王鸿翔，查胡飞，李 越，王乃贺，苗 森，郭文献

(华北水利水电大学，河南 郑州 450045)

洞庭湖是我国第二大淡水湖，是调节湘、资、沅、澧四水和分蓄长江洪水重要的天然湖泊，为长江流域重要的调蓄湖泊和水源地，对整个长江中游的防洪和水资源利用举足轻重[1]。同时，洞庭湖也是世界著名的湿地生态保护地区，为区域生态系统的维护和生物多样性提供重要作用。因此，对洞庭湖水文情势的研究十分有必要。关于水利工程生态水文效应评估，国内外学者进行了大量研究[2-9]。本研究结合国内外关于水利工程对于生态效应的影响评估的研究基础上，结合水文变异指标、水文统计方法和变化范围法定量评估洞庭湖3个代表性的水文站(城陵矶、南咀、杨柳潭站)水文情势的改变程度，并评估水文情势的变化对区域生态系统可能造成的影响，可为洞庭湖湖区水文情势影响评价以及湖泊水生生态安全保护提供技术支撑。

1 数据与方法

本次研究分别选取东洞庭湖的入江口城陵矶水文站、南洞庭湖的杨柳潭水文站、和西洞庭湖的南咀水文站作为整个洞庭湖流域的3个代表性水文站。研究选取的3个水文站各具代表性，能够基本反映出洞庭湖区域水文特征。基于3个站点1959年～2016年的日均水位观测资料，运用累计距平法[10-11]和滑动T检验法[12]和Mann-Kendall法(M-K法)[13]对日均水位数据进行趋势性和突变性分析；运用水文改变度法(range of variability approach，RVA)[14]，将城陵矶、南咀和杨柳潭站年均水位分为1959年～2002年和2003年～2016年两个序列分别作为三峡水库蓄水前后的序列，将32个IHA(水文指标法)分为5组，进行生态水文指标计算，上下限是以均值±δ(标准差)进行计算，从而分析三峡蓄水后洞庭湖3个代表性水文站整体水文情势改变程度，具体计算过程见文献[15-16]。

2 结果与讨论

2.1 洞庭湖年均水位变化特征

2.1.1年均水位趋势性检验

趋势性是反映样本序列随时间增加的倾向。即增加、减少或不变。为揭示洞庭湖水系年平均流量趋势变化，点绘1959年～2016年年平均水位年际变化过程曲线。由图1可知，研究期间，洞庭湖水系年平均水位除1965年、1972年、1983年、1992年、1998年、2006年、2011年特枯年或特大洪水年的波动幅度较大外城陵矶站和杨柳潭站呈增长趋势，南咀站呈缓慢降低趋势。

图1 洞庭湖年均水位变化及趋势

运用M-K检验方法检验3个站点年平均水位变化的趋势性见表1。

表1 洞庭湖年均水位变化趋势M-K检验

由表1可知，城陵矶站、杨柳潭站年平均水位总体呈微弱上升态势，其中杨柳潭站上升趋势未通过显著性检验，城陵矶站上升趋势通过了95%置信度检验，南咀站下降趋势通过了95%置信度检验。

2.1.2年均水位突变性检验

运用前述提及的Mann-Kendall检验、累计距平法和滑动T检验法，对洞庭湖城陵矶七里山站、南咀站、杨柳潭站3个控制站研究期间的年均水位列进行突变年份检验，通过以上3种检测方法综合判别洞庭湖3站点理论上的突变年份如表2所示。

2.2 洞庭湖生态水文指标变化

通过以上对洞庭湖水位突变点的研究，为了揭示三峡水库对洞庭湖水位造成的影响，我们将2003年以前洞庭湖日水位过程作为自然状态基准水位序列，2003年～2016年洞庭湖日水位过程作为水文变异后的水位改变序列(见图2)。在此基础上运用IHA和RVA法计算三峡水库运行对洞庭湖水系水位的改变程度。三峡水库运行对各水位指标参数改变程度的计算结果见表3。

图2 突变前后月中值水位变化

2.2.1月均水位变化

由图2和表3可知，洞庭湖流域3个水文站最明显的水文变异大多出现在10月、11月、1月、2月(非汛期)及6月、7月和8月(汛期)。可见，上游水库的削峰拦洪措施对汛期径流的消减作用影响很大，而水库在非汛期的农业灌溉和生活用水对增加月均水位因也有一定影响。

2.2.2年极端水位大小

洞庭湖游流域城陵矶站年最小1、3、7、30、90 d水位变异程度相同并都达到最大，而年最小90 d水位变异最低，其他次之(见表3)。

表2 洞庭湖3个水文站年均水位突变统计结果

表3 三峡水库运行前后IHA指标统计

注：H表示高度改变；M表示中度改变；L表示低度改变。

上游修建的三峡水库对年极小值水位的改变程度高(H)说明三峡水库运行使洞庭湖水系枯水期低水位过程的改变程度较大，有可能会对河流生态系统产生负面影响;对年极大值水位的改变程度相对较低，说明三峡水库运行对汛期高水位过程的改变程度小，因而高水位过程变化对河流生态系统的影响也可能较小。1、3、7、30 d和90 d年均极小值水位较水库运行前均有不同程度的减少。其中，1、3、7 d年均极小水位表现出均一化，因而导致年极小值水位出现时间较高程度的改变(H)，且各年平均极小值水位均落在RVA目标区间内的频率均比期望值低;三峡水库运行对7、30 d和90 d年均极大值流量和年极大值水位出现时间的水位改变度低(L)，丰水期三峡水库对大洪水的调蓄作用导致1、3 d年均最大值水位均有中等程度的改变(M)，除90 d年极大值水位外，1、3、7、30 d年极大值水位均落在RVA目标区间的频率都比期望值高。

2.2.3年极端水位发生时间

城陵矶站年最小水位出现日期从每年2月初推迟到次年1月初；南咀站年最小水位出现日期从每年1月末推迟到12月；杨柳潭站年最小水位出现日期从每年1月初推迟到2月初；三峡水库蓄水后，在非汛期(11月～4月份)，由于汛前泄水腾空防洪库容，使最小水位发生了时间上的变化；在汛期(5月～10月份)，三峡水库只是调节洪峰流量，基本上不改变洪峰的出现时间，故对最大水位发生时间改变较小。

2.2.4高低脉冲的频率及历时

由表3可以看出，3个站点的高低水位频率及历时总体上呈增加趋势。城陵矶站低脉冲次数由建坝前的2次增加为3次，南咀、杨柳潭站建坝后均比建坝前增加2次；低脉冲历时均有不同程度的减少，城陵矶站由建坝前的56 d减少为19 d，变化最为明显。南咀站的高脉冲次数略有减少，城陵矶站、杨柳潭站的高脉冲次数保持不变；城陵矶站的高脉冲历时由建坝前的38 d减少为35 d，杨柳潭站的高脉冲历时由建坝前的13 d减少为23 d，南咀站不变。综上所述，三峡水库的修建在一定程度上减少了低脉冲发生的次数和历时，可以防止干旱问题的发生。但是高脉冲次数及历时的减少虽然可以在防洪时有效的削减洪峰，却也会增大低流量；从而影响植物生存发展所需的适宜土壤湿度，同时也会对河道的纵横断面产生一定的影响。

2.2.5流量变化改变率及频率

从表3可以看出，上升率除杨柳潭站无变化外，城陵矶站和南咀站的上升率均减少，城陵矶站的变化最为显著，由0.14%减少至0.1175%；下降率南咀站和杨柳潭站没有发生变化，城陵矶站略有下降；3站的逆转次数均有变化，南咀站的逆转次数变化最为显著，由建坝前的59次增加至建坝后的73次。综上可知，南咀站的变化最为显著，表明三峡水库调节对南咀站的影响最为显著。

2.3 河流水文改变度评价

2.3.1蓄水前后水文指标变化度比较

为了探究三峡水库的修建对洞庭湖水系所造成的影响，计算城陵矶七里山、南咀、杨柳潭3个水文站在建坝前后32个水文指标绝对值的改变度，并绘制3等级的水文改变度(见图3)。

图3 洞庭湖水文改变度

如图3所示，在32个水文指标中，城陵矶七里山站的改变程度相对于南咀站和杨柳潭站较大。南咀站发生高度改变的指标为13个，杨柳潭站发生高度改变的指标为22个，水位的变化度在年均值1、3、7 d最大值最小值的水文指标变化剧烈程度远远高于位于长江干流的城陵矶和南咀。对造成这种现象我们进行了以下分析：①城陵矶站地处长江干流，受三峡工程的影响较为显著，但是该站又作为洞庭湖水系流入长江的唯一出口在旱期的影响反而比较小。②由于资水和南洞庭的湖泊调节作用，杨柳潭受上游三峡工程影响较小。③受到荆江三口水系和目平湖的湖泊调节作用，南咀受上游三峡工程的影响也较小。④三峡在蓄水期间由于蓄水而造成的下泄流量减少以及在枯水期间水库的补水增泄流量都会对3个站点有或大或小的影响。前者一般发生在10月份，特殊年份可能会延长至11月初；后者发生在12月～次年6月的枯水季节。

如图4所示，受三峡水库修建的影响，城陵矶七里山水文站的水位在改变度等级统计中发生高度改变的水文指标所占的比例最高，占43%。其中，南咀和杨柳潭站发生低度改变的水文指标所占比例最高，都为53%；城陵矶站发生中度改变所占的比例次之，站到44%；杨柳潭站发生高度改变所占的比例次之，占到22%；城陵矶、南咀、杨柳潭改变度最低的分别是中度改变、高度改变和高度改变，分别占13%、13%、22%。

图4 洞庭湖不同等级变化度所占比例

2.3.2整体水文改变度分析

城陵矶、南咀、杨柳潭水文站各组水文改变度综合改变度见表4。

表4 各水文站水位序列整体水文改变度

注：H表示高度改变；M表示中度改变；L表示低度改变

分别计算出城陵矶、南咀、杨柳潭3个水文站各组指标的整体水文改变度以及各水文站的整体水文改变度，计算结果如表4所示，由表中计算结果可知城陵矶站第1、2、4组均属于中度改变，第3组高度改变、第5组属于低度改变；南咀水文站除第3组属于低度改变，其他组水文指标改变度均属于中度改变；杨柳潭水文站5组改变度都属于中度改变。综合分析可知，城陵矶、南咀、杨柳潭的整体水文改变度分别为56%、45%、50%，处于中等改变程度。第3组的改变程度较明显，城陵矶受影响最大为68%，南咀受影响程度最低4%。就其造成原因初步推测，由于城陵矶靠近长江主干道，受上游三峡水库的调洪蓄水影响对年极值水位出现时间的干扰较大。城陵矶站的上升率、下降率、逆转次数呈低度改变。这说明三峡水库的调峰和调频作用对城陵矶站的水位逆转次数和上升率下降率的改变较小。但从整体改变改变度分析，受三峡水库开发及运行的城陵矶、南咀、杨柳潭均处于中等程度的改变，受影响程度基本相同。水位的频繁变化，增加冲刷，敏感物种丧失，破坏生物生命循环，涨水次数的降低影响某些生物的繁殖，尤其是多种水电工程在蓄水、泄水时期对年极值时间出现的改变尤为明显。水流的时刻、历时、变动率水位的变化频率与河流生态环境的变化生物周期息息相关，频繁到水位逆转会对河流低流速生物和河岸植被产生较大的影响，可能会影响生物的生长过程。

3 结 语

(1)洞庭湖流域城陵矶和杨柳潭站年均水位均呈增长趋势，南咀站呈降低趋势；3个水文站年均水位变化的突变年份为2003年，表明三峡水库蓄水对洞庭湖流域水位改变影响显著。

(2)根据对三峡水库蓄水后生态水文指标变化情况分析，洞庭湖流域7月、10月、11月、12月份水位减少，在1月、2月、3月份水位增加。其中，3月份增加水位最多，7月份水位减少最多；年极小水位和年极大水位大部分表现为减少趋势，其中城陵矶年极小水位呈上升趋势；年极小水位发生时间推迟，基本上提前1月～2月，年极大水位发生时间变化不大；高脉冲水位发生的频率和持续时间发生的变化不大，低脉冲水位次数均增多，持续时间大幅缩短；水位上升率和下降率变化不大，逆转次数均有大幅增长趋势。

(3)通过计算得出，城陵矶、南咀和杨柳潭水文站的整体水文改变度均为中度改变，分别为56%、45%和50%。从中不难发现，三峡蓄水对城陵矶站的水文情势影响最为明显；对南咀站的水文情势影响最弱。

(4)就目前我国能源发展形势来看，长江流域已建成各类水库4.7万座。其中，大型水库166座，随着三峡水库的正常蓄水以及长江上游一批大型水库将要建成，洞庭湖流域生态水文情势将进一步发生改变，也将进一步影响着湿地生态系统的结构和功能。为了维护长江生态系统健康可持续利用，应进一步协调解决长江干支流水库群联合生态调度问题以及开展其他生态补偿措施相关研究。