湖南省水庫與干旱情勢空間匹配關系研究

危潤初， 李淑雅， 歐陽琦， 龍秋波， 樊鳴放

(1.長沙理工大學 水利工程學院， 湖南 長沙 410114； 2.水沙科學與水災害防治湖南省重點實驗室，湖南 長沙 410114； 3.洞庭湖水環境治理與生態修復湖南省重點實驗室， 湖南 長沙 410114；4.湖南省水利水電勘測設計規劃研究總院有限公司， 湖南 長沙 410007)

1 研究背景

我國是一個水庫大國，全國建有各類型的水庫共98 822座，合理優化水庫布局與管理是貫徹習近平總書記提出的“節水優先、空間均衡、系統治理、兩手發力”新時代治水思路的必要要求。區域水庫數量及分布首先是受人類需求所驅動，但同時也受到區域的地理環境所制約[1]。宏觀地理環境是區域構造、巖性、氣候等條件的綜合[2]，在具有同一地理背景的區域內部，建庫環境在空間上具有一定的均一性，但是在具有不同地理背景區域間的建庫環境往往差別較大[3]。這種差別最終反映為以水庫規模、水庫數量、興利庫容等為表征的工程蓄供水能力的差異。多年來，學者們從局部空間尺度對水庫建庫條件開展了大量研究，主要集中在構造的穩定性[4]、庫區基巖的防滲能力[5-6]、地形條件[7]等方面。雖然近年來有部分學者開始關注到區域水利工程分布的差異[8-9]，但均是以行政區劃為單元開展的對比分析，很少有從宏觀地理分異的角度進行分析。

受大氣環流、下墊面等空間差異的影響[10-12]，不同地理區域間的多年氣象干旱情勢往往會有所差異[11,13]。近年來，有關干旱空間分異的研究方興未艾[14-17]，但是大多數研究僅是從降水的角度進行對比，而事實上降水并不能反映干旱的全部面貌[18]。不同地理背景區域在土壤保水能力、土地利用模式、經濟開發強度等方面存在差異，在遭遇同等氣象干旱情況下的干旱烈度也會存在差異[19-20]。因此，對于某一地理區域來說，水庫調節能力、氣象干旱情勢和區域需水強度三者之間會形成特定的匹配關系，充分理解不同地理區域的這種匹配關系對科學開展水利空間規劃具有重要意義。

本文選擇水庫數量全國最多、地理分異明顯的湖南省作為研究對象，對全省各類型水庫按地理單元開展空間分區統計，并從分區人口、耕地、多年干旱情勢等方面開展對比研究，力求揭示湖南省各地理分區水庫調節能力、氣象干旱情勢和潛在的需水強度之間的匹配關系，為湖南省水利工程規劃提供一定的理論參考。

2 數據來源與研究方法

2.1 研究區概況

湖南省地處云貴高原向江南丘陵地貌的過渡地帶，整體呈北向開口的簸箕狀地形。區內地形以山地、丘陵為主，且碳酸鹽類巖石廣布，巖溶發育強烈，巖溶區主要分布在湘西北、湘中和湘東南地區[21]。湖南省屬大陸性亞熱帶季風濕潤氣候，夏秋季節多旱，降水較為集中，多年平均降雨量為1 450 mm。省內河網密布，水系發達，湘、資、沅、澧四大水系流入洞庭湖，經城陵磯匯入長江，形成較為完整的洞庭湖水系，水資源量豐富。全省耕地主要分布在洞庭湖平原區及湘中丘陵盆地一帶，湘西、湘東南山地及一般丘陵區則以林地為主[22]。

湖南省是我國的水利大省，截止2016年，全省共建成各類型水庫14 000多座，水庫數量居全國第一，其中大型水庫47座，中型水庫362座。但是，受氣候條件的影響，干旱仍然是制約湖南省經濟社會發展的主要災害因素之一。自新中國成立以來，湖南省旱災年均成災面積達104×104hm2，其中中旱以上面積為50×104hm2[23]。從空間分布上看，衡邵盆地是湖南省氣象特旱頻次與程度最突出的區域，其次為洞庭湖區[24]。

2.2 數據來源

本研究收集的主要數據及其來源為：(1)湖南省各類型水庫的總庫容、興利庫容，數據源為湖南省2019年水庫信息數據庫(數據統計至2016年)；(2)各縣、市區面積、耕地面積等，數據源為湖南省2019年農業信息數據庫(數據統計至2018年)；(3)各縣、市、區常住人口，數據源為湖南省各市州統計信息網；(4)湖南省97個氣象站(1981-2017年)的日降水監測資料，數據源為湖南省氣象中心。

2.3 研究方法

2.3.1 空間對比分析 綜合地層巖性[25]、地形、地貌[22]等因素，以縣級行政區為基本單元將湖南省劃分為9個區域，分別為：湘西北巖溶山地區(Ⅰ區)，湘西雪峰山地區(Ⅱ區)，湘中南巖溶丘陵區(Ⅲ區)，湘東南巖溶丘陵區(Ⅳ區)，湘東南羅霄-南嶺山地區(Ⅴ區)，湘東南一般丘陵區(Ⅵ區)，湘東北丘陵區(Ⅶ區)，湘東北山地區(Ⅷ區)和洞庭湖區(Ⅸ區)，區域劃分及水庫分布見圖1。

圖1 湖南省地理條件區域劃分及水庫分布

本次研究即以上述9個區域為研究對象，通過對省內不同地理背景條件下的14 000多座水庫開展分區空間統計，對比研究湖南省水庫分布與干旱情勢的空間匹配關系。

2.3.2 標準化降水指數(SPI) 標準化降水指數(SPI)是表征時段降水量出現概率多少的指標[13]，被很多學者應用于區域干旱程度的對比，其計算簡單且具有多時間尺度的優點[13,26-27]。一般認為3個月時間尺度的標準化降水指數能夠很好地反映農業缺水程度[15]?？紤]到年內農業耕作時間，本研究僅將4-9月份的干旱情況開展空間對比。

按照文獻[28]中的方法，計算研究區各年4-9月份3個月時間尺度的標準化降水指數(SPI-3)[28]，并按照干旱分級標準(表1)對各月進行干旱級別劃分，利用公式(1)計算得到各氣象站4-9月重旱級別以上的干旱頻率Pi，并繪制干旱頻率空間分布圖。

表1 SPI干旱等級劃分標準[28]

(1)

式中：n為發生重旱及以上干旱級別的次數；N為樣本總數；i代表不同的氣象站點。

3 結果與分析

3.1 湖南省水庫分區統計

根據湖南省水庫信息數據庫2019年數據，對各分區各類型水庫數據進行統計，并對水庫數量密度及總庫容密度進行分區對比，結果分別如表2和圖2所示。

由表2可知，湖南省共建有大型水庫47座、中型水庫362座、小型水庫13 688座，水庫總庫容分別為365.6×108、92.9×108和70.8×108m3。由圖2(a)中水庫數量密度的空間分布來看，湘東南一般丘陵區(Ⅵ區)最大，達到了1 046 座/104km2，其次分別為洞庭湖區(Ⅸ區)、湘中南巖溶丘陵區(Ⅲ區)、湘東南巖溶丘陵區(Ⅳ區)和湘東北丘陵區(Ⅶ區)，均超過了750 座/104km2，其余各區不大于550 座/104km2。需要指出的是，洞庭湖區雖然總體擁有較高的水庫密度，但是該區水庫主要分布在環湖高臺地區，形成了全省水庫密度最大的環湖水庫帶，而在洞庭湖平原腹地水庫密度極小。由圖2(b)中水庫總庫容密度的空間分布來看，湘東南羅霄-南嶺山地區(Ⅴ區)擁有全省最大的庫容密度值，但主要為東江水庫、涔天河水庫等大型水庫所貢獻，而小型水庫的庫容密度為全省各分區最低。此外，湘西雪峰山地區(Ⅱ區)大型水庫庫容密度也高達32.5×104m3/km2，僅次于湘東南羅霄-南嶺山地區(Ⅴ區)。湘西北巖溶區(Ⅰ區)、湘東南一般丘陵區(Ⅵ區)大型水庫庫容密度處于第二層次的水平，庫容密度在12.0×104～13.9×104m3/km2之間，而其余各區大型水庫庫容密度均在5.6×104m3/km2以下。就中小型水庫庫容密度而言，除湘東南羅霄-南嶺山地區(Ⅴ區)外，其余各區庫容密度在6.7×104～9.9×104m3/km2之間，其中庫容密度最大為洞庭湖區(Ⅸ區)，其次為湘東南一般丘陵區(Ⅵ區)，最小為湘東南巖溶丘陵區(Ⅳ區)和湘東北丘陵區(Ⅶ區)。

圖2 2019年湖南省水庫數量密度及總庫容密度分區對比

表2 2019年湖南省水庫分區統計結果

3.2 湖南省水庫供水能力與人口、耕地匹配分區對比

為了進一步分析湖南省水庫供水能力與耕地、人口等分布的空間匹配情況，對全省按分區統計了耕地面積與人口，并根據各分區水庫總興利庫容計算得到單位面積興利庫容與人均興利庫容，結果見表3和圖3。

表3 湖南省水庫興利庫容分區統計

圖3 湖南省分區單位面積興利庫容與人均興利庫容空間分布

興利庫容又稱調節庫容，相較總庫容，更能夠直接反映水庫的供水能力[29]。由表3和圖3可知，全省單位面積興利庫容與人均興利庫容空間變化基本一致，空間上的分布呈現出明顯的規律性。湘東南羅霄-南嶺山地區擁有全省最高的單位面積興利庫容與人均興利庫容，分別為54 397.32 m3/hm2和3 286.53 m3，遠超過其他各區。該區的這種特性主要由區內的3個特大型水庫決定，包括東江水庫(興利庫容52.5×108m3)、涔天河水庫(興利庫容9.92×108m3)和雙牌水庫(興利庫容2.43×108m3)。湘西雪峰山地區和湘西北巖溶山地區處于第2層次，單位面積興利庫容和人均興利庫容分別為10 000～15 000 m3/hm2和790～1 100 m3。湘西地區位于云貴高原與江南丘陵的過渡地帶，主要為山地地形，人口密度和耕地面積占比均處于全省較低水平，且該區擁有全省數量最多的大型水庫，因此湘西兩個區域擁有較高的水庫供水能力。其余6個區整體處于第3層次，單位面積興利庫容和人均興利庫容分別在5 500 m3/hm2和340 m3以下，其中湘東北丘陵區單位面積興利庫容和人均興利庫容均為全省最低，分別僅為2 402.06 m3/hm2和87.60 m3。湘中南巖溶丘陵區與湘東南巖溶丘陵區單位面積興利庫容分別為3 285.75和3 430.22 m3/hm2，人均興利庫容分別為192.73和205.40 m3，兩者非常接近。洞庭湖區受湖區平原水庫數量太少、耕地面積占比和人口密度大的影響，單位面積興利庫容和人均興利庫容也分別僅為2 836.27 m3/hm2和207.89 m3。

3.3 湖南省水庫供水能力與氣象干旱匹配關系分析

收集湖南省97個氣象站1981-2017年的日降水監測資料，統計得出湖南省多年平均降水量；基于標準化降水指數(SPI)及干旱分級標準，利用公式(1)得到湖南省各氣象站1981-2017年4-9月3個月時間尺度的重旱級別及以上干旱頻率空間分布，結果見圖4。

由圖4(a)可以看出，湖南省多年平均降水量空間分布變化較大。東部降水量豐富，其范圍始于雪峰山脈北端，向湘東、湘南地區延伸，年均降水量約為1 400～1 600 mm。而洞庭湖區、湘西地區、邵陽巖溶盆地為湖南省三大降水量低值區，年均降水量僅為1 240～1 360 mm。而由圖4(b)重旱以上頻率的空間分布來看，湘中的衡邵婁盆地至湘西南一帶是湖南省內重旱頻率最大的區域，多在6.74%～7.46%之間。湘東北和湘東南則是省內重旱頻率小值區，多在5.48%～6.38%之間，最小約為5.29%。

圖4 湖南省多年平均降水量與重旱頻率空間分布

一般認為，水庫調節庫容增大，徑流調節能力增強，能夠抵御的干旱烈度就越高[30]，即水庫的調節能力對其所在區域干旱災害的最終烈度有重要影響。而水利工程與干旱情勢的空間匹配還會進一步影響水利工程群整體應對干旱的能力[29]，合理建設水利工程是區域應對干旱的強有力的支撐[31]。對前述水庫的空間分布特征與多年平均降雨量、重旱頻率空間分布展開對比可以看出，湖南省水庫供水能力與干旱的空間分布存在明顯的失衡錯位。如在湘東南山地區，年平均降雨量大，重旱頻率也相對較低，但是該區擁有全省最大的單位面積興利庫容和人均興利庫容，而在湘中南巖溶丘陵區以及湘東南一般丘陵區的西部，年平均降雨量小，重旱頻率也大，但是單位面積興利庫容與人均興利庫容僅高于洞庭湖區和湘東北丘陵區，即該區存在明顯的氣象干旱與工程供水能力差的效應疊加。對于湘西北巖溶山地區和湘西雪峰山地區而言，雖然年均降雨量小、重旱頻率也大，但是這兩個地區的水庫供水能力要遠大于湘中南巖溶丘陵區。湘東南巖溶丘陵區在地質、地形、區內水庫供水能力等方面與湘中南巖溶丘陵區近似，但是該區年均降雨量更大、重旱頻率小，因此湘東南巖溶丘陵區的整體多年干旱情勢好于湘中南巖溶丘陵區。洞庭湖區是全省三大降雨低值區之一，但是該區重旱頻率全省最低，同時在外圍崗地區擁有全省密度最大的中小水庫群，在平原腹地河網密布，因此該區多年干旱情勢也相對較好。

4 討 論

(1)本研究主要基于地質與地形條件對湖南省進行分區，受數據來源的限制，選擇以縣級行政區為基本數據單元開展分區對比，但仍然與傳統地貌分區[32]保持了較好的一致性。由于很多縣級行政區跨越兩個甚至多個地貌區，因此本文的不同分區邊界存在一定失真，但是總體上對分區統計結果不會產生大的影響。另外，很多大型水庫的主要服務區域往往為其下游的其他分區，而并非為水庫壩址所在分區，這也會給分區統計結果帶來較大影響。這種現象主要出現在湘東南羅霄-南嶺山地區，但是為了更加清晰地反映出不同地理環境下水庫的分布特征，本文未進行區域數據轉移。

(2)湖南省水庫空間分異與區域地形及地質等條件密切相關，圖5為湖南省地形高程分布及地質簡圖。非巖溶山地區普遍山原聳立、河谷深切，地形變化較大，建庫條件優良，大型水庫數量和庫容密度均較大，而在湘西北巖溶區，雖然地形切割強烈，但因區域巖溶特性，大型水庫數量和庫容密度明顯要小于湘東南羅霄-南嶺山地區和湘西雪峰山地區。在各丘陵區，地形起伏較小，優越的河流水文條件對水庫建設顯得更為重要，中小型水庫占據主導地位，而大型水庫密度相對較低。湘中南巖溶丘陵區和湘東南巖溶丘陵區均屬典型構造溶蝕、剝蝕丘陵地貌區，極少發育大型地下水系統，主要分布中小型水庫，大型水庫密度處于全省較低水平。湘東北丘陵區與湘東南一般丘陵區地質、地貌條件近似，受湘江干流樞紐工程的貢獻，大型水庫密度要明顯大于湘中南巖溶丘陵區和湘東南巖溶丘陵區，但不同的是，湘東北丘陵區是湖南省城市化的核心區域，其經濟比重與人口密度均為全省最大，因此該區單位面積興利庫容和人均興利庫容均處于全省最低水平。湘東北山地區地處羅霄山脈北段，受斷陷盆地的影響，湘東北山地區的山區河流流程一般較短，因此該區大型水庫庫容密度遠低于其他山地區。洞庭湖區地勢低平，在洞庭湖平原腹地，河湖縱橫，水庫密度極低；但在平原外圍的崗地區，地層巖性仍以第四系沉積物為主，地貌主要以低山及微丘為主，受耕地面積大所帶來的供水需求的驅動，崗地區擁有全省密度最大的水庫群，這就使得洞庭湖區整體擁有全省最大的中小型水庫庫容密度。

圖5 湖南省地形高程分布及地質簡圖

(3)湖南省現有水庫空間分布特征差異明顯，山地區單位面積水庫庫容要高于丘陵區和平原區，但是本次研究是以縣級行政區統計數據為基礎的大分區對比，掩蓋了一些局部問題。就湖南省干旱情況而言，全省歷史干旱總體上表現為谷地、盆地地區干旱嚴重且多發，而湖區及山地地區發生干旱情況相對較少[23]。山地耕地占比小，且山區林地有較強的水資源調蓄能力，但是在某些山地區域，特別是在湘西北巖溶山地區，耕地分散、地形復雜，灌區不配套，農業灌溉缺水等問題仍然難以解決。此外，在洞庭湖區，自三峽大壩運行以來，長江與洞庭湖之間的“江湖關系”也發生了很大變化，長江“四口”來水量減小、枯季洞庭湖水位逐年降低，使得湖區的干旱情勢發生了很大轉變，洞庭湖區的干旱問題正日益突出[33]。從長遠來看，需要通過跨區域調水工程、平原水庫工程及地下水開發工程來根本解決湖區缺水問題。

(4)區域干旱是多種干旱共同作用的結果。湘中南巖溶丘陵區受地質條件限制，多發育巖溶丘陵，耕地面積占比與人口密度均處在湖南省前列，經濟社會需水量較大，但同時該區是湖南省有名的“旱極”，不僅多年平均降雨量要較外圍地區少100 mm，而且氣象干旱頻率和程度也要大于其他區域[34]，因此該區域也被稱之為“衡邵干旱走廊”。以往有關“衡邵干旱走廊”的研究多集中在氣象方面，而從本文的統計結果來看，自然條件制約下的低水利工程調節能力也是本區干旱情勢的重要影響因素。對于該地區的治理，需要加大區域統籌，通過新建大型水庫及灌區工程來切實提高區域內的供水能力以提高整個區域的抗旱能力。

5 結 論

(1)湖南省水庫分布具有明顯的空間分異特征，與區域地質、地形等條件密切相關。湘東南一般丘陵區水庫數量密度最大，其次為洞庭湖區、湘中南巖溶丘陵區、湘東南巖溶丘陵區和湘東北丘陵區，各山地區相對較小。從水庫庫容密度來看，湘東南羅霄-南嶺山地區最大，其次為湘西雪峰山地區、湘西北巖溶山地區和湘東南一般丘陵區，但這些區域大型水庫庫容值占主導地位。在大部分丘陵區和洞庭湖區，主要以中小型水庫為主。同樣，不同分區水庫供水能力與人口、耕地的匹配關系也有很大差異。湘東南羅霄-南嶺山地區擁有最大的單位面積興利庫容和人均興利庫容，最大分別可達54 397.32 m3/hm2和3 286.53 m3，其次為湘西雪峰山地區、湘西北巖溶山地區、湘東南一般丘陵區和湘東北山地區。湘中南巖溶丘陵區、湘東南巖溶丘陵區、湘東北丘陵區和洞庭湖區單位面積興利庫容和人均興利庫容為全省最低，分別在3 450 m3/hm2和210 m3以內。

(2)湖南省水庫供水能力與干旱的空間分布存在明顯的失衡錯位。湖南省年均降雨量總體呈現出“東多西少”的特征，其中洞庭湖區、衡邵盆地、湘西地區是湖南省三大降雨低值中心。而從重旱頻率的空間分布來看，湘中的衡邵盆地至湘西南一帶是湖南省內重旱頻率最大的區域，在6.74%～7.46%之間，湘東北和湘東南則是省內重旱頻率小值區，多在5.48%～6.38%之間。衡邵盆地不僅為降雨低值區，而且表現為較高的重旱頻率，同時該區擁有較高的耕地面積與人口密度，工程供水能力也偏低，同時又地處巖溶區，下墊面保水能力不足，多因素的綜合疊加影響，使該區域成為干旱情勢最為嚴重的“衡邵干旱走廊”。