變化環(huán)境下通江湖泊江水倒灌年內(nèi)分配變化規(guī)律研究

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(1.長江科學(xué)院 水資源綜合利用研究所，武漢 430010；2.長江水利委員會規(guī)劃計劃局，武漢 430010)

1 研究背景

我國長江中游地區(qū)湖泊眾多，作為自然生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，湖泊具有調(diào)蓄洪水、涵養(yǎng)水源、保護(hù)生物多樣性、提供水產(chǎn)品和消納污染物等多種生態(tài)功能[1]。目前鄱陽湖和洞庭湖2個大型淡水湖泊仍保持著與長江的自然連通狀態(tài)，長江與他們之間相互作用、互為制約[2]，江湖關(guān)系的變化影響著區(qū)域洪水災(zāi)害防治、水資源利用、水環(huán)境保護(hù)和水生態(tài)安全，是長江中游水問題的核心[3]。近年來，隨著長江干流以三峽工程為代表的眾多上游控制性水利樞紐相繼建成運行，通江湖泊以水位為代表的水文要素產(chǎn)生了新的變化，導(dǎo)致湖泊水位偏低、枯水期顯著變長、湖泊水資源利用等一系列問題[4]。

江水倒灌是通江湖泊的典型特征，具有調(diào)蓄長江洪水、維持湖泊水位、保障湖泊區(qū)水資源利用安全、促進(jìn)洲灘濕地生態(tài)演變等功能。受江湖關(guān)系變化的影響，江水倒灌也呈現(xiàn)出許多新的變化規(guī)律。目前對于變化環(huán)境下江湖關(guān)系的研究，多集中于對變化環(huán)境下湖泊水位、泥沙的相互關(guān)系等。郭華等[5]通過2004—2008年的數(shù)據(jù)分析，認(rèn)為三峽水庫10月份的大量蓄水使長江對鄱陽湖的作用頻率明顯減弱，導(dǎo)致長江下泄流量減少，對鄱陽湖水位有一定影響。汪迎春等[6]運用長江中游江湖耦合水動力模型模擬的結(jié)果表明三峽水庫蓄水會導(dǎo)致鄱陽湖都昌站水位降低0.09～1.11 m。方春明等[7]預(yù)測三峽水庫的運用，在河道沖刷和蓄水共同作用下，鄱陽湖的枯水季節(jié)將提前1個月左右；并提出湖口站出現(xiàn)倒流的簡化判別條件，即九江流量日漲幅超過了湖口前一天的流量。胡春宏等[8]、朱玲玲等[9]開展了三峽工程運行后，長江干流河道和鄱陽湖的泥沙淤積變化研究，均指出三峽工程的運行減少了鄱陽湖泥沙淤積的速度和數(shù)量，并造成河道沖刷加劇等影響。

綜上可以看出，很多學(xué)者均將三峽水庫的運行作為鄱陽湖江湖關(guān)系變化的節(jié)點，但往往并沒有做更進(jìn)一步的水文變異分析，在節(jié)點的選取上缺乏理論依據(jù)；其次，江水倒灌對于通江湖泊水量補(bǔ)充的作用非常明顯，且受環(huán)境變化的影響，其倒灌水量、持續(xù)時間等也在悄然改變，但目前對于其變化規(guī)律的研究仍較為欠缺。針對上述存在的問題，本文以鄱陽湖作為通江湖泊江水倒灌的研究對象，首先采用水文變異診斷系統(tǒng)，對鄱陽湖湖口站的水位進(jìn)行變異診斷；以變異診斷結(jié)果為依據(jù)，對變異前后江水倒灌的年內(nèi)變化規(guī)律進(jìn)行系統(tǒng)的梳理和分析。

2 數(shù)據(jù)來源及水文變異診斷系統(tǒng)

2.1 數(shù)據(jù)來源

湖泊水位是影響湖泊生態(tài)安全的重要因素之一，是湖泊生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能完整性的綜合體現(xiàn)，同時還體現(xiàn)了通江湖泊與長江之間的江湖關(guān)系。因此，本文選擇鄱陽湖湖口站的水位序列作為鄱陽湖江湖關(guān)系變化節(jié)點的分析序列；同時采用該站的實測徑流序列，分析變異前后江水倒灌的年際變化規(guī)律。

2.2 水文變異診斷系統(tǒng)

水文序列包括確定性成分和隨機(jī)性成分，而確定性成分則包括周期、趨勢和跳躍成分。如果水文序列與周期、趨勢和跳躍成分無關(guān)，則它是平穩(wěn)的時間序列，表明整個水文序列具有相同的物理成因，其統(tǒng)計規(guī)律滿足一致性,否則，水文序列就是非平穩(wěn)的，表明影響水文序列的物理成因發(fā)生了變化，其統(tǒng)計規(guī)律是非一致的。因此，從統(tǒng)計學(xué)的角度，水文序列變異主要是指水文序列的分布形式或(和)分布參數(shù)在整個序列時間范圍內(nèi)發(fā)生了顯著變化[10]。

在水文序列變異診斷方法上，針對不同水文序列成分的診斷方法也有所區(qū)別，比如診斷跳躍變異的秩和檢驗法、有序聚類法等，診斷趨勢變異的Spearman秩次相關(guān)檢驗法、Kendall秩次相關(guān)檢驗法等。

2010年，謝平等[11]提出了用于水文水資源序列變異診斷的水文變異診斷系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要考慮了趨勢和跳躍2種變異形式，由初步診斷、詳細(xì)診斷和綜合診斷3個部分組成，不僅可以從整體上識別與檢驗時間序列變異及其變異程度(無變異、弱變異、中變異、強(qiáng)變異、巨變異)，而且可以識別非一致性序列發(fā)生變異的形式(趨勢、跳躍變異點)，檢驗指標(biāo)全面，權(quán)重賦值客觀、診斷結(jié)果可信。該系統(tǒng)解決了傳統(tǒng)檢驗方法只能進(jìn)行單一變異形式的識別，不能從整體上識別檢驗時間序列變異及其變異程度；跳躍變異中單一檢驗方法有時檢驗結(jié)果不合理,且多種檢驗方法的檢驗結(jié)果經(jīng)常出現(xiàn)不一致的問題。

初步診斷部分采用過程線法、滑動平均法、Hurst系數(shù)法對序列變異進(jìn)行檢驗，判斷序列是否存在變異，如果判斷結(jié)果為不存在變異，則轉(zhuǎn)入成因調(diào)查分析，對結(jié)果進(jìn)行確認(rèn)；若存在變異，則轉(zhuǎn)入詳細(xì)診斷部分。

詳細(xì)診斷部分采用多種變異檢驗方法對序列進(jìn)行變異判斷，分別對序列的趨勢變異、跳躍變異情況進(jìn)行判斷分析。對于趨勢變異，采用基于線性趨勢相關(guān)系數(shù)的趨勢變異分級法和檢驗法、Spearman秩次相關(guān)檢驗法和Kendall秩次相關(guān)檢驗法對其進(jìn)行判斷；對于跳躍變異，采用有序聚類法、Lee-Heghinan法、秩和檢驗法、滑動F檢驗法、滑動t檢驗法、游程檢驗法、最優(yōu)信息二分割模型、R/S法、Brown-Forsythe、Mann-Kendall、Bayesian方法進(jìn)行判斷，然后進(jìn)入綜合診斷部分。

綜合診斷部分根據(jù)詳細(xì)診斷結(jié)果，對趨勢診斷結(jié)論進(jìn)行趨勢綜合，對跳躍診斷結(jié)論進(jìn)行跳躍綜合。根據(jù)效率系數(shù)評價水文序列與趨勢成分或跳躍成分的擬合程度，以效率系數(shù)較大者作為變異形式判斷的結(jié)果。最后結(jié)合實際水文調(diào)查分析，對變異形式和結(jié)論進(jìn)行確認(rèn)，從而得到最可能的變異診斷結(jié)果。因此，本文采用水文變異診斷系統(tǒng)進(jìn)行水文序列的變異診斷。

3 湖口站水位變異診斷

倒灌流量序列并非是一個連續(xù)的時間序列，少數(shù)年份并沒有發(fā)生倒灌；同時，鄱陽湖水位的影響因素較多，水位則是這些影響因素的綜合反映，是包含與被包含之間的關(guān)系。因此，本文采用湖口站水位序列進(jìn)行變異診斷，并根據(jù)其變異診斷結(jié)果，對江水倒灌序列進(jìn)行水文變異時段的劃分。

在第一信度水平α=0.05、第二信度水平β=0.01的條件下，利用水文變異診斷系統(tǒng)對湖口站1955—2013年的年均水位序列進(jìn)行變異診斷結(jié)果如表1所示，湖口站年均水位及跳躍變異如圖1所示。

從圖1可看出，鄱陽湖湖口站水位在2003年發(fā)生了跳躍向下的中變異，變異前1955—2003年的水位均值為12.85 m;變異后2004—2013年的水位均值為12.05 m，變異后湖口站年均水位下降了0.80 m。

4 江水倒灌年內(nèi)分配變化規(guī)律分析

以湖口站水位序列的變異診斷結(jié)果為依據(jù)，將湖口站1955—2012年江水倒灌序列分為兩段，即1955—2003年(下文簡稱變異前)和2004—2013年(下文簡稱變異后)，分別對鄱陽湖江水倒灌的年內(nèi)分配變化規(guī)律進(jìn)行分析。

4.1 倒灌總體樣本水位及流量變化規(guī)律

將出現(xiàn)倒灌的天數(shù)作為樣本，首先對其總體樣本水位及流量的變化規(guī)律進(jìn)行分析。

表1 湖口站年均水位序列變異診斷結(jié)果Table 1 Result of variation diagnosis on the annualaverage water level series at Hukou station

注：“+”表示跳躍或趨勢顯著，“-”表示跳躍或趨勢不顯著，“0”表示不能進(jìn)行顯著性檢驗， “↓”表示跳躍下降

圖1 湖口站年均水位及跳躍變異Fig.1 Annual average water level series and leaping alteration

據(jù)湖口站實測倒灌流量和水位資料，變異前共發(fā)生江水倒灌609 d，變異后共發(fā)生倒灌85 d，如圖2所示。

變異前后發(fā)生倒灌時湖口站的水位及流量邊界值如表2所示。

從表2中可以看出，湖口站水位變異前后，江水發(fā)生倒灌時的水位以及最大日均流量值均有較大的變化。首先，變異后江水倒灌時對應(yīng)的水位分布區(qū)間更加緊密，僅發(fā)生在12.72～18.46 m之間，比變異前的區(qū)間長度減少了4.22 m；其次，日均倒灌流量的最大值有大幅度減小，從13 600 m3/s減少為7 000 m3/s，減少幅度為48.5%。

對倒灌總體樣本相應(yīng)的水位進(jìn)行統(tǒng)計，見表3。

圖2 變異前后湖口站倒灌日均流量Fig.2 Daily average backward flow rate at Hukou Station before and after the alteration

表2 變異前后倒灌水位及流量邊界值變化Table 2 Extreme values of water level and dischargeof backward flow before and after the alteration

表3 變異前后倒灌水位分布區(qū)間變化Table 3 Ranges of backward flow water levelbefore and after the alteration

從表3中可以看出，湖口站江水倒灌時的水位分布區(qū)間發(fā)生了一定的變化。首先，變異后的水位分布更為集中，當(dāng)(16.00，18.00] m及[12.00，14.00] m時，倒灌發(fā)生的概率比變異前有所增加，而其他水位區(qū)間則均呈減小的趨勢；其次，變異后的水位在<12.00 m和>20.00 m的區(qū)間，并沒有發(fā)生江水倒灌的現(xiàn)象。

對倒灌總體樣本相應(yīng)的流量進(jìn)行統(tǒng)計，如表4所示。

從表4中可以看出，水位變異前后江水倒灌的流量分布區(qū)間也出現(xiàn)了一些變化。變異前，倒灌流量接近50%分布在流量<1 500 m3/s之內(nèi)，且隨著倒灌流量的增加，其出現(xiàn)的概率也隨之減少，規(guī)律性較為明顯；變異出現(xiàn)后，倒灌流量僅有約1/3分布在流量<1 500 m3/s之內(nèi)，流量在[1 500，3 000] m3/s與(3 000，4 500] m3/s區(qū)間的分布概率非常接近，變異后倒灌流量呈現(xiàn)出較強(qiáng)的分散性。

表4 變異前后倒灌流量分布區(qū)間變化Table 4 Ranges of backward flow rate beforeand after the alteration

4.2 倒灌天數(shù)年內(nèi)分配變化規(guī)律

將每個月出現(xiàn)倒灌的天數(shù)作為樣本，對其樣本出現(xiàn)的概率及流量等要素的年內(nèi)分配變化規(guī)律進(jìn)行分析。

據(jù)湖口站實測倒灌資料，變異前江水倒灌全部分布在6—12月份，變異后則只在7—11月份出現(xiàn)，如表5所示，變異前后逐月發(fā)生倒灌的概率及變異前后逐月發(fā)生倒灌的平均天數(shù)如圖3所示。

表5 變異前后逐月倒灌天數(shù)變化Table 5 Ranges of monthly durations of backwardflow before and after the alteration

圖3 變異前后逐月倒灌概率和逐月倒灌平均天數(shù)分布Fig.3 Probability and average duration of monthly backward flow before and after the alteration

從圖3(a)和表5中可以看出，變異前，江水倒灌主要發(fā)生在7—9月份，占全年發(fā)生概率的86.20%，其中9月份發(fā)生的概率最大，為34.48%，同時,6月份和12月份也出現(xiàn)過少數(shù)幾天的江水倒灌。變異后，雖然江水倒灌仍主要是發(fā)生在7—9月份，占全年發(fā)生概率的91.76%，但7月份和8月份發(fā)生的概率均超過變異前的相應(yīng)月份，且大于變異前9月份的出現(xiàn)概率，同時，6月份和12月份并沒有出現(xiàn)江水倒灌。可以看出，變異后江水倒灌發(fā)生的月份比變異前更為集中，倒灌最有可能發(fā)生的月份從變異前的9月份演變?yōu)樽儺惡蟮?—8月份，年內(nèi)分配在不同月份有較大的變化。

從圖3(b)和表5中可以看出，除11月份之外，變異后逐月發(fā)生倒灌的平均天數(shù)相比變異前均呈下降的態(tài)勢，降幅最大的為9月份，平均減少3.8 d；總體而言,變異后月均天數(shù)比變異前減少1.6 d。

將變異前后逐月的流量均值進(jìn)行統(tǒng)計，倒灌流量均記為負(fù)值，如表6和圖4所示。

表6 變異前后逐月倒灌流量均值變化Table 6 Values of monthly average backward flowrate before and after the alteration

圖4 變異前后逐月倒灌流量均值分布Fig.4 Monthly mean values of backward flow rate before and after the alteration

從圖4和表6中可以看出，變異后逐月的流量均值相比變異前有升有降，其中，6月份和12月份的降幅最大，另外出現(xiàn)下降的月份為10月份和11月份，而7—9月份均有所上升，9月份上幅最大，比變異前上漲32.38%；年均的倒灌流量總體呈下降趨勢，降幅為20.36%?？梢钥闯觯儺惡蠼构嗔髁肯鄬τ谧儺惽耙哺鼮榧?，且年均倒灌流量呈下降趨勢。

倒灌流量極值可以反映通江湖泊洪水遭遇，對分析區(qū)域防洪抗旱等問題具有重要的作用。將變異前后逐年每月江水倒灌的流量極值進(jìn)行分析，結(jié)果如表7和圖5所示。

從表7和圖5中可以看出，除8月份極值基本和變異前持平以外，變異后逐月的流量極值相比變異前總體呈降低趨勢，降幅在35%至100%之間。變異后的流量極值整體趨于扁平化，一定程度上有利于鄱陽湖防洪，但也會對鄱陽湖枯期水位造成影響。

表7 變異前后逐月倒灌極值變化Table 7 Extreme values of monthly backward flowrate before and after the alteration

圖5 變異前后逐月倒灌極值分布Fig.5 Extreme values of monthly backward flow rate before and after the alteration

綜上可以看出，變異后7—9月份一方面江水倒灌的流量均值上升，另一方面倒灌的平均天數(shù)減少，總體相比變異前，倒灌水量呈減少的態(tài)勢，且倒灌流量的極值有較大幅度降低，有利于鄱陽湖的防洪安全。變異后枯期江水倒灌的流量均值、平均天數(shù)、流量極值比變異前總體大幅度下降，對于鄱陽湖枯期水位會有較大的影響。

5 結(jié)論與展望

5.1 結(jié) 論

本文采用水文變異診斷系統(tǒng)，以湖口站實測水位資料的變異診斷結(jié)果為依據(jù)，提出將2003年作為節(jié)點，分析水位變異前后鄱陽湖江水倒灌的年內(nèi)分配變化規(guī)律，主要結(jié)論如下：

(1)湖口站于2003年發(fā)生了跳躍向下的中變異，變異前1955—2003年的水位均值為12.85 m，變異后2004—2013年的水位均值為12.05 m，變異后湖口站年均水位下降了0.80 m。

(2)在收集到的湖口站1955—2013年江水倒灌序列中，變異前共發(fā)生江水倒灌609 d，變異后共發(fā)生倒灌85 d。

倒灌水位方面，變異后江水倒灌時對應(yīng)的水位分布區(qū)間更加緊密，僅發(fā)生在12.72～18.46 m區(qū)間，比變異前的11.16～21.12 m區(qū)間長度減少了4.22 m。

倒灌流量方面，日均倒灌流量的最大值有大幅度減小，從13 600 m3/s減少為7 000 m3/s，減少幅度為48.5%；變異前倒灌流量接近50%分布在流量小于1 500 m3/s之內(nèi)，且隨著倒灌流量的增加，其出現(xiàn)的概率也隨之減少，規(guī)律性較為明顯；變異出現(xiàn)后，倒灌流量呈現(xiàn)出較強(qiáng)的分散性。

倒灌時間方面，變異后江水倒灌發(fā)生的月份比變異前更為集中，倒灌最有可能發(fā)生的月份從變異前的9月份演變?yōu)樽儺惡蟮?月份和8月份，年內(nèi)分配在不同月份有較大的變化。降幅最大的為9月份，平均減少3.8 d的倒灌時間。

(3)綜上可知，出現(xiàn)變異后，江水倒灌的流量均值上升，倒灌的平均天數(shù)減少，總體相比變異前，倒灌水量呈減少的態(tài)勢，且倒灌流量的極值有較大幅度降低，有利于鄱陽湖的防洪安全。變異后枯期江水倒灌的流量均值、平均天數(shù)、流量極值比變異前總體大幅度下降，對于鄱陽湖枯期水位會有較大的影響。

5.2 展 望

針對本文的研究內(nèi)容，下一步在以下幾個方面仍需開展進(jìn)一步的研究。

(1)盡管湖口站水位于2003年發(fā)生了變異，但三峽工程對其變異的貢獻(xiàn)程度仍需要進(jìn)一步分析。

(2)無論是倒灌次數(shù)、每次持續(xù)的時間，還是倒灌水量，變異后比變異前均有所減少，可能是導(dǎo)致鄱陽湖枯期水位偏低的重要原因，但具體影響程度及其相應(yīng)的對策也有待進(jìn)一步的研究。