1950～2022年鄱陽(yáng)湖汛期最低水位演變分析

許 斌，鄒大勝，劉雁翼，吳 濤

(1.長(zhǎng)江科學(xué)院 水資源綜合利用研究所，湖北 武漢 430010； 2.流域水資源與生態(tài)環(huán)境科學(xué)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430010； 3.中鐵水利水電規(guī)劃設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，江西 南昌 330029)

0 引 言

鄱陽(yáng)湖是中國(guó)最大的淡水湖泊，承接贛江、饒河、撫河、修水、信江等來(lái)水，于湖口匯入長(zhǎng)江，與長(zhǎng)江保持著天然的連通。受環(huán)境變化的影響，2022年長(zhǎng)江流域在汛期發(fā)生了非常罕見(jiàn)的高溫干旱，影響范圍廣且干旱強(qiáng)度高，是長(zhǎng)江流域從1961年有完整氣象觀測(cè)記錄以來(lái)最嚴(yán)重的干旱事件[1-3]。受此次干旱事件的影響，鄱陽(yáng)湖失去了長(zhǎng)江干流汛期的頂托作用，加之湖泊流域內(nèi)降水偏少，導(dǎo)致鄱陽(yáng)湖在汛期時(shí)水位異常偏低，其中湖口站最低水位6.58 m，星子站最低水位6.68 m。汛期干旱的出現(xiàn)，造成了湖區(qū)周邊取水困難、濕地萎縮，同時(shí)也對(duì)區(qū)域糧食生產(chǎn)安全、生態(tài)環(huán)境保護(hù)造成嚴(yán)重沖擊。頻繁出現(xiàn)的極端水文情勢(shì)，說(shuō)明受環(huán)境變化的影響，用于水文情勢(shì)分析的水文序列已經(jīng)出現(xiàn)了非一致性，即水文序列的影響因素在一定時(shí)期內(nèi)也發(fā)生了漸變或者突變，對(duì)水文序列中的確定性成分產(chǎn)生一定的影響，水文序列形成的環(huán)境不再滿足“一致性”要求[4]。從統(tǒng)計(jì)學(xué)的角度，即水文序列的統(tǒng)計(jì)分布參數(shù)、形式，在整個(gè)時(shí)間序列范圍內(nèi)發(fā)生了顯著變化[5]。汛期最低水位可以作為鄱陽(yáng)湖汛期干旱評(píng)價(jià)的一個(gè)重要因子，針對(duì)2022年鄱陽(yáng)湖汛期出現(xiàn)的干旱事件，本文基于非一致性水文頻率計(jì)算原理[6]，對(duì)汛期最低水位出現(xiàn)的頻率變化情況進(jìn)行分析。從頻率分析的角度，對(duì)極端干旱事件的發(fā)生時(shí)的最低水位情況和演變規(guī)律進(jìn)行定量分析，對(duì)準(zhǔn)確把握鄱陽(yáng)湖在變化環(huán)境下的水文變異特征、取用水管控、干旱事件評(píng)價(jià)分析等，具有很好的借鑒意義。

1 研究思路及數(shù)據(jù)

針對(duì)可能存在水文變異的水文序列，可以從水文模型、“還原”或“還現(xiàn)”修正計(jì)算等途徑進(jìn)行分析，但分析過(guò)程需要大量的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。本文選擇更為簡(jiǎn)便的非一致性水文頻率計(jì)算方法，可以直接對(duì)需要研究的水文數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，其主要過(guò)程如下。

(1) 選取鄱陽(yáng)湖湖口站1950～2022年汛期(5～10月)的最枯水位為研究對(duì)象，對(duì)汛期最枯水位的變化情況進(jìn)行研究。

(2) 利用水文變異診斷系統(tǒng)[7]集成的多種趨勢(shì)分析、跳躍分析方法，對(duì)鄱陽(yáng)湖汛期最枯水位序列的水文變異情況進(jìn)行識(shí)別。

(3) 基于非一致性水文頻率計(jì)算原理，結(jié)合最枯水位的水文變異特征，選擇基于跳躍分析[8]、趨勢(shì)分析[9]的非一致性水文頻率計(jì)算方法，對(duì)汛期最枯水位的發(fā)生情況和演變規(guī)律進(jìn)行定量分析。

2 分析過(guò)程

2.1 水文變異特征識(shí)別

在第一信度水平α=0.05，第二信度水平β=0.01的條件下，利用水文變異診斷系統(tǒng)對(duì)鄱陽(yáng)湖汛期最低水位序列進(jìn)行變異診斷，結(jié)果顯示該序列在1999年出現(xiàn)了跳躍向下的中變異，湖口站汛期的最枯水位序列均值從變異前(1950～1999年)的12.32 m，變化為變異后(2000～2022年)的10.15 m，下降了2.17 m，約占變異前均值的17.6%；與過(guò)去條件相比，現(xiàn)狀條件下汛期的最枯水位頻繁出現(xiàn)比較低的情況，且下降趨勢(shì)較為明顯，如圖1所示。

圖1 湖口站汛期最枯水位序列跳躍變異結(jié)果Fig.1 Alteration diagnose results of minimum water level series in flood season at Hukou Station

2.2 水位序列時(shí)段劃分

以湖口站汛期最低水位序列的變異診斷結(jié)果為基礎(chǔ)，即該序列于1999年發(fā)生了跳躍中變異，因此，可將1950～1999年的水位序列定義為變異前，可以理解為過(guò)去的物理?xiàng)l件下產(chǎn)生的時(shí)間序列；將2000～2022年的水位序列定義為變異后，可以理解為現(xiàn)狀的物理?xiàng)l件下產(chǎn)生的時(shí)間序列，即時(shí)間序列代表受到環(huán)境變化的影響后存在確定性跳躍成分的非隨機(jī)狀態(tài)序列。

2.3 非一致性最低水位序列頻率計(jì)算

根據(jù)湖口站汛期最低水位序列的變異形式，本文采用基于跳躍的非一致性水文頻率計(jì)算方法，推求過(guò)去以及現(xiàn)狀條件下的最低水位頻率。

2.3.1 確定性成分?jǐn)M合及隨機(jī)性成分提取

基于水文變異診斷的結(jié)果，湖口站汛期最低水位序列變異前后的均值為12.32，10.15 m，其差值即為確定性成分，即2.17 m。根據(jù)非一致性水文頻率計(jì)算原理，水文序列由確定性成分和隨機(jī)性成分構(gòu)成，變異后的最低水位序列扣除確定性成分之后，可以看作是變異后的隨機(jī)序列，在信度水平不變的前提下，對(duì)變異前后的隨機(jī)性成分序列再次進(jìn)行變異診斷，當(dāng)其無(wú)變異時(shí)，即可進(jìn)行一致性水文頻率分析與計(jì)算，其結(jié)果如表1所示。

表1 湖口站汛期最低水位序列成分提取結(jié)果

從表1中對(duì)汛期最低水位序列隨機(jī)性成分的變異診斷結(jié)果可以看出，扣除確定性成分之后，該序列的隨機(jī)性成分已經(jīng)不存在變異，證明基于跳躍分析的確定性成分所提取出的隨機(jī)性成分滿足一致性的要求。

2.3.2 隨機(jī)性成分的頻率計(jì)算

對(duì)于滿足了一致性要求的隨機(jī)性成分，可以進(jìn)行一致性水文頻率計(jì)算。假定汛期最低水位序列的隨機(jī)性成分服從P-Ⅲ型分布，采用有約束加權(quán)適線法計(jì)算其P-Ⅲ型頻率曲線：其均值Ex為12.32 m、變差系數(shù)Cv為0.13、偏態(tài)系數(shù)Cs為0.17，樣本點(diǎn)據(jù)與頻率曲線擬合的模型效率系數(shù)R2為99.00%，如圖2所示，頻率計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

圖2 過(guò)去條件下湖口站汛期最小水位頻率曲線Fig.2 Frequency distribution curve of minimum water level series in flood season at Hukou Station under past condition

表2 過(guò)去條件下湖口站汛期最小水位序列頻率計(jì)算結(jié)果

2.3.3 非一致性成分的合成序列

采用分布合成方法進(jìn)行非一致性汛期最低水位序列的合成計(jì)算統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)時(shí)，隨機(jī)生成該站(樣本點(diǎn)N=5 000)年最大流量合成樣本點(diǎn)據(jù)，并統(tǒng)計(jì)大于等于每一個(gè)樣本點(diǎn)據(jù)的次數(shù)n，然后用期望值公式計(jì)算每個(gè)樣本點(diǎn)據(jù)的經(jīng)驗(yàn)頻率。用有約束加權(quán)適線法對(duì)符合要求的樣本序列進(jìn)行P-Ⅲ型分布頻率曲線計(jì)算，湖口站合成序列的均值Ex為10.15 m、變差系數(shù)Cv為0.16和偏態(tài)系數(shù)Cs為0.17，樣本點(diǎn)據(jù)與頻率曲線擬合的模型效率系數(shù)R2為99.09%，如圖3所示，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

圖3 現(xiàn)狀條件下湖口站汛期最小水位頻率曲線Fig.3 Frequency distribution curve of minimum water level series in flood season at Hukou Station under current condition

表3 現(xiàn)狀條件下湖口站汛期最小水位序列頻率計(jì)算結(jié)果

從過(guò)去、現(xiàn)狀條件下湖口站汛期最小水位序列頻率計(jì)算結(jié)果的圖和表中可以看出，現(xiàn)狀條件下同等頻率的汛期最小水位比過(guò)去條件下有較大幅度的降低，這種降幅受頻率變化的影響比較有限。可以得出，湖口站現(xiàn)狀條件下汛期面臨的枯水壓力比過(guò)去條件下有所增大。

2.3.4 汛期最低水位頻率演變分析

受環(huán)境變化的影響，鄱陽(yáng)湖湖口站汛期的最枯水位序列發(fā)生了比較大的變化，整體上呈現(xiàn)出最枯水位下降的態(tài)勢(shì)，以工業(yè)、生活取水常用的保證率P=97%為例，以湖口站為代表站的汛期鄱陽(yáng)湖水位，從過(guò)去條件下能夠保證的9.30 m，下降至現(xiàn)狀條件下的7.13 m，降幅明顯。其演變趨勢(shì)會(huì)對(duì)鄱陽(yáng)湖湖區(qū)汛期周邊的取用水造成顯著影響。

3 結(jié)論與討論

在非一致性水文頻率計(jì)算原理的基礎(chǔ)上，本文以2022年鄱陽(yáng)湖汛期出現(xiàn)的極端枯水位為契機(jī)，借助水文變異診斷系統(tǒng)、基于跳躍分析的非一致性水文頻率計(jì)算方法，對(duì)鄱陽(yáng)湖汛期枯水位的演變規(guī)律進(jìn)行了分析，得到以下結(jié)論。

(1)鄱陽(yáng)湖汛期最枯水位序列，于1999年出現(xiàn)了跳躍向下的中變異，最枯水位序列均值從變異前(1950～1999年)的12.32 m，變化為變異后(2000～2022年)的10.15 m，下降了2.17 m，約占變異前均值的17.6%。

(2)受汛期最枯水位變化的影響，以湖口站為代表，湖區(qū)保證率P=97%時(shí)工業(yè)、生活取水水位，從過(guò)去條件下9.30 m，下降至現(xiàn)狀條件下的7.13 m，降幅明顯。

(3)受汛期最枯水位變化的影響，鄱陽(yáng)湖湖區(qū)周邊水資源管理部門(mén)需要進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)水資源配置、水利規(guī)劃等涉水內(nèi)容的管控，從而保障社會(huì)經(jīng)濟(jì)取用水的可靠性。