1950s以來洞庭湖調(diào)蓄特征及變化*

黃　群，孫占東，賴錫軍，姜加虎

(中國(guó)科學(xué)院南京地理與湖泊研究所湖泊與環(huán)境國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210008)

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1950s以來洞庭湖調(diào)蓄特征及變化*

黃群，孫占東，賴錫軍，姜加虎

(中國(guó)科學(xué)院南京地理與湖泊研究所湖泊與環(huán)境國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210008)

針對(duì)洞庭湖區(qū)淤積、圍墾和江湖關(guān)系變化對(duì)湖泊調(diào)蓄功能的影響，根據(jù)洞庭湖調(diào)蓄屬于典型復(fù)合洪水波的實(shí)際情況，提出利用離散小波分解和計(jì)算入、出湖徑流過程方差的方法揭示1950s以來洞庭湖調(diào)蓄特征及其實(shí)際調(diào)蓄作用的多年變化. 結(jié)果發(fā)現(xiàn)：洞庭湖削減的洪峰主要是32 d以下的中短尺度洪水波，其全年整體削峰系數(shù)在0.13～0.56之間；從入、出湖徑流方差多年變化體現(xiàn)的調(diào)蓄效果看，洞庭湖區(qū)近幾十年淤積圍墾雖然極大地改變了湖區(qū)面積和容積，但并未使湖泊調(diào)蓄作用發(fā)生大的變化. 結(jié)合洞庭湖削峰系數(shù)與城陵磯-螺山段水位落差的對(duì)應(yīng)關(guān)系，認(rèn)為在整個(gè)江湖系統(tǒng)關(guān)系中洞庭湖的調(diào)蓄能力是被動(dòng)的，其變化主要取決于城陵磯以下河段過水能力對(duì)洞庭湖泄流的制約. 從整個(gè)江湖關(guān)系下的洞庭湖調(diào)蓄變化特征看，1990s以來湖區(qū) “小水大災(zāi)”的原因之一是入湖徑流過程的短尺度方差和削峰系數(shù)較大，本質(zhì)上是由荊江裁彎和三峽運(yùn)行導(dǎo)致的江湖關(guān)系變化引起的長(zhǎng)江螺山段出流使出湖徑流方差減小造成的.

湖泊調(diào)蓄作用；洞庭湖；小波分析；方差變化；江湖關(guān)系

大型外流吞吐湖因蓄水量大，可顯著坦化和滯后汛期入湖洪峰流量. 湖泊調(diào)節(jié)河川徑流的功能主要表現(xiàn)在對(duì)入湖洪峰的調(diào)蓄，減輕下游洪水威脅. 由于湖泊出口與河道自由連通，湖泊對(duì)洪水的調(diào)蓄顯著區(qū)別于水庫，其調(diào)蓄總量和滯時(shí)作用處在不斷的動(dòng)態(tài)變化中. 這個(gè)動(dòng)態(tài)變化過程除了與湖泊自身特征有關(guān)外，湖泊出口與下游河道連接關(guān)系決定的出流特征是重要影響因素.

洞庭湖由于調(diào)蓄容量巨大，對(duì)長(zhǎng)江中游的防洪有著舉足輕重的作用. 其對(duì)長(zhǎng)江和流域入湖洪水多年平均削峰量達(dá)30%左右. 1954年特大洪水期間，削減洪峰流量27400 m3/s，占洪峰量的40%，滯后洪峰3日，極大地減輕了長(zhǎng)江干流的洪水壓力. 隨著湖區(qū)大范圍的圍墾活動(dòng)和劇烈的泥沙淤積，湖泊容積急劇減少[1-6]. 洞庭湖蓄水量由解放初的近300×108m3下降到目前的174×108m3. 湖區(qū)這些變化及其對(duì)湖泊調(diào)蓄削峰能力的影響受到廣泛關(guān)注，尤其針對(duì)洞庭湖1990s以來不斷加劇的“小水大災(zāi)”現(xiàn)象及其與湖泊調(diào)蓄關(guān)系，在認(rèn)識(shí)上存在諸多爭(zhēng)議[7-8]. 代表性分析結(jié)論包括：淤積、圍墾導(dǎo)致的湖泊容積減少使湖泊調(diào)蓄能力降低，進(jìn)而導(dǎo)致洪災(zāi)加??；基于湖盆變化的水文分析認(rèn)為淤積、圍墾非近年洪災(zāi)加劇的主要因素；而一日調(diào)蓄量則反映1950s以來洞庭湖調(diào)蓄量增大現(xiàn)象[3-5,9]. 這些分析從不同側(cè)面揭示了洞庭湖變化對(duì)湖泊調(diào)蓄能力的可能影響，但在湖泊調(diào)蓄與水庫調(diào)蓄的差異、洞庭湖與長(zhǎng)江的復(fù)雜關(guān)系，以及同水位級(jí)別出口流量減少等方面存在不足.

湖泊調(diào)蓄的結(jié)果使得出湖徑流過程變得平緩，故可通過對(duì)比入、出湖徑流過程長(zhǎng)期差異以反映洞庭湖的調(diào)蓄作用實(shí)際變化. 本次研究根據(jù)洞庭湖洪水波的實(shí)際過程是由若干不同波長(zhǎng)的子波疊加而成，提出利用離散小波分解，并計(jì)算入、出湖徑流過程方差的方法，在考慮到江湖關(guān)系變化格局條件下揭示洞庭湖調(diào)蓄特征及其實(shí)際調(diào)蓄作用的多年變化.

圖1 洞庭湖區(qū)水系及面積演變Fig.1　Stream networks and the evolution of Lake Dongting

1　數(shù)據(jù)和方法

1.1研究區(qū)概況

洞庭湖(28°44′～29°35′N,111°53′～113°5′E)位于荊江南岸，湖區(qū)來水主要由長(zhǎng)江“三口”(松滋、太平、藕池)和洞庭湖水系湘江、資水、沅水和澧水“四水”構(gòu)成，這些入流經(jīng)過洞庭湖調(diào)蓄后由城陵磯再次匯入長(zhǎng)江干流. 其中，長(zhǎng)江的洪水主汛期為7、8月份，“四水”的汛期一般為4-9 月. 每年汛期湘、資水先漲水，提升湖泊底水位，沅、澧水后漲，進(jìn)一步提高湖水位, 隨之而來的長(zhǎng)江洪水自“三口”入湖, 進(jìn)一步抬高洪水位. 作為中國(guó)歷史上最大的淡水湖，洞庭湖面積一度超過6200 km2(1825年)，隨后，由于泥沙淤積和墾殖，面積減少到1949年的4350 km2，自1950s開始的大規(guī)模圍湖造田使得湖泊面積進(jìn)一步縮減到目前的2625 km2(圖1). 湖區(qū)水情隨著季節(jié)性水文節(jié)律呈現(xiàn)“洪水一大片，枯水幾條線”典型通江調(diào)蓄湖泊水情特征. 相對(duì)于長(zhǎng)江干流，洞庭湖對(duì)洪水的調(diào)蓄作用非常顯著，作為長(zhǎng)江中游重要的調(diào)蓄湖泊，對(duì)整個(gè)長(zhǎng)江中游的防洪有著舉足輕重的作用[2-3,6,10].

1.2數(shù)據(jù)和方法

洞庭湖對(duì)洪峰的調(diào)蓄能力是特定時(shí)段內(nèi)調(diào)蓄水位及其對(duì)應(yīng)水面的函數(shù)ft(S,Δl), 其中S在一定時(shí)期基本固定(近似于最大水面面積)，而Δl的決定因素是復(fù)雜江湖關(guān)系條件下的江湖頂托、遭遇和過流能力，并與時(shí)段t長(zhǎng)短關(guān)系密切. 也就是說江湖關(guān)系直接影響湖泊自身的調(diào)節(jié)作用. 因此，洞庭湖調(diào)蓄能力的分析需要在考慮江湖關(guān)系前提下，分時(shí)段進(jìn)行.

湖泊對(duì)洪水調(diào)蓄的最根本體現(xiàn)是對(duì)入、出湖洪峰波形的改變，在調(diào)蓄量的度量上，單次洪峰調(diào)蓄以入流最大洪峰與出流洪峰值的差值表示削峰量，該指標(biāo)適用于中小湖泊、水庫的洪水調(diào)蓄. 而洞庭湖區(qū)的洪峰調(diào)蓄屬于典型的復(fù)合洪水調(diào)蓄，洪水的削峰量受洪水量級(jí)、洪水峰型、洪峰組合以及起調(diào)水位等許多因素的影響，一般每次都不可能相同. 針對(duì)洞庭湖入流為復(fù)雜復(fù)合洪水的情況，首先利用小波分解技術(shù)將入、出湖洪水過程分解成若干不同周期長(zhǎng)度的子洪水波的組合[11-12]，同時(shí)以流量過程方差比較代替流量的直接比較，來量化洞庭湖對(duì)不同類型洪水調(diào)蓄作用的差異，在此基礎(chǔ)上利用中短尺度子波方差及湖泊削峰系數(shù)變化分析洞庭湖實(shí)際調(diào)蓄作用的多年變化. 分析數(shù)據(jù)包括：湖區(qū)1950s以來不同時(shí)期湖盆地形圖，洞庭湖流域“四水”、長(zhǎng)江“三口”、城陵磯以及螺山的逐日徑流.

2　結(jié)果與分析

洞庭湖實(shí)際洪水過程是由若干不同波長(zhǎng)的子洪水波疊加而成，對(duì)其分解可以從不同尺度上揭示洞庭湖對(duì)洪水的調(diào)蓄特征. 從典型洪水年份1998年入、出流sym6小波分解對(duì)比(圖2)可以看出，洞庭湖入、出流過程的高頻波動(dòng)差別顯著；而入、出流過程五級(jí)分解后的低頻部分幾乎一致. 從調(diào)蓄效果上看，洞庭湖對(duì)洪水過程的調(diào)節(jié)作用類似于一個(gè)低通濾波器，入湖洪水波的高頻波動(dòng)經(jīng)湖泊調(diào)蓄后被顯著平滑. 其中“三口”和“四水”入湖單次1-3日洪峰幾乎被洞庭湖完全削減，洞庭湖對(duì)不同洪水平滑能力隨周期延長(zhǎng)而逐漸出現(xiàn)差異，對(duì)5級(jí)以上洪水波調(diào)蓄能力已十分微弱.

圖2 1998年入、出流小波分解對(duì)比Fig.2　The wavelet decomposition for inflow and outflow of the lake in 1998

在對(duì)洞庭湖入出流小波分解基礎(chǔ)上，統(tǒng)計(jì)了不同波長(zhǎng)的方差差異(圖3). 從洞庭湖多年入、出流小波分解各級(jí)方差比較可以看出，入湖徑流經(jīng)過洞庭湖調(diào)蓄之后，方差大幅度下降；洞庭湖對(duì)徑流過程波動(dòng)的削減作用隨波動(dòng)歷時(shí)的加長(zhǎng)而減弱，起作用的主要是32 d以下的波動(dòng)(1～5級(jí)). 1、2、3級(jí)子波方差削減率分別達(dá)66.7%、64.2%和47.7%，對(duì)應(yīng)時(shí)間周期為2、4和8 d，而4級(jí)16 d周期洪水波削減率為29.2%，32 d級(jí)別削減率降為20.1%.

從洞庭湖對(duì)中短尺度洪水波削峰系數(shù)多年過程(圖4)可以看出，洞庭湖對(duì)入湖洪水全年的削峰系數(shù)在0.13～0.56之間，多年平均值在0.30左右，總體來看對(duì)洪峰的削減作用非常顯著.

從洞庭湖多年入、出流中短尺度方差變化(圖5)可以看出，出湖徑流的中短尺度方差多年變化比較平穩(wěn)，說明雖然洞庭湖湖盆形態(tài)變化巨大(圖1)，但洞庭湖對(duì)徑流的實(shí)際調(diào)蓄作用多年來并未發(fā)生大的變化. 而削峰系數(shù)的多年變化與入流方差較為一致，即入流方差越大，調(diào)蓄作用越大，也就是入湖流量越大，洞庭湖能夠調(diào)蓄的水量越大. 從洞庭湖中短尺度入、出流方差的多年變化分析可以看出，無明顯年代分異現(xiàn)象，說明洞庭湖調(diào)蓄作用大小隨入湖洪水特性差異而變化，但是不存在系統(tǒng)性變化或突變，即便在大規(guī)模圍墾后的1980s-1990s亦無衰減跡象.

圖3 洞庭湖多年入、出流小波分級(jí)各級(jí)方差對(duì)比Fig.3　Standard deviation of wavelets for inflow and outflow in Lake Dongting

圖4 洞庭湖對(duì)短尺度洪水波削峰系數(shù)的多年變化Fig.4　Dynamic of the flood peak removing coefficient in Lake Dongting

表征湖泊調(diào)蓄作用的最大調(diào)蓄量和洪峰傳輸時(shí)間的長(zhǎng)期變化過程顯示了與湖泊中短尺度方差和削峰系數(shù)相似的特征. 根據(jù)每年最大入湖組合洪峰流量與相應(yīng)的出湖洪峰流量，計(jì)算洞庭湖歷年最大調(diào)蓄量(圖6). 洞庭湖歷年最大調(diào)蓄量為542×108～31050×108m3，多年平均值為14580×108m3. 其歷年最大調(diào)蓄量無明顯變化趨勢(shì)，顯示湖泊圍墾、泥沙淤積的影響被水位升高所抵消(1996和1998年有破圩的因素，致使該年調(diào)蓄量偏大). 年內(nèi)最大調(diào)蓄量和出湖徑流方差的多年平穩(wěn)狀態(tài)可能反映的是城陵磯以下河段過水能力對(duì)洞庭湖的制約. 另外，洞庭湖平均洪峰傳輸時(shí)間為3～5 d，歷年無顯著變化，說明湖泊形狀、面積和容積的變化對(duì)洪峰過程的影響不大.

圖5 洞庭湖入、出流中短尺度方差變化Fig.5　Dynamics of the standard deviation of high frequency wavelets for inflow and outflow in Lake Dongting

圖6 洞庭湖年最大調(diào)蓄量變化Fig.6　Dynamic of the largest flood regulation volume in Lake Dongting

3　影響洞庭湖調(diào)蓄變化的根本原因

影響湖泊調(diào)蓄作用的因素包括入湖洪水形態(tài)、湖泊出口水位、泥沙淤積和湖泊圍墾. 對(duì)于洞庭湖這種過水性湖泊而言，需要說明的是：湖泊調(diào)蓄實(shí)際上屬于河槽調(diào)蓄，調(diào)蓄量相當(dāng)于河槽調(diào)蓄量. 首先，湖泊不同于分蓄洪區(qū)的空庫待蓄，調(diào)蓄量是遠(yuǎn)小于湖泊容積的，特別是高洪期，洞庭湖湖容已被前期來水接近充滿，用于調(diào)蓄的湖容大小更多地取決于湖水位的可能漲幅；其次，湖泊調(diào)蓄不同于水庫，出流是不可控的，調(diào)蓄量大小取決于湖泊出流順暢與否，湖泊出流不暢則洪水更多地滯留湖內(nèi)，即表現(xiàn)為調(diào)蓄作用較強(qiáng).

從獲取的洞庭湖削峰系數(shù)(圖4)、最大調(diào)蓄量多年變化過程(圖6)及其與洞庭湖面積及容積的變化過程(圖7)可以看出，兩者在變化過程上幾乎不存在量變的對(duì)應(yīng)關(guān)系. 而與此形成鮮明對(duì)比的是城陵磯-螺山水位落差變化過程(指示了洞庭湖的出流能力)(圖8)與洞庭湖短尺度洪水波削峰系數(shù)多年過程(圖4)在趨勢(shì)上呈顯著負(fù)相關(guān)的變化特征，這種關(guān)系表明：城陵磯-螺山段過流能力是洞庭湖調(diào)蓄的決定因素，即城陵磯-螺山段出流順暢與否決定了洞庭湖調(diào)洪削峰能力. 洞庭湖蓄洪多少很大程度上取決于長(zhǎng)江干流的水情，或者說湖泊的調(diào)蓄作用有一部分來自長(zhǎng)江干流對(duì)湖泊的頂托. 總之，在整個(gè)江湖關(guān)系系統(tǒng)中洞庭湖的調(diào)蓄作用的變化是被動(dòng)的，近幾十年過程中，江湖關(guān)系決定的螺山段泄流能力是影響洞庭湖調(diào)蓄能力的核心要素.

圖7 洞庭湖面積和容積的長(zhǎng)期變化Fig.7　Area and volume evolution of Lake Dongting

圖8 城陵磯-螺山汛期水位落差變化Fig.8　Water level difference between Chenglingji-Luoshan

從整個(gè)江湖關(guān)系下的洞庭湖調(diào)蓄變化特征看，1990s的“小水大災(zāi)”，總體看徑流量不大、水位很高，或洪峰流量小于歷史但水位超歷史. 從對(duì)洞庭湖入出湖短尺度洪水波方差對(duì)比來看，原因之一是入湖徑流量雖然不大，但入湖徑流過程的短尺度方差較大，削峰系數(shù)更大(出流不暢導(dǎo)致的出湖徑流方差減小)，意味著更多的洪水滯留湖內(nèi). 本質(zhì)是由于江湖關(guān)系導(dǎo)致的長(zhǎng)江螺山段出流不暢，而長(zhǎng)江干流出流不暢可以理解為同水位下流量降低或同流量下水位抬升. 而從近幾十年江湖關(guān)系變化來看，水位抬升的主要原因是荊江裁彎和三峽運(yùn)行導(dǎo)致的洞庭湖出口下游河段淤積降低了洞庭湖的削峰能力.

另外，在洞庭湖區(qū)圩垸中的蓄滯洪垸在作用上類似流域上的調(diào)節(jié)水庫. 這些圩垸雖然極少直接發(fā)揮分蓄洪作用，但其調(diào)蓄洪水效果和提升湖區(qū)調(diào)蓄能力十分顯著. 相比1954年洪水，洞庭湖區(qū)分洪和潰口量極大減少. 1954 年汛期，長(zhǎng)江中下游分洪和潰口總量達(dá)1023×108m3. 1954年以后，經(jīng)過40多年的堤防加高加固，長(zhǎng)江中下游的防洪能力大大提高，加之抗洪搶險(xiǎn)成功，1998年分洪潰口很少，全江圩垸的總分洪量?jī)H約100×108m3，洞庭湖區(qū)則更少. 蓄滯洪垸分洪有直接減少斷面水量和改變斷面水位流量關(guān)系兩種作用，均可直接降低洞庭湖水位. 從洞庭湖長(zhǎng)期演變來看，對(duì)湖區(qū)調(diào)蓄洪水將起到越來越重要的作用.

4　結(jié)論

根據(jù)洞庭湖調(diào)蓄屬于典型復(fù)合洪水波的實(shí)際情況，利用小波分解和洞庭湖入、出湖方差變化分析了洞庭湖實(shí)際調(diào)蓄特征及其演變. 結(jié)果顯示洞庭湖削減的洪峰主要是32 d以下的中短尺度洪水波；洞庭湖對(duì)洪峰的削減作用非常顯著，全年整體削峰系數(shù)在0.13～0.56之間. 洞庭湖入、出湖徑流方差多年變化平穩(wěn)，從入、出湖徑流方差多年變化體現(xiàn)的調(diào)蓄效果看，與洞庭湖面積和容積變化無明顯對(duì)應(yīng)關(guān)系，洞庭湖近幾十年淤積圍墾并未使湖泊實(shí)際調(diào)蓄作用(削峰能力和滯后時(shí)間)發(fā)生大的變化.

從洞庭湖削峰系數(shù)的多年變化過程來看，削峰系數(shù)與城陵磯-螺山水位落差呈現(xiàn)出的反向變化趨勢(shì)，說明城陵磯-螺山段出流順暢與否決定了洞庭湖削峰多少，因此洞庭湖的調(diào)蓄主要受控于湖泊出口的過水能力，是一種被動(dòng)調(diào)蓄. 1990s洪峰流量小于歷史但水位超歷史的“小水大災(zāi)”原因之一是入湖徑流量雖然不大，但入湖徑流過程的短尺度方差和削峰系數(shù)較大，本質(zhì)上是由荊江裁彎和三峽運(yùn)行導(dǎo)致的江湖關(guān)系變化引起的長(zhǎng)江螺山段出流使出湖徑流方差減小造成的. 鑒于蓄滯洪圩分蓄洪水對(duì)減少下游斷面水量和改變斷面水位流量關(guān)系的直接作用，其在洞庭湖未來調(diào)蓄洪水中將起到越來越重要作用.

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Changes of the flood regulation capacity at Lake Dongting since 1950s

HUANG Qun, SUN Zhandong, LAI Xijun & JIANG Jiahu

(StateKeyLaboratoryofLakeScienceandEnvironment,NanjingInstituteofGeographyandLimnology,ChineseAcademyofSciences,Nanjing210008,P.R.China)

In view of flood regulation capacity at Lake Dongting affected by reclamation, deposition and change of lake-river relationship, the characterization, mechanism and impact of the flood regulation capacity since 1950s were analyzed by using methods of wavelet decomposition and corresponding standard deviation amplitude. The results indicated that the flood regulation of the lake is mainly functioned on the high frequency foods with an average flood peak removing coefficient between 0.13-0.56. Although reclamation and deposition had largely decreased the water storage capacity of Lake Dongting, the flood regulation capacity did not change much revealed by the difference of standard deviation between inflow and outflow in a long term. The area and water storage capacity are only static parameters for the capacity of flood regulation at Lake Dongting. In term of the perspective of lake-river relationship, the dynamic of flood regulation capacity was mainly affected by the stage-discharge relation at the outlet of the lake, which is decided by the river channel morphology. The major reason for the phenomenon of “normal discharge but high water level” can be explained by the high standard deviation of inflow and the big flood peak removing coefficient, essentially resulting from the decrease of discharge deviation in the Luoshan channel of the Yangtze River which was caused by the channel straightening in the downstream of the Three Gorges.

Flood regulation; Lake Dongting; wavelet decomposition; standard deviation; lake-river relationship

J.LakeSci.(湖泊科學(xué))， 2016， 28(3)： 676-681

10.18307/2016.0325

?2016 byJournalofLakeSciences

*國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃“973”項(xiàng)目(2012CB417003)、中國(guó)科學(xué)院學(xué)科前沿和交叉項(xiàng)目(NIGLAS2012135018)和科技基礎(chǔ)性工作專項(xiàng)(2012FY111800-03)聯(lián)合資助. 2015-03-05收稿；2015-09-14收修改稿. 黃群(1964～)，男，副研究員；E-mail:qhuang@niglas.ac.cn.