洪泽湖水位变化特征分析

胡 军 梅海鹏 刘 猛

一、材料与方法

1.研究区域概况

洪泽湖位于江苏省西北部淮安市境内，是我国五大淡水湖之一，也是淮河流域最大的调蓄湖泊。洪泽湖汇水面积为15.8 万km2，入湖水系有淮河、新汴河、池河、怀洪新河、濉河、老濉河和徐洪河，其中淮河干流为最大的入湖河流，入湖水量占总入湖径流量的70%以上，是洪泽湖水量的主要补给源。出湖水系有淮河入江水道、淮沭新河和灌溉总渠。

洪泽湖位于南方和北方的过渡区，降水的时空分布不均，降水一般集中在汛期5～9月份，年内最大和最小月降水量差距大。洪泽湖多年平均降水量为942.9mm，其中汛期5～9月多年平均降水量为668.1mm，占年均降水量的70.9%；非汛期多年平均降雨量274.8mm，占年平均雨量的29.1%。

2.数据来源

洪泽湖有蒋坝、高良涧、尚咀和老子山4 个主要的水位站点，各个站点水位变化具有相似的趋势，均能在一定程度上反映洪泽湖的水位变化情况，而蒋坝站相较其他站点更具有代表性，可以较为全面地反映整个湖区的水位变化情况。因此，本文选取蒋坝水位站监测的水位数据对1957～2016年的洪泽湖水位变化特征进行分析。

3.研究方法

本文利用Mann-Kendall 突变检验和Morlet 连续复小波变化对洪泽湖年均水位变化进行周期分析，研究近60年洪泽湖水位的突变情况，识别洪泽湖年均水位序列周期性变化特征，揭示洪泽湖水位变化周期规律。

（1）Mann-Kendall 突变检验法

Mann-Kendall 突变检测常用来检测要素突变。这种检测方法分为以下步骤：①通过计算得到正序列统计量UFk 和逆序列统计量UBk；②绘制正逆序列统计量曲线；③根据正逆序列统计曲线交点位置，判断是否产生突变，确定发生突变的时间点。具体操作如下：

对于时间序列X1，X2，X3，…，Xn，M-K 检验的秩序列可表示为：

在时间数据序列随机且独立的假定条件下，定义正序列统计量UFk：

将时间数据序列Xn逆序排列，重复上述检验过程并将最终结果变为其相反数，得到序列UBk，如果UFk 和UBk 两条曲线相交，即UFk=UBk，且交叉点位于置信区间内，则改点k 即为可能突变点。

（2）小波分析

小波分析是基于信号时频局部分析的一种方法，具有多时频分辨率功能，广泛应用在气象和水文要素长系列的周期性特征研究方面。湖面水位波动具有连续但不平稳的特点，且包含了多时间尺度特征，通过小波分析能较好地识别洪泽湖水位变化的周期性特征。本研究选取Morlet 连续复小波函数，具体操作如下：

二、结果与分析

1.水位年际变化

在1957～2016年间，洪泽湖逐年平均水位在11.32～13.48m 间呈波动性变化，多年平均水位呈阶段性变化，洪泽湖年均水位总体表现为上升趋势，上升速率分别为0.014m/a。在2003年出现年平均水位峰值为13.30m；年平均最低水位出现在1966年，为11.32m。洪泽湖多年平均最高水位平均值13.16m，年最高水位变化范围为12.36～13.86m，其 中2003年 为 最 高，1964年为最低；年最低水位变化范围为9.73～12.77m，多年平均值11.79m，其中以2008年为最高，1966年为最低；年内水位变幅为0.45～2.94m，年内水位变幅均值为1.38m，年内水位变幅以2001年最高，1972年最低；年际水位变幅最大值为4.14m，为2003年的年最高水位与1966年的年最低水之差。1957～2016年来最高月均水位与最低月均水位均呈上升趋势，上升速率分别为0.012m/a 和0.011m/a。

图1 洪泽湖水位变化图

图2 洪泽湖水位年内变化图

图3 洪泽湖年均水位Mann-Kendall 统计量图

1957～2016年洪泽湖水位变化特点呈三类：区间波动、明显下降和明显上升。区间波动时间段为1957～1965年、1969～1977年、1980～1998年、1999～2001年 和2013～2016年5 个 时间段；明显下降时间段为1965～1966年、1977～1978年 和1998～1999年；明 显 上 升 时 间 段 为1966～1969年、1978～1980年 和2001～2003年3 个 时间段。

2.水位年内变化

1957～2016年间洪泽湖月均水位年内呈单谷变化如图2所示。1～4月洪泽湖水位在12.72～12.76m 之间波动变化，4～6月洪泽湖水位迅速跌落，6月份平均水位达到最低12.14m，总体原因是春季灌溉用水量大，并且在夏季汛期到来之初开闸放水，保持较低水位使洪泽湖在汛期能够加大储水量，增强防洪能力。随着上游流域降水，入湖水量增加，淮河进入主汛期，6～8月洪泽湖水位迅速上涨，汛期高峰一般出现在8月。随着流域降水和入湖水量的减少，洪泽湖水位上涨趋势逐渐平缓，8～12月水位缓慢上涨。因此将洪泽湖水位年内变化分为三个时间段：12～4月丰水期、5～6月退水期、7～11月涨水期，可以看出洪泽湖退水期的下降速率快于涨水期的上升速率，而且在涨水期中，8月份之前的涨水速率明显大于8月份之后的涨水速率，湖泊水位在不同水文季节的变化机理存在差异性。

3.水位突变

由Mann-Kendall 法突变检验正序列统计量UFk 见图3，洪泽湖年均水位在1957～1982年呈波动变化，在1957～1961年后呈上升趋势，1962～1970年呈下降趋势，但在1970年以后又呈上升趋势，且UFk 和UBk在1983年存在唯一交点，位于95%置信区间内，而且在1985年后UFk曲线超过95%置信区间，说明1983年高良涧站水位在变化过程中发生了突变，1985年后水位呈显著上升趋势。这与1983年洪泽湖实施抬高蓄水位相关工程有关。

4.水位变化周期

在对洪泽湖水位年际、年内变化特征分析的基础上，利用Morlet 小波方法进一步揭示洪泽湖水位历年年均水位的周期性特征。

根据小波分析，洪泽湖历年水位存在6～13年和14～32年这2 类 时间尺度的周期变化规律较为明显。其中6～13年尺度上出现了丰枯交替的9 次震荡，在14～32年尺度上出现了丰枯交替的准4 次震荡，而在14～22年和23～32年尺度的周期变化分别在1980年和1986年以后表现较为稳定，出现了2 次和3 次丰枯交替周期。

三、结论

1957～2016年间洪泽湖年均水位存在5 个波动区间，3 个明显下降和3个明显上升阶段，但近60年洪泽湖年均水位、月最高、最低水位均呈上升趋势。洪泽湖年内水位变化呈单谷型，年内水位变化分12～4月丰水期、5～6月退水期、7～11月涨水期三个时段，洪泽湖退水期的下降速率快于涨水期的上升速率，涨水期8月份之前涨水速率最大，洪泽湖水位在不同水文季节的变化机理存在差异性。

利用Mann-Kendall 突变检测发现，1983年为洪泽湖水位的突变点，突变后的洪泽湖年均水位呈显著上升趋势，这与1983年洪泽湖蓄水位抬升相关工程实施有关。

利用小波分析发现，洪泽湖历年年均水位存在着6～13年和14～32年这两类尺度的周期变化特征。其中14～32年尺度中存在分别在1980年和1986年后变化比较稳定的14～22年和23～32年尺度周期■