抚仙湖水位变化特征及影响因素研究

邓 欣,司 源,杨 坪 宏,刘 晓 波,董 飞,李 廷 真

(1.重庆三峡学院 环境与化学工程学院,重庆 404020; 2.中国水利水电科学研究院 流域水循环模拟与调控国家重点实验室,北京 100038; 3.云南省水文水资源局,云南 昆明 650106)

0 引 言

湖泊是水陆与大气物质交换的枢纽,承担能量流动、物质循环及信息传递的重要作用[1-2]。湖泊作为区域水系生态环境的重要组成部分,在调节径流、改善区域生态环境和保持生物多样性方面起着重要作用,可作为天然“指示器”反映区域生态环境状况和气候变化,此外水利工程建设、土地利用、取用水等人类活动会对湖泊产生一定影响[3-5]。湖泊水位能最直观地反映湖泊水情,水位波动不仅会引起水质变化,还会影响湖泊生态系统的结构与功能。研究湖泊水位变化特征及影响因素对流域水资源开发利用、水环境保护以及水生态安全保障具有重要意义[6-8]。

近年来,诸多学者针对不同区域湖泊的水文变化情势进行了研究。刘柏君等[9]基于西北半干旱区湖泊岱海湖1959～2018年的水文气象数据,通过Mann-Kendall检验、Hurst系数法等统计学方法以及Partial Mantel检验法构建湖区水文模型来分析湖区水位变化趋势,得出研究时段湖泊水位显著下降主要是由气候变化与水土资源开发利用所导致的。盛昱凤等[10]基于南方湿润地区太湖1960～2018年的水位数据,采用Mann-Kendall突变检验、Morlet小波分析等方法分析太湖水位变化特征及影响因素,指出2000年以前太湖水位对降水的响应十分敏感,而2000年后随水利工程建设太湖水位受人为调控影响而趋于稳定。不同气候条件下影响不同区域湖泊水位变化的因素不尽相同,需结合湖泊水情采用一定方法量化分割气候变化与人类活动的影响,从而提出针对性的调控措施。

抚仙湖是中国蓄水量最大的深水型淡水湖泊,是滇中地区社会经济可持续发展的重要载体和生命线[11]。2008年抚仙湖-星云湖出流改道工程完成,由于抚仙湖成为星云湖的上级湖,抚仙湖入湖来源减少,导致水位相较于2008年以前下降现象极为明显。近几十年来,气候变化和人类活动的叠加影响[12],导致抚仙湖水文情势发生变化。然而,当前研究主要针对抚仙湖水位趋势的变化特征[11,13-14],缺乏气候变化与人类活动对抚仙湖水位变化影响的研究,难以为合理确定变化环境下的抚仙湖生态水位提供参考。综上,本文以抚仙湖为对象,基于1953～2020年逐日实测水文数据,借助趋势检验、突变检验、水量平衡、累积量斜率变化率等方法分析抚仙湖水位变化趋势及规律,探究湖面降水和蒸发、入湖径流等分项对湖泊水量变化的影响,量化气候变化和人类活动因素对抚仙湖水位变化的贡献,以期为抚仙湖水位的预测及调控提供参考。

1 材料及方法

1.1 研究区概况

抚仙湖(24°21′28″N～24°38′00″N,102°49′12″E～102°57′26″E)地处云南省玉溪市境内,居滇中盆地中心,距昆明市东南60 km,横跨澄江市、江川县与华宁县,隶属南盘江流域西江水系。抚仙湖流域面积674.69 km2,水域面积216.6 km2,湖体南北长31.4 km,湖最宽处11.8 km,湖岸线总长100.8 km,最大水深158.9 m,平均水深95.2 m,湖体总蓄水量206.2亿m3,占云南省九大高原湖泊总蓄水量的71.8%[15]。抚仙湖地属中亚热带半湿润季风气候,具有四季如春、干湿分明的气候特征。常年平均气温15.5 ℃,多年平均降雨量800～1 100 mm,全年80%～90%降雨量集中于雨季5～10月。蒸发量一般大于降水量,介于1 200～1 900 mm之间。抚仙湖流域水系及监测站点位分布见图1。

图1 抚仙湖流域水系及监测站点分布

1.2 数据来源

抚仙湖1953～2020年逐日水位数据采用海口水文站实测水位数据。抚仙湖流域1962～2020年降水、蒸发、径流数据由云南省水文水资源局玉溪分局提供。其中,降水数据来自海口水文站、江川气象站、澄江气象站、东大河水库、梁王河水库、茶尔山水库6个站点;蒸发数据来自海口水文站。需要说明的是,抚仙湖流域平均蒸发量参考赵耀等[16]文献中澄江市、华宁县、江川县基本气象观测站数据,根据海口站1962～2020年蒸发量与3站平均蒸发量的相关关系拟合线性关系式,将3站平均蒸发量插补延长至1962～2020年系列长度。

1.3 研究方法

1.3.1趋势检验

Mann-Kendall趋势检验[17]定义的检验统计量S的计算公式为

(1)

式中:S为检验统计量;x为时间序列数据,其中xi、xj分别为第i、j时间序列对应的观测值,且i

(2)

式中:Z为正值表示上升趋势,负值表示减少趋势,Z的绝对值大于等于1.645、1.96、2.576时表示分别通过了置信度90%、95%、99%的显著性检验。

1.3.2突变检验

采用累积距平法[18]与Pettitt突变检验法[19]综合确定时间序列突变点。根据累积距平值的起伏可判断时间序列的演变趋势及变化,并通过累积距平的转点判断其突变点。

Pettitt突变检验通过给出一个观测数据序列X|xτ,τ=1,2,3,…,n,n为样本大小,若序列在τ(1≤τ≤n-1)处出现变化点[20],则定义相应的Pettitt统计量Uτ,n为

(3)

令K=max(|Uτ,n|),则认为K所在的T时刻为可能的变化点位置[21]。对应变化点的显著性水平为

P≌2exp[-6K2/(n3+n2)]

(4)

若P≤0.05,则认为T时刻为统计上显著的变化点位置。

1.3.3水量平衡

根据水量平衡原理[22-24],湖泊水量平衡方程可表示为

ΔVi=Pi-Ei+Ri-Qi+ε

(5)

式中:ΔVi为i年湖体水量变化量;Pi为i年湖面降雨量;Ei为i年湖面蒸发量;Ri为i年地表入湖径流量;Qi为i年出湖水量,包括出湖径流量和直接从湖体取水量;ε为水量平衡方程中的余项,包括不能通过实际观测获取的地下水交换量及误差。

1.3.4累积量斜率变化率法

累积量斜率变化率法[25]用于定量评估气候变化与人类活动对径流变化的贡献程度。假设年径流量变化受降水与蒸发影响,降水、蒸发、径流随年份的累积曲线斜率则为同倍比变化。将变量所有影响因素的综合定义为100,根据各种影响因素随时间累积斜率占变量累积斜率变化率的比值推求各种影响因素对变量的影响程度[26-28]。计算公式为

RSR=100×(SRa-SRb)/SRb=100×(SRa/SRb-1)

(6)

RSP=100×(SPa-SPb)/SPb=100×(SPa/SPb-1)

(7)

RSE=100×(SEa-SEb)/SEb=100×(SEa/SEb-1)

(8)

CP=100×RSP/RSR

(9)

CE=-100×RSE/RSR

(10)

CH=100-CP-CE

(11)

式中:RSR,RSP,RSE为变化期径流、降水、蒸发的变化率;SRb,SPb,SEb为基准期径流、降水、蒸发的年累积斜率;SRa,SPa,SEa为变化期径流、降水、蒸发的年累积斜率;CP,CE,CH为变化期降水、蒸发、人类活动对径流变化的贡献率。

2 结果与分析

2.1 抚仙湖水位变化特征

2.1.1年际变化特征

1953～2020年抚仙湖海口站逐年水位变化过程见图2,在研究时段内抚仙湖年均水位保持在1 720.78～1 723.05 m,多年平均水位为1 722.03 m;最高年均水位出现在2008年,为1 723.05 m;最低年均水位出现在2014年,为1 720.78 m;最低年均水位与最高年均水位之间的差值为2.27 m。采用Mann-Kendall趋势检验分析水位变化过程趋势性,检验结果为Z=|-0.259|<1.645,α=0.398>0.1即没有通过置信度90%的显著性检验,表明抚仙湖水位68 a间虽呈下降趋势但趋势并不明显,下降的平均速率约0.001 7 m/a。1953～2020年抚仙湖海口站逐年水位累积距平结果见图3。在68 a间抚仙湖水位整体呈现上升(1953～1974年)-下降(1975～1994年)-上升(1995～2011年)-下降(2012～2020年)的趋势。累积年均水位高于多年平均年均水位(即累积正距平)有37 a,低于多年平均年均水位(即累积负距平)有29 a,两者相等的有2 a。其中,累积正距平主要集中于1962～1981年、2002～2019年;累积负距平主要集中于1953～1961年、1982～2001年。通过曲线明显的上下起伏可诊断出发生突变的时间为1974,1994,2011年。

图3 1953～2020年抚仙湖海口站逐年水位累积距平结果

采用Pettitt突变检验分析海口站1953～2020年年均水位序列突变性,检验结果见图4(a),检测出突变点为2011年,显著性水平P<0.1。进一步以2011年为界将水位序列划分为1953～2011年、2012～2020年2个序列,检验结果见图4(b),1953～2011年序列具有显著性突变点1994年,显著性水平P<0.01,而2012～2020年序列则没有检验到显著性突变点。综合累积距平与Pettitt突变检验的结果,确定抚仙湖历史水位序列突变年份为1994年和2011年。

图4 1953～2020年抚仙湖水位序列Pettitt突变检验结果

2.1.2年内变化特征

根据水位序列突变性检验结果可将研究时段划分为3个阶段,分别为:1953～1994年、1995～2011年、2012～2020年。3个阶段的多年平均月均水位过程见图5,年内水位变化均呈下降-上升-下降的趋势。3个阶段中最高月均水位均出现在10月,分别为1 722.23,1 722.92,1 721.53 m;最低月均水位出现在5月,分别为1 721.65,1 722.35,1 721.09 m。

图5 3个阶段抚仙湖多年平均月均水位过程

抚仙湖月均水位的季节性变化见图6。3个阶段均呈先上升后下降的趋势,均为秋季月均水位最高,平均值分别为1 722.20,1 722.90,1 721.50 m;春季月均水位最低,平均值分别为1 721.71,1 722.41,1 721.12 m。从四季25～75分位数阈值变化来看,1995～2011年、2012～2020年两个阶段夏季水位阈值范围波动最大,分别为1 722.93～1 722.30 m、1 721.67～1 720.89 m;1953～1994年阶段四季的分位数变化波动不明显。经分析可知,云南省雨季是5～10月,湖泊水位对入湖流量的响应具有滞后性[29],一般雨季结束前后才达到一年中的峰值,汛期由于夏季暴雨使水位在6～8月上涨,汛期结束后10月达到年内月均水位的峰值,从11月至次年5月由于得不到水源补充而下降。

图6 3个阶段抚仙湖月均水位季节变化箱型图

2.2 抚仙湖水位变化影响因素分析

2.2.1水量平衡要素分析

对抚仙湖1962～2020年湖面降水、湖面蒸发以及入湖径流序列数据进行趋势检验,见图7。检验结果为:Z降=|-1.32|<1.645,Z蒸=|-1.61|<1.645,Z径=|-3.49|≥2.576时,置信水平α降=0.09<0.1,α蒸=0.054<0.1,α径=0.000 2<0.01。由此可知,抚仙湖湖面降水、湖面蒸发均呈下降趋势,但不显著,没有通过趋势检验;径流呈明显的下降趋势,通过置信度99%的显著性检验。

图7 1962～2020年抚仙湖湖面降水量、湖面蒸发量及入湖径流量年际变化趋势

根据历年资料,在出流改道工程之前(即2008年以前),抚仙湖自海口河多年平均出湖水量0.934亿m3,2008～2010年间出湖水量包含抚仙湖经隔河流入星云湖与直接从湖体取水,2010年以后的出湖水量主要为直接从湖体取水。水量平衡分析结果见表1。1962～1994年阶段,入湖径流量占湖泊补给量的48.3%,湖面降水占51.7%;湖面蒸发量占湖水消耗量的74.4%,出湖水量与湖体直接取水量占25.6%;1994年与1962年湖泊蓄水量相比,湖水量减少约1.618亿m3,同期水位下降约0.76 m。1995～2011年阶段,入湖径流量占湖泊补给量的46.8%,湖面降水占53.2%;湖面蒸发量占湖水消耗量的76.8%,出湖水量与湖体直接取水量占23.2%;2011年与1994年湖泊蓄水量相比,湖水量增加约0.745亿m3,同期水位上升约0.35 m。2012～2020年阶段,入湖径流占湖泊补给量的35.0%,湖面降水占65.0%;湖面蒸发量占湖水消耗量的95.4%,出湖水量与湖体直接取水量占4.6%;2020年与2011年湖泊蓄水量相比,湖水量减少约1.461亿m3,同期水位下降约0.69 m。1962～1994年阶段与1995～2011年阶段相比,水量平衡各分项变化量及占比相差不大,而从1995～2011年阶段到2012～2020年阶段,入湖径流、出湖水量与其他分项相比变化量较大,多年平均入湖径流下降0.626亿m3,出湖水量减少的情况下,水位仍在下降,表明水位受入湖径流影响较大。

表1 抚仙湖3个阶段水量平衡分析结果

2.2.2气候变化和人类活动对入湖径流的影响

根据累积径流-年份相关图的拐点,再结合抚仙湖-星云湖的出流改道工程竣工时间,综合考虑后选取1974年和2008年为抚仙湖流域径流序列的划分节点,将研究时段划分为阶段A(1962～1974年)、阶段B(1975～2008年)和阶段C(2009～2020年)3个时期。各阶段流域年径流量、年降雨量、年蒸发量累积曲线见图8。经累积量斜率变化率公式计算,各阶段流域降水、蒸发、径流的累积斜率变化率,以及气候变化和人类活动对流域径流变化的贡献率结果见表2。与阶段A相比,阶段B气候变化贡献率为10.0%,人类活动贡献率为90.0%,阶段C气候变化贡献率为18.1%,人类活动贡献率为81.9%。结果表明,气候变化对径流的贡献率在10.0%～18.1%之间,人类活动对径流的贡献率在81.9%～90.0%之间,人类活动对径流减少的影响远大于气候变化对径流减少的影响,虽然C阶段人类活动的贡献率明显下降,但人类活动仍是影响抚仙湖流域径流减少最主要的因素。

表2 气候变化和人类活动对径流变化的贡献率

图8 抚仙湖流域累积年径流量、累积年降水量、累积年蒸发量

3 讨 论

3.1 抚仙湖水位保障程度分析

2008～2014年,抚仙湖水位骤降2.27 m,2008年为历史最高水位1 723.05 m,2014年达到历史最低水位1 720.78 m,一方面由于2008年抚仙湖-星云湖出流改道工程竣工后,湖水改由抚仙湖流向星云湖从而导致抚仙湖水位迅速下降。另一方面与2009～2013年连续5 a大旱有关,抚仙湖流域降水量大幅减少,枯水影响导致其水位急剧下降至68 a来历史最低水位。根据2016年修订的《云南省抚仙湖保护条例》以及2021年水利部印发的《第二批重点河湖生态流量保障目标》可知,抚仙湖最高蓄水位为1 723.35 m,调度管理目标水位为1 721.65 m,主要控制断面海口的最小生态水位为1 720.77 m。通过2017～2020年抚仙湖日尺度水位资料分析,逐日水位均满足最小生态水位1 720.77m要求。统计抚仙湖水位高于调度管理目标1 721.65 m的情况,结果见图9。2017年全年日均水位达到调度管理目标的天数占38%,最低日均水位为1 721.06 m;2018年全年日均水位达到调度管理目标的天数占86%,最低日均水位为1 721.61 m;2019年全年日均水位达到调度管理目标的天数占87%,最低日均水位为1 721.41 m;然而,2020年全年日均水位均未达到调度管理目标,最低日均水位为1 721.11 m。可以看出,在出流改道工程实施后抚仙湖入湖径流来源减少且流域内农业、工业、生活均有从湖体直接取用水的现状条件下,如逢干旱少雨年份,抚仙湖水位保障仍存在一定难度,需持续关注抚仙湖水位变化情况,及时采取相应措施提高水位保障程度,这对于维持抚仙湖生态系统健康有极为重要的作用。

图9 2017～2020年抚仙湖日均水位保障程度分析

3.2 抚仙湖人类活动贡献分析

据水量平衡分析结果,入湖径流减少可能是未来引起抚仙湖水位下降的主要因素。通过累积量斜率变化率法计算了气候变化与人类活动对径流的贡献率可知,现阶段人类活动对流域径流量减小的影响占主导作用,且2009～2020年阶段较之1975～2008年阶段贡献率有所降低。从流域水资源利用角度来说,根据1962～2020年抚仙湖流域用水量统计(如图10所示),抚仙湖流域1962～1974年多年平均用水量0.594 6亿m3,1975～2008年多年平均用水量0.781 6亿m3,2009～2020年多年平均用水量0.592 0亿m3;1962～2020年期间抚仙湖流域用水量整体经历先上升后下降的过程,特别是2012年以后抚仙湖流域用水量整体呈波动下降趋势,这与2012年最严格水资源管理制度实行后抚仙湖开始实施取水许可管理有关。流域内的工业于2017年底已全部搬迁至流域外的工业园区,包括提古高新区、东溪哨磷化工区和蛟龙潭轻工区等,均位于径流区的东北角和西北角,流域内工业搬迁在一定程度上缓解了抚仙湖水资源短缺和用水问题。此外,2016年开始运行的大龙潭调水工程对于加大抚仙湖径流区生产生活补水力度具有重要作用,同时甸垛龙潭引水工程尚在建设中,其主要作用是替代澄江市海口镇和右所镇沿湖居民的生产生活用水,从而减少从抚仙湖取水。总体而言,人类活动对抚仙湖流域入湖径流的影响虽有所减小但仍占据主导作用。针对这一特点,提出抚仙湖水位保障的措施建议如下:① 将抚仙湖生态红线划定区域纳入湖泊保护条例,控制流域内城镇建设规模和人口规模,调整流域内产业结构;② 适当降低流域内水资源开发利用率,严格节水,提高再生水利用率;③ 研究外流域调水方案可行性,充分考虑大龙潭调水工程、甸垛龙潭引水工程等工程建成实施后外调水与本地水的优化配置方案。

图10 1962～2020年抚仙湖流域用水量过程

4 结 论

本文采用多种统计方法分析了抚仙湖水位年际、年内变化特征,运用累积量斜率变化率法定量估算了气候变化和人类活动对水位变化的影响。主要结论如下:

(1) 1953～2020年抚仙湖水位年际变化特征整体呈上升-下降-上升-下降趋势,特别是2008～2014年7年间,抚仙湖水位骤降了2.27 m,2014年达到历史最低水位1 720.78 m;综合累积距平法和Pettitt突变检验法得出水位序列存在1994、2011年2个突变点;水位年内变化特征为10月最高、5月最低,年内水位波动范围在0～2 m。

(2) 经水量平衡分析可知,与其他分项相比,2012～2020年多年平均入湖径流减少量较大,是导致该阶段抚仙湖水位下降的主要因素之一。以1962～1974年为基准期,采用累积量斜率变化率法量化分析了不同阶段气候变化和人类活动对抚仙湖流域径流变化的影响,发现人类活动影响占主导作用但近年来贡献率有所降低,1975～2008年阶段,气候变化与人类活动的相对贡献率分别为10.0%和90.0%;2009～2020年阶段,气候变化与人类活动的相对贡献率分别为18.1%和81.9%。

(3) 人类活动对径流贡献率的减少与流域取水许可管理实施、工业园区搬迁、引调水工程运行等方面因素有关。从2017～2020年抚仙湖日均水位情况来看,与调度管理目标1 721.65 m相比,水位保障仍存在一定难度。针对目前抚仙湖水位保障度情况,建议从抚仙湖生态水位维持和流域水资源可持续利用角度出发,减少人类活动对湖泊水位的影响,例如从湖体取水等,在保障流域生活用水的前提下,适当降低流域内水资源开发利用率,提高再生水利用率,研究外流域调水方案可行性,为持续保障抚仙湖水位稳定和生态系统健康提供支撑条件。