董世杰,李英海,2**,吳 江,楊 恒,李清清

(1:三峽大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院,宜昌 443002)(2:水電工程施工與管理湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(三峽大學(xué)),宜昌 443002)(3:長江水利委員會(huì)長江科學(xué)院,武漢 430010)(4:中國長江三峽集團(tuán)有限公司科學(xué)技術(shù)研究院,北京 101199)

洞庭湖是我國第二大淡水湖,也是長江中下游的重要大型通江湖泊。開展洞庭湖水位演變態(tài)勢(shì)的研究,對(duì)合理開發(fā)利用長江中下游河湖水資源,發(fā)揮通江湖泊調(diào)蓄洪水作用,維持湖泊生態(tài)系統(tǒng)健康具有十分重要的意義。

近幾十年來,受氣候變化與人類活動(dòng)等影響,長江中下游江湖關(guān)系和洞庭湖水文情勢(shì)發(fā)生深刻變化。關(guān)于河湖水文情勢(shì)演變規(guī)律研究方法方面,國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量研究,提出了一系列行之有效的方法:Richter等[1]提出的基于水文改變指標(biāo)法(IHA)的變動(dòng)范圍分析法(RVA)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于水文情勢(shì)影響以及河湖生態(tài)恢復(fù)研究;孫爽等[2]利用遙感解譯和庫容曲線等方法對(duì)查干湖水位、水面積、降水量等水文要素進(jìn)行了分析;張麗麗等[3]通過構(gòu)建群落-水文參數(shù)直方圖和計(jì)算敏感性指數(shù)研究鄱陽湖濕地植被群落與水文情勢(shì)的關(guān)系;張冬冬等[4]、賴錫軍等[5]基于一維和二維耦合水動(dòng)力模擬法分析了三峽工程運(yùn)行在改變上游來水的情況下洞庭湖出流量和水位的變化以及水位空間分布特征。針對(duì)洞庭湖的相關(guān)研究,目前學(xué)者多關(guān)注于三峽水庫蓄水運(yùn)行對(duì)洞庭湖水位、出入湖流量、水沙變化以及水生生物與水生態(tài)環(huán)境的影響:王鴻翔等[6]基于IHA-RVA法評(píng)估三峽水庫運(yùn)行對(duì)洞庭湖年均水位改變情況,歐朝敏等[7]著眼于典型年三峽水庫不同調(diào)度方式對(duì)洞庭湖水位的影響來展開研究;高芮等[8]運(yùn)用IHA-RVA法分析三峽水庫運(yùn)行對(duì)江湖匯流區(qū)流量產(chǎn)生的影響,房娟娟等[9]分析了三峽工程運(yùn)行對(duì)洞庭湖出入湖徑流量、蓄水量和湖區(qū)灌溉供水的影響;張冬冬等[10]、張琳等[11]、周蕾等[12]和胡光偉等[13]分析總結(jié)了洞庭湖水沙演變特征以及三峽水庫運(yùn)行對(duì)洞庭湖出入湖水沙量、沖淤情況和湖區(qū)水位變化的影響;吳倩等[14]、戴凌全等[15]、王麗婧等[16]、高耶等[17]和郭文獻(xiàn)等[18]聚焦三峽水庫運(yùn)行和水文情勢(shì)演變對(duì)洞庭湖沉水植物、魚類以及水生態(tài)環(huán)境造成的影響進(jìn)行研究。上述研究表明,目前有關(guān)洞庭湖的研究著重于考慮受三峽水庫蓄水影響下某單一湖區(qū)水文情勢(shì)的變化或?qū)⒍赐ズ^(qū)作為一個(gè)整體進(jìn)行分析,缺乏從較長時(shí)間尺度上分不同湖區(qū)從水位變化角度對(duì)洞庭湖水位趨勢(shì)性、周期性和突變性特征的詳細(xì)分析。

鑒于上述分析,本文采用Mann-Kendall(M-K)檢驗(yàn)法、小波分析法、累積距平法、滑動(dòng)t檢驗(yàn)法以及水文改變指標(biāo)法(IHA)與變動(dòng)范圍分析法(RVA)相結(jié)合的方法,定量評(píng)估近60年洞庭湖東、南、西三個(gè)湖區(qū)水位變化特征和水位改變度,揭示洞庭湖不同湖區(qū)水位演變態(tài)勢(shì),為洞庭湖水資源綜合利用和湖區(qū)水生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)資料

洞庭湖(28°30′～30°20′N,111°40′～113°10′E)位于湖南省北部,長江中游荊江河段以南,跨越湘鄂兩省,湖區(qū)地勢(shì)西高東低,分成東洞庭湖、南洞庭湖和西洞庭湖(由目平湖、七里湖組成)三個(gè)湖區(qū)。洞庭湖地理位置、水文站、分水口及出入湖河流如圖1所示。

圖1 洞庭湖水文站、分水口及主要水系示意圖Fig.1 Schematic diagram of Lake Dongting hydrological station, water outlet and main water system

本研究選取東洞庭湖鹿角水文站、南洞庭湖楊柳潭水文站以及西洞庭湖南咀水文站作為整個(gè)洞庭湖區(qū)的代表性站點(diǎn)。鹿角站(29°9′41″N,113°0′49″E)西濱東洞庭湖,北通長江,東接新墻河,南臨汨羅江是監(jiān)測(cè)東洞庭湖水文氣象的代表水文站;楊柳潭站(28°46′52″N,112°38′7″E)是控制湘江、資水流入南洞庭湖的觀測(cè)水文站;南咀站(29°3′28″N,112°18′43″E)是控制松滋河、虎渡河、澧水、沅江經(jīng)西洞庭湖湖口(北端)流入南洞庭湖的國家基本水文站。選取的3個(gè)水文站各具代表性,基本能夠反映洞庭湖區(qū)的水位變化。因此,基于3個(gè)水文站點(diǎn)1961-2020年的逐日水位監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)(水位高程均為“1985國家高程基準(zhǔn)”),分析洞庭湖水位變化特征和水位改變度,數(shù)據(jù)來源于長江水利委員會(huì)水文局。

2 研究方法

2.1 Mann-Kendall檢驗(yàn)法

Mann-Kendall(M-K)檢驗(yàn)法是一種非參數(shù)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法,廣泛應(yīng)用于水位、降水、氣溫以及徑流的時(shí)間序列分析。本文將運(yùn)用M-K檢驗(yàn)法對(duì)洞庭湖水位趨勢(shì)性和突變性進(jìn)行分析,具體方法原理及計(jì)算公式見參考文獻(xiàn)[19-20]。

2.2 小波分析法

小波分析的基本思想是用一簇小波函數(shù)系來表示或逼近某一信號(hào)或函數(shù)。小波函數(shù)是小波分析的關(guān)鍵,本文將運(yùn)用小波分析法對(duì)洞庭湖水位周期性進(jìn)行分析,具體方法原理及計(jì)算公式見參考文獻(xiàn)[19,21]。

2.3 累積距平法

累積距平法是一種根據(jù)時(shí)間序列各數(shù)值與序列平均值之間差值的累積值形成的新的時(shí)間序列繪制的累積距平值曲線,觀測(cè)其曲線拐點(diǎn)從而確定出突變點(diǎn)的檢驗(yàn)方法,本文將運(yùn)用累積距平法對(duì)洞庭湖水位突變性進(jìn)行分析,具體方法原理及計(jì)算公式見參考文獻(xiàn)[19-20]。

2.4 滑動(dòng)T檢驗(yàn)法

滑動(dòng)T檢驗(yàn)法是通過考察兩組樣本的平均值差異是否超過其顯著水平來檢驗(yàn)突變,本文將運(yùn)用滑動(dòng)T檢驗(yàn)法對(duì)洞庭湖水位突變性進(jìn)行分析,具體方法原理及計(jì)算公式見參考文獻(xiàn)[19-20]。

2.5 IHA-RVA法

Richter等[1]于1998年提出水文改變指標(biāo)法(IHA),分別從水文要素、時(shí)間、頻率、延時(shí)和改變率5組33個(gè)水文指標(biāo)分析河湖水文情勢(shì)變化[22]。變動(dòng)范圍法(RVA)[23]以IHA為基礎(chǔ)構(gòu)建。IHA-RVA法是國內(nèi)外開展河湖水文變異特征研究的重要方法,該方法根據(jù)提供的河湖系統(tǒng)流量、水位等相關(guān)生態(tài)特征識(shí)別水文變化,IHA-RVA法在評(píng)估河川徑流水文變異過程中得到廣泛應(yīng)用,也曾有部分學(xué)者基于IHA-RVA法對(duì)湖泊水位變異開展過相關(guān)研究[8,24],故本文采用IHA-RVA法對(duì)洞庭湖水位變異進(jìn)行分析。由于本研究3個(gè)代表水文站在研究期間內(nèi)未曾發(fā)生任何一次日水位指標(biāo)為零的情況,故本文不予考慮零水位的天數(shù)指標(biāo),IHA水位指標(biāo)見表1。

表1 IHA法水位指標(biāo)Tab.1 IHA method water level index

表1中32個(gè)水位指標(biāo)變異程度可由下面公式量化得到:

(1)

式中,Di表示第i個(gè)水位指標(biāo)變異程度;Ne表示相應(yīng)的期望年數(shù);No,i表示變異后的水位序列IHA值在25%～75%內(nèi)的年數(shù)。變異后序列水位變異程度Do計(jì)算公式如下:

(2)

式中, 0≤|Di|<33%為低度改變(L);33%≤|Di|<67%為中度改變(M);67%≤|Di|<100%為高度改變(H),以此對(duì)湖泊水位改變度進(jìn)行量化判斷[23,25]。

3 結(jié)果與分析

3.1 洞庭湖年均水位變化特征分析

3.1.1 洞庭湖年均水位趨勢(shì)性檢驗(yàn) 本文運(yùn)用M-K檢驗(yàn)法對(duì)洞庭湖東、南、西3個(gè)湖區(qū)1961-2020年水位趨勢(shì)性進(jìn)行檢驗(yàn)。由年均水位變化趨勢(shì)圖(圖2)可知,研究期間,洞庭湖年均水位除1964、1972、1978、1983、1986、1998、2006、2011、2020年特枯年和特大洪水年波動(dòng)幅度較大外,南咀站年均水位整體呈下降趨勢(shì),鹿角站和楊柳潭站年均水位整體則呈緩慢上升趨勢(shì)。

圖2 洞庭湖代表水文站1961-2020年年均水位變化趨勢(shì)Fig.2 Annual average water level variation trend of representative hydrological stations in Lake Dongting from 1961 to 2020

由表2可知,鹿角站和楊柳潭站水位呈微弱上升趨勢(shì),二者趨勢(shì)性均未通過顯著性檢驗(yàn);南咀站水位呈顯著下降趨勢(shì),趨勢(shì)性通過99%置信度檢驗(yàn)。

表2 洞庭湖代表水文站年均水位M-K趨勢(shì)檢驗(yàn)Tab.2 M-K trend test of annual average water level of representative hydrological stations in Lake Dongting

3.1.2 洞庭湖年均水位周期性分析 本文運(yùn)用小波分析法對(duì)洞庭湖東、南、西3個(gè)湖區(qū)1961-2020年水位周期性進(jìn)行分析,洞庭湖代表水文站水位小波等值線圖與小波方差圖如圖3所示。

圖3 洞庭湖代表水文站水位小波等值線圖與小波方差圖Fig.3 Wavelet contour map and wavelet variance map of water level of representative hydrological station in Lake Dongting

由等值線圖3a可知,東洞庭湖鹿角站水位主要存在8～18、20～30、32～38、39～48、49～63年5個(gè)尺度的周期變化規(guī)律。在1966-2001年期間水位8～18年周期變化顯著;20～30年周期變化顯著且貫穿整個(gè)研究時(shí)段;1965-2015年期間32～38年周期變化顯著;39～48年周期變化顯著且貫穿整個(gè)研究時(shí)段;在1966-2016年期間49～63年周期變化顯著。由小波方差圖3d可知,鹿角站水位方差峰值最高處對(duì)應(yīng)為56年,即第一主周期。

由等值線圖3b可知,南洞庭湖楊柳潭站水位主要存在20～30、32～38、39～48、49～63年4個(gè)尺度的周期變化規(guī)律。水位20～30年周期變化顯著且貫穿整個(gè)研究時(shí)段;在1966-2014年期間32～38年周期變化顯著;39～48年周期變化顯著且貫穿整個(gè)研究時(shí)段;在1966-2016年期間49～63年周期變化顯著。由小波方差圖3d可知,楊柳潭水位方差峰值最高處對(duì)應(yīng)為55年,即第一主周期。

由等值線圖3c可知,西洞庭湖南咀站水位主要存在20～30、32～38、39～48、49～63年4個(gè)尺度的周期變化規(guī)律。水位20～30年周期變化顯著且貫穿整個(gè)研究時(shí)段;在1966-2014年期間32～38年周期變化顯著;39～48年周期變化顯著且貫穿整個(gè)研究時(shí)段;在1966-2016年期間49～63年周期變化顯著。由小波方差圖3d可知,南咀水位方差峰值最高處對(duì)應(yīng)為55年,即第一主周期。

根據(jù)上述周期性分析得出結(jié)論,洞庭湖3個(gè)水文站點(diǎn)水位周期性均較為明顯,呈現(xiàn)4～5個(gè)時(shí)間尺度的周期變化規(guī)律,第一主周期為55～56年。

3.1.3 洞庭湖年均水位突變性分析 根據(jù)M-K法突變性檢驗(yàn)圖4a可知,東洞庭湖鹿角站水位1961-2020年UF與UB均在0.05顯著水平范圍內(nèi)的交點(diǎn)有2個(gè),分別是1963和2018年,即1963和2018年為M-K 法確定的水位突變年份。為了確定其合理性本研究將運(yùn)用累積距平法和滑動(dòng)t檢驗(yàn)法對(duì)M-K法檢驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn)和補(bǔ)充,通過累積距平法突變性檢驗(yàn)圖4b可看出,1979和2003年為鹿角站水位趨勢(shì)變化拐點(diǎn),即1979和2003年為累積距平法確定的水位突變年份。最后運(yùn)用滑動(dòng)t檢驗(yàn)法得出鹿角站水位的突變年份為1979、1988和2003年。綜合以上3種方法,最終確定鹿角站水位突變年份為1979和2003年。

圖4 東洞庭湖水位Mann-Kendall法突變性檢驗(yàn)與累積距平法突變性檢驗(yàn)Fig.4 Mann-Kendall method mutation test and cumulative anomaly method mutation test of water level in East Lake Dongting

根據(jù)M-K法突變性檢驗(yàn)圖5a可知,南洞庭湖楊柳潭站水位1961-2020年UF與UB均在0.05顯著水平范圍內(nèi)的交點(diǎn)有2個(gè),分別是2017和2019年,即2017和2019年為M-K法確定的水位突變年份。為了確定其合理性本研究將運(yùn)用累積距平法和滑動(dòng)t檢驗(yàn)法對(duì)M-K法檢驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn)和補(bǔ)充,通過累積距平法突變性檢驗(yàn)圖5b可看出1978和2003年為楊柳潭站水位趨勢(shì)變化拐點(diǎn),即1978和2003年為累積距平法確定的水位突變年份。最后運(yùn)用滑動(dòng)t檢驗(yàn)法得出楊柳潭站水位的突變年份為1978、1983和2003年。綜合以上3種方法,最終確定楊柳潭站水位突變年份為1978和2003年。

圖5 南洞庭湖水位Mann-Kendall法突變性檢驗(yàn)與累積距平法突變性檢驗(yàn)Fig.5 Mann-Kendall method mutation test and cumulative anomaly method mutation test of water level in South Lake Dongting

根據(jù)M-K法突變性檢驗(yàn)圖6a可知,西洞庭湖南咀站水位1961-2020年UF與UB均在0.05顯著水平范圍內(nèi)的交點(diǎn)只有2004年1個(gè),即2004年為M-K法確定的水位突變年份。為了確定其合理性本研究將運(yùn)用累積距平法和滑動(dòng)t檢驗(yàn)法對(duì)M-K法檢驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn)和補(bǔ)充,通過累積距平法突變性檢驗(yàn)圖6b可看出2003年為南咀站水位趨勢(shì)變化拐點(diǎn),即2003年為累積距平法確定的水位突變年份。最后運(yùn)用滑動(dòng)t檢驗(yàn)法得出南咀站水位的突變年份為1983和2003年。綜合以上3種方法,最終確定南咀站水位突變年份為2003年。

圖6 西洞庭湖水位Mann-Kendall法突變性檢驗(yàn)與累積距平法突變性檢驗(yàn)Fig.6 Mann-Kendall method mutation test and cumulative anomaly method mutation test of water level in West Lake Dongting

對(duì)3個(gè)水文站點(diǎn)確定的水位突變年份進(jìn)行合理性分析,其中確定鹿角站水位突變年份為1979、2003年,楊柳潭站水位突變年份為1978、2003年,南咀站水位突變年份為2003年,3個(gè)方法獨(dú)自確定的水位突變年份又主要集中在20世紀(jì)70-80年代,分析其突變?cè)?1978年是長江流域典型嚴(yán)重高溫干旱年之一[26],1979年雖干旱程度和范圍不及1978年,但也是長江流域干旱較重年份之一,2003年受上游三峽水庫正式蓄水運(yùn)行影響較大,使得洞庭湖區(qū)3個(gè)水文站點(diǎn)水位均在本年發(fā)生突變,20世紀(jì)60-70年代下荊江河段3次裁彎取直,20世紀(jì)80年代葛洲壩水利樞紐工程一期和二期相繼完成,以及三口、四水上游中小型水利工程陸續(xù)修建,圍湖造田等活動(dòng),水利工程的修建在實(shí)現(xiàn)流域大江截流、蓄水、防洪和便利通航的同時(shí),也會(huì)改變長江流域及洞庭湖原本的水文情勢(shì)。結(jié)合原因分析,認(rèn)為運(yùn)用M-K檢驗(yàn)法、累積距平法和滑動(dòng)t檢驗(yàn)法對(duì)洞庭湖東、南、西3個(gè)湖區(qū)水位突變點(diǎn)的確定是合理的。因此,綜合確定2003年為洞庭湖水位改變度計(jì)算與分析的分界點(diǎn)。據(jù)表3可知,M-K檢驗(yàn)法確定的突變年份相比累積距平法和滑動(dòng)t檢驗(yàn)法年份差異較大,且在最終確定的突變年份中M-K檢驗(yàn)法也未檢驗(yàn)出水位突變年份2003年,據(jù)此推測(cè)在洞庭湖年均水位突變性分析中累積距平法和滑動(dòng)t檢驗(yàn)法適用性更強(qiáng),因此本研究運(yùn)用累積距平法和滑動(dòng)t檢驗(yàn)法對(duì)M-K法檢驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn)和補(bǔ)充。

表3 洞庭湖代表水文站年均水位突變年份統(tǒng)計(jì)Tab.3 Statistical of annual average water level mutation year of Lake Dongting representative hydrological station

3.2 洞庭湖水位改變度計(jì)算與分析

3.2.1 突變年前后水位改變度計(jì)算 本文在確定洞庭湖水位突變年份的基礎(chǔ)上進(jìn)一步對(duì)水位改變度進(jìn)行研究。以2003年為分界點(diǎn),將洞庭湖3個(gè)代表水文站歷年逐日水位數(shù)據(jù)劃分為兩個(gè)研究時(shí)段,1961-2002年為水位突變前自然狀態(tài)下的基準(zhǔn)水位序列研究時(shí)段,2003-2020年為水位突變后的水位改變序列研究時(shí)段。在此基礎(chǔ)上運(yùn)用IHA-RVA法計(jì)算水位突變前后鹿角、楊柳潭和南咀3個(gè)代表水文站的水位改變程度。洞庭湖流域3個(gè)代表水文站32個(gè)水位指標(biāo)改變度分析如下。

圖7為2003年突變前后月水位中值與水位改變度曲線。由圖7可知,洞庭湖3個(gè)代表水文站最明顯的水位變異大多出現(xiàn)在1、2、6、7、10和11月,4-9月為洞庭湖汛期,其余月份為非汛期,洞庭湖水位9-10月消落較快。上游梯級(jí)水庫群汛期削減洪峰對(duì)汛期下泄流量削減作用明顯,同時(shí)水庫群非汛期為滿足下游工農(nóng)業(yè)用水和生態(tài)用水需求,補(bǔ)水增泄流量對(duì)水位抬升也有一定影響。

圖7 洞庭湖代表水文站水位突變前后月水位中值與水位改變度Fig.7 The median monthly water level and the degree of water level change before and after the mutation of the water level of the representative hydrological station of Lake Dongting

圖8為2003年突變前后年極端水位與水位改變度曲線。由圖8可知,洞庭湖3個(gè)代表水文站年均最低水位改變度的絕對(duì)值相比于年均最高水位改變度絕對(duì)值整體上要高,這說明洞庭湖水位的變化對(duì)年均最低水位的影響更深。鹿角站年均1 d最低水位為低度改變、年均3 d、年均7 d、年均30 d最低水位都為中度改變,年均90 d最低水位為高度改變,年均最高水位改變度均為低度改變,基流指數(shù)為高度改變;楊柳潭站年均1 d、年均3 d、年均7 d、年均30 d最低水位均為高度改變,年均30 d最高水位為中度改變,基流指數(shù)為低度改變,其余均為低度改變;南咀站年均最低水位和年均最高水位改變度二者整體上趨近,基流指數(shù)為低度改變。

圖8 洞庭湖代表水文站水位突變前后年極端水位與水位改變度Fig.8 Annual extreme water level and water level change degree before and after water level mutation at representative hydrological stations in Lake Dongting

表4為洞庭湖代表水文站水位突變前后IHA指標(biāo)(3～5組)統(tǒng)計(jì)結(jié)果。由表4可知,在年極端水位發(fā)生時(shí)間上,年最低水位楊柳潭站、南咀站呈中度變化,鹿角站呈低度變化,年最高水位楊柳潭站呈中度變化,鹿角站、南咀站呈低度變化。3個(gè)站點(diǎn)年最低、最高水位出現(xiàn)日期整體來看呈推遲變化趨勢(shì),尤以年最低水位日期變化明顯。在高低水位頻率及歷時(shí)上,洞庭湖3個(gè)代表水文站高水位次數(shù)及歷時(shí)均為中低度改變。3個(gè)站點(diǎn)低水位次數(shù)均有所增加,3個(gè)站點(diǎn)高水位次數(shù)均有所減少。在水位變化改變率及頻率上,鹿角站和南咀站水位上升率均減少,楊柳潭站水位上升率未發(fā)生變化,楊柳潭站水位下降率略有減少,鹿角站水位下降率略有增大、南咀站水位下降率未變化;3個(gè)站點(diǎn)水位逆轉(zhuǎn)次數(shù)均為高度變化,尤以南咀站改變度最大,其次數(shù)由突變前59次增加至73.5次。

表4 洞庭湖代表水文站水位突變前后IHA指標(biāo)(3～5組)統(tǒng)計(jì)*Tab.4 Statistical of IHA index (3-5 groups) before and after the mutation of water level in representative hydrological stations of Lake Dongting

根據(jù)圖9洞庭湖代表水文站水位改變度可知,32個(gè)水位指標(biāo)中,鹿角站發(fā)生高度改變的水位指標(biāo)為7個(gè),發(fā)生中度改變的水位指標(biāo)為11個(gè),發(fā)生低度改變的水位指標(biāo)為14個(gè);楊柳潭站發(fā)生高度改變的水位指標(biāo)為9個(gè),發(fā)生中度改變的水位指標(biāo)為7個(gè),發(fā)生低度改變的水位指標(biāo)為16個(gè);南咀站發(fā)生高度改變的水位指標(biāo)為6個(gè),發(fā)生中度改變的水位指標(biāo)為12個(gè),發(fā)生低度改變的水位指標(biāo)為14個(gè)。

圖9 洞庭湖代表水文站水位改變度Fig.9 Water level change degree of representative hydrological station in Lake Dongting

對(duì)洞庭湖代表水文站3個(gè)等級(jí)水位改變度占32個(gè)水位指標(biāo)比例情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì),如圖10所示,整體來看楊柳潭站水位改變度最高,鹿角站居中,南咀站最低,其中楊柳潭站水位改變度發(fā)生高度改變和低度改變的指標(biāo)所占比例均為最高,分別為28%和50%。

圖10 洞庭湖代表水文站3個(gè)等級(jí)水位改變度占32個(gè)水位指標(biāo)比例Fig.10 The proportion of water level changes degree at three levels of representative hydrological stations in Lake Dongting to 32 water level indicators

3.2.2 整體水位改變度分析 利用IHA-RVA法計(jì)算得出鹿角、楊柳潭、南咀3個(gè)水文站各組水位改變度和整體水位改變度,如表5所示。

表5 洞庭湖代表水文站水位序列整體水位改變度Tab.5 The overall water level change degree of the representative hydrological station water level sequence in Lake Dongting

根據(jù)表5可知,楊柳潭各組水位改變度均為中度改變,鹿角、南咀除第3組水位指標(biāo)屬低度改變外,其余組水位指標(biāo)也均為中度改變;鹿角、楊柳潭和南咀整體水位改變度均為中度改變,其整體水位改變度分別為43%、48%和42%。推測(cè)其原因,因本文選用2003年作為洞庭湖水位改變度計(jì)算與分析的分界點(diǎn),2003年三峽水庫正式建成運(yùn)行,這使得長江中下游及洞庭湖原本的水文情勢(shì)發(fā)生改變,3個(gè)站點(diǎn)整體水位改變度均達(dá)到中度改變,但鹿角站毗鄰長江,受新墻河以及東洞庭湖調(diào)蓄作用,楊柳潭站受湘江、資水以及南洞庭湖的調(diào)蓄作用,南咀站受三口河系、澧水、沅江和西洞庭湖的調(diào)蓄作用,其整體水位改變度也均保持在中度改變范圍之內(nèi),并未達(dá)到高度改變,同時(shí)3個(gè)站點(diǎn)均離長江干流較遠(yuǎn),均屬洞庭湖內(nèi)湖水文站,故水位突變年受三峽水庫蓄水運(yùn)行影響差別不大,整體水位改變度均在40%～50%區(qū)間范圍內(nèi)。

4 結(jié)論

1)年均水位東洞庭和南洞庭呈微弱上升趨勢(shì),西洞庭呈顯著下降趨勢(shì),3個(gè)湖區(qū)代表站點(diǎn)水位周期性變化顯著,第一主周期為55～56年,呈4～5個(gè)時(shí)間尺度的周期變化規(guī)律。

2)洞庭湖不同湖區(qū)水位發(fā)生突變年份主要集中在上游三峽水庫蓄水運(yùn)行、葛洲壩水利樞紐工程修建、下荊江河段裁彎取直等水利工程建設(shè)運(yùn)行時(shí)段,同時(shí)1978和1979年長江流域發(fā)生嚴(yán)重干旱,導(dǎo)致鹿角站、楊柳潭站水位發(fā)生突變,在趨勢(shì)性檢驗(yàn)中,年均水位波動(dòng)幅度較大的年份對(duì)應(yīng)的正是長江流域特枯年和特大洪水年,這表明洞庭湖水位變化受上游水利工程以及流域干旱和洪澇等氣候變化影響顯著。

3)通過IHA-RVA法計(jì)算得到2003年突變前后鹿角、楊柳潭、南咀3個(gè)站點(diǎn)水位改變度分別為43%、48%、42%,均在40%～50%區(qū)間范圍內(nèi),洞庭湖水位整體上屬于中度改變,可見三峽水庫蓄水運(yùn)行對(duì)洞庭湖水位變化影響明顯。

隨著長江上游水庫群系統(tǒng)的建成運(yùn)行,以及近年來長江流域全流域洪水及極端干旱的頻繁發(fā)生,如何進(jìn)一步開展以三峽水庫為核心的上游水庫群運(yùn)行與極端氣候影響下洞庭湖不同湖區(qū)水位、流量、泥沙、水質(zhì)等多種水文要素水文情勢(shì)演變規(guī)律以及相互影響關(guān)系研究,耦合流域水文模型預(yù)測(cè)未來洞庭湖水文情勢(shì)變化趨勢(shì),將是今后研究的重要方向。