洪澤湖水位變化特征分析

胡 軍 梅海鵬 劉 猛

一、材料與方法

1.研究區域概況

洪澤湖位于江蘇省西北部淮安市境內，是我國五大淡水湖之一，也是淮河流域最大的調蓄湖泊。洪澤湖匯水面積為15.8 萬km2，入湖水系有淮河、新汴河、池河、懷洪新河、濉河、老濉河和徐洪河，其中淮河干流為最大的入湖河流，入湖水量占總入湖徑流量的70%以上，是洪澤湖水量的主要補給源。出湖水系有淮河入江水道、淮沭新河和灌溉總渠。

洪澤湖位于南方和北方的過渡區，降水的時空分布不均，降水一般集中在汛期5～9月份，年內最大和最小月降水量差距大。洪澤湖多年平均降水量為942.9mm，其中汛期5～9月多年平均降水量為668.1mm，占年均降水量的70.9%；非汛期多年平均降雨量274.8mm，占年平均雨量的29.1%。

2.數據來源

洪澤湖有蔣壩、高良澗、尚咀和老子山4 個主要的水位站點，各個站點水位變化具有相似的趨勢，均能在一定程度上反映洪澤湖的水位變化情況，而蔣壩站相較其他站點更具有代表性，可以較為全面地反映整個湖區的水位變化情況。因此，本文選取蔣壩水位站監測的水位數據對1957～2016年的洪澤湖水位變化特征進行分析。

3.研究方法

本文利用Mann-Kendall 突變檢驗和Morlet 連續復小波變化對洪澤湖年均水位變化進行周期分析，研究近60年洪澤湖水位的突變情況，識別洪澤湖年均水位序列周期性變化特征，揭示洪澤湖水位變化周期規律。

（1）Mann-Kendall 突變檢驗法

Mann-Kendall 突變檢測常用來檢測要素突變。這種檢測方法分為以下步驟：①通過計算得到正序列統計量UFk 和逆序列統計量UBk；②繪制正逆序列統計量曲線；③根據正逆序列統計曲線交點位置，判斷是否產生突變，確定發生突變的時間點。具體操作如下：

對于時間序列X1，X2，X3，…，Xn，M-K 檢驗的秩序列可表示為：

在時間數據序列隨機且獨立的假定條件下，定義正序列統計量UFk：

將時間數據序列Xn逆序排列，重復上述檢驗過程并將最終結果變為其相反數，得到序列UBk，如果UFk 和UBk 兩條曲線相交，即UFk=UBk，且交叉點位于置信區間內，則改點k 即為可能突變點。

（2）小波分析

小波分析是基于信號時頻局部分析的一種方法，具有多時頻分辨率功能，廣泛應用在氣象和水文要素長系列的周期性特征研究方面。湖面水位波動具有連續但不平穩的特點，且包含了多時間尺度特征，通過小波分析能較好地識別洪澤湖水位變化的周期性特征。本研究選取Morlet 連續復小波函數，具體操作如下：

二、結果與分析

1.水位年際變化

在1957～2016年間，洪澤湖逐年平均水位在11.32～13.48m 間呈波動性變化，多年平均水位呈階段性變化，洪澤湖年均水位總體表現為上升趨勢，上升速率分別為0.014m/a。在2003年出現年平均水位峰值為13.30m；年平均最低水位出現在1966年，為11.32m。洪澤湖多年平均最高水位平均值13.16m，年最高水位變化范圍為12.36～13.86m，其 中2003年 為 最 高，1964年為最低；年最低水位變化范圍為9.73～12.77m，多年平均值11.79m，其中以2008年為最高，1966年為最低；年內水位變幅為0.45～2.94m，年內水位變幅均值為1.38m，年內水位變幅以2001年最高，1972年最低；年際水位變幅最大值為4.14m，為2003年的年最高水位與1966年的年最低水之差。1957～2016年來最高月均水位與最低月均水位均呈上升趨勢，上升速率分別為0.012m/a 和0.011m/a。

圖1 洪澤湖水位變化圖

圖2 洪澤湖水位年內變化圖

圖3 洪澤湖年均水位Mann-Kendall 統計量圖

1957～2016年洪澤湖水位變化特點呈三類：區間波動、明顯下降和明顯上升。區間波動時間段為1957～1965年、1969～1977年、1980～1998年、1999～2001年 和2013～2016年5 個 時間段；明顯下降時間段為1965～1966年、1977～1978年 和1998～1999年；明 顯 上 升 時 間 段 為1966～1969年、1978～1980年 和2001～2003年3 個 時間段。

2.水位年內變化

1957～2016年間洪澤湖月均水位年內呈單谷變化如圖2所示。1～4月洪澤湖水位在12.72～12.76m 之間波動變化，4～6月洪澤湖水位迅速跌落，6月份平均水位達到最低12.14m，總體原因是春季灌溉用水量大，并且在夏季汛期到來之初開閘放水，保持較低水位使洪澤湖在汛期能夠加大儲水量，增強防洪能力。隨著上游流域降水，入湖水量增加，淮河進入主汛期，6～8月洪澤湖水位迅速上漲，汛期高峰一般出現在8月。隨著流域降水和入湖水量的減少，洪澤湖水位上漲趨勢逐漸平緩，8～12月水位緩慢上漲。因此將洪澤湖水位年內變化分為三個時間段：12～4月豐水期、5～6月退水期、7～11月漲水期，可以看出洪澤湖退水期的下降速率快于漲水期的上升速率，而且在漲水期中，8月份之前的漲水速率明顯大于8月份之后的漲水速率，湖泊水位在不同水文季節的變化機理存在差異性。

3.水位突變

由Mann-Kendall 法突變檢驗正序列統計量UFk 見圖3，洪澤湖年均水位在1957～1982年呈波動變化，在1957～1961年后呈上升趨勢，1962～1970年呈下降趨勢，但在1970年以后又呈上升趨勢，且UFk 和UBk在1983年存在唯一交點，位于95%置信區間內，而且在1985年后UFk曲線超過95%置信區間，說明1983年高良澗站水位在變化過程中發生了突變，1985年后水位呈顯著上升趨勢。這與1983年洪澤湖實施抬高蓄水位相關工程有關。

4.水位變化周期

在對洪澤湖水位年際、年內變化特征分析的基礎上，利用Morlet 小波方法進一步揭示洪澤湖水位歷年年均水位的周期性特征。

根據小波分析，洪澤湖歷年水位存在6～13年和14～32年這2 類 時間尺度的周期變化規律較為明顯。其中6～13年尺度上出現了豐枯交替的9 次震蕩，在14～32年尺度上出現了豐枯交替的準4 次震蕩，而在14～22年和23～32年尺度的周期變化分別在1980年和1986年以后表現較為穩定，出現了2 次和3 次豐枯交替周期。

三、結論

1957～2016年間洪澤湖年均水位存在5 個波動區間，3 個明顯下降和3個明顯上升階段，但近60年洪澤湖年均水位、月最高、最低水位均呈上升趨勢。洪澤湖年內水位變化呈單谷型，年內水位變化分12～4月豐水期、5～6月退水期、7～11月漲水期三個時段，洪澤湖退水期的下降速率快于漲水期的上升速率，漲水期8月份之前漲水速率最大，洪澤湖水位在不同水文季節的變化機理存在差異性。

利用Mann-Kendall 突變檢測發現，1983年為洪澤湖水位的突變點，突變后的洪澤湖年均水位呈顯著上升趨勢，這與1983年洪澤湖蓄水位抬升相關工程實施有關。

利用小波分析發現，洪澤湖歷年年均水位存在著6～13年和14～32年這兩類尺度的周期變化特征。其中14～32年尺度中存在分別在1980年和1986年后變化比較穩定的14～22年和23～32年尺度周期■