水利工程群对洞庭湖城陵矶特征水位的综合影响

钟小敏，帅 红，李景保，李煜连，王雨欣，张憬怡

(1.湖南师范大学 地理科学学院,湖南 长沙410081;2.湖南师范大学 地理空间大数据挖掘与应用湖南省重点实验室,湖南 长沙 410081)

1 研究背景

近数十年来，长江中上游、湖南“四水”修建了众多大型水库，在水利工程群的共同影响下，洞庭湖水文情势发生了巨大变化[1-5]。特别是2003年三峡水库蓄水以来，其强大的调节作用改变了长江中下游天然的水文循环和泥沙输移过程[6-10]，使洞庭湖与长江的关系进入了一个新的调整阶段。城陵矶作为扼守洞庭湖的出口，其水位变化是反映江湖关系演变的重要标志[11]，因此，剖析其在水利工程群影响下的水情时序变化具有重要意义。近数十年来，国内学者从不同角度就水利工程影响下城陵矶水位变化做了较多研究[12-15]，其中，20世纪80年代以来，有许多学者对水利工程运行下的城陵矶水位进行了探讨[16-19]。进入21世纪以来，有许多学者对三峡水库影响下的城陵矶水位展开了研究[20-28]，其中，周蕾等[29]、肖潇等[30]研究了城陵矶平均水位的演变特征。然而这些研究的时间尺度不够长，或单一分析长江干流一个或多个水利工程运行导致的变化，没有考虑到城陵矶特征水位受到湖南“四水”和长江水利工程群的综合影响。

鉴于此，本文从长时间尺度角度出发分析了长江干流和湖南“四水”水利工程群影响下的洞庭湖湖口城陵矶特征水位的时序演变特征，以期为优化该水利工程群运行方案、制定江湖地区防洪抗旱应急预案以及设计标准化防洪抗旱工程提供理论参考。

2 数据来源与研究方法

2.1 研究区概况

洞庭湖为我国第二大淡水湖，位于湖南省北部、长江荆江段南岸，东南部汇集了湘、资、沅、澧4条江河(简称“四水”)及环湖中小河流来水，北接松滋、太平、藕池三口(调弦口于1958年冬封堵)来水来沙，经洞庭湖调蓄后，由湖口城陵矶泄入长江[15]。因此，城陵矶特征水位既受到长江上游水库群的影响，又受到湖南“四水”水库群的影响。洞庭湖及长江干流主要水文控制站分布见图1。

2.2 数据来源

为揭示水利工程群对城陵矶特征水位的影响，选用1956-2020年城陵矶站水文数据作为分析的基础数据，该数据来源于长江水利委员会(http://www.cjw.gov.cn/)、湖南省水利水电勘测设计研究总院(http://www.hhpdi.com/)、湖北省水利厅(http://slt.hubei.gov.cn/)以及湖南省水情日报表。水利工程数据来自《水利统计公报》《水利部公报》《湖南省水库名录》以及中国水利工程数据库等。长江流域中上游和“四水”流域主要水利工程见表1。

图1 洞庭湖及长江干流主要水文控制站分布

2.3 研究方法

本文采用Mann-Kendall趋势和突变检验法[31-34]分析城陵矶特征水位的时序演变特征，运用相关分析法和线性趋势法来分析各时段的水位变化。同时，按照国家水利部信息中心水文预报规范及径流丰枯状况的划分标准，对水库群运行前后的典型年进行界定[26]，即：

(1)

式中：P为径流距平百分比，P>20%为丰水年；-10%≤P≤10%为平水年；P<-20%为枯水年。

3 结果与分析

一般而言，水库蓄水后，汛期调洪削峰，对最高水位产生影响；汛末蓄水，对9-10月水位产生影响；枯水期补水调度，对枯水期平均水位和最低水位产生影响。为便于分析多时间尺度下城陵矶特征水位演变规律，分别对1956-2020年城陵矶的年均水位、年最高水位、年最低水位、汛末水位(9-10月)以及枯水期水位(12月-次年3月)进行Mann-Kendall秩次相关检验，取可信度α=0.05，其对应的M临界值为1.96，若∣M∣>1.96，表示序列的趋势显著。5个水位序列的统计量M变化趋势见图2。

表1 长江流域中上游和“四水”流域主要水利工程

图2 1956-2020年城陵矶特征水位序列M-K检验统计值变化趋势

由图2可知，城陵矶年均水位、年最高水位、年最低水位以及枯季水位均发生显著变化，汛末水位呈不显著上升趋势。其中，年均水位自1965年起发生显著变化，1980年后呈稳定的显著上升趋势，2003年后上升趋势有所减缓；年最高水位自1988年起发生显著变化；年最低水位自1968年起发生显著变化；枯季水位自1967年起发生显著变化，1980年后呈稳定的显著上升趋势。考虑到柘溪水库(总库容为35.65×108m3)1963年全面投产，而城陵矶平均水位在1965年发生显著变化，表明城陵矶平均水位可能受到了柘溪水库调蓄的影响。因此，以1963年为分界点，将1956-1962年城陵矶水位序列作为水库建设前的天然水位，1963-2020年水位序列作为水利工程群建设后的来水序列。1963-1972年下荆江系统裁弯期除年最高水位外，其余4个水位序列的统计值M在1.96上下波动，情况复杂，故将1963-1972年作为一个单独时间段分析。1980年后平均水位和枯季水位呈稳定的显著上升趋势，2003年后平均水位的显著上升趋势有所减缓，而1981年1月葛洲坝开始截流，2003年长江中上游最大的水库——三峡水库开始试验性蓄水，这两个水库对城陵矶水位产生了明显影响[19,26]，故将1973-1980、1981-2002及2003-2020年分别作为单独的时间段来分析。据此，将1956-2020年的水文序列划分为5个时段，即第1时段1956-1962年(基准期)、第2时段1963-1972年(下荆江系统裁弯期)、第3时段1973-1980年(下荆江裁弯后至葛洲坝截流前)、第4时段1981-2002年(葛洲坝截流后)、第5时段2003-2020年(三峡水库蓄水后)。

3.1 水利工程群运行下城陵矶特征水位时序变化

由于城陵矶处于江湖交汇区，其水情具有随机性和不确定性，本文从长时间尺度对比分析城陵矶特征水位的变化规律，尤其是三峡工程运行后特征水位的变化特点。

3.1.1 水利工程群运行下城陵矶年特征水位变化规律 将1956-2020年城陵矶的年均水位、年最高水位和年最低水位以年份为自变量进行线性拟合，结果如表2所示。

表2 1956-2020年城陵矶年特征水位线性拟合结果

由表2可知，城陵矶年均水位、年最低水位上升趋势明显。1956-2020年年均水位、年最高水位和年最低水位均值分别为24.78、30.54和19.86 m，波动范围分别为22.93～26.83、26.91～35.44、17.56～21.38 m，其中年最高水位变化范围最大。

各时段城陵矶年特征水位的变化(表3)表明，时段1的年均水位为23.63 m，相较于时段1，时段2、3、4、5分别抬升了0.68、1.04、1.61、1.34 m，与时段4相比，时段5的年均水位有所下降(24.97 m)。年最高水位在第1～第4时段逐时段抬升，与时段4相比，时段5的年最高水位有所下降(30.50 m)，该变化规律与年均水位基本一致。年最低水位逐时段抬升，相较于时段1，时段2、3、4、5分别抬升了0.75、1.23、2.17、2.78 m。表明近几十年来城陵矶年均水位明显抬高，三峡工程运行后降低了城陵矶年均水位、年最高水位，抬高了城陵矶年最低水位。

表3 1956-2020年各时段城陵矶年特征水位变化 m

综上所述，城陵矶年均水位和年最高水位先上升后下降，具有明显的阶段性变化特征[28]，年最低水位逐时段抬升，三峡工程运行是导致时段5年均水位和年最高水位相对下降的主要因素，三峡工程的补水调蓄作用是年最低水位抬升的主导因素。

3.1.2 水利工程群运行下城陵矶年特征水位变化趋势 利用Mann-Kendall检验法分析城陵矶年特征水位变化趋势，结果见表4。表4表明，1956-2020年年均水位、年最高水位、年最低水位的Z值分别为3.227、1.970、7.419，说明城陵矶年特征水位呈显著上升趋势。

对比分析表4中各时段城陵矶年特征水位变化趋势可知，时段1年均水位和年最高水位的Z值分别为0.751、0.451，为不显著的上升趋势，而年最低水位的Z值为-0.151，为不显著的下降趋势。时段2的年特征水位呈下降趋势，其中，年均水位呈显著下降趋势，这是因为1963年柘溪水库全面投产以及1967-1972年下荆江系统裁弯的影响。时段3城陵矶年均水位和年最低水位均呈下降趋势，其Z值分别为-0.991、-0.741，而年最高水位呈上升趋势(Z=0.991)。时段4年特征水位呈上升趋势，其中年均水位和年最低水位呈显著上升趋势(Z=2.169、2.846)。时段5年最低水位、年均水位、年最高水位的Z值分别为2.237、1.629、0.719，年最低水位的变化在时段4、5均具有显著性。结果表明下荆江系统裁弯降低了城陵矶特征水位，1981年葛洲坝截流以来城陵矶年特征水位呈上升趋势，2003年三峡工程运行后，由于三峡大坝巨大的拦水拦沙功能，其上升趋势有所减缓。

采用Mann-Kendall检验法分析城陵矶特征水位的突变年份，绘制出的统计量序列图见图3。由图3可以看出，城陵矶年均水位在1964年发生突变，这与1963年柘溪水库建成蓄水有一定联系，1981年突破临界值上限，呈显著上升趋势；年最高水位在1967年发生突变，而1967-1972年实施了下荆江系统裁弯工程，可见下荆江裁弯对年最高水位产生了影响；年最低水位在1981年发生突变，1981年葛洲坝截流，因此该突变年份的发生与葛洲坝水库建设有关。

表4 1956-2020年不同时段城陵矶特征水位M-K趋势变化

3.1.3 水利工程群运行下城陵矶特征水位季节变化规律 受湖南“四水”入湖来水、长江干流洪水顶托等因素的影响，城陵矶存在涨水期(4-5月)、丰水期(6-9月)、退水期(10-11月)和枯水期(12月-次年3月)4个水文期[3]。本文通过统计与计算1956-2020年不同时段水利工程群影响下的城陵矶涨、丰、退、枯水期特征水位，以分析城陵矶特征水位的季节变化规律。表5为1956-2020年各时段不同水文期城陵矶特征水位。

图3 1956-2020年城陵矶特征水位M-K统计量序列

表5 1956-2020年各时段不同水文期城陵矶特征水位 m

对表5中的特征水位按不同水文期分析如下：

(1)涨水期。时段1的城陵矶水位在22.24～24.41 m之间波动，水位均值为23.84 m。相较于时段1，时段2、3、4的月平均水位分别上升0.63、0.95、1.05 m，月均最高水位分别上升2.24、2.36、2.42 m。时段5月平均水位继续抬升(24.98 m)，月均最高水位有所下降(26.70 m)。月均最低水位在柘溪水库蓄水后和下荆江裁弯期间抬升，之后有所下降，葛洲坝截流后，月均最低水位抬升至23.34 m，三峡工程蓄水后又回落至22.41 m。上述结果表明，涨水期水利工程群对最高水位影响较大，柘溪水库蓄水后，城陵矶最高水位抬升2 m以上，下荆江系统裁弯提高了城陵矶最低水位。

(2)丰水期。城陵矶月平均水位和月均最高水位在时段1～时段4逐时段抬升，月平均水位分别为27.87、28.14、28.89、29.25 m，月均最高水位分别为29.66、29.69、30.34、32.64 m，三峡水库蓄水后，则呈同步下降趋势，与时段4相比，分别下降了0.56、2.22 m。月均最低水位由时段1的26.32 m下降至时段2的25.35 m，时段3有所抬升，时段4、5又有所下降。上述结果表明，丰水期三峡工程运行对最高水位影响较大，这主要是受三峡水库调洪削峰运行期(7月1日-8月31日)的影响，长江荆江段泄洪量减少，湖南“四水”主汛期已过，此调度方式有利于降低洞庭湖洪水位，减轻了抗洪抢险压力；受水利工程群影响，丰水期月均最低水位有增有减，情况复杂。

(3)退水期。时段1的城陵矶水位在21.64～25.67 m之间波动，水位均值为23.48 m。相较于时段1，时段2的月平均水位以及月均最高、最低水位分别抬升了1.98、2.16、2.60 m。与时段2相比，时段3的月平均水位以及月均最高、最低水位分别下降了0.13、1.16、0.64 m。时段4、5月均最低水位继续下降，分别为22.50、21.81 m，而月平均水位和月均最高水位在时段4上升、时段5下降。退水期城陵矶特征水位自柘溪水库蓄水后抬升，而期间水位总体上降低，三峡水库蓄水后特征水位下降，这是因为长江下泄量减少，湖南“四水”(进入枯水期)和荆南“三口”同期入湖水量减少，受水库正常蓄水运行期调控的影响，长江上游或“四水”流域如不发生较大洪水，则洞庭湖区水位呈下降趋势，进而导致特征水位的下降，表明水利工程群对城陵矶退水期特征水位产生了明显影响。

(4)枯水期。相较于时段1，时段2、3、4的月平均水位分别抬升了0.50、0.71、1.95 m，最高水位分别抬升了0.59、0.57、2.66 m，最低水位分别抬升了0.56、0.86、1.46 m。时段5的城陵矶月平均水位和月均最低水位分别抬升至21.70、20.81 m，月均最高水位下降至22.45 m。自1963年以来城陵矶平均水位和最低水位逐期抬升，1980年后，最高水位壅高明显，三峡水库蓄水后，上升趋势减缓，这主要是受葛洲坝截流与三峡水库在该时段的补水调度影响[26,35]，葛洲坝水库于1981年开始截流，三峡水库枯水期补水调度抬高了长江干流枯季最低水位，但补水能力有限，加之长江荆江段清水下泄，使河道受到冲刷，造成河床下切、水位降低，导致最高水位下降，最低水位和平均水位抬升。表明枯水期水利工程群的运行对城陵矶水位产生了明显影响。

综上所述，城陵矶特征水位对水利工程群产生了不同的响应，其中三峡工程的运行降低了城陵矶丰水期、退水期的特征水位，抬高了枯水期的平均水位、最低水位以及涨水期的平均水位，20世纪80年代以来，城陵矶枯水期特征水位明显抬高，说明以葛洲坝和三峡工程等为代表的水利工程群在汛末蓄水对最高水位有影响，补水调度对枯水期平均水位和最低水位有影响。

3.2 水利工程群运行下典型年城陵矶特征水位变化

由3.1节可知，城陵矶水位受葛洲坝截流和三峡工程运行的影响较大，就不同水文期而言，丰水期和枯水期的变化更明显。因此，本文通过分析1980年后城陵矶丰水期和枯水期典型年的特征水位变化，揭示以葛洲坝和三峡工程为代表的水利工程群对城陵矶特征水位的影响。按照标准将第4时段的1998、2001、1994年和第5时段的2017、2004、2006年依次界定为丰水年、平水年和枯水年，在水利工程群运行影响下，第4、5时段各典型水文年的城陵矶特征水位如表6所示。

3.2.1 水利工程群运行下丰水年城陵矶特征水位的变化 对比分析表6中丰水年城陵矶特征水位演变特点可知，丰水期和枯水期的特征水位随时段呈下降趋势，相较于时段4，时段5丰水期的平均水位、最高水位和最低水位分别下降了4.10、3.61、1.68 m，枯水期分别下降了1.14、0.75、0.12 m，平均水位变化最大，最低水位变化最小。由此说明，三峡工程的运行降低了城陵矶丰水年丰水期和枯水期的特征水位，该变化有利于削减长江中游洪峰，减轻洪水灾害的影响程度，但同时也要预防丰水年枯水期发生干旱。

表6 水利工程群运行下城陵矶典型水文年特征水位

3.2.2 水利工程群运行下平水年城陵矶特征水位的变化 对比分析表6中平水年城陵矶特征水位演变特点可知，枯水期特征水位下降，而丰水期上升，相较于时段4，时段5枯水期的平均水位、最高水位和最低水位分别下降了0.81、0.07、1.67 m，丰水期分别上升了1.11、1.29、1.38 m，最低水位变化最大。这表明三峡工程的运行降低了平水年城陵矶枯水期特征水位，抬高了丰水期特征水位。

3.2.3 水利工程群运行下枯水年城陵矶特征水位的变化 对比分析表6中枯水年城陵矶特征水位演变特点可知，枯水期特征水位上升，而丰水期下降，相较于时段4，时段5枯水期的平均水位、最高水位和最低水位分别上升了0.18、0.74、0.33 m，丰水期分别下降了1.90、0.55、3.37 m，丰水期最低水位变化最大。这表明三峡工程的运行使得城陵矶枯水年丰水期特征水位下降，枯水期特征水位上升，该变化有利于缓解城陵矶枯水年枯水期的旱情，同时也要预防枯水年水利工程运行导致的突发情况。

总体而言，城陵矶丰、平、枯水年的特征水位对三峡工程的运行产生了不同的响应。三峡水库运行有利于稳定枯水期水位，在一定程度上可以缓解长江中下游旱灾程度。

4 讨 论

洞庭湖水情受到长江干流和湖南“四水”水利工程群的综合影响而发生变化，该变化必将对洞庭湖湖口城陵矶的特征水位产生影响。研究表明各水利工程对特征水位的影响不一致，使城陵矶水位在不同阶段表现出不同的特点。

4.1 城陵矶特征水位时序变化分析

经分析，近几十年来城陵矶年特征水位总体呈显著上升趋势。从各时段年特征水位的变化来看，受柘溪水库全面投产和下荆江系统裁弯的影响，1963-1972年城陵矶年特征水位呈下降趋势，这与段文忠[13]、肖潇等[30]的研究结论一致；三峡工程运行后降低了城陵矶的平均水位和最高水位，丛振涛等[20]、赖锡军等[22]、黄群等[25]在对城陵矶水位的研究中也得出了类似的结论；总体上自20世纪80年代以来，受葛洲坝和三峡工程等水利工程群的影响，城陵矶年均水位和年最高水位壅高，年最低水位显著抬升，段文忠等[14]在对城陵矶水位的研究中也得出了类似的结论。柴元方等[18]在对城陵矶水位的研究中发现，1967年发生的突变与中州子裁弯有一定联系，本文对城陵矶水位进行Mann-Kendall突变检验分析时，也发现年最高水位在1967年发生突变，该突变年的发生与中州子裁弯密切相关。此外，本研究还发现年均水位在1964年发生的突变与柘溪水库建成蓄水有关，年最低水位在1981年发生的突变与葛洲坝截流有关。在特征水位季节变化上，城陵矶水位存在“涨-丰-退-枯”的变化特征，丰水期平均水位在葛洲坝截流后抬升，三峡工程运行后，枯水期平均水位和最低水位抬升，最高水位下降，这与周蕾等[29]的研究结论类似。

4.2 城陵矶典型年特征水位变化分析

各典型年城陵矶特征水位对三峡工程的运行产生了不同的响应，三峡水库运行降低了城陵矶丰水年丰水期和枯水期、平水年枯水期、枯水年丰水期的特征水位，抬高了平水年丰水期、枯水年枯水期的特征水位，这与李景保等[26]的研究结论一致。从总体上看，该变化有利于缓解城陵矶枯水年枯水期的旱情、削弱长江中游洪峰、降低水灾影响。

5 结 论

本文采用Mann-Kendall趋势和突变检验法从不同时间尺度分析了长江干流和湖南“四水”水利工程群影响下洞庭湖湖口城陵矶特征水位的时序演变特征，得出以下主要结论：

(1)总体上城陵矶特征水位呈显著上升趋势，特征水位阶段性变化明显。其中，城陵矶年均水位、年最高水位在三峡水库蓄水运行的影响下，呈时段1～时段4逐期抬升而时段5下降的变化趋势，受水利工程群调蓄作用的影响，年最低水位逐时段抬升。

(2)柘溪水库蓄水以来，城陵矶涨、丰、退、枯水期特征水位产生了不同的响应。城陵矶枯水期特征水位自葛洲坝截流以来明显抬升，丰水期、退水期特征水位受三峡水库蓄水影响明显下降。

(3)水利工程群对城陵矶典型年丰水期和枯水期特征水位产生了不同的影响。三峡水库蓄水后，城陵矶丰水年丰水期和枯水期、平水年枯水期、枯水年丰水期特征水位下降，平水年丰水期、枯水年枯水期特征水位抬升。

(4)洞庭湖湖口城陵矶特征水位时序演变特征是人类活动与自然因素叠加作用的结果。本文在分析特征水位时序演变特征过程中仅考虑了人类活动(水利工程群)的影响作用，未考虑气候因素及工农业生产及生活用水的影响，同时在洪水期城陵矶水位受监利和螺山河段洪水的顶托概率也较大，也未考虑其对城陵矶特征水位的影响，这些问题有待今后探讨。