王 雪，趙學峰，趙學軍

(1. 長江水利委員會綜合管理中心，武漢 430010； 2. 長江水利委員會水文局漢江水文水資源勘測局，湖北 襄陽 441021)

三峽工程運行前后鄱陽湖倒灌特性對比分析

王 雪1，趙學峰2，趙學軍2

(1. 長江水利委員會綜合管理中心，武漢 430010； 2. 長江水利委員會水文局漢江水文水資源勘測局，湖北 襄陽 441021)

采用統(tǒng)計分析和趨勢分析等數(shù)理統(tǒng)計分析方法，對三峽工程運行前后鄱陽湖的倒灌特性開展對比分析。研究結(jié)果表明：① 較三峽工程運行前的1990～2002年，三峽工程運行初期(2003～2008年)年均倒灌天數(shù)和年均總倒灌量均有明顯的增加，而三峽水庫175 m試驗性蓄水(2009年)以來二者均顯著減?。虎?年際變化方面：2002～2009年期間倒灌發(fā)生的頻率最高；年內(nèi)分布方面：三峽工程運行后7月、10月、11月最大倒灌流量均出現(xiàn)了較為明顯的減少，而8月和9月則出現(xiàn)了較大增幅；③ M-K趨勢檢驗結(jié)果表明，年均流量和年倒灌量均未出現(xiàn)顯著變化。

三峽工程；鄱陽湖；江水倒灌；Mann-Kendall檢驗

引 言

贛江、撫河、信江、饒河、修河五大江河(以下簡稱五河)入湖，鄱陽湖水入江，長江與鄱陽湖有著自然形成的江湖關(guān)系。然而，由于贛江流域的主汛期為4～6月，而長江中上游的主汛期為6～9月，若長江上游來水激增，長江高水位運行，很容易產(chǎn)生長江水倒灌鄱陽湖的現(xiàn)象。長江水倒灌之于鄱陽湖是一把“雙刃劍”，如果倒灌發(fā)生在汛期，則會給鄱陽湖帶來防汛壓力；如果發(fā)生在枯水季節(jié)，則長江水量可以滋潤和回補鄱陽湖，有利于農(nóng)業(yè)灌溉，恢復鄱陽湖濕地植被和漁業(yè)生態(tài)[1]。

由于長江和鄱陽湖存在著復雜的江湖關(guān)系，長江干流上三峽工程的建設(shè)和運行會對鄱陽湖產(chǎn)生一定影響，三峽工程論證階段的《長江三峽水利樞紐環(huán)境影響報告書》及其批復意見認為：“興建三峽工程對生態(tài)與環(huán)境的影響有利有弊”[2]。

江水倒灌作為江湖相互關(guān)系的極端表現(xiàn)，近年來受到眾多學者的持續(xù)關(guān)注并開展了大量的研究[3-5]。近期關(guān)注的問題包括：(1)三峽工程的建設(shè)運行是否會對長江倒灌鄱陽湖的總體情勢產(chǎn)生影響；(2)三峽工程的建設(shè)運行是否會對長江倒灌鄱陽湖的年際和年內(nèi)變化規(guī)律產(chǎn)生影響；(3)三峽工程的建設(shè)運行是否會對長江倒灌鄱陽湖的變化趨勢產(chǎn)生影響。本文選擇湖口水文站1990～2015年的水位、流量數(shù)據(jù)，分三峽工程運行前(1990～2002年)以及三峽工程運行后(2003～2015年)這兩個時期，采用統(tǒng)計分析和趨勢分析等數(shù)理統(tǒng)計分析方法，對三峽工程運行前后鄱陽湖的倒灌特性開展對比分析。

1 研究區(qū)域

鄱陽湖位于東經(jīng)115°49′～116°46′、北緯28°24′～29°46′，江西省北部，是我國目前最大的淡水湖泊。它承納五河及博陽河、漳河、潼河等區(qū)間來水，經(jīng)調(diào)蓄后由湖口注入長江，是一個過水性、吞吐型、季節(jié)性的湖泊，鄱陽湖及其與長江的位置關(guān)系見圖1。

鄱陽湖南北長173 km，東西平均寬度16.9 km，最寬處約74 km，入江水道最窄處的屏峰卡口，寬約為2.8 km，湖岸線總長1 200 km。湖面以松門山為界，分為南北兩部分，南部寬廣，為主湖區(qū)，北部狹長，為湖水入長江水道區(qū)。湖區(qū)地貌由水道、洲灘、島嶼、內(nèi)湖、汊港組成。洲灘有沙灘、泥灘和草灘三種類型，面積約3 130 km2，全湖島嶼41個，面積約103 km2。

鄱陽湖水位漲落受五河及長江來水的雙重影響，每當洪水季節(jié)，水位升高，湖面寬闊，一望無際，1949年鄱陽湖面積為5 340 km2(水面高程22 m，吳松基面，下同)，以后主要由于人類活動影響，使鄱陽湖湖泊面積在20世紀70～80年代縮小為3 993.7 km2，湖泊容積為295.9億m3；在20世紀90年代縮小至3 572km2，湖泊容積為280.5億m3。按枯水期水位12 m計算，湖泊面積為556.6 km2，湖泊容積為9.2億m3。枯水季節(jié)，水位下降，洲灘出露，湖水歸槽，蜿蜒一線，洪、枯水的水面、容積相差極大?！案咚呛退坪印?、“洪水一片，枯水一線”是鄱陽湖的自然地理特征。

圖1 鄱陽湖及其與長江的關(guān)系位置圖

2 江水倒灌特性對比分析

作為長江中下游典型的通江湖泊，鄱陽湖出流特征及水位漲落受流域五河來水及長江徑流的雙重影響，江水倒灌鄱陽湖是江湖相互作用中長江頂托過程的極端現(xiàn)象，是江湖相互作用關(guān)系的一種最強烈表現(xiàn)，在一定時期決定性地影響著鄱陽湖獨特的流量和水位波動。

2.1 倒灌總體特性分析

本文選擇湖口水文站1990～2015年的水位、流量數(shù)據(jù)，分三峽工程運行前(1990～2002年)以及三峽工程運行后(2003～2015年)這兩個時期，對工程影響條件下湖口站的倒灌特性及該站的水位-流量關(guān)系進行了分析，分別見表1、圖2、圖3。

從表1可以看出，三峽工程運行前的1990～2002這13年間，長江倒灌鄱陽湖共67 d，總倒灌水量166.74億m3，年均倒灌天數(shù)為5.15 d，年均倒灌水量為12.83億m3；三峽工程運行后的2003～2015這13年間，長江倒灌鄱陽湖共110 d，總倒灌水量225.71億m3，年均倒灌天數(shù)為8.46 d，年均倒灌水量為13.36億m3，較前者年均倒灌天數(shù)增加3.31 d，年均倒灌水量增加0.53億m3。

對比分析還可發(fā)現(xiàn)，2009～2015這7年間(三峽水庫175m試驗性蓄水階段)鄱陽湖倒灌強度明顯減弱。7年間長江倒灌鄱陽湖共15 d，總倒灌水量10.25億m3，年均倒灌天數(shù)為2.14 d，年均倒灌水量為1.46億m3。鄱陽湖在這7年間發(fā)生倒灌天數(shù)分別為1 d、0、4 d、3 d、4 d、3 d、0，倒灌流量最大為3 940 m3/s。較三峽工程運行前的1990～2002年以及三峽工程運行初期的2003～2008年，年均倒灌天數(shù)和年均總倒灌量均有明顯的減小。

對比圖2和圖3發(fā)現(xiàn)，三峽工程運行前發(fā)生倒灌時湖口站水位-流量關(guān)系分布總體呈現(xiàn)兩大特征，以湖口站水位18 m左右為界限，當湖口水位高于18m以上時，水位與流量散點呈負相關(guān)關(guān)系，即隨著水位的上升，倒灌流量呈減小的趨勢；當湖口水位低于18 m以下時，水位與流量散點呈正相關(guān)關(guān)系，即隨著水位的上升，倒灌流量呈增大的趨勢。三峽工程運行后發(fā)生倒灌時湖口站水位-流量關(guān)系比較散亂，總體分布也更加的集中和均勻，倒灌時水位以及最大倒灌流量的變幅較運行前均有顯著減小。

綜上分析可知，三峽工程的運行對江水倒灌鄱陽湖的總體特性有一定的影響。較三峽工程運行前的1990～2002年，三峽工程運行初期年均倒灌天數(shù)和年均總倒灌量均有明顯的增加，而三峽水庫175 m試驗性蓄水以來年均倒灌天數(shù)和年均總倒灌量均顯著減小。三峽工程運行后發(fā)生倒灌時湖口站水位-流量關(guān)系更加散亂，總體分布也更加集中和均勻。

表1 三峽工程運行前后倒灌特性對比表

圖2 三峽工程運行前湖口站水位?流量關(guān)系圖

圖3 三峽工程運行后湖口站水位?流量關(guān)系圖

2.2 年際和年內(nèi)變化規(guī)律

(1)年際變化

由1990～2015年共26年資料分析可知，總體而言江水倒灌鄱陽湖較為頻繁，除1992、1993、1995、1997、1998、1999、2001、2006、2010、2015等10年未倒灌外，其余16年均發(fā)生倒灌(如圖4所示)。就年際變化而言，倒灌和非倒灌年份交替出現(xiàn)，但2002～2009年期間倒灌發(fā)生的頻率最高，僅2006年未發(fā)生倒灌，其余7年均出現(xiàn)了倒灌，且最大倒灌流量也較大，最大為6 160 m3/s，平均最大倒灌流量也達到了3 326 m3/s。

(2)年內(nèi)分布

進一步從年內(nèi)分配上進行分析，長江倒灌鄱陽湖現(xiàn)象主要發(fā)生在7～11月，且絕大多數(shù)出現(xiàn)在7～9月，占總倒灌天數(shù)的90.4%。1990～2015年7月、8月、9月、10月、11月長江倒灌鄱陽湖天數(shù)分別為79 d、46 d、35 d、6 d及11 d，分別占倒灌總天數(shù)的44.63%、25.99%、19.77%、3.39%、6.21%。

較1990～2002年三峽工程運行前，每年7月、10月、11月最大倒灌流量均出現(xiàn)了較為明顯的減少，而8月和9月則出現(xiàn)了較大增幅，這主要是由鄱陽湖流域五河洪水和長江洪水年內(nèi)分布上的差異造成。三峽工程運行前，每年7月鄱陽湖流域五河洪水開始消退，而相應(yīng)長江徑流達到最大，長江水位上漲較快，其對鄱陽湖出流的頂托作用也最為強烈；8月和9月末開始，長江洪水有一個相對快速的消退過程，此時由于鄱陽湖前期蓄存了大量水體，水位高，湖水下泄壓力大，使得這段時間內(nèi)的江水倒灌頻率有所降低；10月和11月來水進入枯水期，江水倒灌的頻率也隨著長江頂托作用的減小而降低。三峽工程運行后，由于水庫的攔洪和滯洪作用，使得長江水位的漲落過程更加的坦化，導致7月份長江水位上漲減慢，而8月和9月水位消落減慢，10月份以后水庫的蓄水進一步減小了下泄流量，致使長江水位進一步降低，從而出現(xiàn)了圖5所示的現(xiàn)象。

圖4 湖口站歷年最小流量年際變化圖

2.3 趨勢變化分析

(1)分析方法

在時間序列趨勢分析中，最為常用的方法為Mann-Kendall檢驗(以下簡稱M-K檢驗)[6]，其已被眾多學者廣泛應(yīng)用在降水、徑流、氣溫和水質(zhì)等時間序列趨勢變化的研究中[7]。M-K檢驗不需要樣本遵循一定的分布，也不受少數(shù)異常值的干擾，適用于水文、氣象等非正態(tài)分布的數(shù)據(jù)。在運用M-K檢驗進行趨勢分析時，需構(gòu)建統(tǒng)計變量S，其計算如下：

(1)

式中，xi為時間序列構(gòu)成的分析樣本；sgn是符號函數(shù)；S為統(tǒng)計量，在給定的α置信水平上，當Z≥Zα/2時，說明時間序列上升的趨勢較為顯著；當Z<-Zα/2時，說明時間序列下降的趨勢較為顯著。相反，則表明該時間序列變化趨勢不顯著。

在檢驗序列的突變點時，則需構(gòu)造另一秩序列：

(2)

式中，UFk服從標準正態(tài)分布；Sk是第i時刻數(shù)值大于序列內(nèi)其他數(shù)值的總個數(shù)，其表達式為：

(3)

式中，ri的取值為0或1。

把此方法引用到反序列中，計算得到另一條曲線UBk，則兩條曲線在置信區(qū)間內(nèi)的交點確定為突變點。

(2)檢驗結(jié)果

趨勢檢驗結(jié)果顯示，總體而言年均流量和年倒灌量的年際變化均未通過95%置信度檢驗(上臨界線和下臨界線之間，未能持續(xù)突破臨界線)，表明年均流量和年倒灌量均未出現(xiàn)顯著的變化，如圖6和圖7所示。但從圖7可見，1990～2015年間，鄱陽湖的倒灌量經(jīng)歷了1990～2002年的下降期和2003～2009年的上升期，2009年后基本無顯著變化趨勢。

圖6 湖口站年均流量M?K趨勢檢驗結(jié)果圖

3 結(jié) 論

(1)較1990～2002年三峽工程運行前，三峽工程運行初期(2003～2008年)年均倒灌天數(shù)和年均總倒灌量均有明顯的增加，而三峽水庫175m試驗性蓄水(2009年)以來年均倒灌天數(shù)和年均總倒灌量均顯著減小。

圖7 湖口站年倒灌量M?K趨勢檢驗結(jié)果圖

(2)年際變化方面，倒灌和非倒灌年份交替出現(xiàn)，但2002～2009年期間倒灌發(fā)生的頻率最高，僅2006年未發(fā)生倒灌，其余7年均出現(xiàn)了倒灌。年內(nèi)分布方面，長江倒灌鄱陽湖現(xiàn)象主要發(fā)生在7～11月，較三峽工程運行前的1990～2002年，三峽工程運行后7月、10月、11月最大倒灌流量均出現(xiàn)了較為明顯的減少，而8月和9月則出現(xiàn)了較大的增幅。

(3)M-K趨勢檢驗結(jié)果表明，年均流量和年倒灌量均未出現(xiàn)顯著的變化。但1990～2015年間，鄱陽湖的倒灌量經(jīng)歷了1990～2002年的下降期和2003～2009年的上升期，2009年后基本無顯著的變化趨勢。

[1] 江西省水文局. 鄱陽湖生態(tài)水利樞紐工程水文分析論證報告[R]. 南昌: 江西省水文局, 2008.

[2] 許繼軍, 陳 進. 三峽水庫運行對鄱陽湖影響及對策研究[J]. 水利學報, 2013, 44( 7) : 757-763.

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Comparative Analysis of Back-flow Characteristics of Poyang Lake before and after Operation of Three Gorges Project

WANG Xue1，ZHAO Xue-feng2，ZHAO Xue-jun2

(1. Changjiang Water Resources Commission, Wuhan 430010, China； 2. Hanjiang River water resources survey Bureau, Xiangyang 441021, China)

By using statistical analysis and trend analysis methods, comparative analysis of the back-flow characteristics of Poyang Lake before and after the operation of the Three Gorges Project has been made. The results indicate that: 1.The annual days and annual total amount of the back-flow in the period from 2003 to 2008(at beginning of operation) were significantly increased by comparison with the period from1990 to 2002(before the operation of Three Gorges Project) , while both was significantly decreased since the 175m trial impounding of Three Gorges Project in 2009; 2. In inter-annual variation, the period from 2002 to 2009 had the highest frequency of back-flow; in annual distribution variation, the maximum back-flow in July, October and November obviously decreased after the operation of Three Gorges Project, while obviously increased in August and September; 3. The results of M-K trend test indicate that the average annual flow and annual amount of back-flow has no significant change.

Three Gorges Project; Poyang Lake; backflow; M-K test

2016-12-07

長江水利委員會長江科學院開放研究基金(CKWV2016368/KY)項目資助。

王 雪(1985-)，女，武漢人，工程師，碩士，主要從事水文及水資源方面的研究。

P332.4

A

1673-0496(2017)01-0009-04

10.14079/j.cnki.cn42-1745/tv.2017.01.003