洪泽湖近50 a特征水位变化规律及影响因素

梅海鹏，王振龙，刘 猛，周佳敏

（1.安徽省·水利部淮河水利委员会 水利科学研究院，安徽 蚌埠 233000；2.水利水资源安徽省重点实验室，安徽 蚌埠 233000；3.河海大学 水文水资源学院，南京 210098）

1 研究背景

湖泊水位的高低及其变动范围、频率、发生时间、持续时长等是影响水资源调配、湿地水生植被状况的核心因素。洪泽湖特征水位能够直观反映湖区及上下游水文情势，平均水位能够反映时段内水位变化集中趋势，最高水位在区域防洪工程设计上具有重要的参考意义，最低水位对航运、生态等具有重要价值。2013年南水北调东线工程通水［1］，其正常蓄水位抬升至13.5 m［2］，区域水文特征发生了巨大的变化。洪泽湖是承接淮河中上游15.8万km2流域来水的调配中枢，解析其特征水位变化规律、识别其水位变化机理对洪泽湖区域的径流调配、生态流量保障、生态环境保护具有重要意义。

目前在五大淡水湖中，对洪泽湖的水位变化特征及规律方面的研究相对滞后，还处于发展阶段［3］，研究方向多集中在流域基本水文要素、水沙关系方面。在水文特征方面，楚恩国［4］对洪泽湖区域的水资源特点、水资源时空分配特点及区域洪涝灾害进行了分析；邓恒等［5］从河流、湖泊和入湖三角洲演变，以及洪泽湖调蓄量变化、出湖河道的演变等方面对洪泽湖与淮河的河湖关系进行了研究，提出河湖关系是建立在水沙交换基础上的；叶正伟等［6］通过探索洪泽湖流域汛期降水与东亚夏季风指数的关系，得出流域降水呈增加趋势且降水异常是流域洪涝灾害的主导因素。在水沙关系方面，樊贤璐等［7］对洪泽湖水沙变化的主要影响因素进行了识别，认为区域降水变化和治淮工程是影响洪泽湖水沙关系的主导因素；虞邦义等［8］通过分析长系列水沙资料，对洪泽湖的冲淤情况进行总结。在新的气候环境［9］和水利工程背景下，洪泽湖区域水文特征具有了新的变化，主导因素也随之改变，对洪泽湖的水位变化规律方面的研究亟需加强。

因此，本文通过联合Mann-Kendall检测、有序聚类分析、BFAST趋势分析和小波分析等方法，对洪泽湖平均水位、最高水位和最低水位3个特征水位年际、年内变化规律进行解析，结合自然环境变化和人类活动对洪泽湖水位变化的影响，系统地对洪泽湖水位突变点和总体变化趋势进行解释，并对驱动水位变化的主导因素进行识别，以期为现状水利工程运作环境下洪泽湖流域的防洪调度、生态水位控制和水资源分配提供科学依据。

2 资料与方法

2.1 数据来源

水位数据选取蒋坝、高良涧、尚咀和老子山4个具有代表性的水位观测站1967—2016年逐日水位数据，水位站位置如图1所示。洪泽湖蓄水位12.5 m（废黄河基面）时蓄水面积为2 069 km2，湖区各点水位在代表整个湖区水位时具有局限性，因此本文利用4站水位数据通过泰森多边形法计算洪泽湖逐日水位，并在此基础上根据研究时段得出平均水位、最高水位和最低水位。

图1 洪泽湖区水位观测站点分布Fig.1 Distribution of water level observation stations in Hongze Lake area

各入湖、出湖流量数据为同期控制站逐日流量数据，如表1所示；降水、蒸发数据选取具有代表性的同期三河闸雨量站和蒸发站数据。

2.2 研究方法

2.2.1 Mann-Kendall突变检验

Mann-Kendall趋势检验和突变检测［10-11］被广泛运用于对径流、降雨、气温、蒸发等水文和气象要素序列的突变进行检测，是一种非参数检验法。在时间数据序列随机且独立的假定条件下，通过将样本容量为N的时间序列构成一个秩序列，计算得到正序列统计量UFk、逆序列统计量UBk，绘制正、逆序列统计量曲线。若UFk和UBk2条曲线相交，且交点位于置信区间内，则交点为可能突变点。

表1 洪泽湖入湖、出湖河流及控制站点Table 1 Inlet and outlet rivers of Hongze Lake and control stations

2.2.2 有序聚类分析

有序聚类分析法［12］通过有序分类方式，推求序列存在的显著突变点。假设序列存在突变点τ，则突变点前序列和突变点后序列的离差平方和最小。

2.2.3 BFAST算法

BFAST算法（Breaks for Additive Seasonal and Trend）［13-14］是一种时间序列分解模型，将时间序列迭代分解为趋势项、季节项、残差项。该算法可以在月尺度上对时间序列的突变点进行识别，并对其阶段性变化趋势进行解析。

2.2.4 小波分析

小波分析是一种时间序列分析方法［15］，能够从时域和频域揭示时间序列的局部特征，多用于降水序列、径流序列等的多时间尺度变化特性研究。本文应用小波分析进行水位序列研究，能很好地揭示洪泽湖水位在不同时间尺度内的周期特性和时域内的变化规律。

3 水位变化特征

3.1 平均水位变化特征

根据图2（a）Mann-Kendall检验结果，洪泽湖平均水位在1967—2016年间呈3种趋势变化：1967—1977年呈上升趋势，1978—1982年呈下降趋势，在1983年后又呈上升趋势。洪泽湖平均水位在1983年发生突变。根据图2（b）聚类分析结果，平均水位聚类分析统计量Sn（τ）最小值为3.67，出现在1983年，可能为洪泽湖平均水位突变点，在突变年份前后，洪泽湖平均水位从1967—1983年的12.40 m上升到1984—2016年的12.84 m，抬升了0.44 m。

图2 洪泽湖平均水位Mann-Kendall检验结果和有序聚类分析统计量Fig.2 M-K test result and cluster analysis statistics of annual average water level of Hongze Lake

根据图3，利用 BFAST方法，将洪泽湖月均水位数据（Yt）迭代分解为季节项（St）、趋势项（Tt）、残差项（et）进行检测。趋势项检验结果表明 1967—2016年间洪泽湖平均水位经历5个变化阶段，4次突变点位置分别为 1978年 4月、1985年 10月、1994年11月和 2002年5月。1967年 1月—1978年 4月洪泽湖平均水位呈缓慢上升趋势，1978年 5月发生骤降；1978年 6月—1985年 9月平均水位呈显著上升趋势，在1985年 10月洪泽湖平均水位略微回落；1985年11月—1994年 10月洪泽湖平均水位保持平稳变化，直至 1994年11月平均水位明显抬升；1994年12月—2002年4月平均水位呈下降趋势，2002年5月水位再次大幅抬升，之后保持缓慢下降的趋势。

3.2 水位变化总体特征

1967—2016 年间洪泽湖特征水位变化趋势具有一致性，均经历5个变化阶段和4次突变，但相较于平均水位变化特征，最高、最低水位在突变节点上存在超前或滞后的现象。总体表现为1983年以前洪泽湖水位处于较低水平，1985年后洪泽湖水位相较之前有较大抬升，且最低水位变化响应时间最早，最高水位变化响应时间最迟，分析认为该变化情况与1983年前后为满足灌区用水量实施洪泽湖蓄水位抬升工程相关。Mann-Kendall趋势检验结果中洪泽湖各类特征水位突变年份均晚于有序聚类分析1 a，具有1 a滞后性，BFAST分析结果相较于前2种方法具有1～2 a的滞后性，这与分析方法的前提假设有关。结合实际工程情况，在判断洪泽湖特征水位的突变年份时，3种方法对洪泽湖特征水位突变年份的检测均落在1982—1985年之间，该阶段认为是水位抬升过渡时期。从表2结果可知BFAST分析不仅能在月尺度上对突变点进行识别，而且能反映突变点后一定时期内水位的变化趋势，相比前2种检测法更具优势。根据分析结果共检测出4次突变，将洪泽湖特征水位变化分为5个阶段，各突变时期对应的因素分别为洪泽湖东侧堤加宽加高工程（1976—1978年）［16］、洪泽湖蓄水位抬升工程（1983年）、洪泽湖大堤抗震加固工程、三河闸加固工程（1992—1995年）［17］和江水北调供水调度工程（2002—2003年）。

4 水位变化规律及影响因素分析

4.1 水位变化周期规律

在分析洪泽湖特征水位年内、年际变化特征的基础上，利用Morlet小波方法进一步分析洪泽湖历年平均水位序列的周期特征。图4中蓝色实线区域表示正小波系数实部，对应水位上升，黄色虚线区域表示负小波系数实部，对应水位下降。从图4可以看出洪泽湖特征水位序列波动具有高度一致性，在1967—2016年间均存在相似的多尺度特征。根据图4洪泽湖各特征水位的小波方差，主要存在36、17、9、4 a的第1—第4主周期，其中24～47、14～21、7～13 a这3个时间尺度上波动变化规律明显，且具有全域性，3～6 a尺度的水位波动规律不明显。

表2 洪泽湖特征水位变化趋势Table 2 Variation trends of characteristic water levels of Hongze Lake

图4 洪泽湖特征水位序列小波变换系数实部和小波方差Fig.4 Real parts of wavelet transform coefficient and wavelet variance of characteristic water levels of Hongze Lake

4.2 水位变化影响因素

根据洪泽湖特征水位的年际变化规律，将其分为5个时期，分别分析各个时期年内变化过程。根据图5，将洪泽湖特征水位在年内变化分为3个阶段：蓄水期10—4月份（Stage1）、泄水期5—6月份（Stage2）和涨水期7—9月份（Stage3）。

图5 洪泽湖平均水位、最高水位、最低水位年内变化过程Fig.5 Annual changes of mean water level，maximum water level and minimum water level of Hongze Lake

洪泽湖水位变化受湖水增量和湖水损失量的差值影响，建立各特征水位与各入湖流量、出湖流量、降水量及蒸发量之间的多元回归模型，通过标准化数据，利用回归方程系数判断水位变化的主要影响因素。建立逐步回归方程为

式中：H为水位；ai、bj、c、d均为回归模型的拟合系数；RHi和CHj为对应的入湖流量、出湖流量；P为降水量；E为蒸发量。利用R语言构建逐步回归模型，可以通过AIC（Akaike Information Criterion）值比较模型拟合优良性，避免过度拟合变量，在拟合过程中逐步剔除变量直到AIC最小的模型为最优模型，并分别通过T检验、F检验和R2判断模型系数显著性水平、回归方程的显著性水平和拟合优度，各类特征水位各阶段拟合结果如表3。

根据表3结果，各回归系数结果均达到0.05显著水平，部分数据达到0.01或0.001显著性水平；回归模型结果中，最低水位Stage2阶段的p值通过0.005显著性检验，其余各组模型也均通过0.001显著性检验；除各特征水位在Stage1阶段的模型拟合优度在0.62～0.66之间，其余各组模型拟合优度均＞0.8，拟合度较好。在Stage1蓄水阶段，周边灌溉、生活和工业用水会对水位动态变化有一定影响。各阶段不同因素影响洪泽湖特征水位占比如表4所示。

表3 洪泽湖特征水位的逐步回归系数Table 3 Stepwise regression results of characteristic water levels of Hongze Lake

表4 洪泽湖特征水位变化驱动因素占比Table 4 Proportions of factors in driving the fluctuation of characteristic water levels

综上，各期变化的主导因素为：Stage1阶段平均水位、最高水位和最低水位变化主要受小柳巷入湖流量和三河闸出湖流量影响，其中对平均水位和最低水位影响程度的表现为小柳巷入湖流量＞三河闸出湖流量，对最高水位影响程度与其相反，且三河闸出湖流量表现为负影响，表明蓄水期出湖流量对最高水位变化起主导作用；Stage2阶段平均水位、最高水位和最低水位变化主导因素均为小柳巷入湖流量和双沟入湖流量，但双沟入湖流量对平均水位和最低水位表现为负影响，表明在泄水期随着双沟入湖流量增加，泄水力度加大，保证在汛期前腾出库容拦蓄洪水；Stage3阶段平均水位、最高水位和最低水位主要受小柳巷入湖流量和三河闸、高良涧出湖流量影响，但小柳巷入湖流量对平均水位、最高水位和最低水位均为负影响，表明在涨水期随着上游来水增大，洪泽湖加剧泄水，控制水位上涨速度，保证周边地区安全。

5 结 论

本文通过分析洪泽湖特征水位年际、年内的变化规律，揭示了洪泽湖各特征水位周期规律、变化趋势和和影响因素，现将结论总结如下：

（1）特征水位年际变化具有一致性，近50 a洪泽湖特征水位显著突变时期为1982—1985年，1986年后洪泽湖特征水位呈显著上升趋势，而且最低水位变化响应时间最早，最高水位变化响应时间最迟。

（2）各特征水位年际变化周期保持高度一致性，但时间尺度不唯一，均存在第一主周期36 a，第二主周期17 a，第三主周期9 a。

（3）特征水位年内变化受人工调控特征明显，年内各期特征水位变化的主导因素不同。蓄水期小柳巷入湖流量是影响平均水位和最低水位变化的主要因素，三河闸出湖流量是影响最高水位变化的主要因素；泄水期特征水位变化的主要影响因素均为小柳巷和双沟入湖流量，双沟入湖流量对最低水位影响尤为明显；涨水期特征水位主要受小柳巷入湖流量和三河闸、高良涧出湖流量影响，小柳巷入湖流量在平均水位变化中起主要作用。

本文主要通过分析洪泽湖代表水位站数据，对湖区特征水位年际、年内的变化规律进行探讨。洪泽湖作为过水型湖泊，上游湖和下游湖特征水位也应存在一定的差异，在以后的研究中可以进一步对洪泽湖水位进行细化分区，对上下游湖泊水位变化机理进行探索。