环境变化下长江荆南三口径流变化特征检测与归因分析

依据长江中游荆南三口河系1951—2014年实测原型水文气候资料,在分析环境变化的基础上,定量分解不同时间尺度气候因素和人类活动对径流量变化影响的贡献率。结果表明:(1)以荆南三口及周边地区降水量减小,长江干流来水量逐期减少,水位降低,荆南三口河系断流天数呈波动性增加为标志的环境变化导致了荆南三口河系径流逐期减少;(2)荆南三口河系径流量在长时间序列上呈波动性增减变化,而在不同时间尺度上却呈逐期减少趋势。径流量与降水量变化的突变年份均为1958年,1972年和1998年;(3)以1951—1958年为基准年,1959—1972年,1973—1998年,1999—2014年3个时段降水量波动对径流量变化影响的贡献率依次为26.71%,2.9%,7.05%,人类活动(主要是重大水利工程)对各时期径流量变化影响的贡献率分别为73.29%,97.10%,92.95%。

水利工程对长江荆南三口水系连通功能变化的影响

为了揭示荆南三口地区水利工程与水系连通功能的定量关系,基于1954、1975、1990、2008和2016年5期的水利工程与水系连通功能的相关数据,运用集对分析和相关分析等方法,定量评价了水利工程对长江荆南三口水系连通功能的影响,结果表明:1)区内外水利工程与多年日均径流保证率、河道断流率、输沙效率的相关系数(R2)均>0.5,皆达到显著性水平。2)自然功能3个模块的联系主值数基本呈下降趋势,但物质能量传递功能与生态维系功能下降尤为明显。1990年之前物质能量传递与生态维系功能处于一个较好的状态,1990年后这2项功能的等级已下降至"差";社会功能3个模块的联系主值数的变化各不相同。洪涝防御功能一直处于上升状态,而水资源调配功能和水能与水运资源利用功能都在1954—1990年呈下降趋势,1990年后,水资源调配功能逐渐回升,水能与水运资源利用功能持续下降。3)1954—2008年自然功能等级和综合功能等级都有所下降,直到2016年才稍有回升,但升幅较小,等级较低;社会功能等级在1954—1990年较低,2008年以后回升,且明显高于自然功能等级。

水利工程对长江荆南三口水系结构变化的影响

利用1954、1975、1990、2008和2016年5期长江荆南三口水系图进行解译,并运用灰色关联度模型定量评价区内外水利工程对水系结构变化的影响。结果表明:①近60多年来,荆南三口在水系结构一般特征上,河流数量由264条缩减为132条,河流长度由2183.6km缩短为1560.6km,河频率与水面率分别由0.084条/km2、17.45%减小为0.042条/km2、14.33%;在水系结构发育特征上,河网密度、面积长度比和河网发育系数由1954年的0.687km/km^2、3.96km/km^2、6.902,依次减小为2016年的0.475km/km^2、3.17km/km^2、4.165;从分形特征上看,三口水系4个河区的分维数都在1.5~2.0之间波动,但均呈下降趋势。这表明随着水利工程的不断建设,荆南三口水系自然发育过程受到严重干扰;②水系结构特征变化受水库总库容影响最大,内部水利工程次之,外部水利工程影响最小,各项指标的灰色关联度均大于0.5。其中,区外水利工程与河频率、水面率、河网密度、河网发育系数、分形维数的灰色关联度分别为0.5718、0.5922、0.5858、0.5771、0.6340;区内水利工程数量与各项指标的灰色关联度分别为0.6325、0.6527、0.6465、0.6306、0.6937;水库总库容与各项指标的灰色关联度依次为0.7070、0.7294、0.7226、0.7127和0.7284。③水利工程对水系结构的影响在不同时段呈现出不同的状态,在不同时期水利工程相继运行的叠加影响下,水系受到水利工程影响逐渐增大,水系结构逐步呈现简化趋势。

基于静态程度的荆南三口地区水资源短缺变化分析

为了探究相对丰水地区水资源短缺程度,构建水资源短缺程度评价指标体系,采用突变级数法对长江荆南三口地区水资源短缺静态程度进行评价,以静态程度为基础,信息集结视角和变化速度激励为手段,提出融合变化速度状态测度与变化速度趋势测度的水资源短缺程度动态综合评价模型。结果表明,该地区2003年~2015年水资源短缺静态程度不严重,均为基本不缺水类型,但区域内存在差异;耦合水资源短缺程度变化速度状态测度与变化速度趋势测度的动态综合评价模型能够表征区域出现水资源短缺风险的概率及揭示短缺程度变化的速度原因。

荆南三口流域水系连通性变化对水资源开发利用的影响

为了探讨水系连通性对荆南三口流域水资源开发利用的影响,采用Mann-Kendall趋势检验法分析1965—2017年长江荆南三口河系水位演变情势和径流量变化特征,重点剖析了水系连通性对三口地区水资源量、水文干旱、不同河系水资源开发利用的影响。结果表明:荆南三口流域特征水位变化趋势显著,年平均水位降低,不利于水资源开发;荆南三口流域多年平均径流量变化幅度大,水资源开发利用难度增大;荆南三口流域水文干旱次数呈增长趋势,干旱历时增长,水资源短缺问题严峻;荆南三口流域年径流量地区分配不均衡,年际相差大,对流域内水资源开发利用极为不利。

三峡水库蓄水长江荆南三口地区水资源利用效率及驱动因素

三峡水库蓄水必然会对大坝下游、地区江、湖的水资源开发利用及生态经济效应产生较大影响。本文选用数据包络分析(DEA)和Malmquist指数,根据长江荆南三口地区5个市州2000—2016年的面板数据,对荆南三口地区的水资源利用效率进行评估,并在此基础上运用Tobit模型剖析水资源利用效率的影响机制。结果表明:(1)总体而言,三口地区水资源利用效率呈上升趋势,但岳阳、益阳、荆州3市受三峡水库蓄水运行影响,水资源利用效率多年平均值较蓄水前分别下降了13.04%,20.37%和12.45%。(2)三口地区内部水资源利用效率呈现出一定的空间分异。水资源利用水平从高到低依次为宜昌、常德、岳阳、益阳和荆州,超效率DEA多年平均值分别为2.239,1.212,1.046,0.808和0.604;良好的社会经济水平有利于该地区应对三峡水库蓄水产生的负面效应。(3)自然资源禀赋、社会经济水平和产业结构是优化水资源利用效率的主要驱动因素,调整生产要素投入规模是在既定技术水平下提升水资源利用效率的最直接手段。人均GDP和第一产业在地区生产总值中所占比例与水资源利用效率呈负相关关系,而水资源总量的增加有利于水资源的合理利用。

水系连通功能变异下荆南三口流域径流特征

为了探究水系连通功能对流域径流的影响,以荆南三口流域为研究对象,运用模糊综合评判法对水系连通功能进行评判,采用月径流占年径流百分比、年内分配不均匀系数、Morlet小波分析、Sen′s slope等方法,定量分析了水系连通功能变异下荆南三口流域径流特征变化。结果表明:(1)荆南三口流域水系连通功能由1956年为Ⅰ级变为1989年为Ⅲ级再到2008年Ⅱ级,2016年保持为Ⅱ级,1989年为水系连通功能变异年,变异前后河道断流率等指标存在差异,变异后大于变异前。(2)水系连通功能变异下荆南三口流域月径流占年径流百分比更加集中在丰水月份,年内分配不均匀系数增加,表明径流年内分配更加不均匀,易造成旱涝灾害。(3)水系连通功能变异下径流序列演变过程存在的周期变化尺度由3~6 a,7~18 a,22~32 a变为3~6 a,7~8 a,9~12 a,13~16 a,第一主周期缩小12~13 a、第二主周期缩小3~4 a、第三主周期缩小1~2 a,径流丰枯震荡次数增加1~4次,表明荆南三口流域径流发生丰枯交替的频率明显。(4)水系连通功能变异下荆南三口流域径流趋势变化发生不同程度的改变,松滋河西支、松滋河东支、虎渡河径流、藕池河西支减少趋势显著,松滋河西支减弱速率较快,松滋河东支、藕池河西支减弱速率减慢,虎渡河径流减弱速率稍增加,藕池河东支无显著变化。

荆南三口地区生态系统服务价值时空特征分析

基于遥感与GIS技术,运用相关评价模型,对荆南三口地区2000—2018年土地利用变化与生态系统服务价值时空变化进行定量评估,为区域国土空间规划编制以及开展荆南三口地区绿色GDP核算、建立相关生态补偿机制提供依据。结果表明:2000—2018年研究区内共有483.47 km^(2)的土地发生了转移,占区域土地总面积的13.09%,其中水域转换面积最大,达到了219.19 km^(2);2000—2018年研究区生态系统服务总价值呈现先上升后下降再上升的趋势,累计减少13.14亿元,水域面积减少是其生态系统服务价值减少的主要驱动因素;2000—2018年研究区水文调节的生态系统服务功能值由392.43亿元降至372.18亿元,对生态系统服务总价值变化贡献率最大;2000—2018年研究区生态系统服务价值空间自相关性较为显著,高值区主要集中在水域及周围地区,其中华容县的东湖区域高值区有缩小趋势,其余地区较为稳定;2000—2018年研究区土地利用结构与生态系统服务价值总量的关联度较高,其中耕地与水域面积关联性最大,平均关联度为0.9943。

基于Mann-Kendall法对洞庭湖区三口入湖水量趋势性分析

根据实测资料,采用Mann-Kendall法秩次趋势性显著检验表征了松滋口、太平口、藕池口三口入洞庭湖的水量演变趋势,结果表明1959-2013年长江上游年来水、枯季来水和9-10月来水呈减少趋势,而荆南三口分流年入湖水量、枯季入湖水量和9-10月入湖水量减少趋势显著,其中藕池西支管家铺站来水量减少最多。

三峡水库运行下洞庭湖盆冲淤过程响应与水沙调控阈值

以1951-2011年洞庭湖区及荆江段干流主要控制站实测径流输沙量资料为依据,分析三峡水库不同蓄水阶段及不同调度方式下洞庭湖盆冲/淤响应,并提出上游来水来沙调控阈值。结果表明:①荆南三(四)口流量与枝城站流量、荆南三(四)口输沙率存在极显著正相关(p<0.0001),决定系数r2分别为0.859及0.895。②与三峡水库蓄水运用前(1999-2002)相比,一、二期蓄水阶段及全面试验性蓄水阶段(2008.10-2011.12)洞庭湖盆年均冲淤量由+4796.4×104t依次递减为+684.1×104t、+449.8×104t及-559.6×104t,湖盆冲淤率由+70.25%分别降至+31.13%、+23.56%及-42.64%。③预泄调度及蓄水调度期,湖盆泥沙均由以淤积为主转变为以冲刷为主,防洪补偿调度期湖盆泥沙表现为淤积,而在补水调度运用期则表现为冲刷。④洞庭湖盆处于冲/淤临界平衡状态时的荆南三口平均流量、输沙率及含沙量分别为970.81 m3/s、466.82 kg/s及0.481 kg/m3。并认为,为增强湖泊调蓄功能,必须进一步优化三峡水库调度方式,合理调控下泄水沙量。

长江荆南三口河系水位演变规律及对江湖水量交换关系的响应

为分析荆南三口河系水位演变规律与江湖水量交换关系。依据1956-2017年荆南三口、湖南四水、洞庭湖城陵矶站以及长江干流枝城站月平均水位及流量和该流域8个雨量站的降水数据,运用Mann-Kendall趋势检验法、回归分析、流量年特征值等方法研究了三口水位的时序演变特征及其与流量、降水、江湖水量交换、人类活动的关系。结果表明:①与阶段一(1956-1966年)相比,阶段二(1967-1980年)、三(1981-2002年)、四(2003-2017年)河系年平均水位、年最高水位分别下降0.74 m、0.37 m,年最低水位上升0.07 m;②在涨(4-5月)、丰(6-9月)、退(10-11月)、枯(12月-次年3月)四个水文节点上,最低水位降幅最大(-0.98m),平均水位次之(-0.78 m),最高水位最小(0.55 m),并将其降幅按水文节点排序依次为退水期(-0.95 m)>丰水期(-0.61 m)>涨水期(-0.21 m)>枯水期(0.15 m);③河系水位变化与其流量变化有着较好的一致性(二者的相关系数r=0.65),与降水量相关性较弱(r=-0.16),但2002-2017年相对干旱的气候加剧了河系水位的下降。从总体上看,长江枝城来水量减少和以水利工程为代表的人类活动方式是导致荆南三口河系特征水位下降的主要驱动因素。

三峡水库运行后荆南三口地区水资源安全状态及归因分析

论文基于驱动力-压力-状态-影响-响应(DPSIR)概念模型,建立荆南三口地区水资源安全评价指标体系,运用熵权模糊综合评价法评判该地区2000—2015年的水资源安全状态且以Ⅰ～Ⅴ等级来表征水资源安全由弱到强的状态,并运用因子分析法分析水资源安全状态变化的动因。结果表明:在2000—2015年间三口地区整体水资源安全的综合评价结果以Ⅲ等级占主导,为整体评价结果的45.83%,尚处在中间水平,并在时空上呈现出明显的阶段性变化:1)从时间上看,华容县水资源安全状态从2000年的Ⅱ等级上升到2015年的Ⅴ等级,其水资源安全隶属度整体上由低等级向高等级过渡;而安乡县水资源安全状态在2000—2002年处于Ⅳ～Ⅴ等级,三峡水库运行后下降到Ⅲ等级,且在各个等级上其水资源的安全隶属度变化幅度小,高等级增长缓慢;南县水资源安全状态在此期间波动幅度较大,2000—2002年从Ⅲ等级下降到Ⅱ等级,2003年后又缓慢上升到Ⅲ等级,但在2010后其水资源安全状态从Ⅱ等级下降到Ⅰ等级,并在2011—2013年连续3 a处于Ⅰ等级状态,其水资源安全隶属度在三峡水库运行后波动较大,主要向低等级方向移动。2)从空间上看,三峡水库运行前荆南三口地区水资源安全状态由高到低排序为安乡县>南县>华容县,三峡水库运行初期水资源安全状态的高低排序为安乡县>华容县>南县;试验性运行期为华容县>安乡县>南县。3)人类经济活动与供水能力是影响三口地区水资源安全的主要贡献因子,方差贡献率分别为26.758%与25.587%;而气候与人口因素为次要贡献因子,方差贡献率分别为16.240%与15.469%。