1. 引言
洞庭湖不仅是长江洪水的天然调蓄场所、全球重要的湿地，还是长江经济带、洞庭湖生态经济区等国家战略的重要依托[1]。三峡及上游水库群运用后长江中下游干流水沙出现新的变化，江湖关系发生新的演化，对洞庭湖湖区水资源产生长期影响。正确认识江湖关系变化并科学调控，是维护长江和洞庭湖健康的关键[2]。国内外学者针对江湖关系变化开展了大量的研究。张冬冬[3]等基于长江与洞庭湖一、二维耦合水动力模型，模拟了三峡水库蓄水前后洞庭湖湖区的水文过程，构建了三峡水库蓄水量与洞庭湖出湖水量、湖容变化量的响应关系。班璇[4]等采用变化范围法和实测流量和含沙量资料，定量评估了三峡工程蓄水后长江中游水沙变化度最大的江段和水文指标类别及其对应的生态影响。李景保[5]等在分析江湖水力关系的基础上，从不同时间尺度分析江湖水体交换能力的演变特征及其对三峡水库运行的响应。本文在厘清现状江湖关系和水文情势变化趋势基础上，预测未来不同典型年下洞庭湖区不同区域水资源(水量和水位)的时空变化趋势，辨析河湖冲淤、水库群调蓄、水文丰枯变化等因素对水资源的影响程度，揭示江湖关系变化对两湖水资源影响的作用机制。
2. 研究区域概况
洞庭湖位于东经111˚14'~113˚10'，北纬28˚30'~30˚23'，即荆江河段南岸、湖南省北部，为我国第二大淡水湖。洞庭湖水系主要由湘江、资水、沅江、澧水四大水系和长江松滋口、太平口、藕池口、调弦口(现已堵口建闸)四口分流水系组成，还有汩罗江、新墙河等支流入汇，在城陵矶附近汇入长江，多年平均入湖水量约2540亿m3。洞庭湖的地势西高东低，被分成东洞庭湖、南洞庭湖、西洞庭湖，自西向东形成一个倾斜的水面。
洞庭湖区地处中北亚热带湿润气候区，具有“气候温和，四季分明，热量充足，雨水集中，春温多变，夏秋多旱，严寒期短，暑热期长”的气候特点。湖区年平均气温16.4~17℃，极端最低温度−18.1℃ (临湘)，极端最高温度43.6℃ (益阳)；无霜期258 d~275 d；年降水量1100~1400 mm，由外围山丘向内部平原减少，4~6月降雨占年总降水量50%以上，多为大雨和暴雨，若遇各水洪峰遭遇，易成洪、涝、渍灾。
洞庭湖区水文站网密布，四水控制站有湘潭(湘江)、桃江(资水)、桃源(沅江)、石门(澧水)，三口控制站有新江口、沙道观、弥陀寺、管家铺、康家岗。洞庭湖出口控制站为城陵矶(七里山)水文站。在湖区水系中还有鹿角、小河咀和杨柳潭等水位站。洞庭湖区水系站网图见图1。
Figure 1. Diagram of the river network and hydrological stations in Dongting Lake Area
图1. 洞庭湖区水系站网图
3. 洞庭湖区水量变化
3.1. 入湖径流变化
洞庭湖入湖水量主要来自湘、资、沅、澧四水和荆江三口分流，从城陵矶(七里山)出流汇入长江。采用湘江湘潭站、资水桃江站、沅江桃源站、澧水石门站合成流量代表洞庭湖四水入湖水量，松滋河新江口站和沙道观站、虎渡河弥陀寺站、藕池河康家港站和管家铺站合成流量代表荆江三口入湖水量。采用洞庭湖四水入湖水量和荆江三口入湖水量之和代表洞庭湖入湖水量。
洞庭湖入湖径流不同时段径流量及其变化见图2。较运行前，洞庭湖入湖径流2003~2019年多年平均径流量偏少445.9亿m3，变化幅度为17.5%，9~10月多年平均径流量偏少186.1亿m3，变化幅度为41.8%，从各个月变化幅度来看，10月份变化幅度最大，径流量变化幅度在−49.6%~38.5%。12~次年3月径流量有所增加。
Figure 2. Comparison of monthly inflow before and after the operation of Three Gorges Reservoir in Dongting Lake
图2. 三峡运行前后洞庭湖入湖月径流量对比图
3.2. 出湖径流变化
采用城陵矶(七里山)站流量代表洞庭湖出湖入江水量。城陵矶(七里山)站不同时段径流量及其变化见图3。较运行前，城陵矶(七里山)站2003~2019年多年平均径流量偏少420.0亿m3，变化幅度为14.7%，9~10月多年平均径流量偏少200.9亿m3，变化幅度为37.2%，从各个月变化幅度来看，10月份变化幅度最大，径流量变化幅度在−41.8%~33.7%。12~次年3月径流量有所增加。
Figure 3. Comparison of monthly outflow before and after the operation of Three Gorges Reservoir in Dongting Lake
图3. 三峡运行前后洞庭湖出湖月径流量对比图
3.3. 湖区水量变化
采用荆江三口加上洞庭四水减去城陵矶(七里山)站流量代表湖区蓄水量。湖区蓄水量不同时段径流量及其变化见图4。较运行前，湖区2003~2019年多年平均蓄水量偏少25.8亿m3，变化幅度为8.5%，从各个月变化幅度来看，6月份变化幅度最大。
Figure 4. Comparison of monthly changed flow before and after the operation of Three Gorges Reservoir in Dongting Lake
图4. 三峡运行前后洞庭湖湖区月径流量变化图
4. 洞庭湖区枯期水位变化
洞庭湖湖区由东、南、西洞庭组成，出口在东洞庭的城陵矶，以鹿角、小河咀和杨柳潭水位站为湖区代表站，城陵矶(七里山)水文站代表洞庭湖出口，根据各站实测水位资料，分析洞庭湖区的水位变化规律。
4.1. 三峡运用以来湖区9~10月水位变化
以2003年为统计时间的分界点，分别统计1960~2002年和2003~2019年城陵矶站各个时段月平均水位变化，统计结果见图5。可以看出，与1960~2002年相比较，城陵矶站12~6月平均水位有所上升，7~11月平均水位有所下降，9~10月平均水位有所降低，降低约1.6 m，各月水位变化中，10月变化幅度最大，7月变化幅度最小；小河咀站1月和3月平均水位有所上升，其余月份平均水位有所下降，9~10月平均水位有所降低，降低约1.01 m，各月水位变化中，10月变化幅度最大，3月变化幅度最小；鹿角站1~6月平均水位有所上升(4月除外)，其余月份平均水位有所下降，9~10月平均水位有所降低，降低约1.63m，各月水位变化中，10月变化幅度最大，5月变化幅度最小；杨柳潭站1~3月和5~6月平均水位有所上升，其余月份平均水位有所下降，9~10月平均水位有所降低，降低约0.81 m，各月水位变化中，10月变化幅度最大，2月变化幅度最小。
(a) 城陵矶站 (b) 小河咀站
(c) 鹿角站 (d) 杨柳潭站
Figure 5. Comparison of daily water level before and after the operation of Three Gorges Reservoir in Dongting Lake
图5. 三峡运行前后各站多年平均日水位对比图
4.2. 三峡运用以来湖区年最低水位变化
分析城陵矶站、小河咀站、鹿角站和杨柳潭站1960~2019年的年最低水位系列可知，城陵矶站和鹿角站年最低水位呈现微弱上升趋势，小河咀站年最低水位呈现微弱下降趋势，杨柳潭站年最低水位变化不明显。主要是因为枯期三峡水库加大对长江中下游的补水，使得城陵矶站和鹿角站的年最低水位有所抬升；随着长江上游水库群的不断正式投入运行，长江中下游枯水河槽进一步冲刷，长江入洞庭湖的河道有所淤积，导致枯期长江进入洞庭湖的水量有所减少，同时长江干流的来水有所减少，使得小河咀站年最低水位有所降低。
4.3. 江湖关系变化情景下湖区水位变化趋势
结合长江干流及两湖冲淤成果，分析了洞庭湖区主要站点1960~2002年水文系列在三峡运用前、三峡运用以来、三峡运用30年后和三峡运用50年后等四种江湖关系变化情景下的湖区水位变化规律，成果见图6。可以看出，同现状21库调度(考虑梨园、阿海、金安桥、龙开口、鲁地拉、观音岩、溪洛渡、向家坝、锦屏一级、二滩、紫坪铺、瀑布沟、构皮滩、思林、沙沱、彭水、碧口、宝珠寺、亭子口、草街和三峡水库联合运行)成果相比，洞庭湖区城陵矶站在2032年25库调度(增加乌东德、白鹤滩、两河口和双江口水库联合运行)和2052年25库调度情形下9~10月平均水位将分别下降−0.74 m和−1.29 m，12~2月平均水位将分别下降−1.34 m和−2.08 m；鹿角站在2032年25库调度和2052年25库调度情形下9~10月平均水位将分别下降−0.20 m和−0.60 m，12~2月平均水位将分别下降−0.46 m和−0.68 m；小河咀站在2032年25库调度和2052年25库调度情形下9~10月平均水位将分别下降−0.07 m和−0.26 m，12~2月平均水位将分别下降−0.06 m和−0.11 m；杨柳潭站在2032年25库调度和2052年25库调度情形下9~10月平均水位将分别下降−0.09 m和−0.29 m，12~2月平均水位将分别下降−0.15 m和−0.23 m。
(a) 城陵矶站 (b) 小河咀站
(c) 鹿角站 (d) 杨柳潭站
Figure 6. Comparison of monthly water levels in different conditions in Dongting Lake
图6. 洞庭湖湖区主要站点不同情形下的月平均水位变化图
5. 江湖关系变化对洞庭湖区水资源的作用机制
5.1. 洞庭湖区水资源利用问题分析
三峡及上游控制性水库群运用以来，受水库群调蓄、江湖冲淤、丰枯变化等因素共同作用，枯期荆南三口入湖水量减少，干流水位降低将湖区水体加速拉出，两湖枯期水位呈总体下降趋势，湖泊面积和容积随之减小，其中9~10月水位降幅最大。
从湖区水量角度来看，虽然湖泊容积减少，但是仍能满足湖区农田灌溉和城乡供水需水量。两湖湖区水位下降是造成两湖灌溉及城乡供水缺水的主要原因。两湖湖区灌溉及城乡供水设施大多基于三峡运用之前的水文系列，按照规范进行工程设计和建设，2003年前基本满足取水要求。三峡及上游控制性水库群运用以来，湖区枯期水位下降，灌溉及城乡供水设施普遍取水困难。三峡水库运行30至50年后，由于长江干流河道进一步冲刷，湖区水位降低呈趋势性变化，湖区枯水情势持续加剧。
湖区以城陵矶站24.5 m (农田灌溉安全水位)作为判别标准，分析湖区枯水出现时间和持续天数，结合湖区农田灌溉机制，近年来湖区灌溉及城乡供水用水供需矛盾主要集中在三峡水库蓄水期9~10月。根据城陵矶站10月份的平均水位、干流宜昌10月径流量，通过经验排频挑选典型年，选择1987年为丰水年，1999年为平水年，1997年为枯水年。城陵矶站在四种江湖关系变化情景下平水年的逐日水位过程见图7。
1987年城陵矶站实测大于24.5 m的天数为189 d，2032年江湖关系情景下仅为168 d，2052年江湖关系情景下仅为147 d，9~10月城陵矶站实测大于24.5 m的天数为61 d，2032年江湖关系情景下仅为49 d，2052年江湖关系情景下仅为36 d。1999年城陵矶站实测大于24.5 m的天数为210 d，2032年江湖关系情景下仅为163 d，2052年江湖关系情景下仅为142 d，9~10月城陵矶站实测大于24.5 m的天数为61 d，2032年江湖关系情景下仅为36 d，2052年江湖关系情景下仅为32d。1997年城陵矶站实测大于24.5 m的天数为198 d，2032年江湖关系情景下仅为143 d，2052年江湖关系情景下仅为131 d，9~10月城陵矶站实测大于24.5 m的天数为51 d，2032年江湖关系情景下仅为6 d，2052年江湖关系情景下为0 d。可以看出，各典型年份在2032和2052年江湖关系情景下9~10月的枯水期有所提前，灌溉供水情况进一步恶化。
Figure 7. Comparison of daily water levels in different conditions of Chenglingji Station
图7. 不同情景下城陵矶站1987年逐日水位过程图
5.2. 洞庭湖枯期水位影响因素分析
根据洞庭湖代表站城陵矶站蓄水期水位变化情况，采用1960~2002年、2008~2019年的资料进行对比分析9~11月三峡蓄水期洞庭湖水文情势影响因素，成果见表1。
三峡水库2008~2019年9~11月蓄水运用对城陵矶站的影响值分别为−0.63 m、−1.51 m和−0.17 m。根据蓄水量的大小，以三峡水库蓄/补水量对城陵矶站水位的影响，按比例(考虑河道槽蓄等，上游水库比例1:0.7，中游清江和洞庭湖水系水库比例1:1)分析，9~11月上中游控制性水库蓄水运用对城陵矶站水位影响值分别为−0.34 m、0.21 m和−0.06 m。可以看出，上中游控制性水库蓄水运用，对城陵矶站水位的影响，9月份因蓄水量较大影响；10月份上游水库补水的作用小于清江和洞庭湖水系水库蓄水的影响；11月上中游水库蓄水量使城陵矶站水位略有降低。
Table 1. Impact on the water level of Chenglingji Station under the joint operation of reservoirs in the upper reaches of the Yangtze River (without three gorges reservoir)
表1. 长江上游水库(除三峡外)联合运行对城陵矶站水位的影响分析表
水系名称 |
项目 |
9月 |
10月 |
11月 |
三峡水库均值 |
蓄水量(亿m3) |
−88.39 |
−82.81 |
−2 |
对城陵矶站水位影响(m) |
−0.63 |
−1.51 |
−0.17 |
长江上游控制性 水库合计均值 |
蓄水量(亿m3) |
−35.23 |
7.41 |
1.83 |
对城陵矶站水位影响(m) |
−0.23 |
0.12 |
0.14 |
清江、洞庭湖水系 控制性水库合计均值 |
蓄水量(亿m3) |
−16 |
−18 |
−2 |
对城陵矶站水位影响(m) |
−0.11 |
−0.33 |
−0.20 |
上中游控制性水库蓄水运用对城陵矶站水位影响(m) |
−0.34 |
0.21 |
−0.06 |
根据螺山站2008~2019年9~11月实测月均流量，利用1960~2002年和2008~2019年的螺山站水位—流量相关关系计算长江干流河道冲刷对螺山站水位的影响，利用1960~2002年螺山站–城陵矶站水位相关关系计算相应对城陵矶站水位的影响。综合分析，2008~2019年城陵矶站9月水位降低的影响因素，三峡及上中游水库蓄水影响、河道冲刷及前期江湖槽蓄量减小的影响，各占一半；10月水位降低的影响，以三峡及上中游控制性水库蓄水运用为主；11月水位降低，以河道冲刷影响为主，其次为上中游控制性水库蓄水运用。
项目 |
9月 |
10月 |
11月 |
2008~2019年水位变化值(m) |
−1.93 |
−2.44 |
−0.56 |
① 三峡水库蓄泄调度影响值(m) |
−0.63 |
−1.51 |
−0.17 |
① 占比 |
33% |
62% |
30% |
② 除三峡以外的上中游控制性水库调度运用影响值(m) |
−0.34 |
−0.21 |
−0.06 |
② 占比 |
17% |
8% |
10% |
③ 长江干流河道冲刷影响值(m) |
−0.07 |
−0.26 |
−0.30 |
③ 占比 |
4% |
11% |
53% |
④ 前期江湖槽蓄量减少等其它因素影响值(m) |
−0.89 |
−0.46 |
−0.04 |
④ 占比 |
46% |
19% |
7% |
6. 结论
三峡及上游控制性水库群运用以来，受长江上游来水来沙变化、两湖水系来水变化、水库建设、江湖冲淤变化、人类采砂等因素共同作用，洞庭湖枯期水位呈总体下降趋势。其中，9~10月水位降幅最大，相较于三峡蓄水以前，洞庭湖区下降幅度为0.81~1.63 m，越靠近长江干流水位降幅越大。城陵矶站9月水位降低的影响因素，三峡及上中游水库蓄水影响、河道冲刷及前期江湖槽蓄量减小的影响，各占一半；10月水位降低的影响，以三峡及上中游控制性水库蓄水运用为主；11月水位降低，以河道冲刷影响为主，其次为上中游控制性水库蓄水运用。
基金项目
长江科学院开放研究基金资助项目(编号：CKWV2021866/KY)；水利部重大科技项目(SKS-2022038)；国家重点研发计划项目(2021YFC3200304)。