洞庭湖近20年水文情势特征及变化趋势

摘要：水文情势是水生态环境质量的重要参考依据，研究湖泊、河流等水文情势变化特征可为水域安全管理和生态系统功能恢复提供一定科学依据。利用城陵矶等代表性站点水文数据以及Landsat5、8卫星遥感数据，综合分析了2000—2020年洞庭湖水文情势变化特征，并从流域层面分析了来水对洞庭湖水文情势变化的驱动影响。结果表明：（1）洞庭湖整体平均水位年际波动较大，同时年内水位变化趋势较为明显，具有明显的丰枯水期；（2）洞庭湖最大水域面积减少，但最小水域面积增加；（3）洞庭湖水体有效连通性大幅度下降，W-E方向的连通性提高，而N-S方向的连通性下降；（4）三口（藕池口、松滋口、太平口）水位和流量变化与湖区整体水文情势关系更加密切，其中藕池口对湖区水文情势影响最大。

关键词：水文情势；水域面积；水文连通性；洞庭湖

中图分类号：TV11" " " " 文献标志码：A" " " " 文章编号：1674-3075（2025）01-0213-12

水文情势是指河流、湖泊、水库等自然水体各水文要素随时空的变化情况，是水体和水安全变化的重要参考依据（韩忠青等，2024；米国新等，2024；肖洋等，2024）。近几十年来，受全球气候变化以及人类活动干预的影响，全球各地水文情势发生剧烈变化，给人类生活以及湖泊生态质量造成了较大影响（Wang et al，2015；Kong et al，2019；Liu et al，2023；Liu et al，2024）。叶周兵等（2024）通过PCR-GLOBWB和LSTM模型模拟鄱阳湖水文情势的变化，发现鄱阳湖区大部分水文站的水位都有显著下降趋势，并且人类活动是鄱阳湖水文情势变化的主要驱动因素。Huang等（2024）研究发现，大坝建设和气候变化对赣江区域最大和最小径流量有完全相反的影响。Wu等（2024a）和Milly等（2008）发现气候干旱变化已经显著改变了一些湖泊的水文情势，尤其是湖泊水环境与周围河流以及气候因子的协调平衡关系。这些研究都进一步证实，长期定量监测水域水文情势，掌握发现其变化规律和主要诱因不仅对水域周边地区的社会经济可持续发展具有重要意义，而且对维护生态系统的健康也有着重要作用。

水文情势的表现形式主要包括水位、水域面积和水文连通性等指标。水位表示水面离河底的距离，其与水量、流速密切相关。水域面积表示水体分布的范围，其与淹水时间以及动植物的生境范围有着密切联系。而实际上水文情势是一个多维复杂的概念，传统水文情势主要由水位和水域面积等指标表示，这会造成一定的信息缺失。近年来水文连通性被看作是水文情势另一个重要的参考指标（Trigg et al，2013；陈莉等，2023；曾冰茹等，2023）。水文连通性被定义为水文循环要素内部或之间的物质、能量或生物体的水介导转移，对于促进自然水系统的形成、发展和稳定以及生物多样性的保护至关重要（Pringle，2001；陈莉等，2023；洪杉杉等，2024）。水文连通性是一种特殊的景观连通性，不同干湿属性的斑块之间存在的边缘效应可以更好地表达水体与非水体之间的联系。但水文连通性作为大尺度空间上所量化的指标较难长时间定量监测。21世纪以来，遥感和计算机软件模型的快速崛起为这一理论提供了可行性便捷方案。Landsat系列卫星提供了米级分辨率长时间序列遥感影像数据，对于监测区域尺度水体变化情况提供了较高精度的数据支持。由Tan等（2021）开发的CAST模型基于地理统计分析方法量化了指定距离方向每个像素之间的连接概率，并能够表征连接对象的时空模式，可以高效快捷地在区域尺度上计算水文连通性。但当前关于水文情势的研究主要集中于分析工程、气候变化对水位、水量的影响（Li et al，2015；Pal amp; Sarda，2020；Kundu et al，2022），缺乏长时间序列下对多种水文情势指标的综合对比。因此，采用多维科学的指标表示整体水文情势的变化规律是未来支持高质量、精准治理和改善水环境质量的重要科学指导依据。

洞庭湖是中国第二大淡水湖，是长江中下游重要的通江湖泊，同时也是全球200个重点保护生态区之一（Olson amp; Dinerstein，1998；Geng et al，2021；2022）。作为一个典型的洪泛区湖泊，其水文情势错综复杂且具有明显的丰枯季节性变化。洞庭湖主要从太平口、松滋口、藕池口、湘江、资江、沅江、澧水等入水口补水，7个入水口的水源在洞庭湖内进行复杂的交错后由东北角城陵矶流入长江。最近的研究表明，洞庭湖与长江之间的水文过程在自然和人类活动的双重作用下不断调整（Luque et al，2013；匡燕鹉和马忠红，2024）。同时，2003年三峡大坝的启用对洞庭湖水文情势也有着重要影响，导致湖水状况发生明显变化（Huang amp; Wang，2016；Geng et al，2023）。本文采用2000—2020年城陵矶等多个水文站水位数据以及Landsat5、8卫星遥感数据从多方面综合分析近20年洞庭湖整体水文情势的变化，并利用随机森林模型分析洞庭湖7个入水口来水差异对湖区水文情势变化的影响，旨在为洞庭湖水域安全管理和生态系统功能恢复提供科学依据。

1" " 材料与方法

1.1" "研究区概况

洞庭湖位于湖南省北部长江荆江南岸，是中国第二大淡水湖。洞庭湖大致位于28.7°～29.6° N和111.8°～113.2° E，属于亚热带气候区（图1）。该区域降水集中，气候温暖，光照充足，年平均气温约在8～17 ℃（Wan et al，2020a）。洞庭湖承接长江松滋、太平、藕池、调弦（1958年堵闭）“四口”分流和湘、资、沅、澧“四水”来水，调蓄长江流域近30%的水量。洞庭湖独特的地理位置和气候条件使得该区域水文情势复杂多变，水位和水域面积变化幅度较大。

1.2" "数据来源

洞庭湖1：100万矢量边界数据来源于国家科技基础条件平台——国家地球系统科学数据中心（http：//www.geodata.cn）。2000—2020年城陵矶等水文站点每日水位、流量数据来源于湖南省水文水资源勘测中心（表1）。所有水文站点覆盖了洞庭湖不同区域的水文特征（图1），并涵盖了洞庭湖“三口四水”的所有来水特征。其中，城陵矶位于洞庭湖东北角，是洞庭湖唯一的出水口，被广泛应用于表示洞庭湖整体水文变化（董世杰等，2024）。本研究从中国科学院计算机网络信息中心地理空间数据云平台（http：//www.gscloud.cn）获取了Landsat5、8总计8张影像（2000—2005、2006—2010、2011—2015、2016—2020），原始影像数据来自于美国地质勘探局（USGS），空间分辨率为30 m（https：//earthexploree.Usgs.gov）。

1.3" "水位数据

本研究将获取到的2000—2020年城陵矶每日水位数据累加除以该年天数作为该年份的平均水位。将各年每月水位累加取平均作为近20年内的月平均水位。

1.4" "遥感数据

本研究将遥感影像划分为2000—2005、2006—2010、2011—2015、2016—2020等4个时期。每个时期依据最高和最低水位的时间选取云量低于20%的影像，人工筛选出受云雾干扰最小的影像拼接作为该时期的原始影像（表2）。由于Landsat卫星30 m空间分辨率的影像为16 d间隔，且大多影像受云雾干扰较为严重，很难保证在每年水位最高或最低时都有不受云雾干扰的影像。因此本研究以5年时间为间隔，选取5年内水位最高和最低的时间匹配该时间的影像数据。本文研究不涉及连续的水域面积变化，只统计最大和最小水域面积的变化趋势。随后对影像进行辐射、正射校正。利用绿、红外波段计算归一化水指数（normalized difference water index，NDWI），如果NDWI大于0.2归于水体，其他归为非水体。

随后对影像进行处理：第一部分把提取的水体影像采用GCS_WGS_1984地理坐标系（空间分辨率约为30 m）进行统一，用于在空间上分析水体面积变化；第二部分把提取的水体影像采用WGS_1984_UTM_Zone_50N投影坐标系进行统一，并基于最邻近法重采样到100 m，用于计算水文连通性。

1.5" "水文连通性

本研究采用CAST 1.4模型计算水文连通性（Li et al，2019；Tan et al，2019）。CAST模型主要通过干湿单元的连续性来评价水文连通性，通过连接对象（CONNOB）和连通性函数（connectivity function，FC）2方面来表示。CONNOB定义为具有相同属性的有效像素群。如果CONNOB的属性满足特定物种的要求，则CONNOB是指一个合适的栖息地（斑块、像元等），其中所有像元都被认为是相连的，不同属性的CONNOB之间没有有效连接。FC量化了湖泊与其洪泛区之间在水平和垂直方向上形成的地表水文联系的概率，并能够描述水体流动过程中发生的过渡和阻断情况。在数学意义上，FC表示沿给定方向n个点的值都高于阈值z的概率（Pr）（Tan et al，2021）：

式中：[Iuj;zc]为判断位置[uj]处的变量Z[（uj）]是否超过阈值[zc]的指标。如果Z[（uj）]gt;[zc]，则[Iuj;zc]=1，否则为0。从起始位置[u1]开始对计算域内所有的位置进行估计。计算域的空间熵越高，随着n的增加[FCn;zc]接近0的速度越快。

1.6" "随机森林模型

本文使用随机森林回归分析评估洞庭湖7个入水口水位、流量变化与湖区整体水文情势之间的相对关系。随机森林模型可以在确定类别时评估输入变量的重要性。本文把所有年份70%的数据划分为训练集，30%划分为测试集，模型的准确性由最终预测值和训练样本的实际值之间的相关度（R²）决定。观测值和预测值之间的均方误差（%IncMSE）的增加用于指示每个预测变量的重要性。模型中每棵树单独计算度量，然后在整个集合上取平均值，除以整个集合的标准偏差。

本研究所建立的随机森林模型因变量为洞庭湖整体的水位和流量，自变量为洞庭湖7个入水口的水位和流量。在表示水文情势变化的指标中，水域面积、水文连通性的变化本质上都是由水位和流量所驱动的，同时由于遥感数据与水文站点数据的尺度问题，无法衡量洞庭湖入水口水位、流量变化对湖区水文连通性的影响，因此本文采用水文站点的水位和流量数据来分析洞庭湖入水口来水差异对湖区水文情势变化的影响。

1.7" "数据分析

本研究采用线性和非线性拟合的方法分析洞庭湖年际和年内平均水位的变化趋势。利用MATLAB处理水域面积的变化，用1、0和-1分别表示水体面积增加、不变和减少的像元。本研究所有的数据处理工作在MATLAB、ArcMap和ENVI上进行，所有数据分析工作在Origin和SPSS上进行。

2" "结果与分析

2.1" "水位变化情势

洞庭湖整体平均水位年际变化波动较大（图2a）。在2002、2005、2012、2016年平均水位显著高于整体平均水平，2006、2011年显著低于整体平均水平。就年内水位变化而言，洞庭湖整体变化趋势呈单峰状态，具有明显的丰枯水期，6、7月的平均水位显著高于其他月份，并且在7月达到峰值（图2b）。年内月平均水位变化最大可达约7.71 m。

2.2" "最大、最小水体面积变化情势

2000—2020年洞庭湖最大水域面积整体呈现减少趋势，缩减了约99.70 km²，其中2011—2020年洞庭湖最大水域面积表现为增加趋势。2000—2020年洞庭湖最小水域面积整体呈增加趋势，增加了约188.85 km²（图3）。

2.3" "水文连通性变化情势

洞庭湖在不同水域面积下的最大CONNOB面积表现出较大的空间异质性（图4）。水体面积的下降造成了水文连通性的大幅度下降，斑块破碎程度增加，斑块边缘效应增强。其中2000—2010年洞庭湖最大CONNOB面积从最大水域面积下的2 055.17 km²缩减到最小水域面积下的257.85 km²，2011—2020年从2 039.62 km²缩减到382.44 km²，缩减程度分别为1 797.32 km²和1 657.18 km²，占比分别为87.45%和81.25%。同时无效连通体（即与水域之间无任何物质和能量传递的可能，图4中白色区域部分）大幅增加，进一步阻断了枯水期洞庭湖各区域之间的物质和营养元素交换和传输。

洞庭湖整体FC在不同方向上分布规律相似。在自西向东（W-E）和自北向南（N-S）2个方向，均会在特定距离上出现明显的连通隔断点，阻碍整体的水文连通性（图5）。就2个时期对比而言，2011—2020年W-E方向上的连通性概率要高于2000—2010年，但N-S方向要低于2000—2010年。W-E方向上2011—2020年和2000—2010年平均连通性概率分别为0.52和0.43，涨幅为0.09，占比17.31%。N-S方向上2011—2020年和2000—2010年平均连通性概率分别为0.47和0.50，减幅为0.03，占比6%（图6）。

2.4" "入水口来水差异对湖区水文情势变化的影响

本研究所建立的随机森林模型最终预测值和训练样本的实际值之间具有较高的相关性（R²=0.89、R²=0.86），判别结果具有一定的可信度（图7）。近20年来洞庭湖7个入水口（三口四水）对湖区整体水文情势变化具有不同程度的贡献，其中藕池口的水位（%IncMSE=14.11）和流量（%IncMSE=14.31）变化是洞庭湖整体水文情势变化的最大驱动力（图8）。总体而言，三口（藕池口、松滋口、太平口）的水位（%IncMSE=26.01）和流量（%IncMSE=32.97）变化与湖区整体水文情势关系更加密切。这也表明近20年洞庭湖与长江之间江湖关系的变动是诱导洞庭湖水文情势变化的主要原因。

3" "讨论

3.1" "洞庭湖近20年水文情势变化趋势

本研究发现2000—2020年间洞庭湖整体水文情势发生较大变化。就水位而言，近20年洞庭湖平均水位年际波动较大，这表明洞庭湖受气候变化和人类活动的影响，易出现洪涝和干旱灾害。这其中包括2006、2011年等特枯年和2002、2016年等特大洪水年（图2a）。同时，2003年为典型的水位突变年份，这主要是由于2003年三峡大坝的开通所造成的长江中下游水文和水环境的变化所致。这些结果与前人研究具有相似性（Mei et al，2015；董世杰等，2024）。三峡大坝的建设虽然显著提高了长江流域水资源利用效率，但在蓄水期间，水库的放水量急剧减少，显著影响了长江中下游的水环境，其中包括主河道侵蚀、干流与湖泊之间的水沙交换以及湖泊水文情势的急剧突变（Gao et al，2014；2017；Zhang et al，2020）。同时，洞庭湖年内水位变化趋势较为明显，具有明显的丰枯水期（图2b），并且在7月水位达到峰值。这是流域气候变化以及水库、水利设施等综合作用的结果。降水、干旱（Cheng et al，2016；Li et al，2020）以及三峡大坝等水利工程的调蓄作用（Huang amp; Wang，2016）共同驱动着洞庭湖径流量和湖水水位的变化。

就水体面积变化而言，近20年洞庭湖最大水域面积减少了约99.70 km²（图3），说明洞庭湖在丰水期蓄水能力以及对于长江中下游水量调节功能有所下降，但突发洪水的概率降低，这与近期采用水文站点数据（郑颖等，2024）和哨兵卫星数据（宋利娟等，2023）的监测结果一致。自20世纪中后期开始，洞庭湖最大水域面积就在不断缩减。2003年三峡大坝运行后，洞庭湖与长江之间水位—流量关系发生变化，秋季蓄水显著降低了长江中下游（主要是三口）对洞庭湖的补水量（Gao et al，2013）。这种现象不仅存在于洞庭湖，鄱阳湖等长江中下游通江湖泊的水域面积都受到了相似的影响（Tan et al，2019）。三峡大坝的主要功能之一就是防洪。当长江上游发生暴雨等极端事件导致水位上涨时，三峡大坝通过调节水库的水位，有效控制长江上游的洪水，减少下游地区的洪灾风险（Wan et al，2020a）。同时近20年洞庭湖最小水域面积增加证明了近些年来政府和国家所启用一系列措施，例如退耕还湿、水系连通工程等取得了明显效果。最小水域面积增加主要依靠人造水利设施的季节性补水，这有助于在枯水期提升洞庭湖整体生态质量以及恢复水文连通性，确保物质和营养元素的均匀分布（姚璐等，2021；刘晋等，2024），同时还有益于干旱时期动植物生境的保护以及农田的灌溉。

水体面积下降造成了洞庭湖最大CONNOB面积的大幅度下降，斑块破碎程度增加，斑块边缘效应增强（图4）。水域与周围地区连接性不断破碎所带来的生态问题已经是全球范围内湖泊水文连通性的一致难题（Karim et al，2015）。一方面，水体连通为洪泛区提供重要的沉积物分布途径，为各地区提供各种营养元素物质的传递（Mertes et al，1996；Day et al，2008）。在人为和自然的双重作用下，主河道水源转移和流向变化导致水体连通性大幅下降，加剧了湖泊斑块的异质性（Tockner et al，2000；Pringle，2001）。湖泊斑块异质性增强会导致大多物质不能通过水流均匀分布，造成营养物质短缺或富营养化等问题。另一方面，关键斑块（生境）与主河道发生的破碎分离必将引起动植物多样性的减少。值得注意的是，边缘效应增强会使原来属性相同和相近的斑块产生异质性，这会严重缩小动植物的最适生境范围，尤其是候鸟。据研究显示，不同种类的候鸟均需要最小栖息地面积（Aharon-Rotman et al，2017）。如果斑块异质性一再增强，候鸟等以湖泊湿地为潜在栖息地的动物生境可能会被永久破坏。

在W-E和N-S 2个方向上，洞庭湖水流均会在特定距离上出现明显的连通隔断点，阻碍整体的水文连通性（图5）。一方面是由于水量或流速过低导致水体不能进一步流通；另一方面，在水流流向上可能出现较大或较高的地形坡度或人为设施阻断了主河道在特定方向的进一步流通（Tan et al，2021）。这就需要在特定距离进行人工补水或者改造地形来进一步恢复主河道的整体连通性。同时，近20年洞庭湖W-E方向的连通性提高而N-S方向的连通性下降（图6），这与最近相关研究得出的结论类似（Li et al，2024）。这表明在现有措施和政策下应进一步考虑改善洞庭湖南北方向的水文连通性。

3.2" "洞庭湖水文情势变化与三口来水密切相关

近年来洞庭湖水文情势发生剧烈变动的诱因被广泛研究，大部分研究结果表明人类活动和气候变化的双重作用为主要原因。例如Wu等（2024b）通过长时间序列气候变化研究发现，降水变化所导致的干旱、潮湿强度变化加剧了流域尺度上的水文问题；Jiang等（2009）通过生态系统健康模型得出，31%的洞庭湖区正在遭受较大的人为干扰压力。这些研究结果虽然为恢复洞庭湖生态功能提供了一定的科学指导，但洞庭湖作为一个典型的通江湖泊，其最大的特点是与长江以及流域水系之间的水过程活动频繁复杂（Yu et al，2018）。洞庭湖有7个入水口，并且换水周期仅约18 d，频繁复杂的水文条件一直是科学治理的难点。近些年来，越来越多的研究证实洞庭湖入水口水文情势的变化是湖区水文、水环境变化的最主要驱动因素（Yang et al，2020；申幸志等，2024），本文的研究结果也支持这一观点。且在7个入水口中，三口（藕池口、松滋口、太平口）的水位、流量变化在近20年与洞庭湖水文情势变化联系更为密切，其中藕池口最为关键（图8）。三口分流是洞庭湖与长江之间江湖关系调整的重要驱动因子。三峡大坝蓄水后，三口的流量和水位发生了明显变化，导致三口多年平均分流量减少33.87%、分流比降低19.84%，进一步加剧了洞庭湖水文情势的变化（赵秋湘等，2020）。这些变化是三峡大坝径流调节以及下游河道地形调整的综合结果（朱玲玲等，2014）。三峡大坝蓄水后，荆江河段的冲淤变化导致了洞庭湖区水位下降，同时削弱了长江与洞庭湖的水力联系（渠庚等，2012）。这与尼罗河流域等地的研究结果不一致，即气候变化是湖泊等自然水体水文情势变化的主要驱动因素（Haddeland et al，2014），原因在于尼罗河流域的自然水体受人类设施干扰的程度较小，因此湖泊的气候变化占据了主导地位。但洞庭湖、鄱阳湖、美国的黄石湖（Pringle，2001）等受人类水利设施影响较为严重，由人类活动所带来的流域来水变化超过了气候变化对于水文情势变化的影响。因此本文研究表明在现有情景下，调节藕池口的水位和流量是改善洞庭湖水文情势或恢复洞庭湖对长江的调蓄功能的重中之重。

4" "结论

本文结合长时间序列下水文站点以及遥感数据综合分析了洞庭湖近20年水文情势变化趋势与流域来水之间的关系。研究得出：（1）洞庭湖整体平均水位年际波动较大，同时年内水位变化趋势较为明显，具有明显的丰枯水期；（2）洞庭湖最大水域面积减少，但最小水域面积增加；（3）洞庭湖水体有效连通性大幅度下降，W-E方向的连通性提高而N-S方向的连通性下降；（4）三口（藕池口、松滋口、太平口）水位和流量变化与湖区整体水文情势关系更加密切，其中藕池口对湖区水文情势影响最大，改善洞庭湖水文现状应优先调节三口尤其是藕池口来水状况。本文研究结果可为洞庭湖水域安全管理和生态系统功能恢复提供一定的科学依据。

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Hydrological Characteristics and Trends of Dongting Lake over the Last 20 Years

Abstract：The hydrological regime plays an important role in determining the quality of aquatic ecosystems. Studying the hydrological changes in lakes， rivers and other water bodies provides a scientific basis for water safety management and ecological restoration. In this study， we analyzed change in the hydrological regime of Dongting Lake from 2000 to 2020 and explored the effect of inflowing water on changes in hydrology using random forest regression. The study was based on hydrological data from 8 representative stations （Chenglingji， Yingtian， Nanzui， Yangliutan， Taoyuan， Mituosi， Shadaoguan， Kangjiagang） and Landsat 5 and 8 satellite remote sensing data. Results show： （1） In the past 20 years， the annual average water level of Dongting Lake fluctuated widely， with water levels in 2002， 2005， 2012 and 2016 significantly higher than the average， and levels in 2006 and 2011 significantly lower than the average. The changes in water level within a year were more regular， displaying a single peak and distinct levels in the wet and dry periods. （2） The maximum annual water area of Dongting Lake decreased by 99.70 km² from 2000 to 2020， but the minimum water area increased by 188.85 km². （3） The effective connectivity of the water surface of Dongting Lake decreased significantly over the past 20 years. In general， connectivity increased along the west-east axis and decreased along the north-south axis. （4） Changes in water level were closely related with flow rates of the three major inlets （Ouchikou， Songzikou， and Taipingkou） and closely related to the overall hydrological regime of Dongting Lake， with Ouchikou having the largest impact.

Key words： hydrological regime; water area; hydrological connectivity; Dongting Lake