三峡水库蓄水期长江中游湖泊调蓄能力变化

,,,

(武汉大学 水资源与水电工程科学国家重点实验室， 武汉 430072)

1 研究背景

鄱阳湖和洞庭湖是长江中游的大型调蓄湖泊，与长江干流自然连通，具有重要的水资源、防洪、生态等价值。两湖与长江相互作用、互为制约，长期演变形成的江湖关系错综复杂[1-2]。三峡水库蓄水运行后，水库调节造成干流水沙变化以及河床冲刷发展已经开始对两湖的演变及其调蓄功能造成影响，洞庭湖、鄱阳湖均出现了枯水出现时间提前、枯水期延长、旱情加剧等现象。2006年9—10月，洞庭湖入湖水量减小为同期多年平均入湖水量的7%，2009年10月，城陵矶水位出现了1960年以来的最低水位，即21.62 m[3]；鄱阳湖近10 a来多次出现季节性干旱，低枯水位持续时间延长，湖泊水面出现持续减小的趋势[4],2016年鄱阳湖流域属于丰水年，1—9月份雨量比多年平均雨量偏多14%，但汛后还是出现了湖区水位大幅下降现象，9月份下旬星子站水位已经接近10 m的枯水位。

针对三峡水库蓄水后两湖水文情势及调蓄能力变化，国内已有不少学者开展了相关研究。黄群、姜加虎等[5-6]通过数学模型，定量研究了三峡水库运用对洞庭湖、鄱阳湖湖区水位的影响；李景保等[7-8]通过实测资料分析，揭示了三峡水库对洞庭湖来流过程、湖区水情的影响；王冬等[3,9]探讨了三峡水库调度方式变化对洞庭湖来流的影响，并通过近期资料的统计分析，揭示了三峡水库蓄水对长江和洞庭湖水力要素的影响。许继军等[10]通过水量平衡方程和槽蓄方程，定量分析了不同典型年下三峡水库调度运行对鄱阳湖湖口水位、湖区水情的影响；方春明等[11]通过实测资料分析，探讨了三峡水库运用后鄱阳湖与长江关系的变化及三峡水库蓄水的影响。上述研究成果虽然较好地揭示了三峡水库蓄水后两湖水情变化以及江湖关系演变趋势，但对于湖泊调蓄能力变化的研究较为简单定性，且缺乏两湖统一的研究。

本文基于1990—2014年实测水文资料，在对洞庭湖与鄱阳湖调蓄机理、影响因素进行分析的基础上，探讨了两湖调蓄临界状态及其临界条件，定量分析了三峡水库蓄水期两湖调蓄能力变化，可为长江中游江湖治理提供参考。

2 研究区域概况

洞庭湖和鄱阳湖是长江中游最为重要的大型吞吐型、季节性淡水湖泊，调蓄功能显著(图1)。

图1 研究区域示意图Fig.1 Map of the study area

洞庭湖位于长江中游荆江南岸，流域面积为26.28万km2。洞庭湖容纳三口和四水来流，经湖泊调蓄后由城陵矶处汇入长江[12]。入湖水文控制站有三口5站(新江口、沙道观、弥陀寺、康家岗、管家铺)、四水4站(湘潭、桃江、桃源、石门)，湖泊出口控制站为七里山站。

鄱阳湖位于江西省北部，流域面积16.22万km2。鄱阳湖来水主要由赣、抚、信、饶、修5大支流分别从南、东、西3面汇入，经湖泊调蓄后，在北部经湖口注入长江[11]。入湖水文控制站为五河6站(外洲、李家渡、梅港、虎山、渡峰坑、万家埠)，湖泊出口控制站为湖口站。

3 数据和方法

3.1 数 据

本文采用的水文资料为长江中游及两湖流域的水文测站数据，包括1990—2014年洞庭湖三口5站、四水4站、城陵矶站逐日水位流量数据，鄱阳湖五河6站、湖口站逐日水位流量数据，以及长江干流监利站、汉口站逐日流量数据。

3.2 方 法

湖泊调蓄能力可用调蓄量表示[13]，计算方法为

W=IΔt-QΔt+I′ 。

(1)

式中：W为湖泊调蓄量；I为入湖流量；Q为出湖流量；I′为区间汇流量；Δt为计算时段。

4 结果及分析

4.1 洞庭湖与鄱阳湖调蓄过程及其影响因素

洞庭湖和鄱阳湖作为长江中游大型通江调蓄湖泊，其年内调蓄过程可类比于径流式水库。枯期湖泊来流较小，长江干流顶托作用较弱，湖泊调蓄作用不明显，类似于径流式水库来多少水泄多少水；汛期随着来流的增加，湖泊利用湖容容纳洪水，同时长江干流顶托作用较强，湖泊主动和被动调蓄作用明显[13]，与径流式水库利用库容拦洪滞洪过程类似。考虑到洞庭湖、鄱阳湖与长江的联通具有类似的拓扑结构，湖泊出流量与长江干流水量关系具有相似性(干强支弱)，其调蓄过程与径流式水库调蓄作用又存在不同。在洞庭湖与鄱阳湖的调蓄过程中，除与入湖流量大小有关外，长江干流的顶托作用同样至关重要，影响因素更为复杂。在我们之前的研究中[3]，曾将干流顶托作用类比为湖泊出口形成“堰”的作用。该“堰”的高程除了受入湖流量和湖泊出口处断面形态的影响外，更主要是由长江干流流量决定，是动态、不断变化的。

4.2 洞庭湖与鄱阳湖的调蓄机理及临界状态

基于1990—2014年的实测日均水位流量资料，计算了洞庭湖、鄱阳湖的1 d调蓄量，并在不同入湖流量和干流流量级下，点绘了两湖调蓄量与出口水位之间的关系(图2)。由图2可知，两湖调蓄能力具有相似的变化规律，湖泊调蓄能力与入湖流量、长江干流流量、出口水位(反映顶托作用)均关系密切。在入湖流量一定的条件下，同一干流流量级对应的湖泊调蓄量，其正、负值基本都围绕某一特定的出口水位上下浮动，该水位对应了湖泊调蓄量为0的临界状态，可以将其作为反映湖泊临界调蓄的指标，定义为临界水位。

由图2可以进一步解释边界条件扰动下的洞庭湖与鄱阳湖的调蓄机理。设想入湖流量和长江干流流量一直保持恒定，则湖泊会自动调整适应，将进来的水量尽可能地排出湖区，湖泊会逐步达到调蓄量为0的平衡状态。此时，在入湖流量不变的条件下，如果对长江干流流量释加扰动，则湖泊的临界调蓄状态将会打破，并通过调蓄能力的自我调整，消减边界扰动带来的影响，并再次趋于平衡。这里以长江干流流量增大为例，反之亦然。如果长江干流流量突然增大后保持不变，则湖泊出口水位迅速抬升，原来的湖泊调蓄临界状态破坏。由于长江干流顶托作用的增强，湖区出流将受阻减小，湖泊通过蓄水向新的平衡状态逼近。此时，受湖泊出流减小影响，出口水位将有所下降，达到新的临界状态时，新的临界水位将不低于最初的临界水位。在两湖实际调蓄过程中，由于流量过程不断波动，因此其对应的临界水位也是时刻变化的，但两湖的调蓄方向总是趋向于调蓄量为0的临界状态。

图2 不同入湖流量下两湖1 d调蓄量与出口水位关系Fig.2 Relationship between daily regulation and storage capacity and outlet water level in the presence of varying inflow of Dongting Lake and Poyang Lake

图3 两湖出口临界水位与长江干流流量的关系Fig.3 Relationship between critical water level at the outlet of lake and mainstream discharge of the Yangtze River

4.3 洞庭湖与鄱阳湖调蓄临界水位计算方法

分不同入湖流量级，点绘洞庭湖和鄱阳湖出口临界水位与干流流量的关系，如图3所示。由图3可知，不同入湖流量下，出口临界水位和干流流量之间存在正相关的关系，干流流量增大，临界水位增加，反之亦然。

线性拟合图3中不同入湖流量级下干流流量和临界水位的关系，并统计直线拟合关系的斜率A和截距B列于表1。

表1 两湖临界水位与长江干流流量的拟合关系Table 1 Fitted relationship between critical water level oflake and mainstream discharge of the Yangtze River

如前所述，洞庭湖和鄱阳湖具有相似的调蓄规律，其临界水位的计算方法可统一用式(2)表示。

Zc=A(Qr)Qg+B(Qr) 。

(2)

式中：Zc为湖泊调蓄临界水位(m)；Qg为长江干流流量(m3/s)；A(Qr),B(Qr)是入湖流量的函数，为入湖流量为Qr时对应的斜率及截距。

根据1990—2014年实测资料，计算不同入湖流量级条件下的斜率A及截距B，绘制经验曲线如图4所示。通过图4，可根据式(2)以及实测干流流量资料快速计算相应的临界水位。

图4 A与B和两湖入湖流量关系Fig.4 Inflow of lake and corresponding sloping rate

4.4 三峡水库蓄水对两湖调蓄能力的影响

4.4.1 三峡水库蓄水前后两湖干流流量和出口水位的变化

以监利站、汉口站分别作为洞庭湖、鄱阳湖对应的长江干流代表站。根据1990—2014年实测资料，点绘三峡水库蓄水前后9—11月份监利、汉口月均流量变化及城陵矶、湖口月均水位变化(图5)。由图5可知，三峡水库汛后蓄水，水库下泄流量与天然状态下相比明显减小，监利、汉口流量均相应减少，城陵矶、湖口水位也随之下降。

图5 三峡水库蓄水前后监利、汉口流量变化及城陵矶、 湖口水位月均变化Fig.5 Monthly average variations of discharge at Jianli and Hankou as well as water level at Hukou before and after the impoundment of Three Gorges Reservoir

4.4.2 三峡水库蓄水前后两湖临界水位及调蓄量变化

根据两湖调蓄临界水位计算式(2)，基于1990—2014年实测资料，得到三峡蓄水前后两湖临界水位在9—11月份变化情况(图6)。

图6 三峡水库蓄水前后两湖临界水位及湖容变化Fig.6 Variations of critical water level and volume of the two lakes before and after the impoundment of Three Gorges Reservoir

由图6可知，三峡水库蓄水后洞庭湖、鄱阳湖的调蓄临界水位在9月份、10月份均有所降低，而11月份临界水位变化不大。这是因为11月份三峡水库蓄水基本完成，下泄径流变化较小，临界水位变化趋势不明显。根据两湖水位-湖容曲线[14-15]，可以通过临界水位计算洞庭湖、鄱阳湖湖泊容积变化(图6)，能够定量反映三峡水库蓄水对两湖调蓄能力的影响。与临界水位的变化类似，三峡水库蓄水后，与蓄水前相比，9—10月份两湖容积明显减小，11月份变化不大。

表2三峡水库蓄水前后两湖调蓄水量变化
Table2VariationoflakestoragecapacitybeforeandaftertheimpoundmentofThreeGorgesReservoir

湖泊月份1990—2002年2003—2007年2008—2014年临界水位/m临界水位/m调蓄量变化/(亿m3)变化率/%临界水位/m调蓄量变化/(亿m3)变化率/%925.3825.04-2.39-8.3024.89-3.41-11.81洞庭湖1023.4121.95-5.84-34.1821.22-8.05-47.101120.7519.69-2.25-28.7320.890.344.36913.6313.30-12.24-10.6413.10-19.42-16.88鄱阳湖1011.3810.01-22.60-45.1010.27-19.04-37.99119.698.71-10.02-42.779.841.867.95

为进一步定量分析三峡水库蓄水期对两湖调蓄能力的宏观影响，根据1990—2002年(三峡水库蓄水前)、2003—2007年(三峡水库139，156 m蓄水期)、2008—2014年(三峡水库175 m试验性蓄水期)的实测资料，首先计算了三峡水库蓄水前后多年平均临界水位，其次通过已有研究中出口水位与湖内水位的相关关系可以推算出湖内水位变化量，最后结合两湖水位-湖容关系曲线[14-15]，便可得到三峡水库蓄水后的湖泊调蓄水量变化值(表2)。由表2可知，三峡水库蓄水后，无论是初期蓄水期(2003—2007年)还是175 m试验性蓄水期(2008—2014年)，两湖9—10月份调蓄能力下降明显。2003—2007年洞庭湖、鄱阳湖9月份、10月份调蓄水量较蓄水前分别减少了8.23亿，34.84亿m3；2008—2014年洞庭湖、鄱阳湖9月份、10月份调蓄水量较蓄水前分别减小了11.46亿，38.46亿m3。随着三峡水库蓄水力度的加大，蓄水水位由135，156 m增加到175 m，2008—2014年两湖调蓄水量的减少较2003—2007年更大。上述变化除造成长江中游两湖区域枯水出现时间提前、枯水期延长、旱情加剧等[3-4]外，还将导致长江下游及河口段入海水沙通量变化，进而造成下游及河口的冲淤响应和演变调整，对海域咸潮入侵时间和规模、河段水质及水生态环境变化等均有重要的影响[16-18]。

5 结 论

本文通过对洞庭湖、鄱阳湖调蓄机理和临界条件的研究，分析了三峡水库蓄水期两湖调蓄能力的变化，得到以下结论：

(1)洞庭湖、鄱阳湖调蓄能力变化受入湖流量和长江干流顶托的双重影响，两湖具有相同的调蓄机理，均体现为入湖与出湖水量的动态调整过程，该过程以湖泊调蓄量不断向0趋近为主要特征。

(2)三峡水库蓄水后，洞庭湖、鄱阳湖9—10月份调蓄能力下降明显，2008—2014年两湖调蓄水量的减少较2003—2007年更大。三峡水库蓄水期两湖调蓄能力明显减弱的主要原因是三峡水库蓄水引起长江干流流量减小，两湖临界水位减小。

参考文献：

[1] 万荣荣, 杨桂山, 王晓龙,等. 长江中游通江湖泊江湖关系研究进展[J]. 湖泊科学, 2014, 26(1):1-8.

[2] 韩其为.江湖关系变化的内在机理[J]. 长江科学院院报, 2014, 31(6):104-112.

[3] 王 冬, 李义天, 邓金运,等. 三峡水库蓄水期洞庭湖水力要素变化初步分析[J]. 水力发电学报, 2014, 33(2):26-32.

[4] ZHANG Z, HUANG Y, XU C Y,etal. Analysis of Poyang Lake Water Balance and Its Indication of River-lake Interaction[J]. Springer Plus, 2016, 5(1): 1555.

[5] 黄 群, 孙占东, 姜加虎. 三峡水库运行对洞庭湖水位影响分析[J]. 湖泊科学, 2011, 23(3):424-428.

[6] 姜加虎, 黄 群. 三峡工程对鄱阳湖水位影响研究[J]. 自然资源学报, 1997,(3):219-224.

[7] 李景保, 张照庆, 欧朝敏,等. 三峡水库不同调度方式运行期洞庭湖区的水情响应[J]. 地理学报, 2011, 66(9):1251-1260.

[8] 李景保, 代 勇, 欧朝敏,等. 长江三峡水库蓄水运用对洞庭湖水沙特性的影响[J]. 水土保持学报, 2011, 25(3):215-219.

[9] 王 冬, 方娟娟, 李义天,等. 三峡水库调度方式对洞庭湖入流的影响研究[J]. 长江科学院院报, 2016, 33(12):10-16.

[10] 许继军, 陈 进. 三峡水库运行对鄱阳湖影响及对策研究[J]. 水利学报, 2013, 44(7):757-763.

[11] 方春明, 曹文洪, 毛继新,等. 鄱阳湖与长江关系及三峡蓄水的影响[J]. 水利学报, 2012, 43(2):175-181.

[12] 卢金友, 朱勇辉. 三峡水库下游江湖演变与治理若干问题探讨[J]. 长江科学院院报,2014, 31(2):98-107

[13] 李义天, 邓金运, 孙昭华,等. 泥沙淤积与洞庭湖调蓄量变化[J]. 水利学报, 2000, 31(12):48-52.

[14] 易波琳, 李晓斌, 梅金华. 洞庭湖面积容积与水位关系及调蓄能力评估[J]. 国土资源导刊, 2000,(4):267-270.

[15] 雷 声, 张秀平, 许新发. 利用遥感技术动态监测分析鄱阳湖水体面积及容积[J]. 水利科技, 2010,(4):22-25.

[16] 黎 兵, 严学新, 何中发,等. 长江口水下地形演变对三峡水库蓄水的响应[J]. 科学通报, 2015,(18):1735-1744.

[17] 唐建华, 赵升伟, 刘玮祎,等. 三峡水库对长江河口北支咸潮倒灌影响探讨[J]. 水科学进展, 2011, 22(4):554-560.

[18] 刘淑德, 线薇微. 三峡水库蓄水前后春季长江口鱼类浮游生物群落结构特征[J]. 长江科学院院报, 2010, 27(10):82-87.