删除或更新信息，请邮件至freekaoyan#163.com(#换成@)

长江荆南三口河系水位演变规律及对江湖水量交换关系的响应

本站小编 Free考研考试/2021-12-29
汪雁佳1,2, 李景保,1, 李雅妮1, 吕殿青1, 代稳11. 湖南师范大学资源与环境科学学院,长沙 410081
2. 中国科学院华南植物园,广州 510650

The evolution of water level in Three Outlets of the Southern Jingjiang River and its response to water exchange in the Dongting Lake

WANG Yanjia1,2, LI Jingbao,1, LI Yani1, LV Dianqing1, DAI Wen11. College of Resources and Environmental Sciences, Hunan Normal University, Changsha 410081, China
2. South China Botanical Garden, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510650, China

通讯作者: 李景保（1951-），男，湖南桂阳人，教授，主要从事水文与水资源研究。E-mall: lijingbao1951@126.com

收稿日期:2018-10-30修回日期:2019-04-26网络出版日期:2019-09-20
基金资助:国家自然科学基金项目.41571100
湖南省自然科学基金项目.2019JJ40188


Received:2018-10-30Revised:2019-04-26Online:2019-09-20
作者简介 About authors
汪雁隹（1995-）,女,重庆合川人,硕士,主要从事生态水文学研究E-mall:1373933450@qq.com。







摘要
为分析荆南三口河系水位演变规律与江湖水量交换关系。依据1956—2017年荆南三口、湖南四水、洞庭湖城陵矶站以及长江干流枝城站月平均水位及流量和该流域8个雨量站的降水数据,运用Mann-Kendall趋势检验法、回归分析、流量年特征值等方法研究了三口水位的时序演变特征及其与流量、降水、江湖水量交换、人类活动的关系。结果表明：① 与阶段一（1956—1966年）相比,阶段二（1967—1980年）、三（1981—2002年）、四（2003—2017年）河系年平均水位、年最高水位分别下降0.74 m、0.37 m,年最低水位上升0.07 m;② 在涨（4—5月）、丰（6—9月）、退（10—11月）、枯（12月—次年3月）四个水文节点上,最低水位降幅最大（-0.98 m）,平均水位次之（-0.78 m）,最高水位最小（0.55 m）,并将其降幅按水文节点排序依次为退水期（-0.95 m）>丰水期（-0.61 m）>涨水期（-0.21 m）>枯水期（0.15 m）;③ 河系水位变化与其流量变化有着较好的一致性（二者的相关系数r =0.65）,与降水量相关性较弱（r =-0.16）,但2002—2017年相对干旱的气候加剧了河系水位的下降。从总体上看,长江枝城来水量减少和以水利工程为代表的人类活动方式是导致荆南三口河系特征水位下降的主要驱动因素。
关键词： 水位时序变化;回归分析;Mann-Kendall法;江湖水量交换关系;荆南三口河系

Abstract
This paper analyzes the relationship between the water level evolution of the Three Outlets in the Southern Jingjiang River system and the exchange of river and lake water volume. Based on the monthly mean water level and discharge data obtained from 10 stations concerning the Three Outlets, Four Rivers and Chenglingji station of Dongting Lake and Zhicheng station along the Yangtze River Mainstream, as well as the precipitation data from another eight stations from 1956 to 2017, the temporal evolution of the Three Outlets' water level and its relationship with precipitation and water exchange in the Dongting Lake and human activities were studied by using Mann-Kendall trend test method, regression analysis and flow year eigenvalue method. The results show that: (1) Compared with the first stage (1956-1966), the average mean water level and the average highest water level of the second (1967-1980), third (1981-2002) and fourth (2003-2017) stages decreased by 0.74 m, and 0.37 m respectively, while the average lowest water level increased by 0.07 m. (2) The average lowest water level of the Three Outlets dropped by the largest volume (-0.98 m), followed by the average water level (-0.78 m). The average highest water level of the Three Outlets rose by 0.55 m in the four hydrological seasons, including the water-rising season (April-May), wet season (June-September), water-falling season (October-November) and dry season (December-March of the following year). In terms of the hydrological season, the drop of the Three Outlets' characteristic water level was in the order of water-falling season (-0.95 m) > wet season (-0.61 m) > water-rising season (-0.21 m) > dry season (0.15 m). (3) The change of the water level in the Three Outlets had a good consistency with its discharge (correlation coefficient of the two r=0.65), but had a weak correlation with precipitation (r=-0.16). However, the drought climate from 2002 to 2017 aggravated the decline of the water level of the Three Outlets. Generally speaking, water reduction at Zhicheng station in the Yangtze River and human activities represented by water conservancy projects were the main driving factors leading to the overall decline of the characteristic water level of the Three Outlets of the Southern Jingjiang River.
Keywords：time series change of water level;regression analysis;Mann-Kendall trend test method;water exchange relationship in lake;the Three Outlets of the Southern Jingjiang River


PDF (4910KB)元数据多维度评价相关文章导出EndNote|Ris|Bibtex收藏本文
本文引用格式
汪雁佳, 李景保, 李雅妮, 吕殿青, 代稳. 长江荆南三口河系水位演变规律及对江湖水量交换关系的响应. 地理研究[J], 2019, 38(9): 2302-2313 doi:10.11821/dlyj020181187
WANG Yanjia. The evolution of water level in Three Outlets of the Southern Jingjiang River and its response to water exchange in the Dongting Lake. Geographical Research[J], 2019, 38(9): 2302-2313 doi:10.11821/dlyj020181187


1 引言

水位是表征江河湖泊水文情势的一项重要参数,且对维系河湖生态系统健康及完整性至关重要[1]。江湖水位时空变化不仅受到自然因素的影响,还与日益增强的人类活动存在紧密联系。因此基于长江与洞庭湖关系的长江中游水位及洞庭湖水位变化颇受诸多相关****的高度关注。研究结果表明,受近60多年来各时期人类活动（水利工程）和自然因素的综合影响,江湖关系曾发生多次调整,导致长江中游与洞庭湖水位发生了明显变化[2, 3]。与相对稳定的1956—1966年相比,1967年后长江荆江河段泥沙量显著减少,受冲刷作用影响,河床下切严重,致使长江中游、洞庭湖水位降低[4,5,6,7,8]。荆南三口河系既是沟通长江与洞庭湖的水流通道,又是调整江湖关系变化的纽带。那么不同阶段的江湖关系调整过程,特别是在三峡水库运行后的新一轮江湖关系调整过程中,三口河系特征水位是如何变化?其变化过程、变化幅度与流量、降水、江湖水量交换、人类活动的关系程度又是如何?这些都是三峡水库蓄水运行以来人们所关注的热门话题。本文从特征水位变化与流量、气候因素、江湖水量交换、人类活动关系视角上探究荆南三口河系特征水位时序演变特征,同时查明江湖水量交换与河系水位变化之间的关系程度。这对于全面认识新时期的江湖关系演变规律、防洪减灾、水资源管理,以及实施河湖水系连通工程具有重要的学术价值和现实意义。

2 区域概况与研究方法

2.1 研究区域概况

荆江是长江干流自湖北省枝城市至湖南省岳阳市城陵矶河段的别称,全长约360 km。习惯上将藕池口至枝城河段称上荆江,藕池口至城陵矶河段称下荆江。荆南三口位于荆江南岸,指分泄长江水进入洞庭湖北部地区所组成的水网,主要河流有松滋河、虎渡河、藕池河和华容河,华容河因于1958年冬堵口,现为荆南三口河系（图1）,是典型的平原河网区。荆南三口河系分泄长江水沙补给洞庭湖,经湖泊调蓄后,由湖口城陵矶出流补给长江,由此形成了复杂的江湖水量交换关系[9,10,11]。随着江湖关系的演变,荆南三口河系水情日趋复杂。

图1

新窗口打开|下载原图ZIP|生成PPT
图1荆南三口及长江干流主要水文控制站

Fig. 1The primary gauging stations of the Three Outlets of Southern Jingjiang River & the Yangtze River Mainstream



2.2 数据来源

基于长江、三口河系与洞庭湖间的水文关系,选用1956—2017年荆江新江口、沙道观、弥陀寺、管家铺、康家岗5个水文站逐月平均水位观测数据与同期长江干流枝城站,湖南四水（湘江湘潭站、资水桃江站、沅江桃源、澧水石门站）和湖口城陵矶站逐月平均流量数据,以及安乡、常德、华容、澧县、南县、益阳、沅江、岳阳8个气象站的月平均降水数据对荆南三口河系特征水位变化及其成因展开分析。本文数据主要来源于湖南水情综合日报表、长江水利委员会和湖南省水利水电勘测设计研究总院。

2.3 研究方法

采用Mann-Kendall趋势检验法与Sen's斜率估计方法[12,13]分析三口河系水位时序演变特征,并通过回归分析法[14]、流量年特征值[15]等方法探究河系水位与流量和降水的关系,以及与枝城、四水、城陵矶流量之间的关系。特征水位系指平均水位、最高水位、最低水位。为便于分析多时间尺度下荆南三口河系特征水位演变规律,以长江中上游重大水利工程建设与运行时间为节点,将1956—2017年时间序列划分为四个时段：阶段一为1956—1966年（基准期）、阶段二为1967—1980年（下荆江系统裁弯后）、阶段三为1981—2002年（葛洲坝截流后）、阶段四为2003—2017年（三峡水库蓄水运行后）。

3 结果与分析

3.1 多时间尺度下河系水位变化规律

3.1.1 三口河系年特征水位变化趋势 利用Mann-Kendall趋势检验法与Sen's斜率估计方法分析三口河系特征水位变化趋势及强度。结果表明：荆南三口河系62年（1956—2017年）间年平均水位的Mann-Kendall统计量Z值为-6.52,表明该河系年平均水位呈显著下降趋势;年最高水位统计量Z值为-2.14,由此反映年最高水位下降趋势较为显著;而年最低水位统计量Z值为-1,呈不显著的下降趋势,说明逐年最低水位趋于相对较稳定状态。

从不同阶段三口河系年特征水位变化趋势（表1）上看,阶段一,年平均水位、年最高水位、年最低水位Mann-Kendall 统计量Z值分别为1.250、1.090、0.160,其变化斜率依次为0.034、0.073、0.004,表明阶段一特征水位呈上升变化趋势,但上升趋势不显著。阶段二,年平均水位、年最高水位、年最低水位统计量Z值分别为-3.390、-1.970、-1.750,其斜率都为负值,分别为-0.090、-0.113、-0.028,这意味着阶段二特征水位总体呈下降变化趋势,其中年平均水位与年最高水位的下降趋势较为显著（P<0.1）。阶段三,年平均水位统计量Z值为-2.260,斜率变化为-0.026,说明年均水位呈较为显著下降变化趋势（P<0.1）,而年最高水位与年最低水位统计量Z值分别为-0.450、-1.860,其变化斜率为-0.007、-0.015,为不显著的下降变化趋势。阶段四,年平均水位、年最高水位、年最低水位的统计量Z值分别为-1.290、-0.990、-0.890,变化斜率依次为-0.038、-0.075、-0.008,表明阶段四该河系河流的特征水位呈同步下降变化趋势,只是下降趋势不显著。

Tab. 1
表1
表1不同阶段荆南三口特征水位Man-Keendall趋势变化
Tab. 1Statistics of the characteristic water level of the Three Outlets of Southern Jingjiang River trend estimated by Mann-Kendall test in different stages
年平均水位年最高水位年最低水位
时段统计量Z斜率Q统计量Z斜率Q统计量Z斜率Q
1956—1966 年1.2500.0341.0900.0730.1600.004
1967—1980 年-3.390***-0.090-1.970*-0.113-1.750-0.028
1981—2002 年-2.260*-0.026-0.450-0.007-1.860-0.015
2003—2017 年-1.290-0.038-0.990-0.075-0.890-0.008
注：***、**、* 分别表示显著性水平为P < 0.001、P < 0.05、P < 0.1。

新窗口打开|下载CSV

3.1.2 三口河系特征水位季节变化规律 从长时间序列水位变化过程分析可知,荆南三口河系存在四个水文循环节点,即涨水期（4—5月）、丰水期（6—9月）、退水期（10—11月）、枯水期（12月—次年3月）。

通过对比分析阶段二、三、四与阶段一（基准期）涨、丰、退、枯水期特征水位可以看出该河系特征水位的季节变化规律（图2,虚线框柱状图从左至右依次为阶段二、三、四特征水位与阶段一的差值）为：

图2

新窗口打开|下载原图ZIP|生成PPT
图2不同水文节点荆南三口特征水位分阶段变化

Fig. 2Variations of the characteristic water level of the Three Outlets of Southern Jingjiang River at different hydrological seasons



（1）涨水期。阶段一河系涨水期4—5月平均水位均值为35.32 m,最高水位均值为36.46 m,最低水位均值为34.00 m。相比于阶段一,阶段二平均水位变化不明显（图2a）,略微抬升0.02 m,阶段三、四分别下降了0.95 m、1.13 m;最低水位在阶段二、三、四则分别下降了0.23 m、0.30 m、0.97 m;而最高水位波动较大,阶段二向上抬升1.71 m,阶段三下降0.12 m,阶段四又向上抬升了0.11 m。由此看出,二、三、四阶段河系涨水期的平均水位在波动中呈下降趋势,最低水位呈明显的下降变化趋势,而最高水位表现为波动上升的变化规律。

（2）丰水期。阶段一河系丰水期6—9月平均水位均值为39.24 m,最高水位均值为40.47 m,最低水位均值为34.00 m。相较于阶段一,后三阶段平均水位与年最低水位呈下降趋势,阶段二、三、四平均水位分别下降0.46 m、0.46 m、1.41 m,最低水位分别下降0.73 m、1.44 m、2.38 m;而最高水位在阶段二、三分别上升0.55 m、0.97 m,阶段四略有下降,但下降幅度不大,只下降0.07 m（图2c）。由此表明,丰水期二、三、四阶段河系平均水位与年最低水位均呈明显的下降变化趋势,而最高水位也在波动中下降。

（3）退水期。阶段一河系退水期10—11月平均水位为37.08 m,最高水位38.55 m,最低水位36.00 m。相较于阶段一,后三阶段平均水位与最低水位仍呈下降变化趋势,且下降幅度逐年增大。阶段二、三、四平均水位分别下降0.55 m、1.18 m与2.49 m;最低水位分别下降0.74 m、1.28、2.69 m;而最高水位在阶段二、三呈上升趋势,分别抬升0.53 m,0.49 m,但在阶段四下降明显,下降了0.59 m。由此表明,退水期三口河系平均水位与最低水位下降趋势明显,与此同时最高水位也在阶段四表现出明显的下降趋势。

（4）枯水期。阶段一河系枯水期12月—次年3月平均水位为33.59 m,最高水位34.08 m,最低水位33.14 m。相较于阶段一,阶段二、三、四平均水位分别下降0.18 m、0.09 m、0.48 m;最低水位阶段二与阶段四呈下降趋势,分别下降0.35 m、0.60 m,在阶段三的下降变化不明显（图2b）,下降幅度仅为0.01 m;而最高水位则呈逐年上升变化,阶段二、三、四分别抬升0.68 m、1.22 m、1.14 m。由此认为,枯水期河系平均水位与年最低水位的下降趋势较明显,而年最高水位呈上升变化趋势。

综上所述,在不同阶段四个水文节点上,三口河系特征水位以最低水位下降幅度最大,平均每水文节点下降0.98 m;平均水位次之,平均每水文节点下降0.78 m,而最高水位呈上升趋势,平均每水文节点上升0.55 m。若将河系特征水位变幅按水文节点排序为：退水期（-0.95 m）>丰水期（-0.61 m）>涨水期（-0.21 m）>枯水期（0.15 m）。

3.1.3 三口河系特征水位年际变化规律 从荆南三口河系多年特征水位变化及其拟合曲线（图3）可知,其年最高水位较为离散,表明年最高水位波动变化较大,而年平均水位与年最低水位的散点较为集中,说明后两者水位波动变化较小。图3显示,高于水位拟合线的三个异常值分别出现于1967年、1982年以及2005年三个丰水年份。通过进一步分析可知,近60年间三口河系年平均水位、年最高水位、年最低水位均值分别为35.78 m、39.90 m、33.19 m,其中,年最高水位波动范围为37.51 ~ 42.32 m,年平均水位波动范围为34.32 ~38.60 m,年最低水位波动范围为32.00 ~ 35.64 m。从特征水位变化幅度来看,年最高水位的变化幅度最大,为4.81 m;年平均水位次之,为4.28 m;年最低水位变幅最小,为3.64 m。

图3

新窗口打开|下载原图ZIP|生成PPT
图3荆南三口多年特征水位变化及拟合曲线

Fig. 3Variations of multi-year characteristic water level and the fitting curve of the Three Outlets of Southern Jingjiang River



再通过对比分析四个阶段河系特征水位（表2）表明：阶段一年平均水位均值为36.34 m,相较于阶段一,阶段二、三、四年平均水位分别降低0.44 m、0.54 m、1.24 m,平均每阶段下降0.74 m;阶段一年最高水位均值为40.37 m,阶段二抬升0.12 m,阶段三变化不明显（下降约0.05 m）,阶段四年最高水位呈明显下降趋势,下降了1.18 m,总的来看,年最高水位平均每阶段下降0.37 m;阶段二年最低水位均值为33.07 m,较阶段一（33.09 m）无明显变化,阶段三较阶段一抬升0.32 m,而阶段四下降了0.09 m,因此年最低水位也在波动中呈下降趋势。

Tab. 2
表2
表2荆南三口四个阶段年特征水位变化
Tab. 2Variations of the annual characteristic water level of the Three Outlets of Southern Jingjiang River in different stages
特征水位阶段一阶段二阶段三阶段四
最大值最小值平均值最大值最小值平均值最大值最小值平均值最大值最小值平均值
年平均水位37.0835.8436.3438.6035.2736.0438.0635.0935.8037.6234.3235.11
年最高水位41.2639.5040.3741.6438.4939.7142.3238.5540.2841.1137.5139.20
年最低水位33.3432.8533.0935.6432.6433.1634.9332.9533.4034.9532.0032.99

新窗口打开|下载CSV

从不同阶段河系特征水位的变化幅度来看,阶段一年平均水位与年最高水位波动较大,水位变幅分别为1.25 m、1.76 m,而年最低水位波动较小,水位变幅为0.49 m;阶段二年平均、最高与最低水位的变幅均超过3.00 m,且相较于阶段一,其水位变幅平均增加了1.99 m;阶段三年平均水位与年最高水位年际变幅分别为2.98 m与3.77 m,年最低水位变幅为1.98 m,相较于阶段一增加了2.01 m。阶段四年平均水位、年最低水位、年最高水位变幅分别为3.30 m、3.60 m、2.95 m,相较于较阶段一,年平均水位与年最低水位变幅均增加2 m左右,年最高水位的年际变幅增加1.85 m,由此说明阶段四水位变幅也呈增加趋势。

综上所述,尽管荆南三口河系特征水位在不同阶段的变化有所差异,但总体上看,多时间尺度下的河系特征水位均呈下降趋势,且年际变幅呈逐年增大趋势,这意味着荆南三口河系特征水位在不同阶段、不同年份、不同季节均处于不稳定状态。由此反映了丰水地区平原河系水情变化的复杂性。

3.2 三口河系水位变化对江湖水量交换关系的响应

由图1可知,洞庭湖分别接纳长江荆南三口河系入湖水量,以及湖南湘、资、沅、澧四水入湖水量,经湖泊调蓄后于湖口城陵矶泄入长江。在这一江湖水量交换过程中,三口河系水位变化与三口分泄长江（枝城段）水量,湖南湘、资、沅、澧四水入湖水量,以及湖口城陵矶出湖水量存在着密切的水文关系。一旦江湖水量交换关系发生变化,则会对该河系特征水位产生不同程度的影响。

3.2.1 三口水位变化与流量、降水的关系 为查明不同阶段河系流量与降水对其水位变化的影响程度,分别求出不同阶段该河系径流量与降水量的年代均值,其中阶段一、二、三、四河系流量均值分别为49724 m3/s、34350 m3/s、25797 m3/s、17963 m3/s;相应时段降水量均值依次为1267 mm、1307 mm、1370 m、1283 mm（图4）。由图4分析可知,三口地区降水量经过了先上升后下降的过程,即从阶段一到阶段三呈增加趋势,并在阶段三达到最高值,这显然是一个偏丰时期,而2002年后三口年降水量呈减少变化趋势,阶段四降水量相对偏枯,这与该阶段河系特征水位总体下降趋势基本一致,表明水位变化与区域降水存在一定的关联性。从河系径流量变化来看,阶段一至阶段四径流量均呈减少变化趋势,与阶段一相比,后三阶段年径流量均值分别减少15374 m3/s、23927 m3/s、31760 m3/s。结合水位与流量、降水变化趋势分析可以发现,河系水位年际变化与流量年际变化具有较好的一致性变化规律,但是受降水量变化影响较弱,仍然存在一定关联,即年降水量增加时,三口水位下降过程较缓慢。

图4

新窗口打开|下载原图ZIP|生成PPT
图4荆南三口水位与三口流量、降水的关系

Fig. 4Relationship between the water level and the flow rate & precipitation of the Three Outlets of Southern Jingjiang River



3.2.2 三口河系水位变化与江湖交换水量的关系 通过2.2.1章节初步分析认为,三口河系水位变化受降水量变化影响程度较小,而受径流量变化影响程度较大,因而定量分析江湖交换水量与降水对河系水位的影响程度。

（1）构建以河系水位为因变量（Y）,长江干流枝城站流量（X1）、三口河系流量（X2）、湖口城陵矶出流量（X3）、湖南四水总入湖流量（X4）与三口地区降水（X5）为自变量的逐步回归模型。其建构的回归方程为：

Y=aX1+bX2+cX3+dX4+eX5

式中：a、b、c、d、e为回归模型的拟合系数。

（2）借助SPSS软件分别对四个水文节点上荆南三口水位及相关流量与降水因子进行Z标准化处理,并在信度为95%的基础上做逐步回归处理,拟合结果如表3所示。

Tab. 3
表3
表3荆南三口水位回归方程结果
Tab. 3Results of the stepwise regression model of the water level of the Three Outlets of Southern Jingjiang River
时 期影响因子回归方程R2
涨水期X2***Y=0.79X2+19.50E-160.62
丰水期X2***,X4**,X5**Y=0.65X2–0.16X4-0.15X5+43.30E-160.42
退水期X2***,X1**Y=0.58X2+0.25X1+15.20E-160.65
枯水期X2***Y=0.59X2+300.00E-160.33
注：***、**、*分别表示显著性水平为P < 0.001、P < 0.05、P < 0.1。

新窗口打开|下载CSV

从表3可以看出,在四组回归方程中,三口流量（X2）的拟合系数均通过了显著性检验（P<0.001）,由此看出河系径流量为特征水位变化的主要贡献因子,且不同水文节点上其拟合系数均为正,由此说明河系水位变化与其流量的增减变化基本一致;其次,长江干流枝城站流量（X1）在退水期与河系水位呈现出较好的拟合效果（R2=0.65）,这表明枝城来水量多寡是直接影响其特征水位变化的一个重要因素。再从拟合系数来看,枝城流量的回归系数亦为正值（R=0.25）,表明河系水位随着江湖水交换量的增加而上升,反之则下降。而退水期10—11月正是长江枝城站来水量减少的时期,因此三口水位表现出随着枝城流量减少而降低的特征,由此表明长江枝城流量与三口水位的关系较为密切。

为检验湖南湘、资、沅、澧四水总入湖流量,城陵矶流量以及流域降水对三口河系水位变化的影响程度。建立丰水期河系流量（X2）、湖口城陵矶出流量（X3）、四水总入湖流量（X4）与三口地区降水量（X5）的回归方程,拟合结果表明：① 得到X2、X4、X5的拟合系数分别为0.65、-0.16、-0.15,由此说明河系特征水位与其流量为正相关关系,而与四水总入湖流量、降水量呈负相关关系,其主要原因是三口地区降水量主要集中分布在4—6月,长江汛期为7—9月,因此河系水位随着长江汛期枝城流量的增加而上升,而汛期雨量的减少,使得丰水期水位与降水量呈现出相反的变化趋势;② 同理,四水入湖流量与三口水位的关系也可由此解释（四水流域降水集中于4—6月）;③ 城陵矶流量与三口水位的拟合效果较差,且未能通过显著性检验,这意味着湖口城陵矶流量的增减变化对荆南三口水位变化的影响不敏感。

3.2.3 枝城站不同流量与三口水位变化的关系 由于水文变化具有诸多不确定性因素,随机性明显,因此须查明长江枝城站不同等级流量与特征水位的对应关系程度。首先在确立江湖水位流量关系前提下,以江湖水量交换关系中主要水文控制站（枝城站）的流量序列为基础,运用前述的流量年特征值法将枝城流量划分为不同等级,分析不同阶段长江枝城站枯水为 <8000m3/s、低水为（8000~14000）m3/s、中水为（14000 ~ 22000）m3/s、高水为> 22000m3/s情景下所对应的三口河系特征水位变化（图5）。

图5

新窗口打开|下载原图ZIP|生成PPT
图5不同阶段枝城不同流量下三口特征水位变化

Fig. 5Variations of the characteristic water level of the Three Outlets of Southern Jingjiang River under different flows at Zhicheng station in different stages



从图5可看出,在枝城站不同流量等级下荆南三口河系水位均呈现下降状态,其主要表现为：① 高水位时,阶段一河系平均水位均值为39.89 m,阶段二、三相较于阶段一分别下降0.67 m、0.52 m,而阶段四平均水位下降幅度明显增大,下降了1.74 m。② 中水位时,阶段二河系平均水位较阶段一（37.80 m）未发生明显变化,略微下降0.07 m,而阶段三与阶段四分别下降0.48 m与0.83 m。③ 低水位时,阶段一河系平均水位均值为36.18 m,阶段二、三、四较阶段一分别下降0.51 m、1.01 m与1.50 m。④ 枯水时,阶段一河系平均水位为33.73 m,阶段二、三平均水位相较于阶段一未发生明显变化,只分别平均下降了0.14 m、0.11 m,至阶段四河系平均水位下降幅度加大,下降了0.53 m。概言之,高水与低水时河系水位下降幅度较大,平均每阶段分别下降0.98 m、1.01 m;中水次之,平均每阶段下降0.46 m;枯水时的下降幅度最小,平均每阶段下降0.26 m。

在不同水文节点上,枝城不同流量等级下所对应的三口河系特征水位变化也具有一定差异（图6）：

图6

新窗口打开|下载原图ZIP|生成PPT
图6不同水文节点枝城不同流量下荆南三口特征水位变化

Fig. 6Variations of the characteristic water level of the Three Outlets of Southern Jingjiang River under different flows at Zhicheng station in different hydrological seasons



（1）丰水期。河系水位受枝城平均流量与最大流量波动变化影响较大。阶段一年均水位变化为36.90~40.72 m,均值为38.59 m。相较于阶段一,阶段二最高水位下降1.42 m,平均水位下降0.21 m,这与枝城丰水期平均、最大流量减少变化趋势基本一致（表4）。阶段三最高水位较阶段一上升0.60 m,平均水位上升0.74 m,这意味着枝城站最大流量的增加（平均增加3978 m3/s）对该阶段丰水期水位起到了明显的抬升作用。阶段四平均水位较阶段一下降0.63 m,最高水位降低1.62 m,由此可看出阶段四河系水位受枝城站平均、最大流量减少影响较大。另外,丰水期枝城最小流量的减小对三口水位的变化影响不敏感,即丰水期河系最低水位无明显变化。

Tab. 4
表4
表4不同水文节点枝城流量阶段性变化
Tab. 4Variations of the annual runoff at Zhicheng in different hydrological seasons （m3/s）
时段（m3/s）平均流量最大流量最小流量
涨水期丰水期退水期枯水期涨水期丰水期退水期枯水期涨水期丰水期退水期枯水期
1956—1966年9157264751472647391320435453208715662577019092101603915
1967—1980年10052248081478645481515634951195975691591816661109293726
1981—2002年914325968137524829141053943117910586462851372382413837
2003—2017年1057522040110636169154083200018395820076051325878354370
差值1895-166761-1911952-502-127429148-2431769-189
差值2-14-507-973909013978-2961202515-5369-1920-78
差值31418-4436-366314302204-3453-247625381835-5834-2325455

新窗口打开|下载CSV

（2）退水期。河系水位受枝城流量减少影响呈明显下降趋势。阶段一,河系水位变化范围为35.53~39.64 m,均值为37.60 m。相较于阶段一,阶段二平均水位下降0.73 m,最高水位下降1.95 m,最低水位下降0.48 m。阶段三、四河系水位下降幅度加大,平均水位分别下降1.47 m、2.32 m,最高水位分别下降了2.21 m、3.06 m,最低水位依次下降0.90 m、1.30 m,这与退水期长江枝城站平均流量、最大流量、最小流量呈递减变化有直接联系。

（3）涨水期。河系水位与枝城流量的增减变化方向不完全一致。阶段一,河系平均水位变化范围为33.37~37.62 m,均值为35.47 m。相较于阶段一,阶段二最高水位有所抬升,上升0.23 m,从该阶段枝城流量变化来看,其最大流量增加了1952 m3/s。阶段三与阶段四涨水期河系水位下降趋势明显,阶段三河系平均水位与最高水位分别下降了0.87 m、2.6 m,阶段四也分别下降2.72 m、1.11 m,但这与枝城流量的增加趋势并完全不吻合,由此表明,涨水期三口特征水位变化除了受长江枝城流量增减变化的制约外还受到区域降水等其他因素的影响。

（4）枯水期。三口河系水位受枝城流量变化的影响较弱。阶段一,河系水位变化范围为33.22~34.25 m,均值为33.73 m。相较于阶段一,阶段二、三、四河系平均水位、最高水位、最低水位均呈同步下降趋势,而枝城最大与平均流量的增加并未对河系水位起到抬升作用。由此说明,枯水期三峡水库补水调度虽然使枝城流量有所增加,但并未达到三口水位上升所需的流量临界值[16,17]。这是因为枯水期三口河系除了松滋河左支新江口有较小的流量外,不管三峡水库补水调度与否,其余河流均处于断流状态。

3.3 人类活动与三口水位变化的关系

水位变化是人类活动与自然因素综合作用的结果。显然,荆南三口河系水位变化,除受上述影响因素外,还与人类活动息息相关,其中与以水利工程为代表的人类活动更为密切。为防洪、抗旱、发电、通航,近60多年来在荆江上下游相继修建了众多水利工程,改变了长江水文循环规律,导致三口分流量逐期减少,河系水位逐期下降（表5）。

Tab. 5
表5
表5不同时段长江水利工程对三口特征水位的影响及三口分流比变化
Tab. 5Variations of the annual characteristic water level of tthe Three Outlets of Southern Jingjiang River and the diversion capacity under different stages of the Yangtze River Water Conservancy Project
时段特征水位（m）多年平均径流量（亿m3）分流比（%）
年平均水位年最高水位年最低水位枝城三口
1956—1966 年36.3440.3733.094476.671327.4929.65
1967—1980 年35.9040.5033.074381.02927.1921.16
1981—2002 年35.8040.3333.404453.05691.2515.52
2003—2017 年35.1139.2032.904047.13478.9911.84
注: 分流比为荆南三口流量与长江枝城流量之比。

新窗口打开|下载CSV

1956—1966年,调弦口堵口（1958年）以后,三口河系年平均径流量的Mann-Kendall统计量Z值为0.78,表明河系流量呈增加趋势,但增加趋势不显著。与此同时三口特征水位也呈上升趋势,上升趋势亦不显著（由表1可知）,由此表明调弦口堵口并未对三口水位变化造成显著的影响,这是由于调弦口分泄长江干流水量仅占三口来水量较小的比例,这与前人类似的研究结果一致[17]。

1967—1980年下荆江三处（上车弯、中洲子、沙滩子）裁弯后,河系年平均水位与年最高水位呈显著下降趋势（P<0.05）,年最低水位表现为不显著的下降趋势。通过对该阶段枝城年平均径流量进行Mann-Kendall趋势检验表明,其统计量Z值为-0.11,由此看出枝城年平均径流量总体呈下降趋势,这是由于荆江裁弯取直后,下荆江流速加快,河床冲刷作用加强,长江干流同流量下的水位降低,从而使三口河系分流能力减弱（下荆江裁弯后三口分流比为21.16%,较裁弯前下降了8.49%）,导致各时段年平均水位与年最低水位均呈下降状态（表5）。

1981—2002年葛洲坝水库运行以后,三口平均水位仍呈下降趋势,但下降趋势不显著。由于受葛洲坝运行的影响,清水下泄,继续加剧对河床的冲刷,三口的分流能力进一步下降,三口分流比下降了14.13 %,但较阶段一,年最低水位略有抬升,这是由于葛洲坝对径流过程的调节作用使得枯水期枝城流量有所增加,从而对三口枯水期水位产生了一定影响。

2003—2017年三峡水库运行后,三口河系年平均水位、年最高水位与年最低水位均呈明显下降趋势。一方面三峡水库将长江干流拦腰截断,形成巨大的蓄水库容,水库发挥调节作用的同时,大坝“清水”下泄,使得长江中下游河床全线冲刷,水位有所下降;另一方面三峡水库汛末（9月中旬）蓄水使得退水期枝城流量较水库运行前有所减少,这就直接导致了三口分流比的减少（减少了17.81%）,以及特征水位的同步下降（表5）。

4 结论与讨论

本文采用Mann-Kendall趋势检验法、回归分析等方法分析了荆南三口河系特征水位变化及其与降水、江湖水量交换、人类活动的关系,主要结论如下：

（1）从特征水位长期变化趋势来看,不同阶段下的年平均水位、年最高水位都呈显著下降趋势,年最低水位也呈下降趋势,但下降趋势不显著,表明荆南三口河系年最低水位长期处于相对稳定状态。

（2）总体上看,多时间尺度下的三口河系特征水位在不同阶段中均呈下降趋势,从不同水文节点上看,以最低水位的下降幅度最大,其次是平均水位,最高水位下降幅度最小。这一水情变化规律,一方面在汛期对防洪减灾具有重要意义;另一方面在退水期与枯水期会增大旱灾的风险率。

（3）水位变化是人类活动与自然因素综合作用的结果。经分析表明,三口特征水位变化与自身流量变化具有较好的一致性,但与境内降水关系较弱。长江枝城来水量的多寡对三口特征水位产生直接影响,而以水利工程为代表的人类活动方式对水位变化影响最显著,这表明导致丰水地区河系水情变化的主要驱动因素是人类活动。

（4）影响该河系特征水位变化的因素是极为复杂的,除了与江湖水量交换、气候因素、人类活方式有关外,还与各个水文控制断面的冲淤,河床比降等因素、人类提灌用水等有关,这些与水位变化相关影响因素,有待于今后作进一步的探讨。

参考文献 原文顺序
文献年度倒序
文中引用次数倒序
被引期刊影响因子

Evtimova V V, Donohue I . Water level fluctuations regulate the structure and functioning of natural lakes
Freshwater Biology, 2016,61(2):251-264.
[本文引用: 1]

Belete M D, Diekkrüger B, Roehrig J . Characterization of water level variability of the main Ethiopian Rift Valley Lakes
Hydrology, 2015,3(1):1.
[本文引用: 1]

Zohary T, Ostrovsky I . Ecological impacts of excessive water level fluctuations in stratified freshwater lakes
Inland Waters, 2011,1(1):47-59.
[本文引用: 1]

聂芳容 . 三峡工程与洞庭湖. 长沙: 湖南人民出版社, 2001.
[本文引用: 1]

[ Nie Fangrong. Three Gorges Project and Dongting Lake. Changsha: Hunan People's Publishing House, 2001.]
[本文引用: 1]

甘明辉, 刘卡波, 施勇 . 洞庭湖四口河系水安全及综合调控. 北京: 中国水利水电出版社, 2013.
[本文引用: 1]

[ Gan Minghui, Liu Kabo, Shi Yong. Water Security and Comprehensive Control of the Four Outlets of Dongting Lake. Beijing: China Water & Power Press, 2013.]
[本文引用: 1]

朱玲玲, 杨霞, 许全喜 . 上荆江枯水位对河床冲刷及水库调度的综合响应
地理学报, 2017,72(7):1184-1194.
[本文引用: 1]

[ Zhu Lingling, Yang Xia, Xu Quanxi . Response of low water level change to bed erosion and the operation of Three Gorges Reservoir in upper Jingjiang reach
Acta Geographica Sinica, 2017,72(7):1184-1194.]
[本文引用: 1]

孟熊, 廖小红, 黎昔春 . 洞庭湖水位变化特性及影响研究
人民长江, 2014,45(13):17-21.
[本文引用: 1]

[ Meng Xiong, Liao Xiaohong, Li Xichun . Study on characteristics of water level variation in Lake Dongting and its influences
Yangtze River, 2014,45(13):17-21.]
[本文引用: 1]

万荣荣, 杨桂山, 王晓龙 , 等. 长江中游通江湖泊江湖关系研究进展
湖泊科学, 2014,26(1):1-8.
[本文引用: 1]

[ Wan Rongrong, Yang Guishan, Wang Xiaolong , et al. Progress of research on the relationship between the Yangtze River and its connected lakes in The middle reaches
Journal of Lake Science, 2014,26(1):1-8.]
[本文引用: 1]

毛北平, 吴忠明, 梅军亚 , 等. 三峡工程蓄水以来长江与洞庭湖汇流关系变化
水力发电学报, 2013,32(5):48-57.
[本文引用: 1]

[ Mao Beiping, Wu Zhongming, Mei Junya , et al. Confluence relationship changes of Yangtze River and Dongting Lake since impoundment of Three Gorges Project
Journal of Hydroelectric Engineering, 2013,32(5):4857.]
[本文引用: 1]

李景保, 周永强, 欧朝敏 . 洞庭湖与长江水体交换能力演变及对三峡水库运行的响应
地理学报, 2013,68(1):108-117.
[本文引用: 1]

[ Li Jingbao, Zhou Yongqiang, Ou Chaomin . Evolution of water exchange ability between Dongting Lake and Yangtze River and its response to the operation of the Three Gorges Reservoir
Acta Geographica Sinica, 2013,68(1):108-117.]
[本文引用: 1]

叶正伟, 许有鹏, 潘光波 . 江淮平原水网区汛期雨量与洪涝水位关系: 以江苏里下河腹部地区为例
地理研究, 2011,30(6):1137-1146.
[本文引用: 1]

[ Ye Zhengwei, Xu Youpeng, Pan Guangbo . Relationship between flood rainfall and water level in a Jianghuai Plain river network region: A case study in the inner Lixiahe, Jiangsu
Geographical Research, 2011,30(6):1137-1146.]
[本文引用: 1]

汪攀, 刘毅敏 . Sen’s 斜率估计与Mann-Kendall 法在设备运行趋势分析中的应用
武汉科技大学学报, 2014,37(6):454-457.
[本文引用: 1]

[ Wang Pan, Liu Yimin . Application of Sen’s slope estimation and Mann-Kendall method in the trend analysis of equipment operation
Journal of Wuhan University of Science and Technology, 2014,37(6) : 454-457.]
[本文引用: 1]

程俊翔, 徐力刚, 王青 , 等. 洞庭湖近30a水位时空演变特征及驱动因素分析
湖泊科学, 2017,29(4):974-983.
[本文引用: 1]

[ Cheng Junxiang, Xu Ligang, Wang Qing , et al. Temporal and spatial variations of water level and its driving forces in Lake Dongting over the last three decades
Journal of Lake Science, 2017,29(4):974-983.]
[本文引用: 1]

刘丽霞, 乔万亮, 李颖 . 一类精度站高、中、低枯水的划分
黑龙江水利科技, 2005,33(2):14-15.
[本文引用: 1]

[ Liu Lixia, Qiao Wanliang, Li Ying . A class of precision station high, middle, low dry water division
Heilongjiang Science and Technology of Water Conservancy, 2005,33(2):14-15.]
[本文引用: 1]

李景保, 何霞, 杨波 , 等. 长江中游荆南三口断流时间演变特征及其影响机
自然资源学报, 2016,31(10):1713-1725.
[本文引用: 1]

[ Li Jingbao, He Xia, Yang Bo , et al. Temporal evolution of dried up days and the influencing mechanisms at Three Outlets along Jingjiang in the middle reach of Yangtze River
Journal of Natural Resources, 2016,31(10):1713-1725.]
[本文引用: 1]

李景保, 吴文嘉, 徐志 , 等. 长江中游荆南三口河系径流演变特征及趋势预测
长江流域资源与环境, 2017,26(9):1456-1465.
[本文引用: 1]

[ Li Jingbao, Wu Wenjia, Xu Zhi , et al. Runoff evolution characteristics and future trends in the Three Outlets along Southern Jingjiang River of middle reaches of Changjiang
Resources and Environment in the Yangtze Basin, 2017,26(9):1456-1465.]
[本文引用: 1]

周蕾, 李景保, 汤祥明 , 等. 近60a来洞庭湖水位演变特征及其影响因素
冰川冻土, 2017,39(3):660-671.
[本文引用: 2]

[ Zhou Lei, li Jingbao, Tang Xiangming , et al. Dynamics of water level of Lake Dongting during the past 60 years and the associated driving factors
Journal of Glaciology and Geocryology, 2017,39(3):660-671.]
[本文引用: 2]

相关话题/水文 水位 交换 统计 人类

Free考研考试FreeKaoYan.Com
欢迎来到Free考研考试，"为实现人生的Free而奋斗"

© 2020 FreeKaoYan! . All rights reserved.