三峡工程运行前后鄱阳湖倒灌特性对比分析

王 雪，赵学峰，赵学军

(1. 长江水利委员会综合管理中心，武汉 430010； 2. 长江水利委员会水文局汉江水文水资源勘测局，湖北 襄阳 441021)

三峡工程运行前后鄱阳湖倒灌特性对比分析

王 雪1，赵学峰2，赵学军2

(1. 长江水利委员会综合管理中心，武汉 430010； 2. 长江水利委员会水文局汉江水文水资源勘测局，湖北 襄阳 441021)

采用统计分析和趋势分析等数理统计分析方法，对三峡工程运行前后鄱阳湖的倒灌特性开展对比分析。研究结果表明：① 较三峡工程运行前的1990～2002年，三峡工程运行初期(2003～2008年)年均倒灌天数和年均总倒灌量均有明显的增加，而三峡水库175 m试验性蓄水(2009年)以来二者均显著减小；② 年际变化方面：2002～2009年期间倒灌发生的频率最高；年内分布方面：三峡工程运行后7月、10月、11月最大倒灌流量均出现了较为明显的减少，而8月和9月则出现了较大增幅；③ M-K趋势检验结果表明，年均流量和年倒灌量均未出现显著变化。

三峡工程；鄱阳湖；江水倒灌；Mann-Kendall检验

引 言

赣江、抚河、信江、饶河、修河五大江河(以下简称五河)入湖，鄱阳湖水入江，长江与鄱阳湖有着自然形成的江湖关系。然而，由于赣江流域的主汛期为4～6月，而长江中上游的主汛期为6～9月，若长江上游来水激增，长江高水位运行，很容易产生长江水倒灌鄱阳湖的现象。长江水倒灌之于鄱阳湖是一把“双刃剑”，如果倒灌发生在汛期，则会给鄱阳湖带来防汛压力；如果发生在枯水季节，则长江水量可以滋润和回补鄱阳湖，有利于农业灌溉，恢复鄱阳湖湿地植被和渔业生态[1]。

由于长江和鄱阳湖存在着复杂的江湖关系，长江干流上三峡工程的建设和运行会对鄱阳湖产生一定影响，三峡工程论证阶段的《长江三峡水利枢纽环境影响报告书》及其批复意见认为：“兴建三峡工程对生态与环境的影响有利有弊”[2]。

江水倒灌作为江湖相互关系的极端表现，近年来受到众多学者的持续关注并开展了大量的研究[3-5]。近期关注的问题包括：(1)三峡工程的建设运行是否会对长江倒灌鄱阳湖的总体情势产生影响；(2)三峡工程的建设运行是否会对长江倒灌鄱阳湖的年际和年内变化规律产生影响；(3)三峡工程的建设运行是否会对长江倒灌鄱阳湖的变化趋势产生影响。本文选择湖口水文站1990～2015年的水位、流量数据，分三峡工程运行前(1990～2002年)以及三峡工程运行后(2003～2015年)这两个时期，采用统计分析和趋势分析等数理统计分析方法，对三峡工程运行前后鄱阳湖的倒灌特性开展对比分析。

1 研究区域

鄱阳湖位于东经115°49′～116°46′、北纬28°24′～29°46′，江西省北部，是我国目前最大的淡水湖泊。它承纳五河及博阳河、漳河、潼河等区间来水，经调蓄后由湖口注入长江，是一个过水性、吞吐型、季节性的湖泊，鄱阳湖及其与长江的位置关系见图1。

鄱阳湖南北长173 km，东西平均宽度16.9 km，最宽处约74 km，入江水道最窄处的屏峰卡口，宽约为2.8 km，湖岸线总长1 200 km。湖面以松门山为界，分为南北两部分，南部宽广，为主湖区，北部狭长，为湖水入长江水道区。湖区地貌由水道、洲滩、岛屿、内湖、汊港组成。洲滩有沙滩、泥滩和草滩三种类型，面积约3 130 km2，全湖岛屿41个，面积约103 km2。

鄱阳湖水位涨落受五河及长江来水的双重影响，每当洪水季节，水位升高，湖面宽阔，一望无际，1949年鄱阳湖面积为5 340 km2(水面高程22 m，吴松基面，下同)，以后主要由于人类活动影响，使鄱阳湖湖泊面积在20世纪70～80年代缩小为3 993.7 km2，湖泊容积为295.9亿m3；在20世纪90年代缩小至3 572km2，湖泊容积为280.5亿m3。按枯水期水位12 m计算，湖泊面积为556.6 km2，湖泊容积为9.2亿m3。枯水季节，水位下降，洲滩出露，湖水归槽，蜿蜒一线，洪、枯水的水面、容积相差极大。“高水是湖，低水似河”、“洪水一片，枯水一线”是鄱阳湖的自然地理特征。

图1 鄱阳湖及其与长江的关系位置图

2 江水倒灌特性对比分析

作为长江中下游典型的通江湖泊，鄱阳湖出流特征及水位涨落受流域五河来水及长江径流的双重影响，江水倒灌鄱阳湖是江湖相互作用中长江顶托过程的极端现象，是江湖相互作用关系的一种最强烈表现，在一定时期决定性地影响着鄱阳湖独特的流量和水位波动。

2.1 倒灌总体特性分析

本文选择湖口水文站1990～2015年的水位、流量数据，分三峡工程运行前(1990～2002年)以及三峡工程运行后(2003～2015年)这两个时期，对工程影响条件下湖口站的倒灌特性及该站的水位-流量关系进行了分析，分别见表1、图2、图3。

从表1可以看出，三峡工程运行前的1990～2002这13年间，长江倒灌鄱阳湖共67 d，总倒灌水量166.74亿m3，年均倒灌天数为5.15 d，年均倒灌水量为12.83亿m3；三峡工程运行后的2003～2015这13年间，长江倒灌鄱阳湖共110 d，总倒灌水量225.71亿m3，年均倒灌天数为8.46 d，年均倒灌水量为13.36亿m3，较前者年均倒灌天数增加3.31 d，年均倒灌水量增加0.53亿m3。

对比分析还可发现，2009～2015这7年间(三峡水库175m试验性蓄水阶段)鄱阳湖倒灌强度明显减弱。7年间长江倒灌鄱阳湖共15 d，总倒灌水量10.25亿m3，年均倒灌天数为2.14 d，年均倒灌水量为1.46亿m3。鄱阳湖在这7年间发生倒灌天数分别为1 d、0、4 d、3 d、4 d、3 d、0，倒灌流量最大为3 940 m3/s。较三峡工程运行前的1990～2002年以及三峡工程运行初期的2003～2008年，年均倒灌天数和年均总倒灌量均有明显的减小。

对比图2和图3发现，三峡工程运行前发生倒灌时湖口站水位-流量关系分布总体呈现两大特征，以湖口站水位18 m左右为界限，当湖口水位高于18m以上时，水位与流量散点呈负相关关系，即随着水位的上升，倒灌流量呈减小的趋势；当湖口水位低于18 m以下时，水位与流量散点呈正相关关系，即随着水位的上升，倒灌流量呈增大的趋势。三峡工程运行后发生倒灌时湖口站水位-流量关系比较散乱，总体分布也更加的集中和均匀，倒灌时水位以及最大倒灌流量的变幅较运行前均有显著减小。

综上分析可知，三峡工程的运行对江水倒灌鄱阳湖的总体特性有一定的影响。较三峡工程运行前的1990～2002年，三峡工程运行初期年均倒灌天数和年均总倒灌量均有明显的增加，而三峡水库175 m试验性蓄水以来年均倒灌天数和年均总倒灌量均显著减小。三峡工程运行后发生倒灌时湖口站水位-流量关系更加散乱，总体分布也更加集中和均匀。

表1 三峡工程运行前后倒灌特性对比表

图2 三峡工程运行前湖口站水位⁃流量关系图

图3 三峡工程运行后湖口站水位⁃流量关系图

2.2 年际和年内变化规律

(1)年际变化

由1990～2015年共26年资料分析可知，总体而言江水倒灌鄱阳湖较为频繁，除1992、1993、1995、1997、1998、1999、2001、2006、2010、2015等10年未倒灌外，其余16年均发生倒灌(如图4所示)。就年际变化而言，倒灌和非倒灌年份交替出现，但2002～2009年期间倒灌发生的频率最高，仅2006年未发生倒灌，其余7年均出现了倒灌，且最大倒灌流量也较大，最大为6 160 m3/s，平均最大倒灌流量也达到了3 326 m3/s。

(2)年内分布

进一步从年内分配上进行分析，长江倒灌鄱阳湖现象主要发生在7～11月，且绝大多数出现在7～9月，占总倒灌天数的90.4%。1990～2015年7月、8月、9月、10月、11月长江倒灌鄱阳湖天数分别为79 d、46 d、35 d、6 d及11 d，分别占倒灌总天数的44.63%、25.99%、19.77%、3.39%、6.21%。

较1990～2002年三峡工程运行前，每年7月、10月、11月最大倒灌流量均出现了较为明显的减少，而8月和9月则出现了较大增幅，这主要是由鄱阳湖流域五河洪水和长江洪水年内分布上的差异造成。三峡工程运行前，每年7月鄱阳湖流域五河洪水开始消退，而相应长江径流达到最大，长江水位上涨较快，其对鄱阳湖出流的顶托作用也最为强烈；8月和9月末开始，长江洪水有一个相对快速的消退过程，此时由于鄱阳湖前期蓄存了大量水体，水位高，湖水下泄压力大，使得这段时间内的江水倒灌频率有所降低；10月和11月来水进入枯水期，江水倒灌的频率也随着长江顶托作用的减小而降低。三峡工程运行后，由于水库的拦洪和滞洪作用，使得长江水位的涨落过程更加的坦化，导致7月份长江水位上涨减慢，而8月和9月水位消落减慢，10月份以后水库的蓄水进一步减小了下泄流量，致使长江水位进一步降低，从而出现了图5所示的现象。

图4 湖口站历年最小流量年际变化图

2.3 趋势变化分析

(1)分析方法

在时间序列趋势分析中，最为常用的方法为Mann-Kendall检验(以下简称M-K检验)[6]，其已被众多学者广泛应用在降水、径流、气温和水质等时间序列趋势变化的研究中[7]。M-K检验不需要样本遵循一定的分布，也不受少数异常值的干扰，适用于水文、气象等非正态分布的数据。在运用M-K检验进行趋势分析时，需构建统计变量S，其计算如下：

(1)

式中，xi为时间序列构成的分析样本；sgn是符号函数；S为统计量，在给定的α置信水平上，当Z≥Zα/2时，说明时间序列上升的趋势较为显著；当Z<-Zα/2时，说明时间序列下降的趋势较为显著。相反，则表明该时间序列变化趋势不显著。

在检验序列的突变点时，则需构造另一秩序列：

(2)

式中，UFk服从标准正态分布；Sk是第i时刻数值大于序列内其他数值的总个数，其表达式为：

(3)

式中，ri的取值为0或1。

把此方法引用到反序列中，计算得到另一条曲线UBk，则两条曲线在置信区间内的交点确定为突变点。

(2)检验结果

趋势检验结果显示，总体而言年均流量和年倒灌量的年际变化均未通过95%置信度检验(上临界线和下临界线之间，未能持续突破临界线)，表明年均流量和年倒灌量均未出现显著的变化，如图6和图7所示。但从图7可见，1990～2015年间，鄱阳湖的倒灌量经历了1990～2002年的下降期和2003～2009年的上升期，2009年后基本无显著变化趋势。

图6 湖口站年均流量M⁃K趋势检验结果图

3 结 论

(1)较1990～2002年三峡工程运行前，三峡工程运行初期(2003～2008年)年均倒灌天数和年均总倒灌量均有明显的增加，而三峡水库175m试验性蓄水(2009年)以来年均倒灌天数和年均总倒灌量均显著减小。

图7 湖口站年倒灌量M⁃K趋势检验结果图

(2)年际变化方面，倒灌和非倒灌年份交替出现，但2002～2009年期间倒灌发生的频率最高，仅2006年未发生倒灌，其余7年均出现了倒灌。年内分布方面，长江倒灌鄱阳湖现象主要发生在7～11月，较三峡工程运行前的1990～2002年，三峡工程运行后7月、10月、11月最大倒灌流量均出现了较为明显的减少，而8月和9月则出现了较大的增幅。

(3)M-K趋势检验结果表明，年均流量和年倒灌量均未出现显著的变化。但1990～2015年间，鄱阳湖的倒灌量经历了1990～2002年的下降期和2003～2009年的上升期，2009年后基本无显著的变化趋势。

[1] 江西省水文局. 鄱阳湖生态水利枢纽工程水文分析论证报告[R]. 南昌: 江西省水文局, 2008.

[2] 许继军, 陈 进. 三峡水库运行对鄱阳湖影响及对策研究[J]. 水利学报, 2013, 44( 7) : 757-763.

[3] 李世勤, 闵 骞, 谭国良，等. 鄱阳湖2006年枯水特征及其成因研究[J]. 水文, 2008, 28(6): 73-76.

[4] 郭 华, 张 奇. 近50 年来长江与鄱阳湖水文相互作用的变化[J]. 地理学报, 2011, 66( 5) : 609-618.

[5] 王 鹏, 赖格英, 等. 鄱阳湖水利枢纽工程对湖泊水位变化影响的模拟[J]. 湖泊科学, 2014, 26( 1) : 29-36.

[6] Mann H B. Non-parametric tests against trend[J]. Econometrica , 1945, 13(2): 245-259.

[7] D.R.Mahajan, B.M.Dodamani. Trend Analysis of Drought Events Over Upper Krishna Basin in Maharashtra [J]. Aquatic Procedia, 2015(04): 1250-1257.

Comparative Analysis of Back-flow Characteristics of Poyang Lake before and after Operation of Three Gorges Project

WANG Xue1，ZHAO Xue-feng2，ZHAO Xue-jun2

(1. Changjiang Water Resources Commission, Wuhan 430010, China； 2. Hanjiang River water resources survey Bureau, Xiangyang 441021, China)

By using statistical analysis and trend analysis methods, comparative analysis of the back-flow characteristics of Poyang Lake before and after the operation of the Three Gorges Project has been made. The results indicate that: 1.The annual days and annual total amount of the back-flow in the period from 2003 to 2008(at beginning of operation) were significantly increased by comparison with the period from1990 to 2002(before the operation of Three Gorges Project) , while both was significantly decreased since the 175m trial impounding of Three Gorges Project in 2009; 2. In inter-annual variation, the period from 2002 to 2009 had the highest frequency of back-flow; in annual distribution variation, the maximum back-flow in July, October and November obviously decreased after the operation of Three Gorges Project, while obviously increased in August and September; 3. The results of M-K trend test indicate that the average annual flow and annual amount of back-flow has no significant change.

Three Gorges Project; Poyang Lake; backflow; M-K test

2016-12-07

长江水利委员会长江科学院开放研究基金(CKWV2016368/KY)项目资助。

王 雪(1985-)，女，武汉人，工程师，硕士，主要从事水文及水资源方面的研究。

P332.4

A

1673-0496(2017)01-0009-04

10.14079/j.cnki.cn42-1745/tv.2017.01.003