段 宇， 徐國賓

(1.交通運輸部天津水運工程科學研究所 工程泥沙交通運輸行業(yè)重點實驗室，天津300456；2.天津大學 水利工程仿真與安全國家重點實驗室，天津300350)

1 研究背景

淮河作為我國自1949年以來第一條全面系統(tǒng)治理的大河，經(jīng)過近70年的洪澇治理，在“蓄泄兼籌”的治淮方針下，淮河“上攔、中暢、下泄”的防洪體系逐步完善，但由于地形上受“兩頭翹、中間洼”的制約，作為中國最難治理的河流之一，水患仍未完全根除，尤其是中下游流域的“關(guān)門淹”問題仍然顯著。

受全球氣候變化以及流域人類活動的雙重影響，世界范圍內(nèi)的重要江河湖泊水沙情勢均發(fā)生了顯著變化[1-4]，對于江河湖泊的治理同時也提出了新的要求，但流域的開發(fā)治理必須接受自然規(guī)律的約束和指導(dǎo)[5]，只有全面了解流域在自然作用下的水沙特性、發(fā)展演變規(guī)律，才能實現(xiàn)河流湖泊的有效治理。而河湖之間的內(nèi)在關(guān)系，是困擾廣大治淮工作者的難題，也是科學制定淮河流域洪澇災(zāi)害防治方案的關(guān)鍵問題之一。

眾多科研工作者已經(jīng)對淮河干流河道的水沙特性開展了大量的研究[6-9]，闡明了淮河干流河道水沙的年內(nèi)分配、年際變化特征、可能突變年份及多時間尺度的周期性變換規(guī)律，而針對洪澤湖水沙分析及沖淤演變的研究[10-11]相對較少，但已有研究得出了洪澤湖的沖淤時空分布規(guī)律和水沙特征變化規(guī)律。洪澤湖的入湖沙量主要受淮河干流的控制，且淮河干流的水沙占入湖水沙的90%以上[10]，河湖水沙交換規(guī)律直接影響著河湖沖淤演變規(guī)律，而已有研究[12]中缺乏對河湖水沙交換規(guī)律特性的研究，有必要建立相應(yīng)的判別指標，針對此問題進行詳細的分析，進而闡明河湖的水沙作用關(guān)系。

本文以1975-2015年入、出洪澤湖徑流量和輸沙量資料為基礎(chǔ)，建立淮河干流及洪澤湖水沙交換判別式，進而對河湖水沙交換規(guī)律進行系統(tǒng)闡述，為治淮工作提供科學決策。

2 研究區(qū)域概況

淮河流域是我國七大江河流域之一，其干流全長約1 000 km。在歷史上淮河是一條暢流入海的河流，后因“黃河奪淮”導(dǎo)致淮河改道入長江?；春有购樗腊l(fā)生變遷的同時，受河道泥沙的淤積作用，地面抬高形成了洪澤湖，在湖水位的頂托作用下，淮河中游河道水位抬升，嚴重降低了淮河中游防洪除澇的能力。

淮河干流分為上游、中游、下游3段，總落差約為200 m。其中淮河源頭至洪河口為上游，長度為360 km，占淮河干流總長的36%，落差為177 m，占淮河干流總落差的88.5%，河道比降為0.5‰，上游河段落差大泄洪快；洪河口至洪澤湖出口的中渡為中游，長度為490 km，占淮河干流總長的49%，落差為16 m，占淮河干流總落差的8%，河道比降為0.03‰，中游河段落差銳減泄洪不暢；中渡至三江營入江口為下游，長度為150 km，占淮河干流總長的15%，落差為7 m，占淮河干流總落差的3.5%，河道比降為0.04‰?；春痈闪鞣侄伍L度及垂直落差示意圖如圖1所示。

圖1 淮河干流分段長度及垂直落差示意圖(標注單位：km)

洪澤湖地處淮河干流中下游結(jié)合部，屬于河湖連通型湖泊，其匯水面積為15.8×104km2，在歷史進程中是“黃河奪淮”和“蓄清刷黃濟運”不斷修筑洪澤湖大堤而形成的，入湖和出湖河道較多，其中入湖河道包括淮河、懷洪新河、徐洪河、濉河、老濉河、新汴河和池河。經(jīng)洪澤湖調(diào)蓄后，出湖水流分別經(jīng)入江水道、蘇北灌溉總渠、入海水道、分淮入沂4路水道下泄。

淮河中游正陽關(guān)站至洪澤湖水系站點示意圖如圖2所示。

圖2 淮河中游正陽關(guān)至洪澤湖流經(jīng)站點及水系示意圖

3 淮河及洪澤湖水沙交換指數(shù)

河流與湖泊之間通過徑流與泥沙的物質(zhì)交換，影響河流與湖泊關(guān)系的調(diào)整過程。洪澤湖作為連接淮河中游與下游的大型湖泊，河湖之間的水沙交換程度可以在一定程度上體現(xiàn)洪澤湖對淮河流域調(diào)蓄能力的強弱。通常情況下，河湖水沙交換的直觀體現(xiàn)是水沙流動方向和交換水沙量的值。河湖水沙交換的表現(xiàn)形式分為地表交換和地下交換，考慮多種自然影響因素下以年為單位時間的洪澤湖水量和沙量平衡方程式如下。

洪澤湖年輸水量平衡方程為：

ΔV=Vin+Vuin+Vrain-Vout-Vuout-Ve

(1)

式中：ΔV為洪澤湖年蓄水變化量，m3；Vin為由河流匯入洪澤湖的水量，m3；Vuin為地下徑流匯入洪澤湖的水量，m3；Vrain為洪澤湖區(qū)域的降水量，m3；Vout為河流流出洪澤湖的水量，m3；Vuout為從地下流出洪澤湖的水量，m3；Ve為洪澤湖區(qū)域的蒸發(fā)水量，m3。

洪澤湖年輸沙量平衡方程為：

ΔW=Win+W′in-Wout

(2)

式中：ΔW為洪澤湖湖盆沖淤變化量，kg；Win為河流匯入洪澤湖的沙量，kg；W′in為由洪澤湖周邊地表匯入洪澤湖的沙量，kg；Wout為通過河流流出洪澤湖的沙量，kg。

由于地下徑流流動較為緩慢，正常情況下地下徑流的流入和流出量通常處于穩(wěn)定狀態(tài)，即Vuin=Vuout。降水量與蒸發(fā)量的差值可以作為洪澤湖的地表徑流量，在一定程度上也影響著洪澤湖的蓄水量，但這里僅研究河湖水量交換程度，故此因素不在考慮范圍內(nèi)。W′in可以認為是洪澤湖周邊水土流失量，在研究時間序列范圍內(nèi)，洪澤湖周邊水土保持較好，與河道流入的泥沙量相比數(shù)值較小，故此因素也不在考慮范圍內(nèi)。

基于上述自然影響因素，為了探明洪澤湖對淮河徑流量調(diào)蓄能力的強弱變化以及湖盆的沖淤強度，利用入、出洪澤湖的總徑流量和輸沙量數(shù)據(jù)，建立河湖水量和泥沙交換指數(shù)來開展研究。

洪澤湖作為河湖連通型湖泊，當入湖水量(沙量)與出湖水量(沙量)長期穩(wěn)定在同一水平時，可以認為河湖的水體交換量(泥沙交換量)處于相對平衡狀態(tài)。因此，可以用單位時間內(nèi)徑流或泥沙流入湖泊的量與流出湖泊的量的比值來度量，即用水沙交換指數(shù)來表示河湖水沙交換的強度。故研究過程中采用入湖徑流量與出湖徑流量的比值作為水量交換指數(shù)Cwater，入湖輸沙量與出湖輸沙量的比值作為泥沙交換指數(shù)Csand。

(3)

(4)

根據(jù)公式(3)和式(4)，利用入、出洪澤湖的逐年徑流量和輸沙量時間序列，分別計算1975-2015年洪澤湖水量交換指數(shù)Cwater和泥沙交換指數(shù)Csand。對于Cwater值，當Cwater=1時，說明河湖水量交換處于平衡狀態(tài)；當Cwater>1時，表示入湖水量大于出湖水量，洪澤湖處于蓄水狀態(tài)，且值越大蓄水量越多；當Cwater<1時，表示入湖水量小于出湖水量，洪澤湖處于泄水狀態(tài)，且值越小泄水量越多。對于Csand值，當Csand=1時，說明河湖泥沙交換處于穩(wěn)定狀態(tài)，洪澤湖沖淤平衡；當Csand>1時，表示入湖沙量大于出湖沙量，洪澤湖湖盆處于淤積狀態(tài)，且值越大淤積越嚴重；當Csand<1時，表示入湖沙量小于出湖沙量，洪澤湖湖盆處于沖刷狀態(tài)，且值越大沖刷越嚴重。因此，將所得結(jié)果與平衡狀態(tài)值1相比較，得到河湖水量與泥沙交換指數(shù)的變化，如圖3所示。

圖3 1975-2015年洪澤湖河湖水量、泥沙交換指數(shù)變化

由圖3中初步看出，Cwater和Csand的值大多數(shù)年份大于1，少數(shù)年份的指數(shù)值小于1。進而為了更全面地了解河湖水沙交換的變化規(guī)律，分別對Cwater與Csand時間序列開展趨勢變化、突變檢驗及周期統(tǒng)計等相關(guān)分析。

4 淮河及洪澤湖水沙交換程度分析

4.1 趨勢變化

統(tǒng)計檢驗法可以給出時間序列趨勢變化的顯著性水平。河流湖泊連續(xù)水文數(shù)據(jù)間通常有較大的波動，為研究水文現(xiàn)象的長系列變化趨勢，可以采用多年滑動平均法[13]和M-K趨勢檢驗法[14-15]對河湖水量與泥沙交換指數(shù)時間序列進行統(tǒng)計分析，如圖4、5所示。

圖4 1975-2015年洪澤湖河湖水量、泥沙交換指數(shù)滑動平均及線性趨勢分析

由圖4中交換指數(shù)的滑動平均趨勢分析結(jié)果可知，Cwater的5 a滑動平均變化曲線除在1989-1993年呈增大趨勢外，其余年份均較為平穩(wěn)，且線性趨勢變化與多年平均值相持平。Csand的5 a滑動平均變化曲線在1975-1989年基本呈平穩(wěn)狀態(tài)，在1989年后呈輕微波動狀態(tài)，相應(yīng)的線性趨勢變化整體呈輕微增大趨勢。

由圖5中交換指數(shù)的M-K趨勢分析結(jié)果可知，Cwater時間序列統(tǒng)計量UF值(UF為M-K趨勢檢驗過程中所定義的統(tǒng)計量)基本大于0，且在20世紀80年代中期至90年代中期，統(tǒng)計量UF部分值超過了α=0.05臨界值，Cwater時間序列在此時期呈顯著增大的趨勢，其余時期呈不顯著增大趨勢。Csand時間序列統(tǒng)計量UF值基本大于0，但未超過α=0.05臨界值，Csand時間序列呈不顯著增大趨勢。整體而言，Cwater的趨勢統(tǒng)計量Z(Z為M-K趨勢統(tǒng)計量數(shù)值)為0.235 9，Csand的趨勢統(tǒng)計量Z為0.325 7，其值大于0但未超過α=0.05臨界值，說明在研究時間范圍內(nèi)，洪澤湖庫容呈不顯著增大趨勢，湖盆處于逐年淤積狀態(tài)，且淤積呈不顯著增大趨勢。研究結(jié)果與洪澤湖年均水位逐漸增大的分析結(jié)果相一致[16]，驗證了上述研究結(jié)果的準確性。

圖5 1975-2015年洪澤湖河湖水量、泥沙交換指數(shù)M-K趨勢分析

4.2 突變檢驗

水文數(shù)據(jù)資料的變化除了具有整體的趨勢性外，往往還伴隨著劇烈的變化特征，即水文時間序列從一種穩(wěn)定態(tài)或穩(wěn)定持續(xù)的變化趨勢突變到另一種穩(wěn)定態(tài)或穩(wěn)定持續(xù)的變化趨勢[17]。不同突變檢驗方法的靈敏度會有所不同，故分別采用時序累計值相關(guān)曲線法、M-K突變檢驗法、滑動t檢驗法和Pettitt突變檢驗法對河湖水量與泥沙交換指數(shù)的時間序列進行突變點分析，如圖6～8所示。

圖6 1975-2015年洪澤湖河湖水量、泥沙交換指數(shù)時序累計值突變檢驗

由圖6可知，Cwater和Csand曲線的斜率沒有出現(xiàn)顯著變化，說明河湖水量與泥沙交換指數(shù)均沒有顯著突變點。根據(jù)圖5中河湖水量/泥沙交換指數(shù)M-K趨勢分析結(jié)果，Cwater和Csand時間序列的UF和UB曲線交點均位于置信區(qū)間內(nèi)，沒有超過臨界曲線，說明該時間序列不存在顯著突變。圖7中采用滑動t突變檢驗時，對子序列長度L選取5、10和15共3種工況，分析不同子序列長度水文時間序列的突變情況(其中統(tǒng)計量T為滑動t檢驗過程中所定義的統(tǒng)計量)，可看到各工況Cwater和Csand的滑動t檢驗統(tǒng)計量均位于置信區(qū)間內(nèi)，沒有顯著突變點。圖8中采用Pettitt突變檢驗時(其中統(tǒng)計量Sp為Pettitt突變檢驗過程中所定義的統(tǒng)計量)，Cwater在1995年的突變統(tǒng)計量P=1.04>0.50，突變不顯著；Csand在1998年的突變統(tǒng)計量P=1.00>0.50，突變不顯著，說明河湖水量與泥沙交換指數(shù)均沒有發(fā)生顯著突變。

圖7 1975-2015年洪澤湖河湖水量、泥沙交換指數(shù)滑動t突變檢驗

圖8 1975-2015年洪澤湖河湖水量、泥沙交換指數(shù)Pettitt突變檢驗

綜合以上方法的突變檢驗結(jié)果可知，河湖水量與泥沙交換不存在顯著的突變點，表明淮河與洪澤湖的水沙交換程度處于相對穩(wěn)定狀態(tài)。

4.3 周期統(tǒng)計

水文時間序列的系統(tǒng)變化在時域中通常存在著多層次時間尺度結(jié)構(gòu)和局部化的特征[18-19]。對于水文現(xiàn)象的多時間尺度研究，就是對水文時間序列中存在的周期性或近似周期性變化規(guī)律進行識別。采用Morlet小波周期分析方法[20]對河湖水量與泥沙交換指數(shù)的時間序列進行分析，進而得到1975-2015年Cwater和Csand時間序列的小波系數(shù)實部等值線、模方等值線、小波方差及小波系數(shù)實部變換圖，如圖9～12所示，圖中a為時間尺度因子。

對圖9～12中Cwater和Csand時間序列小波系數(shù)的實部、模方、方差進行分析，得到相應(yīng)的時間尺度、周期數(shù)、顯著性及趨勢性，分別如表1、2所示。

圖9 1975-2015年洪澤湖河湖水量、泥沙交換指數(shù)小波系數(shù)實部等值線

圖10 1975-2015年洪澤湖河湖水量、泥沙交換指數(shù)小波系數(shù)模方等值線

圖11 1975-2015年洪澤湖河湖水量、泥沙交換指數(shù)小波系數(shù)小波方差

圖12 1975-2015年洪澤湖河湖水量/泥沙交換指數(shù)主要時間尺度下小波系數(shù)實部過程線

表1 1975-2015年洪澤湖河湖水量交換指數(shù)時間序列小波分析

由表1可見，在實部分析中，存在著(3～9)a和(10～15)a兩類時間尺度的周期變化規(guī)律，在(10～15)a處震蕩最為強烈，周期性顯著且具有全域性；在模方分析中，年徑流量在變化域中的波動能量曲面上有1個較強的能量聚集中心，波動影響的能量尺度范圍為(3～15)a，波動能量在研究域中呈先增強后減弱的趨勢，波動能量在時域上較為集中的影響范圍是1995-2000年；方差分析中，存在著3a、7a、9a和14a4個主周期，其中14a為第一主周期，在全域中豐枯變換次數(shù)為4次，Cwater呈現(xiàn)短期間達到峰值繼而逐漸減小的變化趨勢。

由表2可見，在實部分析中，存在著(3～5)a和(6～15)a兩類時間尺度的周期變化規(guī)律，在(6～15)a處震蕩最為強烈，周期性顯著且具有全域性；在模方分析中，年徑流量在變化域中的波動能量曲面上有2個較強的能量聚集中心，波動影響的能量尺度范圍分別為(3～8)a和(11～15)a，其中，(3～8)a波動能量在研究域中呈先減弱后增強的趨勢，波動能量在時域上強集中的影響范圍為2000年前后，(11～15)a波動能量在研究域中呈逐漸增強的趨勢，波動能量在時域上強集中的影響范圍貫穿于1995年以后；方差分析中，存在3a、6a和14a3個主周期，其中14a為第一主周期，在全域中豐枯變換次數(shù)為4次，Csand呈現(xiàn)短期間達到峰值繼而逐漸減小的變化趨勢。

表2 1975-2015年洪澤湖河湖泥沙交換指數(shù)時間序列小波分析

綜上所述，河湖水量和泥沙交換指數(shù)的時間序列周期性較為接近，小尺度的周期變化顯著性較差。能量震蕩均在1995年附近出現(xiàn)拐點，河湖水量交換指數(shù)的能量在1995年之前呈逐漸增強的趨勢，而在1995年達到能量震蕩的最強值后呈逐漸減弱的趨勢；河湖泥沙交換指數(shù)的能量在1995年之前震蕩特性不明顯，而在1995年后，呈波動震蕩的變化規(guī)律。水量交換指數(shù)不同尺度周期下預(yù)測結(jié)果不一致，而泥沙交換指數(shù)不同尺度周期預(yù)示著其值將達到峰值狀態(tài)，進而再呈現(xiàn)逐漸減弱的趨勢。

5 討 論

徑流量和輸沙量是河流與湖泊最重要的兩項水文特征值，也是影響河湖水沙交換的關(guān)鍵因素[21-22]，而近年來淮河流域受自然環(huán)境變化和人類活動的影響，河湖水沙交換特性也勢必經(jīng)歷著顯著的變化。對河湖水沙特性的研究通常集中在水沙時間序列所表現(xiàn)出來的趨勢性、突變性及周期性等幾個方面[23-25]，因此本文所采用的分析方法可以對淮河中游河道與洪澤湖的水沙交換程度進行科學闡述。

通過采用多種趨勢檢驗法對河湖水量和泥沙交換指數(shù)時間序列進行分析，表明在研究時間范圍內(nèi)，洪澤湖的庫容呈不顯著增大趨勢，且湖盆處于逐年淤積的狀態(tài)，淤積量呈不顯著增大趨勢，胡軍等[16]的研究也表明洪澤湖自1983年后平均水位呈上升趨勢。通過采用多種突變檢驗法開展河湖水量和泥沙交換指數(shù)時間序列的突變性分析，表明河湖水量與泥沙交換均不存在顯著突變點，淮河與洪澤湖的水沙交換程度處于相對穩(wěn)定狀態(tài)，賁鵬等[11]采用多種分析方法，研究了洪澤湖的沖淤時空分布規(guī)律和水沙變化趨勢，指出入湖徑流量無顯著變化特征，入湖輸沙量呈顯著減小趨勢，泥沙主要淤積在入湖口處。河湖水量和泥沙交換指數(shù)時間序列的周期性分析表明，河湖水量交換與泥沙交換時間序列均存在顯著性周期變化，具有多時間尺度的周期性特征，張輝等[9]研究了淮河干流水沙的周期性變化規(guī)律，認為吳家渡水文站水沙時間序列存在多時間尺度周期性特征。本文研究結(jié)果與已有研究結(jié)果相近，同時進一步闡明了淮河中游河道與洪澤湖的水量和泥沙交換特性。

6 結(jié) 論

通過構(gòu)建淮河中游河道與洪澤湖水沙交換指數(shù)計算式，并利用多種統(tǒng)計檢驗交叉互補的方法對淮河中游河道與洪澤湖1975-2015年的水量和泥沙交換指數(shù)時間序列進行了系統(tǒng)性分析，得到如下結(jié)論：

(1)水量交換指數(shù)和泥沙交換指數(shù)時間序列均呈不顯著增大趨勢，說明洪澤湖庫容呈不顯著增大趨勢，湖盆處于逐年淤積狀態(tài)，淤積量呈不顯著增大趨勢。

(2)河湖水量與泥沙交換指數(shù)時間序列均不存在顯著的突變點，說明淮河干流與洪澤湖的水沙交換程度處于相對穩(wěn)定狀態(tài)。

(3)河湖水量和泥沙交換指數(shù)時間序列均存在多時間尺度的周期性特征，周期性較為接近，小尺度的周期變化顯著性較差，其中水量交換指數(shù)時間序列存在著3a、7a、9a和14a4個主周期，泥沙交換指數(shù)時間序列存在著3a、6a和14a3個主周期，且均以14a為第一主周期。水量交換指數(shù)不同尺度周期下預(yù)測結(jié)果不一致，而泥沙交換指數(shù)不同尺度周期預(yù)示著其值將達到峰值狀態(tài)，進而再呈逐漸減弱的趨勢。