王 瀚，彭花明，劉海金，龔志軍，楊永樂

(東華理工大學地球科學學院，330013，南昌)

0 引言

鄱陽湖是我國最大的淡水湖[1-2]，其對江西省的社會、經(jīng)濟、文化和生態(tài)都起到不可替代的作用。近代時期鄱陽湖表現(xiàn)為一個水位變化極端的湖泊[3]，具有“洪期一片是湖、枯期一線似河”的獨特景觀[4-5]。正由于鄱陽湖水位年際和季節(jié)性巨變特征，使得鄱陽湖地區(qū)成為我國洪澇災害嚴重發(fā)生區(qū)之一。繼1998年特大洪澇災害，2020年鄱陽湖又出現(xiàn)新高水位事件，致使農(nóng)作物受災面積7 420 km2，導致直接經(jīng)濟損失313.3億元[6-7]。因此，對鄱陽湖2020年新高水位事件開展定量分析，對今后鄱陽湖經(jīng)濟圈的供水、防洪和生態(tài)安全決策具有重要意義。

極端降雨是引發(fā)流域性洪災的一個重要因素[8-9]。因此有不少學者從氣候降雨角度對鄱陽湖區(qū)的水文過程開展分析，例如，劉劍宇等[10]利用1955—2009年鄱陽湖流域外洲、李家渡等6個水文站洪水發(fā)生數(shù)據(jù)與氣候指標相關(guān)系，發(fā)現(xiàn)ENSO、IOD 2個氣候指標對鄱陽湖流域洪水發(fā)生次數(shù)有顯著影響；雷享勇等[11]利用鄱陽湖流域1959—2019年16個氣象站降雨數(shù)據(jù)分析鄱陽湖流域極端降雨時空分布特征，發(fā)現(xiàn)鄱陽湖流域極端降雨的強度及頻率呈明顯增長趨勢，極端降雨時間持續(xù)性呈下降趨勢；Li等[12]通過對鄱陽湖近60年歷史洪水特征進行分析，認為氣候因素所引起汛期極端降水是20世紀90年代鄱陽湖特大洪澇災害發(fā)生的主要原因。綜上所述，大部分學者認為氣候降雨因素是造成鄱陽湖近代洪水位事件的一個最關(guān)鍵因素。需要強調(diào)的是，以上認識多基于鄱陽湖近代短時間尺度的水文過程研究。然而，要更加全面地認識鄱陽湖洪澇災害的影響因素及驅(qū)動機制等，還需要在不同時間尺度下定量分析氣候降雨因素對鄱陽湖水位變化的影響。

本次研究首先基于短時間尺度，利用泰森多邊形法計算分析了鄱陽湖區(qū)域近20年極端降雨參數(shù)，并從極端降雨角度對鄱陽湖2020年新高水位事件進行了初步分析。之后，基于古文獻記載和ArcGIS軟件，模擬反演初唐時期鄱陽湖的水位高程，并討論了其與當時氣候降雨的對應關(guān)系。通過這些不同時間尺度的對比分析，有助于進一步提高人們對洪災的認識，并為未來鄱陽湖流域的防洪減災工作提供一定的科學依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

鄱陽湖(28°22′～29°45′N、115°47′～116°45′E)位于江西省北部，長江以南的地區(qū)(圖1)，屬于亞熱帶濕潤性季風型氣候[13]。鄱陽湖是一個通江湖泊，北與長江相臨，其余三面環(huán)山，江西境內(nèi)95%的水資源都通過贛江、撫河、信江、饒河及修水(通常稱為“五河”)流進鄱陽湖，最后從湖口注進長江。在江、河、湖共同作用下，鄱陽湖地區(qū)成為了一個集水資源、生物資源、旅游資源于一體的生態(tài)濕地[14]。同時，鄱陽湖也是重要的糧食生產(chǎn)基地，糧食產(chǎn)量占到江西省的1/4?？傊蛾柡貐^(qū)在調(diào)節(jié)長江徑流、保護生物多樣性、促進周邊地區(qū)經(jīng)濟與社會發(fā)展等方面具有重要作用。

圖1 鄱陽湖流域及氣象站位置分布圖

2 2020年鄱陽湖水位變化過程

2020年進入梅雨季節(jié)之后，強降雨導致我國中南部多地河流湖泊水位相繼超過警水線，其中，鄱陽湖的洪澇災情極其嚴重。2020年6月下旬到7月上旬，長江中下游地區(qū)降雨量是多年平均的1.5倍。鄱陽湖水位自6月下旬開始持續(xù)上漲，尤其是7月上旬，鄱陽湖水位連續(xù)8 d日均漲幅都大于0.4 m，最大單日漲幅達到0.65 m，5月下旬鄱陽湖水域面積為2 207 km2，7月上旬面積為4 403 km2，7月上旬較5月下旬相比面積增長了近1倍，7月上旬水域面積相比往年平均值(3 510 km2)大了25%[15]。據(jù)統(tǒng)計，7月1—10日時間全省的降雨量228 mm，是常年均值的4倍，列歷史記錄第一位[7]，特別是7月8—9日，全省降雨量達到108 mm，是1961年至今記錄氣象數(shù)據(jù)以來之最。

2020年1周內(nèi)鄱陽湖流域連續(xù)發(fā)生12次編號洪水，甚至鄱陽湖星子站、修河永修站等多站的水位都超過了歷史記錄。從圖2鄱陽湖星子站的水位記錄來看，鄱陽湖水位于6月下旬開始上漲，在7月5日02:00鄱陽湖星子站水位突破預警水位(19 m)，7月12日02:00，快速突破有記錄以來的歷史最高水位(22.52 m)，在7月12日23:00鄱陽湖星子站水位達22.63 m，超出警水位3.63 m，成有記錄以來的歷史最高值。

圖2 2020年3月1日至8月17日鄱陽湖星子站水位變化

3 數(shù)據(jù)來源及研究方法

3.1 數(shù)據(jù)來源

本次研究鄱陽湖流域1998—2020年23個氣象站逐日降雨數(shù)據(jù)來源于氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http://data.cma.cn/)，逐日降雨數(shù)據(jù)缺失量低于5%。分析時，對缺失數(shù)據(jù)采用插值法進行插值處理[16]。本次研究選取了鄱陽湖流域23個氣象站點：修水站、宜豐站、蓮花站、宜春站、吉安站、井岡山站、遂川站、贛州站、靖安站、南昌站、樟樹站、德興站、貴溪站、玉山站、上饒站、永豐站、南城站、南豐站、寧都站、廣昌站、龍南站、尋烏站和鄱陽站。這些站點位置覆蓋了整個鄱陽湖流域(圖1)。本文中用于模擬鄱陽湖水位淹沒的數(shù)字高程模型(DEM)來源于地理空間數(shù)據(jù)云網(wǎng)(http://www.gscloud.cn)，數(shù)據(jù)分辨率為90 m。

3.2 指標選擇

本次研究選取5個極端降雨指標，分別是單日最大降雨量、極端降雨量、強降雨日數(shù)、極端降雨日數(shù)和持續(xù)降雨日數(shù)(表1)。這些指標用來表征一段時間內(nèi)降雨量的極端性和降雨時間的極端性[17-18]。其中，單次最大降雨量和極端降雨量兩個指標可用表示降雨量的極端性；而強降雨日數(shù)、極端降雨日數(shù)和持續(xù)降雨日數(shù)3個指標則可用表示降雨時間的極端性。

表1 極端降雨指數(shù)及定義

3.3 泰森多邊形法

泰森多邊形法又稱加權(quán)平均法或垂直平分法，是由荷蘭氣象學家A·H·Thiessen提出的一種通過離散分布站點的降雨量來計算區(qū)域平均雨量的方法[19-21]。依據(jù)該方法，整個鄱陽湖流域就構(gòu)成一個泰森多邊形網(wǎng)。在這個網(wǎng)內(nèi)，每一個泰森多邊形都對應一個氣象站，每個氣象站都會得到一個面積權(quán)重系數(shù)，用各氣象站的相應權(quán)重系數(shù)乘于該氣象站的降雨量后相加，就能得到整個鄱陽湖流域的加權(quán)平均降雨量。其計算公式如下：

P=f1P1+f2P2+…+fnPn

(1)

式中：P為流域面加權(quán)平均雨量(mm)， f為流域內(nèi)各氣象站多邊形面積計算的權(quán)重系數(shù)(km2)，P為各氣象站點同時期降雨量(mm)。

4 數(shù)據(jù)結(jié)果

根據(jù)泰森多邊形法，基于ArcGIS軟件計算出了鄱陽湖流域23個氣象站所占的面積大小和面積權(quán)重系數(shù)(圖3、表2)。

圖3 鄱陽湖流域各氣象站泰森多邊形面積分配圖

表2 鄱陽湖流域各氣象站面積系數(shù)

根據(jù)泰森多邊形法的計算公式，從計算得到的結(jié)果(表3)可以看出，2020年降雨量的極端性指標(單日最大降雨量、極端降雨量)大于1998年，而2020年降雨時間的極端性指標(強降雨日數(shù)、極端降雨日數(shù)和持續(xù)降雨日數(shù))小于1998年。

表3 1998年和2020年汛期極端降雨指標對比

4.1 1998—2020年鄱陽湖降雨量極端性分析

通過對比2020年和1998年鄱陽湖汛期時發(fā)生極端降雨的特點，發(fā)現(xiàn)造成2020年水位超過1998年最高水位的一個可能重要原因為2020年降雨量的極端性強。為進一步確認鄱陽湖汛期降雨量的極端性與鄱陽湖超高水位的關(guān)系，本次研究還對鄱陽湖流域1998—2020年近20年汛期降雨量的極端性指標進行分析(圖4)。通過分析，發(fā)現(xiàn)有2個年份的汛期降雨量極端性指標與2020年接近。第1個年份為2010年，其日最大降水指標和極端降水量分別為131.23 mm和257.26 mm。然而，2010年的最高水位沒有超過1998年，這可能是由于2010年的汛期降雨時間的極端性比1998年低所致(例如2010年的強降水日數(shù)指標僅為1998年的76%)。第2個年份為2019年，該年單日最大降水指標和極端降水量指標甚至比2020年分別高～6%和～10%，而2019年汛期降雨時間的極端性與2020年相當(例如，2019年強降水日數(shù)指標值比2020年高～4%，2019年極端降水日數(shù)指標值比2020年低～2%)。然而2020年出現(xiàn)了新高水位事件，2019年卻沒有出現(xiàn)新高水位事件。2019年最高水位僅為20.68 m，比2020年的最高水位低了1.95 m。因此，通過對比分析結(jié)果，認為單從氣候降雨因素，特別是僅從降雨量的極端性強弱不足以解釋2020年出現(xiàn)新高水位事件。

圖4 1998—2020年汛期鄱陽湖流域單日最大降雨量、極端降雨量指標變化

4.2 初唐時期古水文模擬與對比分析

為進一步厘定氣候降雨因素與鄱陽湖水位的關(guān)系，本次研究利用ArcGIS軟件對鄱陽湖初唐時期的水位進行反演模擬。依據(jù)古文獻中，王勃在《滕王閣序》中描述的“落霞與孤鶩齊飛，秋水共長天一色。漁舟唱晚，響窮彭蠡之濱”詩句(注：彭蠡是古代對鄱陽湖的別稱，滕王閣位于南昌市)，因此有學者認為在初唐時期鄱陽湖的水位淹至南昌附近[22]。分析時，首先對鄱陽湖1998年最高水位22.52 m(吳淞高程)的水域范圍利用ArcGIS軟件進行的反演模擬(圖5)，并與1998年8月25日(洪期)的衛(wèi)星遙感影像進行對比，發(fā)現(xiàn)比較吻合。之后在1998年的最高水位22.52 m基礎(chǔ)上，逐步增加1 m，然后利用ArcGIS軟件對鄱陽湖的古湖水范圍進行反演模擬。模擬結(jié)果顯示需要在1998年最高水位值基礎(chǔ)上，至少提高～5 m后才能反演模擬到初唐時期王勃在《滕王閣序》中所描述的鄱陽湖水文狀態(tài)(圖6)。然而，王勃所在的初唐是公元650—676年(圖7[23-24])，該段時間不屬于中世紀暖期(中世紀暖期為近2 000年內(nèi)氣候相對溫暖、降雨相對增強時期)。需要強調(diào)的是，此次反演模擬先進行了前提假設(shè)：即鄱陽湖自初唐以來受到新構(gòu)造運動影響弱，其地形起伏與現(xiàn)今狀態(tài)相當。此次模擬結(jié)果說明了2種可能：1)前期假設(shè)正確，即鄱陽湖即使不在氣候相對溫暖、降雨相對增強的初唐時期，也能出現(xiàn)大湖期(其水位比1998年最高值至少高出～5 m)；2)前期假設(shè)錯誤，鄱陽湖區(qū)域從初唐到現(xiàn)在，其地形由于新構(gòu)造運動發(fā)生了明顯的變化。因此在利用ArcGIS軟件模擬時，不需要在1998年最高水位值基礎(chǔ)上提高～5 m，鄱陽湖就可以淹至南昌附近。無論以上哪種情況，都說明難以單用氣候降雨因素來解釋鄱陽湖在初唐時期與現(xiàn)在水文狀態(tài)的巨大差異。

圖5 鄱陽湖1998年最高水位ArcGIS模擬水域范圍與當時衛(wèi)星遙感影像圖

圖6 鄱陽湖水位淹沒模擬圖

圖7 (a)鄱陽湖的鉀鈉比值；(b)歷史時期東亞季風降雨量變化；(c)大坪泥炭的δ13C值

5 討論

本次研究通過分析近20年鄱陽湖流域降雨量的極端性對2020年新高水位事件的影響，發(fā)現(xiàn)僅從極端降雨因素難以解釋鄱陽湖2020年發(fā)生的新高水位事件。此外，根據(jù)近2 000年氣候降雨變化過程，基于古文獻記載和ArcGIS軟件水位淹沒模擬分析，發(fā)現(xiàn)氣候降雨因素不足以解釋初唐時期鄱陽湖水域范圍與現(xiàn)今鄱陽湖水域范圍的巨大差異。這些結(jié)果表明，除了氣候降雨因素，還有其它重要因素影響鄱陽湖的水文過程。例如，在新構(gòu)造運動方面，Hu等[25]認為鄱陽湖的部分區(qū)域(松門島)自5 Ma以來以16 m Myr-1速率發(fā)生構(gòu)造抬升。譚其驤和張修桂依據(jù)古文獻記載認為鄱陽湖地區(qū)的新構(gòu)造運動對鄱陽湖的水域面積有明顯影響[26]。另外，根據(jù)《地震歷史資料匯編》[27]的統(tǒng)計結(jié)果，僅在公元318—1947年范圍內(nèi)，鄱陽湖水域(28°22′～29°45′N、115°47′～116°45′E)范圍的古地震記錄就多達54次，如《晉書》明確記載：“十二月，廬陵、豫章、武昌、西陵地震，涌水出，山崩”。該記載明確記錄了鄱陽湖區(qū)域在東晉大興元年(公元318年)發(fā)生大地震以及明顯的水文狀態(tài)變化。在人類活動方面，Shankman等[28-29]認為鄱陽湖地區(qū)的土地開墾和修建堤壩是導致湖泊蓄水量下降的主要因素，并且發(fā)現(xiàn)1954—2002年間鄱陽湖水域面積從5 160 km2減少到3 860 km2。此外，在20世紀60—90年代，五河向鄱陽湖的大量輸沙，由于鄱陽湖流域內(nèi)的森林砍伐和農(nóng)業(yè)等人類活動，也明顯加劇了鄱陽湖的泥沙淤積，這些人類活動使鄱陽湖蓄水容量在20世紀90年代降至最小，在一定程度上增加了洪澇災害的危害[12]。因此，如要正確理解鄱陽湖的水文變化過程，今后還需從不同時間尺度，在氣候、新構(gòu)造以及人類活動等方面開展大量研究和對比分析，從而分析出影響鄱陽湖歷史演化過程中關(guān)鍵性因素。

6 結(jié)論

本次研究基于鄱陽湖流域1998—2020年23個氣象站逐日降雨數(shù)據(jù)、鄱陽湖星子水文站水位數(shù)據(jù)以及ArcGIS軟件模擬鄱陽湖水位淹沒范圍，探討多時間尺度氣候降雨因素對鄱陽湖高水位的變化影響，得到以下結(jié)論。

1)通過對比分析1998年和2020年汛期極端性降雨的特征，發(fā)現(xiàn)1998年降雨時間的極端性強，而2020年降雨量的極端性強。

2)基于鄱陽湖流域近20年來降雨量極端性分析，單從極端降雨因素不足以解釋鄱陽湖2020年出現(xiàn)新高洪水位事件。

3)基于古文獻記載、ArcGIS軟件模擬反演和近2 000年以來的氣候降雨趨勢分析，氣候降雨因素不足以解釋鄱陽湖初唐時期與現(xiàn)今水文狀態(tài)的顯著差異。

因此，今后如要研究鄱陽湖的水位變化過程，除了氣候降雨因素外，還需要結(jié)合其它方面來進行相關(guān)分析和對比研究。