平枯水期洞庭湖水域面積和水體容積變化及歸因分析

摘 要：20世紀70年代洞庭湖湖盆圍墾基本結束以后，湖盆整體格局基本穩定。基于1953—2019年洞庭湖泥沙和水位統計數據、1952年和2011年湖區地形數據，對洞庭湖的沖淤變化、平枯期的水位變化以及平枯期的水域面積和水體容積變化進行了分析，探討了洞庭湖沖淤和水位變化對平枯期水域面積和水體容積的影響。結果表明：自20世紀50年代以來，洞庭湖淤積減緩，水位受江湖演變影響明顯；受水位變化和泥沙淤積綜合影響，10月和12月水域面積和水體容積均呈下降趨勢，受三峽蓄水影響，10月水域面積和水體容積縮減幅度遠高于12月；10月和12月水域面積受沖淤變化影響更大，12月尤甚，而水體容積受沖淤變化和水位下降的影響比例相差不大

關鍵詞：洞庭湖；平枯水期；水域面積；水體容積

中圖分類號：TV14" " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " "文獻標志碼：A

0 引 言

洞庭湖是我國水量最大的通江湖泊，在保障長江中下游防洪安全、供水安全、生態安全和航運安全等方面具有舉足輕重的地位。隨著江湖關系的演變，洞庭湖沖淤和水文情勢發生了劇變，洞庭湖水域面積和水體容積縮減嚴重。自20世紀70年代湖盆圍墾基本結束以來，湖盆整體格局基本穩定，洞庭湖洪水期水域面積和水體容積基本穩定，但對湖泊生態安全、供水安全、航運安全有重要意義的平枯水期水域面積和水體容積仍發生了較大變化（見圖1）。深入研究洞庭湖現狀湖盆區域平枯水期水域面積和水體容積的變化，對于了解洞庭湖演變規律具有重要意義。

自20世紀90年代以來，很多學者選取不同時段的遙感數據對洞庭湖水域面積的變化展開了研究。李景剛等[2]、崔亮等[3]、王威等[4]、劉力萌等[5]分析了洞庭湖水域面積的變化特征。柯文莉等[6]、袁敏等[7]分析了洞庭湖水域面積與城陵磯水位之間的定量關系。杜濤等[8]、宋求明等[9]分別建立洞庭湖水域面積與多站點水位間的相關關系。易波琳等[10-11]建立了洞庭湖水域面積和水體容積與城陵磯水位的數學模型。

由于南洞庭湖和東洞庭湖深水河床底高程存在驟變，枯期水面比降在交界處較為特殊，僅以城陵磯水位為參數建立洞庭湖水位～水域面積和水體容積的關系的合理性，尚需進一步研究，且以往研究主要是針對城陵磯中高水位下與洞庭湖水域面積和水體容積之間關系的分析。本文通過對洞庭湖不同水下地形和不同時段水位條件下洞庭湖水域面積和水體容積的計算分析，探討了自20世紀50年代以來洞庭湖現狀湖盆區域平枯期水域面積和水體容積的變化特征及引起這些變化的因素。

1 數據和方法

1.1 研究數據

采用的數據包括1952年、2011年洞庭湖實測1∶10000水下地形數據和1953年以來洞庭湖主要水文（位）測站泥沙、水位觀測數據。洞庭湖由東洞庭湖、南洞庭湖、西洞庭湖（目平湖和七里湖）組成，自西向東形成一個傾斜的水面。本次研究范圍見圖2，涉及的水文（位）站包括津市、石龜山、南嘴、沙灣、小河嘴、沅江、東南湖、楊柳潭、營田、鹿角、岳陽和城陵磯站。

1.2 計算方法

從洞庭湖1∶10000水下地形CAD文件中提取高程點和等高線數據，借助ArcGIS軟件將其轉換為DEM數據；選取洞庭湖區代表水文站觀測數據，并匹配代表水文斷面空間信息，通過插值生成水位柵格文件；將水位柵格文件和DEM文件通過ArcGIS軟件空間分析工具cutfill進行計算，生成帶水域面積和水體容積屬性的柵格文件；統計分析得到洞庭湖各區的水域面積和水體容積。

1.3 需注意的問題

（1）根據2021年1月和12月東洞庭湖遙感數據解譯的成果，城陵磯、鹿角站水位分別為19.2、19.6 m，兩站水位均低于東洞庭湖湖盆的地形高程，而此時東洞庭湖湖盆區域水面仍有110 km2，因此東洞庭湖水域面積不能僅采用城陵磯、鹿角水位進行計算，還需考慮東洞庭湖湖盆枯期存蓄水量所形成的水面。本文將2021年1月和12月遙感數據解譯得到的城陵磯站相應水位下的東洞庭湖水域面積作為東洞庭湖枯期水域面積計算值的參考。

（2）根據2021年12月和2022年8月橫嶺湖和湘江航道的實測水位（見圖3），楊柳潭站與橫嶺湖間的水位差為2.3 m，橫嶺湖與營田站水位差為3.5 m。橫嶺湖枯期水位柵格文件不能采用營田站實測水位值進行插值，需考慮橫嶺湖的枯期水面比降變化。將南洞庭湖分為南洞庭湖（無湘江航道）和湘江航道（南洞庭湖）兩個區域進行分析，以2021年12月橫嶺湖實測水位比降作為南洞庭湖（無湘江航道）枯期水位插值計算的參考比降，將營田站水位作為湘江航道（南洞庭湖）枯期計算水位。

2 結果分析

2.1 洞庭湖沖淤變化分析

以長江和洞庭湖發生的重大變化為節點，將1953—2019年劃分為6個時期。根據分時段的洞庭湖出湖入湖泥沙統計（見表1），1953—2019年洞庭湖總淤積泥沙60.12億t，約合45.20億m3，年均來沙12 543萬t，其中來自長江四口的10 121萬t、占比80.7%，來自四水的2 422萬t、占比19.3%，經由城陵磯輸入長江的泥沙3 570萬t，洞庭湖年均淤積8 973萬t。長江三峽及四水上游水庫運用后，入湖泥沙量驟減，2003—2019年均入湖沙量與1981—2002年相比，減少了84.0%，與1953—1958年相比，減少了93.5%。洞庭湖入湖、出湖泥沙呈逐年減少的趨勢，洞庭湖淤積減緩，2003年之后轉為微沖。

對比1952年與2011年洞庭湖湖盆地形沖淤變化（見圖4），洞庭湖總淤積量31.5億m3，平均淤積厚度1.20 m。淤積特點主要為洲灘淤積，河槽沖刷。其中，東洞庭湖淤積15.75億m3，平均淤積厚度1.20 m，

最大淤高10 m；南洞庭湖淤積7.24億m3，平均淤積厚度0.8 m，最大淤高8 m；目平湖淤積5.84億m3，平均淤積厚度1.76 m，最大淤高6 m；七里湖淤積2.65億m3，平均淤積厚度3.54 m，最大淤高13 m。澧水洪道、南洞庭湖洪道和湘江航道的主河槽均出現不同程度的沖刷，其中湘江航道沖刷比較劇烈，沖刷深度在4 m以上。

2.2 洞庭湖平枯期水位變化分析

以10月（長江上游水庫蓄水期，洞庭湖平水期）和12月（長江上游水庫補水期，洞庭湖枯水期）為例，對1953—2019年七里湖石龜山站、目平湖南嘴站、南洞庭湖楊柳潭站和東洞庭湖城陵磯站的月均水位變化進行統計分析（見圖5）。

1959—1966年與1953—1958年相比，石龜山、南嘴、楊柳潭和城陵磯站的10月和12月平均水位均略有抬升。1959—2002年，石龜山、南嘴、楊柳潭站10月平均水位均呈下降趨勢，最大降低幅度分別為0.70、0.26、0.12 m，城陵磯站呈上升趨勢，最大升高幅度0.43 m；石龜山、南嘴站12月平均水位均呈降低趨勢，最大降低值幅度分別為0.57、0.65 m，楊柳潭站變化不大，城陵磯站呈升高趨勢，最大升高幅度達0.97 m。2003—2019年與前一階段1981—2002年相比，四站水位均下降明顯，石龜山和南嘴站10月平均水位降低1.1 m以上，楊柳潭站水位降低0.79 m，而城陵磯水位降低了2.09 m；南嘴和楊柳潭站12月平均水位降低約0.2 m，石龜山和城陵磯站降低約0.4 m。

洞庭湖水位變化受江湖演變影響明顯。西洞庭湖和南洞庭湖10月和12月平均水位下降主要受河槽沖刷、來流減少的影響，而東洞庭湖水位變化還受到長江干流水位降低的影響。三峽水庫10月開始蓄水，長江干流水位降低，城陵磯出流加快，七里山站水位降低明顯，越靠近洞庭湖內部，受到的影響越小。東洞庭湖12月平均水位相比10月降低幅度小，主要是三峽加大枯期出庫流量對下游進行補水，減弱了部分清水下泄河床下切引起水位降低的影響。

2.3 平枯水期洞庭湖水域面積和水體容積變化

洞庭湖平枯水期水域面積和水體容積變化主要受沖淤變化和水位下降的影響。選取20世紀50年代地形（1952年）、三峽水庫運行后地形（2011年）及相應水位（1953—1966年、2003—2019年）條件，分析洞庭湖各區域（見圖1）10月和12月水域面積和水體容積的變化，探討洞庭湖沖淤和水位變化的影響。計算成果見表3，水域面積分布見圖6、圖7。

2.3.1 水域面積和水體容積變化

在10月平均水位下，三峽運行后計算成果（圖6（c），2003—2019年水位和2011年地形）與20世紀50—60年代（圖6（a），1953—1966年水位和1952年地形）相比，洞庭湖水域面積減小了

1 292.9 km2，水體容積減小了31.0億m3，縮減比例分別為62.7%、59.2%。其中，東洞庭湖、南洞庭湖、目平湖、七里湖水域面積分別減小了613.3、448.1、184.0、47.6 km2，相應縮減比例為61.2%、60.1%、72.0%、81.4%；水體容積分別減小了16.5億、7.8億、5.3億、1.4億m3，縮減比例為58.2%、51.0%、77.0%、59.2%。

在12月平均水位下，三峽運行后計算成果（圖7（c），2003—2019年水位和2011年地形）與20世紀50—60年代（圖7（a），1953—1966年水位和1952年地形）相比，洞庭湖水域面積減小了686.9 km2，水體容積減小了5.0億m3，縮減比例分別為58.3%、26.2%。其中，東洞庭湖、南洞庭湖、目平湖、七里湖水域面積分別減小了277.8、228.3、151.3、29.4 km2，相應縮減比例為56.5%、51.4%、74.5%、75.6%；水體容積分別減小了1.4億、1.0億、2.0億、0.7億m3，縮減比例分別為16.1%、15.0%、62.0%、68.1%。

對比三峽運行后水位與20世紀50—60年代水位，可知洞庭湖10月水域面積和水體容積縮減幅度均要大于12月，各區域10月水域面積和水體容積縮減比例均在50%以上，目平湖和七里湖縮減比例高于東洞庭湖和南洞庭湖。

2.3.2 洞庭湖水域面積和水體容積變化歸因分析

若維持1953—1966年10月平均水位不變，僅考慮洞庭湖沖淤變化的影響，采用2011地形的計算成果（圖6（b））與1952年地形（圖6（a））相比，洞庭湖水域面積和水體容積分別縮減了757.1 km2、16.1億m3，其占總縮減值的比例分別為58.6%、52.0%。可知，僅考慮洞庭湖水位下降的影響，水域面積和水體容積占總縮減值的比例分別為41.4%、48.0%。

若維持1953—1966年12月平均水位不變，僅洞庭湖考慮沖淤變化的影響，采用2011地形的計算成果（圖7（b））與1952年地形（圖7（a））相比，洞庭湖水域面積和水體容積縮減了589.7 km2、2.7億m3，其占總縮減值的比例分別85.9%、53.0%。僅考慮洞庭湖水位下降的影響，水域面積和水體容積分別占總縮減值的20.3%、48.4%。

由以上分析可知，過去60年間，主要受洞庭湖洲灘淤積、河槽沖刷影響，10月和12月洞庭湖水域面積縮減明顯，12月尤甚；而洞庭湖10月和12月水體容積受沖淤變化和水位下降的影響程度相差不大。

根據近年長江勘測規劃設計研究有限責任公司、南京水利科學研究院等單位的研究成果，預測30年后，城陵磯10月和12月平均水位將下降2 m左右[12]，洞庭湖水域面積和水體容積將會進一步縮減。洞庭湖淤積減緩，水位下降將成為洞庭湖水域面積和容積縮減的主要影響因素。

3 結束語

基于洞庭湖1952年、2011年水下地形和1953—2019年實測泥沙、水位數據，分析了洞庭湖沖淤和水位變化，探討了洞庭湖在沖淤變化和水位下降影響下的水域面積容積變化及受影響程度。結果表明：過去六十年間，洞庭湖洲灘淤積，河槽沖刷，整體淤積減緩。三峽運行后，洞庭湖10月和12月平均水位下降明顯。與20世紀50—60年代相比，三峽運行后洞庭湖各區域10月水域面積和水體容積縮減比例均在50%以上，水體容積受沖淤變化和水位下降影響程度相差不大，水域面積縮減受沖淤變化影響更為顯著。

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Water Surface Area and Water Volume in Flat and Dry Periods of Dongting Lake：Changes and Their Causes

ZHENG Ying1，2，LING Xia3，SONG Ping1，2

（1.Hunan Water Resources and Hydropower Survey，Design，Planning and Research Co.，Ltd.，Changsha 410084，China；2. Hunan Research Center on Flood Control and Water Resources Protection for Dongting Lake，Changsha 410084，China；3. Hydropower Branch of State Grid Hunan Electric Power Co.，Ltd.，Changsha 410021，China）

Abstract：After the reclamation of the Dongting Lake Basin in the 1970s，the overall pattern of the lake basin was basically stable. Based on the statistical data of sediment and water level of Dongting Lake from 1953 to 2019 and the topographic data of Dongting Lake area in 1952 and 2011，we examined the erosion and deposition changes of Dongting Lake，the water level changes as well as water surface area and water volume changes in in flat and dry periods. Moreover，we investigated the effects of erosion and deposition and water level changes on the water surface area and water volume. Results reveal that：since the 1950s，the siltation of Dongting Lake has slowed down and the water level has been significantly affected by river and lake evolution. The combined effects of water level changes and sediment deposition have led to a decline in water area and volume in October and December. The Three Gorges impoundment has exacerbated the shrinkage of water area and volume，particularly in October. Water area was more affected by changes in erosion and deposition in October and December，especially in December，while influences on water volume have shown minor discrepancies.

Key words：Donting Lake；water-stable and lower water period；water surface area；water volume

收稿日期：2023-06-20

基金項目：湖南省水利科技項目（XSKJ2021000-01，XSKJ2019081-05，XSKJ2021000-04，XSKJ2022068-40）；

水利部重大科技項目（SKS-2022079）

作者簡介：鄭 穎，女，高級工程師，碩士，主要從事洞庭湖相關規劃與研究。E-mail：zhengyingmail52@126.com