陳柯兵，肖 華，何奇鍇，孫思瑞

(1.長(zhǎng)江水利委員會(huì) 水文局，湖北 武漢 430010； 2.長(zhǎng)江大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院，湖北 武漢 430100； 3.長(zhǎng)江大學(xué) 油氣地球化學(xué)與環(huán)境湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430100； 4.長(zhǎng)江水利委員會(huì)水文局 長(zhǎng)江中游水文水資源勘測(cè)局，湖北 武漢 430010)

0 引 言

洞庭湖為中國(guó)大型通江湖泊，地處長(zhǎng)江中游荊江南岸，湖南四水(湘江、資水、沅江、澧水)洪水匯集于洞庭湖，經(jīng)調(diào)節(jié)后由城陵磯注入長(zhǎng)江，具有較強(qiáng)的洪水調(diào)蓄功能。因四水洪水特征各異，致使洪水組合情況較為復(fù)雜。四水洪水情勢(shì)變化不僅關(guān)系洞庭湖湖區(qū)的防洪形勢(shì)，一旦與長(zhǎng)江干流遭遇，還會(huì)影響長(zhǎng)江中下游及武漢地區(qū)的防洪安全。

當(dāng)某個(gè)時(shí)間范圍內(nèi)水文序列的分布形式和分布參數(shù)發(fā)生了顯著變化，則稱序列發(fā)生了變異[1]。近年來(lái)，受全球氣候變化和大規(guī)模人類活動(dòng)等影響，導(dǎo)致洞庭湖入湖、湖內(nèi)和出湖的洪水序列發(fā)生了變異[2- 3]，洞庭湖流域洪水災(zāi)害頻發(fā)。如2015年5月，湘南地區(qū)遭遇強(qiáng)降雨襲擊，局部地區(qū)大暴雨，導(dǎo)致湘江中上游部分站點(diǎn)超警戒水位達(dá)3 m。2017年6月下旬，湖南省普降大到暴雨，部分地區(qū)大暴雨，平均降雨量197.3 mm，湘江、資水、沅水3條干流及洞庭湖區(qū)共24個(gè)水位站點(diǎn)超警戒水位。2019年7月，湖南全省普降大到暴雨，受強(qiáng)降雨影響，湘江、資水、沅江干支流均有不同程度上漲，洞庭湖從西到東發(fā)生超警戒洪水，城陵磯站超警戒水位62 h。2020年7月，湘中以北地區(qū)發(fā)生連續(xù)的降雨過(guò)程，洞庭湖區(qū)及沅水、澧水共有26個(gè)水文(水位)站超過(guò)警戒水位。

圍繞洞庭湖水文、氣候、泥沙等要素的變化分析已有許多研究。針對(duì)其變異特征，以往多采用Mann-Kendall秩相關(guān)分析方法和奇異譜分析法等[4-5]。對(duì)于洞庭湖洪水變異研究，大多基于實(shí)測(cè)水文氣象數(shù)據(jù)，采用綜合分析、周期圖分析、分維定量刻畫、滑動(dòng)平均、小波分析等多種方法，揭示洞庭湖區(qū)洪澇災(zāi)害特征[6]，分析三峽工程運(yùn)行前后水文序列的非一致性變化[7]。另有采用灰色關(guān)聯(lián)度分析，對(duì)汛期內(nèi)分配指標(biāo)與湖南省水旱災(zāi)害實(shí)際狀況的關(guān)系進(jìn)行探索[8]。

為加強(qiáng)對(duì)洞庭湖四水洪水特性變化研究，并對(duì)整體進(jìn)行分析、判斷與歸因，在上述研究的基礎(chǔ)上，本文基于1959～2020年超過(guò)60 a的長(zhǎng)序列觀測(cè)資料，針對(duì)洞庭湖四水的出口控制水文站點(diǎn)年最大洪峰流量序列、年最高洪峰水位序列進(jìn)行變異診斷，對(duì)洪峰流量、水位要素的變異時(shí)間、變異形式、變異程度以及變異的原因開(kāi)展深入研究。

1 研究數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究數(shù)據(jù)

洞庭湖橫跨湘、鄂兩省，西南接湖南省的湘、資、沅、澧四水，北納荊江三口分流，還有湘水尾閭四小河等河流直接入湖。經(jīng)湖泊調(diào)蓄后，從岳陽(yáng)城陵磯匯入長(zhǎng)江。洞庭湖地勢(shì)西高東低，被分成東洞庭湖、南洞庭湖、西洞庭湖(由目平湖、七里湖組成)，自西向東形成一個(gè)傾斜的水面。

根據(jù)洞庭湖四水水系分布，選取入湖四站：湘潭站、桃江站、桃源站、石門站。站點(diǎn)資料概況和分布如表1，圖1所示。資料來(lái)源為湖南省水文水資源勘測(cè)局，數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)整編，質(zhì)量可靠。

表1 水文站點(diǎn)資料概況

考慮到2015年以來(lái)洞庭湖流域洪水災(zāi)害頻發(fā)的現(xiàn)象，本文將水文序列以2014年進(jìn)行了分段，即分別考慮1959～2014年和1959～2020年，兩段序列時(shí)長(zhǎng)，以充分分析近年來(lái)的四水洪水特性。

1.2 水文序列變異分析方法

由于水文序列(特別是洪水序列)變異形式比較復(fù)雜，為得到可靠的水文序列變異形式及程度，需要使用不同的統(tǒng)計(jì)方法進(jìn)行綜合分析。本文采用謝平等[9]提出的水文變異診斷系統(tǒng)對(duì)洞庭湖各水文站點(diǎn)年最大洪峰流量、年最高洪峰水位序列進(jìn)行診斷分析。針對(duì)洞庭湖三口洪峰流量和水位變異特性分析，孫思瑞等[10]使用該方法，取得了較好的結(jié)果。

診斷系統(tǒng)分析流程可分為3個(gè)階段(圖2)：① 初步診斷，即定性和定量判斷序列是否存在變異，并對(duì)變異程度進(jìn)行初步分類；② 詳細(xì)診斷，即利用多種檢測(cè)方法，綜合判斷和分析序列的跳躍、趨勢(shì)變異；③ 綜合診斷，確定最終變異形式，同時(shí)導(dǎo)出結(jié)果。在具體使用中，診斷系統(tǒng)會(huì)進(jìn)行多次循環(huán)計(jì)算，將扣除跳躍、趨勢(shì)等確定性成分后的剩余序列作為新序列放入診斷系統(tǒng)中再次進(jìn)行計(jì)算。為了合理量化各變異形式的顯著性，系統(tǒng)將序列變異程度劃分為無(wú)、弱、中、強(qiáng)、巨5個(gè)等級(jí)，無(wú)變異表示變異不顯著。如Hurst系數(shù)法一般采用R/S分析原理來(lái)計(jì)算水文序列的Hurst系數(shù)，然后根據(jù)變異程度分級(jí)表[1]來(lái)判斷序列的變異程度，系數(shù)位于0.924與1.000之間時(shí)，變異程度為巨變異。

2 四水洪水要素變異特征分析

本文借助水文變異診斷系統(tǒng)，對(duì)四水站點(diǎn)的年最大洪峰流量、年最高洪峰水位序列進(jìn)行變異分析，診斷結(jié)果見(jiàn)表2。

2.1 四水洪峰流量變異特性

湘潭站、桃源站的年最大洪峰流量序列均為無(wú)變異。

桃江站年最大洪峰流量序列(1959～2014年)在1987年發(fā)生方向向上的跳躍弱變異，1999年發(fā)生方向向下的跳躍中變異，見(jiàn)圖3(a)、(b)。桃江站1959～2020年序列在1987年發(fā)生方向向上的跳躍變異，見(jiàn)圖3(c)，變異程度為跳躍弱變異，與2014年序列對(duì)比存在差異。

石門站的年最大洪峰流量序列(1959～2014年)為無(wú)變異，1959～2020年序列在2003年發(fā)生向下的跳躍中變異，見(jiàn)圖3(d)，與2014年前的序列對(duì)比存在差異。

圖2 水文變異診斷系統(tǒng)流程

2.2 四水洪峰水位變異特性

湘潭站、石門站年最高洪峰水位序列為無(wú)變異，桃江站、桃源站的年最高洪峰水位序列存在變異。其中，桃江站年最高洪峰水位新老序列均在1987年發(fā)生向上的跳躍中變異，見(jiàn)圖4(a)、(c)。桃源站1959～2014年時(shí)段序列，年最高洪峰水位在1989年發(fā)生向上的跳躍中變異，見(jiàn)圖4(b)；1959～2020年時(shí)段序列，在1989年發(fā)生向上的跳躍弱變異，見(jiàn)圖4(d)。兩序列的變異程度存在差異。

表2 四大水系水文變異診斷結(jié)果

對(duì)區(qū)域各站點(diǎn)年最高洪峰水位序列進(jìn)行相關(guān)性分析，能通過(guò)顯著水平0.05的假設(shè)檢驗(yàn)的有：桃江站和桃源站相關(guān)系數(shù)為0.648，相關(guān)性較好；石門站和桃源站相關(guān)系數(shù)為0.280。從站點(diǎn)的空間分布上，桃源站位于石門、桃江二者的中間位置，體現(xiàn)了四水洪水情勢(shì)一定程度的空間分布規(guī)律。桃江站和桃源站年最高洪峰水位序列變異情況較為類似。

3 變異歸因分析

湘潭站洪峰、水位序列未發(fā)生變異，此結(jié)果也同已有研究成果較為一致。如馮暢等[11]分析了1960～2015年湘江湘潭站的水沙實(shí)測(cè)、流域降水等數(shù)據(jù)，得到湘潭站徑流量和水位雖有變化但并不顯著，湘江流域降水變化趨勢(shì)不顯著的結(jié)論。研究結(jié)果證明：湘江2017年與2019年兩場(chǎng)特大洪水并未影響湘江的洪水情勢(shì)特性，洪水的序列特征保持不變。

桃江站年最大洪峰流量序列在1987年發(fā)生向上的跳躍變異。王國(guó)杰等[4]對(duì)洞庭湖流域的氣溫、降水和參照蒸散發(fā)進(jìn)行趨勢(shì)與突變分析，認(rèn)為受到全球變暖的區(qū)域響應(yīng)影響，20世紀(jì)80年代末洞庭湖流域整體年降水有明顯增加，尤其是夏季降水有突變式躍升，與桃江站年最大洪峰流量序列發(fā)生跳躍向上的年份1987年為同一時(shí)期。四水均為降雨形成的洪水，該時(shí)期夏季降水的增加會(huì)對(duì)桃江站年最大洪峰流量增多產(chǎn)生積極影響。桃江站附近國(guó)家氣象站點(diǎn)安化站年最大1 d降雨序列經(jīng)檢驗(yàn)在同一時(shí)期也發(fā)生向上的跳躍變異。因此，桃江站年最大洪峰流量序列在1987年發(fā)生向上的跳躍變異可認(rèn)為與同一時(shí)期降水的突變式躍升有關(guān)。而桃江站年最高洪峰水位序列在1987年發(fā)生向上的跳躍變異可認(rèn)為與同時(shí)期洪峰流量的變異情況有關(guān)聯(lián)。

圖3 四水年最大洪峰流量序列跳躍變異示意

圖4 四水年最高洪峰水位序列跳躍變異示意

桃江站年最大洪峰流量序列(1959～2014年)在1999年發(fā)生向下的跳躍變異，而1959～2020年序列未發(fā)生，與2014年序列對(duì)比存在差異。有研究對(duì)桃江站1990～2013年徑流序列進(jìn)行了分析[8]，發(fā)現(xiàn)在徑流演化過(guò)程中，1999年處出現(xiàn)了明顯的豐水周期，前后也有很明顯的枯水周期。1999年為“豐枯交替”年份，使桃江站年最大洪峰流量序列在此處發(fā)生了向下跳躍變異。而近期的研究[12]對(duì)1956～2018年桃江站徑流演變規(guī)律進(jìn)行了探討，發(fā)現(xiàn)2016～2018年桃江站進(jìn)入了多水期，從而導(dǎo)致了1999年的跳躍變異消失。

桃源站年最高洪峰水位序列在1989年發(fā)生向上的跳躍變異，點(diǎn)繪桃源站1959～1989年和1990～2020年歷年年最高洪峰水位和年最大洪峰流量關(guān)系線(圖5)可知：該站水位流量關(guān)系發(fā)生變化，1989年后點(diǎn)距左偏，同流量水位偏高。說(shuō)明站點(diǎn)的斷面可能發(fā)生了一定的變化。同時(shí)，沅江流域鳳灘水電站等建設(shè)后，水庫(kù)對(duì)洪水進(jìn)行調(diào)節(jié)，使得泄流時(shí)間較長(zhǎng)，也容易造成峰小水位高的情況[13]。

圖5 桃源站水位流量關(guān)系

石門站1959～2014年時(shí)段序列，年最大洪峰流量未發(fā)生變異；1959～2020年時(shí)段序列，在2003年發(fā)生向下的跳躍中變異。兩序列的變異結(jié)果存在差異。造成此現(xiàn)象的原因可能為近年來(lái)澧水流域江埡、皂市水庫(kù)聯(lián)合調(diào)度較為成功[14-15]，降低了澧水干流石門站的洪峰流量，從而使序列自2003年后整體發(fā)生了跳躍變異。

4 結(jié) 論

論文借助水文變異診斷系統(tǒng)，對(duì)四水站點(diǎn)的年最大洪峰流量、年最高洪峰水位序列進(jìn)行變異分析，對(duì)洞庭湖四水洪水變異狀況進(jìn)行了歸納總結(jié)并對(duì)變異原因進(jìn)行了探索。結(jié)果表明：湘潭站洪峰、水位序列未發(fā)生變異；受降水突變式躍升的影響，桃江站洪峰流量、洪峰水位序列在1987年發(fā)生向上的跳躍變異；因站點(diǎn)斷面的水位流量關(guān)系發(fā)生了變化，桃源站年最高洪峰水位序列在1989年發(fā)生向上的跳躍變異；因江埡、皂市水庫(kù)聯(lián)合調(diào)度的影響，石門水文站年最大洪峰流量序列在2003年發(fā)生向下的跳躍變異。