抚仙湖水位变化特征及影响因素研究.pdf

1、第 卷 第 期 年 月人 民 长 江.收稿日期:基金 项 目:国 家 重 点 研 发 计 划 项 目()中 国 水 科 院 基 本 科 研 业 务 费 项 目()作者简介:邓 欣女硕士研究生主要从事水环境数值模拟研究 :.通信作者:刘晓波男正高级工程师博士主要从事水环境数值模型、河湖健康评估理论与方法等研究 :.文章编号:()引用本文:邓欣司源杨坪宏等.抚仙湖水位变化特征及影响因素研究.人民长江():.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(.重庆三峡学院 环境与化学工程学院重庆 .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 .云南省水文

2、水资源局云南 昆明)摘要:近年来抚仙湖水位出现严重下降现象研究其水位变化特征及影响因素对维持湖泊生态系统稳定有重要意义 基于 年抚仙湖流域水文气象数据采用 趋势检验、累积距平、突变检验等方法分析水位年际、年内变化规律用水量平衡法分析湖泊水量变化用累积量斜率变化率法探究气候变化与人类活动对抚仙湖流域径流的影响 结果表明:年抚仙湖年际水位变化呈上升 下降 上升 下降趋势季节性变化特征为秋季水位高、夏季水位低 与基准期 年相比 年气候变化和人类活动对径流的贡献率分别为.和.年的贡献率分别为.和.人类活动影响占主导作用但近年来贡献率有所降低 人类活动对径流贡献率的减少与抚仙湖流域取水许可管理、工业园区

3、搬迁、引调水工程运行等因素有关减少人类活动对湖泊水位的影响有利于保障抚仙湖水位稳定关 键 词:水位变化特征 水量平衡 累积量斜率变化率 气候变化 人类活动 抚仙湖中图法分类号:.文献标志码:./.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 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 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

4、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 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 刘柏君等基于西北半干旱区湖泊岱海湖 年的水文气象数据通过 检验、系数法等统计学方法以及 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 盛昱凤等基于南方湿润地区太湖 年的水位数据采用 突变检验、小波分析等方法分析太湖水位变化特征及影响因素指出 年以前太湖水位对降水的响应十分敏感而 年后随 第 期 邓 欣等:抚仙湖水位变化特征及影响因素研究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

5、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 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 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 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 年逐日实测水文数据借助趋势检验、突变检验、水

6、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 材料及方法.研究区概况抚仙湖()地处云南省玉溪市境内居滇中盆地中心距昆明市东南 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.水 域 面 积.湖 体 南 北 长.湖最宽处.湖岸线总长.最大水深.平均水深.湖体总蓄水量.亿 占云南省九大高原湖泊总蓄水量的.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.多年平均降雨量 全年 降雨量集中于雨季 月 蒸发

7、量一般大于降水量介于 之间 抚仙湖流域水系及监测站点位分布见图.数据来源抚仙湖 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 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 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 年蒸发量与 站平均蒸发量的相关关系拟合线性关系式将 站平均蒸发量插补延长至 年系列长度图 抚仙湖流域水系及监测站点分布.研究方法.趋势检验 趋势检验定义的检验统计量 的计算公式为 ()()式中:

8、为检验统计量 为时间序列数据其中、分别为第、时间序列对应的观测值且 ()/()式中:为正值表示上升趋势负值表示减少趋势的绝对值大于等于.、.、.时表示分别通过了置信度、的显著性检验 人 民 长 江 年.突变检验采用累积距平法与 突变检验法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 突变检验通过给出一个观测数据序列 为样本大小若序列在()处出现变化点则定义相应的 统计量 为 ()()()令 ()则认为 所在的 时刻为可能的变化点位置 对应变化点的显著性水平为 /()()若.则认为 时刻为统计上显著的变化点位置.水量平衡根据水量平衡原

9、理 湖泊水量平衡方程可表示为 ()式中:为 年湖体水量变化量为 年湖面降雨量为 年湖面蒸发量为 年地表入湖径流量为 年出湖水量包括出湖径流量和直接从湖体取水量 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.累积量斜率变化率法累积量斜率变化率法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 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 计算公式为 ()/(/)()()/(/)()()/(/)()/()/()()式

10、中:为变化期径流、降水、蒸发的变化率为基准期径流、降水、蒸发的年累积斜率为变化期径流、降水、蒸发的年累积斜率为变化期降水、蒸发、人类活动对径流变化的贡献率 结果与分析.抚仙湖水位变化特征.年际变化特征 年抚仙湖海口站逐年水位变化过程见图 在 研 究 时 段 内 抚 仙 湖 年 均 水 位 保 持 在.多年平均水位为 .最高年均水位出现在 年为 .最低年均水位出现在 年为 .最低年均水位与最高年均水位之间的差值为.采用 趋势检验分析水位变化过程趋势性检验结果为 .即没有通过置信度 的显著性检验表明抚仙湖水位 间虽呈下降趋势但趋势并不明显下降的平均速率约./年抚仙湖海口站逐年水位累积距平结果见图

11、在 间抚仙湖水位整体呈现上升(年)下降(年)上升(年)下降(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 低于多年平均年均水位(即累积负距平)有 两者相等的有 其中累积正距平主要集中于 年、年累积负距平主要集中于 年、年 通过曲线明显的上下起伏可诊断出发生突变的时间为 年图 年抚仙湖海口站逐年水位过程.采用 突变检验分析海口站 年年均水位序列突变性检验结果见图()检测出突 第 期 邓 欣等:抚仙湖水位变化特征及影响因素研究变点为 年显著性水平 .进一步以 年为界将水位序列划分为 年、年 个序列检验结果见图()年序列具有显著性突变点 年显著性水平 .而 年序列则没有检验到显著性

12、突变点 综合累积距平与 突变检验的结果确定抚仙湖历史水位序列突变年份为 年和 年图 年抚仙湖海口站逐年水位累积距平结果.图 年抚仙湖水位序列 突变检验结果.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 个阶段分别为:年、年、年 个阶段的多年平均月均水位过程见图 年内水位变化均呈下降 上升 下降的趋势 个阶段中最高月均水位均出现在 月 分别为.最低月均水位出现在 月分别为 .图 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 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 .春季月均水位 最 低 平 均 值 分 别 为 .从四季 分位数阈值变化来看 年

13、、年两个阶段夏季水位阈值范围波动最大 分别为 .、.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 月湖泊水位对入湖流量的响应具有滞后性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 月上涨汛期结束后 月达到年内月均水位的峰值从 月至次年 月由于得不到水源补充而下降图 个阶段抚仙湖月均水位季节变化箱型图.抚仙湖水位变化影响因素分析.水量平衡要素分析对抚仙湖 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 检验结果为:降 .蒸 .径 .时置信水平 降.蒸.径.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 的显著

14、性检验 人 民 长 江 年图 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 年以前)抚仙湖自海口河多年平均出湖水量.亿 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 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 年阶段入湖径流量占湖泊补给量的.湖面降水占.湖面蒸发量占湖水消耗量的.出湖水量与湖体直接取水量占.年与 年湖泊蓄水量相比湖水量减少约.亿 同期水位下降约.年阶段入湖径流量占湖泊补给量的.湖面降水占.湖面蒸发量占湖水消耗量的.出湖水量与湖体直接取水量占.年与 年湖泊蓄水量相比湖水量增加约.亿 同期水位上升约.年阶段入湖

15、径流占湖泊补给量的.湖面降水占.湖面蒸发量占湖水消耗量的.出湖水量与湖体直接取水量占.年与 年湖泊蓄水量相比湖水量减少约.亿 同期水位下降约.年阶段与 年阶段相比水量平衡各分项变化量及占比相差不大而从 年阶段到 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.亿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.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 年和 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(年)、阶段(年)和阶段(年)个时期 各阶段流域年径流量、年降雨量、年蒸发量

16、累积曲线见图 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 与阶段 相比阶段 气候变化贡献率为.人类活动贡献率为.阶段 气候变化贡献率为.人类活动贡献率为.结果表明气候变化对径流的贡献率在.之间人类活动对径流的贡献率在.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 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 讨 论.抚仙湖水位保障程度分析 年抚仙湖水位骤降.年为历史最高水位 .年达到历史最低水位 .一方面由于 年抚仙湖 星云湖出表 抚仙湖 个阶段水量平衡分析结果.亿/

17、阶段湖泊水量变化量湖泊补给量湖水消耗量入湖径流量湖面降水量湖面蒸发量出湖水量 湖体直接取水量地下水交换量 误差 年.年.年.第 期 邓 欣等:抚仙湖水位变化特征及影响因素研究表 气候变化和人类活动对径流变化的贡献率.阶段年累积径流关系斜率年累积降水关系斜率年累积蒸发关系斜率径流(与 段斜率比较)降水(与 段斜率比较)蒸发(与 段斜率比较)变化量/()变化率/变化量/()变化率/变化量/()变化率/与 段相比气候变化的贡献率/与 段相比人类活动的贡献率/:年.:年.:年.图 抚仙湖流域累积年径流量、累积年降水量、累积年蒸发量.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

18、一方面与 年连续 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 来历史最低水位根据 年修订的云南省抚仙湖保护条例 以及 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 .调度管理目标水位为 .主要控制断面海口的最小生态水位为 .通过 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.要求 统计抚仙湖水位高于调度管理目标.的情况结果见图 年全年日均水位达到调度管理目标的天数占 最低日均水位为.年全年日均水位达到调度管理目标的天数占 最低日均水位为 .年全年日均水位达到调度管理目标的天数占 最低日均水位为 .然而 年全年日均水位均未达到调度管理目标最低日均水

19、位为.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 年抚仙湖日均水位保障程度分析.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 年阶段较之 年阶段贡献率有所降低 从流域水资源利用角度来说根据 年抚仙湖流域用水量统计(如图 所 人

20、 民 长 江 年示)抚仙湖流域 年多年平均用水量.亿 年多年平均用水量.亿 年多年平均用水量.亿 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 年以后抚仙湖流域用水量整体呈波动下降趋势这与 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 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 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

21、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: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 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 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 年抚仙湖流域用水量过程.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:()年抚仙湖水位年际变化特征

22、整体呈上升 下降 上升 下降趋势特别是 年 年间抚仙湖水位骤降了.年达到历史最低水位.综合累积距平法和 突变检验法得出水位序列存在、年 个突变点水位年内变化特征为 月最高、月最低年内水位波动范围在 ()经水量平衡分析可知与其他分项相比 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 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 年阶段气候变化与人类活动的相对贡献率分别为.和.年阶段气候变化与人类活动的相对贡献率分别为.和.()人类活动对径流贡献率的减少与流域取水许可管理实

23、施、工业园区搬迁、引调水工程运行等方面因素有关 从 年抚仙湖日均水位情况来看与调度管理目标 .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参考文献:.():.吴红波.基于星载雷达测高资料估计博斯腾湖水位 水量变化研究.水资源与水工程学报():.杨春艳李天翠施艳峰等.抚仙湖近十年水质变化特征及保护措施初探.人民长江():.郭梦京周孝德李鹏等.近

24、 年博斯腾湖水位变化特征分析.水土保持研究():.():.张晓斌周俊杰陈熙等.年东洞庭湖水域面积变化遥感监测与分析.人民长江(增):.尹心安王嘉崎高婷等.河流水文情势改善程度计算方法研究.人民长江():.李芸李宝芬罗丽艳.云南抚仙湖流域年降水量时空分布特征研究.人民长江():.刘柏君夏军黄生志等.岱海湖水位对气候要素与土地利用的响应研究.水资源保护():.盛昱凤薛媛媛戚丽萍等.年以来太湖水位变化特征及影响因素分析.北京师范大学学报(自然科学版)():.李加龙李慧赟罗潋葱等.抚仙湖历史水位反演与未来 年 第 期 邓 欣等:抚仙湖水位变化特征及影响因素研究水位变化预测.湖泊科学():.赵贵章董锐王

25、赫生等.近 年鄱阳湖与洞庭湖水文变化与归因.南水北调与水利科技(中英文)():.谷桂华杨侃杨文春等.抚仙湖适宜生态水位研究及水位改变度分析.中国农村水利水电():.李学辉李菊谷桂华.高原山区深水湖泊生态水位研究及保障对策:以云南抚仙湖为例.人民珠江(增):.张月霞王慧梅张睿.抚仙湖表层水温与气温关系研究.环境科学导刊():.赵耀李超王栋等.抚仙湖流域蒸发与降水的变化趋势及原因分析.山东农业科学():.刘丽红颜冰肖柏青等.年淮河流域降水量时空变化特征.南水北调与水利科技():.胡萌吴振温鲁哲等.大沽河入海径流演化特征及其影响因素研究.人民长江():.冷梦辉白桦李二辉等.洪水基流分割非参数检验方法优选.水资源保护():.():.樊贤璐徐国宾邓恒等.年洪泽湖水沙变化趋势及成因分析.南水北调与水利科技():.李玉焦陈亚宁张齐飞等.年博斯腾湖水位变化特征及其影响因素分析.干旱区研究():.严登明李蒙翁白莎等.卧龙湖水量平衡分析.南水北调与水利科技():.刘丽梅赵景峰张建平等.近 博斯腾湖逐年水量收支估算与水平衡分析.干旱区地理():.().():.:.():.冷曼曼张志强于洋等.昕水河流域径流变化及其对气候和人类活动的响应.水土保持学报():.():.贺克雕高伟段昌群等.滇池、抚仙湖、阳宗海长期水位变化(年)及驱动因子.湖泊科学():.(编辑:黄文晋)(.):.().:.: