控水闸对通江湖泊水位及面积变化的影响分析——以升金湖为例

崔玉环， 王 杰

(1.安徽农业大学 理学院， 安徽 合肥 230036； 2.安徽大学 资源与环境工程学院， 安徽 合肥 230601)

1 研究背景

河湖水系的连通可维持湿地生态系统的完整性，影响流域水资源的开发利用和分配，影响水功能区水质状况[1]。大坝的修建，一方面割断了河道的纵向连通性，改变水流的时间和空间分布，引起水文情势的变化及生态系统物理、化学和地貌形态的改变[2]，不利于湿地生物的生长，有可能降低河流湿地的生物多样性[3]。另一方面，筑堤和建闸人为地切断了河流与湖泊的自然连通，节制了干流及其支流和湖泊间的水力联系，从而使得在河湖连通的支流河道内发生泥沙淤积，河湖泊联系通道阻塞，水系连通性变差[4-5]。

目前，国内外学者对控水闸等水利工程对河道水系水质水量的影响展开讨论，Richter等[6]认为闸控改变河道自然连通状态，导致流域水文循环过程的变化，进而对生态系统产生及物种产生重大影响。胡巍巍[7]用IHA和RAV法研究了蚌埠闸及上游闸坝对淮河自然水文情势的影响，结果发现闸坝对下游河流水文情势影响强烈，特别是在枯水期。左其亭等[8]通过在沙颍河槐店闸实验分析，得出考虑底泥扰动的水闸运作对重污染河流水质水量运移的作用规律。郭文献等[9]通过实测水文资料对比分析了北运河闸坝工程修建前后河段水文情势的变化，得出闸坝工程导致河流流量减少，以非汛期更为明显。

自19世纪50年代以来，长江中下游通江浅水湖泊兴建闸坝、筑堤，改变了河湖原有的自然联通状态，导致绝大多数湖泊成为阻隔湖泊，仅剩洞庭湖、鄱阳湖、石臼湖自然通江。目前就控水闸坝对通江湖泊河湖水质水量连通性方面的研究较少，仅就拟建设鄱阳湖水利枢纽方面，相关学者做了一些论证和预测，余启辉等[10]和赖格英等[11-12]通过水动力模型预测了鄱阳湖水利枢纽对长江干流、湖泊支流水位和流量的影响。杜彦良等[13-14]定量预测了水利枢纽的不同调度方案对鄱阳湖水质状况的影响。

因此，本文以建有控水闸的典型通江湖泊-升金湖为研究区，分析闸控两侧长江、湖泊水位年内涨落关系及其相关性，考虑控水闸的运作方式，进而探究控水闸建设对通江湖泊水文特征的影响，为研究不同水位波动下河湖水质迁移、土壤地貌特征提供参考，也可以为河湖水系连通战略实施，提高水资源统筹配置能力，加强生态环境质量和防洪保安能力提供理论基础。

2 数据与方法

2.1 研究区概况

升金湖位于安徽省池州市贵池区和东至两县交界处，地处东经116°55′至117°15′，北纬30°15′至30°30′，自西向北自然分成3个相连的水面(上、中、下湖)，以黄湓河为中心扩展成湖。上、下两湖床略高于中湖，平均海拔11 m，湖周海拔平均25 m。上湖与中湖、下湖人为筑坝分开，上游来水较大时可以通过拦坝，水量减少时则起到保留上湖水量的作用。中湖、下湖与长江之间由黄湓河连接。每年5-8月为丰水期，平均水位12.5 m(吴淞高程)，11月-次年4月为枯水期，平均水位8.9 m，其他时期为平水期，平均水位11.3 m[15]。年平均降水量约1600 mm,且受亚热带季风影响，降水主要集中在夏季，约占全年降水量的50%。为控制升金湖水位，于1960年在黄湓河修建黄湓闸，1965年正式投入使用，该闸汛期拒江水倒灌入湖，汛后排泄升金湖渍水，干旱年份引江水入湖或关闸蓄水，在一定程度上维持升金湖水位，减少干旱年份湖泊过度萎缩的风险，但在很大程度上改变了河湖的自然连通状态，从而造成河湖水沙输移、污染物运移和降解、鱼类巡回等方面的生态环境问题。

2.2 数据来源及处理

收集整理了2015-2017年的升金湖姜坝站，黄湓闸闸上、闸下水位，长江安庆站水位实地观测数据，以及黄湓闸逐日降水数据(站点分布见图1)。2016年夏长江中下游发生持续洪水，升金湖水位(姜坝站)最高达17.45 m，超过警戒水位15 m历时40 d，长江安庆站最高水位达17.68 m，超过长江警戒水位16.7 m历时23 d，期间江湖水位不受闸控影响，处于完全连通状态。

本文分别分析以上4个水位站在枯水期、涨水期、丰水期和退水期水位波动差异及其相关性，以及黄湓闸汛期拒江水倒灌入湖，汛后排泄升金湖渍水，干旱年份引江水入湖或关闸蓄水的运作方式，分析控水闸的运作对河湖水位波动的影响。并根据2016年特大洪水年份河湖水位丰水期的特殊连通关系，参照已有研究中升金湖水位-湖泊面积的关系[16]，定量分析不受闸控影响下，在正常年份湖泊水位与面积变化过程。

3 控水闸对湖泊水位波动的影响

3.1 水位年内波动特征

姜坝水位站水位反映升金湖上湖水位波动，上湖和中下湖之间有人为筑坝，坝高约11 m。中下湖与长江由黄湓河相连，水位受黄湓闸控制，因此黄湓闸闸上水位可反映中下湖的水位波动，安庆水位站的水位代表长江的水位波动。闸上、闸下、姜坝和安庆水位站2015年1月1日-2017年11月30日水位波动见图2所示。从图2可以看出，姜坝站水位波动与其他水位站差异较大，由于人为筑坝的拦截作用，枯水期维持11 m左右的水位，远高于其他水位站水位，丰水期除了2016年特大洪水与其他水位波动保持一致以外，其它年份均维持在15 m的警戒水位以内，与闸上水位波动一致，由于黄湓闸汛期关闸拒江水倒灌，该站点高水位远低于闸下和安庆站水位，且水位波动存在较大差异。

闸上水位在枯水期介于姜坝和闸下水位之间，水位高于11 m的平水期和丰水期，水位波动基本与姜坝水位一致，原因在于升金湖在低水位时向长江泄流，当湖水位低11 m时，升金湖上湖和中、下湖水体被拦截坝分开，持续泄流导致中、下湖水位不断降低；闸下水位受黄湓闸泄水和长江水位波动共同影响，在枯水期湖水向长江泄流，闸下水位介于闸上和安庆水位之间，在平水期和丰水期与长江水位波动一致；安庆水位反映长江水位的波动特征，全年受降水影响较大，枯水期降水减少，水位在7 m左右波动，春夏季降水增加，水位加速上涨，丰水期洪峰尖瘦。

图1 研究区水位站与控水闸空间分布图

图2 2015-2017年不同水位站水位年内波动

3.2 不同水文时期水位分布特征

不同水文阶段水位的箱式分布图，可反映水位在各阶段间波动的趋势以及波动范围。本文根据姜坝、闸上、闸下和安庆4个水位站的实测水位数据生成箱式分布图(图3)，并比较在枯水期、涨水期、丰水期和退水期4个阶段水位的相关关系(表1)。综合分析水位箱式分布(图3)和不同水位站之间的相关系数(表1)，得出如下结论：

(1)枯水期：枯水期姜坝站水位较为稳定，中位数偏向下四分位数，分布集中在10.44～11.46m之间，平均水位10.95 m，水位历时大约为12月-次年4月底；闸上水位近似正态分布，中位数处于上下四分位数中间位置，分布范围在7.86～10.96 m之间，平均水位9.18 m，水位历时大约为12月-次年3月底，频繁的开闸放水，使水位存在明显锯齿状波动；闸下和安庆站水位波动较为一致，变化范围分别为7.05～10.39 m和5.57～10.64 m，平均水位分别为8.06和7.45 m，水位历时大约为12月-次年2月底，但从箱式图图3看，闸下的水位分布较安庆站集中，且由于枯水期开闸放水导致存在异常值。

4个水位站水位相关性在不同年份差异较大，可能与枯水期降水量有关。2015年枯水期几乎无降水，水位站水位相关系数均在0.65以上，闸下-安庆、闸下-姜坝和安庆-姜坝相关系数均在0.94以上，2016年除了闸下-安庆和安庆-姜坝相关系数大于0.6，其余均在0.5以下，2017年除了闸上-闸下和闸下-姜坝相关性较差，其余均在0.5以上。

(2)涨水期：姜坝站水位分布较为集中，但高低水位均出现异常值，2015年大约5月初水位开始持续上涨，至6月初达到大于12 m的高水位，2016年4月初开始上涨，4、5月降水持续增加，至4月底已达到高水位，2017年6月初水位才开始上涨，至6月底达高水位；闸上水位在3月底开始上涨，在6月初达到高水位；闸下和安庆水位在3月初开始上涨，在6月初至6月底达到高水位；闸上、闸下和安庆站水位分布较离散，且尾长较长，中位数居中偏上，在4月份有1次小洪峰(2015和2017年)，2016年3月开始持续降水，水位急剧抬升至高水位，且在水位上涨之初，姜坝站水位高于其他站水位，但随着春季降水的增加，其他3站水位急速增加，很快超过了姜坝站水位。

4个水位站水位相关性均较大，相关系数在0.695～0.998之间，姜坝站与其他3个水位站水位相关性(相关系数在0.695～0.831之间)相对低于其他3个站之间的相关性(相关系数大于0.932)。

(3)丰水期：6～8月份为4个水位站的丰水期，2015和2017年正常水文年份，丰水期黄湓闸关闸拒江水倒灌，控水闸两侧水位有较大差异，姜坝站和闸上站水位变化过程基本一致，安庆站在洪峰处水位高于闸下水位，两者亦有近似的水位波动过程，2016年洪水年份，洪水位接近14 m之后，河湖水位不受控水闸作用，河湖水体连成一体，4个水位站有近似的水位波动过程。闸下站和安庆站水位近似正态分布，但分布较为离散；闸上站和姜坝站水位中位数偏向上四分位数处，分布较为集中。

为便于比较，分别生成了2016年和2015、2017年丰水期水位分布箱图(见图4)。2015、2017年丰水期闸上和姜坝水位分布较为集中，中位数居中，水位呈正态分布，闸下和安庆水位分布较离散，中位数居中偏下，而2016年丰水期4个水位站水位分布近似，中位数偏向下四分位处。从相关性比较看，4个水位站水位在不同年份相关性存在差异，2016年洪水作用下，河湖持续高水位，河湖连接成片，各站点水位相关系数均在0.99以上，在2015和2017年闸下-安庆和闸上-姜坝相关系数均在0.99以上，其余均在0.674～0.719之间。

(4)退水期 8月份以后，4个水位站开始进入退水期，退水初期，姜坝和闸上站水位变化过程基本一致，水位分布较为集中，闸下和安庆水位变化过程基本一致，水位分布较离散，且中位数偏向上四分位处。大约在10月份之后黄湓闸开始集中泄洪，闸上水位出现较大锯齿状波动，且闸下水位出现与闸上相反的波动，11月以后，闸上、闸下和安庆水位出现随降水波动的态势，由于拦截坝的作用，姜坝站水位降至11m左右开始平稳变化。4个水位站水位相关性均较大，相关系数在0.533～0.998之间，姜坝-闸上和闸下-安庆水位相关性(相关系数在0.746～0.998之间)高于其他站之间的相关性。

总体来说，4个水位站可大致分为两组，闸上和姜坝站有近似的水位变化过程，闸下和安庆站具有近似的水位变化过程(除枯水期，闸下受上游放水影响明显，和安庆站水位分布差异较大)。由此可见，通江河道控水闸改变了长江-湖泊的河湖自然连通性，对通江湖泊-升金湖的水位变化规律产生重要影响。

图3 2015-2017年不同水位站在各水文阶段的水位分布

表1 2015-2017年不同水位站在各水文阶段的相关系数

注：*表示显著性水平达0.1；**表示显著性水平达0.05；***表示显著性水平达0.01。

图4 洪水年份(2016年)与其他年份(2015、2017年)水位分布的差异

4 控水闸对湖泊面积的影响

李皖彤等[16]通过遥感监测技术建立升金湖水位-面积关系：S湖=9.94H+9.10，R2=0.958。参考处于河湖自然连通状态的鄱阳湖水位-面积呈现对数关系[17]，本文假设升金湖与长江自然连通时其水位-面积关系亦为对数关系，并重新拟合为：S湖=106.76 lnH-136.39，R2=0.960。升金湖水位-面积关系见图5所示。

假设没有黄湓闸的控水作用与拦水坝的拦截，长江与升金湖呈现自然连通状态，则在整个水文周期内，湖泊水位和长江水位呈现相同变化过程，在枯水期湖泊水位维持在8 m左右(黄湓河近湖段河面高程约8 m，低于8 m时，河湖不连通)，在丰水期湖泊水位波动与长江水位一致，安庆到升金湖入河口水位落差大约为0.21 m(2016年7月安庆与姜坝水位落差计算得出)。据此推断，本文重新估算在河湖连通条件下2015年升金湖月平均水位，根据上述湖泊水位-面积的对数关系，推算湖泊面积，并与根据实测水位计算的湖泊面积比较，结果见表2。由表2可以看出，在现有闸控条件下，在枯水期升金湖面积有所增大，最大增幅可达30.98 km2，而在高水位时升金湖面积有所减小，最大减幅约10 km2。

图5 升金湖水位-面积关系(数据参考文献[16])

表2 控水闸运行、河湖自然连通条件下升金湖面积的定量估算

续表2

5 结 论

通过分析近3年来升金湖姜坝、黄湓闸闸上和闸下以及长江安庆水位站逐日水位变化过程及各站点水位波动的相关关系，分析黄湓闸控水对升金湖水位波动的影响，并根据特大洪水年份(2016年)丰水期的自然河湖连通关系，结合已建立的湖泊水位-面积的关系，定量估算不受闸控影响情况下通江湖泊水位、面积变化的过程，探究控水闸运行对通江湖泊水位及面积的影响，得出以下结论：

(1)在人为筑坝拦截和黄湓闸控水作用的共同影响下，姜坝站水位与其他站水位差异较大，枯水期水位维持在11 m左右，远高于其他水位站，在河湖连通时丰水期水位不受控水闸影响，其他年份维持在15 m的警戒水位以内，与闸上水位波动一致。

(2)闸上水位在枯水期介于姜坝站和闸下水位之间，在水位高于11 m的平水期和丰水期，水位波动基本与姜坝站水位一致；闸下水位在枯水期介于闸上和安庆站水位之间，在平水期和丰水期与长江水位波动一致；安庆水位反映长江水位的波动特征，全年受降水影响较大，枯水期水位最低，在7 m左右波动，春夏季降水增加，水位加速上涨，丰水期洪峰尖瘦。

(3)在现有建闸控水条件下，相比于自然河湖连通状态，升金湖在枯水期面积有所增大，最大增幅可达30.98 km2，而在丰水期湖泊面积有所减小，最大减幅约10 km2。

目前在长江流域内建设水闸数量已超过5×104个，改变了原有的河湖体系自然连通关系[18]。受区域地质构造、地形、河道形态等影响，不同集水流域的控水闸对通江河流(湖泊)水文特征的影响可能会存在着一定差异[19]。受水文站实测资料的限制，本文分析了控水闸运行对安徽省升金湖水位及面积变化的影响，在今后研究中选取其它类型通江湖泊为研究对象，进一步探究控水闸运行对通江湖泊水文规律的影响机制。