近30年洞庭湖季节性水情变化及其对江湖水量交换变化的响应*

何 征，万荣荣，戴 雪，杨桂山

(1：中国科学院南京地理与湖泊研究所流域地理学重点实验室，南京 210008;2：中国科学院大学，北京 100049)

近30年洞庭湖季节性水情变化及其对江湖水量交换变化的响应*

何 征1，2，万荣荣1**，戴 雪1，2，杨桂山1

(1：中国科学院南京地理与湖泊研究所流域地理学重点实验室，南京 210008;2：中国科学院大学，北京 100049)

江湖水量交换的变化影响着通江湖泊洞庭湖的水情，进而影响湖区社会经济及生态的可持续发展.以洞庭湖城陵矶站、南咀站以及长江干流宜昌站、螺山站1981-2012年逐日水位、流量观测数据为基础，采用单位根检验、方差分析和水位-流量绳套曲线等方法对洞庭湖季节性水情变化特征进行提取，并探究江湖水量交换变化对其产生的影响.研究表明： 近30年来洞庭湖水情呈阶段性特征，与相对稳定的1981-2002年相比， 2003-2012年湖泊水位总体呈下降趋势，年均水位下降0.43 m； 枯、涨、丰、退水期各季水情变化特征为：2003年以后洞庭湖丰水期水位平均下降0.60 m，呈现出“高水不高”现象；退水期水位平均下降1.49 m，退水加快；枯水期水位略有上升，平均上升0.18 m；涨水期水位变化不明显.湖泊退水期水位降幅最为明显，尤其是10月大幅下降，平均下降2.03 m，有提前进入枯水期的趋势.水情变化与江湖水量交换变化密切相关：丰水期，三口(松滋、太平和藕池)分流量减小在一定程度上降低湖泊水位；退水期，三口分流量减小叠加城陵矶出口长江水位下降对洞庭湖产生拉空作用，湖泊出流加快水位被拉低；枯水期，主要是1-3月，城陵矶出口长江水位上升对湖泊顶托作用增强，湖泊出流减缓水位略有抬升.

湖泊季节性水情；江湖水量交换；水位-流量绳套曲线；洞庭湖

图1 洞庭湖区及水文站点位置Fig.1 Lake Dongting area and locations of the hydrological stations

洞庭湖(28°44′～29°35′N， 111°53′～113°05′E)是中国第二大淡水湖，位于湖南省东北部，长江中游荆江段南岸. 洞庭湖南有湘、资、沅、澧四水入湖，北有长江水自松滋、太平、藕池三口入湖，来水经湖泊调蓄由城陵矶注入长江，形成复杂的江湖水系格局(图1).江湖关系在自然和人类活动的双重作用下不断调整[1-5]，尤其近百年来的一系列水利水电工程对其产生了不可逆转的影响[6-8].卢金友等指出荆江裁弯期间，荆江三口分流分沙比大幅下降[9-10]；而三峡工程建库蓄水，使得清水下泄，荆江河段遭受严重冲刷，长江水位降低，湖泊出流加快[11-15].江湖关系变化对长江中下游及洞庭湖产生了不同程度的影响[16-18]. 因此，有学者试图从江湖关系变化的角度探讨其对湖泊水情的影响规律[19-21].

湖泊水情具有重要的季节循环[22-23]，洞庭湖遵循着枯(12、1、2、3月)-涨(4、5月)-丰(6、7、8、9月)-退(10、11月)的水位季节波动. 现有工作对洞庭湖水情的研究多从年尺度进行[7-8，24-26]，对季节尺度的研究尚有不足，且从江湖关系的视角揭示湖泊水情变化的研究还有待深入开展.基于此，本文将着重分析洞庭湖水位季节波动变化特征，并尝试揭示江湖水量交换变化对其产生的影响.这对科学认识洞庭湖水情以及恢复湖泊自然水情变化具有重要的现实意义.

1 数据与方法

本文数据来源于长江水利委员会和湖南省水文局，选用了洞庭湖城陵矶站、南咀站1981-2012年的水位、流量日观测数据，长江干流螺山站1981-2012年的水位、流量日观测数据和宜昌站1981-2012年的月平均流量数据(水位均采用黄海高程).洞庭湖分为东洞庭湖、南洞庭湖、西洞庭湖，其中东洞庭湖为主体.城陵矶站位于洞庭湖湖口处，是洞庭湖代表性水文站，不仅反映东洞庭湖水情，还反映洞庭湖出流变化；南咀站位于西洞庭湖，接纳长江松滋口、太平口分流和流域上游澧水来水，在一定程度上反映三口分流对洞庭湖水情的影响[20，24]. 螺山站位于城陵矶下游，可反映长江城陵矶-螺山河段水位变化.宜昌站位于三峡大坝下游，可反映三口上游长江流量变化.

为探究洞庭湖近30年的水情变化规律，首先以2003年为时间节点划分两个时段，对城陵矶站进行时间序列分析，检验各阶段水位序列的平稳性.然后，采用方差分析得到不同阶段水情差异最为显著的季节和月份；对城陵矶站月尺度水位数据进行滑动平均，探索总结湖泊各季节水位波动变化特征.最后，通过城陵矶站、南咀站和螺山站不同阶段水位-流量绳套曲线对比，以及同期宜昌站流量的变化情况，从江湖水量交换变化的角度揭示洞庭湖季节性水情发生变化的原因.

2 洞庭湖季节性水情变化特征

2.1 洞庭湖近30年水情的阶段性

洞庭湖水情不仅受气候变化的影响，还受到水利工程建设等人类活动的影响[27-28]. 自1980s以来， 以2003年三峡水库蓄水为节点，湖泊水情可划分为1981-2002年和2003-2012年2个阶段.对这2个时段城陵矶站水位数据进行时间序列分析，结果表明，1981-2002年湖泊水位呈弱上升趋势，时间序列相对平稳，除了5月之外，年、季、月水位序列均通过单位根检验(P<0.05)；而2003-2012年水位呈显著下降趋势.1981-2002年和2003-2012年平均水位分别为23.31和22.88 m.

2.2 不同阶段湖泊水情特征

以方差分析验证城陵矶站1981-2002年和2003-2012年多年日平均水位在各月份差异的显著性，结果表明大部分月份水位差异都很显著(表1)，只有5、6月表现不明显.表明2003年前后除了涨水期后期和丰水期前期，洞庭湖其他季节水位均差异显著.

表1 城陵矶站1981-2002年和2003-2012年各月水位方差分析

***、**、*分别表示显著性水平为P<0.001、P<0.01、P<0.05.

2003-2012年与1981-2002年相比，城陵矶站7月和10月水位变化幅度最大.7月水位从1980s中后期至1990s后期呈上升趋势，2000年后水位呈明显下降趋势(图2a)，水位平均下降1.05 m.10月水位2000年前保持平稳，2000年后出现下降趋势(图2b)，水位平均下降2.03 m.

从季节尺度来看，城陵矶站枯水期12月水位下降0.41 m，而1-3月水位均升高，分别升高0.36、0.32、0.47 m；因此，其枯水期水位总体呈现微弱的上升趋势，平均上升0.18 m. 涨水期4月水位下降0.60 m，但涨水期水位总体变化不明显(P>0.1).丰水期除了7月水位大幅下降，其8、9月水位也均下降，分别下降0.59、0.83 m；因此，丰水期水位总体呈现显著下降趋势，平均下降0.60 m，因而呈现“高水不高”水情.退水期除了10月，其11月水位也显著下降，下降0.93 m；因此，退水期水位总体亦呈显著的下降趋势，平均下降1.49 m，表现为退水加快.

综上所述，洞庭湖水情的变化特征为：2003年后，丰水期水位大幅下降，呈现“高水不高”水情；退水期水位亦大幅下降，尤其是10月，退水加快；枯水期，水位略有上升；涨水期水位变化不明显.因此，洞庭湖退水期水位变化最大，出现了枯水期提前的趋势.

图2 城陵矶站7月(a)、10月(b)水位变化及趋势Fig.2 Variations of annual mean water level of Chenglingji Station in July(a) and October(b)

3 洞庭湖季节性水情变化与江湖水量交换

荆江三口分泄长江水补给洞庭湖，经湖泊调蓄后，由城陵矶出流补给长江，由此构成江湖水量交换关系. 城陵矶站、南咀站多年平均的日水位、流量绘制而成的水位-流量绳套曲线可以表征湖泊蓄泄过程.对比城陵矶站、南咀站1981-2002年和2003-2012年的水位-流量绳套能够得到2个阶段湖泊年内蓄泄过程变化，辅以螺山站同步水位-流量绳套曲线进而反映江湖水量交换变化.城陵矶站位于洞庭湖下游湖口处，水位-流量绳套曲线呈逆时针，而南咀站位于洞庭湖上游，湖泊蓄泄过程对它的作用与城陵矶站相反，使得南咀站水位-流量绳套曲线呈顺时针.螺山站位于长江干流，因存在河底比降水位-流量绳套曲线趋近单一曲线.

3.1 城陵矶站水位-流量绳套曲线

城陵矶站2003-2012年水位-流量绳套曲线与1981-2002年相比各个季节均有不同程度的差异(图3)：①枯水期，1-3月同水位流量下降，说明出流减缓.②涨水期， 4月同水位流量减少，但涨水期整体蓄泄关系变化并不明显.③丰水期，7-9月水位-流量曲线发生显著位移，并且水位显著下降的同时伴随流量的大幅减少.以7月为例，相对稳定阶段7月的最高水位和最大流量分别为29.15 m和18770.9 m3/s，而2003-2012年7月的最高水位和最大流量为28.40 m和15069 m3/s，分别减少了0.75 m和3701.9 m3/s.水位、流量的同步大幅下降说明湖泊入流量减少，而与此同时，洞庭湖上游南咀站7-9月流量分别减少了549.48、278.03、456.17 m3/s.④退水期，水位-流量曲线不仅发生了明显的位移，且在形态上也表现出巨大的差异.10月下旬的水位、流量都大幅减少，其最低水位由23.53 m下降到21.51 m，最小流量由6090 m3/s下降到3300 m3/s；11月上旬出现水位稳定波动而流量迅速增大的“大转折”，水位维持在21.50 m附近，而流量则由3212 m3/s增加到4673 m3/s，随后水位和流量才同步稳定下降.

3.2 南咀站水位-流量绳套曲线

南咀站2003-2012年水位-流量绳套曲线与1981-2002年相比各个季节均有不同程度的差异(图3)：①枯水期和涨水期，12-5月同水位流量均增大，但是这种变化并不明显.②丰水期，6月水位、流量变幅减小，2个阶段最小水位和流量相差不大，均在28.50 m和2100 m3/s附近；而最高水位由30.46 m下降到29.68 m， 最大流量由5017.3 m3/s下降到4166 m3/s.7-9月，水位-流量曲线有明显位移，水位、流量同时大幅减小，最高水位分别减小0.6、0.5、0.8 m；8、9月最大流量分别减少151.5、345.8 m3/s.同一时期，长江干流宜昌站7-9月流量分别减少4149.5、2733.4、2967.7 m3/s.由此可见，丰水期长江流量减少在一定程度上造成了三口分流量减小，使得湖泊水位降低.③退水期，10月水位、流量都大幅降低，其最高水位(27.64 m)还未达到相对稳定阶段的最低水位(27.76 m)，最小流量由1981-2002年的1617.9 m3/s下降到984.7 m3/s；11月同水位流量增大. 2003-2012和1981-2002年宜昌站流量分别下降5008.9和726.2 m3/s.由此可见，退水期长江流量减少同样造成三口分流量减小，降低了湖泊水位.

3.3 螺山站水位-流量绳套曲线

螺山站2003-2012年水位-流量绳套曲线与1981-2002年相比各个季节均有不同程度的差异(图3)：①枯水期，1月水位、流量均大幅上升，其最低水位(17.64 m)和最小流量(8016 m3/s)超过了1981-2002年同期最高水位(17.58 m)和最大流量(7814.5 m3/s).2、3月的最低水位分别上升0.23、0.36 m，最小流量分别增加578.8、828.5 m3/s；此时，城陵矶站水位与螺山站水位差出现了减小，主要集中在2月下旬和3月中旬，分别由1.25 m和1.20 m减小到1.24 m和1.18 m，落差减小了0.017 m和0.02 m.以上分析表明城陵矶出口长江水位上升对洞庭湖顶托作用增强从而造成湖泊出流减缓.②涨水期，4-5月水位-流量曲线无明显变化.③丰水期，6-9月水位、流量出现大幅下降，最高水位由28.19 m下降到27.36 m，最大流量由43400 m3/s减少到37740 m3/s.④退水期，10月水位、流量大幅下降，其最低水位由23.53 m下降到21.51 m，最小流量由6090 m3/s下降到3300 m3/s.11月上旬出现了与城陵矶站类似的水位稳定波动而流量迅速增大的“大转折”，水位维持在20.34 m附近，而流量则由13230 m3/s增加到14990 m3/s，随后水位和流量才同步稳定下降.11月城陵矶站与螺山站水位差明显增大，由1.07 m增加到1.16 m，落差增加了0.09 m.由此推断，退水期城陵矶出口长江水位下降对洞庭湖产生拉空作用导致湖泊出流加快.

图3 城陵矶站、南咀站和螺山站1981-2002年、2003-2012年水位-流量绳套曲线对比Fig.3 Comparison of water level-discharge curves during 1981-2002，2003-2012 at Chenglingji Station, Nanzui Station and Luoshan Station

综上所述，江湖水量交换变化对洞庭湖水情变化具有极其重要的影响.2003年后，洞庭湖在丰水期呈现出“高水不高”水情，江湖水量交换中三口分流量下降、湖泊入流减少是其重要原因.在退水期呈现的迅速退水现象，是三口分流量减少和城陵矶出口长江水位下降对湖泊产生拉空导致的湖泊出流加快共同作用的结果.在枯水期水位总体上呈现出微弱上升的趋势，可能是城陵矶出口长江水位上升对湖泊产生顶托导致的洞庭湖出流减缓的结果.涨水期，江湖水量交换变化对湖泊水情的影响较小.

4 结论

1980s以来，洞庭湖水情演变呈现阶段性特征，以三峡水库蓄水为节点分为1981-2002年和2003-2012年2个阶段，其中1981-2002年相对稳定，2003年以来洞庭湖水位总体呈下降趋势，具体表现为：

1) 洞庭湖水情：丰水期水位大幅下降，平均下降0.60 m，呈现“高水不高”水情；退水期水位亦大幅下降， 平均下降1.49 m，退水加快；枯水期，水位略有上升，上升0.18 m；涨水期水位变化不明显.洞庭湖退水期水位降低最为显著，尤其是10月，下降2.03 m，枯水期有提前趋势.

2) 江湖水量交换：枯水期，湖泊出流减缓，可能是城陵矶出口长江水位上升对洞庭湖产生顶托作用；涨水期，江湖水量交换无明显变化；丰水期，三口分流量减小；退水期，三口分流量减小且湖泊出流加快，可能是城陵矶出口长江水位下降对湖泊产生了拉空作用导致的.

3) 水情对江湖水量交换变化的响应：枯水期，主要在1-3月，城陵矶出口长江水位上升对洞庭湖水位产生顶托，使得湖泊水位抬升；涨水期，湖泊水位变化不大；丰水期，三口分流量减少在一定程度上造成湖泊水位降低，湖泊偏干；退水期，三口分流量减小叠加城陵矶出口长江水位下降对洞庭湖产生拉空作用，湖泊水位被拉低.

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Characteristics of the changing seasonal water regime in Lake Dongting and their response to the change of river-lake water exchange in recent 30 years

HE Zheng1，2， WAN Rongrong1， DAI Xue1，2& YANG Guishan1

(1：KeyLaboratoryofWatershedGeographicSciences，NanjingInstituteofGeographyandLimnology，ChineseAcademyofSciences，Nanjing210008，P.R.China2：UniversityofChineseAcademyofSciences，Beijing100049，P.R.China)

The adjustment of river-lake water exchange will cause water regime of lake to change and threat the sustainable development of social economy and ecology. In this paper， based on daily observation data of water level and water discharge from 1981 to 2012 at Chenglingji Station， Nanzui Station in Lake Dongting， Yichang Station and Luoshan Station in the main reaches of the Yangtze River， the characteristics of the changing water regime in Lake Dongting and their response to the changes of river-lake water exchange were analyzed by means of unit root test， analysis of variance and the comparison of stage-discharge curve. The results suggestted that the water regime in Lake Dongting showed periodic characteristics during 1981 to 2012. The period of 1981-2002 was viewed as relatively stable phase. Mean water level decreased 0.43 m in 2003-2012. In the flood season， water level of Lake Dongting decreased 0.60 m. In the retreating season， water level fell 1.49 m. In the dry season， water level rose 0.18 m. The change of water level was not significant in the rising season. The dry season may be early in consideration of 2.03 m drop in October. The changes of hydrological regime were related to changes of river-lake water exchange： In the flood season， flow diversion at the three outlets reduced and the lake level dropped. In the retreating season， reduced flow diversion at the three outlets coupled with stepping up outflow intensified lake water withdrawal. In the dry season from January to March， outflow slowed down and the lake level rose.

Seasonal water regime of lake； river-lake water exchange； stage-discharge curve； Lake Dongting

DOI 10.18307/2015.0601

©2015 byJournalofLakeSciences

国家重点基础研究发展计划“973”项目(2012CB417006)资助.

； E-mail： rrwan@niglas.ac.cn.

J.LakeSci.(湖泊科学)， 2015， 27(6)： 991-996

2014-10-17收稿；2015-05-25收修改稿.

何征(1989～)，女，硕士研究生；E-mail：hezhengzheng2010@126.com.