城陵矶水位受干流水位影响，水库蓄水作用使得荆江水位在 10、 11 月份降低，通过改变城陵矶水位， 影响洞庭湖出流过程。统计蓄水前后城陵矶七里山 10、11 月份月均流量及莲花塘月均水位，并拟合其变化 趋势线，如图 2。 由图可知，由于水库的拦蓄作用，城陵矶 10、 11 月份水位相比蓄水前降低，而流量相比蓄水前增加。 分析原因可知，由于城陵矶水位由干流流量与七里山出流共同决定，所以蓄水引起的干流流量减小导致城
第2期
王
冬等：三峡水库蓄水期洞庭湖水力要素变化初步分析
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湖湖内水位有下降趋势；渠庚 [9]等利用蓄水后资料，分析认为三峡水库径流调蓄影响长江 -洞庭湖径流响应 关系。上述研究成果多对三峡水库影响洞庭湖水力要素的定性分析，或者粗略估计，而基于江湖关系联动 响应机理定量分析三峡水库影响程度的研究相对较少。 本文基于实测资料，明确了三峡水库蓄水期干流水位及流量的变化对洞庭湖入湖及出湖水文要素的影 响，结合入湖流量及出口顶托关系，利用类比分析法揭示了洞庭湖调蓄过程的机理，并由此提出入湖与出 湖的水量平衡即调蓄水量为零的临界状态是洞庭湖调蓄的方向，计算相应的临界水位，能够定量表征水库 蓄水造成干流水位下降对洞庭湖水力要素的影响，有助于深入认识长江 -洞庭湖关系。
验关系，干流水位越低，三口分流量越小，因而三峡水库蓄水势必影响三口分流，减小水库蓄水期洞庭湖 的入湖流量。统计蓄水前后荆江三口 10、 11 月份平均流量的变化情况，如图 1。 由图可知三峡水库运行后，由于 10 月份是水库的主要蓄水时段，平均蓄水流量较大，因而该时期荆江 三口分流量受蓄水影响减小明显，而 11 月份由于流域进入落水期，天然来流下三口分流量较小，且水库蓄 水基本完成，因而 11 月份三口分流量变化趋势不明显。
2.1 城陵矶水位与洞庭湖调蓄水量的关系 荆江三口分流及洞庭湖出口顶托关系均与干流水位密切相关， 是影响洞庭湖调蓄过程的两个重要因素。 已有研究成果 [11]提出了荆江干流水位与三口分流量的经验公式，且经验证结果与实际较为符合，而出口顶 托作用与干流水位、流量的相关性研究较少。若将洞庭湖与人工水库的调蓄过程类比，则干流水位对于洞 庭湖的出流顶托作用相当于在洞庭湖出口处放置 “堰 ”，干流流量决定 “堰 ”顶高程，并受洞庭湖入湖流量及 出口断面形态的影响。入湖流量一定时，如果湖内水位低于 “堰 ”顶高程，则洞庭湖蓄水，调蓄水量为正； 若湖内水位达到 “堰 ”顶，则洞庭湖不参与调蓄，水库调蓄水量为零；如果湖内水位高于 “堰 ”顶高程，则水 位泄水，调蓄水量为负。湖内水位与洞庭湖出口城陵矶水位关系密切，对应不同的城陵矶流量及水位，可 以用函数关系表示湖内水位 [12]，所以判断湖内水位是否达到 “堰 ”顶高程，可以用城陵矶水位判断及表征。 分析不同入湖流量，各监利流量级调蓄水量与城陵矶水位之间的关系，如图 3，其中调蓄水量的计算 利用公式 I t Q t I ' V W ，式中 W 为一日调蓄水量； I 为逐日平均入湖流量（三口 +四水） ； Q 为逐 日平均出湖流量； I ' 为一日区间汇流量， t 为时段，调蓄水量为正值时，代表洞庭湖蓄水，调蓄水量为负 值时，代表洞庭湖泄水 [13]。由于本文利用 1990-2010 年实测的逐日平均水位流量资料计算了洞庭湖的一日 调蓄水量。直线拟合不同入湖流量，各监利流量级下，城陵矶水位与调蓄水量之间的关系，相关系数 R2 全部大于 0.8，两者的拟合关系较好。 由图 3 可知，入湖流量一定时，各监利流量级下洞庭湖调蓄水量正、负总在某个城陵矶水位上下浮动， 这个临界水位对应调蓄水量的零点。当城陵矶水位高于临界水位时调蓄水量为负，洞庭湖泄水；当城陵矶 水位低于临界水位时调蓄水量为正，洞庭湖蓄水；同一个入湖流量，监利流量越大，临界水位越高。 为了更好的说明图 3 中所示现象，考虑以下情况：若时刻 Ti ，在入湖流量不变，监利流量为 Q j 时，洞 庭湖达到调蓄水量为零的临界状态，城陵矶水位为 Z c ；下一时刻 Ti 1 ，使监利流量减小至 Q j 1 后不变，则城 陵矶水位迅速下降至 Z c 1 ，口门顶托作用减小，洞庭湖临界状态被打破，出湖流量增加，城陵矶水位又随 之升高，直至新的临界状态 Z 'c 1 。由于洞庭湖泄水，湖内水位下降，此时的城陵矶水位 Z 'c 1 不高于时刻 Ti 的 临界水位 Z c 。在这个过程中洞庭湖泄水，调蓄水量始终为负值，并逐渐向零点靠近。同样的，下一时刻 Ti 1 ， 使监利流量增大至 Q j 1 后不变， 则城陵矶水位迅速升高至 Z c 1 ， 口门顶托作用增大， 洞庭湖临界状态被打破， 出湖流量减小，城陵矶水位又随之减小，直至新的临界状态 Z 'c 1 。由于洞庭湖蓄水，湖内水位升高，此时 的城陵矶水位 Z 'c 1 不低于时刻 Ti 的临界水位 Z c 。在这个过程中洞庭湖蓄水，调蓄水量始终为正值，并逐渐 向零点靠近。 上述分析解释了图 3 中，同一入湖流量各监利流量级，调蓄水量在某一城陵矶水位上下浮动的原因， 正是洞庭湖向调蓄水量为零的临界状态趋近，才有图 3 中出现的现象。在洞庭湖的实际调蓄过程中，由于
上述分析可知，三峡水库蓄水引起的荆江干流水位下降，从改变荆江三口分流量以及洞庭湖出口顶托 关系两方面影响到洞庭湖的调蓄。由于蓄水期荆江三口分流量的减小，城陵矶水位下降减弱顶托作用，洞 庭湖出流增加，两者综合导致洞庭湖于水库蓄水期水量下降，故三峡水库蓄水影响洞庭湖水力要素。
2 洞庭湖调蓄机理及临界状态
Preliminary analysis of changes in hydraulic elements of Dongting lake in storage period of Three Gorges reservoir
WANG Dong, LI Yitian, DENG Jinyun, YANG Yunping (Wuhan University，State Key Laboratory of Water Resources and Hydropower Engineering Science, Wuhan 430072) Abstract： The hydraulic elements of the Yangtze River and the Dongting lake are analyzed for the storage period of the Three Gorges reservoir based on the recent data to study the responses of the Yangtze-Dongting relationship to the reservoir's behaviors in flow regulation and retardation. The results show that the lake inflow and the river's pushing to the lake's outflow are two key factors that have caused flow regulation and retardation in the lake. After the reservoir's impoundment, the average flows at the three diversion outlets were decreasing in October but changed little in November, while the flow at Chenglingji was increasing in these two months and the corresponding water level was dropping. By using analogy analysis, a threshold water level was determined for the water balance condition of the Dongting and a quantitative relationship of this threshold versus the lake inflow and the river flow at Jianli was established. This work would provide a quantitative basis for estimation of the degree of influences on the Dongting's water quantity by the Three Gorges reservoir. Key words：Dongting lake; water quantity of regulation and retardation; water level of Chenglingji; Three Gorges reservoir
图1
蓄水前后荆江三口 10、 11 月份月均流量变化
Fig.1 Changes in monthly average flows at the three diversion outlets in October and November before and after the reservoir's storage
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引言
21 世纪以来，洞庭湖湖区遭受旱灾，连年的季节性缺水诱发了一系列问题。 2006 年 9 月 20 日至 10
月 31 日，洞庭湖入湖水量只有同期多年平均水平的 7%，而 2009 年 10 月城陵矶水位降到了 1960 年以来 罕见的最低水位 21.62m[1]，严重影响湖区用水需求。三峡水库运行后年内径流过程的改变导致江湖关系调 整，水库蓄水对洞庭湖调蓄过程及水量的影响引起了多方重视 [2-5]，蓄水引起的干流水位下降对洞庭湖究竟 有多大影响也亟待研究。张晓阳 [6]等分析洞庭湖自然演变趋势，估计了三峡水库调蓄对洞庭湖水量的影响； 李景保 [7]通过对比蓄水前后丰中枯典型年，认为三峡水库改变径流过程影响洞庭湖入湖流量、湖内水量及 城陵矶水位；史璇 [8]等利用小波分析方法研究近 50 年洞庭湖季节水位变化，结果显示三峡水库蓄水期洞庭