基于水位流量关系变化特性的洞庭湖区范围研究

(湖南省水利水电勘测设计研究总院，湖南 长沙 410007)

1 研究背景

洞庭湖位于湖南省北部、长江干流中游河段的南岸。由于长江和洞庭湖水位流量关系的变化，洞庭湖经历了由小变大、又由大变小的演变过程，现状洞庭湖河湖水系复杂，北纳松滋、太平、藕池和调弦四口，南接湘水、资水、沅水和澧水，以及环湖直接入湖支流，洞庭湖湖泊由东洞庭湖、南洞庭湖和西洞庭湖(含目平湖和七里湖)组成，湖泊总面积2 625 km2。

为满足洞庭湖的水利工程建设、综合治理以及保护和开发的需要，在历次和洞庭湖相关的规划设计中扬子江水利委员会、湖南省水利水电勘测设计院、湖南省洞庭湖水利工程局、长江水利委员会等单位均提出并定义了洞庭湖区的概念[1-6]。各单位确定洞庭湖区范围北线的边界为长江干流河段的南岸，而湘资沅澧四水和直接入湖支流边界确定的依据和原则包括：①纯洞庭湖区[1]；②水系、交通干线、地形地貌、高程[2-3]；③水系、水文控制站、高程[4]；④行政区划[5]等。由于湘资沅澧四水和直接入湖支流边界确定的依据和原则及关注点各不相同，得出的洞庭湖区的范围和区域面积有较大差异，以致划定的洞庭湖区面积从5 570 km2到 60 500 km2各不相等。

洞庭湖和洞庭湖区具有各自的定义和范围，但二者之间关系密切。洞庭湖通常指东洞庭湖、南洞庭湖和目平湖、七里湖等水域，而洞庭湖区则是与洞庭湖具有内在联系(如水文特性、地形地貌特征)的区域。深入研究和科学、合理确定洞庭湖区的范围，对于研究洞庭湖区洪涝旱灾害、水生态环境恶化产生的机理机制，编制洞庭湖区防灾减灾、水生态水环境保护、水资源综合利用和防洪排涝工程总体布局规划具有十分重要的意义。该研究基于湘资沅澧四水尾闾水位流量关系变化特性，以洞庭湖高洪水位对四水尾闾洪水位不带来顶托影响为判别条件，确定四水尾闾地区洞庭湖的边界点为：湘水株洲航电枢纽、资水桃江水文站、沅水桃源水文站和澧水石门水文站。洞庭湖区范围为上述边界点和地面高程50 m控制的区域。行政区划涉及湖南省的岳阳、益阳、常德、长沙、株洲、湘潭6市的37个县(市、区)和湖北省荆州市的4个县(市、区)，区域总面积23 140.75 km2，其中湖南省境内19 217.29 km2、湖北省境内 3 923.46 km2。

2 洞庭湖区范围研究成果及分析

表1 洞庭湖区范围研究成果

2.1 洞庭湖区范围研究成果

(1)1938年扬子江水利委员会编制的《划定洞庭湖湖界报告》[1]确定的洞庭湖区范围为纯洞庭湖区，即相当于现在所说的2 625 km2相对应的洞庭湖范围，本次研究根据《划定洞庭湖湖界报告》附图量算，区域面积为5 570 km2。

(2)1984年湖南省水利水电勘测设计院和湖南省洞庭湖水利工程局编制的《湖南省洞庭湖区近期防洪蓄洪工程初步设计书》[2]和1985年湖南省水利水电勘测设计院编制的《长江流域综合利用修订补充规划报告(洞庭湖区综合利用规划)》[3](以下简称“《补充规划》”)确定洞庭湖区范围的依据为：长江荆江河段、京广和枝柳铁路、长常桃公路、太阳山-凤凰山-嘉山和地面高程25～50 m等河流水系、交通干线、地形地貌特点。由此确定的洞庭湖区总面积18 780 km2，其中湖南152 00 km2，湖北3 580 km2。行政区划涉及湖南省6市36县(市、区)，湖北省范围内资料不详。

(3)长江水利委员会1997年编制的《洞庭湖区综合治理近期规划报告》[4]和2015年编制的《洞庭湖区综合规划报告》[5]确定洞庭湖区范围的依据为：长江荆江河段、湘资沅澧四水尾闾控制站、50 m等高线等河流水系、水文站和地形地貌特点。1997年《洞庭湖区综合治理近期规划报告》中洞庭湖区面积仍采用《补充规划》成果，即洞庭湖区总面积为18 780 km2，其中湖南15 200 km2,湖北3 580 km2；2015年《洞庭湖区综合规划报告》确定的洞庭湖区范围没有调整，但重新核实了洞庭湖区面积，洞庭湖区总面积20 109 km2，其中湖南省16 157 km2，湖北省3 952 km2。行政区划涉及湖南省6市36县(市、区)、湖北省1市4县(市、区)。

(4)2013年湖南省、湖北省人民政府编制的《洞庭湖生态经济区规划》[6]从行政区划的角度确定洞庭湖区的范围为湖南省岳阳市、常德市、益阳市全境及长沙市望城区和湖北省荆州市全境，区域总面积6.05万km2，其中湖南省境内4.64万km2,湖北省境内1.41万km2。行政区划涉及湖南省4市25县(市、区)、湖北省1市8县(市、区)。

洞庭湖区范围研究成果详见表1。

2.2 范围成果分析

2.2.1 《补充规划》

(1)定义洞庭湖区位于长江荆江河段以南，而荆江河段只到洞庭湖出口城陵矶，按照狭义的理解，岳阳市云溪区、临湘市不在洞庭湖区范围内，但从防洪工程的完整性和闭合性考虑，洞庭湖出口以下的长江干堤自岳阳市城区(东风湖、吉家湖)、永济垸、江南陆城垸至黄盖湖为连续的防洪工程，洞庭湖区范围可以延续至江南陆城垸的铁山嘴(黄盖湖出口)。

(2)以京广和枝柳铁路、长常桃公路等交通干线确定洞庭湖区范围，株洲市、湘潭市、长沙市雨花区都不在洞庭湖区范围内。而且，益阳市桃江县、常德市石门县也不在洞庭湖区范围内。

2.2.2 《洞庭湖区综合治理近期规划》和《洞庭湖区综合规划》

(1)定义洞庭湖区位于长江荆江河段以南，而荆江河段只到洞庭湖出口城陵矶，按照狭义的理解，岳阳市云溪区、临湘市不在洞庭湖区范围内，但从防洪工程的完整性和闭合性考虑，洞庭湖出口以下的长江干堤自岳阳市城区(东风湖、吉家湖)、永济垸、江南陆城垸至黄盖湖为连续的防洪工程，洞庭湖区范围可以延续至江南陆城垸的铁山嘴(黄盖湖出口)。

(2)和前述的其他成果相比，增加了“四水尾闾控制站以下”这个条件，湘水尾闾控制站为湘潭水文站。若以湘潭水文站为界确定洞庭湖区范围，则株洲市全部、湘潭市的湘潭县都不在洞庭湖区范围内。

(3)1997年《洞庭湖区综合治理近期规划》与1985年《补充规划》相比，两者定义的洞庭湖区范围有较大的区别，但洞庭湖区范围面积相同(2015年《洞庭湖区综合规划》中对该面积重新进行了量算，成果见表1)。

(4)和前述的其他成果相比，增加了“50 m高程以下区域”这个条件，使洞庭湖区区域范围更加明确，量化程度更高。

2.2.3 《洞庭湖生态经济区规划》

2013年《洞庭湖生态经济区规划》中洞庭湖区的范围结合“长株潭两型社会建设试验区”、“大湘西武陵山经济协作区”和“湘南地区国家级承接产业转移示范区”等区域性规划的范围确定，包括湖南省岳阳市、常德市、益阳市全境及长沙市望城区和湖北省荆州市全境，规划范围是从行政区划角度出发，而不是从洞庭湖及洞庭湖区的自然属性考虑。

3 四水入湖河段水位流量关系变化特性

为尽可能反映天然洪水下的四水入湖河段水位流量关系，消除航电梯级运行造成的水位顶托对水位流量关系的干扰，本文在考虑实测资料时间一致性的同时，选取四水主要控制站在1998年洞庭湖洪水后至控制站不受到下游水利工程运行影响时段的水位流量资料，研究四水入湖河段水位流量关系变化特性。

3.1 湘水入湖河段水文特性

3.1.1 控制站水位流量曲线

图1 湘水尾闾水位流量关系

湘水永州以上为上游、永州至衡阳为中游、衡阳以下为下游，濠河口为湘水河口，湘水至此即进入洞庭湖。湘水下游有衡山、株洲和湘潭等水文站。为了消除株洲航电枢纽和长沙综合枢纽的影响，点绘衡山1998～2004年(下游株洲航电2005年蓄水)、株洲1998～2010年(下游湘江长沙枢纽2010年蓄水)、湘潭1998～2010年(下游湘江长沙枢纽2010年蓄水)水位流量关系曲线，成果见图1。从衡山、株洲、湘潭水文站水位流量相关分析可以看出：① 从上至下各水文站水位流量相关性降低，衡山站相关系数为 0.994 1，株洲站相关系数为 0.888 6，湘潭站相关系数为 0.749 0；② 衡山站水位流量关系近似为单一线，水位流量关系的变化已基本不受下游水位的顶托影响。

3.1.2 洞庭湖区对湘水顶托影响程度判别

根据前述分析研究，洞庭湖区洪水对湘水的顶托影响范围在湘潭、株洲以上，到衡山顶托影响基本消除。从受洞庭湖区顶托影响确定洞庭湖区范围的角度，洞庭湖区在湘水的范围可以确定在衡山水文站，但考虑到衡山水文站下游已建有株洲航电枢纽，航电枢纽的运行部分改变了河道的水文特性，所以确定株洲航电枢纽为洞庭湖区在湘水的范围。

3.2 资水入湖河段水文特性

3.2.1 控制站水位流量曲线

资水小庙头以上为上游、小庙头至桃江马迹塘为中游、马迹塘以下为下游，甘港口为资水河口，资水至此即进入洞庭湖。资水下游有桃江、益阳等水文站。考虑到桃江水文站的站址移动和益阳水文站的资料系列情况，点绘桃江1998～2004年(2005年站址移动)、益阳1998～2010年(2010年后不再观测流量)水位流量关系曲线，成果见图2。从资水桃江、益阳水文站水位流量相关分析可以看出：① 从上至下各水文站水位流量相关性降低，桃江站相关系数为 0.984 5，益阳站相关系数为 0.604 1；② 桃江站水位流量关系近似为单一线，水位流量关系的变化已基本不受下游水位的顶托影响。

图2 资水尾闾水位流量关系

图3 沅水尾闾水位流量关系

3.2.2 洞庭湖区对资水顶托影响程度判别

根据前述分析研究，洞庭湖区洪水对资水的顶托影响范围在桃江站已基本消除。从是否受洞庭湖区水位顶托影响来确定洞庭湖区范围的角度考虑，洞庭湖区在资水的范围即在桃江水文站。

3.3 沅水入湖河段水文特性

3.3.1 控制站水位流量曲线

沅水黔城以上为上游、黔城至沅陵为中游、沅陵以下为下游，常德德山为沅水河口，沅水至此即进入洞庭湖。沅水下游有桃源、常德等水文站。根据两站资料情况，点绘桃源1998～2012年、常德2000～2012年(该站2000后开始观测流量)水位流量关系曲线，成果见图3。从沅水桃源、常德水文站水位流量相关分析可以看出：① 从上至下各水文站水位流量相关性降低，桃源站相关系数为 0.970 1，常德站相关系数为 0.932 7；② 桃源站水位流量关系近似为单一线，水位流量关系的变化已基本不受下游水位的顶托影响。

3.3.2 洞庭湖区对沅水顶托影响程度判别

根据上述分析研究，洞庭湖区洪水对沅水的顶托影响范围在桃源站已基本消除。从是否受洞庭湖区水位顶托影响来确定洞庭湖区范围的角度考虑，洞庭湖区在沅水的范围即在桃源水文站。

3.4 澧水入湖河段水文特性

3.4.1 控制站水位流量曲线

澧水桑植以上为上游、桑植至石门为中游、石门以下为下游，津市为澧水河口，澧水至此即进入洞庭湖。澧水下游有石门、津市等水文站。点绘石门、津市水文站1998～2012年水位流量关系曲线，成果见图4。从澧水石门、津市水文站水位流量相关分析可以看出：① 从上至下各水文站水位流量相关性降低，石门站相关系数为 0.988 6，津市站相关系数为0.729 3；② 石门站水位流量关系近似为单一线，水位流量关系的变化已基本不受下游水位的顶托影响。

图4 澧水尾闾水位流量关系

3.4.2 洞庭湖区对澧水顶托影响程度判别

根据上述分析研究，洞庭湖区洪水对澧水的顶托影响范围在石门站已基本消除。从是否受洞庭湖区水位顶托影响来确定洞庭湖区范围的角度考虑，洞庭湖区在澧水的范围即在石门水文站。

4 洞庭湖区范围的确定

4.1 洞庭湖区范围的确定原则

洞庭湖位于湖南省北部、长江干流南岸。长江干流枝城至城陵矶河段称为荆江，分泄长江水流进入洞庭湖的四口和洞庭湖水流注入长江的出口都位于该河段内，但洞庭湖区的岳阳市云溪区、临湘市在洞庭湖出口城陵矶以下而不在荆江河段以南。

为科学、合理确定洞庭湖区在四水尾闾地区的范围，本文在分析研究四水尾闾水位流量关系变化特性的基础上，以高洪水位情况下洞庭湖区洪水不对四水尾闾洪水产生明显顶托作为条件确定洞庭湖区在四水尾闾的范围。

4.2 洞庭湖区范围

根据前述的分析，确定洞庭湖区范围为：长江干流河段以南、湘水株洲航电枢纽以下、资水桃江水文站以下、沅水桃源站以下、澧水石门站以下、地面高程在50 m(56黄海高程)以下跨湘、鄂两省的平原、湖泊水网地区。

4.3 洞庭湖区行政区划和总面积

按照上述确定洞庭湖区的范围，采用DEM数据、1990年版1 ∶50 000地形图和《中国分省系列地图册(湖南省地图册)、(湖北省地图册)》，洞庭湖区行政区划主要涉及湖南省的岳阳、益阳、常德、长沙、株洲、湘潭6市的37个县(市、区)和湖北省荆州市的4个县(市、区)，区域总面积23 140.75 km2，其中湖南省境内19 217.29 km2(占83.05%)，湖北省境内 3 923.46 km2(占16.95%)。另外还局部涉及到湖南省岳阳市的平江县、常德市的石门县、长沙市的浏阳市、株洲市的醴陵市、湘潭市的韶山市、湘乡市等5市6县(市、区)和湖北省宜昌市的枝江市，相应区域总面积 265.41 km2(详见表2)。

5 结论与建议

洞庭湖北纳松滋、太平、藕池和调弦四口，南接湘水、资水、沅水和澧水四水，还接纳汨罗江、新墙河等环湖支流直接入湖。全湖区河流水系密布，水位流量关系复杂。为满足洞庭湖的水利工程建设、综合治理以及保护和开发的需要，在历次和洞庭湖相

表2 洞庭湖区涉及行政区划

注：表中备注栏中项目为行政区划涉及到该次划分的洞庭湖区范围但湖区面积相对较小的市县，括号内为其面积，单位km2。

关的规划设计中不同的单位均提出并定义了洞庭湖区的概念，但由于各自的侧重点和关注点不同，分别以河流水系、交通干线、地形地貌、地面高程、水文控制站、行政区划等因素来确定湘资沅澧四水和直接入湖支流边界点，得出的洞庭湖区的范围和区域面积有较大差异。

本文从湘资沅澧四水尾闾水位流量关系变化特性的角度出发，以洞庭湖高洪水位对四水尾闾洪水位不带来顶托影响为判别条件确定四水尾闾洞庭湖区的边界点为：湘水株洲航电枢纽、资水桃江水文站、沅水桃源水文站和澧水石门水文站。洞庭湖区范围为上述边界点和地面高程50 m控制的区域，区域总面积23 162.14 km2，其中湖南省境内19 217.29 km2(占82.97%)，湖北省境内3 944.85 km2(占17.03%)。行政区划涉及湖南省的岳阳、益阳、常德、长沙、株洲、湘潭6市的37个县(市、区)和湖北省荆州市的4个县(市、区)。

洞庭湖的范围比较明确，全盛时期面积达到近6 000 km2，现有面积2 625 km2，即现在的东洞庭湖、南洞庭湖和西洞庭湖(包括目平湖、七里湖)。洞庭湖区的范围和区域面积则由于不同部门和单位的关注点不同而出现较大差异。目前国内外除鄱阳湖区的范围采用防洪控制水位确定(即鄱阳湖区范围为湖口水文站防洪控制水位22.50 m所影响的鄱阳湖区)外[7]，还没有发现类似湖区范围确定方法的研究成果。该研究仅从水利部门的角度出发，根据洞庭湖的水文特性确定洞庭湖区的范围。洞庭湖区范围的正确定义和确定是一个综合性的命题，牵涉到水利、农业、气象、经济和社会管理等众多学科，就需要联合多部门开展基础性研究，为科学合理确定湖区范围提供依据。