何 征，萬榮榮，戴 雪，楊桂山

(1：中國科學院南京地理與湖泊研究所流域地理學重點實驗室，南京 210008;2：中國科學院大學，北京 100049)

近30年洞庭湖季節(jié)性水情變化及其對江湖水量交換變化的響應*

何 征1，2，萬榮榮1**，戴 雪1，2，楊桂山1

(1：中國科學院南京地理與湖泊研究所流域地理學重點實驗室，南京 210008;2：中國科學院大學，北京 100049)

江湖水量交換的變化影響著通江湖泊洞庭湖的水情，進而影響湖區(qū)社會經(jīng)濟及生態(tài)的可持續(xù)發(fā)展.以洞庭湖城陵磯站、南咀站以及長江干流宜昌站、螺山站1981-2012年逐日水位、流量觀測數(shù)據(jù)為基礎，采用單位根檢驗、方差分析和水位-流量繩套曲線等方法對洞庭湖季節(jié)性水情變化特征進行提取，并探究江湖水量交換變化對其產(chǎn)生的影響.研究表明： 近30年來洞庭湖水情呈階段性特征，與相對穩(wěn)定的1981-2002年相比， 2003-2012年湖泊水位總體呈下降趨勢，年均水位下降0.43 m； 枯、漲、豐、退水期各季水情變化特征為：2003年以后洞庭湖豐水期水位平均下降0.60 m，呈現(xiàn)出“高水不高”現(xiàn)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；漲水期水位變化不明顯.湖泊退水期水位降幅最為明顯，尤其是10月大幅下降，平均下降2.03 m，有提前進入枯水期的趨勢.水情變化與江湖水量交換變化密切相關：豐水期，三口(松滋、太平和藕池)分流量減小在一定程度上降低湖泊水位；退水期，三口分流量減小疊加城陵磯出口長江水位下降對洞庭湖產(chǎn)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，城陵磯出口長江水位上升對湖泊頂托作用增強，湖泊出流減緩水位略有抬升.

湖泊季節(jié)性水情；江湖水量交換；水位-流量繩套曲線；洞庭湖

圖1 洞庭湖區(qū)及水文站點位置Fig.1 Lake Dongting area and locations of the hydrological stations

洞庭湖(28°44′～29°35′N， 111°53′～113°05′E)是中國第二大淡水湖，位于湖南省東北部，長江中游荊江段南岸. 洞庭湖南有湘、資、沅、澧四水入湖，北有長江水自松滋、太平、藕池三口入湖，來水經(jīng)湖泊調蓄由城陵磯注入長江，形成復雜的江湖水系格局(圖1).江湖關系在自然和人類活動的雙重作用下不斷調整[1-5]，尤其近百年來的一系列水利水電工程對其產(chǎn)生了不可逆轉的影響[6-8].盧金友等指出荊江裁彎期間，荊江三口分流分沙比大幅下降[9-10]；而三峽工程建庫蓄水，使得清水下泄，荊江河段遭受嚴重沖刷，長江水位降低，湖泊出流加快[11-15].江湖關系變化對長江中下游及洞庭湖產(chǎn)生了不同程度的影響[16-18]. 因此，有學者試圖從江湖關系變化的角度探討其對湖泊水情的影響規(guī)律[19-21].

湖泊水情具有重要的季節(jié)循環(huán)[22-23]，洞庭湖遵循著枯(12、1、2、3月)-漲(4、5月)-豐(6、7、8、9月)-退(10、11月)的水位季節(jié)波動. 現(xiàn)有工作對洞庭湖水情的研究多從年尺度進行[7-8，24-26]，對季節(jié)尺度的研究尚有不足，且從江湖關系的視角揭示湖泊水情變化的研究還有待深入開展.基于此，本文將著重分析洞庭湖水位季節(jié)波動變化特征，并嘗試揭示江湖水量交換變化對其產(chǎn)生的影響.這對科學認識洞庭湖水情以及恢復湖泊自然水情變化具有重要的現(xiàn)實意義.

1 數(shù)據(jù)與方法

本文數(shù)據(jù)來源于長江水利委員會和湖南省水文局，選用了洞庭湖城陵磯站、南咀站1981-2012年的水位、流量日觀測數(shù)據(jù)，長江干流螺山站1981-2012年的水位、流量日觀測數(shù)據(jù)和宜昌站1981-2012年的月平均流量數(shù)據(jù)(水位均采用黃海高程).洞庭湖分為東洞庭湖、南洞庭湖、西洞庭湖，其中東洞庭湖為主體.城陵磯站位于洞庭湖湖口處，是洞庭湖代表性水文站，不僅反映東洞庭湖水情，還反映洞庭湖出流變化；南咀站位于西洞庭湖，接納長江松滋口、太平口分流和流域上游澧水來水，在一定程度上反映三口分流對洞庭湖水情的影響[20，24]. 螺山站位于城陵磯下游，可反映長江城陵磯-螺山河段水位變化.宜昌站位于三峽大壩下游，可反映三口上游長江流量變化.

為探究洞庭湖近30年的水情變化規(guī)律，首先以2003年為時間節(jié)點劃分兩個時段，對城陵磯站進行時間序列分析，檢驗各階段水位序列的平穩(wěn)性.然后，采用方差分析得到不同階段水情差異最為顯著的季節(jié)和月份；對城陵磯站月尺度水位數(shù)據(jù)進行滑動平均，探索總結湖泊各季節(jié)水位波動變化特征.最后，通過城陵磯站、南咀站和螺山站不同階段水位-流量繩套曲線對比，以及同期宜昌站流量的變化情況，從江湖水量交換變化的角度揭示洞庭湖季節(jié)性水情發(fā)生變化的原因.

2 洞庭湖季節(jié)性水情變化特征

2.1 洞庭湖近30年水情的階段性

洞庭湖水情不僅受氣候變化的影響，還受到水利工程建設等人類活動的影響[27-28]. 自1980s以來， 以2003年三峽水庫蓄水為節(jié)點，湖泊水情可劃分為1981-2002年和2003-2012年2個階段.對這2個時段城陵磯站水位數(shù)據(jù)進行時間序列分析，結果表明，1981-2002年湖泊水位呈弱上升趨勢，時間序列相對平穩(wěn)，除了5月之外，年、季、月水位序列均通過單位根檢驗(P<0.05)；而2003-2012年水位呈顯著下降趨勢.1981-2002年和2003-2012年平均水位分別為23.31和22.88 m.

2.2 不同階段湖泊水情特征

以方差分析驗證城陵磯站1981-2002年和2003-2012年多年日平均水位在各月份差異的顯著性，結果表明大部分月份水位差異都很顯著(表1)，只有5、6月表現(xiàn)不明顯.表明2003年前后除了漲水期后期和豐水期前期，洞庭湖其他季節(jié)水位均差異顯著.

表1 城陵磯站1981-2002年和2003-2012年各月水位方差分析

***、**、*分別表示顯著性水平為P<0.001、P<0.01、P<0.05.

2003-2012年與1981-2002年相比，城陵磯站7月和10月水位變化幅度最大.7月水位從1980s中后期至1990s后期呈上升趨勢，2000年后水位呈明顯下降趨勢(圖2a)，水位平均下降1.05 m.10月水位2000年前保持平穩(wěn)，2000年后出現(xiàn)下降趨勢(圖2b)，水位平均下降2.03 m.

從季節(jié)尺度來看，城陵磯站枯水期12月水位下降0.41 m，而1-3月水位均升高，分別升高0.36、0.32、0.47 m；因此，其枯水期水位總體呈現(xiàn)微弱的上升趨勢，平均上升0.18 m. 漲水期4月水位下降0.60 m，但漲水期水位總體變化不明顯(P>0.1).豐水期除了7月水位大幅下降，其8、9月水位也均下降，分別下降0.59、0.83 m；因此，豐水期水位總體呈現(xiàn)顯著下降趨勢，平均下降0.60 m，因而呈現(xiàn)“高水不高”水情.退水期除了10月，其11月水位也顯著下降，下降0.93 m；因此，退水期水位總體亦呈顯著的下降趨勢，平均下降1.49 m，表現(xiàn)為退水加快.

綜上所述，洞庭湖水情的變化特征為：2003年后，豐水期水位大幅下降，呈現(xiàn)“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；漲水期水位變化不明顯.因此，洞庭湖退水期水位變化最大，出現(xiàn)了枯水期提前的趨勢.

圖2 城陵磯站7月(a)、10月(b)水位變化及趨勢Fig.2 Variations of annual mean water level of Chenglingji Station in July(a) and October(b)

3 洞庭湖季節(jié)性水情變化與江湖水量交換

荊江三口分泄長江水補給洞庭湖，經(jīng)湖泊調蓄后，由城陵磯出流補給長江，由此構成江湖水量交換關系. 城陵磯站、南咀站多年平均的日水位、流量繪制而成的水位-流量繩套曲線可以表征湖泊蓄泄過程.對比城陵磯站、南咀站1981-2002年和2003-2012年的水位-流量繩套能夠得到2個階段湖泊年內蓄泄過程變化，輔以螺山站同步水位-流量繩套曲線進而反映江湖水量交換變化.城陵磯站位于洞庭湖下游湖口處，水位-流量繩套曲線呈逆時針，而南咀站位于洞庭湖上游，湖泊蓄泄過程對它的作用與城陵磯站相反，使得南咀站水位-流量繩套曲線呈順時針.螺山站位于長江干流，因存在河底比降水位-流量繩套曲線趨近單一曲線.

3.1 城陵磯站水位-流量繩套曲線

城陵磯站2003-2012年水位-流量繩套曲線與1981-2002年相比各個季節(jié)均有不同程度的差異(圖3)：①枯水期，1-3月同水位流量下降，說明出流減緩.②漲水期， 4月同水位流量減少，但漲水期整體蓄泄關系變化并不明顯.③豐水期，7-9月水位-流量曲線發(fā)生顯著位移，并且水位顯著下降的同時伴隨流量的大幅減少.以7月為例，相對穩(wěn)定階段7月的最高水位和最大流量分別為29.15 m和18770.9 m3/s，而2003-2012年7月的最高水位和最大流量為28.40 m和15069 m3/s，分別減少了0.75 m和3701.9 m3/s.水位、流量的同步大幅下降說明湖泊入流量減少，而與此同時，洞庭湖上游南咀站7-9月流量分別減少了549.48、278.03、456.17 m3/s.④退水期，水位-流量曲線不僅發(fā)生了明顯的位移，且在形態(tài)上也表現(xiàn)出巨大的差異.10月下旬的水位、流量都大幅減少，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月上旬出現(xiàn)水位穩(wěn)定波動而流量迅速增大的“大轉折”，水位維持在21.50 m附近，而流量則由3212 m3/s增加到4673 m3/s，隨后水位和流量才同步穩(wěn)定下降.

3.2 南咀站水位-流量繩套曲線

南咀站2003-2012年水位-流量繩套曲線與1981-2002年相比各個季節(jié)均有不同程度的差異(圖3)：①枯水期和漲水期，12-5月同水位流量均增大，但是這種變化并不明顯.②豐水期，6月水位、流量變幅減小，2個階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-流量曲線有明顯位移，水位、流量同時大幅減小，最高水位分別減小0.6、0.5、0.8 m；8、9月最大流量分別減少151.5、345.8 m3/s.同一時期，長江干流宜昌站7-9月流量分別減少4149.5、2733.4、2967.7 m3/s.由此可見，豐水期長江流量減少在一定程度上造成了三口分流量減小，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)還未達到相對穩(wěn)定階段的最低水位(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年宜昌站流量分別下降5008.9和726.2 m3/s.由此可見，退水期長江流量減少同樣造成三口分流量減小，降低了湖泊水位.

3.3 螺山站水位-流量繩套曲線

螺山站2003-2012年水位-流量繩套曲線與1981-2002年相比各個季節(jié)均有不同程度的差異(圖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)超過了1981-2002年同期最高水位(17.58 m)和最大流量(7814.5 m3/s).2、3月的最低水位分別上升0.23、0.36 m，最小流量分別增加578.8、828.5 m3/s；此時，城陵磯站水位與螺山站水位差出現(xiàn)了減小，主要集中在2月下旬和3月中旬，分別由1.25 m和1.20 m減小到1.24 m和1.18 m，落差減小了0.017 m和0.02 m.以上分析表明城陵磯出口長江水位上升對洞庭湖頂托作用增強從而造成湖泊出流減緩.②漲水期，4-5月水位-流量曲線無明顯變化.③豐水期，6-9月水位、流量出現(xiàn)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減少到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月上旬出現(xiàn)了與城陵磯站類似的水位穩(wěn)定波動而流量迅速增大的“大轉折”，水位維持在20.34 m附近，而流量則由13230 m3/s增加到14990 m3/s，隨后水位和流量才同步穩(wěn)定下降.11月城陵磯站與螺山站水位差明顯增大，由1.07 m增加到1.16 m，落差增加了0.09 m.由此推斷，退水期城陵磯出口長江水位下降對洞庭湖產(chǎn)生拉空作用導致湖泊出流加快.

圖3 城陵磯站、南咀站和螺山站1981-2002年、2003-2012年水位-流量繩套曲線對比Fig.3 Comparison of water level-discharge curves during 1981-2002，2003-2012 at Chenglingji Station, Nanzui Station and Luoshan Station

綜上所述，江湖水量交換變化對洞庭湖水情變化具有極其重要的影響.2003年后，洞庭湖在豐水期呈現(xiàn)出“高水不高”水情，江湖水量交換中三口分流量下降、湖泊入流減少是其重要原因.在退水期呈現(xiàn)的迅速退水現(xiàn)象，是三口分流量減少和城陵磯出口長江水位下降對湖泊產(chǎn)生拉空導致的湖泊出流加快共同作用的結果.在枯水期水位總體上呈現(xiàn)出微弱上升的趨勢，可能是城陵磯出口長江水位上升對湖泊產(chǎn)生頂托導致的洞庭湖出流減緩的結果.漲水期，江湖水量交換變化對湖泊水情的影響較小.

4 結論

1980s以來，洞庭湖水情演變呈現(xiàn)階段性特征，以三峽水庫蓄水為節(jié)點分為1981-2002年和2003-2012年2個階段，其中1981-2002年相對穩(wěn)定，2003年以來洞庭湖水位總體呈下降趨勢，具體表現(xiàn)為：

1) 洞庭湖水情：豐水期水位大幅下降，平均下降0.60 m，呈現(xiàn)“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；漲水期水位變化不明顯.洞庭湖退水期水位降低最為顯著，尤其是10月，下降2.03 m，枯水期有提前趨勢.

2) 江湖水量交換：枯水期，湖泊出流減緩，可能是城陵磯出口長江水位上升對洞庭湖產(chǎn)生頂托作用；漲水期，江湖水量交換無明顯變化；豐水期，三口分流量減?。煌怂?，三口分流量減小且湖泊出流加快，可能是城陵磯出口長江水位下降對湖泊產(chǎn)生了拉空作用導致的.

3) 水情對江湖水量交換變化的響應：枯水期，主要在1-3月，城陵磯出口長江水位上升對洞庭湖水位產(chǎn)生頂托，使得湖泊水位抬升；漲水期，湖泊水位變化不大；豐水期，三口分流量減少在一定程度上造成湖泊水位降低，湖泊偏干；退水期，三口分流量減小疊加城陵磯出口長江水位下降對洞庭湖產(chǎn)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

國家重點基礎研究發(fā)展計劃“973”項目(2012CB417006)資助.

； E-mail： rrwan@niglas.ac.cn.

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

2014-10-17收稿；2015-05-25收修改稿.

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