梅西湖與鄱陽湖水位變化關(guān)系及其水量交換過程分析

馮文娟，徐力剛，范宏翔，李新艷，董 磊

（1中國科學(xué)院 南京地理與湖泊研究所，中國科學(xué)院流域地理學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京210008；2中國科學(xué)院大學(xué)，北京100049）

鄱陽湖是長江中下游地區(qū)與長江自然相通的兩大淡水湖泊之一，它承納贛江、撫河、信江、饒河、修水五河來水，經(jīng)調(diào)蓄后由湖口北注入長江，形成完整的鄱陽湖水系。作為季節(jié)性吞吐型湖泊，鄱陽湖水位（9．79～15．36m）季節(jié)變化和年際變化顯著［1］，受長江和流域內(nèi)五河來水的相互作用，年內(nèi)變幅超過10 m，年際間最大變幅達(dá)16．69m［2］。鄱陽湖每年4月進(jìn)入汛期，7月達(dá)最高水位，8—9月略降仍維持較高水位，10月穩(wěn)定下降進(jìn)入枯水期，至次年3月。獨(dú)特的水文過程形成了鄱陽湖水陸交替的典型濕地景觀。

鄱陽湖湖區(qū)濕地面積2 698km2，約占全湖正常水位總面積（3 283．4km2）的82%［3］。在五河的河口三角洲處，由于泥沙不均勻沉積，以及筑堤取土、圍魚筑壩，形成許多大小不一的淺碟形洼地［4］，枯水期碟形洼地湖水落槽，各自成為封閉的碟形洼地湖泊，其水情動(dòng)態(tài)變化特征符合越冬候鳥的遷徙規(guī)律，加上湖內(nèi)及洲灘上豐富的動(dòng)植物資源，為鳥類提供了理想的覓食和棲息環(huán)境［5］。碟形洼地的水位變化等水文情勢(shì)直接影響著濕地生態(tài)系統(tǒng)，而作為子湖泊，各碟形洼地與大湖區(qū)存在一定的水位聯(lián)系。

鄱陽湖水位及變動(dòng)一直是國內(nèi)外學(xué)者研究的重要對(duì)象，已有研究主要包括以下3個(gè)方面：（1）鄱陽湖水位與長江水位的頂托和倒灌關(guān)系以及三峽大壩的運(yùn)行對(duì)鄱陽湖水位的影響研究［6－8］；（2）鄱陽湖水位湖面積模型的建立［9－13］和水位時(shí)空關(guān)系研究，側(cè)重于不同時(shí)間序列下鄱陽湖水位的變化規(guī)律及未來鄱陽湖水位的預(yù)測(cè)［14－19］，空間上則偏重鄱陽湖流域水文特征和江湖水位關(guān)系以及水量交換的研究［20－23］；（3）鄱陽湖水位對(duì)濕地植被的影響及濕地生態(tài)系統(tǒng)的保護(hù)［4，24－28］。碟形洼地是鄱陽湖濕地的重要組成部分，鄱陽湖濕地保護(hù)區(qū)即由9個(gè)碟形洼地組成。碟形洼地洲灘的淹沒與出露由水位的漲退而定，這關(guān)系到洲灘濕地植被的時(shí)空分布、物種的多樣性等，其對(duì)越冬候鳥的生存有著重要的影響。但是，目前關(guān)于碟形洼地水位的研究尚少，已開展的相關(guān)研究主要有姜加虎與胡春華［5，29］對(duì)1993—1994年蚌湖與鄱陽湖水位關(guān)系及漲水期蚌湖與大湖區(qū)水位滯后關(guān)系的分析；胡振鵬等［4］認(rèn)為作為鄱陽湖內(nèi)湖的碟形洼地枯水期時(shí)主要受降雨、蒸發(fā)、下滲等自然原因和開閘（溝）等人為因素的影響［4］；周霞等［30］基于GIS技術(shù)對(duì)鄱陽湖自然保護(hù)區(qū)九大湖泊的濕地水位與洲灘出露的模擬研究中提及濕地水位與鄱陽湖水位的相關(guān)關(guān)系。

梅西湖是鄱陽湖自然保護(hù)區(qū)9個(gè)碟形洼地湖泊之一，其植被特征以及水文情勢(shì)有一定的代表性，研究其生態(tài)水文過程、水文情勢(shì)以及其與鄱陽湖大湖區(qū)的水位關(guān)系是認(rèn)識(shí)鄱陽湖湖區(qū)內(nèi)湖與外湖水位關(guān)系的重要組成部分。本研究的目的在于探索梅西湖與鄱陽湖大湖區(qū)的水位漲落關(guān)系及其相關(guān)性，研究結(jié)果對(duì)于進(jìn)一步分析鄱陽湖碟形洼地和洲灘前緣在不同水文環(huán)境下的植被特征、土壤地貌特征、物種棲息及遷移規(guī)律，揭示碟形洼地的生態(tài)水文過程以及生物多樣性的潛在原因，分析鄱陽湖碟形洼地和洲灘前緣生態(tài)系統(tǒng)功能與結(jié)構(gòu)，從而深刻剖析鄱陽湖水文－物種－景觀之間的耦合關(guān)系與內(nèi)在規(guī)律具有重要的科學(xué)意義。本文也可為鄱陽湖碟形洼地的研究提供一些基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，以期引起濕地研究中對(duì)碟形洼地水位變化研究的重視。

1 數(shù)據(jù)與方法

1．1 研究區(qū)概況

梅西湖（29°12′53″～29°12′55″N，116°02′53″～116°03′07″E）位于江西省九江市永修縣吳城鎮(zhèn)的東北方，距吳城鎮(zhèn)約6km。梅西湖為鄱陽湖的一個(gè)子湖，湖內(nèi)地勢(shì)平緩，是鄱陽湖內(nèi)極具代表性的湖泊濕地，同時(shí)也是鄱陽湖國家級(jí)鳥類自然保護(hù)區(qū)下屬9個(gè)重點(diǎn)保護(hù)湖泊之一。梅西湖豐水期與鄱陽湖匯成一體，枯水期與鄱陽湖主體隔離，成為相對(duì)封閉的淺水洼地，是典型的碟形洼地（圖1）。

圖1 研究區(qū)位置示意圖Fig．1 Location sketch of research area

1．2 數(shù)據(jù)來源與分析方法

收集整理了2011—2012年梅西湖水位與鄱陽湖流域贛江、修水、星子、都昌、棠蔭、屏峰、龍口、康山、南峰等9個(gè)水文站點(diǎn)的水位同步觀測(cè)資料，水位數(shù)據(jù)均為吳淞高程。基于主成分分析方法提取能夠反映碟形洼地水位和鄱陽湖總體水位的代表性水位；以梅西湖為例來分析碟形洼地與外湖水位之間的關(guān)系，根據(jù)豐枯水位的漲落情況將梅西湖與鄱陽湖的水位關(guān)系分為枯水期、漲水期、豐水期和退水期，分階段做盒裝圖，通過水位的分布范圍、中位數(shù)、平均數(shù)等參數(shù)來分析梅西湖與鄱陽湖水位的漲落關(guān)系；分階段對(duì)梅西湖和鄱陽湖水位進(jìn)行線性回歸，討論不同階段兩者水位的相關(guān)性。

2 結(jié)果分析與討論

2．1 鄱陽湖水位變化過程及其代表站點(diǎn)確定

分別對(duì)2011—2012年鄱陽湖贛江、修水、星子、都昌、棠蔭、屏峰、龍口、康山、南峰9個(gè)水文站點(diǎn)的水位數(shù)據(jù)進(jìn)行主成分分析，提取能代表鄱陽湖水位的主分量，根據(jù)其權(quán)重關(guān)系得出能反映鄱陽湖整體水位的代表性水位。貢獻(xiàn)率≥85%的第一主成分與贛江、修水、星子、都昌、棠蔭、屏峰、龍口、康山、南峰的水位均呈正相關(guān)關(guān)系，是9個(gè)站點(diǎn)水位的加權(quán)平均值，用于表示鄱陽湖整個(gè)湖區(qū)的水位，在下文稱為鄱陽湖均水位。選擇主成分分析中第一主成分中權(quán)重較大的贛江、修水、星子、都昌、屏峰5個(gè)站點(diǎn)的水位數(shù)據(jù)做鄱陽湖主要水文站點(diǎn)的水位過程圖（圖2）。

圖2 2011—2012年主要站點(diǎn)水文過程Fig．2 Water level courses of the main hydrologic stations from 2011to 2012

從圖2中可以看出，贛江和修水有幾乎一致的水位過程線，星子、都昌、屏峰有相近的水位過程線。一般從12月到第2年的5、6月份為枯水期，星子、都昌和屏峰的水位低于修水站和贛江站水位2m左右，而在豐水期這5個(gè)水文站點(diǎn)則有十分相近的水文過程。而2011—2012年鄱陽湖均水位過程與修水站和贛江站的水位過程無論在枯水期還是豐水期均幾乎完全一致，因此，本文選擇修水站作為鄱陽湖水位的代表性控制站點(diǎn)（圖3）。

圖3 2011—2012年鄱陽湖與修水站水位過程線Fig．3 Water level courses of Poyanghu and Xiushui hydrologic stations from 2011to 2012

贛江站和修水站有幾乎相同的水文過程線可能是因?yàn)橼M江站和修水站分別位于贛江和修水兩河的下游，在五河來水補(bǔ)給時(shí)期，同時(shí)接受上游來水，而在長江倒灌頂托作用時(shí)，由于贛江站和修水站地理位置相近，其同時(shí)受到長江來水的作用，所以無論在枯水期、漲水期還是退水期，贛江站和修水站均有相似的水文過程。星子站、屏峰站主要受長江來水的作用，且地理位置相近，均在鄱陽湖與長江交接處附近，來水條件相同以及地理位置相近，使得這2個(gè)站點(diǎn)的水文過程比較相似。

2．2 梅西湖與鄱陽湖水位的漲落分析

2011—2012年修水站和梅西湖的水位動(dòng)態(tài)變化過程線見圖4，反映了整個(gè)歷時(shí)期間梅西湖與鄱陽湖水位變化。圖5為不同水文階段梅西湖與修水站水位的分布圖，反映梅西湖與修水站水位在各階段間波動(dòng)的趨勢(shì)以及平均水位的變化。本文分別從枯水、漲水、豐水、退水4個(gè)水文階段來對(duì)梅西湖與修水站的水位進(jìn)行漲落分析。

2．2．1 枯水期 枯水期時(shí)梅西湖水位比較穩(wěn)定，處于13．5～14．5m之間，水位歷時(shí)大約為12月份到第2年3月份，無較大的水位變化或者頻繁的水位升降；相對(duì)于梅西湖水位，修水站的水位變化比較大，且水位低于梅西湖湖水位約3m，但是從修水站整體水位過程來看，枯水期時(shí)水位變動(dòng)最小，此間梅西湖與鄱陽湖水位沒有明顯的水位關(guān)聯(lián)性。

2．2．2 漲水期 3月份梅西湖開始漲水，水位高于14．5m，保持總體水位抬高的趨勢(shì)。在水位上漲過程中，梅西湖的水位首先高于修水站水位2m以上，之后修水站水位上漲速度明顯大于梅西湖水位上漲速度，水位差逐漸縮小。直到4月底，當(dāng)梅西湖水位和修水站水位均達(dá)到15．8m后，梅西湖和修水站水位趨于一致，保持相同的漲落速率。在漲水期，梅西湖水位和修水站水位變化范圍均開始增大，平均水位上漲；修水站的水位比梅西湖的水位變動(dòng)更劇烈，是其整個(gè)水文變化過程中變動(dòng)最大的階段，平均水位增加也更明顯。另外，修水站水位雖然仍低于梅西湖水位，但是差值減小為1．5m左右。

2．2．3 豐水期 5月份鄱陽湖進(jìn)入豐水期，梅西湖和鄱陽湖水位仍以相同的速率漲落，梅西湖的水位達(dá)到其整個(gè)水文過程中的最大值，且大于修水站水位，但兩者水位的分散程度是相當(dāng)?shù)?，而修水站水位較之漲水期變動(dòng)范圍有所減小，這一時(shí)期梅西湖和修水站的水位均達(dá)到整個(gè)水文過程中的最大值，并且兩者基本相等。

2．2．4 退水期 8月份之后，梅西湖水位和修水水位均進(jìn)入退水階段。在退水過程開始階段，梅西湖和修水站幾乎保持相同的退水速率，當(dāng)水位退至15．8m后，梅西湖和修水站不再以相同的速率退水，修水站的退水速度大于梅西湖，梅西湖維持15．8m的水位一段時(shí)間后水位回落到枯水期的穩(wěn)定水位。退水期梅西湖水位較之修水水位的變動(dòng)范圍及分散程度均較小，兩者的平均水位雖然均低于豐水期時(shí)水位，但是兩者的差值明顯增大，表現(xiàn)為梅西湖的平均水位高于修水平均水位約2m。

圖4和圖5可以反映出梅西湖與鄱陽湖水位變化關(guān)系，即枯水期不存在一致性，漲水和退水期存在同漲同落的一致性，豐水期較為一致的關(guān)系。通過水位過程圖可以發(fā)現(xiàn)（圖4），梅西湖和鄱陽湖的水位關(guān)系在水位15．8m附近有明顯的變化，水位低于15．8m時(shí)兩者有不同的漲落速率，而水位高于15．8m時(shí)則有相同的漲落速率。

圖4 2011—2012年梅西湖與修水站水位過程Fig．4 Water level courses of Meixi Lake and Xiushui hydrologic stations from 2011to 2012

圖5 2011—2012年梅西湖（mxh）和修水（xs）在枯水（a）、漲水（b）、豐水（c）和退水（d）各階段的水位分布Fig．5 Water level distribution of Meixi Lake（mxh）and Xiushui（xs）in the dry period（a），water－rising period（b），plentiful water period（c）and water－recession period（d）from 2011to 2012

2．3 梅西湖與修水站的水位相關(guān)關(guān)系分析

在梅西湖和修水站漲落分析的基礎(chǔ)上，將水位階段分為水位低于15．8m的漲水階段、水位高于15．8m的豐水階段和水位低于15．8m的退水階段3個(gè)階段，分析梅西湖與鄱陽湖的水位相關(guān)性。由于枯水階段兩者水位并沒有一致性，所以這里認(rèn)為兩者水位相關(guān)性較弱，不予以相關(guān)性分析。

表1是梅西湖和修水站水位的階段性相關(guān)性分析，分3個(gè)階段5個(gè)方面，包括梅西湖水位（Lm）與修水站水位（Lx）的關(guān)系、梅西湖水位（Lm）與兩者之間差值（ΔL）的關(guān)系、兩者之間差值（ΔL）與修水站水位（Lx）的關(guān)系、梅西湖水位（Lm）與修水站水位（Lx）以及修水站水位增長率（Vx）之間的關(guān)系、梅西湖水位增長率（Vm）與修水站水位增長率（Vx）之間的關(guān)系。

表1 2011—1012年梅西湖與修水站水位的階段性相關(guān)關(guān)系Tab．1 Relationships between Lmand Lxin three stations from 2011to 2012

分析結(jié)果表明：梅西湖水位與修水站水位在低于15．8m的漲水階段和低于15．8m的退水階段，相關(guān)關(guān)系較差，在高于15．8m的豐水階段有極好的相關(guān)關(guān)系。在低于15．8m的漲水階段和低于15．8m的退水階段，梅西湖水位與修水站水位，與兩者之間的差值以及修水站水位的增長率的決定系數(shù)（R2）均較小，不具有線性相關(guān)性；而梅西湖與修水站兩者的差值與修水站水位決定系數(shù)（R2）分別為0．947 9和0．911 5，有較好的相關(guān)性，說明在這兩個(gè)階段梅西湖水位較修水站水位穩(wěn)定，并不會(huì)隨修水站水位的波動(dòng)而波動(dòng)，兩者的水位差別主要由修水站的水位波動(dòng)來決定。在水位高于15．8m的豐水階段，梅西湖與修水站水位和修水站水位增長率的相關(guān)性比較好，其線性決定系數(shù)（R2）分別為0．983 3和0．940 8，且梅西湖與修水站水位之間的線性擬合值接近于1，說明這一階段兩者水位基本保持一致；兩者的增長率之間也存在一定的相關(guān)性，其線性決定系數(shù)（R2）為0．873 8，在這一階段梅西湖與修水站的水位差值（ΔL）與梅西湖水位（Lm）和修水站水位（Lx）的相關(guān)性極差，不具有相關(guān)關(guān)系。

2．4 梅西湖水位滯后效應(yīng)及與鄱陽湖的水量交換分析

2．4．1 滯后效應(yīng) 梅西湖與鄱陽湖的水位關(guān)系分析結(jié)果表明，梅西湖相對(duì)于鄱陽湖的滯后效應(yīng)僅出現(xiàn)在漲水期，梅西湖水位在14．5～15．8m時(shí)，梅西湖水位上漲的速率明顯低于鄱陽湖水位上漲的速率，但是從梅西湖與修水站的水位過程圖（圖4）可以看出，這種滯后效應(yīng)歷時(shí)較短，僅持續(xù)幾天的時(shí)間。

2．4．2 梅西湖與鄱陽湖的水量交換 從梅西湖和鄱陽湖的水位關(guān)系可以推測(cè)，梅西湖與鄱陽湖的水量交換受梅西湖湖區(qū)地形的影響，上述的水位關(guān)系是由梅西湖湖區(qū)地形和鄱陽湖水文情勢(shì)所決定的。梅西湖和鄱陽湖的水位關(guān)系在低于15．8m和高于15．8m時(shí)截然不同，低于15．8m時(shí)兩者水位聯(lián)系很弱，而高于15．8m時(shí)兩者水位線性相關(guān)性十分明顯?？梢酝茰y(cè)，梅西湖湖區(qū)東南角與主湖區(qū)相連接的通道高程或者梅西湖洲灘的高程為15．8m左右。

梅西湖漲水前期和退水后期鄱陽湖水位低于15．8m時(shí)，梅西湖是一個(gè)相對(duì)封閉的碟形洼地，不與鄱陽湖直接發(fā)生地表水量的交換，此時(shí)梅西湖水體和鄱陽湖水體只有通過地下水位運(yùn)動(dòng)來發(fā)生聯(lián)系；漲水時(shí)梅西湖水位高于鄱陽湖水位，梅西湖補(bǔ)給鄱陽湖，地下水的水量交換由梅西湖流向鄱陽湖；退水時(shí)兩者水體相對(duì)隔絕后，梅西湖由于相對(duì)封閉，其水位下降的速度小于鄱陽湖水位下降的速度，梅西湖補(bǔ)給鄱陽湖，地下水的水量交換由梅西湖流向鄱陽湖。由于梅西湖湖區(qū)面積本身比較小，而且鄱陽湖大湖區(qū)水位較低時(shí)，其周圍洲灘面積較大，地下水的補(bǔ)給速度很慢，所以梅西湖對(duì)鄱陽湖大湖區(qū)的地下水補(bǔ)給量很小，對(duì)兩者水位關(guān)系的影響十分微弱。鄱陽湖漲水達(dá)到15．8m后，梅西湖與鄱陽湖連成一片，兩者有相同的漲落速率。在枯水期，即梅西湖水位在14．5m之下時(shí)，梅西湖作為一個(gè)相對(duì)封閉的碟形洼地，與鄱陽湖湖區(qū)沒有地表水的交換，地下水交換也甚小，其水位的漲落主要受降雨的影響，梅西湖水位高于鄱陽湖大湖區(qū)的水位，但存在相同的漲落趨勢(shì)（圖4）。

3 結(jié)論

對(duì)9個(gè)水文站點(diǎn)的主成分分析得出，鄱陽湖總體水位與修水站及贛江站的水位過程十分相似，而與具有相似水位過程的星子站、都昌站和屏峰站在枯水期水位有約2m的差值，在豐水期則有相同的水文過程。

以修水站代表鄱陽湖水位來分析梅西湖與外湖的水位關(guān)系，其水位關(guān)系和漲落情況在枯水期、漲水期、豐水期和退水期4個(gè)階段各有特點(diǎn)：枯水期時(shí)，梅西湖水位在13．5～14．5m之間波動(dòng)，水位比較穩(wěn)定，且高于鄱陽湖水位3m左右；漲水期，兩者的水位差逐漸減小，水位達(dá)到15．8m時(shí)，兩者水位保持一致，直到退水階段水位回落到15．8m，之后梅西湖水位回落速度明顯小于鄱陽湖水位回落速度，且梅西湖水位保持在13．5m以上，而鄱陽湖水位有時(shí)會(huì)出現(xiàn)10m以下的水位。梅西湖水位與鄱陽湖水位的相關(guān)性在水位15．8m以上較為顯著，而在水位15．8m以下沒有明顯的相關(guān)關(guān)系。

梅西湖和鄱陽湖的水量交換發(fā)生在梅西湖水位高于15．8m時(shí)，此時(shí)其水面連為一體，同漲同落。在低于15．8m的漲水期和落水期，梅西湖和鄱陽湖的水量交換主要通過壤中流來實(shí)現(xiàn)，但水量交換甚小。梅西湖水位低于14．5m的枯水期時(shí)，梅西湖洲灘大面積裸露，通過地下水進(jìn)行的水量交換更小。梅西湖和鄱陽湖的水量交換主要發(fā)生在豐水期。

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