洞庭湖出口中枯水位特征及變化趨勢(shì)

鄭穎

（湖南省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究總院 長(zhǎng)沙市 410007）

洞庭湖出口中枯水位特征及變化趨勢(shì)

鄭穎

（湖南省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究總院 長(zhǎng)沙市 410007）

文章以洞庭湖出口城陵磯 （七里山）站1981～2013年實(shí)測(cè)水位資料為基礎(chǔ)，主要采用Mann-Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)法，對(duì)最低水位、枯期水位、保證率水位、9月和10月分旬水位等特征水位進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)和變化趨勢(shì)分析，得出的主要結(jié)論有：1981～2013年上述特征水位發(fā)生了不同程度的變化，特別是三峽等工程運(yùn)行后（2003～2013年），枯期水位和9～10月分旬水位降低幅度最大。研究成果對(duì)于洞庭湖綜合治理特別是水資源配置方案的確定具有重要指導(dǎo)意義。

洞庭湖出口 城陵磯 中枯水位特征 變化趨勢(shì)

1 概述

洞庭湖納湘、資、沅、澧四水，接松滋、太平、藕池和調(diào)弦（1958年封堵）四口的長(zhǎng)江來(lái)水，經(jīng)湖泊調(diào)蓄后，在東洞庭湖的出口城陵磯附近注入長(zhǎng)江。由于江湖關(guān)系演變、葛洲壩和三峽等工程的運(yùn)用，長(zhǎng)江干流荊江河段發(fā)生沖刷，由荊南三口分流進(jìn)入洞庭湖的水量減少，洞庭湖中枯水位發(fā)生了大的變化，對(duì)洞庭湖區(qū)水資源利用、農(nóng)業(yè)灌溉、航運(yùn)、生態(tài)等造成了深遠(yuǎn)的影響，尤其是東洞庭湖。因此研究洞庭湖出口中枯水位變化規(guī)律對(duì)于洞庭湖綜合治理特別是水資源配置方案的確定等決策具有指導(dǎo)意義。

2 研究方法

目前檢測(cè)趨勢(shì)與突變的方法有多種，其中Mann-Kendall檢驗(yàn)法是多數(shù)人認(rèn)為理論基礎(chǔ)和應(yīng)用效果好的一種方法。在Mann-Kendall檢驗(yàn)中，原假設(shè)H0為時(shí)間序列數(shù)據(jù)（x1，x2，…，xn），是n個(gè)獨(dú)立的、隨機(jī)變量同分布的樣本。對(duì)于所有的i，j≤n，且i≠j，定義檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量S：

當(dāng)n＞10，統(tǒng)計(jì)變量S近似服從正態(tài)分布，不考慮序列中等值數(shù)據(jù)點(diǎn)的情況，E（S）=0，方差Var（S）= n（n-1）（2n+5）/18。

標(biāo)準(zhǔn)化的檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量Zmk可以用下式計(jì)算：

采用雙側(cè)檢驗(yàn)，在α顯著水平下，如果|Zmk|＞Z（1-α/2），拒絕無(wú)趨勢(shì)的原假設(shè)，即認(rèn)為在序列中存在有增大或減小的趨勢(shì);否則接受序列無(wú)趨勢(shì)的假設(shè)。Zmk為正值表示增加趨勢(shì)，負(fù)值表示減少趨勢(shì)。Z（1-α/2）是概率超過(guò)1-α/2時(shí)標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布的值。通常取顯著性水平α為0.1和0.01，當(dāng)α≤0.01時(shí)，說(shuō)明檢驗(yàn)具有高度顯著性水平；當(dāng)0.01≤α≤0.1，說(shuō)明檢驗(yàn)是顯著的。趨勢(shì)性檢驗(yàn)結(jié)果級(jí)別描述見(jiàn)表1。

3 研究?jī)?nèi)容

（1）最低水位和枯期水位。城陵磯（七里山）站為洞庭湖出口處控制站，統(tǒng)計(jì)其1981～2013年水位資料， 年最低水位、10月～次年3月和12月～次年2月水位多年平均值分別為20.00 m、22.65 m和21.20 m。

表1 趨勢(shì)性檢驗(yàn)結(jié)果級(jí)別描述

由圖1隨歷時(shí)變化過(guò)程線(xiàn)，10月～次年3月多年平均水位是呈下降趨勢(shì)，12月～次年2月和最低水位呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，最低水位在2003年后，水位過(guò)程線(xiàn)波動(dòng)比較小，上升趨勢(shì)明顯。 采用Mann-Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)對(duì)城陵磯站最低水位和枯期水位進(jìn)行檢驗(yàn)，10月～次年3月水位呈微弱下降趨勢(shì)，12月～次年2月水位呈微弱上升趨勢(shì)，年最低水位呈上升趨勢(shì)。

圖1 城陵磯站年最低水位和枯期隨歷時(shí)變化過(guò)程線(xiàn)（水位，凍結(jié)高程）

2003年三峽工程開(kāi)始蓄水，之后長(zhǎng)江上游溪洛渡、向家壩等水利工程陸續(xù)開(kāi)始運(yùn)行，江湖演變?cè)偌由先祟?lèi)活動(dòng)的影響，對(duì)洞庭湖水位產(chǎn)生了重要影響。將1981～2013年分為兩個(gè)時(shí)段：三峽等工程運(yùn)行前（1981～2002年） 和三峽等工程運(yùn)行后（2003～2013年），統(tǒng)計(jì)城陵磯（七里山）站年最低水位和枯期水位統(tǒng)計(jì)值。三峽等工程運(yùn)行后與之前相比，年最低水位和10月～次年3月變化比較大，平均最低水位比之前抬升了0.39 m，10月～次年3月下降了0.52 m，而12月～次年2月則變化不大，見(jiàn)表2。

表2 城陵磯站年最低水位和枯期水位平均值（水位，m，凍結(jié)高程）

（2） 保證率水位。根據(jù)城陵磯（七里山）站1981年～2013年逐日平均水位資料，統(tǒng)計(jì)高于保證率天數(shù)（第15天、第30天、第90天、第180天、第270天）水位。

由圖2城陵磯七里山站保證率水位隨歷時(shí)變化過(guò)程線(xiàn)，第15天、第30天、第180天、第270天水位均呈下降趨勢(shì)。采用Mann-Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)對(duì)城陵磯站各保證率水位進(jìn)行檢驗(yàn)，第15天、第30天、第270天水位呈微弱下降趨勢(shì)，第90天水位呈微弱上升趨勢(shì)，第180天水位呈顯著下降趨勢(shì)。

圖2 城陵磯保證率水位隨歷時(shí)變化過(guò)程線(xiàn)（水位，m，凍結(jié)高程）

分析三峽等工程運(yùn)行前后時(shí)段不同保證率水位的對(duì)比值：2003～2013年與1981～2002年相比，第15天、第30天水位降低了1 m，第180天水位降低了1.06 m， 而第90天和第270天水位降低值較小，分別降低了0.45 m和0.15 m，見(jiàn)表3。

表3 城陵磯站保證率水位平均值表（水位，m，凍結(jié)高程）

（3）9月和10月分旬水位。洞庭湖在三峽等工程蓄水期9～11月水位降低幅度較大， 以1981～2013年實(shí)測(cè)資料進(jìn)一步分析三峽工程運(yùn)行前后洞庭湖9～11月分旬水位變化情況。

由圖3和圖4，可知9月和10月上、中、下旬水位均隨歷時(shí)呈下降趨勢(shì)。采用Mann-Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)對(duì)城陵磯站9月和10月的分旬水位進(jìn)行檢驗(yàn)，9月分旬水位出現(xiàn)微弱下降趨勢(shì)，而10月分旬水位呈顯著下降趨勢(shì)。

圖3 城陵磯站9月分旬水位隨歷時(shí)變化過(guò)程線(xiàn)（水位，m，凍結(jié)高程）

圖4 城陵磯站10月分旬水位隨歷時(shí)變化過(guò)程線(xiàn)（水位，m，凍結(jié)高程）

分析三峽等工程運(yùn)行前后9月和10月分旬水位分時(shí)段對(duì)比值：2003～2013年與1981～2002年相比，9月和10月城陵磯七里山站水位均降低較多，特別是10月下旬；9月分旬水位下降值（0.88～1.22）m，10月分旬水位下降值（1.75～2.45）m，10月下旬降低值最大，達(dá)2.45 m。詳見(jiàn)表4。

表4 城陵磯站9月和10月分旬水位統(tǒng)計(jì)（水位，m，凍結(jié)高程）

4 總結(jié)

（1）年最低水位變化較大，總體呈上升趨勢(shì)。三峽等工程運(yùn)行后，年最低水位抬升了0.39 m，枯期10月～次年3月則發(fā)生了下降，且下降了0.52 m。

（2）保證率第180天水位變化較大，總體呈顯著下降趨勢(shì)。三峽等工程運(yùn)行后，第15天、第30天水位降低了1 m，第180天水位降低了1.06 m。

（3）9月分旬水位總體呈微弱下降趨勢(shì)，而10月分旬水位總體呈顯著下降趨勢(shì)。三峽等工程運(yùn)行后，9月和10月分旬水位降低幅度均比較大，10月下旬尤勝，降低值達(dá)2.45 m。

綜上，1981～2013年洞庭湖出口城陵磯 （七里山）站年最低水位、枯期水位、保證率水位、9月和10月分旬水位等特征水位均發(fā)生了不同程度的變化。三峽等工程運(yùn)行后，枯期水位和9～10月分旬水位降低幅度較大，對(duì)東洞庭湖的影響較大。

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湖南省重大水利科技項(xiàng)目“洞庭湖生態(tài)基流及生態(tài)水位特性研究”、“洞庭湖區(qū)間水文特性研究”。

2017-01-09）

鄭穎（1987-），女，湖北蘄春人，碩士研究生，工程師，主要從事洞庭湖水利規(guī)劃、設(shè)計(jì)和科學(xué)研究工作，E-mail：466355301@qq.com。