变化环境下通江湖泊江水倒灌年内分配变化规律研究

，,2

(1.长江科学院 水资源综合利用研究所，武汉 430010；2.长江水利委员会规划计划局，武汉 430010)

1 研究背景

我国长江中游地区湖泊众多，作为自然生态系统的重要组成部分，湖泊具有调蓄洪水、涵养水源、保护生物多样性、提供水产品和消纳污染物等多种生态功能[1]。目前鄱阳湖和洞庭湖2个大型淡水湖泊仍保持着与长江的自然连通状态，长江与他们之间相互作用、互为制约[2]，江湖关系的变化影响着区域洪水灾害防治、水资源利用、水环境保护和水生态安全，是长江中游水问题的核心[3]。近年来，随着长江干流以三峡工程为代表的众多上游控制性水利枢纽相继建成运行，通江湖泊以水位为代表的水文要素产生了新的变化，导致湖泊水位偏低、枯水期显著变长、湖泊水资源利用等一系列问题[4]。

江水倒灌是通江湖泊的典型特征，具有调蓄长江洪水、维持湖泊水位、保障湖泊区水资源利用安全、促进洲滩湿地生态演变等功能。受江湖关系变化的影响，江水倒灌也呈现出许多新的变化规律。目前对于变化环境下江湖关系的研究，多集中于对变化环境下湖泊水位、泥沙的相互关系等。郭华等[5]通过2004—2008年的数据分析，认为三峡水库10月份的大量蓄水使长江对鄱阳湖的作用频率明显减弱，导致长江下泄流量减少，对鄱阳湖水位有一定影响。汪迎春等[6]运用长江中游江湖耦合水动力模型模拟的结果表明三峡水库蓄水会导致鄱阳湖都昌站水位降低0.09～1.11 m。方春明等[7]预测三峡水库的运用，在河道冲刷和蓄水共同作用下，鄱阳湖的枯水季节将提前1个月左右；并提出湖口站出现倒流的简化判别条件，即九江流量日涨幅超过了湖口前一天的流量。胡春宏等[8]、朱玲玲等[9]开展了三峡工程运行后，长江干流河道和鄱阳湖的泥沙淤积变化研究，均指出三峡工程的运行减少了鄱阳湖泥沙淤积的速度和数量，并造成河道冲刷加剧等影响。

综上可以看出，很多学者均将三峡水库的运行作为鄱阳湖江湖关系变化的节点，但往往并没有做更进一步的水文变异分析，在节点的选取上缺乏理论依据；其次，江水倒灌对于通江湖泊水量补充的作用非常明显，且受环境变化的影响，其倒灌水量、持续时间等也在悄然改变，但目前对于其变化规律的研究仍较为欠缺。针对上述存在的问题，本文以鄱阳湖作为通江湖泊江水倒灌的研究对象，首先采用水文变异诊断系统，对鄱阳湖湖口站的水位进行变异诊断；以变异诊断结果为依据，对变异前后江水倒灌的年内变化规律进行系统的梳理和分析。

2 数据来源及水文变异诊断系统

2.1 数据来源

湖泊水位是影响湖泊生态安全的重要因素之一，是湖泊生态系统的结构和功能完整性的综合体现，同时还体现了通江湖泊与长江之间的江湖关系。因此，本文选择鄱阳湖湖口站的水位序列作为鄱阳湖江湖关系变化节点的分析序列；同时采用该站的实测径流序列，分析变异前后江水倒灌的年际变化规律。

2.2 水文变异诊断系统

水文序列包括确定性成分和随机性成分，而确定性成分则包括周期、趋势和跳跃成分。如果水文序列与周期、趋势和跳跃成分无关，则它是平稳的时间序列，表明整个水文序列具有相同的物理成因，其统计规律满足一致性,否则，水文序列就是非平稳的，表明影响水文序列的物理成因发生了变化，其统计规律是非一致的。因此，从统计学的角度，水文序列变异主要是指水文序列的分布形式或(和)分布参数在整个序列时间范围内发生了显著变化[10]。

在水文序列变异诊断方法上，针对不同水文序列成分的诊断方法也有所区别，比如诊断跳跃变异的秩和检验法、有序聚类法等，诊断趋势变异的Spearman秩次相关检验法、Kendall秩次相关检验法等。

2010年，谢平等[11]提出了用于水文水资源序列变异诊断的水文变异诊断系统，该系统主要考虑了趋势和跳跃2种变异形式，由初步诊断、详细诊断和综合诊断3个部分组成，不仅可以从整体上识别与检验时间序列变异及其变异程度(无变异、弱变异、中变异、强变异、巨变异)，而且可以识别非一致性序列发生变异的形式(趋势、跳跃变异点)，检验指标全面，权重赋值客观、诊断结果可信。该系统解决了传统检验方法只能进行单一变异形式的识别，不能从整体上识别检验时间序列变异及其变异程度；跳跃变异中单一检验方法有时检验结果不合理,且多种检验方法的检验结果经常出现不一致的问题。

初步诊断部分采用过程线法、滑动平均法、Hurst系数法对序列变异进行检验，判断序列是否存在变异，如果判断结果为不存在变异，则转入成因调查分析，对结果进行确认；若存在变异，则转入详细诊断部分。

详细诊断部分采用多种变异检验方法对序列进行变异判断，分别对序列的趋势变异、跳跃变异情况进行判断分析。对于趋势变异，采用基于线性趋势相关系数的趋势变异分级法和检验法、Spearman秩次相关检验法和Kendall秩次相关检验法对其进行判断；对于跳跃变异，采用有序聚类法、Lee-Heghinan法、秩和检验法、滑动F检验法、滑动t检验法、游程检验法、最优信息二分割模型、R/S法、Brown-Forsythe、Mann-Kendall、Bayesian方法进行判断，然后进入综合诊断部分。

综合诊断部分根据详细诊断结果，对趋势诊断结论进行趋势综合，对跳跃诊断结论进行跳跃综合。根据效率系数评价水文序列与趋势成分或跳跃成分的拟合程度，以效率系数较大者作为变异形式判断的结果。最后结合实际水文调查分析，对变异形式和结论进行确认，从而得到最可能的变异诊断结果。因此，本文采用水文变异诊断系统进行水文序列的变异诊断。

3 湖口站水位变异诊断

倒灌流量序列并非是一个连续的时间序列，少数年份并没有发生倒灌；同时，鄱阳湖水位的影响因素较多，水位则是这些影响因素的综合反映，是包含与被包含之间的关系。因此，本文采用湖口站水位序列进行变异诊断，并根据其变异诊断结果，对江水倒灌序列进行水文变异时段的划分。

在第一信度水平α=0.05、第二信度水平β=0.01的条件下，利用水文变异诊断系统对湖口站1955—2013年的年均水位序列进行变异诊断结果如表1所示，湖口站年均水位及跳跃变异如图1所示。

从图1可看出，鄱阳湖湖口站水位在2003年发生了跳跃向下的中变异，变异前1955—2003年的水位均值为12.85 m;变异后2004—2013年的水位均值为12.05 m，变异后湖口站年均水位下降了0.80 m。

4 江水倒灌年内分配变化规律分析

以湖口站水位序列的变异诊断结果为依据，将湖口站1955—2012年江水倒灌序列分为两段，即1955—2003年(下文简称变异前)和2004—2013年(下文简称变异后)，分别对鄱阳湖江水倒灌的年内分配变化规律进行分析。

4.1 倒灌总体样本水位及流量变化规律

将出现倒灌的天数作为样本，首先对其总体样本水位及流量的变化规律进行分析。

表1 湖口站年均水位序列变异诊断结果Table 1 Result of variation diagnosis on the annualaverage water level series at Hukou station

注：“+”表示跳跃或趋势显著，“-”表示跳跃或趋势不显著，“0”表示不能进行显著性检验， “↓”表示跳跃下降

图1 湖口站年均水位及跳跃变异Fig.1 Annual average water level series and leaping alteration

据湖口站实测倒灌流量和水位资料，变异前共发生江水倒灌609 d，变异后共发生倒灌85 d，如图2所示。

变异前后发生倒灌时湖口站的水位及流量边界值如表2所示。

从表2中可以看出，湖口站水位变异前后，江水发生倒灌时的水位以及最大日均流量值均有较大的变化。首先，变异后江水倒灌时对应的水位分布区间更加紧密，仅发生在12.72～18.46 m之间，比变异前的区间长度减少了4.22 m；其次，日均倒灌流量的最大值有大幅度减小，从13 600 m3/s减少为7 000 m3/s，减少幅度为48.5%。

对倒灌总体样本相应的水位进行统计，见表3。

图2 变异前后湖口站倒灌日均流量Fig.2 Daily average backward flow rate at Hukou Station before and after the alteration

表2 变异前后倒灌水位及流量边界值变化Table 2 Extreme values of water level and dischargeof backward flow before and after the alteration

表3 变异前后倒灌水位分布区间变化Table 3 Ranges of backward flow water levelbefore and after the alteration

从表3中可以看出，湖口站江水倒灌时的水位分布区间发生了一定的变化。首先，变异后的水位分布更为集中，当(16.00，18.00] m及[12.00，14.00] m时，倒灌发生的概率比变异前有所增加，而其他水位区间则均呈减小的趋势；其次，变异后的水位在<12.00 m和>20.00 m的区间，并没有发生江水倒灌的现象。

对倒灌总体样本相应的流量进行统计，如表4所示。

从表4中可以看出，水位变异前后江水倒灌的流量分布区间也出现了一些变化。变异前，倒灌流量接近50%分布在流量<1 500 m3/s之内，且随着倒灌流量的增加，其出现的概率也随之减少，规律性较为明显；变异出现后，倒灌流量仅有约1/3分布在流量<1 500 m3/s之内，流量在[1 500，3 000] m3/s与(3 000，4 500] m3/s区间的分布概率非常接近，变异后倒灌流量呈现出较强的分散性。

表4 变异前后倒灌流量分布区间变化Table 4 Ranges of backward flow rate beforeand after the alteration

4.2 倒灌天数年内分配变化规律

将每个月出现倒灌的天数作为样本，对其样本出现的概率及流量等要素的年内分配变化规律进行分析。

据湖口站实测倒灌资料，变异前江水倒灌全部分布在6—12月份，变异后则只在7—11月份出现，如表5所示，变异前后逐月发生倒灌的概率及变异前后逐月发生倒灌的平均天数如图3所示。

表5 变异前后逐月倒灌天数变化Table 5 Ranges of monthly durations of backwardflow before and after the alteration

图3 变异前后逐月倒灌概率和逐月倒灌平均天数分布Fig.3 Probability and average duration of monthly backward flow before and after the alteration

从图3(a)和表5中可以看出，变异前，江水倒灌主要发生在7—9月份，占全年发生概率的86.20%，其中9月份发生的概率最大，为34.48%，同时,6月份和12月份也出现过少数几天的江水倒灌。变异后，虽然江水倒灌仍主要是发生在7—9月份，占全年发生概率的91.76%，但7月份和8月份发生的概率均超过变异前的相应月份，且大于变异前9月份的出现概率，同时，6月份和12月份并没有出现江水倒灌。可以看出，变异后江水倒灌发生的月份比变异前更为集中，倒灌最有可能发生的月份从变异前的9月份演变为变异后的7—8月份，年内分配在不同月份有较大的变化。

从图3(b)和表5中可以看出，除11月份之外，变异后逐月发生倒灌的平均天数相比变异前均呈下降的态势，降幅最大的为9月份，平均减少3.8 d；总体而言,变异后月均天数比变异前减少1.6 d。

将变异前后逐月的流量均值进行统计，倒灌流量均记为负值，如表6和图4所示。

表6 变异前后逐月倒灌流量均值变化Table 6 Values of monthly average backward flowrate before and after the alteration

图4 变异前后逐月倒灌流量均值分布Fig.4 Monthly mean values of backward flow rate before and after the alteration

从图4和表6中可以看出，变异后逐月的流量均值相比变异前有升有降，其中，6月份和12月份的降幅最大，另外出现下降的月份为10月份和11月份，而7—9月份均有所上升，9月份上幅最大，比变异前上涨32.38%；年均的倒灌流量总体呈下降趋势，降幅为20.36%。可以看出，变异后江水倒灌流量相对于变异前也更为集中，且年均倒灌流量呈下降趋势。

倒灌流量极值可以反映通江湖泊洪水遭遇，对分析区域防洪抗旱等问题具有重要的作用。将变异前后逐年每月江水倒灌的流量极值进行分析，结果如表7和图5所示。

从表7和图5中可以看出，除8月份极值基本和变异前持平以外，变异后逐月的流量极值相比变异前总体呈降低趋势，降幅在35%至100%之间。变异后的流量极值整体趋于扁平化，一定程度上有利于鄱阳湖防洪，但也会对鄱阳湖枯期水位造成影响。

表7 变异前后逐月倒灌极值变化Table 7 Extreme values of monthly backward flowrate before and after the alteration

图5 变异前后逐月倒灌极值分布Fig.5 Extreme values of monthly backward flow rate before and after the alteration

综上可以看出，变异后7—9月份一方面江水倒灌的流量均值上升，另一方面倒灌的平均天数减少，总体相比变异前，倒灌水量呈减少的态势，且倒灌流量的极值有较大幅度降低，有利于鄱阳湖的防洪安全。变异后枯期江水倒灌的流量均值、平均天数、流量极值比变异前总体大幅度下降，对于鄱阳湖枯期水位会有较大的影响。

5 结论与展望

5.1 结 论

本文采用水文变异诊断系统，以湖口站实测水位资料的变异诊断结果为依据，提出将2003年作为节点，分析水位变异前后鄱阳湖江水倒灌的年内分配变化规律，主要结论如下：

(1)湖口站于2003年发生了跳跃向下的中变异，变异前1955—2003年的水位均值为12.85 m，变异后2004—2013年的水位均值为12.05 m，变异后湖口站年均水位下降了0.80 m。

(2)在收集到的湖口站1955—2013年江水倒灌序列中，变异前共发生江水倒灌609 d，变异后共发生倒灌85 d。

倒灌水位方面，变异后江水倒灌时对应的水位分布区间更加紧密，仅发生在12.72～18.46 m区间，比变异前的11.16～21.12 m区间长度减少了4.22 m。

倒灌流量方面，日均倒灌流量的最大值有大幅度减小，从13 600 m3/s减少为7 000 m3/s，减少幅度为48.5%；变异前倒灌流量接近50%分布在流量小于1 500 m3/s之内，且随着倒灌流量的增加，其出现的概率也随之减少，规律性较为明显；变异出现后，倒灌流量呈现出较强的分散性。

倒灌时间方面，变异后江水倒灌发生的月份比变异前更为集中，倒灌最有可能发生的月份从变异前的9月份演变为变异后的7月份和8月份，年内分配在不同月份有较大的变化。降幅最大的为9月份，平均减少3.8 d的倒灌时间。

(3)综上可知，出现变异后，江水倒灌的流量均值上升，倒灌的平均天数减少，总体相比变异前，倒灌水量呈减少的态势，且倒灌流量的极值有较大幅度降低，有利于鄱阳湖的防洪安全。变异后枯期江水倒灌的流量均值、平均天数、流量极值比变异前总体大幅度下降，对于鄱阳湖枯期水位会有较大的影响。

5.2 展 望

针对本文的研究内容，下一步在以下几个方面仍需开展进一步的研究。

(1)尽管湖口站水位于2003年发生了变异，但三峡工程对其变异的贡献程度仍需要进一步分析。

(2)无论是倒灌次数、每次持续的时间，还是倒灌水量，变异后比变异前均有所减少，可能是导致鄱阳湖枯期水位偏低的重要原因，但具体影响程度及其相应的对策也有待进一步的研究。