鄂州市湖泊调蓄作用浅析

仇宝瑞，桑学锋，周祖昊，刘 俊

(1. 中国水利水电科学研究院流域水循环模拟与调控国家重点实验室，北京 100038；2.华北水利水电大学，郑州 450011;3. 陕西省河流工程技术研究中心，西安 710018)

近年来，随着全球气候变暖和城市化的快速发展，我国的水灾越来越频繁，许多地方造成严重的洪涝灾害。2010年6月13日我国华南、江南南部出现强降水过程，造成严重的山洪泥石流滑坡灾害，强降雨造成福建、广西、四川、广东、江西5省区143.2 万人受灾；2014年5月8日至5月11日，中国南方出现大范围持续性强降雨过程，造成江西、湖南、广东、广西、贵州5省区121.6万人受灾；2017年6月3日至6月7日南方部分地区遭受的洪涝灾害，造成江西、湖北、湖南、广西、重庆、四川、贵州7省区74.7 万人受灾。每一次洪涝灾害对湖泊的调蓄作用都是一次大的挑战，而“湖泊之殇”是摆在眼前的尴尬现实。湖泊承担着汇集雨水径流、削减洪峰、节约城市用水、净化水质、补充地下水等作用，同时它也是改善气候、调节水系平衡和减少城市内涝、梳理城市雨洪系统的重要条件。随着人们对于生态保护认识的逐渐加深，湖泊作为在适应环境变化和应对雨水带来的自然灾害等方面具有良好的“弹性”的巨大海绵，其作为流域洪水调蓄中心的作用愈发重要。

随着海绵城市理念的提出及应用，城市湖泊作为统筹发挥自然生态功能和人工干预功能的中心，其调蓄能力在城市管理中所起的作用将越来越大。湖泊调蓄作用主要在削减洪峰的削峰作用与调节洪水的调蓄量，国外多对湖泊生态过程进行研究，美国是最早开始对雨洪调蓄进行研究的国家之一，从20世纪60年代初侧重于对雨水中非点源污染的研究，到1986年颁布的《国家城市径流报告》法案，再到21世纪美国国会再次强调城市雨水管理需遵循环保署的提议，都标志着城市湖泊其功能性作用在城市管理中越来越大[1]；而国内对湖泊功能性研究较为关注，杨桂山[2]等通过清查我国面积大于1 km2湖泊的数量、面积和分布情况，结合历史及相关研究资料，面对我国湖泊萎缩与调蓄能力减少、水质下降、生态退化等等一系列生态与环境问题，提出了我国湖泊保护策略；姜鲁光等[3]通过计算1998年前后鄱阳湖调蓄能力的变化，确定退田还湖工程的实施对鄱阳湖区洪水调蓄功能具有明显影响；左晓阳[4]通过对洞庭湖多年削峰作用的分析，得出洞庭湖调蓄能力在不断减弱，并提出洞庭湖防洪策略；章杭惠[5]通过太湖流域在历史洪灾中的巨大的调蓄和削峰作用，在减轻上下游防洪压力的同时把流域洪灾损失降低到最低程度，进一步分析和展望了太湖在未来流域防洪中的地位与作用；饶恩明[6]等以可调蓄水量作为湖泊洪水调蓄能力的评价指标，基于可调蓄水量与湖面面积之间的数量关系构建湖泊洪水调蓄功能评价模型，分别对我国湖泊和水库的洪水调蓄能力进行了初步评估，为我国防洪建设和洪水管理提供了科学的指导。

前人对于湖泊调蓄能力的研究一般通过大型湖泊在历史中所起的调蓄能力进行分析，而缺少对于湖泊不同重现期其调蓄能力的系统性分析，而且随着流域经济社会的快速发展，水资源供需矛盾日益突出，如何发挥湖泊在集中暴雨期间的调蓄作用，实现洪水资源化，发挥湖泊的综合作用，将会是未来湖泊调蓄作用的研究目标。本文利用1959-2016年鄂州最大日降水量数据，通过皮尔逊Ⅲ分布法计算鄂州市多年一遇的降雨量来确定鄂州20年一遇、50年一遇和100年一遇降雨量，通过分析鄂州梁子湖、鸭儿湖等中型湖泊在不同重现期其削峰和调蓄洪水作用，对比鄂州市防洪排涝标准并讨论鄂州防洪对策，对于指导鄂州湖泊的管理和对应对未来雨洪灾害具有一定的指导意义。

1 研究区概况

鄂州市位于湖北省东南部，长江中游南岸。西接“九省通衢”武汉，东连“矿冶之城”黄石，北与黄冈地区隔江相望，南同咸宁市濒湖毗邻。地跨东经114°30′～115°05′，北纬30°01′～30°36′。鄂州市以湖而名，依水而兴，是湖北省著名的“百湖之市”、“鱼米之乡”。境内河网密布，湖泊众多，全市纳入湖北省第一、第二批湖泊保护名录的52个，现有水系主要为梁子湖、花马湖、七迹湖及洋澜湖四个水系组成。梁子湖水系主要由梁子湖、鸭儿湖、保安湖、三山湖等组成。其中梁子湖汇水面积2 085 km2，鸭儿湖363.2 km2、新港和三山湖153.8 km2。花马湖水系主要由走马湖、花家湖、大湖墩、螺丝径、黄山湖等组成，其中花马湖汇水面积268.7 km2，现有湖泊面积约15.56 km2，平均水深约为2.5 m，总蓄水量约为4 950 万m3。七迹湖水系主要由七迹湖、南迹湖等组成，整个湖系汇水面积约63.7 km2，平均水深约为2.7 m，现有湖泊面积约5.53 km2。洋澜湖古称南浦，又名南湖，位于鄂州城区中心，整个湖系汇水面积约41.7 km2，现有湖泊面积约4.25 km2。鄂州市全域根据地形地势及受纳水体的不同划分为7大排水分区[7](见图1)。

图1 鄂州市排水系统分区

2 计算方法

湖泊可通过自身蓄洪能力在洪水期间暂时蓄纳入湖洪水，消减并滞后洪峰流量，调蓄洪峰水量，从而减轻区域防洪压力。本文采用鄂州市1959-2016年最大日降雨，利用皮尔逊Ⅲ分布法计算鄂州市不同重现期的降雨量，通过鄂州市不同重现期的降雨量计算区域入湖水量，区间产流由于没有实测流量资料，通常采用间接方法计算，再通过湖泊水量平衡公式计算湖泊调蓄水量，确定重点湖泊在不同重现期暴雨情况下的调蓄作用和削峰作用。

入湖水量：

W1=1 000F水体I

(1)

W2=1 000αF汇水面积I

(2)

式中：W1为湖面产水量，m3；W2为汇流产水量，m3；α为径流系数，鱼塘、沟渠、河道为1.0，建城区(包括居民区、道路等)为0.75，其他用地0.6，区域综合径流系数为0.9 ；F水体为湖面面积，km2；F汇水面积为雨水汇水区域面积，km2；I为设计暴雨量，mm。

湖泊水量平衡：

ΔW=W1+W2-Q

(3)

(4)

式中：ΔW为调蓄量(若为正表示水面升高，反之降低)；k为调蓄率；Q为湖泊出湖水量，根据历史不同重现期降雨情况下的出湖流量来确定。

此法相比其他计算方法，加入了汇流雨量，偏重于湖体与入湖雨量的关系，相对于面积较大湖泊对入湖水量的计算更为准确。

3 研究区降雨特征分析

通过1959-2016年多年降水量数据分析(数据来源于梁子镇、白龙、天井畈和樊口站1959-2016年水文资料)，全市多年平均年降水量为1 253 mm，年降雨日129 d，年降水总量18.85 亿m3。年降水量在地区分配上，总趋势东南大于西北，南部太和、公友一带年降水量1 500 mm，西北葛店、华容一带，年均降水量仅1 400 mm。降水量分布不均，主要集中在4-7月，占全年的55.1%；年际变化也较大，梁子湖平原区天井畈站1969年最大降水深1 904.5 mm，1968年最小降水深740.4 mm，变差率达4[7]，见图2。

图2 鄂州市降水量等值线及水文站点分布图(单位：mm)

1959-2016年最大日降水量变化趋势情况如图3所示。从图3可以看出，鄂州年最大日降水量一般在200～300 mm之间，最大在1998年达到286.2 mm。经历了一个从少到多的演变过程，20世纪六七十年代偏小，20世纪八九十年代增加显著，21世纪有所下降。年最大日降雨量整体呈现上升趋势，变化倾向率为0.44 mm/a，58 a间增加了25.5 mm，但增加并不显著。

图3 1959-2016年最大日降雨量趋势线

采用鄂州市1959-2016年最大日降雨统计表，利用皮尔逊Ⅲ分布法计算鄂州市多年一遇的降雨量，暴雨重现期P为1、3、5、10、20、30、50、100年情况下的降雨量如表1所示。从图4可以看出以最大日降雨为标准计算鄂州多年一遇降雨情况，20年一遇最大日降雨为202.5 mm，50年一遇最大日降雨为240.7 mm，100年一遇最大日降雨为269.1 mm。皮尔逊Ⅲ分布法计算的鄂州重现期降雨数据可代表鄂州多年来最大日降雨分布情况，其方法较为准确可靠，对未来鄂州计算其他重现期有一定的参考价值。

图4 鄂州市日最大降水量多年一遇极值曲线

重现期/a13510203050100皮尔逊Ⅲ分布法/mm52.5119.0142.5173.0202.5219.5240.7269.1

4 湖泊削峰作用分析与讨论

4.1 湖泊最大可调蓄水量

最大可调蓄水量是湖泊多年平均水位变幅与湖面面积的乘积，反映了湖泊调蓄能力的大小。鄂州市内调蓄湖泊共计52个，市域内湖泊总面积457.84 km2，平均调蓄水深2.2 m，计算得出可调蓄量共计101 067.7 万m3，可见鄂州可调蓄水量巨大(湖泊相关资料来自《鄂州市市域排水专项规划》)。考虑到梁子湖和上鸭儿湖的面积在鄂州市全市排名前二，且两湖的面积之和占鄂州市域内湖泊总面积的66%，选定这两个湖泊为典型，分析鄂州市湖泊对防洪排涝的调蓄作用。表2为梁子湖和上鸭儿湖最大可调蓄水量计算分析表，可以看出梁子湖和上鸭儿湖最大可调蓄水量分别为71 814.8和7 645.62 万m3。

表2 湖泊可调蓄水量

4.2 湖泊调蓄作用分析

湖泊对洪水的调蓄作用主要表现在消减洪峰流量与调节洪水的调蓄量。鄂州作为百湖之市，湖泊控制非常严格，在汛期到来之际都要对湖泊进行开闸放水，以迎接汛期可能带来的洪水灾害，湖泊削峰作用与调节洪水的调蓄量是防洪决策的重要依据[8,9]。

通过公式(1)和(2)计算湖泊入湖水量，其中梁子湖汇水区域2 085 km2，湖泊面积271 km2，上鸭儿湖汇水区域312 km2，湖泊面积129 km2，出湖水量根据历史不同重现期降雨情况下出湖流量来确定(100年一遇以1998年日最大出湖流量，50年一遇以1987年日最大出湖流量，20年一遇以1959年日最大出湖流量)[10]，然后根据式(3)计算调蓄量及削峰作用。

表3为在不同重现期最大日降雨情况下湖泊调蓄作用分析表。根据水量平衡原理，湖泊调蓄作用通过其调蓄量和调蓄率来反映。对不同重现期湖泊调蓄作用的分析比较，可以看出梁子湖调蓄水量平均值3.69 亿m3，最大调蓄量4.04 亿m3，调蓄水量占入湖水量80%；上鸭儿湖调蓄水量平均值2 800 万m3，最大调蓄水量3 900 万m3，调蓄水量占入湖水量30%。面对不同重现期暴雨，梁子湖及上鸭儿湖的调蓄作用都很明显。梁子湖100年一遇入湖流量为5 049 m3/s，相应下游出湖流量仅为1 173 m3/s，湖泊削减洪峰流量达80%；上鸭儿湖100年一遇入湖流量为875 m3/s，相应下游出湖流量仅为612 m3/s，湖泊削减洪峰流量达30%，效果都很显著。

表3 湖泊调蓄作用分析表

湖泊的蓄洪能力关系到湖泊缓和自身流域的洪水水位，通过公式(2)计算湖泊存储水量，根据湖泊水位—容积曲线推出湖泊水位[11]，不同重现期下湖泊水位上涨情况如表4所示。从表4可知梁子湖在50年一遇日降雨时，水位超过设防水位，说明湖泊一日降雨的防洪标准尚达不到50年一遇；上鸭儿湖在20年一遇日降雨时，水位超过设防水位，说明湖泊一日降雨防洪标准尚达不到20年一遇。计算结果与实际湖泊防洪标准基本一致，间接验证了计算方法的准确性。按照城市防洪规划标准，鄂州市防洪标准为50年一遇，目前的湖泊防洪排涝能力严重不足，尚需加大湖泊调蓄容量，增加排涝能力，提高防洪排涝标准。

表4 不同降水条件下湖泊水位上涨分析

4.3 讨 论

鄂州有着巨大的湖泊面积，其调蓄作用和削峰作用显著，然而“湖泊之殇”也是摆在眼前的尴尬现实。随着经济社会的发展，人们对土地的需求越来越大，鄂州湖泊面积每年都在减少，导致调蓄能力和削峰作用减弱[12]。为增大鄂州湖泊对于洪水的调蓄和削峰能力，降低鄂州洪涝灾害，保障鄂州人民生命财产安全，除堤防加高加固外，还应采取下列措施。

(1)增加湖泊调蓄能力。鄂州市渔业发达，存在鱼塘侵占湖泊的现象，导致湖泊蓄水容量减小。需要科学规划养殖业发展，拆除不合理堤防，破堤还湖，对局部低洼和阻碍行洪的地段采用挖泥船进行河湖疏浚，保证湖泊具有充足的调蓄空间。

(2)加强河湖水系连通。鄂州境内湖泊众多，通过重塑或新建满足防洪除涝功能的水流连接通道，使湖泊拥有更大削峰和调蓄能力，提高区域的防洪排涝能力，对减轻区域防洪排涝压力具有重要作用。

(3)新建和改建泵站。鄂州处于我国南方丰水地区，每年都会面临巨大的防洪排涝压力。加大泵站抽排能力，增加汛期安全指数。

5 结 论

综合而言，鄂州作为百湖之市，其湖泊在历年抵御洪涝灾害中起着重要作用。主要表现在有较大的调蓄水量，承担着区域洪水调蓄的和削峰作用。

(1)通过不同重现期区域洪峰量和湖泊水量平衡计算，分析了鄂州市最大的两个湖泊----梁子湖、上鸭儿湖在不同重现期其调蓄洪水和削峰作用。梁子湖对20年一遇、50年一遇、100年一遇洪水的调蓄水量分别为3.29、3.73和4.04 亿m3，调蓄水量分别占入湖水量的87%、83%和80%；上鸭儿湖对20年一遇、50年一遇、100年一遇洪水的调蓄水量分别为0.39、0.22和0.23 亿m3，调蓄水量分别占入湖水量的35%、32%和30%。

(2)本文通过皮尔逊Ⅲ分布法计算的鄂州重现期，并采用入湖水量计算方法及水量平衡计算方法对鄂州湖泊进行计算，其方法对其他湖泊计算有很大的参考价值；通过计算梁子湖和上鸭儿湖的调蓄作用，发现两个排水片区的防洪排涝标准分别接近50年一遇和20年一遇，但是，如要达到鄂州市防洪排涝标准，尚需进一步提高湖泊的调蓄能力和泵站的外排能力。

(3)随着全球气候影响和快速城市化的发展，鄂州暴雨日降雨量呈现上升趋势，鄂州市防洪压力将会加大，可通过破垸还湖、江湖连通，提高湖泊对河川径流的调节能力，可进一步发挥湖泊在集中暴雨期间的调蓄作用，实现洪水资源化，发挥鄂州市湖泊的综合作用，降低鄂州市洪涝灾害，对未来鄂州市防洪具有指导作用。

(4)人类活动对湖泊调蓄作用干预很大，尤其是水利工程建筑物(水闸、水利枢纽工程等)，所以在计算城市湖泊调蓄能力的时候，需要考虑人类活动对其的影响效果，现在湖泊出口一般都有泵站在洪水期间进行抽排，这样可加大湖泊调蓄能力，所以未来计算湖泊调蓄能力时应该在现状排水能力下考虑水泵抽排能力，或在现状排水能力上加上一个系数来当做实际排水能力，这样才能准确计算湖泊调蓄能力。

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参考文献：

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