闸控通江浅水湖泊水位变化特征及影响因素研究

丁 云 阳，杨 忠 勇，范中 亚，王 文 才，王 钟，曾 凡 棠

(1.三峡大学 水利与环境学院，湖北 宜昌 443002； 2.生态环境部 华南环境科学研究所，广东 广州 510655)

1 研究背景

湖泊水位特征是反映湖泊水文情势的主要指标，也是影响湖泊生态系统健康的关键因素之一[1]。近年来，在全球气候异常和高强度人类活动影响下，许多湖泊的水位都发生了显著变化[2]，这种变化反过来对自然地理环境也产生了显著影响。因此，湖泊的水位变化特征备受学者关注，对湖泊水位变化规律及其影响因素开展研究具有重要的理论价值和现实意义。

湖泊水位变化特征的影响因素主要包括自然因素和人为因素两大类。李林等[3]通过建立青海湖水位模型，模拟、预测了自然因素和人类活动对水位的影响，发现青海湖1961～2002年的42 a间水位持续下降，其主要原因为自然演变过程。黄群和姜加虎[4]通过分析岱海的湖区气候、湖泊水域的入湖径流特征，以及计算湖泊的水量平衡，结果发现在1955～1995年间，水位下降了3.85 m，其中人为影响的贡献率高达82%。在经济发达的长江中下游地区，人类活动的影响尤为显著，王秀英等[5]通过分析洞庭湖的演变过程及生态环境现状，发现人类活动严重影响了泥沙运动规律，最终导致湖泊面积减小、调蓄能力下降，引起生态环境进一步恶化。金卫斌和刘章勇[6]通过对四湖流域18个湖泊的围垦强度与容量损失情况的分析，发现围湖垦殖对湖泊调蓄功能的影响具有明显的累加效应。黄颖等[7]利用实测资料，借助于水量平衡方法，估算了洞庭湖的调蓄量，结果发现，围垦和淤积导致了洞庭湖的调蓄量减少，而且围垦作用大于淤积作用。闵骞[8]利用水文学方法，计算出了鄱阳湖典型年洪水位在不同围垦背景下的变化情况，并建立了洪水位围垦效应与围垦面积的关系，通过计算发现：围垦不仅使洪峰水位升高，而且还使高水位持续时间增长，甚至对高水位的影响要大于对低水位的影响。

长江中下游的大型湖泊，比如洞庭湖、鄱阳湖等，关于其水位变化特征方面已有较多研究成果[9-11]，但这些湖泊的江湖关系相对直接，未受通江闸站的控制，而且缺乏多因素的综合考虑。本次研究中的菜子湖属于长江中下游闸控型通江浅水湖泊，是越冬候鸟在迁徙路线上重要的越冬地和停歇地，也是引江济淮工程的重要输水通道。目前，关于菜子湖已有的研究主要聚焦于对其生物多样性及其结构特征方面的分析[12-16]，而对其水位变化方面的研究却极少。本文首先基于多个水位站点的水情资料，系统分析菜子湖水位波动情况，建立菜子湖水位-面积变化的关系，并进一步讨论入湖河流径流、水闸调控、江湖水位关系以及湖区围垦对菜子湖水位波动的影响，旨在揭示菜子湖水位变化的特征及成因，从而为科学认识菜子湖水情和防控湖泊生态风险、了解闸控型通湖泊江湖关系提供依据。研究结果可为“引江济淮”重要输水通道菜子湖的水闸调度、水资源利用和管理以及湖泊湿地生态环境保护提供重要技术支撑。

2 材料和方法

2.1 研究区概况

菜子湖地处安徽省安庆市，位于东经117°01′-117°09′，北纬30°43′-30°58′之间(见图1)；南临长江、北接巢湖水系、西连皖河流域、东与白荡湖流域毗邻，其西部和北部区域又称为嬉子湖和白兔湖。湖泊上承大沙河、挂车河、龙眠河、孔城河四河及区间来水，经菜子湖调蓄后，由枞阳长河向南注入长江。菜子湖处于北亚热带湿润季风气候区，四季分明、光照充足、气候温和、雨量适中、多年平均气温16.50 ℃，多年平均降雨量为1 389.10 mm，多年平均蒸发量1 611.40 mm。湖泊年平均水位9.10 m，平均水深1.67 m，属浅水型漫滩湖泊。湖区受季风气候影响，菜子湖年内湖泊面积变化极大，枯水期水域面积为145.20 km2(相应水位为8.10 m)，总容积为2.87亿m3；丰水期水域面积为242.90 km2(相应水位为15.10 m)，总容积为16.10亿m3[17]。1959年枞阳闸修建后，菜子湖变成了闸控型通江湖泊，菜子湖区与长江干流的水文交互过程受枞阳闸调控。

图1 菜子湖位置及水文观测点分布Fig.1 Location of Caizi Lake and the observation sites

菜子湖是“引江济淮”工程重要的输水通道，在保障工程安全运行维护中扮演着重要角色。长江水通过枞阳闸贯穿菜子湖，经孔城河输入巢湖，最终汇入淮河。菜子湖现状水质为Ⅲ～Ⅳ类，水环境状况较好，生物资源丰富，是一些候鸟重要的越冬地和停歇地，其中包含有10种国家重点保护水鸟，比如白头鹤、白鹤、黑鹤等[15]。但是，近几十年开展的大规模围垦造田工程在一定程度上破坏了菜子湖的湿地生态；湖区水域的围湖养殖阻碍了洄游鱼类的繁衍，导致鱼类资源减少；菜子湖面临生物多样性降低及水生生态系统服务功能衰退的风险。“引江济淮”工程将改变菜子湖水文过程，候鸟越冬期(12月至次年的3月)水位将由现状的6.89 m上升到7.50～8.10 m，候鸟越冬的栖息环境和生态系统会随之受到影响[15]。

2.2 数据来源和研究方法

为了分析菜子湖近年来水位变化特征，本次研究整理了菜子湖区2002～2016年多个水位站的实测水文资料，包括车富岭水位站(CFL)、枞阳闸上水位站(ZS)、枞阳闸下水位站(ZX)和长江干流安庆水位站(AQ)的逐日水位数据，以及沙河埠站的逐日流量数据(见图1)。入湖流量资料仅获得了部分沙河埠站的数据，包括2002～2006年和2016年的数据。此外，还调查了菜子湖沿湖圩口的基本情况，包括圩口面积、个数等，详情如表1所列。

表1 菜子湖沿湖圩口基本情况Tab.1 Basic information of embankments along the Caizi lake

为了研究湖泊水位-面积关系，文中收集了湖区部分遥感影像数据资料，主要来自美国陆地卫星(Landsat 5、Landsat 7和Landsat 8系列)在2002，2009年和2016年的遥感影像数据，并对不同时期的菜子湖水域分布情况进行图像判读与动态变化分析。数据处理方法及步骤如下：

(1) 在地理空间数据云网站(http：//www.gscloud.cn/)下载2002,2009年和2016年3 a期间所有云层较少、清晰度较高的Landsat影像(共计25幅)。

(2) 进行影像的大气校正和几何校正等，因为相较于土壤、植被、建筑物来说水体在光谱的范围内呈现为较弱的反射率，所以利用NDWI(归一化水体指数)[18]，对遥感影像的特定波段进行归一化差值处理；通过设置不同的阈值区分水体与其他物质，以提取水体信息。

(3) 进行水域面积计算，并统计水位-面积的关系。

文中所采用的遥感影像的日期、类型以及湖泊水域面积和菜子湖车富岭站水位相对应的数据等详情，如表2所列。

表2 影像成像日期、类型、湖泊面积及对应车富岭水文站的水位特征Tab.2 Date，type of remote images and the area and water level of Caizi Lake

3 研究结果

3.1 不同水文站水位变化特征分析

3.1.1年际水位变化特征

图2反映了2002～2016年菜子湖区4个水位站的年际水位变化特征。CFL站年最高水位值最小，其变化范围为12.17～17.29 m(见图2(a))；年均水位最高，基本维持在9.77～11.32 m，且整体呈上升趋势(见图2(c))；年最低水位值相对较高，水位变幅最小(见图2(d))。通江闸对湖区水位控制作用明显，丰水期湖区水位低于长江水位，枞阳闸被关闭以防止江水倒灌；湖区水位高于长江水位时，枞阳闸被开启以排湖水入江。枯水期湖区水位较低，一般会关闭枞阳闸以满足湖区生产用水的需要。在枞阳闸的控制下，位于菜子湖一侧的ZS站水位波动特征与CFL站最为接近，ZS站水位的年最大值、年平均值和年标准差变化趋势与CFL基本一致。长江干流安庆站(AQ)和枞阳闸下站(ZX)水位变化过程一致性较高，年最高水位、平均水位与闸上水位接近。总体来说，枞阳闸对湖泊水位的控制作用是菜子湖区域水位保持稳定的重要因素。

图2 2002～2016年菜子湖区4个水位站年际水位变化特征Fig.2 Annual water level variation of four stations around Caizi Lake during 2002 to 2016

3.1.2年内水位变化特征

图3中各月水位的箱线可以反映出各站点水位在月际间的波动趋势和变化范围等特征。由图3可以看出：各水位站年内数据存在明显的洪、枯水位变化，年内水位呈现单峰型变化特征。从图3(a)可以看出：每年4月开始，随着湖区降水和入湖水量的增加，CFL站水位逐渐上升；7～9月CFL站水位达到最高，基本维持在12.50 m左右；10月开始，随着湖区降水和入湖水量的减少以及开启枞阳闸泄水入江，CFL站水位显著下降；12月至次年3月，CFL站水位降至最低且比较稳定。各月年际间水位比较集中，波动范围较小，平均水位基本维持在9.00 m左右。位于菜子湖一侧的ZS与CFL站存在直接水文联系，故ZS站月际水位分布特征与CFL站比较类似；位于长江一侧的ZX与AQ站也存在类似的水位变化特征(见图3)。ZX与AQ站水位每年1～7月呈显著上升趋势，8～12月呈快速下降趋势，枯水期水位低于ZS与CFL站水位，丰水期水位高于ZS与CFL站水位，水位变幅大于ZS与CFL站。CFL站水位达到最高值的时间相对于AQ站较晚，且高水位持续时间长。

图3 菜子湖区4个水文站月际水位分布特征Fig.3 Monthly water level variation of four stations in Caizi Lake

图4反映了2002～2016年菜子湖区4个水位站之间的水位差值的月变化特征，其中(CFL-ZS)表示CFL站与ZS站之间的水位差值，其余以此类推。在丰水期(5～9月)，CFL站水位低于ZS站水位(见图4(a))，ZS站水位低于ZX站水位(见图4(b))，ZX站水位低于AQ站水位(见图4(c))，即4个水位站在丰水期的水位高低依次为AQ>ZX>ZS>CFL。其原因可能在于丰水期降水丰富，长江上游来水量比较充足，代表长江水位的AQ站的水位高于CFL站的水位(见图4(d))，此间，枞阳闸通常会开启引江水入湖，可以消纳长江洪水。但是当菜子湖水位达到一定值时，为防止江水继续倒灌入菜子湖而引起洪涝灾害，一般会关闭枞阳闸。在枯水期(12月至次年3月)，CFL站的水位高于ZS站的水位(见图4(a))，ZS站的水位高于ZX站水位(见图2(b))，ZX站的水位与AQ站的水位基本一致(见图4(c))。即枯水期CFL站的水位在4个水位站中最高，原因是枯水期为满足生态和生产用水的需要，通常会关闭枞阳闸蓄水。受上下游关系影响，AQ站的水位通常略高于ZX站的水位(见图4(c))；受开闸泄水影响，AQ站的水位偶尔低于ZX站的水位。

图4 2002～2016年各站水位差值变化特征Fig.4 Water level difference between stations from 2002 to 2016

3.2 入湖河流径流与湖区水位变化过程

菜子湖入湖水系主要由大沙河、挂车河、龙眠河、孔城河4条河流组成，其中，前3条河流发源于大别山区，孔城河发源于安徽省巢湖市庐江县。由于挂车河、龙眠河和孔城河未设置长周期观测水文站点，缺少相应的径流量数据，因此本文选取大沙河的沙河埠站径流量数据作为分析资料。大沙河是菜子湖的最大入湖河流，入湖流量占菜子湖入湖总流量的47.3%[19]，因而，大沙河也是菜子湖最具代表性的入湖河流。

图5反映了入湖河流大沙河径流量和车富岭水位站水位的变化过程。夏季沙河埠站径流量较大，丰水期洪峰尖瘦，CFL站的水位随着入湖河流径流量增大迅速升高，在洪峰后一段时间达到最高水位(见图5)。冬季随着湖区降水量减少，沙河埠站径流量降低，CFL站的水位随着入湖河流径流量减小而逐步降低，并维持在8.50～9.00 m之间。事实上，由于水体输移需要一段时间，菜子湖水位变化过程在入湖径流的影响下，其水位的波动过程会滞后于流量波动过程。实测数据表明：2016年沙河埠站洪峰于7月1日达到，7月2日洪峰汇入菜子湖，菜子湖水位为15.70 m；7月7日，菜子湖达到最高水位17.29 m。舒州和邓瑞祥[20]研究认为，菜子湖水位波动过程滞后于沙河埠流量过程的时间大约为5～7 d。

图5 沙河埠站径流量和车富岭站水位变化特征对比Fig.5 Comparison between Shahebu runoff and Chefuling water level

3.3 湖区水位-湖面面积关系

表2对菜子湖水位-面积进行了二次拟合分析，由分析结果可知(见图6)：菜子湖水位越高，湖泊面积就越大，二者呈正相关。当湖区枯水期水位较低(小于12 m)时，湖区单位水位上升期间的湖面面积增量较大，即湖区水位每升高1 m，相应的湖面面积平均增加28.46 km2；当湖区丰水期水位较高(大于或等于12 m)时，湖区单位水位上升期间的湖面面积增量较小，即湖区水位每升高1 m，相应的湖面面积平均增加12.50 km2。

综上表明：湖区枯水期低水位期间湖泊水域面积对水位变化的敏感性显著高于丰水期高水位，其主要原因在于湖区的自然淤积过程导致湖底不断淤高，湖盆底部变得平缓，进而使得湖区低水位时湖面面积变化对水位变化的响应相对敏感；而围湖垦殖直接改变了菜子湖的形态，天然湖岸因人工修筑圩堤而变陡，地势升高，使得湖盆边缘趋于桶状，导致高水位时湖面面积变化过程对水位变化的响应不甚敏感。

图6 2002～2016年菜子湖水位-面积关系Fig.6 Water level-area relationship of Caizi Lake from 2002 to 2016

4 讨论分析

4.1 长江干流水位涨落与闸站调度对湖区水位变化的影响

通江湖泊在江湖关系中具有“连接器”“转换器”和“蓄水器”的作用[21]，其与长江之间的互动改变了湖泊的水文水质以及物质交换能力，对长江中下游防洪策略的制定产生一定的影响。自然通江的鄱阳湖和洞庭湖与长江之间形成了复杂的江湖水力联系和水沙交换关系，鄱阳湖接纳其上游五河来水，经湖泊调蓄后，由北部湖口汇入长江。长江水情对鄱阳湖的水文变化的影响主要在7～8月的“长江与鄱阳湖耦合作用”和9～10月的“弱长江作用”期[22]，而且对湖口具有顶托作用[23]；洞庭湖承接上游三口四水的来水，经湖泊调蓄后与长江在城陵矶汇流，形成吞吐长江之势。长江干流水位的快速消落，加速了洞庭湖水体下泄以及削减长江三口分流补给湖泊的水量[24]；三峡工程使洞庭湖年内水位变化趋缓，枯水期水位明显提升，丰水期水位有所下降[25]。与鄱阳湖和洞庭湖相比，菜子湖作为长江中下游典型的闸控型通江湖泊，其作用是汛期拒绝江水倒灌，汛后排泄内水，以减轻湖区洪涝灾害；干旱季节通过开启枞阳闸，引江水入湖，以满足湖区生态需水的要求。

枞阳闸的调控是菜子湖水位保持稳定的重要因素，每年4月随着降水增多，湖区水位呈上升趋势，为防止菜子湖水位过高，一般需开启枞阳闸，将湖水排入长江，以便为即将到来的汛期腾出库容。汛期，当长江水位高于菜子湖水位一定值时，一般需关闭枞阳闸，防止江水倒灌。枞阳闸关闭后，湖区因上游入湖的河流来水量较大，水位持续上升，并于8月份达到最高水位(见图3(a))；汛后，随着长江干流水位降低，当其水位低于湖区水位时，将开启枞阳闸排湖水入长江，为湖区泄洪排涝，以减轻湖区的洪涝灾害。此时枞阳闸虽然开启，但由于湖区内外水位差较小，加之长江顶托的作用导致闸门排水能力降低，所以湖区水位下降速率缓慢，月均水位在丰水期久高不下(见图3(a))。当湖区在枯水期水位较低时，为满足湖区生产生活、生态用水的需求，一般会关闭枞阳闸进行蓄水，湖区水位波动幅度减小(见图3(a))。“引江济淮”工程建成后，为满足其需求，枞阳闸调控方式会发生改变。候鸟越冬期(12月至次年3月)，湖内水位高于长江水位时，关闸蓄水；湖内水位低于长江水位时，开闸引江水入湖；同时，为满足越冬候鸟的生存需求，菜子湖最高控制水位为7.5～8.1 m[26]。非候鸟越冬期，当湖内水位低于9.6 m、湖内水位高于长江水位时，关闸蓄水；湖内水位低于长江水位时，开闸引江水入湖[26]。当湖内汛期水位高于10.6 m、湖内水位低于长江水位时，开闸泄洪；湖内水位低于长江水位时，关闭闸门挡洪，防止江水倒灌[26]。

枞阳闸调控虽然减少了湖区旱涝灾害的发生，但在一定程度上阻隔了菜子湖与长江直接的水文联系，阻断了洄游性和半洄游性鱼类的通道，致使全湖鱼类的数量和产量迅速下降[13，27]；同时，湖泊也丧失了自然吞吐江河的功能，加速了泥沙在湖盆的淤积，抬升湖床高程，进而影响到湖泊的水位变化和调蓄能力。

4.2 围湖垦殖和湖泊自然淤积对湖区水位变化的影响

湖盆形态的改变对菜子湖水位变化过程具有重要影响，而围湖垦殖和自然淤积是影响菜子湖湖盆形态变化的2个主要因素。菜子湖属浅水型湖泊，具有湖底平坦、滩涂沼泽广袤等特点，同时也有诸多湖区被人工围湖垦殖。20世纪50年代中后期开始，菜子湖区大规模开展围湖造田，一直持续到70年代末、80年代初，80年代中期开始逐步退耕还湖[27]。菜子湖沿湖圩口基本情况如表1所列，湖区现有圩口96个，其中面积在6.67 km2以上的有6个，耕地面积122.60 km2，临近菜子湖一侧堤防总长193.78 km，非临湖侧堤防总长94.93 km。菜子湖淤积和围垦面积共73.60 km2[28]，导致湖泊面积减小了24.5%左右，这也表明围湖垦殖是引起菜子湖水域减小的主要因素。围湖垦殖直接改变了菜子湖的形态，使得菜子湖湿地受到了一定程度的破坏，导致菜子湖面临生物多样性降低和水生生态系统服务功能衰退的风险。天然湖岸因人工修筑圩堤，使其湖岸变陡，地势升高，湖盆过水断面减小，垸内不再承受上游来沙的淤积，而已缩小的湖盆承受着同等数量的入湖泥沙，进而加快了泥沙淤积速率。研究表明：围湖垦殖使得湖泊的泥沙淤积速率提高50%以上[28-29]，菜子湖每年淤积量介于100万～120万m3之间。菜子湖的自然淤积导致湖床不断抬高，湖泊水位也随之上升；加之汛期时受长江洪水顶托影响，湖泊岀水量减小，湖泊洪水位被迫抬升，湖区高水位持续时间较长(见图3(a))。

5 结 论

(1) 从时间尺度分析可知，菜子湖年均水位最高，且逐年呈上升的趋势，水位年内存在明显的单峰型洪、枯水位变化，具有典型的季节变化特征；从空间尺度分析可知，研究区内4个水位站呈两类分布格局，其中CFL站和ZS站水位变化特征一致，视为一类；而ZX站和AQ站水位变化特征一致，视为另一类。

(2) 菜子湖洪枯季水位涨落过程主控于入湖河流径流量，但湖区水位对来流量过程的响应存在一定的滞后性，滞后时间约为5～7 d；菜子湖受枞阳闸调控与长江水位涨落影响，湖区水位变化过程相对平稳，丰水期湖区水位低于长江干流，枯水期水位相对稳定且高于长江干流；自然淤积和围湖垦殖的双重影响下，菜子湖湖盆形态发生了变化，导致湖区枯水期低水位期间湖泊水域面积对水位变化的敏感性要显著高于丰水期的高水位。

(3) 加强对菜子湖水位变化特征及影响因素研究，将有助于科学认识菜子湖水情和防控湖泊生态风险，了解长江中下游江湖关系的演变关系，以便为闸控通江浅水湖泊的闸站调度、水资源利用和管理、湖泊湿地生态环境保护提供科学依据。