1959～2020年洞庭湖四水洪水情势变异特性及归因分析

陈柯兵，肖 华，何奇锴，孙思瑞

(1.长江水利委员会 水文局，湖北 武汉 430010； 2.长江大学 资源与环境学院，湖北 武汉 430100； 3.长江大学 油气地球化学与环境湖北省重点实验室，湖北 武汉 430100； 4.长江水利委员会水文局 长江中游水文水资源勘测局，湖北 武汉 430010)

0 引 言

洞庭湖为中国大型通江湖泊，地处长江中游荆江南岸，湖南四水(湘江、资水、沅江、澧水)洪水汇集于洞庭湖，经调节后由城陵矶注入长江，具有较强的洪水调蓄功能。因四水洪水特征各异，致使洪水组合情况较为复杂。四水洪水情势变化不仅关系洞庭湖湖区的防洪形势，一旦与长江干流遭遇，还会影响长江中下游及武汉地区的防洪安全。

当某个时间范围内水文序列的分布形式和分布参数发生了显著变化，则称序列发生了变异[1]。近年来，受全球气候变化和大规模人类活动等影响，导致洞庭湖入湖、湖内和出湖的洪水序列发生了变异[2- 3]，洞庭湖流域洪水灾害频发。如2015年5月，湘南地区遭遇强降雨袭击，局部地区大暴雨，导致湘江中上游部分站点超警戒水位达3 m。2017年6月下旬，湖南省普降大到暴雨，部分地区大暴雨，平均降雨量197.3 mm，湘江、资水、沅水3条干流及洞庭湖区共24个水位站点超警戒水位。2019年7月，湖南全省普降大到暴雨，受强降雨影响，湘江、资水、沅江干支流均有不同程度上涨，洞庭湖从西到东发生超警戒洪水，城陵矶站超警戒水位62 h。2020年7月，湘中以北地区发生连续的降雨过程，洞庭湖区及沅水、澧水共有26个水文(水位)站超过警戒水位。

围绕洞庭湖水文、气候、泥沙等要素的变化分析已有许多研究。针对其变异特征，以往多采用Mann-Kendall秩相关分析方法和奇异谱分析法等[4-5]。对于洞庭湖洪水变异研究，大多基于实测水文气象数据，采用综合分析、周期图分析、分维定量刻画、滑动平均、小波分析等多种方法，揭示洞庭湖区洪涝灾害特征[6]，分析三峡工程运行前后水文序列的非一致性变化[7]。另有采用灰色关联度分析，对汛期内分配指标与湖南省水旱灾害实际状况的关系进行探索[8]。

为加强对洞庭湖四水洪水特性变化研究，并对整体进行分析、判断与归因，在上述研究的基础上，本文基于1959～2020年超过60 a的长序列观测资料，针对洞庭湖四水的出口控制水文站点年最大洪峰流量序列、年最高洪峰水位序列进行变异诊断，对洪峰流量、水位要素的变异时间、变异形式、变异程度以及变异的原因开展深入研究。

1 研究数据与方法

1.1 研究数据

洞庭湖横跨湘、鄂两省，西南接湖南省的湘、资、沅、澧四水，北纳荆江三口分流，还有湘水尾闾四小河等河流直接入湖。经湖泊调蓄后，从岳阳城陵矶汇入长江。洞庭湖地势西高东低，被分成东洞庭湖、南洞庭湖、西洞庭湖(由目平湖、七里湖组成)，自西向东形成一个倾斜的水面。

根据洞庭湖四水水系分布，选取入湖四站：湘潭站、桃江站、桃源站、石门站。站点资料概况和分布如表1，图1所示。资料来源为湖南省水文水资源勘测局，数据经过整编，质量可靠。

表1 水文站点资料概况

考虑到2015年以来洞庭湖流域洪水灾害频发的现象，本文将水文序列以2014年进行了分段，即分别考虑1959～2014年和1959～2020年，两段序列时长，以充分分析近年来的四水洪水特性。

1.2 水文序列变异分析方法

由于水文序列(特别是洪水序列)变异形式比较复杂，为得到可靠的水文序列变异形式及程度，需要使用不同的统计方法进行综合分析。本文采用谢平等[9]提出的水文变异诊断系统对洞庭湖各水文站点年最大洪峰流量、年最高洪峰水位序列进行诊断分析。针对洞庭湖三口洪峰流量和水位变异特性分析，孙思瑞等[10]使用该方法，取得了较好的结果。

诊断系统分析流程可分为3个阶段(图2)：① 初步诊断，即定性和定量判断序列是否存在变异，并对变异程度进行初步分类；② 详细诊断，即利用多种检测方法，综合判断和分析序列的跳跃、趋势变异；③ 综合诊断，确定最终变异形式，同时导出结果。在具体使用中，诊断系统会进行多次循环计算，将扣除跳跃、趋势等确定性成分后的剩余序列作为新序列放入诊断系统中再次进行计算。为了合理量化各变异形式的显著性，系统将序列变异程度划分为无、弱、中、强、巨5个等级，无变异表示变异不显著。如Hurst系数法一般采用R/S分析原理来计算水文序列的Hurst系数，然后根据变异程度分级表[1]来判断序列的变异程度，系数位于0.924与1.000之间时，变异程度为巨变异。

2 四水洪水要素变异特征分析

本文借助水文变异诊断系统，对四水站点的年最大洪峰流量、年最高洪峰水位序列进行变异分析，诊断结果见表2。

2.1 四水洪峰流量变异特性

湘潭站、桃源站的年最大洪峰流量序列均为无变异。

桃江站年最大洪峰流量序列(1959～2014年)在1987年发生方向向上的跳跃弱变异，1999年发生方向向下的跳跃中变异，见图3(a)、(b)。桃江站1959～2020年序列在1987年发生方向向上的跳跃变异，见图3(c)，变异程度为跳跃弱变异，与2014年序列对比存在差异。

石门站的年最大洪峰流量序列(1959～2014年)为无变异，1959～2020年序列在2003年发生向下的跳跃中变异，见图3(d)，与2014年前的序列对比存在差异。

图2 水文变异诊断系统流程

2.2 四水洪峰水位变异特性

湘潭站、石门站年最高洪峰水位序列为无变异，桃江站、桃源站的年最高洪峰水位序列存在变异。其中，桃江站年最高洪峰水位新老序列均在1987年发生向上的跳跃中变异，见图4(a)、(c)。桃源站1959～2014年时段序列，年最高洪峰水位在1989年发生向上的跳跃中变异，见图4(b)；1959～2020年时段序列，在1989年发生向上的跳跃弱变异，见图4(d)。两序列的变异程度存在差异。

表2 四大水系水文变异诊断结果

对区域各站点年最高洪峰水位序列进行相关性分析，能通过显著水平0.05的假设检验的有：桃江站和桃源站相关系数为0.648，相关性较好；石门站和桃源站相关系数为0.280。从站点的空间分布上，桃源站位于石门、桃江二者的中间位置，体现了四水洪水情势一定程度的空间分布规律。桃江站和桃源站年最高洪峰水位序列变异情况较为类似。

3 变异归因分析

湘潭站洪峰、水位序列未发生变异，此结果也同已有研究成果较为一致。如冯畅等[11]分析了1960～2015年湘江湘潭站的水沙实测、流域降水等数据，得到湘潭站径流量和水位虽有变化但并不显著，湘江流域降水变化趋势不显著的结论。研究结果证明：湘江2017年与2019年两场特大洪水并未影响湘江的洪水情势特性，洪水的序列特征保持不变。

桃江站年最大洪峰流量序列在1987年发生向上的跳跃变异。王国杰等[4]对洞庭湖流域的气温、降水和参照蒸散发进行趋势与突变分析，认为受到全球变暖的区域响应影响，20世纪80年代末洞庭湖流域整体年降水有明显增加，尤其是夏季降水有突变式跃升，与桃江站年最大洪峰流量序列发生跳跃向上的年份1987年为同一时期。四水均为降雨形成的洪水，该时期夏季降水的增加会对桃江站年最大洪峰流量增多产生积极影响。桃江站附近国家气象站点安化站年最大1 d降雨序列经检验在同一时期也发生向上的跳跃变异。因此，桃江站年最大洪峰流量序列在1987年发生向上的跳跃变异可认为与同一时期降水的突变式跃升有关。而桃江站年最高洪峰水位序列在1987年发生向上的跳跃变异可认为与同时期洪峰流量的变异情况有关联。

图3 四水年最大洪峰流量序列跳跃变异示意

图4 四水年最高洪峰水位序列跳跃变异示意

桃江站年最大洪峰流量序列(1959～2014年)在1999年发生向下的跳跃变异，而1959～2020年序列未发生，与2014年序列对比存在差异。有研究对桃江站1990～2013年径流序列进行了分析[8]，发现在径流演化过程中，1999年处出现了明显的丰水周期，前后也有很明显的枯水周期。1999年为“丰枯交替”年份，使桃江站年最大洪峰流量序列在此处发生了向下跳跃变异。而近期的研究[12]对1956～2018年桃江站径流演变规律进行了探讨，发现2016～2018年桃江站进入了多水期，从而导致了1999年的跳跃变异消失。

桃源站年最高洪峰水位序列在1989年发生向上的跳跃变异，点绘桃源站1959～1989年和1990～2020年历年年最高洪峰水位和年最大洪峰流量关系线(图5)可知：该站水位流量关系发生变化，1989年后点距左偏，同流量水位偏高。说明站点的断面可能发生了一定的变化。同时，沅江流域凤滩水电站等建设后，水库对洪水进行调节，使得泄流时间较长，也容易造成峰小水位高的情况[13]。

图5 桃源站水位流量关系

石门站1959～2014年时段序列，年最大洪峰流量未发生变异；1959～2020年时段序列，在2003年发生向下的跳跃中变异。两序列的变异结果存在差异。造成此现象的原因可能为近年来澧水流域江垭、皂市水库联合调度较为成功[14-15]，降低了澧水干流石门站的洪峰流量，从而使序列自2003年后整体发生了跳跃变异。

4 结 论

论文借助水文变异诊断系统，对四水站点的年最大洪峰流量、年最高洪峰水位序列进行变异分析，对洞庭湖四水洪水变异状况进行了归纳总结并对变异原因进行了探索。结果表明：湘潭站洪峰、水位序列未发生变异；受降水突变式跃升的影响，桃江站洪峰流量、洪峰水位序列在1987年发生向上的跳跃变异；因站点断面的水位流量关系发生了变化，桃源站年最高洪峰水位序列在1989年发生向上的跳跃变异；因江垭、皂市水库联合调度的影响，石门水文站年最大洪峰流量序列在2003年发生向下的跳跃变异。