近60年来长江对鄱阳湖倒灌水量的变化特征

(1.长江水利委员会 水文局，武汉 430010；2.武汉市水务科学研究院，武汉 430014)

1 研究背景

鄱阳湖位于江西省北部、长江中游南岸，承纳赣江、抚河、信江、饶河、修水(以下简称“五河”)，以及博阳河等支流来水，是长江水系及生态系统的重要组成部分。作为长江中下游典型的通江湖泊，鄱阳湖出流特征及水位涨落同时受五河及长江来水的双重影响，每年4—6月份为五河主汛期，7—9月份为长江主汛期，鄱阳湖区水位受长江洪水顶托或倒灌影响而壅高，长期维持高水位；进入10月份，受长江稳定退水影响，湖区水位持续下降，进而形成较为复杂的江湖水文情势关系[1]。

叶许春等[2-3]利用时间序列分析方法，对鄱阳湖流域五河干流的径流系列进行了研究，定量分析了气候变化和人类活动对鄱阳湖流域径流变化的影响；闵骞[4]研究了近50 a来鄱阳湖形态和水情的变化规律及其与围垦的关系，并从流域降水、五河来水、长江上中游来水、湖盆形态等方面的变化，探讨了鄱阳湖枯水变化原因[5]；郭华等[6-7]的研究表明，鄱阳湖流域的气候变化和五河入湖流量是鄱阳湖水位和水量变化的主要因素，三峡水库运行并没有改变长江与鄱阳湖作用的基本特征；刘小东等[8]对鄱阳湖低枯水位变化特征及成因进行了探讨，指出社会经济活动用水增长、河床变化、河湖采砂、三峡工程汛末蓄水等是鄱阳湖枯水期水位降低的主要原因；戴雪等[9]根据1951—2011年湖区4站及湖口站水文实测资料，指出2003年以后湖泊因涨、退水阶段水位均偏低，进而枯水阶段延长，同时丰水阶段缩短，湖泊水文节律整体呈现洪旱急转情势；方春明等[10]阐明了长江干流来流对湖口出流的顶托作用，并给出了湖口出现倒流的条件，得到了鄱阳湖对洪水的调节作用系数，初步理清了鄱阳湖与长江干流江湖相互影响的规律；赵军凯等[11-12]提出了河湖水量交换系数的概念，鄱阳湖与长江干流的水交换系数在稳定状态附近波动，河湖水交换状态无明显趋势性变化，河湖系统演化稳定。

上述研究为认识鄱阳湖流域的某个水文要素或者流域的局部水文变化提供了大量的前期基础。以往对于水文情势演变规律的研究以分析长江或者鄱阳湖单一对象较多，而对于江湖叠加效应的研究较少，尤其是对长江倒灌鄱阳湖的研究相对较少。本文选取能代表五河以及鄱阳湖出湖的重要控制水文站的1956—2016年水文数据进行分析与研究，采用小波分析[13]等方法探讨长江对鄱阳湖倒灌水量的变化规律，这对于认识变化条件下长江与鄱阳湖江湖关系变化规律具有重要意义。

2 鄱阳湖流域径流变化特征

鄱阳湖水系五河七口控制站分别为赣江的外洲站、抚河的李家渡站、信江的梅港站、饶河的虎山和渡峰坑站、修水的虬津和万家埠站，出湖水量由湖口水文站控制。现以五河七口水量总和作为鄱阳湖湖区主要入湖水量，以湖口站水量表征出湖水量。根据鄱阳湖五河七口及湖口控制站1956—2016年长系列逐日平均流量，分析各站不同时期来水变化特征。

以2003年三峡水库投入运行为时间节点，表1给出了鄱阳湖五河七口各控制站在不同时段出入湖多年平均流量。相比1956—2002年年平均径流量，鄱阳湖五河七口控制站2003—2016年年平均径流量均有所降低。从减少比例来看，虬津站的年平均径流量减少比例较大，达18.6%；其次为李家渡站，为13.4%；而梅港站年径流减少比例最小，仅为1.5%，综合表明修水和抚河在2003年后水量相对变化较大，而信江变化较小。

3 长江对鄱阳湖作用的变化规律

3.1 长江对鄱阳湖作用的年内变化规律

由于鄱阳湖流域汛期较长江中上游偏早1～2个月，在季节上，每年4—6月份是鄱阳湖流域的多雨期(图1)，五河洪水入湖流量增加使湖泊水位上涨，从而产生鄱阳湖作用于长江的梯度力。在随后的7—9月份，随着长江中上游主汛期的到来，长江干流水位上涨造成对鄱阳湖水的强烈顶托作用[1]。当长江干流对湖口的顶托作用大于湖水出湖压力时，长江对鄱阳湖作用强烈，将出现江水倒灌现象[1，14]。

根据湖口站1956—2016年共61 a资料统计，长江倒灌入湖总水量为1 395亿m3，平均每年为22.9亿m3，共有12 a未发生倒灌，其余49 a均发生倒灌。从年代分析可知，1956—1960年倒灌径流量为170.1亿m3，1961—1970年倒灌径流量354亿m3，1971—1980年倒灌径流量132亿m3，1981—1990年倒灌径流量329亿m3，1991—2000年倒灌径流量164亿m3，2001—2016年倒灌径流量为246亿m3。其中最大倒灌流量为1991年7月10日的13 600 m3/s，年最大倒灌水量114亿m3。现以2003年为界对湖口1956—2016年不同时段倒灌水量进行统计，见表2。

表1 鄱阳湖五河控制站不同时段月平均流量统计Table 1 Statistics of monthly average streamflow at main hydrological stations of Poyang Lake m3/s

图1 1956—2016年鄱阳湖入湖流量、湖口及汉口日平均流量过程Fig.1 Volume of flow into Poyang Lake and dailyaverage flow at Hukou and Hankou hydrological stations

表2 鄱阳湖不同时段湖口倒灌特征Table 2 Characteristic parameters of water recharge from Changjiang River into Poyang Lake

根据对1956—2016年间长江倒灌鄱阳湖天数的统计分析(图2)，61 a中出现倒灌的天数总共735 d，主要发生在7—9月份，占总倒灌天数的87.6%。其中，7月份、8月份、9月份这3个月长江倒灌鄱阳湖天数分别为211，184，249 d，分别占倒灌总天数的28.7%，25.0%，33.9%，其余月份仅占年倒灌总天数的12.4%。

图2 不同时段湖口倒灌天数统计Fig.2 Number of days of water recharge from ChangjiangRiver into Poyang Lake

3.2 长江对鄱阳湖作用的年际变化规律

进一步探讨长江倒灌鄱阳湖的倒灌水量及倒灌天数的年际变化规律。由图3可知，长江倒灌入湖的天数和径流量在不同年代间变化迥异。1960年代、1980年代江水倒灌最为频繁，1970年代次之，1990年代江水倒灌现象较少，2000—2005年以来江水倒灌又呈增加趋势，而2006年以来倒灌现象最少。近60 a江水倒灌的年际变化总体呈长期的减小趋势，但年代间的变化过程反映出江湖作用强度在年代际尺度上存在此消彼长的波动过程。

图3 湖口站倒灌水量及倒灌天数年际变化Fig.3 Variations of number of days and volume ofwater recharge from Changjiang River into PoyangLake over years

图4 湖口站历年倒灌水量、倒灌天数与鄱阳湖入湖水量、长江干流来水之间的关联性Fig.4 Correlation of amount and number of days ofwater recharge at Hukou station versus incoming flowinto Poyang Lake and incoming flow from mainstreamChangjiang River

由于鄱阳湖倒灌水量受长江干流来水和鄱阳湖来水共同影响，因此进一步分析鄱阳湖入湖水量、长江干流来水与鄱阳湖倒灌的关联性。根据鄱阳湖水系五河七口控制站实测流量统计1956—2016年鄱阳湖入湖水量，根据三峡水库2003年以后实际运行资料统计水库蓄变量，据此对汉口水文站2003年以后的实测流量进行还原。分别对还原后的汉口站水量、鄱阳湖入湖水量以及鄱阳湖倒灌水量、倒灌天数距平处理，绘制关系图，见图4。

从图4中可见，鄱阳湖倒灌水量、倒灌天数均与汉口站来水与鄱阳湖入湖水量之差呈现较好的正相关关系。鄱阳湖倒灌水量或倒灌天数较多的年份，长江干流来水往往大于鄱阳湖入湖水量；倒灌水量或倒灌天数较小的年份，多以鄱阳湖作用为主，长江干流来水较小。这也再次印证了鄱阳湖倒灌水量受长江干流和鄱阳湖来水的双重影响。

3.3 三峡水库运行对鄱阳湖倒灌水量的影响

2003年6月三峡水库正式投运，并对长江中下游及鄱阳湖水文情势产生一定的影响。为分析三峡水库运行对鄱阳湖倒灌水量的影响，以2003年为界进行分段统计分析。根据计算，2003—2016年鄱阳湖年平均倒灌水量17.4亿m3，年平均倒灌8.2 d，分别较1956—2002年减少7.1亿m3和5.0 d，2003年后鄱阳湖倒灌现象逐渐减少。特别是2009年以来鄱阳湖倒灌强度明显减弱，鄱阳湖在2009—2016年发生倒灌天数分别为1，0，4，3，4，3，0，5 d。

绘制鄱阳湖倒灌水量与三峡水库蓄水量之间的关系，见图5。图中主坐标为鄱阳湖倒灌水量，次坐标为三峡水库蓄水量，正值表示蓄水，负值表示补水。从图5中也可看出，2003—2008年为三峡水库初期运行阶段，该阶段水库的调蓄作用有限，因此对鄱阳湖倒灌没有明显改善作用。2008年汛后三峡水库进入175 m试验性蓄水期，2010年10月成功蓄水至175 m。从2009年开始三峡水库对生态用水和中下游供水的调度，减少了鄱阳湖倒灌水量和倒灌天数。

图5 2003—2016年湖口站月倒灌水量与三峡水库月蓄水量之间的关系Fig.5 Relationship between monthly amount of waterrecharge at Hukou station and monthly water storage inThree Gorges Reservoir from 2003 to 2016

由此可见，虽然2003年后，三峡水库的运行并没有改变长江与鄱阳湖相互作用的基本特征，倒灌现象仍然出现，但是水库的蓄水或放水在一定程度上影响了江湖作用的季节变化和鄱阳湖流域的旱涝机遇，一定程度上减少了长江对鄱阳湖的倒灌频次。

3.4 长江对鄱阳湖作用的多时间尺度分析

采用Morlet小波对鄱阳湖湖口站月倒灌天数和月倒灌水量进行多时间尺度分析。图6(a)、图6(b)分别为月倒灌水量和月倒灌天数的小波实部等值线及小波方差。从图6中可见，1956—2016年长江倒灌鄱阳湖月倒灌水量及月倒灌天数存在显著的震荡周期，尤其以1 a及1 a以下的小尺度震荡为主，其中1 a尺度的峰值最大。从小波实部等值线可以看出，在1 a尺度上经历了1956—1959、1963—1966、1981—1983、1988—1989、1991—1992、2003—2006等多个正相位，表明这些年份长江倒灌鄱阳湖作用强烈；2009年以后震荡逐渐减弱，小尺度震荡基本消失，表明长江倒灌鄱阳湖水量逐渐减少，这与3.3节的分析结果一致。

图6 1956—2016年长江倒灌鄱阳湖月倒灌量及月倒灌天数小波实部等值线及小波方差Fig.6 Contour map of wavelet analysis and waveletvariance of monthly flow and monthly number of days ofwater recharge from Changjiang River into Poyang Lakefrom 1956 to 2016

鄱阳湖与长江水力关系密切，历年江水倒灌鄱阳湖径流量及天数的变化发展过程反映出长江与鄱阳湖相互作用的强弱变化过程。如发生江水倒灌少的年代,如1970年代和1990年代，正是长江中上游来水对鄱阳湖作用较弱的时期，而此时鄱阳湖对长江的作用较强。相反，发生江水倒灌多的年代，如1960年代、1980年代，则表示长江上中游来水对鄱阳湖的作用相对强烈，而鄱阳湖对长江的作用较弱。

4 结 论

(1)采用鄱阳湖五河及出口控制水文站1956—2016年水文数据，对鄱阳湖径流变化特征进行了分析。鄱阳湖五河七口控制站2003—2016年年平均径流量相比1956—2002年年平均径流量均有所降低。

(2)根据湖口站1956—2016年共61 a资料统计，有12 a未发生倒灌，其余49 a均发生倒灌。鄱阳湖倒灌水量、倒灌天数均与汉口站来水与鄱阳湖入湖水量之差呈较好的正相关关系。鄱阳湖倒灌水量或倒灌天数较多的年份，长江干流来水往往大于鄱阳湖入湖水量。

(3)2003年后，三峡水库的运行并没有改变长江与鄱阳湖相互作用的基本特征，但是水库的蓄水或放水在一定程度上影响了江湖作用的季节变化和鄱阳湖流域的旱涝机遇，一定程度上减少了长江对鄱阳湖的倒灌频次。

(4)采用小波分析方法探讨长江对鄱阳湖倒灌水量的多时间尺度变化特征，倒灌水量和倒灌天数在1960年代、1980年代和21世纪初存在较强的正相位，表示长江上中游来水对鄱阳湖的作用相对强烈；而在1970年代、1990年代和2010年以后呈现出较强的负相位，表明长江中上游来水对鄱阳湖作用较弱。