鄱阳湖洪水要素演变特征分析

甘志君，刘章君，许新发*，张 珂

（1.江西省水利科学院，江西 南昌，330029；2.河海大学水文水资源学院，江苏 南京，210098）

0 引言

洪涝灾害是中国造成损失最严重的自然灾害[1]。20世纪八九十年代以来，鄱阳湖遭受了多次严重程度不同洪涝灾害，1998年大洪水因灾直接损失376.8亿元，2020年鄱阳湖洪涝灾害共导致673.3万人受灾，造成直接经济损失313.3亿元[2]。许多学者就鄱阳湖洪水进行了研究，闵骞等[3，4]对鄱阳湖流域洪水灾害进行研究，分析了近600多年洪水的特征规律以及20世纪90年代洪水频繁发生的成因。魏博文等[5]构建了适应鄱阳湖流域洪灾系统模型，对鄱阳湖流域进行了洪水风险分析研究，并指出自然因素是导致洪涝灾害发生的最根本驱动因素。叶许春等[6]对鄱阳湖流域五河水系的天然径流系列进行研究，表明五河来水是影响鄱阳湖洪水的重要因素，气候因素又是引起径流改变的主导因素。郭华等[7]用水量和能量平衡的关系解释和印证了鄱阳湖流域的气候和水文变化特征，揭示了其成因以及干旱洪涝灾害发生的规律。刘剑宇等[8]分析了鄱阳湖流域洪水量级、频率和发生时间的变化特征，得出洪水的年内变化趋势以及低频气候因子对于洪水变化有影响的结论。大部分研究主要对鄱阳湖洪水特征、规律变化以及成因等进行研究分析，并且针对鄱阳湖流域相关的趋势和突变分析，主要也是集中在利用水位变化分析鄱阳湖枯水水位降低以及水位演变特征[9～12]，然而，对于鄱阳湖洪水要素演变特征变化的研究分析尚不多见。因此，进一步了解和掌握鄱阳湖的洪水变化特征，研究导致鄱阳湖洪水发生变化的气候因素和人类活动影响，对鄱阳湖区域的防洪减灾有一定的参考价值。

1 研究区域和资料选取

1.1 研究区域

鄱阳湖作为中国最大的淡水湖和重要湿地，连接长江，具有重要的洪水调蓄作用，为长江流域一个重要的过水性、吞吐型和季节性浅水湖泊，纳赣江、抚河、信江、饶河和修水五大水系以及博阳河、东河和西河诸河来水，经由湖口汇入长江干流。鄱阳湖地处江西省的北部，长江中下游南岸。地理位置为 113°24′36″～118°28′58″E、24°29′14″～30°04′41″N 之间。

在正常的水位情况下鄱阳湖面积有3 914km2，容积达300亿m3，丰水期时最大面积达4 600km2[13]。鄱阳湖属亚热带湿润性季风型气候，夏季炎热潮湿，冬季干燥寒冷，冬季甚少出现霜冻。降水量年际年内分配不均，降水集中在4～7月，但多年平均年降水量约为1 500mm。鄱阳湖洪水遭受长江顶托影响，长江中上游流域集中降水期较鄱阳湖流域偏晚1～2个月，五河洪水进入鄱阳湖后，引发洪水，若长江中上游出现洪水，流经湖口将对鄱阳湖洪水产生顶托作用，使得湖区洪水水位进一步抬升，出现最高水位，随着长江的退水，顶托作用减弱，鄱阳湖洪水衰退，水位下降。

1.2 资料选取

鄱阳湖有几个关键水文站包括星子、湖口、都昌、康山和棠萌等，各水文站之间水文节律特征相似，可从多方面代表鄱阳湖湖区的水情变化，星子站是反映鄱阳湖水文情况的主要特征站，鄱阳湖全年水位表现为“枯水一线，洪水一片”，能较为全面地反映主湖区的水情变化[12，14，15]，且经对鄱阳湖星子站和湖口站洪水水位进行线性相关分析，相关性系数高达0.99，两站之间水位关系密切。因此，本文选用星子站的水位资料对鄱阳湖洪水要素演变特征进行分析。为了准确地描述鄱阳湖洪水要素演变特征，本文从量级和时间上选取数据资料，基于1951-2020年鄱阳湖星子站逐日水位资料，提取年最高水位、年最高水位发生时间以及全年超警戒水位持续时间。洪水预警是防汛的基本依据，洪水持续时间的长短将影响堤防的安全情况，洪水水位持续不降，将加大堤防的防汛压力。因此，本文依据警戒水位（19.00m）对鄱阳湖超警戒水位持续时间进行分析。

2 研究方法

本文利用线性回归分析法和Mann-Kendall趋势检验法研究鄱阳湖洪水的变化趋势；利用Pettitt突变点检验法研究近70年鄱阳湖洪水的突变情况。

2.1 线性回归分析法

线性回归分析法可以用来研究分析气候或者水文要素的变化趋势；线性回归分析法将Y设为因变量，时间t为自变量，建立一元回归方程

式中：b为线性趋势系数；a为线性趋势直线的截距。若b＞0，则表示该水文序列存在增加的趋势；b＜0，则表示存在下降的趋势。

2.2 Mann-Kendall趋势检验法

Mann-Kendall趋势检验法可用于水文与气象要素变化趋势分析，是一种非参数检验方法，其优点是研究样本不需要服从正态分布，不受少数样本异常值的干扰，通过标准的正态统计量Z值来判断要素变化趋势以及其显著性。

对于某一时间数据序列X1、X2……Xn，趋势检验统计变量检验公式如下：

如果统计变量Z＞0，表明是上升（或增加）趋势，若Z＜0，则表明是下降（或减少）趋势。在给定的α置信水平上，如果，说明变化趋势在α置信水平上是显著的，即，1.96，2.32时分别表示通过置信度为90%、95%、99%的显著性检验；相反，则变化趋势不显著。

2.3 Pettitt突变点检验法

Pettitt突变点检验法是Pettitt提出的一种非参数突变点检验方法，其计算简便且受少数异常值干扰较小，可用于研究水文和气象要素的突变。

对于一个水文时间序列x1、x2……xn，假设序列中突变点最有可能发生在t时刻，因此，以t为分割点，将样本序列分为 x1、x2……xt和 xt+1、xt+2……xn两部分，分别服从分布，Pettitt检验即在显著性水平下，检验是否为同一分布。计算统计量

于是得到可能突变点位置t对应的统计量

突变点的显著性水平为

原假设为实测样本序列无突变，当pt＞α（0.05）时，则接受原假设，认为序列在位置t处不存在显著的突变点；当 pt＜α（0.05）时，则拒绝原假设，认为序列在位置 t处存在显著的突变点。

3 结果与讨论

3.1 水位年内年际特征

3.1.1 年内水位特征

如图1所示，鄱阳湖星子水文站水位在年内分布呈现单峰型，1月至7月份水位逐渐上升，该时期为涨水期，其中2～6月的历年最高平均水位上涨较快，3～7月的历年平均水位上涨较快，涨水期来水可能受五河流域以及长江三峡调蓄预泄影响。高水位期主要集中在5～9月份，年最高水位多年平均值为19.15m，主要出现在5～9月份，其中出现最多月份为7月份，占54.9%，而鄱阳湖湖区洪水主要发生在该时间段内。8月～次年1月份水位逐渐下降，该时期为退水期，其中7月至9月，因为长江进入主汛期，径流增大水位增高，受长江的顶托作用和倒灌的影响，鄱阳湖水位下降较缓，这也是导致鄱阳湖湖区洪涝灾害频繁发生的原因之一，9月至次年1月水位下降较快。

图1 近70年鄱阳湖星子站各月水位变化特征

3.1.2 年际水位特征

根据数据资料分析，从图2可以看出1951-2020年年最高水位年际波动较大，存在显著的年际变化差异，多年最高水位的平均值为19.17m，最高值为22.63m（2020年），最低值为 16.00m（1972年），变幅为6.63m。鄱阳湖多年年最高水位曲线波动幅度大，趋势不明显，但鄱阳湖年最高水位大致呈现出“上升-下降-上升”的变化趋势：2000年以前水位波动很大，整体上呈现出上升的趋势，2000年以后，鄱阳湖年最高水位表现出连续枯水年的现象之后逐步上升的趋势，其中2006年鄱阳湖年最高水位降到最低16.73m，2020年又创历史新高为22.63m，变幅为5.90m，造成该现象的主要原因可能是气候变化的影响，其次是湖盆形态的变化以及三峡水利枢纽对于长江洪水的调蓄。

图2 星子站年最高水位序列及线性趋势

3.2 趋势结果分析

3.2.1 年最高水位

为了更加科学准确了解鄱阳湖星子站最高水位的整体趋势以及各年代的趋势和鄱阳湖洪水水情演变特征，对近70年资料分年代进行分析。利用年最高水位距平对鄱阳湖洪水水情演变进行分析，多年最高水位距平是相对整个分析时期（1951-2020年）平均值的差值。如图3所示，1951-1970年呈现为较枯年份，其中年最高水位的负距平出现13次，1971-1990年呈现为平水年份，20世纪90年代以前距平正负差值为0.72，说明该时期年最高水位波动较小，1991-2000年处于历史最丰水时期，其中年最高水位的正距平出现9次，20世纪末到21世纪初期出现明显转折，由丰水年转为枯水年，2001-2010年年最高水位负距平出现7次，2011-2020年回调为平水年，说明20世纪90年代至21世纪20年代，年最高水位波动较大。

对鄱阳湖年最高水位数据进行趋势分析，如图2所示，鄱阳湖近70年的年最高水位趋势（R2=0.0373），未通过置信水平为95%的显著性检验。同时运用Mann-Kendall趋势检验法对其进行分析，得出Z值为1.082 1，未通过置信水平为95%的显著性检验。两种方法都表明近70年来，鄱阳湖最高水位整体上呈现上升的趋势，但趋势并不明显。

对鄱阳湖年最高水位变化趋势进行局部分析：运用线性回归分析法和Mann-Kendall趋势检验法进行分析，依据年最高水位的年际变化特征将1951-2020年的最高水位变化以2000年为界进行趋势分析，由图4可以得出20世纪50年代至90年代末呈现出上升的趋势（R2=0.197 3），且通过置信水平为95%和99%的显著性检验，得出Z值为3.232 4，通过置信水平为95%和99%的显著性检验；21世纪初开始呈现出上升趋势（R2=0.210 7），通过置信水平为95%的显著性检验，得出Z值为2.433 3，通过置信水平为95%和99%的显著性检验，表明年最高水位在2000年前后都存在显著趋势，同时表明鄱阳湖洪水要素在2000年前后发生了较大转折。

图3 星子站年最高水位序列年代距平图

3.2.2 年最高水位出现时间

数据资料显示：鄱阳湖星子站年最高水位最迟出现时间为1952年10月1日，最早出现时间为1951年5月7号，相邻两年发生，年最高水位出现时间间隔为512d。如表1所示，鄱阳湖年最高水位出现时间多年平均为7月17日，2000年以后年最高水位出现时间变幅较大，其中2001-2010年的年最高水位出现时间相较近70年最高水位平均出现时间推迟14d，然而，2011-2020年的年最高水位出现时间相较之下，则提前5d。

表1 1951-2020年星子水文站年最高水位出现时间多年变化统计

如图4所示，鄱阳湖湖区年最高水位出现时间年际变化呈现波动状态，提前出现时间在-2d至-9d之间，推迟出现时间在1d至14d之间，波动幅度较大。2000年以前波动幅度较小，2001年至2010年，出现较大波动，推迟14d，可能与气候变化和三峡水库的建成有关，即21世纪初极端少雨事件增多和三峡水库的蓄水削洪。

对鄱阳湖年最高水位出现时间进行趋势分析，如图5所示，鄱阳湖星子站1951-2020年最高水位出现时间总体上呈现推迟趋势（R2=0.015），但未通过置信水平为95%的显著性检验，且运用Mann-Kendall趋势检验法对其进行分析，得出Z值为1.022 5，未通过置信水平为90%的显著性检验，表明年最高水位出现时间不存在显著趋势。

图4 年最高水位出现时间距平图

图5 鄱阳湖年最高水位出现时间多年变化曲线

3.2.3 超警戒水位持续时间

高洪水位的持续时间越长，所造成的危害越大。鄱阳湖多年平均超警戒水位持续时间约为16d，最大为125d（1954年），近70年中，有38年鄱阳湖水位超过警戒水位线。如表2所示，鄱阳湖超警戒水位持续时间20世纪90年代以前处于70年平均值及其往下，1991-2000年年平均持续时间为37d，表明1991年至2000年每年平均有37d水位处于超警戒水位状态，而2001年至2010年只有8d，2011年至2020年则处于70a平均值的16d。

表2 1951-2020年星子水文站超警戒水位持续时间多年变化统计

绘制1951-2020年鄱阳湖超警戒水位持续时间不同时段正负距平图，如图6所示，1991-2000年处于历史最丰水时期，其中超警戒水位持续时间的正距平出现8次，1961-1970年和2001-2010年为枯水年，其余年份为平水年，20世纪90年代以前，超警戒水位年平均持续时间波动幅度不大，在-6d至0d之间，而1991-2020年波动幅度较大，在-8d至21d之间，2000年前后出现较大转折。

图6 超警戒水位持续时间距平图

对鄱阳湖多年超警戒水位持续时间进行趋势分析，如图7所示，鄱阳湖多年超警戒水位持续时间总体上呈现上升的趋势（R2=0.006 3），未通过置信水平为95%的显著性检验，但是，运用Mann-Kendall趋势检验法对其进行分析，得出Z值为1.444 4，通过置信水平为90%的显著性检验，Mann-Kendall趋势检验法不受少数样本异常值的干扰，即1954年大洪水，结果更为合理，表明鄱阳湖多年超警戒水位持续时间呈现显著性上升。

图7 鄱阳湖多年超警戒水位持续时间曲线

为了更为客观地反应洪水位高低和洪水历时长短的综合效应，引入洪水危险系数，即为年最高水位和水位历时的加权和，具体公式可参考文献，其中参数参考已有研究[16，17]。如图8所示，鄱阳湖洪水危险系数自20世纪50年代以来，呈现出明显的波动上升趋势，20世纪90年代末达到最大值，1998年最大为0.83，超过了1954年的0.79。自21世纪以来，危险系数随年最高水位的变化而变化，21世纪初期较低，2010年后开始逐步呈现上升趋势，并且2020年危险系数达到0.71。

图8 鄱阳湖洪水危险系数变化过程

3.3 突变结果分析

为了探究鄱阳湖洪水要素的突变情况，对年最高水位、年最高水位出现时间以及超警戒水位持续时间进行Pettitt突变分析，其结果见表3。

表3 星子站水文要素Pettitt突变检验结果

表3显示，年最高水位、年最高水位出现时间以及超警戒水位持续时间均未通过置信水平为95%的显著性检验，表明年最高水位、年最高水位出现时间以及超警戒水位持续时间三个序列值不存在显著突变。

3.4 水文要素变化原因分析

气候变化和人类活动是影响洪水要素的主要原因，科学分析这两个因素对鄱阳湖洪水的影响有助于理解鄱阳湖洪水要素趋势和突变情况。

3.4.1 气候变化

鄱阳湖湖区洪水要素变化所受到的气候因素影响为降水，不同地区的降水也将不同程度影响鄱阳湖洪水要素变化，鄱阳湖流域降水和长江中上游降水形成径流流入湖区或顶托出流，影响着鄱阳湖的水位。

鄱阳湖流域径流为鄱阳湖的主要来水，近几十年来，鄱阳湖流域汛期大雨和暴雨日数增加，汛期降水比例增加[18]，使得鄱阳湖年最高水位总体上呈现增加趋势。汛期降水强度也有所增加，特别是20世纪90年代，平均强度为62.0mm/d，并且20世纪90年代和21世纪10年代为强降水事件发生频率最高的几十年[18]，因此，鄱阳湖20世纪90年代年最高水位多年偏高以及超警戒水位持续时间相比平均值高出24d。21世纪初鄱阳湖处于枯水期，但是五河径流入湖流量从2006年开始呈现逐渐增加趋势[19]，并且近10年，鄱阳湖洪水多次发生，2010年、2016年、2017年、2019年和2020年都是超过五年一遇的洪水甚至出现超历史大洪水，这些都说明近十几年鄱阳湖年最高水位呈现上升趋势。

长江中上游流域气候变化将导致长江干流径流量的变化，进一步影响鄱阳湖湖区水位时空演变情况。长江干流水位上升将会对鄱阳湖产生倒灌和顶托作用，对鄱阳湖产生的倒灌和顶托作用主要发生在长江流域汛期[20]，长江中上游地区降水量的改变将会导致长江干流径流量的变化，进一步影响鄱阳湖水位；有研究表明长江中下游较上游地区极端降水事件以及极端降水量显著增加，总降水量也有所增加但趋势不明显[21，22]，不同阶段降水量的大小也有所不同；长江流域20世纪60年代至70年代极端少雨事件较多，20世纪80年代至90年代中下游极端多雨事件为主，进入21世纪以来，还是以极端少雨事件为主[23]，但近几年，长江流域降水量有明显增加趋势[24]，长江流域降水变化与鄱阳湖洪水水位变化具有一定的对应关系，年最高水位总体上呈现上升趋势但不显著，20世纪50年代至90年代呈现显著上升趋势，进入21世纪初期年最高水位较低，但近几年洪水灾害频繁发生，高水位有所上升，并且自2000年以来，鄱阳湖年最高水位呈现显著上升趋势，说明鄱阳湖洪水要素演变情况将会有所改变。

3.4.2 人类活动

近20年，人类活动对于鄱阳湖洪水的影响逐渐增大[25]，长江中上游水库群的建立以及湖盆地形的改变都对鄱阳湖洪水具有一定的影响。三峡水库的建设改变了长江干流径流量变化，导致长江与鄱阳湖的关系改变，其实2000年以后长江与鄱阳湖的水文关系就已经发生了一些变化，主要表现为对鄱阳湖的顶托作用减弱[26]，三峡水库汛期（6月～9月）对长江流域洪水的拦洪削峰作用[27]，为鄱阳湖减轻蓄洪压力，鄱阳湖年最高水位出现时间一般处于7月，因此，三峡对于鄱阳湖高水位有一定的消减作用。

湖盆地形的改变对于鄱阳湖洪水影响主要体现在湖盆的淤积冲刷，2000年以前鄱阳湖呈现淤积状态，2000年以后鄱阳湖呈现冲刷状态[28]。鄱阳湖泥沙来源主要是五河入湖径流所携带，同时1957-1980年受“围湖造田”和水利工程建设的影响，鄱阳湖入湖沙量和湖区沉积量都较大[29]，由于人类的植树造林和水土保持工作，使得赣江流域从20世纪80年代就表现为减少趋势，其他四个流域21世纪初开始减少[30]，但是鄱阳湖湖盆地形在1980-1998年期间还是呈现淤积状态[31]，之后鄱阳湖湖区的大量采砂活动以及长江干流枯水期水位下降速度加快，鄱阳湖入湖口冲刷严重[29]，使得鄱阳湖近20年呈现冲刷状态，这些都使得鄱阳湖水位有所降低。因此，湖盆地形的改变对于鄱阳湖洪水要素演变具有一定的影响力。

结合气候变化和人类活动对于鄱阳湖洪水要素的影响可知：近20年，鄱阳湖流域以及长江流域降水由21世纪初期的枯水期转变为近10年的平水期，同时极端降水事件也有所增加。然而，人类活动对于鄱阳湖洪水要素的影响表现为减弱状态，即长江中上游水库群的建立以及湖盆地形的改变都使得鄱阳湖年最高水位有所降低。因此，鄱阳湖年最高水位和超警戒水位持续时间的上升主要还是受到气候变化的影响，人类活动对于鄱阳湖的影响并不能起到关键作用。

4 结论

本文通过线性回归分析法和Mann-Kendall趋势检验法分析了鄱阳湖洪水要素的趋势变化，通过Pettitt突变分析了鄱阳湖洪水要素的突变以及结合气候变化和人类活动对鄱阳湖洪水要素演变情况进行了原因分析发现：

（1）1951-2020年年最高水位总体上呈现上升趋势，但未检验出明显趋势，其中近20年具有明显上升趋势；年最高水位出现时间未检验出明显趋势；超警戒水位持续时间线性回归分析法未检验出明显趋势，但Mann-Kendall趋势检验法检验出具有明显增加趋势。鄱阳湖洪水危险系数与年最高水位和超警历时变化相契合，近几年鄱阳湖洪水危险程度有上升态势。

（2）年最高水位、年最高水位出现时间以及超警戒水位持续时间均未出现明显突变点。

（3）气候变化和人类活动对鄱阳湖洪水要素变化都有一定的影响，但是气候变化在鄱阳湖湖区洪水要素演变上占主导地位，人类活动对于鄱阳湖水位的影响相对较小。