1954-2018年東平湖水位變化特征及驅動因素分析

韓 非，陳影影，于世永，栗文佳，張云峰，陳詩越

(1.江蘇師范大學 地理測繪與城鄉規劃學院，江蘇 徐州 221116；2.鹽城師范學院 江蘇沿海開發研究院，江蘇 鹽城 224007)

1 研究背景

水位是湖泊最基本的水文要素之一，反映湖泊的水量收支平衡，也是影響湖泊生態系統狀態長期變化最主要的因素[1]。以大氣降水及季節性積雪融水作為主要補給來源的湖泊，其水位變化具有明顯的季節波動和年際變化特征[2]。自然狀態下，湖水位的季節及年際波動變化對維系湖泊生態系統的功能至關重要[3]。

東平湖處于較為復雜的“河-湖-庫”水文系統中，它既與黃河、大汶河等大型河流相互連接，起到分滯黃河、大汶河洪水的作用，又是南水北調東線工程的重要調蓄湖泊，并且還承擔著山東省西水東送的任務。湖水位變動對于東平湖的防洪、湖水水質、水生動植物的生態環境將產生較為重大的影響。水位的變化趨勢受到氣候、水文等自然因素和近年來人類活動增強等人為因素的綜合影響。學者們對東平湖地區營養鹽埋藏演化特征、重金屬污染、水環境變遷等方面的研究已經取得了不少進展[4-7]，但是，由于經濟的快速發展、閘壩建設、圍湖造田、生產生活的過度取水以及不節制地向水體排放污染物等行為已經嚴重影響了湖泊生態環境，其中水位的大幅變化已經危害了湖泊生態系統健康，對湖泊生物多樣性、生態系統結構、功能完整性造成了嚴重威脅。另外也有研究發現，水位的高低及其變動范圍、頻率、持續的時長和周期性等是影響湖泊水生植被的核心因子[8]，對鳥類等生物的生態系統和棲息生境也會產生影響[9]。

目前，國內其他大型湖泊的水位變化研究已經成為一個熱點，例如，對太湖[10]、鄱陽湖[11]、洞庭湖[12]的研究取得了一系列進展。但對東平湖水位變化的研究還相對較少，羅輝等[13]對東平湖生態補水進行了初步探討，賀順德等[14]對東平湖水量調度對水位的影響進行了研究，王丹等[15]對近23年氣候變化對東平湖水位影響作了初步研究，但對于東平湖水位長期的變化特征及其驅動因素尚缺乏深入研究。同時，南水北調東線工程東平湖流域水資源的綜合利用對整個東線段尤為重要，水位變化對東平湖的水資源利用和水利工程影響較大。因此，本文主要依據1954-2018年東平湖水資源變化相關水文數據，利用統計學方法分析東平湖水位時間序列的長期變化特征，探討黃河分洪、大汶河入湖徑流、堤壩與控水閘的修建和南水北調水利工程的建設等對湖水位變化的影響，研究結果對科學認識東平湖水位變化規律、水利工程建設以及湖泊生態系統的保護等均具有重要意義。

2 數據來源及分析方法

2.1 研究區概況

東平湖位于山東省中西部(116°06′E～116°18′E，35°43′N～36°07′N)，是山東省第二大淡水湖，隸屬山東省泰安市東平縣。湖區屬于溫帶大陸性半濕潤季風氣候，年均氣溫為13.6℃，降水分布不均，主要集中于7-9月。東平湖是國家重點工程南水北調東線的最后一級主要調蓄湖及山東省西水東送的水源地。北與黃河通過小清河連接，東與主要補給源大汶河相連。除特殊年份湖區開閘泄洪及南水北調輸蓄水外，大汶河是與湖區相通的唯一徑流，東平湖地理位置示意圖見圖1。

圖1 東平湖地理位置示意圖

由于蓄納洪水的需要，湖泊被人為分為新湖區和老湖區。其中，老湖區屬于黃河流域，面積約209 km2，常年水域面積為124 km2，水深平均約2～4 m；新湖區屬淮河流域，面積418 km2。除特殊的洪水年份，新湖區主要用于農業墾殖活動[16]，常年無水。本文主要研究常年蓄水的老湖區，老湖區全湖總庫容量約40×108m3，屬典型的淺水型湖泊濕地。近年來，由于南水北調東線工程的影響，湖區受人為因素影響較大，成為典型的人工調蓄湖，在南水北調東線工程中起著重要作用。

2.2 資料來源

東平湖水位、降水、入湖徑流量部分數據來源于1993年山東省黃河位山工程局東平湖志編纂委員會編的《東平湖志》[17]以及2005年東平湖管理局所編的《東平湖志》[18]中各水文站1952-2005年實測數據。2006-2018年東平湖年平均水位數據來源于黃河網水情日報統計的東平湖日水位數據并經過計算得出。

2.3 研究方法

Mann-Kendall檢驗法[19-20]屬于非參數方法，包括Mann-Kendall趨勢檢驗和Mann-Kendall突變檢驗。由于不要求數據服從某一概率分布, 也不受個別異常值的干擾, 此方法能夠客觀地顯示樣本序列的整體變化階段和趨勢, 因而被廣泛應用于氣候和水文要素時間序列的分析中。本文通過MATLAB軟件，運用Mann-Kendall檢驗法來分析水位的變化趨勢。運用多項式回歸曲線分析水位宏觀的變化趨勢，并計算東平湖年均水位累積距平曲線，將曲線上的峰值與谷值出現的時刻作為可能的突變點。可與Mann-Kendall檢驗法相互比對，交叉檢驗。采用水文學中最常用的Morlet連續復小波函數來分析水位變化的周期性特征。其中小波方差可以反映水文要素能量的強弱波動，并根據其隨時間尺度的變化來確定水位變化的主周期。通過運用線性趨勢法和相關分析法來分析每一階段水位變化與其變化因素之間的相關系數并進行顯著性檢驗，分析各階段水位變化的原因。

3 水位變化特征

3.1 年際變化特征

圖2為1954-2018年東平湖水位變化趨勢相關分析圖。由圖2(a)年平均水位變化可知，其變化幅度較大，總體呈波動上升趨勢, 1954-2018年平均水位為40.74 m，最高值為2011年的42.29 m，最低值為1989年的39.00 m。根據圖2(b)平均水位變化多項式回歸分析圖可知，東平湖水位變化經歷了中-低-高的變化趨勢。由Mann-Kendall趨勢檢驗得出1954-2018年平均水位的z值為5.3387，置信水平大于99%，說明東平湖1954-2018年平均水位變化呈明顯的上升趨勢。

根據圖2(c)為1954-2018年東平湖水位時間序列突變檢驗中Mann-Kendall突變檢驗結果，將研究時段分為3個階段：

階段1為1954-1968年，年平均水位為40.34 m，低于1954-2018年的平均水平。由圖2(c)可得，1954-1968年，UF值大于0，說明1954年東平湖水位開始上升，其中1954-1957年緩慢上升，上升趨勢并不顯著。1957年之后水位出現了一段急劇上升的趨勢，上升趨勢通過了置信度為95%的顯著性檢驗，直到1965年，上升趨勢才逐漸減緩。這一階段內最高水位出現在1961年(41.61 m)，最低水位出現在1968年(39.13 m)，除1960-1962年出現水位大幅增高外，大部分年份水位低于1954-2018年平均水平，整體處于較低的水平。

階段2為1968-1994年，年平均水位為40.21 m，比第1階段略低，遠低于1954-2018年的平均水平(40.74 m)。檢驗圖2(c)中1968年，UF值從大于0轉為小于0，1968-1994年期間，1968-1984年下降趨勢在置信度為95%的水平上并不顯著，并有逐漸減緩的趨勢，1984年UF值從小于0轉為大于0，可以得知從1984年開始湖水位由下降轉為上升，但上升趨勢并不顯著，1989年UF值從大于0再次轉為小于0，說明水位由上升轉為下降。1954-2018年最低水位出現于1989年(39.00 m)。并且在1989-1994年經歷了上升、下降、再上升的變化過程。這一時期除1985、1991年外，水位均低于1954-2018年平均水平，水位整體處于比第1階段略低。

圖2 1954-2018年東平湖水位變化趨勢相關分析圖

階段3為1994-2018年，年平均水位為41.51 m，遠高于1954-2018年的平均水平(40.74 m)。檢驗圖2(c)中，1994年UF值從小于0轉為大于0。1994-1997年，水位上升趨勢并不顯著。1997年，UF和UB曲線在兩臨界直線之間出現交點，即為突變開始的年份。表明1997年之后，湖水位呈現上升的趨勢，2000年之后趨勢檢驗的顯著性水平大于95%，說明水位有明顯升高的趨勢。并且1954-2018年最高水位出現于2011年(42.28 m)，這一時期除極個別年份外，水位均高于1954-2018年平均水平。

3.2 周期變化特征

用Morlet連續復小波函數分析東平湖1954-2018年水位序列周期性變化特征，小波變換系數實部時頻分布如圖3(a)，圖3(a)中實線表示小波變換系數實部為正值，對應水位升高；虛線表示其為負值，對應水位降低。東平湖年水位序列在27～28 a、39～40 a尺度上的波動較為明顯。

圖3(b)為東平湖年水位序列的小波方差隨時間尺度的變化過程。圖3(b)表明，兩個波峰分別對應著28和40 a尺度的主周期。最大峰值出現在40 a尺度處，表明該尺度下水位的震蕩周期最強，表現為40 a為第一主周期，28 a為第二主周期。根據小波方差分析結果。

圖3(c)分別繪制了兩個周期尺度對應的小波系數實部變化過程。由圖3(c)可見，在40 a尺度下，小波系數實部在1960-1970年、1980-1993年、2003-2015年為正相位，表示水位升高。在1970-1980年、1993-2003年和2015-2018年為負相位，表示水位降低，湖泊水位經歷了“偏高-偏低-偏高-偏低-偏高-偏低”的變化過程。在28a尺度下，小波系數實部的振幅變化較大，即湖泊水位變化幅度由高到低再到高。

圖3 1954-2018年東平湖水位變化小波分析相關圖

4 東平湖水位變化驅動因素分析

湖泊水位變化的驅動因素一般可分為自然因素和人為因素。其中自然因素一般為直接的、主要的因素，在大尺度上對湖水位變化趨勢產生影響，而人為因素不僅直接對湖水位產生影響，還會放大自然因素的作用[21]。

JDBC數據庫連接技術：JDBC(Java Data Base Connectivity，java數據庫連接)是一種用于執行SQL語句的Java API，也是基于標準SQL數據庫的訪問接口，可為多種關系數據庫提供統一訪問，它由一組用Java語言編寫的類和接口組成[5]。JDBC提供了一種基準，據此可構建更高級的工具和接口，使數據庫開發人員能夠編寫數據庫應用程序。客戶端通過Java程序連接數據庫的關系如圖4所示。

東平湖降雨量年際變化具有連續豐枯的特性，所以水資源量也表現出連續豐枯交替變化的特性[22]，其自然補給水源主要包括大氣降水、地下水和地表徑流等，大汶河是流入東平湖的唯一水系[17]，所以自然驅動因素主要為大汶河入湖徑流量的變化和氣候因素變化，另外河湖分家之前還受到黃河階段性分洪的影響。而人類活動因素主要為水庫建設及南水北調工程的影響。此外，近年來研究還發現東平湖流域土地利用的變化可能也會影響入湖徑流量，間接導致湖水位的變化[23]。

4.1 氣候要素對水位的影響

已有研究表明，氣候要素中氣溫、降水量、蒸發量的變化均可能對一個湖泊的水位產生反饋機制[24]，圖4為 1954-2018年泰安市氣候要素(氣溫、降水量、蒸發量)變化趨勢圖。

根據參考文獻[25]，1954-2008年泰安地區年均氣溫總體呈波動上升的趨勢(圖4(a))，多年平均氣溫為12.94℃，1997年之后增溫較為明顯。利用表1東平湖年均水位與各氣候要素相關系數的分析可知，年均水位與年均氣溫的相關系數為0.530，通過了置信水平α=0.01的顯著性檢驗，表明同期東平湖流域的氣溫對湖泊水位變化具有正反饋效應，年均水位隨著年均氣溫變化明顯。李瑞等[25]研究發現，從20世紀50年代開始泰安地區氣溫變化趨勢明顯，主要表現為冬季氣溫上升對年平均氣溫上升所做的貢獻最大，而夏季保持平穩，說明冬季氣溫上升對水位影響較為明顯。1954-1980年年均氣溫波動下降，降水量有所減少，導致湖水位下降。1980年后氣溫顯著上升，冬季降水量增大，從而促進了湖水位的上升。

由圖4(b)泰安市年降水、蒸發量變化趨勢圖可知，1954-2018年東平湖地區降水量整體呈現微弱的下降趨勢，1954-2018年東平湖地區降水量呈現不顯著下降趨勢，但年際變化波動較大[26]，利用相關分析可知(表1)，年均水位與降水量的相關系數為0.272，通過了α=0.05的顯著性檢驗，表明在這期間東平湖年水位變化在一定程度上受降水量變化的影響。由圖4(c)泰安市年降水量變化多項式擬合曲線圖可知，20世紀50-70年代東平湖年降水量波動下降，年降雨量相差較大，豐水年、枯水年的連續頻繁交替，造成黃河和大汶河的洪水匯入東平湖的水量發生較大變化。1970年后東平湖年降水量波動上升，直接進入湖區的雨量及周邊雨水的匯入導致了湖水總量的增加，使得湖水位得到一定程度的上升，1968-1994年，蒸發量變化較小，降水量波動下降，導致直接進入湖區的雨水減少，使得湖水位波動下降，1994年之后，降水量波動上升，水位隨降水量變化明顯，2001-2003年的年降水量突然下降到1 000 mm以下，導致2001-2003年水位下降超過1 m；2003-2005年的年降水量突然增加到1 000 mm以上，水位又迅速回升，顯然降水對水位變化的影響較大。

一般情況下，湖泊年均水位與蒸發量為負相關，利用相關分析可知(表1)，年均水位與蒸發量的相關系數為0.317。同期東平湖水位變化與蒸發量未成負相關，說明水位變化受蒸發量影響較小。根據相關研究，20世紀70年代后北半球氣溫顯著上升[27]。據此可推斷東平湖年蒸發量波動上升，蒸發量總值較高，而由圖4(d)泰安市年蒸發量變化多項式擬合曲線圖可知，泰安地區的年蒸發量變化呈不明顯的下降趨勢，進一步說明蒸發對水位變化影響較小。

表1 1954-2008年東平湖年均水位與各氣候要素相關系數

圖4 1954-2018年泰安市氣候要素(氣溫、降水量、蒸發量)變化趨勢圖

4.2 黃河、大汶河和南水北調對水位的影響

由圖5可知，黃河經過湖區客水和大汶河入湖徑流量均呈現波動下降的趨勢，根據線性趨勢法可知黃河經過湖區徑流量傾向率為-7.012×108m3/a，R2為0.4308，大汶河入湖徑流量傾向率為-0.625×108m3/a，R2為0.0703，表明兩者徑流量均有一定程度的下降趨勢。

圖5 1952-2005年黃河、大汶河入東平湖徑流量變化

歷史時期黃河的決溢或改道是導致東平湖流域洪澇災害的重要因素[30]。根據資料記載[17]，1958年以前，東平湖自然調蓄黃河、大汶河洪水，其中黃河與大汶河遭遇較嚴重的洪水在1954、1957年發生過2次[31]。另外據計算，1954-1958年黃河經過東平湖地區年平均徑流量達到521.8×108m3，除個別年份外，均高于多年平均值349.3×108m3，表明這一時期湖水位的上升受黃河洪水泛濫的影響較大，但總體處于平均水平以下。

東平湖自1958年改建，河湖分家，改變了自然調蓄運用的方式，湖水位逐漸下降。1959年，“位山”水利工程破壩改建，水庫改為防洪運用，汛期除黃河大洪水需要進湖調蓄外，水庫只接納大汶河流域的徑流[17]。因此，大汶河入湖徑流量直接影響了東平湖的水位變化。據研究，降水量是影響大汶河徑流量的主因[23]，1964年，黃河、大汶河均是豐水年，全年來水量超過60×108m3，東平湖地區年降水量達到1 183 mm，造成東平湖水位上漲并使得湖區周邊發生嚴重澇災。1964年之后，大汶河流域降水量呈減少趨勢[26]，導致大汶河入湖徑流量不斷減少(圖5(b))，加之攔河閘的建設使得1965-1968年大汶河來水達到歷史新低值0.467×108m3。利用相關分析計算(表2)，1962-1968年大汶河進入東平湖水量與湖水位呈正相關，相關系數為0.847，并且通過了置信水平α=0.05的顯著性檢驗，說明這一時期大汶河入湖水量對東平湖水位年際變化的影響較大。

表2 不同時段東平湖年均水位與大汶河入湖徑流量相關系數

由圖2(a)階段2可知，1968-1985年水位波動上升，圖5(b)大汶河入湖徑流量統計中水位上升期間呈現兩個波峰，即1975和1978年，東平湖水位隨著大汶河入湖水量雙峰的變化而呈現雙峰變化。根據相關分析計算(表2)，得出1975-1978年大汶河進入東平湖水量與湖水位呈正相關，相關系數為0.964，并且通過了置信水平α=0.05的顯著性檢驗，表示同期大汶河入湖水量對湖水位年際變化影響較大。另外根據資料記載[17]，1982年黃河花園口發生1.53×104m3/s的大洪水，到孫口站洪峰流量為1.04×104m3/s，其間開閘運用東平湖老湖區共分洪4×108m3，顯然是導致東平湖水位增高的另一重要因素。

1986-1989年東平湖水位急劇下降(圖2(a)階段2)，據統計，此時期大汶河入湖水量不斷減少，1980年起，大汶河流域持續干旱，并出現1981-1983年、1983-1989年兩個特枯時段[32]，在1988年10月至1990年5月期間20個月未產生入湖徑流，部分原因可能是1980年之后植被和大汶河流域沼澤面積的擴大，大汶河流域徑流被大幅度削弱，導致20世紀80年代末其徑流量出現明顯的下降趨勢[23]。根據表2東平湖年均水位與大汶河入湖徑流量相關系數分析計算，得出大汶河入湖水量與湖水位呈相關系數為0.825的正相關關系，并且通過了置信水平α=0.1的顯著性檢驗，表明同期大汶河入湖水量對湖水位年際變化影響較大。1990-1994年，水位變化幅度較大(圖2(a)階段2)，經歷了升、降、再升的過程，相應的大汶河入湖徑流量從較高值減小到最小值又再次增大,表明其可能是同期水位大幅變化的原因。

1994-2011年東平湖水位波動上升(圖2(a)階段3)，這一時期大汶河入湖水量基本穩定，根據線性趨勢法研究表明，東平湖水位隨著大汶河入湖水量而變化(圖5(b))。20世紀90年代以來，黃河對東平湖的影響減小。2002年黃河小浪底工程運用后，東平湖汛期洪水周期變長，減小了水患對東平湖的影響，但黃河洪水仍是湖區洪澇的致災因子，是導致水位變化的重要原因之一。2005年以后，大汶河入湖水量增多，導致湖水位不斷上升，至2011年逐漸達到歷史最高值。2012-2015年水位有所下降達到這一階段的低值(圖2(a)階段3)，隨著南水北調工程建設的逐步實施，以及控水閘攔截周邊徑流的入湖，導致入湖水量有所減少。經計算，4年間大汶河入湖徑流量減少約5×108m3，是導致湖水位短期降低的原因之一。2013年第三季度之后南水北調工程東線通水，南方水源通過引黃入湖人工渠道及流長河向湖區輸水，東平湖作為蓄水湖承接水源，導致其水位不斷上升并趨于高水位的穩定狀態。

4.3 其他人類活動

其他人類活動也會對湖水位產生一定影響，主要包括生活及灌溉用水、超采地下水、水利工程建設、圍湖造田等。據資料統計，20世紀50年代大汶河上游人為修建了雪野等大中型水庫[33]，從而導致大汶河匯入東平湖的徑流量明顯減少[34]。而同一時期人為取水灌溉及生活用水低于多年平均水平(8.85×108m3)，因此這一時期人為取用水量的減少也是水位的增高的原因之一。而1960年之后攔河閘的建設使得后幾年湖水逐漸注入了新湖區，使湖水向周圍擴散，沿湖人為取用水量也有一定增加，導致1960-1968年湖水位下降[17]。已有研究表明[35]，1964年后徑流量減小是水庫修建、河道采砂等影響流域下墊面條件而導致的，而1964年后降水并非大汶河徑流量變化的主因，從而可推斷流域內大規模的水土保持工作在很大程度上改變了下墊面，使其產流能力減弱[34]，導致了1960年后東平湖一段時間的低水位。

20世紀70-80年代，湖水外排、棄漁還耕、圍湖造田、灌溉取水量的增加，使湖水位相應下降[17]。80年代，大汶河來水大量減少，湖水位的下降導致湖區缺水，過量開采地下水造成地下水位大幅度下降，加重了地下水的潛蝕作用[22]，是除降雨外造成20世紀80年代末大汶河徑流量減少的重要原因。因此，20世紀80-90年代這一時期湖水位受人為取用水量影響較大，湖水位的升降與人為取用水量相互影響。

1990年后，東平湖加大了防洪蓄洪的建設，加上控水閘的頻繁使用[36]以及加高加固大清河北堤等，使得1994年之后湖水位保持在較高的高度。另外據統計[35]，2000 年以來，東平湖周邊田地、蘆葦沼澤面積大幅減少，從2000年減少29.65%快速增加到2009年減少43.57%，可能是導致湖水位增長的原因之一。

5 結 論

(1)1954-2018年東平湖水位年際變化具有中-低-高的階段特征，第1階段(1954-1968年)水位先上升后下降，總體處于較低狀態。第2階段(1969-1994年)水位緩慢上升，但總體比第1階段略低，處于1954-2018年的較低水平。第3階段(1994-2018年)水位大幅上升，基本保持一個高水位的狀態。1954-2018年水位年際變化具有多時間尺度特征，其中40 a為第一主周期，28 a為第二主周期。

(2)1958年之前，東平湖水位受大汶河和黃河分洪影響較大，水位小幅上升；1958年之后，東平湖受大汶河入湖徑流及人為建設閘壩的影響，水位波動下降并達到歷史最低值。1994年開始水位逐漸上升，主要與大汶河入湖徑流量的增加有關。2002年南水北調工程實施之后，水位上升并基本保持穩定。2013年南水北調東線工程通水后，東平湖呈現出以人工調控為主的狀態，水位常年保持在41.5 m,使東平湖維持在相對穩定的高水位狀態。

(3)東平湖水位與大汶河入湖徑流量、黃河階段性洪水有較為密切的關系。湖面降水量以及沿湖取用水量對湖水位年際變化也有一定的影響，20世紀50-70年代前，受氣候因素影響相對較小，70年代后，受氣候因素影響相對增大。近年來人類超采地下水以及對湖區土地利用方式的改變導致入湖徑流量發生變化，也間接影響了湖水位的變動。