基于水位流量關系變化特性的洞庭湖區范圍研究

(湖南省水利水電勘測設計研究總院，湖南 長沙 410007)

1 研究背景

洞庭湖位于湖南省北部、長江干流中游河段的南岸。由于長江和洞庭湖水位流量關系的變化，洞庭湖經歷了由小變大、又由大變小的演變過程，現狀洞庭湖河湖水系復雜，北納松滋、太平、藕池和調弦四口，南接湘水、資水、沅水和澧水，以及環湖直接入湖支流，洞庭湖湖泊由東洞庭湖、南洞庭湖和西洞庭湖(含目平湖和七里湖)組成，湖泊總面積2 625 km2。

為滿足洞庭湖的水利工程建設、綜合治理以及保護和開發的需要，在歷次和洞庭湖相關的規劃設計中揚子江水利委員會、湖南省水利水電勘測設計院、湖南省洞庭湖水利工程局、長江水利委員會等單位均提出并定義了洞庭湖區的概念[1-6]。各單位確定洞庭湖區范圍北線的邊界為長江干流河段的南岸，而湘資沅澧四水和直接入湖支流邊界確定的依據和原則包括：①純洞庭湖區[1]；②水系、交通干線、地形地貌、高程[2-3]；③水系、水文控制站、高程[4]；④行政區劃[5]等。由于湘資沅澧四水和直接入湖支流邊界確定的依據和原則及關注點各不相同，得出的洞庭湖區的范圍和區域面積有較大差異，以致劃定的洞庭湖區面積從5 570 km2到 60 500 km2各不相等。

洞庭湖和洞庭湖區具有各自的定義和范圍，但二者之間關系密切。洞庭湖通常指東洞庭湖、南洞庭湖和目平湖、七里湖等水域，而洞庭湖區則是與洞庭湖具有內在聯系(如水文特性、地形地貌特征)的區域。深入研究和科學、合理確定洞庭湖區的范圍，對于研究洞庭湖區洪澇旱災害、水生態環境惡化產生的機理機制，編制洞庭湖區防災減災、水生態水環境保護、水資源綜合利用和防洪排澇工程總體布局規劃具有十分重要的意義。該研究基于湘資沅澧四水尾閭水位流量關系變化特性，以洞庭湖高洪水位對四水尾閭洪水位不帶來頂托影響為判別條件，確定四水尾閭地區洞庭湖的邊界點為：湘水株洲航電樞紐、資水桃江水文站、沅水桃源水文站和澧水石門水文站。洞庭湖區范圍為上述邊界點和地面高程50 m控制的區域。行政區劃涉及湖南省的岳陽、益陽、常德、長沙、株洲、湘潭6市的37個縣(市、區)和湖北省荊州市的4個縣(市、區)，區域總面積23 140.75 km2，其中湖南省境內19 217.29 km2、湖北省境內 3 923.46 km2。

2 洞庭湖區范圍研究成果及分析

表1 洞庭湖區范圍研究成果

2.1 洞庭湖區范圍研究成果

(1)1938年揚子江水利委員會編制的《劃定洞庭湖湖界報告》[1]確定的洞庭湖區范圍為純洞庭湖區，即相當于現在所說的2 625 km2相對應的洞庭湖范圍，本次研究根據《劃定洞庭湖湖界報告》附圖量算，區域面積為5 570 km2。

(2)1984年湖南省水利水電勘測設計院和湖南省洞庭湖水利工程局編制的《湖南省洞庭湖區近期防洪蓄洪工程初步設計書》[2]和1985年湖南省水利水電勘測設計院編制的《長江流域綜合利用修訂補充規劃報告(洞庭湖區綜合利用規劃)》[3](以下簡稱“《補充規劃》”)確定洞庭湖區范圍的依據為：長江荊江河段、京廣和枝柳鐵路、長常桃公路、太陽山-鳳凰山-嘉山和地面高程25～50 m等河流水系、交通干線、地形地貌特點。由此確定的洞庭湖區總面積18 780 km2，其中湖南152 00 km2，湖北3 580 km2。行政區劃涉及湖南省6市36縣(市、區)，湖北省范圍內資料不詳。

(3)長江水利委員會1997年編制的《洞庭湖區綜合治理近期規劃報告》[4]和2015年編制的《洞庭湖區綜合規劃報告》[5]確定洞庭湖區范圍的依據為：長江荊江河段、湘資沅澧四水尾閭控制站、50 m等高線等河流水系、水文站和地形地貌特點。1997年《洞庭湖區綜合治理近期規劃報告》中洞庭湖區面積仍采用《補充規劃》成果，即洞庭湖區總面積為18 780 km2，其中湖南15 200 km2,湖北3 580 km2；2015年《洞庭湖區綜合規劃報告》確定的洞庭湖區范圍沒有調整，但重新核實了洞庭湖區面積，洞庭湖區總面積20 109 km2，其中湖南省16 157 km2，湖北省3 952 km2。行政區劃涉及湖南省6市36縣(市、區)、湖北省1市4縣(市、區)。

(4)2013年湖南省、湖北省人民政府編制的《洞庭湖生態經濟區規劃》[6]從行政區劃的角度確定洞庭湖區的范圍為湖南省岳陽市、常德市、益陽市全境及長沙市望城區和湖北省荊州市全境，區域總面積6.05萬km2，其中湖南省境內4.64萬km2,湖北省境內1.41萬km2。行政區劃涉及湖南省4市25縣(市、區)、湖北省1市8縣(市、區)。

洞庭湖區范圍研究成果詳見表1。

2.2 范圍成果分析

2.2.1 《補充規劃》

(1)定義洞庭湖區位于長江荊江河段以南，而荊江河段只到洞庭湖出口城陵磯，按照狹義的理解，岳陽市云溪區、臨湘市不在洞庭湖區范圍內，但從防洪工程的完整性和閉合性考慮，洞庭湖出口以下的長江干堤自岳陽市城區(東風湖、吉家湖)、永濟垸、江南陸城垸至黃蓋湖為連續的防洪工程，洞庭湖區范圍可以延續至江南陸城垸的鐵山嘴(黃蓋湖出口)。

(2)以京廣和枝柳鐵路、長常桃公路等交通干線確定洞庭湖區范圍，株洲市、湘潭市、長沙市雨花區都不在洞庭湖區范圍內。而且，益陽市桃江縣、常德市石門縣也不在洞庭湖區范圍內。

2.2.2 《洞庭湖區綜合治理近期規劃》和《洞庭湖區綜合規劃》

(1)定義洞庭湖區位于長江荊江河段以南，而荊江河段只到洞庭湖出口城陵磯，按照狹義的理解，岳陽市云溪區、臨湘市不在洞庭湖區范圍內，但從防洪工程的完整性和閉合性考慮，洞庭湖出口以下的長江干堤自岳陽市城區(東風湖、吉家湖)、永濟垸、江南陸城垸至黃蓋湖為連續的防洪工程，洞庭湖區范圍可以延續至江南陸城垸的鐵山嘴(黃蓋湖出口)。

(2)和前述的其他成果相比，增加了“四水尾閭控制站以下”這個條件，湘水尾閭控制站為湘潭水文站。若以湘潭水文站為界確定洞庭湖區范圍，則株洲市全部、湘潭市的湘潭縣都不在洞庭湖區范圍內。

(3)1997年《洞庭湖區綜合治理近期規劃》與1985年《補充規劃》相比，兩者定義的洞庭湖區范圍有較大的區別，但洞庭湖區范圍面積相同(2015年《洞庭湖區綜合規劃》中對該面積重新進行了量算，成果見表1)。

(4)和前述的其他成果相比，增加了“50 m高程以下區域”這個條件，使洞庭湖區區域范圍更加明確，量化程度更高。

2.2.3 《洞庭湖生態經濟區規劃》

2013年《洞庭湖生態經濟區規劃》中洞庭湖區的范圍結合“長株潭兩型社會建設試驗區”、“大湘西武陵山經濟協作區”和“湘南地區國家級承接產業轉移示范區”等區域性規劃的范圍確定，包括湖南省岳陽市、常德市、益陽市全境及長沙市望城區和湖北省荊州市全境，規劃范圍是從行政區劃角度出發，而不是從洞庭湖及洞庭湖區的自然屬性考慮。

3 四水入湖河段水位流量關系變化特性

為盡可能反映天然洪水下的四水入湖河段水位流量關系，消除航電梯級運行造成的水位頂托對水位流量關系的干擾，本文在考慮實測資料時間一致性的同時，選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運行影響時段的水位流量資料，研究四水入湖河段水位流量關系變化特性。

3.1 湘水入湖河段水文特性

3.1.1 控制站水位流量曲線

圖1 湘水尾閭水位流量關系

湘水永州以上為上游、永州至衡陽為中游、衡陽以下為下游，濠河口為湘水河口，湘水至此即進入洞庭湖。湘水下游有衡山、株洲和湘潭等水文站。為了消除株洲航電樞紐和長沙綜合樞紐的影響，點繪衡山1998～2004年(下游株洲航電2005年蓄水)、株洲1998～2010年(下游湘江長沙樞紐2010年蓄水)、湘潭1998～2010年(下游湘江長沙樞紐2010年蓄水)水位流量關系曲線，成果見圖1。從衡山、株洲、湘潭水文站水位流量相關分析可以看出：① 從上至下各水文站水位流量相關性降低，衡山站相關系數為 0.994 1，株洲站相關系數為 0.888 6，湘潭站相關系數為 0.749 0；② 衡山站水位流量關系近似為單一線，水位流量關系的變化已基本不受下游水位的頂托影響。

3.1.2 洞庭湖區對湘水頂托影響程度判別

根據前述分析研究，洞庭湖區洪水對湘水的頂托影響范圍在湘潭、株洲以上，到衡山頂托影響基本消除。從受洞庭湖區頂托影響確定洞庭湖區范圍的角度，洞庭湖區在湘水的范圍可以確定在衡山水文站，但考慮到衡山水文站下游已建有株洲航電樞紐，航電樞紐的運行部分改變了河道的水文特性，所以確定株洲航電樞紐為洞庭湖區在湘水的范圍。

3.2 資水入湖河段水文特性

3.2.1 控制站水位流量曲線

資水小廟頭以上為上游、小廟頭至桃江馬跡塘為中游、馬跡塘以下為下游，甘港口為資水河口，資水至此即進入洞庭湖。資水下游有桃江、益陽等水文站。考慮到桃江水文站的站址移動和益陽水文站的資料系列情況，點繪桃江1998～2004年(2005年站址移動)、益陽1998～2010年(2010年后不再觀測流量)水位流量關系曲線，成果見圖2。從資水桃江、益陽水文站水位流量相關分析可以看出：① 從上至下各水文站水位流量相關性降低，桃江站相關系數為 0.984 5，益陽站相關系數為 0.604 1；② 桃江站水位流量關系近似為單一線，水位流量關系的變化已基本不受下游水位的頂托影響。

圖2 資水尾閭水位流量關系

圖3 沅水尾閭水位流量關系

3.2.2 洞庭湖區對資水頂托影響程度判別

根據前述分析研究，洞庭湖區洪水對資水的頂托影響范圍在桃江站已基本消除。從是否受洞庭湖區水位頂托影響來確定洞庭湖區范圍的角度考慮，洞庭湖區在資水的范圍即在桃江水文站。

3.3 沅水入湖河段水文特性

3.3.1 控制站水位流量曲線

沅水黔城以上為上游、黔城至沅陵為中游、沅陵以下為下游，常德德山為沅水河口，沅水至此即進入洞庭湖。沅水下游有桃源、常德等水文站。根據兩站資料情況，點繪桃源1998～2012年、常德2000～2012年(該站2000后開始觀測流量)水位流量關系曲線，成果見圖3。從沅水桃源、常德水文站水位流量相關分析可以看出：① 從上至下各水文站水位流量相關性降低，桃源站相關系數為 0.970 1，常德站相關系數為 0.932 7；② 桃源站水位流量關系近似為單一線，水位流量關系的變化已基本不受下游水位的頂托影響。

3.3.2 洞庭湖區對沅水頂托影響程度判別

根據上述分析研究，洞庭湖區洪水對沅水的頂托影響范圍在桃源站已基本消除。從是否受洞庭湖區水位頂托影響來確定洞庭湖區范圍的角度考慮，洞庭湖區在沅水的范圍即在桃源水文站。

3.4 澧水入湖河段水文特性

3.4.1 控制站水位流量曲線

澧水桑植以上為上游、桑植至石門為中游、石門以下為下游，津市為澧水河口，澧水至此即進入洞庭湖。澧水下游有石門、津市等水文站。點繪石門、津市水文站1998～2012年水位流量關系曲線，成果見圖4。從澧水石門、津市水文站水位流量相關分析可以看出：① 從上至下各水文站水位流量相關性降低，石門站相關系數為 0.988 6，津市站相關系數為0.729 3；② 石門站水位流量關系近似為單一線，水位流量關系的變化已基本不受下游水位的頂托影響。

圖4 澧水尾閭水位流量關系

3.4.2 洞庭湖區對澧水頂托影響程度判別

根據上述分析研究，洞庭湖區洪水對澧水的頂托影響范圍在石門站已基本消除。從是否受洞庭湖區水位頂托影響來確定洞庭湖區范圍的角度考慮，洞庭湖區在澧水的范圍即在石門水文站。

4 洞庭湖區范圍的確定

4.1 洞庭湖區范圍的確定原則

洞庭湖位于湖南省北部、長江干流南岸。長江干流枝城至城陵磯河段稱為荊江，分泄長江水流進入洞庭湖的四口和洞庭湖水流注入長江的出口都位于該河段內，但洞庭湖區的岳陽市云溪區、臨湘市在洞庭湖出口城陵磯以下而不在荊江河段以南。

為科學、合理確定洞庭湖區在四水尾閭地區的范圍，本文在分析研究四水尾閭水位流量關系變化特性的基礎上，以高洪水位情況下洞庭湖區洪水不對四水尾閭洪水產生明顯頂托作為條件確定洞庭湖區在四水尾閭的范圍。

4.2 洞庭湖區范圍

根據前述的分析，確定洞庭湖區范圍為：長江干流河段以南、湘水株洲航電樞紐以下、資水桃江水文站以下、沅水桃源站以下、澧水石門站以下、地面高程在50 m(56黃海高程)以下跨湘、鄂兩省的平原、湖泊水網地區。

4.3 洞庭湖區行政區劃和總面積

按照上述確定洞庭湖區的范圍，采用DEM數據、1990年版1 ∶50 000地形圖和《中國分省系列地圖冊(湖南省地圖冊)、(湖北省地圖冊)》，洞庭湖區行政區劃主要涉及湖南省的岳陽、益陽、常德、長沙、株洲、湘潭6市的37個縣(市、區)和湖北省荊州市的4個縣(市、區)，區域總面積23 140.75 km2，其中湖南省境內19 217.29 km2(占83.05%)，湖北省境內 3 923.46 km2(占16.95%)。另外還局部涉及到湖南省岳陽市的平江縣、常德市的石門縣、長沙市的瀏陽市、株洲市的醴陵市、湘潭市的韶山市、湘鄉市等5市6縣(市、區)和湖北省宜昌市的枝江市，相應區域總面積 265.41 km2(詳見表2)。

5 結論與建議

洞庭湖北納松滋、太平、藕池和調弦四口，南接湘水、資水、沅水和澧水四水，還接納汨羅江、新墻河等環湖支流直接入湖。全湖區河流水系密布，水位流量關系復雜。為滿足洞庭湖的水利工程建設、綜合治理以及保護和開發的需要，在歷次和洞庭湖相

表2 洞庭湖區涉及行政區劃

注：表中備注欄中項目為行政區劃涉及到該次劃分的洞庭湖區范圍但湖區面積相對較小的市縣，括號內為其面積，單位km2。

關的規劃設計中不同的單位均提出并定義了洞庭湖區的概念，但由于各自的側重點和關注點不同，分別以河流水系、交通干線、地形地貌、地面高程、水文控制站、行政區劃等因素來確定湘資沅澧四水和直接入湖支流邊界點，得出的洞庭湖區的范圍和區域面積有較大差異。

本文從湘資沅澧四水尾閭水位流量關系變化特性的角度出發，以洞庭湖高洪水位對四水尾閭洪水位不帶來頂托影響為判別條件確定四水尾閭洞庭湖區的邊界點為：湘水株洲航電樞紐、資水桃江水文站、沅水桃源水文站和澧水石門水文站。洞庭湖區范圍為上述邊界點和地面高程50 m控制的區域，區域總面積23 162.14 km2，其中湖南省境內19 217.29 km2(占82.97%)，湖北省境內3 944.85 km2(占17.03%)。行政區劃涉及湖南省的岳陽、益陽、常德、長沙、株洲、湘潭6市的37個縣(市、區)和湖北省荊州市的4個縣(市、區)。

洞庭湖的范圍比較明確，全盛時期面積達到近6 000 km2，現有面積2 625 km2，即現在的東洞庭湖、南洞庭湖和西洞庭湖(包括目平湖、七里湖)。洞庭湖區的范圍和區域面積則由于不同部門和單位的關注點不同而出現較大差異。目前國內外除鄱陽湖區的范圍采用防洪控制水位確定(即鄱陽湖區范圍為湖口水文站防洪控制水位22.50 m所影響的鄱陽湖區)外[7]，還沒有發現類似湖區范圍確定方法的研究成果。該研究僅從水利部門的角度出發，根據洞庭湖的水文特性確定洞庭湖區的范圍。洞庭湖區范圍的正確定義和確定是一個綜合性的命題，牽涉到水利、農業、氣象、經濟和社會管理等眾多學科，就需要聯合多部門開展基礎性研究，為科學合理確定湖區范圍提供依據。