洪澤湖近50 a特征水位變化規(guī)律及影響因素

梅海鵬，王振龍，劉 猛，周佳敏

（1.安徽省·水利部淮河水利委員會 水利科學研究院，安徽 蚌埠 233000；2.水利水資源安徽省重點實驗室，安徽 蚌埠 233000；3.河海大學 水文水資源學院，南京 210098）

1 研究背景

湖泊水位的高低及其變動范圍、頻率、發(fā)生時間、持續(xù)時長等是影響水資源調配、濕地水生植被狀況的核心因素。洪澤湖特征水位能夠直觀反映湖區(qū)及上下游水文情勢，平均水位能夠反映時段內水位變化集中趨勢，最高水位在區(qū)域防洪工程設計上具有重要的參考意義，最低水位對航運、生態(tài)等具有重要價值。2013年南水北調東線工程通水［1］，其正常蓄水位抬升至13.5 m［2］，區(qū)域水文特征發(fā)生了巨大的變化。洪澤湖是承接淮河中上游15.8萬km2流域來水的調配中樞，解析其特征水位變化規(guī)律、識別其水位變化機理對洪澤湖區(qū)域的徑流調配、生態(tài)流量保障、生態(tài)環(huán)境保護具有重要意義。

目前在五大淡水湖中，對洪澤湖的水位變化特征及規(guī)律方面的研究相對滯后，還處于發(fā)展階段［3］，研究方向多集中在流域基本水文要素、水沙關系方面。在水文特征方面，楚恩國［4］對洪澤湖區(qū)域的水資源特點、水資源時空分配特點及區(qū)域洪澇災害進行了分析；鄧恒等［5］從河流、湖泊和入湖三角洲演變，以及洪澤湖調蓄量變化、出湖河道的演變等方面對洪澤湖與淮河的河湖關系進行了研究，提出河湖關系是建立在水沙交換基礎上的；葉正偉等［6］通過探索洪澤湖流域汛期降水與東亞夏季風指數(shù)的關系，得出流域降水呈增加趨勢且降水異常是流域洪澇災害的主導因素。在水沙關系方面，樊賢璐等［7］對洪澤湖水沙變化的主要影響因素進行了識別，認為區(qū)域降水變化和治淮工程是影響洪澤湖水沙關系的主導因素；虞邦義等［8］通過分析長系列水沙資料，對洪澤湖的沖淤情況進行總結。在新的氣候環(huán)境［9］和水利工程背景下，洪澤湖區(qū)域水文特征具有了新的變化，主導因素也隨之改變，對洪澤湖的水位變化規(guī)律方面的研究亟需加強。

因此，本文通過聯(lián)合Mann-Kendall檢測、有序聚類分析、BFAST趨勢分析和小波分析等方法，對洪澤湖平均水位、最高水位和最低水位3個特征水位年際、年內變化規(guī)律進行解析，結合自然環(huán)境變化和人類活動對洪澤湖水位變化的影響，系統(tǒng)地對洪澤湖水位突變點和總體變化趨勢進行解釋，并對驅動水位變化的主導因素進行識別，以期為現(xiàn)狀水利工程運作環(huán)境下洪澤湖流域的防洪調度、生態(tài)水位控制和水資源分配提供科學依據(jù)。

2 資料與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

水位數(shù)據(jù)選取蔣壩、高良澗、尚咀和老子山4個具有代表性的水位觀測站1967—2016年逐日水位數(shù)據(jù)，水位站位置如圖1所示。洪澤湖蓄水位12.5 m（廢黃河基面）時蓄水面積為2 069 km2，湖區(qū)各點水位在代表整個湖區(qū)水位時具有局限性，因此本文利用4站水位數(shù)據(jù)通過泰森多邊形法計算洪澤湖逐日水位，并在此基礎上根據(jù)研究時段得出平均水位、最高水位和最低水位。

圖1 洪澤湖區(qū)水位觀測站點分布Fig.1 Distribution of water level observation stations in Hongze Lake area

各入湖、出湖流量數(shù)據(jù)為同期控制站逐日流量數(shù)據(jù)，如表1所示；降水、蒸發(fā)數(shù)據(jù)選取具有代表性的同期三河閘雨量站和蒸發(fā)站數(shù)據(jù)。

2.2 研究方法

2.2.1 Mann-Kendall突變檢驗

Mann-Kendall趨勢檢驗和突變檢測［10-11］被廣泛運用于對徑流、降雨、氣溫、蒸發(fā)等水文和氣象要素序列的突變進行檢測，是一種非參數(shù)檢驗法。在時間數(shù)據(jù)序列隨機且獨立的假定條件下，通過將樣本容量為N的時間序列構成一個秩序列，計算得到正序列統(tǒng)計量UFk、逆序列統(tǒng)計量UBk，繪制正、逆序列統(tǒng)計量曲線。若UFk和UBk2條曲線相交，且交點位于置信區(qū)間內，則交點為可能突變點。

表1 洪澤湖入湖、出湖河流及控制站點Table 1 Inlet and outlet rivers of Hongze Lake and control stations

2.2.2 有序聚類分析

有序聚類分析法［12］通過有序分類方式，推求序列存在的顯著突變點。假設序列存在突變點τ，則突變點前序列和突變點后序列的離差平方和最小。

2.2.3 BFAST算法

BFAST算法（Breaks for Additive Seasonal and Trend）［13-14］是一種時間序列分解模型，將時間序列迭代分解為趨勢項、季節(jié)項、殘差項。該算法可以在月尺度上對時間序列的突變點進行識別，并對其階段性變化趨勢進行解析。

2.2.4 小波分析

小波分析是一種時間序列分析方法［15］，能夠從時域和頻域揭示時間序列的局部特征，多用于降水序列、徑流序列等的多時間尺度變化特性研究。本文應用小波分析進行水位序列研究，能很好地揭示洪澤湖水位在不同時間尺度內的周期特性和時域內的變化規(guī)律。

3 水位變化特征

3.1 平均水位變化特征

根據(jù)圖2（a）Mann-Kendall檢驗結果，洪澤湖平均水位在1967—2016年間呈3種趨勢變化：1967—1977年呈上升趨勢，1978—1982年呈下降趨勢，在1983年后又呈上升趨勢。洪澤湖平均水位在1983年發(fā)生突變。根據(jù)圖2（b）聚類分析結果，平均水位聚類分析統(tǒng)計量Sn（τ）最小值為3.67，出現(xiàn)在1983年，可能為洪澤湖平均水位突變點，在突變年份前后，洪澤湖平均水位從1967—1983年的12.40 m上升到1984—2016年的12.84 m，抬升了0.44 m。

圖2 洪澤湖平均水位Mann-Kendall檢驗結果和有序聚類分析統(tǒng)計量Fig.2 M-K test result and cluster analysis statistics of annual average water level of Hongze Lake

根據(jù)圖3，利用 BFAST方法，將洪澤湖月均水位數(shù)據(jù)（Yt）迭代分解為季節(jié)項（St）、趨勢項（Tt）、殘差項（et）進行檢測。趨勢項檢驗結果表明 1967—2016年間洪澤湖平均水位經歷5個變化階段，4次突變點位置分別為 1978年 4月、1985年 10月、1994年11月和 2002年5月。1967年 1月—1978年 4月洪澤湖平均水位呈緩慢上升趨勢，1978年 5月發(fā)生驟降；1978年 6月—1985年 9月平均水位呈顯著上升趨勢，在1985年 10月洪澤湖平均水位略微回落；1985年11月—1994年 10月洪澤湖平均水位保持平穩(wěn)變化，直至 1994年11月平均水位明顯抬升；1994年12月—2002年4月平均水位呈下降趨勢，2002年5月水位再次大幅抬升，之后保持緩慢下降的趨勢。

3.2 水位變化總體特征

1967—2016 年間洪澤湖特征水位變化趨勢具有一致性，均經歷5個變化階段和4次突變，但相較于平均水位變化特征，最高、最低水位在突變節(jié)點上存在超前或滯后的現(xiàn)象?？傮w表現(xiàn)為1983年以前洪澤湖水位處于較低水平，1985年后洪澤湖水位相較之前有較大抬升，且最低水位變化響應時間最早，最高水位變化響應時間最遲，分析認為該變化情況與1983年前后為滿足灌區(qū)用水量實施洪澤湖蓄水位抬升工程相關。Mann-Kendall趨勢檢驗結果中洪澤湖各類特征水位突變年份均晚于有序聚類分析1 a，具有1 a滯后性，BFAST分析結果相較于前2種方法具有1～2 a的滯后性，這與分析方法的前提假設有關。結合實際工程情況，在判斷洪澤湖特征水位的突變年份時，3種方法對洪澤湖特征水位突變年份的檢測均落在1982—1985年之間，該階段認為是水位抬升過渡時期。從表2結果可知BFAST分析不僅能在月尺度上對突變點進行識別，而且能反映突變點后一定時期內水位的變化趨勢，相比前2種檢測法更具優(yōu)勢。根據(jù)分析結果共檢測出4次突變，將洪澤湖特征水位變化分為5個階段，各突變時期對應的因素分別為洪澤湖東側堤加寬加高工程（1976—1978年）［16］、洪澤湖蓄水位抬升工程（1983年）、洪澤湖大堤抗震加固工程、三河閘加固工程（1992—1995年）［17］和江水北調供水調度工程（2002—2003年）。

4 水位變化規(guī)律及影響因素分析

4.1 水位變化周期規(guī)律

在分析洪澤湖特征水位年內、年際變化特征的基礎上，利用Morlet小波方法進一步分析洪澤湖歷年平均水位序列的周期特征。圖4中藍色實線區(qū)域表示正小波系數(shù)實部，對應水位上升，黃色虛線區(qū)域表示負小波系數(shù)實部，對應水位下降。從圖4可以看出洪澤湖特征水位序列波動具有高度一致性，在1967—2016年間均存在相似的多尺度特征。根據(jù)圖4洪澤湖各特征水位的小波方差，主要存在36、17、9、4 a的第1—第4主周期，其中24～47、14～21、7～13 a這3個時間尺度上波動變化規(guī)律明顯，且具有全域性，3～6 a尺度的水位波動規(guī)律不明顯。

表2 洪澤湖特征水位變化趨勢Table 2 Variation trends of characteristic water levels of Hongze Lake

圖4 洪澤湖特征水位序列小波變換系數(shù)實部和小波方差Fig.4 Real parts of wavelet transform coefficient and wavelet variance of characteristic water levels of Hongze Lake

4.2 水位變化影響因素

根據(jù)洪澤湖特征水位的年際變化規(guī)律，將其分為5個時期，分別分析各個時期年內變化過程。根據(jù)圖5，將洪澤湖特征水位在年內變化分為3個階段：蓄水期10—4月份（Stage1）、泄水期5—6月份（Stage2）和漲水期7—9月份（Stage3）。

圖5 洪澤湖平均水位、最高水位、最低水位年內變化過程Fig.5 Annual changes of mean water level，maximum water level and minimum water level of Hongze Lake

洪澤湖水位變化受湖水增量和湖水損失量的差值影響，建立各特征水位與各入湖流量、出湖流量、降水量及蒸發(fā)量之間的多元回歸模型，通過標準化數(shù)據(jù)，利用回歸方程系數(shù)判斷水位變化的主要影響因素。建立逐步回歸方程為

式中：H為水位；ai、bj、c、d均為回歸模型的擬合系數(shù)；RHi和CHj為對應的入湖流量、出湖流量；P為降水量；E為蒸發(fā)量。利用R語言構建逐步回歸模型，可以通過AIC（Akaike Information Criterion）值比較模型擬合優(yōu)良性，避免過度擬合變量，在擬合過程中逐步剔除變量直到AIC最小的模型為最優(yōu)模型，并分別通過T檢驗、F檢驗和R2判斷模型系數(shù)顯著性水平、回歸方程的顯著性水平和擬合優(yōu)度，各類特征水位各階段擬合結果如表3。

根據(jù)表3結果，各回歸系數(shù)結果均達到0.05顯著水平，部分數(shù)據(jù)達到0.01或0.001顯著性水平；回歸模型結果中，最低水位Stage2階段的p值通過0.005顯著性檢驗，其余各組模型也均通過0.001顯著性檢驗；除各特征水位在Stage1階段的模型擬合優(yōu)度在0.62～0.66之間，其余各組模型擬合優(yōu)度均＞0.8，擬合度較好。在Stage1蓄水階段，周邊灌溉、生活和工業(yè)用水會對水位動態(tài)變化有一定影響。各階段不同因素影響洪澤湖特征水位占比如表4所示。

表3 洪澤湖特征水位的逐步回歸系數(shù)Table 3 Stepwise regression results of characteristic water levels of Hongze Lake

表4 洪澤湖特征水位變化驅動因素占比Table 4 Proportions of factors in driving the fluctuation of characteristic water levels

綜上，各期變化的主導因素為：Stage1階段平均水位、最高水位和最低水位變化主要受小柳巷入湖流量和三河閘出湖流量影響，其中對平均水位和最低水位影響程度的表現(xiàn)為小柳巷入湖流量＞三河閘出湖流量，對最高水位影響程度與其相反，且三河閘出湖流量表現(xiàn)為負影響，表明蓄水期出湖流量對最高水位變化起主導作用；Stage2階段平均水位、最高水位和最低水位變化主導因素均為小柳巷入湖流量和雙溝入湖流量，但雙溝入湖流量對平均水位和最低水位表現(xiàn)為負影響，表明在泄水期隨著雙溝入湖流量增加，泄水力度加大，保證在汛期前騰出庫容攔蓄洪水；Stage3階段平均水位、最高水位和最低水位主要受小柳巷入湖流量和三河閘、高良澗出湖流量影響，但小柳巷入湖流量對平均水位、最高水位和最低水位均為負影響，表明在漲水期隨著上游來水增大，洪澤湖加劇泄水，控制水位上漲速度，保證周邊地區(qū)安全。

5 結 論

本文通過分析洪澤湖特征水位年際、年內的變化規(guī)律，揭示了洪澤湖各特征水位周期規(guī)律、變化趨勢和和影響因素，現(xiàn)將結論總結如下：

（1）特征水位年際變化具有一致性，近50 a洪澤湖特征水位顯著突變時期為1982—1985年，1986年后洪澤湖特征水位呈顯著上升趨勢，而且最低水位變化響應時間最早，最高水位變化響應時間最遲。

（2）各特征水位年際變化周期保持高度一致性，但時間尺度不唯一，均存在第一主周期36 a，第二主周期17 a，第三主周期9 a。

（3）特征水位年內變化受人工調控特征明顯，年內各期特征水位變化的主導因素不同。蓄水期小柳巷入湖流量是影響平均水位和最低水位變化的主要因素，三河閘出湖流量是影響最高水位變化的主要因素；泄水期特征水位變化的主要影響因素均為小柳巷和雙溝入湖流量，雙溝入湖流量對最低水位影響尤為明顯；漲水期特征水位主要受小柳巷入湖流量和三河閘、高良澗出湖流量影響，小柳巷入湖流量在平均水位變化中起主要作用。

本文主要通過分析洪澤湖代表水位站數(shù)據(jù)，對湖區(qū)特征水位年際、年內的變化規(guī)律進行探討。洪澤湖作為過水型湖泊，上游湖和下游湖特征水位也應存在一定的差異，在以后的研究中可以進一步對洪澤湖水位進行細化分區(qū)，對上下游湖泊水位變化機理進行探索。