梅西湖与鄱阳湖水位变化关系及其水量交换过程分析

冯文娟，徐力刚，范宏翔，李新艳，董 磊

（1中国科学院 南京地理与湖泊研究所，中国科学院流域地理学重点实验室，江苏 南京210008；2中国科学院大学，北京100049）

鄱阳湖是长江中下游地区与长江自然相通的两大淡水湖泊之一，它承纳赣江、抚河、信江、饶河、修水五河来水，经调蓄后由湖口北注入长江，形成完整的鄱阳湖水系。作为季节性吞吐型湖泊，鄱阳湖水位（9．79～15．36m）季节变化和年际变化显著［1］，受长江和流域内五河来水的相互作用，年内变幅超过10 m，年际间最大变幅达16．69m［2］。鄱阳湖每年4月进入汛期，7月达最高水位，8—9月略降仍维持较高水位，10月稳定下降进入枯水期，至次年3月。独特的水文过程形成了鄱阳湖水陆交替的典型湿地景观。

鄱阳湖湖区湿地面积2 698km2，约占全湖正常水位总面积（3 283．4km2）的82%［3］。在五河的河口三角洲处，由于泥沙不均匀沉积，以及筑堤取土、围鱼筑坝，形成许多大小不一的浅碟形洼地［4］，枯水期碟形洼地湖水落槽，各自成为封闭的碟形洼地湖泊，其水情动态变化特征符合越冬候鸟的迁徙规律，加上湖内及洲滩上丰富的动植物资源，为鸟类提供了理想的觅食和栖息环境［5］。碟形洼地的水位变化等水文情势直接影响着湿地生态系统，而作为子湖泊，各碟形洼地与大湖区存在一定的水位联系。

鄱阳湖水位及变动一直是国内外学者研究的重要对象，已有研究主要包括以下3个方面：（1）鄱阳湖水位与长江水位的顶托和倒灌关系以及三峡大坝的运行对鄱阳湖水位的影响研究［6－8］；（2）鄱阳湖水位湖面积模型的建立［9－13］和水位时空关系研究，侧重于不同时间序列下鄱阳湖水位的变化规律及未来鄱阳湖水位的预测［14－19］，空间上则偏重鄱阳湖流域水文特征和江湖水位关系以及水量交换的研究［20－23］；（3）鄱阳湖水位对湿地植被的影响及湿地生态系统的保护［4，24－28］。碟形洼地是鄱阳湖湿地的重要组成部分，鄱阳湖湿地保护区即由9个碟形洼地组成。碟形洼地洲滩的淹没与出露由水位的涨退而定，这关系到洲滩湿地植被的时空分布、物种的多样性等，其对越冬候鸟的生存有着重要的影响。但是，目前关于碟形洼地水位的研究尚少，已开展的相关研究主要有姜加虎与胡春华［5，29］对1993—1994年蚌湖与鄱阳湖水位关系及涨水期蚌湖与大湖区水位滞后关系的分析；胡振鹏等［4］认为作为鄱阳湖内湖的碟形洼地枯水期时主要受降雨、蒸发、下渗等自然原因和开闸（沟）等人为因素的影响［4］；周霞等［30］基于GIS技术对鄱阳湖自然保护区九大湖泊的湿地水位与洲滩出露的模拟研究中提及湿地水位与鄱阳湖水位的相关关系。

梅西湖是鄱阳湖自然保护区9个碟形洼地湖泊之一，其植被特征以及水文情势有一定的代表性，研究其生态水文过程、水文情势以及其与鄱阳湖大湖区的水位关系是认识鄱阳湖湖区内湖与外湖水位关系的重要组成部分。本研究的目的在于探索梅西湖与鄱阳湖大湖区的水位涨落关系及其相关性，研究结果对于进一步分析鄱阳湖碟形洼地和洲滩前缘在不同水文环境下的植被特征、土壤地貌特征、物种栖息及迁移规律，揭示碟形洼地的生态水文过程以及生物多样性的潜在原因，分析鄱阳湖碟形洼地和洲滩前缘生态系统功能与结构，从而深刻剖析鄱阳湖水文－物种－景观之间的耦合关系与内在规律具有重要的科学意义。本文也可为鄱阳湖碟形洼地的研究提供一些基础数据，以期引起湿地研究中对碟形洼地水位变化研究的重视。

1 数据与方法

1．1 研究区概况

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县吴城镇的东北方，距吴城镇约6km。梅西湖为鄱阳湖的一个子湖，湖内地势平缓，是鄱阳湖内极具代表性的湖泊湿地，同时也是鄱阳湖国家级鸟类自然保护区下属9个重点保护湖泊之一。梅西湖丰水期与鄱阳湖汇成一体，枯水期与鄱阳湖主体隔离，成为相对封闭的浅水洼地，是典型的碟形洼地（图1）。

图1 研究区位置示意图Fig．1 Location sketch of research area

1．2 数据来源与分析方法

收集整理了2011—2012年梅西湖水位与鄱阳湖流域赣江、修水、星子、都昌、棠荫、屏峰、龙口、康山、南峰等9个水文站点的水位同步观测资料，水位数据均为吴淞高程。基于主成分分析方法提取能够反映碟形洼地水位和鄱阳湖总体水位的代表性水位；以梅西湖为例来分析碟形洼地与外湖水位之间的关系，根据丰枯水位的涨落情况将梅西湖与鄱阳湖的水位关系分为枯水期、涨水期、丰水期和退水期，分阶段做盒装图，通过水位的分布范围、中位数、平均数等参数来分析梅西湖与鄱阳湖水位的涨落关系；分阶段对梅西湖和鄱阳湖水位进行线性回归，讨论不同阶段两者水位的相关性。

2 结果分析与讨论

2．1 鄱阳湖水位变化过程及其代表站点确定

分别对2011—2012年鄱阳湖赣江、修水、星子、都昌、棠荫、屏峰、龙口、康山、南峰9个水文站点的水位数据进行主成分分析，提取能代表鄱阳湖水位的主分量，根据其权重关系得出能反映鄱阳湖整体水位的代表性水位。贡献率≥85%的第一主成分与赣江、修水、星子、都昌、棠荫、屏峰、龙口、康山、南峰的水位均呈正相关关系，是9个站点水位的加权平均值，用于表示鄱阳湖整个湖区的水位，在下文称为鄱阳湖均水位。选择主成分分析中第一主成分中权重较大的赣江、修水、星子、都昌、屏峰5个站点的水位数据做鄱阳湖主要水文站点的水位过程图（图2）。

图2 2011—2012年主要站点水文过程Fig．2 Water level courses of the main hydrologic stations from 2011to 2012

从图2中可以看出，赣江和修水有几乎一致的水位过程线，星子、都昌、屏峰有相近的水位过程线。一般从12月到第2年的5、6月份为枯水期，星子、都昌和屏峰的水位低于修水站和赣江站水位2m左右，而在丰水期这5个水文站点则有十分相近的水文过程。而2011—2012年鄱阳湖均水位过程与修水站和赣江站的水位过程无论在枯水期还是丰水期均几乎完全一致，因此，本文选择修水站作为鄱阳湖水位的代表性控制站点（图3）。

图3 2011—2012年鄱阳湖与修水站水位过程线Fig．3 Water level courses of Poyanghu and Xiushui hydrologic stations from 2011to 2012

赣江站和修水站有几乎相同的水文过程线可能是因为赣江站和修水站分别位于赣江和修水两河的下游，在五河来水补给时期，同时接受上游来水，而在长江倒灌顶托作用时，由于赣江站和修水站地理位置相近，其同时受到长江来水的作用，所以无论在枯水期、涨水期还是退水期，赣江站和修水站均有相似的水文过程。星子站、屏峰站主要受长江来水的作用，且地理位置相近，均在鄱阳湖与长江交接处附近，来水条件相同以及地理位置相近，使得这2个站点的水文过程比较相似。

2．2 梅西湖与鄱阳湖水位的涨落分析

2011—2012年修水站和梅西湖的水位动态变化过程线见图4，反映了整个历时期间梅西湖与鄱阳湖水位变化。图5为不同水文阶段梅西湖与修水站水位的分布图，反映梅西湖与修水站水位在各阶段间波动的趋势以及平均水位的变化。本文分别从枯水、涨水、丰水、退水4个水文阶段来对梅西湖与修水站的水位进行涨落分析。

2．2．1 枯水期 枯水期时梅西湖水位比较稳定，处于13．5～14．5m之间，水位历时大约为12月份到第2年3月份，无较大的水位变化或者频繁的水位升降；相对于梅西湖水位，修水站的水位变化比较大，且水位低于梅西湖湖水位约3m，但是从修水站整体水位过程来看，枯水期时水位变动最小，此间梅西湖与鄱阳湖水位没有明显的水位关联性。

2．2．2 涨水期 3月份梅西湖开始涨水，水位高于14．5m，保持总体水位抬高的趋势。在水位上涨过程中，梅西湖的水位首先高于修水站水位2m以上，之后修水站水位上涨速度明显大于梅西湖水位上涨速度，水位差逐渐缩小。直到4月底，当梅西湖水位和修水站水位均达到15．8m后，梅西湖和修水站水位趋于一致，保持相同的涨落速率。在涨水期，梅西湖水位和修水站水位变化范围均开始增大，平均水位上涨；修水站的水位比梅西湖的水位变动更剧烈，是其整个水文变化过程中变动最大的阶段，平均水位增加也更明显。另外，修水站水位虽然仍低于梅西湖水位，但是差值减小为1．5m左右。

2．2．3 丰水期 5月份鄱阳湖进入丰水期，梅西湖和鄱阳湖水位仍以相同的速率涨落，梅西湖的水位达到其整个水文过程中的最大值，且大于修水站水位，但两者水位的分散程度是相当的，而修水站水位较之涨水期变动范围有所减小，这一时期梅西湖和修水站的水位均达到整个水文过程中的最大值，并且两者基本相等。

2．2．4 退水期 8月份之后，梅西湖水位和修水水位均进入退水阶段。在退水过程开始阶段，梅西湖和修水站几乎保持相同的退水速率，当水位退至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，梅西湖维持15．8m的水位一段时间后水位回落到枯水期的稳定水位。退水期梅西湖水位较之修水水位的变动范围及分散程度均较小，两者的平均水位虽然均低于丰水期时水位，但是两者的差值明显增大，表现为梅西湖的平均水位高于修水平均水位约2m。

图4和图5可以反映出梅西湖与鄱阳湖水位变化关系，即枯水期不存在一致性，涨水和退水期存在同涨同落的一致性，丰水期较为一致的关系。通过水位过程图可以发现（图4），梅西湖和鄱阳湖的水位关系在水位15．8m附近有明显的变化，水位低于15．8m时两者有不同的涨落速率，而水位高于15．8m时则有相同的涨落速率。

图4 2011—2012年梅西湖与修水站水位过程Fig．4 Water level courses of Meixi Lake and Xiushui hydrologic stations from 2011to 2012

图5 2011—2012年梅西湖（mxh）和修水（xs）在枯水（a）、涨水（b）、丰水（c）和退水（d）各阶段的水位分布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 梅西湖与修水站的水位相关关系分析

在梅西湖和修水站涨落分析的基础上，将水位阶段分为水位低于15．8m的涨水阶段、水位高于15．8m的丰水阶段和水位低于15．8m的退水阶段3个阶段，分析梅西湖与鄱阳湖的水位相关性。由于枯水阶段两者水位并没有一致性，所以这里认为两者水位相关性较弱，不予以相关性分析。

表1是梅西湖和修水站水位的阶段性相关性分析，分3个阶段5个方面，包括梅西湖水位（Lm）与修水站水位（Lx）的关系、梅西湖水位（Lm）与两者之间差值（ΔL）的关系、两者之间差值（ΔL）与修水站水位（Lx）的关系、梅西湖水位（Lm）与修水站水位（Lx）以及修水站水位增长率（Vx）之间的关系、梅西湖水位增长率（Vm）与修水站水位增长率（Vx）之间的关系。

表1 2011—1012年梅西湖与修水站水位的阶段性相关关系Tab．1 Relationships between Lmand Lxin three stations from 2011to 2012

分析结果表明：梅西湖水位与修水站水位在低于15．8m的涨水阶段和低于15．8m的退水阶段，相关关系较差，在高于15．8m的丰水阶段有极好的相关关系。在低于15．8m的涨水阶段和低于15．8m的退水阶段，梅西湖水位与修水站水位，与两者之间的差值以及修水站水位的增长率的决定系数（R2）均较小，不具有线性相关性；而梅西湖与修水站两者的差值与修水站水位决定系数（R2）分别为0．947 9和0．911 5，有较好的相关性，说明在这两个阶段梅西湖水位较修水站水位稳定，并不会随修水站水位的波动而波动，两者的水位差别主要由修水站的水位波动来决定。在水位高于15．8m的丰水阶段，梅西湖与修水站水位和修水站水位增长率的相关性比较好，其线性决定系数（R2）分别为0．983 3和0．940 8，且梅西湖与修水站水位之间的线性拟合值接近于1，说明这一阶段两者水位基本保持一致；两者的增长率之间也存在一定的相关性，其线性决定系数（R2）为0．873 8，在这一阶段梅西湖与修水站的水位差值（ΔL）与梅西湖水位（Lm）和修水站水位（Lx）的相关性极差，不具有相关关系。

2．4 梅西湖水位滞后效应及与鄱阳湖的水量交换分析

2．4．1 滞后效应 梅西湖与鄱阳湖的水位关系分析结果表明，梅西湖相对于鄱阳湖的滞后效应仅出现在涨水期，梅西湖水位在14．5～15．8m时，梅西湖水位上涨的速率明显低于鄱阳湖水位上涨的速率，但是从梅西湖与修水站的水位过程图（图4）可以看出，这种滞后效应历时较短，仅持续几天的时间。

2．4．2 梅西湖与鄱阳湖的水量交换 从梅西湖和鄱阳湖的水位关系可以推测，梅西湖与鄱阳湖的水量交换受梅西湖湖区地形的影响，上述的水位关系是由梅西湖湖区地形和鄱阳湖水文情势所决定的。梅西湖和鄱阳湖的水位关系在低于15．8m和高于15．8m时截然不同，低于15．8m时两者水位联系很弱，而高于15．8m时两者水位线性相关性十分明显。可以推测，梅西湖湖区东南角与主湖区相连接的通道高程或者梅西湖洲滩的高程为15．8m左右。

梅西湖涨水前期和退水后期鄱阳湖水位低于15．8m时，梅西湖是一个相对封闭的碟形洼地，不与鄱阳湖直接发生地表水量的交换，此时梅西湖水体和鄱阳湖水体只有通过地下水位运动来发生联系；涨水时梅西湖水位高于鄱阳湖水位，梅西湖补给鄱阳湖，地下水的水量交换由梅西湖流向鄱阳湖；退水时两者水体相对隔绝后，梅西湖由于相对封闭，其水位下降的速度小于鄱阳湖水位下降的速度，梅西湖补给鄱阳湖，地下水的水量交换由梅西湖流向鄱阳湖。由于梅西湖湖区面积本身比较小，而且鄱阳湖大湖区水位较低时，其周围洲滩面积较大，地下水的补给速度很慢，所以梅西湖对鄱阳湖大湖区的地下水补给量很小，对两者水位关系的影响十分微弱。鄱阳湖涨水达到15．8m后，梅西湖与鄱阳湖连成一片，两者有相同的涨落速率。在枯水期，即梅西湖水位在14．5m之下时，梅西湖作为一个相对封闭的碟形洼地，与鄱阳湖湖区没有地表水的交换，地下水交换也甚小，其水位的涨落主要受降雨的影响，梅西湖水位高于鄱阳湖大湖区的水位，但存在相同的涨落趋势（图4）。

3 结论

对9个水文站点的主成分分析得出，鄱阳湖总体水位与修水站及赣江站的水位过程十分相似，而与具有相似水位过程的星子站、都昌站和屏峰站在枯水期水位有约2m的差值，在丰水期则有相同的水文过程。

以修水站代表鄱阳湖水位来分析梅西湖与外湖的水位关系，其水位关系和涨落情况在枯水期、涨水期、丰水期和退水期4个阶段各有特点：枯水期时，梅西湖水位在13．5～14．5m之间波动，水位比较稳定，且高于鄱阳湖水位3m左右；涨水期，两者的水位差逐渐减小，水位达到15．8m时，两者水位保持一致，直到退水阶段水位回落到15．8m，之后梅西湖水位回落速度明显小于鄱阳湖水位回落速度，且梅西湖水位保持在13．5m以上，而鄱阳湖水位有时会出现10m以下的水位。梅西湖水位与鄱阳湖水位的相关性在水位15．8m以上较为显著，而在水位15．8m以下没有明显的相关关系。

梅西湖和鄱阳湖的水量交换发生在梅西湖水位高于15．8m时，此时其水面连为一体，同涨同落。在低于15．8m的涨水期和落水期，梅西湖和鄱阳湖的水量交换主要通过壤中流来实现，但水量交换甚小。梅西湖水位低于14．5m的枯水期时，梅西湖洲滩大面积裸露，通过地下水进行的水量交换更小。梅西湖和鄱阳湖的水量交换主要发生在丰水期。

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