尚希婷，張紅艷，閔克祥，王 鵬，3，華祖林，3

（1.河海大學淺水湖泊綜合治理與資源開發(fā)教育部重點實驗室，江蘇南京 210098；2.江蘇省秦淮河水利工程管理處，江蘇南京 210022；3.河海大學長江保護與綠色發(fā)展研究院，江蘇南京 210098）

水位保障是淺水湖泊生態(tài)恢復的有效手段，近年來，針對鄱陽湖、洞庭湖等長江中下游大型通江湖泊開展了較多的生態(tài)水位研究工作［1-5］，對石臼湖開展生態(tài)水位研究，有利于維持其生物多樣性和生態(tài)系統(tǒng)完整性。由于受氣候變化和人類活動的雙重影響，在某個時間點，水文序列的統(tǒng)計規(guī)律會發(fā)生顯著變異，這個時間點稱為水文序列的變異點，了解和診斷水文序列的變異及其規(guī)律，對水文分析、模擬、預測、防洪減災、水環(huán)境治理等具有重要意義［6-7］。

本文利用蛇山水位站1973—2020 年日均水位過程，采用Mann-Kendall 檢驗和滑動T 檢驗確定了石臼湖水位變異點，結(jié)合年保證率法和年內(nèi)展布法計算其逐月最低生態(tài)水位，研究成果可為石臼湖水生態(tài)系統(tǒng)保護提供科學依據(jù)。

1 研究區(qū)域概況

石臼湖位于長江中下游，湖西部通過青弋江、水陽江、姑溪河與長江相連，湖北部通過天生橋河與秦淮河相連。長江水通過水陽江流入，由姑溪河流出，水位變幅一般為2.5～6.8 m，最大變幅可達7 m以上。石臼湖生物多樣性豐富，是包括東方白鸛、大天鵝、小天鵝等珍稀鳥類在內(nèi)眾多野生動物的重要棲息地。

2 研究數(shù)據(jù)和方法

2.1 研究數(shù)據(jù)

本研究選用的監(jiān)測點蛇山水位站位于石臼湖南部，收集該站點1973—2020 年共48 年的日水位數(shù)據(jù)，統(tǒng)一采用吳淞高程。

2.2 水文變異點

Mann-Kendall（M-K）檢驗是一種非參數(shù)檢驗方法，廣泛應用于分析降水、徑流和氣溫等要素時間序列的趨勢或跳躍變化研究。該方法首先計算時間正序列和逆序列數(shù)據(jù)的統(tǒng)計變量UF和UB，并與置信水平α=0.05 時的臨界變量對比，如果UF和UB兩條曲線出現(xiàn)交點，且交點在臨界線內(nèi)，則對應的時刻即為水文突變點。該方法的優(yōu)點是不受樣本值和分布類型的干擾，但檢驗過程可能出現(xiàn)多個突變點，需要結(jié)合其他方法進一步檢驗?；瑒覶檢驗法也常用于水文變異點的計算，該方法通過計算相關(guān)統(tǒng)計量，判斷其是否超過顯著性水平，超過的時刻即為水文突變點。

2.3 最低生態(tài)水位

根據(jù)水文變異的計算結(jié)果，對變異點之前的天然水位資料，采用年保證率法計算石臼湖最低生態(tài)水位，并通過年內(nèi)展布法得到逐月最低生態(tài)水位。

本文選取1973—2020年實測年最低水位數(shù)據(jù)，按照從小到大的順序排列，選取保證率為75%的值所對應的水文年，參考生態(tài)系統(tǒng)健康評價［8］，得出水文年對應的權(quán)重μ，計算得到石臼湖的最低生態(tài)水位Hmin，然后將其與多年年均水位h的比值作為同期均值比η，并計算多年月均水位hi，結(jié)合同等比例縮放的原理，求得逐月最低生態(tài)水位。其計算式為

式中：Hmin為最低生態(tài)水位；為保證率所對應的水文年的年均水位；μ為權(quán)重，由水文年湖泊生態(tài)健康等級確定，湖泊生態(tài)健康等級可分為優(yōu)、較好、中等、差、極差，對應的μ值分別為0.945、0.975、1.000、1.005、1.013。

3 結(jié)果與討論

3.1 石臼湖水位變異點

對石臼湖1973—2020 年的年均水位資料進行水文變異檢驗，采用M-K 法和滑動T檢驗法，并選取α=0.05進行計算。根據(jù)M-K檢驗，UF和UB的交點發(fā)生在1976年、1980年和2000年，說明石臼湖水位在1976年、1980年和2000年發(fā)生了突變，其年均水位在水文變異前呈下降趨勢，水文變異后整體呈上升趨勢。M-K檢驗法出現(xiàn)多個突變點，需要結(jié)合滑動T檢驗法進一步檢驗，得知石臼湖的突變點為1984年和2000年。由于計算方法的不同，2種檢驗結(jié)果可能存在差異，但都表明石臼湖年均水位在2000年發(fā)生突變。因此，本文選取1973—1999年的天然水位序列計算石臼湖的最低生態(tài)水位。

3.2 石臼湖水位變化特征

對石臼湖1973—2020年的年均水位進行分析，結(jié)果如圖1所示。可以看出石臼湖年均水位最高出現(xiàn)在1998 年，水位為8.14 m；年均水位最小出現(xiàn)在2011年，僅為5.69 m。石臼湖水文突變前多年平均水位為7.09 m，高于突變后的6.86 m，說明水文變異導致石臼湖水位普遍降低。

圖1 石臼湖1973—2020年年均水位變化

同時，對石臼湖1973—1999年日水位序列進行分析，得到石臼湖逐日水位的多年平均值、多年最高值和多年最低值，結(jié)果如圖2所示。由圖2可知，石臼湖蛇山站水位年內(nèi)呈典型的單峰分布，具有明顯的高低水位變化。1 月至7 月上旬水位呈上升趨勢，水位在7月到達最高值，7月中旬至12月呈下降趨勢，呈現(xiàn)出顯著的高、低水位變化特征。年內(nèi)日均水位變化范圍為5.3～10.0 m，從年際水位過程看，多年日最大水位和日最小水位差異顯著，多年日最高水位的變化范圍為5.9～12.3 m，多年日最低水位的變化范圍為5.0～7.8 m，同一天的最高和最低水位差最高能達到4.5 m。根據(jù)多年日水位計算，石臼湖高水位（25%保證率）和低水位（75%保證率）分別為8.39 m和5.69 m?？傮w上石臼湖水位呈現(xiàn)出汛期水位高、非汛期水位低的年內(nèi)變化特征。

圖2 石臼湖1973—1999年日均水位變化

3.3 石臼湖生態(tài)水位計算

根據(jù)年保證率法，對1973—1999年的逐日水位數(shù)據(jù)求年內(nèi)最小值，獲得逐年最低水位，選擇75%保證率［9-10］的最低水位數(shù)據(jù)所對應水文年的年均水位作為。根據(jù)石臼湖濕地生態(tài)的健康評價等級，μ值取1，得到石臼湖最低生態(tài)水位hmin為6.77 m，多年平均水位為7.11 m。由最低生態(tài)水位與多年年均水位的比值得到同期均值比η為0.95，再根據(jù)多年月均水位進行年內(nèi)分配，得到石臼湖1—12 月的逐月最低生態(tài)水位分別為5.25、5.15、5.32、5.87、6.67、7.56、9.26、8.58、8.00、7.25、6.24、5.52 m。

研究表明，石臼湖魚類以湖泊定居性為主，定居性魚類一般在春夏季繁殖，水深適宜在0.5～1.0 m，生存水深至少為1.0 m。石臼湖湖底高程一般在2.5～5.0 m，上述最低生態(tài)水位值基本滿足定居性魚類的繁殖和生存需要。

3.4 石臼湖生態(tài)水位保障程度

根據(jù)水位變異點結(jié)果，分別計算石臼湖水文變異前后生態(tài)水位月均保障程度和年均保障程度，結(jié)果如圖3、圖4 所示。由圖3 可知，水文變異前的月均生態(tài)水位保障度整體高于水文變異后，這是由于水文變異導致石臼湖水位整體降低。水文變異前1—2 月的保障度最高，超過90%，4—6 月保障度最低，但均高于55%，水文變異后10—11 月的保障度不足40%。由圖4 可知，水文變異前的生態(tài)保障程度呈現(xiàn)出豐水年高、枯水年低的周期變化特征。2000—2013年由于石臼湖水位普遍偏低，生態(tài)保障度整體呈現(xiàn)下降趨勢，2013年之后有所回升。

圖3 石臼湖水文變異前后生態(tài)水位月均保障程度

石臼湖通過青戈江、水陽江和姑溪河等河流與長江自然連通，其水位變化受長江水位波動節(jié)律和降雨徑流過程的雙重影響，因此，需要進一步診斷導致其水位變異的關(guān)鍵驅(qū)動因素和相應的貢獻率，為提高石臼湖生態(tài)水位保障度，維持湖泊生物多樣性和生態(tài)系統(tǒng)健康提供科學依據(jù)和指導。

4 結(jié) 語

本文采用M-K檢驗法和滑動T檢驗法，對石臼湖1973—2020年的年均水位進行水文突變檢驗，并采用年保證率法和年內(nèi)展布法得到逐月最低生態(tài)水位，最后對其最低生態(tài)水位與保障程度進行了計算分析。

（1）M-K檢驗表明石臼湖水位在1976年、1980年和2000 年發(fā)生了突變，滑動T檢驗法的突變點為1984年和2000年，表明石臼湖年均水位的突變點發(fā)生在2000年。

（2）石臼湖逐月最低生態(tài)水位分別為5.25、5.15、5.32、5.87、6.67、7.56、9.26、8.58、8.00、7.25、6.24、5.52 m，滿足石臼湖定居性魚類繁殖和生存的水深需求。

（3）石臼湖水文變異前的月均生態(tài)水位保障度整體高于水文變異后，水文變異時刻至2013 年，石臼湖生態(tài)水位保障度于2013年后有所回升，需要進一步診斷導致其水位變異的關(guān)鍵驅(qū)動因素及其貢獻率。