鐘小敏，帥 紅，李景保，李煜連，王雨欣，張憬怡

(1.湖南師范大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)院,湖南 長沙410081;2.湖南師范大學(xué) 地理空間大數(shù)據(jù)挖掘與應(yīng)用湖南省重點實驗室,湖南 長沙 410081)

1 研究背景

近數(shù)十年來，長江中上游、湖南“四水”修建了眾多大型水庫，在水利工程群的共同影響下，洞庭湖水文情勢發(fā)生了巨大變化[1-5]。特別是2003年三峽水庫蓄水以來，其強(qiáng)大的調(diào)節(jié)作用改變了長江中下游天然的水文循環(huán)和泥沙輸移過程[6-10]，使洞庭湖與長江的關(guān)系進(jìn)入了一個新的調(diào)整階段。城陵磯作為扼守洞庭湖的出口，其水位變化是反映江湖關(guān)系演變的重要標(biāo)志[11]，因此，剖析其在水利工程群影響下的水情時序變化具有重要意義。近數(shù)十年來，國內(nèi)學(xué)者從不同角度就水利工程影響下城陵磯水位變化做了較多研究[12-15]，其中，20世紀(jì)80年代以來，有許多學(xué)者對水利工程運(yùn)行下的城陵磯水位進(jìn)行了探討[16-19]。進(jìn)入21世紀(jì)以來，有許多學(xué)者對三峽水庫影響下的城陵磯水位展開了研究[20-28]，其中，周蕾等[29]、肖瀟等[30]研究了城陵磯平均水位的演變特征。然而這些研究的時間尺度不夠長，或單一分析長江干流一個或多個水利工程運(yùn)行導(dǎo)致的變化，沒有考慮到城陵磯特征水位受到湖南“四水”和長江水利工程群的綜合影響。

鑒于此，本文從長時間尺度角度出發(fā)分析了長江干流和湖南“四水”水利工程群影響下的洞庭湖湖口城陵磯特征水位的時序演變特征，以期為優(yōu)化該水利工程群運(yùn)行方案、制定江湖地區(qū)防洪抗旱應(yīng)急預(yù)案以及設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)化防洪抗旱工程提供理論參考。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 研究區(qū)概況

洞庭湖為我國第二大淡水湖，位于湖南省北部、長江荊江段南岸，東南部匯集了湘、資、沅、澧4條江河(簡稱“四水”)及環(huán)湖中小河流來水，北接松滋、太平、藕池三口(調(diào)弦口于1958年冬封堵)來水來沙，經(jīng)洞庭湖調(diào)蓄后，由湖口城陵磯泄入長江[15]。因此，城陵磯特征水位既受到長江上游水庫群的影響，又受到湖南“四水”水庫群的影響。洞庭湖及長江干流主要水文控制站分布見圖1。

2.2 數(shù)據(jù)來源

為揭示水利工程群對城陵磯特征水位的影響，選用1956-2020年城陵磯站水文數(shù)據(jù)作為分析的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)來源于長江水利委員會(http://www.cjw.gov.cn/)、湖南省水利水電勘測設(shè)計研究總院(http://www.hhpdi.com/)、湖北省水利廳(http://slt.hubei.gov.cn/)以及湖南省水情日報表。水利工程數(shù)據(jù)來自《水利統(tǒng)計公報》《水利部公報》《湖南省水庫名錄》以及中國水利工程數(shù)據(jù)庫等。長江流域中上游和“四水”流域主要水利工程見表1。

圖1 洞庭湖及長江干流主要水文控制站分布

2.3 研究方法

本文采用Mann-Kendall趨勢和突變檢驗法[31-34]分析城陵磯特征水位的時序演變特征，運(yùn)用相關(guān)分析法和線性趨勢法來分析各時段的水位變化。同時，按照國家水利部信息中心水文預(yù)報規(guī)范及徑流豐枯狀況的劃分標(biāo)準(zhǔn)，對水庫群運(yùn)行前后的典型年進(jìn)行界定[26]，即：

(1)

式中：P為徑流距平百分比，P>20%為豐水年；-10%≤P≤10%為平水年；P<-20%為枯水年。

3 結(jié)果與分析

一般而言，水庫蓄水后，汛期調(diào)洪削峰，對最高水位產(chǎn)生影響；汛末蓄水，對9-10月水位產(chǎn)生影響；枯水期補(bǔ)水調(diào)度，對枯水期平均水位和最低水位產(chǎn)生影響。為便于分析多時間尺度下城陵磯特征水位演變規(guī)律，分別對1956-2020年城陵磯的年均水位、年最高水位、年最低水位、汛末水位(9-10月)以及枯水期水位(12月-次年3月)進(jìn)行Mann-Kendall秩次相關(guān)檢驗，取可信度α=0.05，其對應(yīng)的M臨界值為1.96，若∣M∣>1.96，表示序列的趨勢顯著。5個水位序列的統(tǒng)計量M變化趨勢見圖2。

表1 長江流域中上游和“四水”流域主要水利工程

圖2 1956-2020年城陵磯特征水位序列M-K檢驗統(tǒng)計值變化趨勢

由圖2可知，城陵磯年均水位、年最高水位、年最低水位以及枯季水位均發(fā)生顯著變化，汛末水位呈不顯著上升趨勢。其中，年均水位自1965年起發(fā)生顯著變化，1980年后呈穩(wěn)定的顯著上升趨勢，2003年后上升趨勢有所減緩；年最高水位自1988年起發(fā)生顯著變化；年最低水位自1968年起發(fā)生顯著變化；枯季水位自1967年起發(fā)生顯著變化，1980年后呈穩(wěn)定的顯著上升趨勢?？紤]到柘溪水庫(總庫容為35.65×108m3)1963年全面投產(chǎn)，而城陵磯平均水位在1965年發(fā)生顯著變化，表明城陵磯平均水位可能受到了柘溪水庫調(diào)蓄的影響。因此，以1963年為分界點，將1956-1962年城陵磯水位序列作為水庫建設(shè)前的天然水位，1963-2020年水位序列作為水利工程群建設(shè)后的來水序列。1963-1972年下荊江系統(tǒng)裁彎期除年最高水位外，其余4個水位序列的統(tǒng)計值M在1.96上下波動，情況復(fù)雜，故將1963-1972年作為一個單獨(dú)時間段分析。1980年后平均水位和枯季水位呈穩(wěn)定的顯著上升趨勢，2003年后平均水位的顯著上升趨勢有所減緩，而1981年1月葛洲壩開始截流，2003年長江中上游最大的水庫——三峽水庫開始試驗性蓄水，這兩個水庫對城陵磯水位產(chǎn)生了明顯影響[19,26]，故將1973-1980、1981-2002及2003-2020年分別作為單獨(dú)的時間段來分析。據(jù)此，將1956-2020年的水文序列劃分為5個時段，即第1時段1956-1962年(基準(zhǔn)期)、第2時段1963-1972年(下荊江系統(tǒng)裁彎期)、第3時段1973-1980年(下荊江裁彎后至葛洲壩截流前)、第4時段1981-2002年(葛洲壩截流后)、第5時段2003-2020年(三峽水庫蓄水后)。

3.1 水利工程群運(yùn)行下城陵磯特征水位時序變化

由于城陵磯處于江湖交匯區(qū)，其水情具有隨機(jī)性和不確定性，本文從長時間尺度對比分析城陵磯特征水位的變化規(guī)律，尤其是三峽工程運(yùn)行后特征水位的變化特點。

3.1.1 水利工程群運(yùn)行下城陵磯年特征水位變化規(guī)律 將1956-2020年城陵磯的年均水位、年最高水位和年最低水位以年份為自變量進(jìn)行線性擬合，結(jié)果如表2所示。

表2 1956-2020年城陵磯年特征水位線性擬合結(jié)果

由表2可知，城陵磯年均水位、年最低水位上升趨勢明顯。1956-2020年年均水位、年最高水位和年最低水位均值分別為24.78、30.54和19.86 m，波動范圍分別為22.93～26.83、26.91～35.44、17.56～21.38 m，其中年最高水位變化范圍最大。

各時段城陵磯年特征水位的變化(表3)表明，時段1的年均水位為23.63 m，相較于時段1，時段2、3、4、5分別抬升了0.68、1.04、1.61、1.34 m，與時段4相比，時段5的年均水位有所下降(24.97 m)。年最高水位在第1～第4時段逐時段抬升，與時段4相比，時段5的年最高水位有所下降(30.50 m)，該變化規(guī)律與年均水位基本一致。年最低水位逐時段抬升，相較于時段1，時段2、3、4、5分別抬升了0.75、1.23、2.17、2.78 m。表明近幾十年來城陵磯年均水位明顯抬高，三峽工程運(yùn)行后降低了城陵磯年均水位、年最高水位，抬高了城陵磯年最低水位。

表3 1956-2020年各時段城陵磯年特征水位變化 m

綜上所述，城陵磯年均水位和年最高水位先上升后下降，具有明顯的階段性變化特征[28]，年最低水位逐時段抬升，三峽工程運(yùn)行是導(dǎo)致時段5年均水位和年最高水位相對下降的主要因素，三峽工程的補(bǔ)水調(diào)蓄作用是年最低水位抬升的主導(dǎo)因素。

3.1.2 水利工程群運(yùn)行下城陵磯年特征水位變化趨勢 利用Mann-Kendall檢驗法分析城陵磯年特征水位變化趨勢，結(jié)果見表4。表4表明，1956-2020年年均水位、年最高水位、年最低水位的Z值分別為3.227、1.970、7.419，說明城陵磯年特征水位呈顯著上升趨勢。

對比分析表4中各時段城陵磯年特征水位變化趨勢可知，時段1年均水位和年最高水位的Z值分別為0.751、0.451，為不顯著的上升趨勢，而年最低水位的Z值為-0.151，為不顯著的下降趨勢。時段2的年特征水位呈下降趨勢，其中，年均水位呈顯著下降趨勢，這是因為1963年柘溪水庫全面投產(chǎn)以及1967-1972年下荊江系統(tǒng)裁彎的影響。時段3城陵磯年均水位和年最低水位均呈下降趨勢，其Z值分別為-0.991、-0.741，而年最高水位呈上升趨勢(Z=0.991)。時段4年特征水位呈上升趨勢，其中年均水位和年最低水位呈顯著上升趨勢(Z=2.169、2.846)。時段5年最低水位、年均水位、年最高水位的Z值分別為2.237、1.629、0.719，年最低水位的變化在時段4、5均具有顯著性。結(jié)果表明下荊江系統(tǒng)裁彎降低了城陵磯特征水位，1981年葛洲壩截流以來城陵磯年特征水位呈上升趨勢，2003年三峽工程運(yùn)行后，由于三峽大壩巨大的攔水?dāng)r沙功能，其上升趨勢有所減緩。

采用Mann-Kendall檢驗法分析城陵磯特征水位的突變年份，繪制出的統(tǒng)計量序列圖見圖3。由圖3可以看出，城陵磯年均水位在1964年發(fā)生突變，這與1963年柘溪水庫建成蓄水有一定聯(lián)系，1981年突破臨界值上限，呈顯著上升趨勢；年最高水位在1967年發(fā)生突變，而1967-1972年實施了下荊江系統(tǒng)裁彎工程，可見下荊江裁彎對年最高水位產(chǎn)生了影響；年最低水位在1981年發(fā)生突變，1981年葛洲壩截流，因此該突變年份的發(fā)生與葛洲壩水庫建設(shè)有關(guān)。

表4 1956-2020年不同時段城陵磯特征水位M-K趨勢變化

3.1.3 水利工程群運(yùn)行下城陵磯特征水位季節(jié)變化規(guī)律 受湖南“四水”入湖來水、長江干流洪水頂托等因素的影響，城陵磯存在漲水期(4-5月)、豐水期(6-9月)、退水期(10-11月)和枯水期(12月-次年3月)4個水文期[3]。本文通過統(tǒng)計與計算1956-2020年不同時段水利工程群影響下的城陵磯漲、豐、退、枯水期特征水位，以分析城陵磯特征水位的季節(jié)變化規(guī)律。表5為1956-2020年各時段不同水文期城陵磯特征水位。

圖3 1956-2020年城陵磯特征水位M-K統(tǒng)計量序列

表5 1956-2020年各時段不同水文期城陵磯特征水位 m

對表5中的特征水位按不同水文期分析如下：

(1)漲水期。時段1的城陵磯水位在22.24～24.41 m之間波動，水位均值為23.84 m。相較于時段1，時段2、3、4的月平均水位分別上升0.63、0.95、1.05 m，月均最高水位分別上升2.24、2.36、2.42 m。時段5月平均水位繼續(xù)抬升(24.98 m)，月均最高水位有所下降(26.70 m)。月均最低水位在柘溪水庫蓄水后和下荊江裁彎期間抬升，之后有所下降，葛洲壩截流后，月均最低水位抬升至23.34 m，三峽工程蓄水后又回落至22.41 m。上述結(jié)果表明，漲水期水利工程群對最高水位影響較大，柘溪水庫蓄水后，城陵磯最高水位抬升2 m以上，下荊江系統(tǒng)裁彎提高了城陵磯最低水位。

(2)豐水期。城陵磯月平均水位和月均最高水位在時段1～時段4逐時段抬升，月平均水位分別為27.87、28.14、28.89、29.25 m，月均最高水位分別為29.66、29.69、30.34、32.64 m，三峽水庫蓄水后，則呈同步下降趨勢，與時段4相比，分別下降了0.56、2.22 m。月均最低水位由時段1的26.32 m下降至?xí)r段2的25.35 m，時段3有所抬升，時段4、5又有所下降。上述結(jié)果表明，豐水期三峽工程運(yùn)行對最高水位影響較大，這主要是受三峽水庫調(diào)洪削峰運(yùn)行期(7月1日-8月31日)的影響，長江荊江段泄洪量減少，湖南“四水”主汛期已過，此調(diào)度方式有利于降低洞庭湖洪水位，減輕了抗洪搶險壓力；受水利工程群影響，豐水期月均最低水位有增有減，情況復(fù)雜。

(3)退水期。時段1的城陵磯水位在21.64～25.67 m之間波動，水位均值為23.48 m。相較于時段1，時段2的月平均水位以及月均最高、最低水位分別抬升了1.98、2.16、2.60 m。與時段2相比，時段3的月平均水位以及月均最高、最低水位分別下降了0.13、1.16、0.64 m。時段4、5月均最低水位繼續(xù)下降，分別為22.50、21.81 m，而月平均水位和月均最高水位在時段4上升、時段5下降。退水期城陵磯特征水位自柘溪水庫蓄水后抬升，而期間水位總體上降低，三峽水庫蓄水后特征水位下降，這是因為長江下泄量減少，湖南“四水”(進(jìn)入枯水期)和荊南“三口”同期入湖水量減少，受水庫正常蓄水運(yùn)行期調(diào)控的影響，長江上游或“四水”流域如不發(fā)生較大洪水，則洞庭湖區(qū)水位呈下降趨勢，進(jìn)而導(dǎo)致特征水位的下降，表明水利工程群對城陵磯退水期特征水位產(chǎn)生了明顯影響。

(4)枯水期。相較于時段1，時段2、3、4的月平均水位分別抬升了0.50、0.71、1.95 m，最高水位分別抬升了0.59、0.57、2.66 m，最低水位分別抬升了0.56、0.86、1.46 m。時段5的城陵磯月平均水位和月均最低水位分別抬升至21.70、20.81 m，月均最高水位下降至22.45 m。自1963年以來城陵磯平均水位和最低水位逐期抬升，1980年后，最高水位壅高明顯，三峽水庫蓄水后，上升趨勢減緩，這主要是受葛洲壩截流與三峽水庫在該時段的補(bǔ)水調(diào)度影響[26,35]，葛洲壩水庫于1981年開始截流，三峽水庫枯水期補(bǔ)水調(diào)度抬高了長江干流枯季最低水位，但補(bǔ)水能力有限，加之長江荊江段清水下泄，使河道受到?jīng)_刷，造成河床下切、水位降低，導(dǎo)致最高水位下降，最低水位和平均水位抬升。表明枯水期水利工程群的運(yùn)行對城陵磯水位產(chǎn)生了明顯影響。

綜上所述，城陵磯特征水位對水利工程群產(chǎn)生了不同的響應(yīng)，其中三峽工程的運(yùn)行降低了城陵磯豐水期、退水期的特征水位，抬高了枯水期的平均水位、最低水位以及漲水期的平均水位，20世紀(jì)80年代以來，城陵磯枯水期特征水位明顯抬高，說明以葛洲壩和三峽工程等為代表的水利工程群在汛末蓄水對最高水位有影響，補(bǔ)水調(diào)度對枯水期平均水位和最低水位有影響。

3.2 水利工程群運(yùn)行下典型年城陵磯特征水位變化

由3.1節(jié)可知，城陵磯水位受葛洲壩截流和三峽工程運(yùn)行的影響較大，就不同水文期而言，豐水期和枯水期的變化更明顯。因此，本文通過分析1980年后城陵磯豐水期和枯水期典型年的特征水位變化，揭示以葛洲壩和三峽工程為代表的水利工程群對城陵磯特征水位的影響。按照標(biāo)準(zhǔn)將第4時段的1998、2001、1994年和第5時段的2017、2004、2006年依次界定為豐水年、平水年和枯水年，在水利工程群運(yùn)行影響下，第4、5時段各典型水文年的城陵磯特征水位如表6所示。

3.2.1 水利工程群運(yùn)行下豐水年城陵磯特征水位的變化 對比分析表6中豐水年城陵磯特征水位演變特點可知，豐水期和枯水期的特征水位隨時段呈下降趨勢，相較于時段4，時段5豐水期的平均水位、最高水位和最低水位分別下降了4.10、3.61、1.68 m，枯水期分別下降了1.14、0.75、0.12 m，平均水位變化最大，最低水位變化最小。由此說明，三峽工程的運(yùn)行降低了城陵磯豐水年豐水期和枯水期的特征水位，該變化有利于削減長江中游洪峰，減輕洪水災(zāi)害的影響程度，但同時也要預(yù)防豐水年枯水期發(fā)生干旱。

表6 水利工程群運(yùn)行下城陵磯典型水文年特征水位

3.2.2 水利工程群運(yùn)行下平水年城陵磯特征水位的變化 對比分析表6中平水年城陵磯特征水位演變特點可知，枯水期特征水位下降，而豐水期上升，相較于時段4，時段5枯水期的平均水位、最高水位和最低水位分別下降了0.81、0.07、1.67 m，豐水期分別上升了1.11、1.29、1.38 m，最低水位變化最大。這表明三峽工程的運(yùn)行降低了平水年城陵磯枯水期特征水位，抬高了豐水期特征水位。

3.2.3 水利工程群運(yùn)行下枯水年城陵磯特征水位的變化 對比分析表6中枯水年城陵磯特征水位演變特點可知，枯水期特征水位上升，而豐水期下降，相較于時段4，時段5枯水期的平均水位、最高水位和最低水位分別上升了0.18、0.74、0.33 m，豐水期分別下降了1.90、0.55、3.37 m，豐水期最低水位變化最大。這表明三峽工程的運(yùn)行使得城陵磯枯水年豐水期特征水位下降，枯水期特征水位上升，該變化有利于緩解城陵磯枯水年枯水期的旱情，同時也要預(yù)防枯水年水利工程運(yùn)行導(dǎo)致的突發(fā)情況。

總體而言，城陵磯豐、平、枯水年的特征水位對三峽工程的運(yùn)行產(chǎn)生了不同的響應(yīng)。三峽水庫運(yùn)行有利于穩(wěn)定枯水期水位，在一定程度上可以緩解長江中下游旱災(zāi)程度。

4 討 論

洞庭湖水情受到長江干流和湖南“四水”水利工程群的綜合影響而發(fā)生變化，該變化必將對洞庭湖湖口城陵磯的特征水位產(chǎn)生影響。研究表明各水利工程對特征水位的影響不一致，使城陵磯水位在不同階段表現(xiàn)出不同的特點。

4.1 城陵磯特征水位時序變化分析

經(jīng)分析，近幾十年來城陵磯年特征水位總體呈顯著上升趨勢。從各時段年特征水位的變化來看，受柘溪水庫全面投產(chǎn)和下荊江系統(tǒng)裁彎的影響，1963-1972年城陵磯年特征水位呈下降趨勢，這與段文忠[13]、肖瀟等[30]的研究結(jié)論一致；三峽工程運(yùn)行后降低了城陵磯的平均水位和最高水位，叢振濤等[20]、賴錫軍等[22]、黃群等[25]在對城陵磯水位的研究中也得出了類似的結(jié)論；總體上自20世紀(jì)80年代以來，受葛洲壩和三峽工程等水利工程群的影響，城陵磯年均水位和年最高水位壅高，年最低水位顯著抬升，段文忠等[14]在對城陵磯水位的研究中也得出了類似的結(jié)論。柴元方等[18]在對城陵磯水位的研究中發(fā)現(xiàn)，1967年發(fā)生的突變與中州子裁彎有一定聯(lián)系，本文對城陵磯水位進(jìn)行Mann-Kendall突變檢驗分析時，也發(fā)現(xiàn)年最高水位在1967年發(fā)生突變，該突變年的發(fā)生與中州子裁彎密切相關(guān)。此外，本研究還發(fā)現(xiàn)年均水位在1964年發(fā)生的突變與柘溪水庫建成蓄水有關(guān)，年最低水位在1981年發(fā)生的突變與葛洲壩截流有關(guān)。在特征水位季節(jié)變化上，城陵磯水位存在“漲-豐-退-枯”的變化特征，豐水期平均水位在葛洲壩截流后抬升，三峽工程運(yùn)行后，枯水期平均水位和最低水位抬升，最高水位下降，這與周蕾等[29]的研究結(jié)論類似。

4.2 城陵磯典型年特征水位變化分析

各典型年城陵磯特征水位對三峽工程的運(yùn)行產(chǎn)生了不同的響應(yīng)，三峽水庫運(yùn)行降低了城陵磯豐水年豐水期和枯水期、平水年枯水期、枯水年豐水期的特征水位，抬高了平水年豐水期、枯水年枯水期的特征水位，這與李景保等[26]的研究結(jié)論一致。從總體上看，該變化有利于緩解城陵磯枯水年枯水期的旱情、削弱長江中游洪峰、降低水災(zāi)影響。

5 結(jié) 論

本文采用Mann-Kendall趨勢和突變檢驗法從不同時間尺度分析了長江干流和湖南“四水”水利工程群影響下洞庭湖湖口城陵磯特征水位的時序演變特征，得出以下主要結(jié)論：

(1)總體上城陵磯特征水位呈顯著上升趨勢，特征水位階段性變化明顯。其中，城陵磯年均水位、年最高水位在三峽水庫蓄水運(yùn)行的影響下，呈時段1～時段4逐期抬升而時段5下降的變化趨勢，受水利工程群調(diào)蓄作用的影響，年最低水位逐時段抬升。

(2)柘溪水庫蓄水以來，城陵磯漲、豐、退、枯水期特征水位產(chǎn)生了不同的響應(yīng)。城陵磯枯水期特征水位自葛洲壩截流以來明顯抬升，豐水期、退水期特征水位受三峽水庫蓄水影響明顯下降。

(3)水利工程群對城陵磯典型年豐水期和枯水期特征水位產(chǎn)生了不同的影響。三峽水庫蓄水后，城陵磯豐水年豐水期和枯水期、平水年枯水期、枯水年豐水期特征水位下降，平水年豐水期、枯水年枯水期特征水位抬升。

(4)洞庭湖湖口城陵磯特征水位時序演變特征是人類活動與自然因素疊加作用的結(jié)果。本文在分析特征水位時序演變特征過程中僅考慮了人類活動(水利工程群)的影響作用，未考慮氣候因素及工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及生活用水的影響，同時在洪水期城陵磯水位受監(jiān)利和螺山河段洪水的頂托概率也較大，也未考慮其對城陵磯特征水位的影響，這些問題有待今后探討。