五河系年径流量地区分配不均衡，年际相差大，1994年松滋河东支径流量168.1亿m3，松滋河西支29.44亿m3，虎渡河76.45亿m3，藕池河东支2.231亿m3，藕池河西支67.47亿m3，对荆南三口流域内水资源开发利用极为不利。