洞庭湖三口洪峰流量和水位变异特性分析*
孙思瑞1，谢 平1,2*，赵江艳1，桑燕芳3，宁迈进4，周 慧4
【摘 要】近几十年来，受荆江裁弯、葛洲坝工程运用、三峡水库拦蓄调度、洞庭湖治理以及长江上游水土保持措施等因素的综合影响，洞庭湖三口(松滋口、太平口和藕池口)的水文情势发生了显著变化，给湖区防洪、水资源、水生态、水环境等造成一系列影响.为了深入认识三口洪水发生的复杂变化，本文采用水文变异诊断系统和Zivot-Andrews结构突变单位根检验方法，对三口各水文站点的年最大洪峰流量和年最高洪峰水位序列进行变异诊断，并对其变异特性和变异原因进行分析.结果表明，各站点洪峰流量序列的变异具有较好的一致性；受分流能力变化和上游来流变化的影响，三口各站点的洪峰流量多呈现方向向下的趋势变异；受到洪道冲刷、流量减小、顶托减弱、洪道上下游落差增大的影响，三口各站点洪峰水位在2004年均发生方向向下的跳跃变异. 【期刊名称】湖泊科学 【年(卷),期】2018(030)003 【总页数】13
【关键词】水文变异；检测与归因；洪峰流量；洞庭湖；长江
洞庭湖三口，即松滋口、太平口和藕池口，位于长江中游河段的荆江南岸，是连接荆江与洞庭湖的纽带，每年分泄长江洪水入洞庭湖，为减轻荆江河段的洪水压力做出了重要贡献[1].近几十年来，受荆江裁弯、葛洲坝工程运用、三峡水库拦蓄调度、洞庭湖治理以及长江上游水土保持措施等的综合影响，洞庭湖三口的水文情势发生了很大变化[2-4].三口出现分流入湖的水量和沙量减少、断流时间增长等现象[5-6]，湖区和三口的防洪、水资源、水生态和水环境等受到很
大影响[7].因此，识别洞庭湖三口洪水变异特性并进行归因分析，不仅对三口防洪减灾应对策略制定和水资源利用有指导作用，对洞庭湖三口综合整治方案和长江中下游防洪减灾规划制定也具有重要的参考价值.
围绕洞庭湖三口洪水变化和归因分析问题已有许多研究.郑文燕[8]研究了分流分沙变化对荆江典型洪水位的影响.陈俭煌等[9]讨论了三峡水库蓄水后，三口洪道洪水位变化趋势及影响因素.甘明辉等[10]通过构建长江中下游水沙模型，模拟了长江与洞庭湖区间的洪水过程，量化了洞庭湖三口水系洪水对各因素变化的响应.徐慧娟等[11]通过对比分析下荆江裁湾、葛洲坝水利枢纽和三峡水利枢纽等重大水利工程运行前后洞庭湖水系分流分沙的变化，阐述了人类活动对洞庭湖水系洪水特性的显著影响.基于目前研究可以看出，洞庭湖三口水文情势已发生了明显变异.水文变异是指水文序列的分布形式(和)分布参数在某个时间范围内发生了显著变化[12].上述研究大多基于不同时段的水文特性对比分析和构建模型对三口洪水的变化特性进行讨论，但缺乏对三口洪水变化的整体变异分析和判断，也没有对变异程度、变异特点及产生原因等进行深入探讨.
为了解决上述问题，需要对洞庭湖三口洪水变异规律进行综合检测，并对各种影响因素进行系统分析.考虑到洪水具有破坏性特点，本文选取洪峰流量和水位作为洪水的代表性指标，采用水文变异诊断系统[12]并结合Zivot-Andrews结构突变单位根检验方法(ZA检验)[13-14]，对洞庭湖三口的洪峰流量和洪峰水位序列进行变异诊断，并根据诊断结果进行变异归因分析.
1 数据资料与研究方法
1.1 数据资料
三口洪道由三口(松滋口、太平口、藕池口)分流入洞庭湖的松滋河、虎渡河和
藕池河组成，其中新江口站、沙道观站分别为松滋河进口西支和东支控制站，弥陀寺站为虎渡河进口控制站，康家岗站和管家铺站分别控制藕池河的西支和东支，被称为三口五站(图1).
使用的数据资料包括：(1)湖南省水文水资源勘测局提供的三口五站和城陵矶站1956-2014年的洪水统计资料及同时期三口分流分沙比统计资料；(2)长江水利委员会提供的枝城站1956-2014年洪水统计资料和三峡水库2003-2014年入出库流量日值表；(3)国家气象数据共享网获取的中国地面气候资料日值数据集(V3.0)中1956-2014年三口附近及长江上游气象站点逐日降雨资料.上述资料均经过各单位整编，质量可靠，可保证分析结果的准确性. 1.2 研究方法
针对洞庭湖三口洪水变异问题，本文采用水文变异诊断系统对逐年最大洪峰流量和年最高洪峰水位序列进行变异识别，变异形式划分为跳跃和趋势.对可能存在局部趋势的序列，借助ZA检验进行判断，并求算局部趋势节点.针对变异诊断结果，采用系统分析法对各因素进行逐一讨论，以确定变异原因.
1.2.1 分解合成原理 水文序列一般由两种或两种以上成分合成，假定各成分满足线性叠加特性[15](即加法模型)，可表示为： Xt=Yt+Pt+St (1)
式中，Yt为确定性的非周期成分(包括趋势Ct、跳跃Bt等暂态成分以及近似周期成分等)；Pt为确定性的周期成分；St为随机成分(包括平稳的或非平稳随机成分).限于有限长度的观测资料，本文不考虑周期成分.
1.2.2 水文变异诊断系统 由于水文序列(特别是洪水序列)变异形式比较复杂，可
洞庭湖三口洪峰流量和水位变异特性分析
