近60年洞庭湖水位演变态势研究*

董世杰,李英海,2**,吴 江,杨 恒,李清清

(1:三峡大学水利与环境学院,宜昌 443002)(2:水电工程施工与管理湖北省重点实验室(三峡大学),宜昌 443002)(3:长江水利委员会长江科学院,武汉 430010)(4:中国长江三峡集团有限公司科学技术研究院,北京 101199)

洞庭湖是我国第二大淡水湖,也是长江中下游的重要大型通江湖泊。开展洞庭湖水位演变态势的研究,对合理开发利用长江中下游河湖水资源,发挥通江湖泊调蓄洪水作用,维持湖泊生态系统健康具有十分重要的意义。

近几十年来,受气候变化与人类活动等影响,长江中下游江湖关系和洞庭湖水文情势发生深刻变化。关于河湖水文情势演变规律研究方法方面,国内外学者进行了大量研究,提出了一系列行之有效的方法:Richter等[1]提出的基于水文改变指标法(IHA)的变动范围分析法(RVA)已经被广泛应用于水文情势影响以及河湖生态恢复研究;孙爽等[2]利用遥感解译和库容曲线等方法对查干湖水位、水面积、降水量等水文要素进行了分析;张丽丽等[3]通过构建群落-水文参数直方图和计算敏感性指数研究鄱阳湖湿地植被群落与水文情势的关系;张冬冬等[4]、赖锡军等[5]基于一维和二维耦合水动力模拟法分析了三峡工程运行在改变上游来水的情况下洞庭湖出流量和水位的变化以及水位空间分布特征。针对洞庭湖的相关研究,目前学者多关注于三峡水库蓄水运行对洞庭湖水位、出入湖流量、水沙变化以及水生生物与水生态环境的影响:王鸿翔等[6]基于IHA-RVA法评估三峡水库运行对洞庭湖年均水位改变情况,欧朝敏等[7]着眼于典型年三峡水库不同调度方式对洞庭湖水位的影响来展开研究;高芮等[8]运用IHA-RVA法分析三峡水库运行对江湖汇流区流量产生的影响,房娟娟等[9]分析了三峡工程运行对洞庭湖出入湖径流量、蓄水量和湖区灌溉供水的影响;张冬冬等[10]、张琳等[11]、周蕾等[12]和胡光伟等[13]分析总结了洞庭湖水沙演变特征以及三峡水库运行对洞庭湖出入湖水沙量、冲淤情况和湖区水位变化的影响;吴倩等[14]、戴凌全等[15]、王丽婧等[16]、高耶等[17]和郭文献等[18]聚焦三峡水库运行和水文情势演变对洞庭湖沉水植物、鱼类以及水生态环境造成的影响进行研究。上述研究表明,目前有关洞庭湖的研究着重于考虑受三峡水库蓄水影响下某单一湖区水文情势的变化或将洞庭湖区作为一个整体进行分析,缺乏从较长时间尺度上分不同湖区从水位变化角度对洞庭湖水位趋势性、周期性和突变性特征的详细分析。

鉴于上述分析,本文采用Mann-Kendall(M-K)检验法、小波分析法、累积距平法、滑动t检验法以及水文改变指标法(IHA)与变动范围分析法(RVA)相结合的方法,定量评估近60年洞庭湖东、南、西三个湖区水位变化特征和水位改变度,揭示洞庭湖不同湖区水位演变态势,为洞庭湖水资源综合利用和湖区水生态环境保护提供科学依据。

1 研究区概况及数据资料

洞庭湖(28°30′～30°20′N,111°40′～113°10′E)位于湖南省北部,长江中游荆江河段以南,跨越湘鄂两省,湖区地势西高东低,分成东洞庭湖、南洞庭湖和西洞庭湖(由目平湖、七里湖组成)三个湖区。洞庭湖地理位置、水文站、分水口及出入湖河流如图1所示。

图1 洞庭湖水文站、分水口及主要水系示意图Fig.1 Schematic diagram of Lake Dongting hydrological station, water outlet and main water system

本研究选取东洞庭湖鹿角水文站、南洞庭湖杨柳潭水文站以及西洞庭湖南咀水文站作为整个洞庭湖区的代表性站点。鹿角站(29°9′41″N,113°0′49″E)西滨东洞庭湖,北通长江,东接新墙河,南临汨罗江是监测东洞庭湖水文气象的代表水文站;杨柳潭站(28°46′52″N,112°38′7″E)是控制湘江、资水流入南洞庭湖的观测水文站;南咀站(29°3′28″N,112°18′43″E)是控制松滋河、虎渡河、澧水、沅江经西洞庭湖湖口(北端)流入南洞庭湖的国家基本水文站。选取的3个水文站各具代表性,基本能够反映洞庭湖区的水位变化。因此,基于3个水文站点1961-2020年的逐日水位监测数据(水位高程均为“1985国家高程基准”),分析洞庭湖水位变化特征和水位改变度,数据来源于长江水利委员会水文局。

2 研究方法

2.1 Mann-Kendall检验法

Mann-Kendall(M-K)检验法是一种非参数统计检验方法,广泛应用于水位、降水、气温以及径流的时间序列分析。本文将运用M-K检验法对洞庭湖水位趋势性和突变性进行分析,具体方法原理及计算公式见参考文献[19-20]。

2.2 小波分析法

小波分析的基本思想是用一簇小波函数系来表示或逼近某一信号或函数。小波函数是小波分析的关键,本文将运用小波分析法对洞庭湖水位周期性进行分析,具体方法原理及计算公式见参考文献[19,21]。

2.3 累积距平法

累积距平法是一种根据时间序列各数值与序列平均值之间差值的累积值形成的新的时间序列绘制的累积距平值曲线,观测其曲线拐点从而确定出突变点的检验方法,本文将运用累积距平法对洞庭湖水位突变性进行分析,具体方法原理及计算公式见参考文献[19-20]。

2.4 滑动T检验法

滑动T检验法是通过考察两组样本的平均值差异是否超过其显著水平来检验突变,本文将运用滑动T检验法对洞庭湖水位突变性进行分析,具体方法原理及计算公式见参考文献[19-20]。

2.5 IHA-RVA法

Richter等[1]于1998年提出水文改变指标法(IHA),分别从水文要素、时间、频率、延时和改变率5组33个水文指标分析河湖水文情势变化[22]。变动范围法(RVA)[23]以IHA为基础构建。IHA-RVA法是国内外开展河湖水文变异特征研究的重要方法,该方法根据提供的河湖系统流量、水位等相关生态特征识别水文变化,IHA-RVA法在评估河川径流水文变异过程中得到广泛应用,也曾有部分学者基于IHA-RVA法对湖泊水位变异开展过相关研究[8,24],故本文采用IHA-RVA法对洞庭湖水位变异进行分析。由于本研究3个代表水文站在研究期间内未曾发生任何一次日水位指标为零的情况,故本文不予考虑零水位的天数指标,IHA水位指标见表1。

表1 IHA法水位指标Tab.1 IHA method water level index

表1中32个水位指标变异程度可由下面公式量化得到:

(1)

式中,Di表示第i个水位指标变异程度;Ne表示相应的期望年数;No,i表示变异后的水位序列IHA值在25%～75%内的年数。变异后序列水位变异程度Do计算公式如下:

(2)

式中, 0≤|Di|<33%为低度改变(L);33%≤|Di|<67%为中度改变(M);67%≤|Di|<100%为高度改变(H),以此对湖泊水位改变度进行量化判断[23,25]。

3 结果与分析

3.1 洞庭湖年均水位变化特征分析

3.1.1 洞庭湖年均水位趋势性检验 本文运用M-K检验法对洞庭湖东、南、西3个湖区1961-2020年水位趋势性进行检验。由年均水位变化趋势图(图2)可知,研究期间,洞庭湖年均水位除1964、1972、1978、1983、1986、1998、2006、2011、2020年特枯年和特大洪水年波动幅度较大外,南咀站年均水位整体呈下降趋势,鹿角站和杨柳潭站年均水位整体则呈缓慢上升趋势。

图2 洞庭湖代表水文站1961-2020年年均水位变化趋势Fig.2 Annual average water level variation trend of representative hydrological stations in Lake Dongting from 1961 to 2020

由表2可知,鹿角站和杨柳潭站水位呈微弱上升趋势,二者趋势性均未通过显著性检验;南咀站水位呈显著下降趋势,趋势性通过99%置信度检验。

表2 洞庭湖代表水文站年均水位M-K趋势检验Tab.2 M-K trend test of annual average water level of representative hydrological stations in Lake Dongting

3.1.2 洞庭湖年均水位周期性分析 本文运用小波分析法对洞庭湖东、南、西3个湖区1961-2020年水位周期性进行分析,洞庭湖代表水文站水位小波等值线图与小波方差图如图3所示。

图3 洞庭湖代表水文站水位小波等值线图与小波方差图Fig.3 Wavelet contour map and wavelet variance map of water level of representative hydrological station in Lake Dongting

由等值线图3a可知,东洞庭湖鹿角站水位主要存在8～18、20～30、32～38、39～48、49～63年5个尺度的周期变化规律。在1966-2001年期间水位8～18年周期变化显著;20～30年周期变化显著且贯穿整个研究时段;1965-2015年期间32～38年周期变化显著;39～48年周期变化显著且贯穿整个研究时段;在1966-2016年期间49～63年周期变化显著。由小波方差图3d可知,鹿角站水位方差峰值最高处对应为56年,即第一主周期。

由等值线图3b可知,南洞庭湖杨柳潭站水位主要存在20～30、32～38、39～48、49～63年4个尺度的周期变化规律。水位20～30年周期变化显著且贯穿整个研究时段;在1966-2014年期间32～38年周期变化显著;39～48年周期变化显著且贯穿整个研究时段;在1966-2016年期间49～63年周期变化显著。由小波方差图3d可知,杨柳潭水位方差峰值最高处对应为55年,即第一主周期。

由等值线图3c可知,西洞庭湖南咀站水位主要存在20～30、32～38、39～48、49～63年4个尺度的周期变化规律。水位20～30年周期变化显著且贯穿整个研究时段;在1966-2014年期间32～38年周期变化显著;39～48年周期变化显著且贯穿整个研究时段;在1966-2016年期间49～63年周期变化显著。由小波方差图3d可知,南咀水位方差峰值最高处对应为55年,即第一主周期。

根据上述周期性分析得出结论,洞庭湖3个水文站点水位周期性均较为明显,呈现4～5个时间尺度的周期变化规律,第一主周期为55～56年。

3.1.3 洞庭湖年均水位突变性分析 根据M-K法突变性检验图4a可知,东洞庭湖鹿角站水位1961-2020年UF与UB均在0.05显著水平范围内的交点有2个,分别是1963和2018年,即1963和2018年为M-K 法确定的水位突变年份。为了确定其合理性本研究将运用累积距平法和滑动t检验法对M-K法检验结果进行检验和补充,通过累积距平法突变性检验图4b可看出,1979和2003年为鹿角站水位趋势变化拐点,即1979和2003年为累积距平法确定的水位突变年份。最后运用滑动t检验法得出鹿角站水位的突变年份为1979、1988和2003年。综合以上3种方法,最终确定鹿角站水位突变年份为1979和2003年。

图4 东洞庭湖水位Mann-Kendall法突变性检验与累积距平法突变性检验Fig.4 Mann-Kendall method mutation test and cumulative anomaly method mutation test of water level in East Lake Dongting

根据M-K法突变性检验图5a可知,南洞庭湖杨柳潭站水位1961-2020年UF与UB均在0.05显著水平范围内的交点有2个,分别是2017和2019年,即2017和2019年为M-K法确定的水位突变年份。为了确定其合理性本研究将运用累积距平法和滑动t检验法对M-K法检验结果进行检验和补充,通过累积距平法突变性检验图5b可看出1978和2003年为杨柳潭站水位趋势变化拐点,即1978和2003年为累积距平法确定的水位突变年份。最后运用滑动t检验法得出杨柳潭站水位的突变年份为1978、1983和2003年。综合以上3种方法,最终确定杨柳潭站水位突变年份为1978和2003年。

图5 南洞庭湖水位Mann-Kendall法突变性检验与累积距平法突变性检验Fig.5 Mann-Kendall method mutation test and cumulative anomaly method mutation test of water level in South Lake Dongting

根据M-K法突变性检验图6a可知,西洞庭湖南咀站水位1961-2020年UF与UB均在0.05显著水平范围内的交点只有2004年1个,即2004年为M-K法确定的水位突变年份。为了确定其合理性本研究将运用累积距平法和滑动t检验法对M-K法检验结果进行检验和补充,通过累积距平法突变性检验图6b可看出2003年为南咀站水位趋势变化拐点,即2003年为累积距平法确定的水位突变年份。最后运用滑动t检验法得出南咀站水位的突变年份为1983和2003年。综合以上3种方法,最终确定南咀站水位突变年份为2003年。

图6 西洞庭湖水位Mann-Kendall法突变性检验与累积距平法突变性检验Fig.6 Mann-Kendall method mutation test and cumulative anomaly method mutation test of water level in West Lake Dongting

对3个水文站点确定的水位突变年份进行合理性分析,其中确定鹿角站水位突变年份为1979、2003年,杨柳潭站水位突变年份为1978、2003年,南咀站水位突变年份为2003年,3个方法独自确定的水位突变年份又主要集中在20世纪70-80年代,分析其突变原因,1978年是长江流域典型严重高温干旱年之一[26],1979年虽干旱程度和范围不及1978年,但也是长江流域干旱较重年份之一,2003年受上游三峡水库正式蓄水运行影响较大,使得洞庭湖区3个水文站点水位均在本年发生突变,20世纪60-70年代下荆江河段3次裁弯取直,20世纪80年代葛洲坝水利枢纽工程一期和二期相继完成,以及三口、四水上游中小型水利工程陆续修建,围湖造田等活动,水利工程的修建在实现流域大江截流、蓄水、防洪和便利通航的同时,也会改变长江流域及洞庭湖原本的水文情势。结合原因分析,认为运用M-K检验法、累积距平法和滑动t检验法对洞庭湖东、南、西3个湖区水位突变点的确定是合理的。因此,综合确定2003年为洞庭湖水位改变度计算与分析的分界点。据表3可知,M-K检验法确定的突变年份相比累积距平法和滑动t检验法年份差异较大,且在最终确定的突变年份中M-K检验法也未检验出水位突变年份2003年,据此推测在洞庭湖年均水位突变性分析中累积距平法和滑动t检验法适用性更强,因此本研究运用累积距平法和滑动t检验法对M-K法检验结果进行检验和补充。

表3 洞庭湖代表水文站年均水位突变年份统计Tab.3 Statistical of annual average water level mutation year of Lake Dongting representative hydrological station

3.2 洞庭湖水位改变度计算与分析

3.2.1 突变年前后水位改变度计算 本文在确定洞庭湖水位突变年份的基础上进一步对水位改变度进行研究。以2003年为分界点,将洞庭湖3个代表水文站历年逐日水位数据划分为两个研究时段,1961-2002年为水位突变前自然状态下的基准水位序列研究时段,2003-2020年为水位突变后的水位改变序列研究时段。在此基础上运用IHA-RVA法计算水位突变前后鹿角、杨柳潭和南咀3个代表水文站的水位改变程度。洞庭湖流域3个代表水文站32个水位指标改变度分析如下。

图7为2003年突变前后月水位中值与水位改变度曲线。由图7可知,洞庭湖3个代表水文站最明显的水位变异大多出现在1、2、6、7、10和11月,4-9月为洞庭湖汛期,其余月份为非汛期,洞庭湖水位9-10月消落较快。上游梯级水库群汛期削减洪峰对汛期下泄流量削减作用明显,同时水库群非汛期为满足下游工农业用水和生态用水需求,补水增泄流量对水位抬升也有一定影响。

图7 洞庭湖代表水文站水位突变前后月水位中值与水位改变度Fig.7 The median monthly water level and the degree of water level change before and after the mutation of the water level of the representative hydrological station of Lake Dongting

图8为2003年突变前后年极端水位与水位改变度曲线。由图8可知,洞庭湖3个代表水文站年均最低水位改变度的绝对值相比于年均最高水位改变度绝对值整体上要高,这说明洞庭湖水位的变化对年均最低水位的影响更深。鹿角站年均1 d最低水位为低度改变、年均3 d、年均7 d、年均30 d最低水位都为中度改变,年均90 d最低水位为高度改变,年均最高水位改变度均为低度改变,基流指数为高度改变;杨柳潭站年均1 d、年均3 d、年均7 d、年均30 d最低水位均为高度改变,年均30 d最高水位为中度改变,基流指数为低度改变,其余均为低度改变;南咀站年均最低水位和年均最高水位改变度二者整体上趋近,基流指数为低度改变。

图8 洞庭湖代表水文站水位突变前后年极端水位与水位改变度Fig.8 Annual extreme water level and water level change degree before and after water level mutation at representative hydrological stations in Lake Dongting

表4为洞庭湖代表水文站水位突变前后IHA指标(3～5组)统计结果。由表4可知,在年极端水位发生时间上,年最低水位杨柳潭站、南咀站呈中度变化,鹿角站呈低度变化,年最高水位杨柳潭站呈中度变化,鹿角站、南咀站呈低度变化。3个站点年最低、最高水位出现日期整体来看呈推迟变化趋势,尤以年最低水位日期变化明显。在高低水位频率及历时上,洞庭湖3个代表水文站高水位次数及历时均为中低度改变。3个站点低水位次数均有所增加,3个站点高水位次数均有所减少。在水位变化改变率及频率上,鹿角站和南咀站水位上升率均减少,杨柳潭站水位上升率未发生变化,杨柳潭站水位下降率略有减少,鹿角站水位下降率略有增大、南咀站水位下降率未变化;3个站点水位逆转次数均为高度变化,尤以南咀站改变度最大,其次数由突变前59次增加至73.5次。

表4 洞庭湖代表水文站水位突变前后IHA指标(3～5组)统计*Tab.4 Statistical of IHA index (3-5 groups) before and after the mutation of water level in representative hydrological stations of Lake Dongting

根据图9洞庭湖代表水文站水位改变度可知,32个水位指标中,鹿角站发生高度改变的水位指标为7个,发生中度改变的水位指标为11个,发生低度改变的水位指标为14个;杨柳潭站发生高度改变的水位指标为9个,发生中度改变的水位指标为7个,发生低度改变的水位指标为16个;南咀站发生高度改变的水位指标为6个,发生中度改变的水位指标为12个,发生低度改变的水位指标为14个。

图9 洞庭湖代表水文站水位改变度Fig.9 Water level change degree of representative hydrological station in Lake Dongting

对洞庭湖代表水文站3个等级水位改变度占32个水位指标比例情况进行统计,如图10所示,整体来看杨柳潭站水位改变度最高,鹿角站居中,南咀站最低,其中杨柳潭站水位改变度发生高度改变和低度改变的指标所占比例均为最高,分别为28%和50%。

图10 洞庭湖代表水文站3个等级水位改变度占32个水位指标比例Fig.10 The proportion of water level changes degree at three levels of representative hydrological stations in Lake Dongting to 32 water level indicators

3.2.2 整体水位改变度分析 利用IHA-RVA法计算得出鹿角、杨柳潭、南咀3个水文站各组水位改变度和整体水位改变度,如表5所示。

表5 洞庭湖代表水文站水位序列整体水位改变度Tab.5 The overall water level change degree of the representative hydrological station water level sequence in Lake Dongting

根据表5可知,杨柳潭各组水位改变度均为中度改变,鹿角、南咀除第3组水位指标属低度改变外,其余组水位指标也均为中度改变;鹿角、杨柳潭和南咀整体水位改变度均为中度改变,其整体水位改变度分别为43%、48%和42%。推测其原因,因本文选用2003年作为洞庭湖水位改变度计算与分析的分界点,2003年三峡水库正式建成运行,这使得长江中下游及洞庭湖原本的水文情势发生改变,3个站点整体水位改变度均达到中度改变,但鹿角站毗邻长江,受新墙河以及东洞庭湖调蓄作用,杨柳潭站受湘江、资水以及南洞庭湖的调蓄作用,南咀站受三口河系、澧水、沅江和西洞庭湖的调蓄作用,其整体水位改变度也均保持在中度改变范围之内,并未达到高度改变,同时3个站点均离长江干流较远,均属洞庭湖内湖水文站,故水位突变年受三峡水库蓄水运行影响差别不大,整体水位改变度均在40%～50%区间范围内。

4 结论

1)年均水位东洞庭和南洞庭呈微弱上升趋势,西洞庭呈显著下降趋势,3个湖区代表站点水位周期性变化显著,第一主周期为55～56年,呈4～5个时间尺度的周期变化规律。

2)洞庭湖不同湖区水位发生突变年份主要集中在上游三峡水库蓄水运行、葛洲坝水利枢纽工程修建、下荆江河段裁弯取直等水利工程建设运行时段,同时1978和1979年长江流域发生严重干旱,导致鹿角站、杨柳潭站水位发生突变,在趋势性检验中,年均水位波动幅度较大的年份对应的正是长江流域特枯年和特大洪水年,这表明洞庭湖水位变化受上游水利工程以及流域干旱和洪涝等气候变化影响显著。

3)通过IHA-RVA法计算得到2003年突变前后鹿角、杨柳潭、南咀3个站点水位改变度分别为43%、48%、42%,均在40%～50%区间范围内,洞庭湖水位整体上属于中度改变,可见三峡水库蓄水运行对洞庭湖水位变化影响明显。

随着长江上游水库群系统的建成运行,以及近年来长江流域全流域洪水及极端干旱的频繁发生,如何进一步开展以三峡水库为核心的上游水库群运行与极端气候影响下洞庭湖不同湖区水位、流量、泥沙、水质等多种水文要素水文情势演变规律以及相互影响关系研究,耦合流域水文模型预测未来洞庭湖水文情势变化趋势,将是今后研究的重要方向。