基于水位流量關(guān)系變化特性的洞庭湖區(qū)范圍研究

(湖南省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究總院，湖南 長(zhǎng)沙 410007)

1 研究背景

洞庭湖位于湖南省北部、長(zhǎng)江干流中游河段的南岸。由于長(zhǎng)江和洞庭湖水位流量關(guān)系的變化，洞庭湖經(jīng)歷了由小變大、又由大變小的演變過(guò)程，現(xiàn)狀洞庭湖河湖水系復(fù)雜，北納松滋、太平、藕池和調(diào)弦四口，南接湘水、資水、沅水和澧水，以及環(huán)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(shè)、綜合治理以及保護(hù)和開發(fā)的需要，在歷次和洞庭湖相關(guān)的規(guī)劃設(shè)計(jì)中揚(yáng)子江水利委員會(huì)、湖南省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院、湖南省洞庭湖水利工程局、長(zhǎng)江水利委員會(huì)等單位均提出并定義了洞庭湖區(qū)的概念[1-6]。各單位確定洞庭湖區(qū)范圍北線的邊界為長(zhǎng)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(jù)和原則包括：①純洞庭湖區(qū)[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(qū)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(jù)和原則及關(guān)注點(diǎn)各不相同，得出的洞庭湖區(qū)的范圍和區(qū)域面積有較大差異，以致劃定的洞庭湖區(qū)面積從5 570 km2到 60 500 km2各不相等。

洞庭湖和洞庭湖區(qū)具有各自的定義和范圍，但二者之間關(guān)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(qū)則是與洞庭湖具有內(nèi)在聯(lián)系(如水文特性、地形地貌特征)的區(qū)域。深入研究和科學(xué)、合理確定洞庭湖區(qū)的范圍，對(duì)于研究洞庭湖區(qū)洪澇旱災(zāi)害、水生態(tài)環(huán)境惡化產(chǎn)生的機(jī)理機(jī)制，編制洞庭湖區(qū)防災(zāi)減災(zāi)、水生態(tài)水環(huán)境保護(hù)、水資源綜合利用和防洪排澇工程總體布局規(guī)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(guān)系變化特性，以洞庭湖高洪水位對(duì)四水尾閭洪水位不帶來(lái)頂托影響為判別條件，確定四水尾閭地區(qū)洞庭湖的邊界點(diǎn)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(qū)范圍為上述邊界點(diǎn)和地面高程50 m控制的區(qū)域。行政區(qū)劃涉及湖南省的岳陽(yáng)、益陽(yáng)、常德、長(zhǎng)沙、株洲、湘潭6市的37個(gè)縣(市、區(qū))和湖北省荊州市的4個(gè)縣(市、區(qū))，區(qū)域總面積23 140.75 km2，其中湖南省境內(nèi)19 217.29 km2、湖北省境內(nèi) 3 923.46 km2。

2 洞庭湖區(qū)范圍研究成果及分析

表1 洞庭湖區(qū)范圍研究成果

2.1 洞庭湖區(qū)范圍研究成果

(1)1938年揚(yáng)子江水利委員會(huì)編制的《劃定洞庭湖湖界報(bào)告》[1]確定的洞庭湖區(qū)范圍為純洞庭湖區(qū)，即相當(dāng)于現(xiàn)在所說(shuō)的2 625 km2相對(duì)應(yīng)的洞庭湖范圍，本次研究根據(jù)《劃定洞庭湖湖界報(bào)告》附圖量算，區(qū)域面積為5 570 km2。

(2)1984年湖南省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院和湖南省洞庭湖水利工程局編制的《湖南省洞庭湖區(qū)近期防洪蓄洪工程初步設(shè)計(jì)書》[2]和1985年湖南省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院編制的《長(zhǎng)江流域綜合利用修訂補(bǔ)充規(guī)劃報(bào)告(洞庭湖區(qū)綜合利用規(guī)劃)》[3](以下簡(jiǎn)稱“《補(bǔ)充規(guī)劃》”)確定洞庭湖區(qū)范圍的依據(jù)為：長(zhǎng)江荊江河段、京廣和枝柳鐵路、長(zhǎng)常桃公路、太陽(yáng)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(diǎn)。由此確定的洞庭湖區(qū)總面積18 780 km2，其中湖南152 00 km2，湖北3 580 km2。行政區(qū)劃涉及湖南省6市36縣(市、區(qū))，湖北省范圍內(nèi)資料不詳。

(3)長(zhǎng)江水利委員會(huì)1997年編制的《洞庭湖區(qū)綜合治理近期規(guī)劃報(bào)告》[4]和2015年編制的《洞庭湖區(qū)綜合規(guī)劃報(bào)告》[5]確定洞庭湖區(qū)范圍的依據(jù)為：長(zhǎng)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(diǎn)。1997年《洞庭湖區(qū)綜合治理近期規(guī)劃報(bào)告》中洞庭湖區(qū)面積仍采用《補(bǔ)充規(guī)劃》成果，即洞庭湖區(qū)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(qū)綜合規(guī)劃報(bào)告》確定的洞庭湖區(qū)范圍沒(méi)有調(diào)整，但重新核實(shí)了洞庭湖區(qū)面積，洞庭湖區(qū)總面積20 109 km2，其中湖南省16 157 km2，湖北省3 952 km2。行政區(qū)劃涉及湖南省6市36縣(市、區(qū))、湖北省1市4縣(市、區(qū))。

(4)2013年湖南省、湖北省人民政府編制的《洞庭湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)規(guī)劃》[6]從行政區(qū)劃的角度確定洞庭湖區(qū)的范圍為湖南省岳陽(yáng)市、常德市、益陽(yáng)市全境及長(zhǎng)沙市望城區(qū)和湖北省荊州市全境，區(qū)域總面積6.05萬(wàn)km2，其中湖南省境內(nèi)4.64萬(wàn)km2,湖北省境內(nèi)1.41萬(wàn)km2。行政區(qū)劃涉及湖南省4市25縣(市、區(qū))、湖北省1市8縣(市、區(qū))。

洞庭湖區(qū)范圍研究成果詳見表1。

2.2 范圍成果分析

2.2.1 《補(bǔ)充規(guī)劃》

(1)定義洞庭湖區(qū)位于長(zhǎng)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(yáng)市云溪區(qū)、臨湘市不在洞庭湖區(qū)范圍內(nèi)，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(zhǎng)江干堤自岳陽(yáng)市城區(qū)(東風(fēng)湖、吉家湖)、永濟(jì)垸、江南陸城垸至黃蓋湖為連續(xù)的防洪工程，洞庭湖區(qū)范圍可以延續(xù)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(zhǎng)常桃公路等交通干線確定洞庭湖區(qū)范圍，株洲市、湘潭市、長(zhǎng)沙市雨花區(qū)都不在洞庭湖區(qū)范圍內(nèi)。而且，益陽(yáng)市桃江縣、常德市石門縣也不在洞庭湖區(qū)范圍內(nèi)。

2.2.2 《洞庭湖區(qū)綜合治理近期規(guī)劃》和《洞庭湖區(qū)綜合規(guī)劃》

(1)定義洞庭湖區(qū)位于長(zhǎng)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(yáng)市云溪區(qū)、臨湘市不在洞庭湖區(qū)范圍內(nèi)，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(zhǎng)江干堤自岳陽(yáng)市城區(qū)(東風(fēng)湖、吉家湖)、永濟(jì)垸、江南陸城垸至黃蓋湖為連續(xù)的防洪工程，洞庭湖區(qū)范圍可以延續(xù)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(gè)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(qū)范圍，則株洲市全部、湘潭市的湘潭縣都不在洞庭湖區(qū)范圍內(nèi)。

(3)1997年《洞庭湖區(qū)綜合治理近期規(guī)劃》與1985年《補(bǔ)充規(guī)劃》相比，兩者定義的洞庭湖區(qū)范圍有較大的區(qū)別，但洞庭湖區(qū)范圍面積相同(2015年《洞庭湖區(qū)綜合規(guī)劃》中對(duì)該面積重新進(jìn)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(qū)域”這個(gè)條件，使洞庭湖區(qū)區(qū)域范圍更加明確，量化程度更高。

2.2.3 《洞庭湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)規(guī)劃》

2013年《洞庭湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)規(guī)劃》中洞庭湖區(qū)的范圍結(jié)合“長(zhǎng)株潭兩型社會(huì)建設(shè)試驗(yàn)區(qū)”、“大湘西武陵山經(jīng)濟(jì)協(xié)作區(qū)”和“湘南地區(qū)國(guó)家級(jí)承接產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移示范區(qū)”等區(qū)域性規(guī)劃的范圍確定，包括湖南省岳陽(yáng)市、常德市、益陽(yáng)市全境及長(zhǎng)沙市望城區(qū)和湖北省荊州市全境，規(guī)劃范圍是從行政區(qū)劃角度出發(fā)，而不是從洞庭湖及洞庭湖區(qū)的自然屬性考慮。

3 四水入湖河段水位流量關(guān)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(guān)系，消除航電梯級(jí)運(yùn)行造成的水位頂托對(duì)水位流量關(guān)系的干擾，本文在考慮實(shí)測(cè)資料時(shí)間一致性的同時(shí)，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(yùn)行影響時(shí)段的水位流量資料，研究四水入湖河段水位流量關(guān)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(guān)系

湘水永州以上為上游、永州至衡陽(yáng)為中游、衡陽(yáng)以下為下游，濠河口為湘水河口，湘水至此即進(jìn)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(zhǎng)沙綜合樞紐的影響，點(diǎn)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(zhǎng)沙樞紐2010年蓄水)、湘潭1998～2010年(下游湘江長(zhǎng)沙樞紐2010年蓄水)水位流量關(guān)系曲線，成果見圖1。從衡山、株洲、湘潭水文站水位流量相關(guān)分析可以看出：① 從上至下各水文站水位流量相關(guān)性降低，衡山站相關(guān)系數(shù)為 0.994 1，株洲站相關(guān)系數(shù)為 0.888 6，湘潭站相關(guān)系數(shù)為 0.749 0；② 衡山站水位流量關(guān)系近似為單一線，水位流量關(guān)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(qū)對(duì)湘水頂托影響程度判別

根據(jù)前述分析研究，洞庭湖區(qū)洪水對(duì)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(qū)頂托影響確定洞庭湖區(qū)范圍的角度，洞庭湖區(qū)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(yùn)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(qū)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(jìn)入洞庭湖。資水下游有桃江、益陽(yáng)等水文站。考慮到桃江水文站的站址移動(dòng)和益陽(yáng)水文站的資料系列情況，點(diǎn)繪桃江1998～2004年(2005年站址移動(dòng))、益陽(yáng)1998～2010年(2010年后不再觀測(cè)流量)水位流量關(guān)系曲線，成果見圖2。從資水桃江、益陽(yáng)水文站水位流量相關(guān)分析可以看出：① 從上至下各水文站水位流量相關(guān)性降低，桃江站相關(guān)系數(shù)為 0.984 5，益陽(yáng)站相關(guān)系數(shù)為 0.604 1；② 桃江站水位流量關(guān)系近似為單一線，水位流量關(guān)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(guān)系

圖3 沅水尾閭水位流量關(guān)系

3.2.2 洞庭湖區(qū)對(duì)資水頂托影響程度判別

根據(jù)前述分析研究，洞庭湖區(qū)洪水對(duì)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(qū)水位頂托影響來(lái)確定洞庭湖區(qū)范圍的角度考慮，洞庭湖區(qū)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(jìn)入洞庭湖。沅水下游有桃源、常德等水文站。根據(jù)兩站資料情況，點(diǎn)繪桃源1998～2012年、常德2000～2012年(該站2000后開始觀測(cè)流量)水位流量關(guān)系曲線，成果見圖3。從沅水桃源、常德水文站水位流量相關(guān)分析可以看出：① 從上至下各水文站水位流量相關(guān)性降低，桃源站相關(guān)系數(shù)為 0.970 1，常德站相關(guān)系數(shù)為 0.932 7；② 桃源站水位流量關(guān)系近似為單一線，水位流量關(guān)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(qū)對(duì)沅水頂托影響程度判別

根據(jù)上述分析研究，洞庭湖區(qū)洪水對(duì)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(qū)水位頂托影響來(lái)確定洞庭湖區(qū)范圍的角度考慮，洞庭湖區(qū)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(jìn)入洞庭湖。澧水下游有石門、津市等水文站。點(diǎn)繪石門、津市水文站1998～2012年水位流量關(guān)系曲線，成果見圖4。從澧水石門、津市水文站水位流量相關(guān)分析可以看出：① 從上至下各水文站水位流量相關(guān)性降低，石門站相關(guān)系數(shù)為 0.988 6，津市站相關(guān)系數(shù)為0.729 3；② 石門站水位流量關(guān)系近似為單一線，水位流量關(guān)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(guān)系

3.4.2 洞庭湖區(qū)對(duì)澧水頂托影響程度判別

根據(jù)上述分析研究，洞庭湖區(qū)洪水對(duì)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(qū)水位頂托影響來(lái)確定洞庭湖區(qū)范圍的角度考慮，洞庭湖區(qū)在澧水的范圍即在石門水文站。

4 洞庭湖區(qū)范圍的確定

4.1 洞庭湖區(qū)范圍的確定原則

洞庭湖位于湖南省北部、長(zhǎng)江干流南岸。長(zhǎng)江干流枝城至城陵磯河段稱為荊江，分泄長(zhǎng)江水流進(jìn)入洞庭湖的四口和洞庭湖水流注入長(zhǎng)江的出口都位于該河段內(nèi)，但洞庭湖區(qū)的岳陽(yáng)市云溪區(qū)、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(xué)、合理確定洞庭湖區(qū)在四水尾閭地區(qū)的范圍，本文在分析研究四水尾閭水位流量關(guān)系變化特性的基礎(chǔ)上，以高洪水位情況下洞庭湖區(qū)洪水不對(duì)四水尾閭洪水產(chǎn)生明顯頂托作為條件確定洞庭湖區(qū)在四水尾閭的范圍。

4.2 洞庭湖區(qū)范圍

根據(jù)前述的分析，確定洞庭湖區(qū)范圍為：長(zhǎng)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(wǎng)地區(qū)。

4.3 洞庭湖區(qū)行政區(qū)劃和總面積

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

5 結(jié)論與建議

洞庭湖北納松滋、太平、藕池和調(diào)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(huán)湖支流直接入湖。全湖區(qū)河流水系密布，水位流量關(guān)系復(fù)雜。為滿足洞庭湖的水利工程建設(shè)、綜合治理以及保護(hù)和開發(fā)的需要，在歷次和洞庭湖相

表2 洞庭湖區(qū)涉及行政區(qū)劃

注：表中備注欄中項(xiàng)目為行政區(qū)劃涉及到該次劃分的洞庭湖區(qū)范圍但湖區(qū)面積相對(duì)較小的市縣，括號(hào)內(nèi)為其面積，單位km2。

關(guān)的規(guī)劃設(shè)計(jì)中不同的單位均提出并定義了洞庭湖區(qū)的概念，但由于各自的側(cè)重點(diǎn)和關(guān)注點(diǎn)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(qū)劃等因素來(lái)確定湘資沅澧四水和直接入湖支流邊界點(diǎn)，得出的洞庭湖區(qū)的范圍和區(qū)域面積有較大差異。

本文從湘資沅澧四水尾閭水位流量關(guān)系變化特性的角度出發(fā)，以洞庭湖高洪水位對(duì)四水尾閭洪水位不帶來(lái)頂托影響為判別條件確定四水尾閭洞庭湖區(qū)的邊界點(diǎn)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(qū)范圍為上述邊界點(diǎn)和地面高程50 m控制的區(qū)域，區(qū)域總面積23 162.14 km2，其中湖南省境內(nèi)19 217.29 km2(占82.97%)，湖北省境內(nèi)3 944.85 km2(占17.03%)。行政區(qū)劃涉及湖南省的岳陽(yáng)、益陽(yáng)、常德、長(zhǎng)沙、株洲、湘潭6市的37個(gè)縣(市、區(qū))和湖北省荊州市的4個(gè)縣(市、區(qū))。

洞庭湖的范圍比較明確，全盛時(shí)期面積達(dá)到近6 000 km2，現(xiàn)有面積2 625 km2，即現(xiàn)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(qū)的范圍和區(qū)域面積則由于不同部門和單位的關(guān)注點(diǎn)不同而出現(xiàn)較大差異。目前國(guó)內(nèi)外除鄱陽(yáng)湖區(qū)的范圍采用防洪控制水位確定(即鄱陽(yáng)湖區(qū)范圍為湖口水文站防洪控制水位22.50 m所影響的鄱陽(yáng)湖區(qū))外[7]，還沒(méi)有發(fā)現(xiàn)類似湖區(qū)范圍確定方法的研究成果。該研究?jī)H從水利部門的角度出發(fā)，根據(jù)洞庭湖的水文特性確定洞庭湖區(qū)的范圍。洞庭湖區(qū)范圍的正確定義和確定是一個(gè)綜合性的命題，牽涉到水利、農(nóng)業(yè)、氣象、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)管理等眾多學(xué)科，就需要聯(lián)合多部門開展基礎(chǔ)性研究，為科學(xué)合理確定湖區(qū)范圍提供依據(jù)。