鄱阳湖入江水道输沙能力与出湖沙量关系及冲淤调整规律

方春明，关见朝，史红玲

(中国水利水电科学研究院 泥沙研究所，北京 100048)

1 研究背景

鄱阳湖出湖沙量变化与湖区冲淤变化及湖区生态环境等密切相关，引起了众多学者的研究[1-4]。多年来，鄱阳湖出湖泥沙总体随入湖泥沙减少而呈减少趋势，但2001年左右开始显著增加，入江水道深泓下切，断面面积扩大。现有研究普遍认为[1-4]，自2001年长江河道采砂被禁止后，鄱阳湖采砂业迅速兴起，是出湖泥沙显著上升和断面面积扩大的主要原因。这些研究主要是基于遥感技术或结合泥沙数值模拟，建立鄱阳湖水体透明度或悬浮泥沙浓度与采砂船只数目之间的关系得到。但该研究方法存在考虑因素不够全面，机理分析不够深入，采砂分布缺乏详细数据，出湖泥沙和采砂之间的定量关系不明确等缺点，得到的结论具有一定片面性。本文对鄱阳湖入江水道输沙能力与出湖沙量关系进行了系统分析，揭示了入江水道输沙能力对出湖沙量的决定性作用及适应调整规律，明晰了2001年以来出湖沙量增加是入江水道冲刷和采砂的共同作用，阐明了入江水道下段冲刷调整已趋于稳定，上段仍可能会有一定的冲刷调整，对认识鄱阳湖冲淤、长江与鄱阳湖相互影响复杂关系和指导鄱阳湖治理具有重要意义。

本文所用数据主要有：鄱阳湖流域主要水文站1950年代以来流量、输沙量和水位实测日平均资料系列，其中入湖河流水文泥沙数据年限为1956—2021年，湖口水文站泥沙数据为1955—2021年，水位数据为1950—2020年。鄱阳湖入江水道代表断面1998、2010、2015、2020年观测资料和湖口水文站1965—2020年历年断面观测数据。资料来源为长江水利委员会水文局和江西省水文局。

本文研究主要采用水文学、数理统计学和泥沙运动力学相结合的方法，将1955—2020年分不同时期，按月对鄱阳湖入、出湖水沙变化、入江水道代表断面挟沙能力变化等进行对比分析，建立相关关系，揭示内在机理。

2 鄱阳湖年入、出湖沙量变化基本情况

2.1 鄱阳湖五河入湖沙量变化鄱阳湖入湖泥沙来源于鄱阳湖流域入湖河流来沙和长江干流倒灌入湖泥沙[5-6]，其中赣江、抚河、信江、饶河、修水五大入湖河流(简称五河)是入湖泥沙的主要来源[7]，1956—2021年五河年均入湖沙量1222万t，入湖沙量距平累积曲线如图1所示。由图可见，五河年入湖沙量有两处明显的转折点，一是1985年左右，另一是1999年左右，主要是由于五河上游水利工程修改后的拦沙作用[8]，使入湖泥沙大幅减少。1956—1984年五河年均入湖沙量为1675万t，1985—1998年减为年均1233万t，1999—2021年进一步减为年均645万t。从年内分布看，1956—2021年平均，3—7月沙量占全年沙量的85.6%，其中又以4—6月占比最大，占全年沙量的65.7%。

图1 五河年入湖沙量距平累积曲线

2.2 长江倒灌沙量变化由于受长江干流洪水上涨的影响，汛期湖口出湖水流常有倒流情况出现[6]，倒灌入湖的长江干流水流含沙量往往较高[4]，倒灌主要集中在7—9月，6月和10月偶有发生。1955—2021年平均长江倒灌入湖沙量137万t，年倒灌水沙量距平累积曲线如图2所示。由图可见，长江倒灌入湖水量和沙量变化趋势基本是一致的，自1992年左右出现拐点，显著减少。

图2 湖口年倒灌沙量距平累积曲线

2.3 出湖沙量变化由于湖口水沙存在倒灌现象，为了避免混淆，本文把湖口沙量分为湖口顺出湖沙量和湖口倒灌沙量，两者之和称为湖口净沙量。1955—2021年湖口年顺出湖沙量和湖口年净沙量距平累积曲线如图3所示。由图可见，顺出湖沙量和净沙量变化趋势大体相似。1963年前，湖口净沙量年均约1300万t；1963年左右开始有所减小，1963—1988年年均约966万t；1989年左右开始明显减小，1989—2000年年均约640万t；2001年后湖口年净沙量显著增加，2001—2021年年均约1039万t。从年内分布看，1955—2021年平均，2—5月湖口净沙量占全年净沙量的56.9%，其中又以3—4月占比最大，占全年沙量44.8%。

图3 湖口年沙量距平累积曲线

3 鄱阳湖出湖沙量变化机理

3.1 五河入湖沙量与出湖沙量关系已有众多研究通过直接比较五河年入湖沙量和湖口年净沙量变化过程，得出两者的相关性[2-3，11]，如图4所示。总体来看，2001年以前出湖沙量随入湖沙量减少而减少，2001年后年出湖沙量明显增大，普遍认为是由于鄱阳湖入江水道采砂所致。

图4 五河入湖年沙量和湖口年净沙量变化过程

实际上，如果分月比较，10月至次年3月，湖口月净出湖沙量总体都远大于五河入湖沙量，表明期间出湖泥沙主要是由湖区冲刷而来。以1月为例，五河入湖泥沙多年平均值为11.8万t，而湖口沙量达71.6万t，入湖沙量只占湖口沙量的16.5%。相反，5—6月出湖沙量总体远小于五河入湖沙量，说明期间湖区泥沙大量淤积。以6月为例，入湖泥沙多年平均值为347万t，而湖口净沙量只有78.2万t，只占入湖沙量的20.9%。7—9月，湖口净沙量总体为长江泥沙倒灌入湖，年内只有4月出湖沙量与五河入湖沙量比较接近。

点绘1956—2021年平均各月入湖沙量与湖口顺出湖沙量关系如图5所示，不论是入湖沙量多的4—7月还是入湖沙量少的8月—次年2月，入湖沙量与出湖沙量关系都很差。

图5 五河月入湖沙量和湖口月顺出湖沙量关系

3.2 鄱阳湖入江水道输沙能力与出湖沙量关系2.1节分析表明，汛期五河入湖泥沙总体在湖区淤积，而枯期出湖泥沙总体为湖区泥沙冲刷而来，因而湖口沙量应与鄱阳湖且主要是与入江水道输沙能力具有相关性。为此选择入江水道下段距湖口水文站较近的一个代表断面(2#断面)和上段星子水位站断面(8#断面)进行分析，断面图如图6所示。两个断面滩宽都约8 km，槽宽都约1.5 km，具有入江水道典型的宽滩窄槽形态。从1998年、2010年、2015年和2020年断面观测看：1998—2010年2#断面主槽显著扩大，8#断面主槽扩大相对较少；2010—2015年2#断面变化不大，8#断面主槽明显扩大；2015—2020年2#断面主槽有所左移，但断面面积变化不大，8#断面主槽有所展宽，深泓略有淤积；两断面滩地一直变化不大。

图6 鄱阳湖入江水道代表断面

2#断面距湖口水文站较近，可根据湖口水文站水位和流量求该断面对应面积和断面平均流速。8#断面则可根据星子水位站水位和湖口站流量求该断面对应面积和断面平均流速。其中各年所采用的断面为，1956—1998年采用1998年断面，1999年后各年采用相邻年份观测断面插值计算。

同流量时，河道输水能力主要与其挟沙能力有关。根据泥沙运动力学[9]，水流挟沙能力与流速高次方成正比，与水深和悬沙沉速成反比。入江水道内缺少系统的悬沙级配资料，但湖口水文站有长系列悬沙级配观测数据，表现为相对稳定，因而入江水道泥沙级配可认为相对稳定，对挟沙能力的影响不大；且在分析月均断面挟沙能力时，年际间月平均水深变化相对较小，因而本文以代表断面平均流速反映挟沙能力。基于1955—2020年实测数据，先逐年计算各月断面平均水位和湖口顺出流时平均流量、水量和沙量，再推求代表断面各月平均流速和湖口顺出流含沙量。点绘两个代表断面各月流速与顺出湖含沙量关系如图7所示。由图可见，两个断面月流速与月顺出湖含沙量都显著线性相关，2#断面的相关性较8#断面更好些。图7表明入江水道挟沙能力与出湖含沙量直接相关，因而也与出湖沙量直接相关。

图7 代表断面1955—2020年各月平均流速与湖口顺出湖含沙量关系

3.3 五河入湖沙量减少对出湖沙量的影响在入江水道输沙能力直接决定湖口出湖沙量的同时，五河入湖泥沙对出湖泥沙具有间接影响。根据河流演变学，由于鄱阳湖泥沙主要来自五河，当五河来沙发生变化时，鄱阳湖包括入江水道会发生冲淤变化，调整水流挟沙力以适应来沙。但由于鄱阳湖及其入江水道湖容大，五河年沙量相对湖容很小，五河来沙变化自上游主湖区向下游入江水道传播的过程中，对入江水道演变的影响是缓慢的。相反，由于五河水量相对于湖容很大，若五河径流量发生年内或年际变化，或湖口水位发生变化，对入江水道演变的影响则是直接的。为此，选择五河入湖沙量最大的4—6月，对比1956年以来五河入湖沙量、湖口出湖沙量和2#断面输沙能力距平累积曲线，如图8所示，其中断面输沙能力为流量乘以流速(流速代表挟沙能力，考虑了断面面积变化)。

图8 4—6月五河入湖沙量、湖口出湖沙量和2#断面输沙能力距平累积曲线对比

由可见，从出湖沙量变化趋势看，总体各月出湖沙量与输沙能力变化趋势更为一致。入湖沙量最大的6月，五河入湖沙量从1985年开始明显减少，而出湖沙量从1971年左右即开始明显减少，与输沙能力变化趋势更为一致。

从变化量看，4月，1956—1984年平均入湖沙量为307万t，1985—2021年减为124万t，减幅为60%；同期出湖沙量由260万t减为149万t，减幅为43%；同期2#断面输沙能力减幅为22%。5月，1956—1984年平均入湖沙量为389万t，1985—2021年减为145万t，减幅为63%；同期出湖沙量由138万t减为80万t，减幅为42%，同期输沙能力减幅为22%。6月，1956—1984年平均入湖沙量为468万t，1985—2021年减为252万t，减幅为46%；同期出湖沙量由96万t减为67万t，减幅为30%，同期输沙能力减幅为15%。可见，从1985年前后变化量看，各月出湖沙量减少量和减小比率都小于入湖沙量减少量和减小比率，都大于输沙能力减小比率。

4 入江水道输沙能力变化与冲刷调整

比较鄱阳湖入江水道断面4次观测资料可知，1998年至2010年断面基本都明显扩大[10-11]。2010年部分全断面存在不规则显著扩大的断面明显是采砂作用，但大多数断面表现为主槽光滑下切(如图6所示)，有学者认为是冲刷作用[11]，但没有提出明确证据。下面通过分析1999年以来入江水道输沙能力变化与冲刷调整关系，说明主槽光滑下切断面是冲刷和采砂共同影响的结果。

4.1 入江水道输沙能力变化过程分析入江水道输沙能力变化过程是为了说明1998年至2010年期间入江水道断面扩大在时间上是否与输沙能力变化相符。仍以2#断面平均流速反映断面输沙能力，假定2#断面1998年以来未发生变化的情况下，点绘1955年以来月流速距平累积曲线。结果表明，1990年代末以来，2—7月流速变化不显著或趋势性不明显，8月至次年1月明显增大，如图9所示。因此，入江水道输沙能力变化总体与1998年至2010年期间入江水道断面扩大时间上是相符的。

图9 2#断面月平均流速1955—2020年距平累积曲线

如表1所示，统计分析表明，引起1999—2010年8月至次年1月2#断面流速明显增大的主要原因分别为：8月是湖口水位下降和流量增大的共同作用，10月和11月主要是水位下降，9月、12月和1月主要是流量增大。湖口水位下降是长江干流水位下降的结果[12]，湖口流量变化主要是入湖流量变化的影响[13]。

表1 1999—2010年与1955—1998年比湖口站月水位与流量变化统计

4.2 1999—2010年入江水道输沙能力变化与出湖含沙量变化关系如果入江水道1998—2010年普遍冲刷下切与水流冲刷有关，期间入江水道输沙能力变化与出湖含沙量变化应存在相关关系。为此，按1955—1998年和1999—2010年分别统计计算各月代表断面平均流速和平均顺出湖含沙量(1999—2010年流速计算时考虑了断面变化)。点绘1999—2010年与1955—1998年断面流速之比和1999—2010年与1955—1998年顺出湖含沙量之比之间的关系，如图10所示。由图可见，两者总体呈正相关，2#断面的相关性好于8#断面。但含沙量增大比例总体都大于流速增大比例，其中10—12月增比最为显著。

图10 1999—2010年平均与1955—1998年平均月断面流速比与月出湖含沙量比关系

图11为1999—2010年各月平均流速与出湖含沙量关系与1955—1998年关系线对比，1999—2010年代表断面流速计算一种是不考虑断面变化，采用1998断面，另一种是考虑断面变化，采用1998、2010年断面插值计算。由图可见，1999—2010年出湖含沙量在不考虑断面变化情况下总体都明显低于1955—1998年关系线，考虑断面变化情况下则2#断面总体明显高于1955—1998年关系线，8#断面总体略高于1955—1998年关系线。图11说明1999—2010年出湖含沙量增加和断面扩大不完全是挟沙能力增大的结果，还受到了其它因素的明显影响，应该是河道采砂的影响。

4.3 2010年以来入江水道输沙能力与出湖沙量关系断面观测资料表明，2010年以后入江水道断面变化已显著减缓，入江水道输沙能力与出湖泥沙关系变化如何？为此，对2011—2020年计算统计各月代表断面流速和顺出湖含沙量，计算时各年断面采用2010年、2015年和2020年断面插值计算，比较2011—2020年平均与1955—1998年平均各月断面流速与顺出湖含沙量关系如图12所示。2#断面两个时段的关系线基本重合，8#断面2011—2020年关系线则明低于1955—1998年关系线，表明入江水道下段已趋于稳定，上段可能还会有一定的冲刷调整。

图12 2011—2020年平均与1955—1998年平均各月断面流速与顺出湖含沙量关系

5 结论

通过分析鄱阳湖入江水道输沙能力与出湖沙量关系及冲淤调整规律，得到如下主要结论：(1)鄱阳湖月出湖沙量与五河月入湖沙量直接相关性差。10月至次年3月，湖口沙量总体都远大于入湖沙量，出湖泥沙主要由湖区冲刷而来；5—6月湖口沙量总体远小于入湖沙量，入湖泥沙在湖区大量淤积；7—9月，主要为长江泥沙倒灌入湖。(2)鄱阳湖出湖沙量与入江水道输沙能力直接相关，入江水道代表断面月流速与月出湖含沙量成良好的正比关系。由于五河年沙量相对鄱阳湖湖容很小，五河来沙变化对入江水道演变的影响是缓慢的，而五河年径流量及年内分配变化或湖口水位变化直接影响入江水道输沙能力与冲淤演变。(3)主要受湖口水位和流量变化影响，入江水道挟沙能力从1990年代末开始增大。如果入江水道断面不冲刷扩大，1998—2010年出湖含沙量明显小于挟沙能力，但考虑断面实际扩大程度后，出湖含沙量又明显大于挟沙能力。因此，鄱阳湖入江水道1998—2010年主槽普遍扩大是水流冲刷与采砂共同影响的结果。(4)由于入江水道断面扩大，挟沙能力降低，入江水道下段2#断面2011—2020年同流速下顺出湖含沙量与1955—1998年关系线基本一致，而上段8#断面则明显低于1955—1998年关系性。江湖水沙输移规律是江湖水沙交换变化和江湖关系演变的核心，近年来鄱阳湖水文情势发生显著变化，极端枯水位屡创新低，剖析其变化原因是确定治理思路的需要[14]。本文针对自然和人为影响下江湖演变机制量化揭示的难点问题[15]，阐明了鄱阳湖入江水道输沙能力与出湖沙量关系及冲淤调整规律，得到1999—2010年出湖含沙量增大和入湖水道断面扩大是冲刷和采砂共同影响的结果，入江水道下段已趋于稳定，上段仍可能会有一定冲刷调整，引起湖区枯水位继续有所下降，对生态环境等影响需密切关注。