王磊之，胡慶芳，胡　艷，王銀堂，林荷娟（.南京水利科學(xué)研究院水文水資源與水利工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京　009；.太湖流域管理局水文局（信息中心），上?！?000）

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1954—2013年太湖水位特征要素變化及成因分析

王磊之1，胡慶芳1，胡艷2，王銀堂1，林荷娟2
（1.南京水利科學(xué)研究院水文水資源與水利工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京210029；2.太湖流域管理局水文局（信息中心），上海220000）

摘要：采用1954—2013年的逐日水位資料，系統(tǒng)分析和比較了太湖年內(nèi)最高水位、最低水位及年平均水位共3種水位特征要素的年際變化規(guī)律，結(jié)合太湖流域降水資料和工程引水資料，揭示了導(dǎo)致三者發(fā)生階段性變化的控制性因素。結(jié)果表明：（a）1954—2013年，太湖年內(nèi)最高水位總體上不具有顯著的變化趨勢(shì)，其年際變化主要受控于汛期降水的年際周期性振蕩；太湖年內(nèi)最低水位、年內(nèi)平均水位均具有顯著的上升趨勢(shì)，盡管兩者在2000年之前的年際變化主要受控于太湖流域降水豐枯振蕩，但在2000年之后的“引江濟(jì)太工程”等大規(guī)模引水活動(dòng)已成為兩者在流域降水整體偏枯情況下仍保持較高水平的主導(dǎo)性因素。（b）沿江引水使太湖的年內(nèi)最低水位出現(xiàn)時(shí)間的季節(jié)性分布特征發(fā)生了明顯變化。

關(guān)鍵詞：太湖；水位要素變化規(guī)律；成因解釋；小波分析

太湖流域以“江南水鄉(xiāng)”而著稱，水位觀測(cè)數(shù)據(jù)是反映該流域復(fù)雜水文情勢(shì)的主要信息。區(qū)域氣候要素變化以及人類活動(dòng)對(duì)太湖流域水文水資源的影響主要體現(xiàn)在太湖以及地區(qū)河網(wǎng)代表站的水位變化上。特別是太湖作為全流域水量調(diào)配中心，其水位變化規(guī)律對(duì)于流域旱澇情勢(shì)更具有指示意義。

前人已對(duì)太湖水位要素的變化規(guī)律及其成因進(jìn)行了一定分析。譬如：尹義星等［1-2］指出1954—1999年太湖最高水位的變化與西北太平洋夏季風(fēng)指數(shù)關(guān)系密切，但湖泊圍墾、河網(wǎng)及土地利用調(diào)整等人類活動(dòng)因素是導(dǎo)致20世紀(jì)80—90年代太湖最高水位頻現(xiàn)高值的重要原因。吳浩云［3］也認(rèn)為20世紀(jì)80—90年代流域防洪壓力不斷增加、太湖最高水位明顯高于以往的情況固然受梅雨豐沛等氣候因素的影響，但流域水量調(diào)蓄空間減少，太浦河、望虞河行洪不暢也起到了重要作用。Hu等［4］建立了1956—2005年太湖流域前30天累積降水量、累積蒸發(fā)能力與太湖最高水位之間的統(tǒng)計(jì)回歸模型，評(píng)估了氣候因素和下墊面等因素對(duì)20世紀(jì)80年代前后太湖最高水位相對(duì)變化的貢獻(xiàn)，認(rèn)為氣候因素是太湖最高水位上升的主導(dǎo)性因素。劉瀏等［5］認(rèn)為隨著近年社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，太湖水位受人類活動(dòng)的影響越來越劇烈，在汛期雨量達(dá)300～400 mm的情況下，太湖水位突破了4.0m。同時(shí)，他們還指出在未來（2021—2050年）氣候和下墊面情景下，總體上太湖汛期最高水位將比1961—1990年顯著升高，導(dǎo)致流域防洪形勢(shì)更為嚴(yán)峻。

可見，上述研究成果集中在對(duì)太湖年內(nèi)最高水位的分析上，主要從防洪角度來探討太湖水位演變規(guī)律，對(duì)太湖年內(nèi)平均水位、最低水位等其他特征要素的分析較少。然而，不同的水位特征值對(duì)太湖流域防洪和水資源供給情勢(shì)具有重要的指示作用，僅僅對(duì)年內(nèi)最高水位進(jìn)行分析難以滿足流域水資源供給情勢(shì)的分析。同時(shí)，已有研究采用的水位數(shù)據(jù)序列也非最新，而2000年以來太湖流域氣候條件和人類活動(dòng)因素又具有了新的特點(diǎn)。因此，已有研究尚難以全面反映太湖水位的演化特征及其驅(qū)動(dòng)因素。鑒于這一背景，本文在前人基礎(chǔ)上將太湖水位系列延長(zhǎng)至2013年，然后采用多種統(tǒng)計(jì)方法，系統(tǒng)分析和比較太湖年內(nèi)最高、最低和平均水位的變化規(guī)律。由于2000年以來“引江濟(jì)太工程”等沿江大規(guī)模引水對(duì)太湖水情可能產(chǎn)生了重要影響，故本文尤其關(guān)注最近10余年來（2000—2013年）太湖水位特征要素的新變化，并對(duì)其成因加以解釋。

1　研究區(qū)域與數(shù)據(jù)

1.1研究區(qū)域

太湖流域?qū)賮啛釒Ъ撅L(fēng)氣候，夏季高溫多雨、冬季溫和，年平均降雨量1154mm。受副熱帶高壓的影響，春夏之交常出現(xiàn)持續(xù)連綿的梅雨天氣，個(gè)別年份梅雨季節(jié)異常持久，易造成洪澇災(zāi)害；同時(shí)，夏季常受到臺(tái)風(fēng)的影響，易產(chǎn)生極端降水天氣。太湖是我國(guó)第三大淡水湖，位于流域中部，湖泊面積為2427.8km2，湖岸線全長(zhǎng)393.2km。太湖西部和西南側(cè)為丘陵山地，東側(cè)以平原及水網(wǎng)為主。

1.2研究數(shù)據(jù)

太湖湖區(qū)的望亭（太）、大浦口、夾浦、小梅口、洞庭西山5個(gè)水位站的位置如圖1所示。采用這5個(gè)站點(diǎn)在1954—2013年日均水位的算術(shù)平均值代表同期太湖逐日水位值。在太湖逐日水位數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步得到了年內(nèi)最高水位、年內(nèi)最低水位和全年平均水位序列（分別以Hmax、Hmin、Hmean表示）。

圖1　太湖湖區(qū)水位站點(diǎn)分布Fig.1 Gauging station distribution in Taihu Lake

2　研究方法

本文首先采用連續(xù)小波［6-8］分析Hmax在1954—2013年的年際演化特征，然后采用Mann-Kendall方法［9-11］檢驗(yàn)其總體趨勢(shì)變化，并對(duì)比20世紀(jì)80年代前后Hmax在年內(nèi)各旬出現(xiàn)頻率的季節(jié)性差異；對(duì)于Hmin，除檢驗(yàn)其在1954—2013年的總體趨勢(shì)變化外，著重分析其在2000年后的新變化；對(duì)于Hmean，還需從年內(nèi)不同時(shí)段解析其趨勢(shì)變化特征。同時(shí)，尤其注意分析Hmax、Hmin和Hmean三者變化規(guī)律的異同，并結(jié)合太湖流域近年來氣象資料和重要水利工程引水資料［12-15］，對(duì)導(dǎo)致其變化的主導(dǎo)性因素進(jìn)行分析。

3　結(jié)果與討論

3.1年內(nèi)最高水位

圖2給出了1954—2013年的太湖年內(nèi)最高水位，從中可知Hmax具有顯著的年際變化。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，其最大值、最小值和均值分別為4.97m（1999年）、2.87m（1978年）和3.76m，極差為2.05 m，極值比為1.73。基于Morlet連續(xù)小波分析了Hmax的演化過程。由圖3所示的小波等值線和小波方差可知，在30a的時(shí)間尺度上Hmax存在著4個(gè)顯著的高低演替階段：1954—1962年Hmax總體偏高，1963—1979年總體偏低，1980—1999年總體偏高，2000—2013年總體偏低。這與太湖流域汛期降水量（Pw）的豐枯變化（圖4）相吻合。在1954—2013年，Hmax和Pw兩者的線性相關(guān)系數(shù)接近0.85。

圖2　1954—2013年太湖年內(nèi)最高水位Fig.2 Highest annual water level of Taihu Lake during period from 1954 to 2013

圖3　1954—2013年太湖年內(nèi)最高水位小波等值線和小波方差Fig.3 Wavelet contour map and wavelet variogram of highest annual water level of Taihu Lake during period from 1954 to 2013

圖4　1954—2013年太湖流域汛期降水量小波等值線和小波方差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次達(dá)到或超過4.10m，其中有9次出現(xiàn)在1980—1999年，特別是1999年Hmax達(dá)到了歷史最高值。由于1980—1999年是Hmax高值的頻發(fā)期，加之1963—1979年Hmax總體偏低，從而導(dǎo)致在1954—1999年Hmax表現(xiàn)出顯著的上升趨勢(shì)（經(jīng)Mann-Kendall檢驗(yàn)，平均上升速率為0.68 cm/a）。但進(jìn)入21世紀(jì)以來，隨著流域汛期降水偏枯，Hmax隨之總體偏低，導(dǎo)致在1954—2013年Hmax總體上不具有顯著的上升或下降趨勢(shì)。故1954年以來Hmax的年際變化更多與降水要素的周期性振蕩相關(guān)。即使在20世紀(jì)80年代以后太湖流域人類活動(dòng)強(qiáng)度越來越劇烈，Hmax的變化仍然受控于汛期降水。

表1給出了1980年前后2個(gè)階段Hmax在年內(nèi)各旬出現(xiàn)的頻率。與太湖流域梅雨期、臺(tái)風(fēng)雨期相對(duì)應(yīng)，在1954—1979年期間，7月是Hmax出現(xiàn)最集中的時(shí)段，其次為9月下旬至10月中旬，這2個(gè)時(shí)段Hmax出現(xiàn)的頻次分別占全年的42.3%、26.9%。但在1980—2013年，Hmax的峰值時(shí)段有一定前移。其中，第1個(gè)峰值已由7月下旬前移至6月下旬，第2個(gè)峰值則由9月下旬前移至8月下旬（如2005年、2009年Hmax均出現(xiàn)在8月中旬，特別是2009年Hmax達(dá)到4.23m，是21世紀(jì)以來的最高值），且2個(gè)峰值時(shí)段之間已不存在明顯的過渡期。經(jīng)太湖水位與同期全流域降水的對(duì)照分析，導(dǎo)致1980年前后Hmax在年內(nèi)出現(xiàn)時(shí)間變化的主要原因仍然是氣候因素，即影響太湖流域的梅雨和臺(tái)風(fēng)出現(xiàn)時(shí)間有所前移［16］。

表1　不同階段太湖年內(nèi)最高水位在各旬出現(xiàn)的頻率Table 1 Comparison of occurrence frequency of highest annual water level of Taihu Lake over ten-day periods in two stages

3.2年內(nèi)最低水位

圖5給出了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、最低值分別為2.72 m、3.02 m（2008年）和2.37 m（1978年），極差為0.65 m，極值比為1.27。經(jīng)Mann-Kendall檢驗(yàn)，在95%的置信水平上，Hmin在1954—2013年具有顯著上升趨勢(shì)，平均上升速率為0.56cm/a。對(duì)比圖2和圖5，在1954—1999年，Hmin的年際變化規(guī)律與Hmax基本一致。受太湖流域降水豐枯變化影響，在1963—1979年Hmin總體偏低，1980— 1999年總體偏高。然而在2000年以后，流域降水基本上屬于平水或枯水年份，但Hmin不僅沒有隨之降低，反而延續(xù)了1980—1999年以來不斷升高的情勢(shì)。經(jīng)計(jì)算，2000—2013年Hmin的均值達(dá)到了2.90 m，遠(yuǎn)超過1954—1999年的2.66m。以2011年為例［14］，該年太湖流域遭遇嚴(yán)重的氣象干旱，1—5月太湖流域降水量?jī)H為178.6mm，較常年偏少59%，為1951年有降雨資料以來同期降水量最少的年份，但太湖最低水位仍然達(dá)到了2.74m，遠(yuǎn)高于類似的1978年（該年太湖最低水位為2.37m）。

圖5　1954—2013年太湖年內(nèi)最低水位Fig.5 Lowest annual water level of Taihu Lake during period from 1954 to 2013

顯然，2000年以后Hmin不再受控于太湖流域降水條件，而在更大程度上取決于流域骨干河道引水等人類活動(dòng)因素。根據(jù)太湖流域片水情年報(bào)［15］，近年來太湖流域沿江骨干河道引水規(guī)模不斷增大，對(duì)枯水期的太湖及地區(qū)河網(wǎng)水量形成了較大補(bǔ)充。以太湖流域管理局實(shí)施的“引江濟(jì)太工程”［17］為例，2002—2013年望虞河常熟樞紐年均引水時(shí)間為186d、引水量為19.8億m3，而望亭立交年均入湖時(shí)間為113d、入湖水量為9.2億m3。在2011年1月1日至6月9日，常熟樞紐累計(jì)引水量達(dá)到了22.7億m3，望亭水利樞紐累計(jì)引水入湖水量達(dá)到了12.4億m3。2002年以來太湖水位與2002前降水相似條件下的對(duì)比分析結(jié)果說明，“引江濟(jì)太工程”對(duì)調(diào)水期太湖水位的平均抬升幅度可達(dá)到20 cm以上［18］。同時(shí)，大規(guī)模的沿江引水及土地利用變化等人類活動(dòng)還改變了Hmin在年內(nèi)出現(xiàn)時(shí)間的季節(jié)性規(guī)律。表2給出了1954—1979年、1980—1999年和2000—2013年3個(gè)時(shí)期Hmin在年內(nèi)各旬出現(xiàn)的頻率。對(duì)于1954—1979年和1980—1999年2個(gè)階段，Hmin主要出現(xiàn)在非汛期的1—4月和11—12月，而在2000—2013年，Hmin在4—7月出現(xiàn)的頻率最高，占全年的57.0%。

表2　不同年份太湖最低水位在年內(nèi)各旬出現(xiàn)頻率對(duì)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

圖6給出了1954—2013年太湖的年平均水位?？梢姡琀mean的年際變化規(guī)律與Hmin類似。經(jīng)Mann-Kendall檢驗(yàn)，在1954—2013年Hmean同樣具有顯著的上升趨勢(shì)，其上升速度為0.34 cm/a。并且在流域降水總體偏枯的條件下，2000—2013年Hmean的均值達(dá)到了3.22m，明顯超過1954—1979年、1980—1999年2個(gè)階段的3.05m、3.19 m。這說明，2000年以來“引江濟(jì)太工程”等沿江引水活動(dòng)及土地利用變化等人類活動(dòng)不僅對(duì)Hmin產(chǎn)生了重要影響，而且也成為太湖年內(nèi)平均水位年際分布規(guī)律變化的主導(dǎo)性因素。

表3進(jìn)一步從月平均水位的角度解析1954—2013年Hmean的年際變化趨勢(shì)。由表3可知，在非汛期的1—4月和12月、汛期的8—9月太湖水位均存在顯著上升趨勢(shì)，而其他各月的上升趨勢(shì)則未通過顯著性檢驗(yàn)。從各月太湖平均水位的線性變化速率來看，3月太湖水位的上升速率最高，其次為8月、2月和1月?？傮w上，非汛期的1—4月和12月平均水位上升是導(dǎo)致Hmean上升的主要構(gòu)成部分。

圖6　太湖年平均水位過程線Fig.6 Mean annual stage hydrograph of Taihu Lake

4　結(jié)　　語

采用1954—2013年共60a的太湖逐日水位資料，系統(tǒng)分析太湖年內(nèi)最高水位、最低水位及年平均水位的階段性變化規(guī)律，并結(jié)合太湖流域降水資料和引水資料，揭示3種水位特征要素階段性變化的主導(dǎo)性因素。主要研究結(jié)論如下：

表3　太湖平均水位趨勢(shì)檢驗(yàn)結(jié)果Table 3 Trend test results of mean water level of Taihu Lake

a.1954—2013年，Hmax與太湖流域汛期降水量具有較強(qiáng)的同步性，在30a的時(shí)間尺度上存在著4個(gè)顯著的高低演替階段，但Hmax總體上不具有顯著的上升或下降趨勢(shì)。1954年以來Hmax的年際變化主要受控于汛期降水的年際周期性振蕩。

b.1954—2013年，Hmin具有顯著上升趨勢(shì)。受太湖流域降水豐枯變化影響，在1954—1999年，Hmin的年際變化規(guī)律與Hmax相似，但2000年以后，在流域降水整體偏枯的情況下，受“引江濟(jì)太工程”等大規(guī)模引水活動(dòng)及土地利用變化的影響，Hmin仍延續(xù)了1980—1999年以來升高的情勢(shì)，同時(shí)Hmin在年內(nèi)出現(xiàn)的季節(jié)性規(guī)律也發(fā)生了變化。

c.1954—2013年，Hmean的年際變化規(guī)律與Hmin相似，且同樣具有顯著上升趨勢(shì)。從各月太湖平均水位線性變化速率來看，非汛期的1—4月和12月平均水位上升是導(dǎo)致Hmean上升的主要構(gòu)成部分。同時(shí)，“引江濟(jì)太工程”等沿江引水活動(dòng)也是導(dǎo)致2000年以來Hmean保持較高水平的主導(dǎo)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

通訊作者：胡慶芳，高級(jí)工程師。E-mail：hqf_work@163.com

作者簡(jiǎn)介：王磊之（1991—），男，江蘇句容人，碩士研究生，主要從事水文水資源研究。E-mail：wanglz@nhri.cn

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金（51109136）；水利部公益性行業(yè)科研專項(xiàng)（201001002，201201072-2）

收稿日期：2015-01-03

DOI：10.3876/j.issn.1000-1980.2016.01.003

中圖分類號(hào)：P332.3

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1000-1980（2016）01-0013-07