1954—2013年太湖水位特征要素变化及成因分析

王磊之，胡庆芳，胡　艳，王银堂，林荷娟（.南京水利科学研究院水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，江苏南京　009；.太湖流域管理局水文局（信息中心），上海　0000）



1954—2013年太湖水位特征要素变化及成因分析

王磊之1，胡庆芳1，胡艳2，王银堂1，林荷娟2
（1.南京水利科学研究院水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，江苏南京210029；2.太湖流域管理局水文局（信息中心），上海220000）

摘要：采用1954—2013年的逐日水位资料，系统分析和比较了太湖年内最高水位、最低水位及年平均水位共3种水位特征要素的年际变化规律，结合太湖流域降水资料和工程引水资料，揭示了导致三者发生阶段性变化的控制性因素。结果表明：（a）1954—2013年，太湖年内最高水位总体上不具有显著的变化趋势，其年际变化主要受控于汛期降水的年际周期性振荡；太湖年内最低水位、年内平均水位均具有显著的上升趋势，尽管两者在2000年之前的年际变化主要受控于太湖流域降水丰枯振荡，但在2000年之后的“引江济太工程”等大规模引水活动已成为两者在流域降水整体偏枯情况下仍保持较高水平的主导性因素。（b）沿江引水使太湖的年内最低水位出现时间的季节性分布特征发生了明显变化。

关键词：太湖；水位要素变化规律；成因解释；小波分析

太湖流域以“江南水乡”而著称，水位观测数据是反映该流域复杂水文情势的主要信息。区域气候要素变化以及人类活动对太湖流域水文水资源的影响主要体现在太湖以及地区河网代表站的水位变化上。特别是太湖作为全流域水量调配中心，其水位变化规律对于流域旱涝情势更具有指示意义。

前人已对太湖水位要素的变化规律及其成因进行了一定分析。譬如：尹义星等［1-2］指出1954—1999年太湖最高水位的变化与西北太平洋夏季风指数关系密切，但湖泊围垦、河网及土地利用调整等人类活动因素是导致20世纪80—90年代太湖最高水位频现高值的重要原因。吴浩云［3］也认为20世纪80—90年代流域防洪压力不断增加、太湖最高水位明显高于以往的情况固然受梅雨丰沛等气候因素的影响，但流域水量调蓄空间减少，太浦河、望虞河行洪不畅也起到了重要作用。Hu等［4］建立了1956—2005年太湖流域前30天累积降水量、累积蒸发能力与太湖最高水位之间的统计回归模型，评估了气候因素和下垫面等因素对20世纪80年代前后太湖最高水位相对变化的贡献，认为气候因素是太湖最高水位上升的主导性因素。刘浏等［5］认为随着近年社会经济的发展，太湖水位受人类活动的影响越来越剧烈，在汛期雨量达300～400 mm的情况下，太湖水位突破了4.0m。同时，他们还指出在未来（2021—2050年）气候和下垫面情景下，总体上太湖汛期最高水位将比1961—1990年显著升高，导致流域防洪形势更为严峻。

可见，上述研究成果集中在对太湖年内最高水位的分析上，主要从防洪角度来探讨太湖水位演变规律，对太湖年内平均水位、最低水位等其他特征要素的分析较少。然而，不同的水位特征值对太湖流域防洪和水资源供给情势具有重要的指示作用，仅仅对年内最高水位进行分析难以满足流域水资源供给情势的分析。同时，已有研究采用的水位数据序列也非最新，而2000年以来太湖流域气候条件和人类活动因素又具有了新的特点。因此，已有研究尚难以全面反映太湖水位的演化特征及其驱动因素。鉴于这一背景，本文在前人基础上将太湖水位系列延长至2013年，然后采用多种统计方法，系统分析和比较太湖年内最高、最低和平均水位的变化规律。由于2000年以来“引江济太工程”等沿江大规模引水对太湖水情可能产生了重要影响，故本文尤其关注最近10余年来（2000—2013年）太湖水位特征要素的新变化，并对其成因加以解释。

1　研究区域与数据

1.1研究区域

太湖流域属亚热带季风气候，夏季高温多雨、冬季温和，年平均降雨量1154mm。受副热带高压的影响，春夏之交常出现持续连绵的梅雨天气，个别年份梅雨季节异常持久，易造成洪涝灾害；同时，夏季常受到台风的影响，易产生极端降水天气。太湖是我国第三大淡水湖，位于流域中部，湖泊面积为2427.8km2，湖岸线全长393.2km。太湖西部和西南侧为丘陵山地，东侧以平原及水网为主。

1.2研究数据

太湖湖区的望亭（太）、大浦口、夹浦、小梅口、洞庭西山5个水位站的位置如图1所示。采用这5个站点在1954—2013年日均水位的算术平均值代表同期太湖逐日水位值。在太湖逐日水位数据的基础上，进一步得到了年内最高水位、年内最低水位和全年平均水位序列（分别以Hmax、Hmin、Hmean表示）。

图1　太湖湖区水位站点分布Fig.1 Gauging station distribution in Taihu Lake

2　研究方法

本文首先采用连续小波［6-8］分析Hmax在1954—2013年的年际演化特征，然后采用Mann-Kendall方法［9-11］检验其总体趋势变化，并对比20世纪80年代前后Hmax在年内各旬出现频率的季节性差异；对于Hmin，除检验其在1954—2013年的总体趋势变化外，着重分析其在2000年后的新变化；对于Hmean，还需从年内不同时段解析其趋势变化特征。同时，尤其注意分析Hmax、Hmin和Hmean三者变化规律的异同，并结合太湖流域近年来气象资料和重要水利工程引水资料［12-15］，对导致其变化的主导性因素进行分析。

3　结果与讨论

3.1年内最高水位

图2给出了1954—2013年的太湖年内最高水位，从中可知Hmax具有显著的年际变化。经统计，其最大值、最小值和均值分别为4.97m（1999年）、2.87m（1978年）和3.76m，极差为2.05 m，极值比为1.73。基于Morlet连续小波分析了Hmax的演化过程。由图3所示的小波等值线和小波方差可知，在30a的时间尺度上Hmax存在着4个显著的高低演替阶段：1954—1962年Hmax总体偏高，1963—1979年总体偏低，1980—1999年总体偏高，2000—2013年总体偏低。这与太湖流域汛期降水量（Pw）的丰枯变化（图4）相吻合。在1954—2013年，Hmax和Pw两者的线性相关系数接近0.85。

图2　1954—2013年太湖年内最高水位Fig.2 Highest annual water level of Taihu Lake during period from 1954 to 2013

图3　1954—2013年太湖年内最高水位小波等值线和小波方差Fig.3 Wavelet contour map and wavelet variogram of highest annual water level of Taihu Lake during period from 1954 to 2013

图4　1954—2013年太湖流域汛期降水量小波等值线和小波方差Fig.4 Wavelet contour map and wavelet variogram of flood season precipitation in Taihu Lake Basin during period from 1954 to 2013

1954—2013年，Hmax共有13次达到或超过4.10m，其中有9次出现在1980—1999年，特别是1999年Hmax达到了历史最高值。由于1980—1999年是Hmax高值的频发期，加之1963—1979年Hmax总体偏低，从而导致在1954—1999年Hmax表现出显著的上升趋势（经Mann-Kendall检验，平均上升速率为0.68 cm/a）。但进入21世纪以来，随着流域汛期降水偏枯，Hmax随之总体偏低，导致在1954—2013年Hmax总体上不具有显著的上升或下降趋势。故1954年以来Hmax的年际变化更多与降水要素的周期性振荡相关。即使在20世纪80年代以后太湖流域人类活动强度越来越剧烈，Hmax的变化仍然受控于汛期降水。

表1给出了1980年前后2个阶段Hmax在年内各旬出现的频率。与太湖流域梅雨期、台风雨期相对应，在1954—1979年期间，7月是Hmax出现最集中的时段，其次为9月下旬至10月中旬，这2个时段Hmax出现的频次分别占全年的42.3%、26.9%。但在1980—2013年，Hmax的峰值时段有一定前移。其中，第1个峰值已由7月下旬前移至6月下旬，第2个峰值则由9月下旬前移至8月下旬（如2005年、2009年Hmax均出现在8月中旬，特别是2009年Hmax达到4.23m，是21世纪以来的最高值），且2个峰值时段之间已不存在明显的过渡期。经太湖水位与同期全流域降水的对照分析，导致1980年前后Hmax在年内出现时间变化的主要原因仍然是气候因素，即影响太湖流域的梅雨和台风出现时间有所前移［16］。

表1　不同阶段太湖年内最高水位在各旬出现的频率Table 1 Comparison of occurrence frequency of highest annual water level of Taihu Lake over ten-day periods in two stages

3.2年内最低水位

图5给出了1954—2013年的太湖年最低水位及其在1954—2013年的水位均值。Hmin的多年平均值、最高值、最低值分别为2.72 m、3.02 m（2008年）和2.37 m（1978年），极差为0.65 m，极值比为1.27。经Mann-Kendall检验，在95%的置信水平上，Hmin在1954—2013年具有显著上升趋势，平均上升速率为0.56cm/a。对比图2和图5，在1954—1999年，Hmin的年际变化规律与Hmax基本一致。受太湖流域降水丰枯变化影响，在1963—1979年Hmin总体偏低，1980— 1999年总体偏高。然而在2000年以后，流域降水基本上属于平水或枯水年份，但Hmin不仅没有随之降低，反而延续了1980—1999年以来不断升高的情势。经计算，2000—2013年Hmin的均值达到了2.90 m，远超过1954—1999年的2.66m。以2011年为例［14］，该年太湖流域遭遇严重的气象干旱，1—5月太湖流域降水量仅为178.6mm，较常年偏少59%，为1951年有降雨资料以来同期降水量最少的年份，但太湖最低水位仍然达到了2.74m，远高于类似的1978年（该年太湖最低水位为2.37m）。

图5　1954—2013年太湖年内最低水位Fig.5 Lowest annual water level of Taihu Lake during period from 1954 to 2013

显然，2000年以后Hmin不再受控于太湖流域降水条件，而在更大程度上取决于流域骨干河道引水等人类活动因素。根据太湖流域片水情年报［15］，近年来太湖流域沿江骨干河道引水规模不断增大，对枯水期的太湖及地区河网水量形成了较大补充。以太湖流域管理局实施的“引江济太工程”［17］为例，2002—2013年望虞河常熟枢纽年均引水时间为186d、引水量为19.8亿m3，而望亭立交年均入湖时间为113d、入湖水量为9.2亿m3。在2011年1月1日至6月9日，常熟枢纽累计引水量达到了22.7亿m3，望亭水利枢纽累计引水入湖水量达到了12.4亿m3。2002年以来太湖水位与2002前降水相似条件下的对比分析结果说明，“引江济太工程”对调水期太湖水位的平均抬升幅度可达到20 cm以上［18］。同时，大规模的沿江引水及土地利用变化等人类活动还改变了Hmin在年内出现时间的季节性规律。表2给出了1954—1979年、1980—1999年和2000—2013年3个时期Hmin在年内各旬出现的频率。对于1954—1979年和1980—1999年2个阶段，Hmin主要出现在非汛期的1—4月和11—12月，而在2000—2013年，Hmin在4—7月出现的频率最高，占全年的57.0%。

表2　不同年份太湖最低水位在年内各旬出现频率对比Table 2 Comparison of occurrence frequency of lowest annual water level of Taihu Lake over ten-day periods in two stages

3.3年平均水位

图6给出了1954—2013年太湖的年平均水位。可见，Hmean的年际变化规律与Hmin类似。经Mann-Kendall检验，在1954—2013年Hmean同样具有显著的上升趋势，其上升速度为0.34 cm/a。并且在流域降水总体偏枯的条件下，2000—2013年Hmean的均值达到了3.22m，明显超过1954—1979年、1980—1999年2个阶段的3.05m、3.19 m。这说明，2000年以来“引江济太工程”等沿江引水活动及土地利用变化等人类活动不仅对Hmin产生了重要影响，而且也成为太湖年内平均水位年际分布规律变化的主导性因素。

表3进一步从月平均水位的角度解析1954—2013年Hmean的年际变化趋势。由表3可知，在非汛期的1—4月和12月、汛期的8—9月太湖水位均存在显著上升趋势，而其他各月的上升趋势则未通过显著性检验。从各月太湖平均水位的线性变化速率来看，3月太湖水位的上升速率最高，其次为8月、2月和1月。总体上，非汛期的1—4月和12月平均水位上升是导致Hmean上升的主要构成部分。

图6　太湖年平均水位过程线Fig.6 Mean annual stage hydrograph of Taihu Lake

4　结　　语

采用1954—2013年共60a的太湖逐日水位资料，系统分析太湖年内最高水位、最低水位及年平均水位的阶段性变化规律，并结合太湖流域降水资料和引水资料，揭示3种水位特征要素阶段性变化的主导性因素。主要研究结论如下：

表3　太湖平均水位趋势检验结果Table 3 Trend test results of mean water level of Taihu Lake

a.1954—2013年，Hmax与太湖流域汛期降水量具有较强的同步性，在30a的时间尺度上存在着4个显著的高低演替阶段，但Hmax总体上不具有显著的上升或下降趋势。1954年以来Hmax的年际变化主要受控于汛期降水的年际周期性振荡。

b.1954—2013年，Hmin具有显著上升趋势。受太湖流域降水丰枯变化影响，在1954—1999年，Hmin的年际变化规律与Hmax相似，但2000年以后，在流域降水整体偏枯的情况下，受“引江济太工程”等大规模引水活动及土地利用变化的影响，Hmin仍延续了1980—1999年以来升高的情势，同时Hmin在年内出现的季节性规律也发生了变化。

c.1954—2013年，Hmean的年际变化规律与Hmin相似，且同样具有显著上升趋势。从各月太湖平均水位线性变化速率来看，非汛期的1—4月和12月平均水位上升是导致Hmean上升的主要构成部分。同时，“引江济太工程”等沿江引水活动也是导致2000年以来Hmean保持较高水平的主导性因素。

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Changes and cause analysis of water level characteristic factors in Taihu Lake during period from 1954 to 2013

WANG Leizhi1，HU Qingfang1，HU Yan2，WANG Yintang1，LIN Hejuan2
（1.State Key laboratory of Hydrology-Water Resources and Hydraulic Engineering，Nanjing Hydraulic Research Institute，Nanjing 210029，China；2.Hydrology Bureau，Taihu Basin Administration，Shanghai 200434，China）

Abstract：Based on daily water level observations of Taihu Lake during the period from 1954 to 2013，changes of three water level characteristic factors，including the highest annual water level，lowest annual water level，and mean annual water level，were analyzed and compared.In combination with rainfall and water diversion data from the Taihu Lake Basin，the dominant factors driving the three water level characteristic factors are illustrated.Results showed that changes of the highest annual water level were not significant during the period from 1954 to 2013 and its interannual variation was mainly controlled by the inter-annual periodic fluctuation of flood season precipitation in the Taihu Lake Basin.However，the lowest annual water level and mean annual water level of Taihu Lake were increasing significantly，with their inter-annual variations mainly controlled by the precipitation fluctuation in the Taihu Lake Basin before 2000.After 2000，their inter-annual variations mainly controlled by the massive water diversions，such as the water diversion from the Yangtze River to Taihu Lake，maintaining high levels of the lowest annual water level and mean annual water level in spite of less precipitation.In addition，water diversion from the Yangtze River to Taihu Lake causes significant changes of the seasonal distribution characteristics of the occurrence time of the lowest annual water level of Taihu Lake.

Key words：Taihu Lake；changes of water level characteristic factors；cause analysis；wavelet analysis

通讯作者：胡庆芳，高级工程师。E-mail：hqf_work@163.com

作者简介：王磊之（1991—），男，江苏句容人，硕士研究生，主要从事水文水资源研究。E-mail：wanglz@nhri.cn

基金项目：国家自然科学基金（51109136）；水利部公益性行业科研专项（201001002，201201072-2）

收稿日期：2015-01-03

DOI：10.3876/j.issn.1000-1980.2016.01.003

中图分类号：P332.3

文献标志码：A

文章编号：1000-1980（2016）01-0013-07