三峡建库前后洞庭湖水文情势变化分析

Changes in Hydrological Regime of Dongting Lake before and after the Operation of the Three Gorges Reservoir

摘要: 洞庭湖是长江中下游的重要大型通江湖泊，其防洪、生态地位突出。本文采用滑动平均、M-K趋势检验等数理统计方法，分析三峡建库前后的洞庭湖水文情势变化，结果表明：从入出湖径流量变化分析，洞庭湖入湖组成中荆江三口径流量显著下降，三峡建库后减少44%，洞庭四水来水无明显变化，水量占比上四水比例增加、荆江三口比例下降，出湖径流量呈显著下降趋势，三峡建库后减少了12.8%，主要来自于荆江三口径流量的减少；从湖区代表站七里山站特征水位变化分析，年际、年代际均呈显著上升趋势，三峡建库后七里山站平均水位抬高0.18 m，逐月平均水位具有汛前水位抬高、汛后水位降低的特点，其中抬高、降低幅度最大的月份分别为3月、10月，三峡建库前后对年最高水位无明显影响，建库后年最低水位出现时间明显提前、水位值明显抬高。该成果可为流域水旱灾害防御、水资源利用等方面提供基础规律支撑。

Abstract: Dongting Lake is an important large-scale lake that can regulate and store water of Changjiang River, with outstanding flood control and ecological function. This article uses mathematical statistical methods such as moving average and Mann-Kendall trend test to analyze the changes in hydrological regime of Dongting Lake before and after the operation of the Three Gorges Reservoir. The results show that the runoff in the three outlets along Jingjiang River significantly decreased by 44% after the operation of the Three Gorges, but the runoff of the four branches of Dongting Lake unchanged. The proportion of the runoff of the four branches to the total runoff of Dongting Lake increased and the proportion of the three outlets along Jingjiang River obviously decreased. The outflow of the Dongting Lake showed a significant downward trend, which decreased by 12.8% after the operation of the reservoir, mainly due to the decrease in the three outlets along Jingjiang River. From the analysis of the characteristic water level changes at Qilishan Station, a representative station in Dongting Lake, there is a significant upward trend between annual and decadal water levels. After the operation of the reservoir, the average water level at Qilishan station has risen by 0.18 meters, and the monthly average water level has the characteristics of rising before the flood season and falling after the flood season. The months with the largest degree of rise and fall are March and October, respectively. The operation of the reservoir has no significant impact on the annual highest water level. After the operation, the occurrence time of the annual minimum water level is significantly earlier, and the water level value rises. This conclusion can provide basic technical support for the prevention of water and drought disasters and the utilization of water resources in the Yangtze River Basin.

1. 引言

洞庭湖为我国第二大淡水湖，也是长江中下游的重要大型通江湖泊[1]，对整个长江中下游地区水资源调蓄尤其是防洪调蓄占据极其重要的地位[2]。

近年来，受气候变化和人类活动影响，河流水文情势发生了一定变化[3] [4]，为识别和刻画水文情势的变化趋势和突变，国内外学者采用多种数理统计方法开展研究，如线性倾向估计法、Mann-Kendall (M-K)检验法、Pettitt突变检验法、滑动平均法[5]-[7]。王鸿翔等[8]等采用M-K和Pettitt检验法判断了岷江水文突变年份，并评价了水文变异程度，郭文献等[9]基于M-K突变分析结果，确定嘉陵江北碚水文站年径流突变年份。围绕洞庭湖的水文、泥沙等要素同样也开展了较多研究，如陈柯兵[10]采用水文变异诊断系统对近60 a (1959~2020年)洞庭湖四水出口控制站的洪峰特征值序列进行了变异特性及归因分析，多位学者对洞庭湖区整个时期的水文变化特征进行了研究[11] [12]，隆院男等[13]对洞庭湖湖区各重要控制站的汛期水位序列变异进行了深入探讨。目前还未有学者对洞庭湖入出湖水文情势和特征水位变化进行整体分析，且2022年长江流域汛期发生极端枯水[14]，其中2022年洞庭湖夏秋冬季大干旱，其控制站的水位、流量、径流量均达到历史同期最小[15]，2022年极端性突出，需增加样本分析水文情势变化程度。

在以上研究的基础上，基于1959~2022年超过60 a的长序列水文观测资料，进一步聚焦以三峡为核心的上游水库群运行对洞庭湖水文情势的变化，以期为流域水旱灾害防御、水资源利用和生态保护等方面提供基础规律支撑。

2. 资料与方法

2.1. 研究区概况及资料

洞庭湖流域年降水量1100~1400 mm，由外围山丘向内部平原减少，4~6月占年总降水量50%以上，多为大雨和暴雨，若各河流洪峰遭遇，易成洪、涝、渍灾。洞庭湖汇集湘、资、沅、澧四水及湖周中小河流约30万km²来水，承接经松滋、太平、藕池、调弦(1958年冬封堵)及四口河网分流长江的部分水沙入湖后，在城陵矶附近汇入长江。

本研究采用洞庭湖水系湘江湘潭站、资水桃江站、沅江桃源站、澧水石门站，洞庭湖出口七里山站，荆江三口松滋河新江口、沙道观站、虎渡河弥陀寺站和藕池河管家铺、康家岗站共10站1959~2022年的水文资料。

研究区概况及水文站点分布见图1。

图1. 洞庭湖湖区与长江干流主要站点位置示意图

2.2. 研究方法

本文采用线性倾向估计法[5]、滑动平均分析法[7]、Mann-Kendall趋势检验法[5]对洞庭湖入、出湖径流量的年际、年代际变化趋势进行分析，其中MK趋势检验取置信水平 = 0.05，临界值Z_1-α/2 = 1.96；并采用数理统计方法，以洞庭湖出口七里山站为湖区水位代表站，统计分析年、月、极值水位在三峡建库前后的变化规律。

3. 结果与分析

3.1. 入湖径流量变化趋势分析

3.1.1. 荆江三口分流

分析荆江三口径流量变化趋势，从图2(a)年径流序列和5 a滑动平均序列均可明显看出荆江三口径流量显著减小，其中线性倾向梯度为−14.75亿m³·a⁻¹，MK统计量为−7.26，均表明了显著下降的趋势，且在2003年以后，径流量减少的趋势趋缓。

荆江三口的径流量主要来自于长江干流的分流，干流径流的大小、河道地形的演变显著影响荆江三口径流量的大小，以荆江三口径流量与长江干流枝城站径流量的比值作为分流比进行分析。从荆江三口河道演变的六个阶段分析分流比变化，见图2(b)，荆江三口的分流比总体呈下降的趋势，1956~1966年基本稳定在30%左右，1967年下荆江开始系统性裁弯，至1972年期间荆江河床冲刷、三口分流比逐渐减小至20%左右，裁弯后的1973~1980年，荆江河床继续大幅冲刷，三口分流比减小至17%左右，1981年葛洲坝水利枢纽修建后，衰减速率则有所减缓。三峡工程蓄水运用后，因荆江河道发生冲刷，三口分流比和分流量继续保持下降趋势；三峡水库建库后的2003~2022年，荆江三口分流比的多年均值为11%，与1956~1966年的29%相比减小了18%，与1981~2002年的15%相比减小了4%，荆江三口分流比的减小趋势总体趋于缓和。

(a) 径流量变化

(b) 分流比变化

图2. 荆江三口分流变化

3.1.2. 洞庭四水入流

分析洞庭四水径流量变化趋势，从图3年径流序列和5 a滑动平均序列变化可看出，洞庭四水径流量总体波动较大，线性倾向估计梯度为1.88亿m³∙a⁻¹，呈现微弱上升的趋势，分析MK统计量为0.94，未通过趋势检验，表明洞庭四水径流量总体上升趋势不显著。

从年代际径流量变化来看，整体变化不大，总体呈波动的趋势，1959~1969年平均年径流量为1609亿m³，1970~1979年平均年径流量略有增加，为1675亿m³，1980~1989年小幅减少，1990~1999年增加至1801亿m³，为各年代际均值中的最大值，与本年代中洞庭四水多次发生明显洪水有关[16]，2000~2009年年代际均值回落至1612亿m³，2010~2022年平均年径流量为1736亿m³，从年代际均值变化来看也无明显趋势变化规律。

图3. 洞庭四水年径流变化

3.1.3. 入湖组成变化

从入湖径流量大小分析，洞庭四水径流量的年际变化较大，整体呈略增加的趋势，从年代际来看变化不明显，平均径流量1676亿m³；荆江三口径流量显著减少，1959~1969年的年均1311亿m³，2010~2022年年均486亿m³，减少了825亿m³入湖水量。以三峡建库为时间节点分析入湖径流量变化，1959~2002年洞庭四水、荆江三口平均年径流量分别为1684亿m³、872亿m³，2003~2022年两者的平均年径流量为1657亿m³、488亿m³，洞庭四水径流无明显调整，荆江三口径流量减少44.0%。

分析各区域入湖水量占出湖水量比重，年际变化来看(见图4(a))，四水比例总体呈增加的趋势，荆江三口来水占比逐渐减少，年代际变化来看(见图4(b))，1959~1969年洞庭四水、荆江三口占比分别为51.0%和41.5%，1970~1979年、1980~1989年洞庭四水的占比总体在60%左右，荆江三口占比也无明显调整，约30%，自1990年起，洞庭四水占比增加至65%左右，荆江三口占比逐步下降，1990~1999年、2000~2009年和2010~2022年分别为22.4%、21.3%和18.7%。以三峡建库为时间节点分析入湖组成占比变化，1959~2002年洞庭四水、荆江三口占比分别为59.2%、30.6%，2003~2022年两者的占比调整为66.8%、19.7%。

3.2. 出湖径流量变化趋势分析

以七里山站的径流资料表征洞庭湖的出湖径流变化情况。从逐年径流量变化和5 a滑动平均变化分析(见图5)，

(a) 逐年占比变化 (b) 年代际占比变化

图4. 洞庭湖入湖水量占比变化

洞庭湖出湖径流量总体呈波动下降的趋势，线性倾向估计梯度为−9.20亿m³∙a⁻¹，分析MK统计量为−2.35，表明洞庭湖出湖径流量下降趋势显著。

从年代际径流量变化来看，整体呈波动下降的趋势，1959~1969年平均年径流量为3157亿m³，1970~1979年平均年径流量下降为2709亿m³，1980~1989年进一步减少至2657亿m³，1990~1999年小幅增加至2788亿m³，2000~2009年、2010~2022年径流量波动，分别为2411亿m³、2604亿m³。以三峡建库为时间节点分析，1959~2002年出湖平均年径流量为2846亿m³，2003~2022年出湖平均年径流量下降为2482亿m³，较建库前减少12.8%。

图5. 洞庭湖出口七里山站年径流变化

3.3. 湖区特征水位变化

洞庭湖水位变化受荆江三口、四水汇入、湖区来水和长江来水的共同影响，汛期长达半年之久(4~9月)。其中4~6月为主汛期，7~8月为长江主汛期，湖区水位受长江洪水汇入、出口处顶托影响而壅高，水位长期维持高水位，湖区年最高水位一般出现在7~8月，进入10月份，受长江稳定退水影响，湖区水位持续下降，湖区年最低水位一般出现在1~2月。以洞庭湖出口七里山站水位为洞庭湖湖区水位代表站，以2003年为时间节点分析三峡建库前后七里山站的水位特征值变化。

3.3.1. 平均水位

从七里山站逐年平均水位变化和5 a滑动平均变化分析(见图6)，总体呈波动上升的趋势，线性倾向估计梯度为0.02 m∙a⁻¹，分析MK统计量为2.72，表明洞庭湖年平均水位上升趋势显著。

从年代际水位变化来看也呈上升的趋势，1959~1969年平均水位为24.25 m，1990~1999年水位上升至25.47 m，2000年起水位略有波动，2000~2009年、2010~2022年平均水位分别为25.05 m、25.10 m。

图6. 洞庭湖出口七里山站年平均水位变化

统计三峡建库前后七里山各月和年平均水位差值见表1，逐月平均水位及差值对比见图7。从年平均水位来看变化不大，水位略有抬高，三峡建库前平均水位24.84 m，建库后2003~2022年平均水位25.02 m，抬高0.18 m；从逐月平均水位变化来看，总体趋势变化不大，仍为12月~2月水位较低、6~8月湖区水位较高的基本规律，但对比三峡建库前后的水位影响，总体表现为汛前水位抬高、汛后水位降低的特点，具体为：建库后1~6月多年平均水位有一定抬高，其中1~3月抬高幅度较明显，分别为1.37 m、1.42 m和1.67 m，建库后8~11月平均水位降低，9月、10月降低幅度超过1.0 m，其中10月降低幅度最大为1.81 m，8月、11月分别降低0.35 m、0.81 m，12月水位相差不大。

表1. 三峡建库前后七里山站年月水位变化

时间

1月

2月

3月

4月

5月

6月

7月

8月

9月

10月

11月

12月

年

水位差值(m)

1.37

1.42

1.62

0.67

0.46

0.77

0.05

−0.35

−1.13

−1.81

−0.81

−0.02

0.18

3.3.2. 年最高水位

历年最高水位出现在8月，达35.94 m (1998年8月20日)，最低水位出现在2月，为17.27 m (1960年2月16日)，极值水位差高达18.67 m；三峡建库后多年平均出湖水位25.02 m，历年最高水位出现在7月，达34.74 m (2020年7月28日)，最低水位出现在11月，为19.12 m (2022年11月12日)，极值水位差高达15.62 m。

(a) 各月水位值对比 (b) 建库前后水位影响

图7. 三峡蓄水前后洞庭湖七里山站月平均水位对比

统计历年最高水位分布(见图8(a))和时间量级的分布情况(见图9)。从1959~2022年统计来看，七里山站最高水位一般出现时间在5~9月，其中以6~7月更为集中，占78.1%，而7月出现最高水位的占比达到了64.1%，最高水位主要集中出现30 m到34 m，该范围内占比达到了73.4%。从三峡建库前后各月最高水位占比总体没有明显的变化，仍以7月出现占比最多，建库前后的占比分别为65.9%、60.0%，最高水位的区间分布也无明显调整，建库前后最高水位在30 m到34 m的占比分别为75.0%、70.0%。

3.3.3. 年最低水位

统计历年最低水位分布(见图8(b))和时间量级的分布情况(见图10)。从1959~2022年统计来看，年最低水位出现在11月至次年3月，其中以12月至次年2月更为集中，占84.4% (其中2月占34.4%，12月占28.1%)，最低水位主要集中出现18 m到21 m，该范围内占比达到了92.2%。对比三峡建库前后，从出现时间的分布来看，三峡建库前最低水位出现时间在汛前(1~3月)的比例达81.8%，而三峡建库后年最低水位出现在汛后(11~12月)的占比由18.2%升至55%，汛前(1~3月)出现年最低水位的占比由81.8%降至45%；从年最低水位的大小来看，三峡建库前，年最低水位在17 m到21 m之间，且低于19 m的占比达到50.0%，以18 m到19 m出现频次最高，占比达到38.6%，三峡建库后，年最低水位有明显抬高，截至2022年，年最低水位均高于19 m，其中2022年长江流域极端枯水期间年最低水位为19.12 m，且年最低水位出现在20 m到21 m之间的占比达到了80%，较建库前占比18.2%有明显的抬高。总体而言，三峡水库建成及上游水库群运行影响下，洞庭湖的年最低水位出现时间明显提前，且较建库前明显抬高了年最低水位。

目前，三峡蓄水后的样本数量仅占本文统计资料以来的31%，极值水位的时间量级影响的结论还有待进一步统计验证。

(a) 年最高水位 (b) 年最低水位

图8. 洞庭湖七里山站极值水位出现时间分布

(a) 年最高水位时间分布 (b) 年最高水位范围分布

图9. 洞庭湖七里山站年最高水位时间及范围分布

(a) 年最低水位时间分布 (b) 年最低水位范围分布

图10. 洞庭湖七里山站年最低水位时间及范围分布

4. 结论

本文以洞庭湖为研究对象，基于1959~2022年实测资料，采用数理统计方法分析了洞庭湖入湖、出湖径流量、湖区平均水位的年际、年代际变化趋势和特征水位的分布，并对比分析了三峡建库前后的变化特征，主要结论如下：

1) 洞庭湖入湖组成中荆江三口径流量显著下降，且三峡建库后减少了44%，洞庭四水来水无明显变化，从水量占比来看四水比例增加、荆江三口比例下降，三峡建库后洞庭四水占比由59.2%增加至66.8%，荆江三口占比由30.6%下降至19.7%；洞庭湖出湖径流量呈显著下降趋势，三峡建库后年平均径流量减少12.8%。

2) 洞庭湖出口控制站七里山站水位年际、年代际均呈显著上升趋势，三峡建库后七里山站平均水位抬高0.18 m；逐月平均水位总体趋势变化不大，仍为12月~2月水位较低、6~8月湖区水位较高的基本规律，但对比三峡建库前后的水位影响，总体表现为汛前水位抬高、汛后水位降低的特点，其中抬高幅度最大月份为3月1.62 m，降低幅度最大月份为10月1.81 m。

3) 从年极值水位出现时间和量级分析，最高水位一般出现时间在5~9月，7月出现最高水位的占比最高为64.1%，最高水位主要集中出现30 m到34 m，三峡建库前后没有明显的变化；最低水位一般出现在11月至次年3月，以12月至次年2月最为集中，最低水位主要集中出现18 m到21 m，三峡水库建成及上游水库群运行影响下，洞庭湖的年最低水位出现时间明显提前，且较建库前明显抬高了年最低水位。

基金项目

湖南省水利科技项目(XSKJ2023059-05)；水利部重大科技项目(SKR-2022011)。

NOTES

作者简介：丁红尧(1968-)，男，汉族，湖北武汉人，主要从事水文测验和水文水资源分析方面工作，Email: [e-mail]

^*通讯作者Email: [e-mail]