鄔年華，羅 優(yōu)＊＊，劉同宦，黃志文

(1:江西省水利科學(xué)研究院，南昌330029)(2:長江科學(xué)院，武漢430010)

鄱陽湖是吞吐型、季節(jié)性淡水湖泊，是國家重點(diǎn)濕地保護(hù)地，已列入聯(lián)合國“國際重要濕地名錄”，是國際六大濕地之一，具有防洪、調(diào)節(jié)氣候、涵養(yǎng)水源、凈化水質(zhì)和維持生物多樣性等功能.鄱陽湖、長江和江西“五河”相互作用和影響，江河湖關(guān)系極其復(fù)雜，湖流主要有吞吐流和風(fēng)生流，吞吐流受江湖關(guān)系控制呈順暢型、倒灌型和頂托型分布［1］.五河流域降水充沛，年內(nèi)分配不均，最大徑流出現(xiàn)在4-6 月［2-3］.長江洪水主要發(fā)生在7-9月，因而倒灌發(fā)生時(shí)間主要集中在長江主汛期的7-9月，其中7月下旬、8月底至9月中下旬是江水倒灌最為頻繁的時(shí)間［4］.長江和五河洪水的遭遇情況決定了鄱陽湖“單峰型”和“雙峰型”洪水過程:大多數(shù)年份五河洪水與長江洪水不遭遇，湖區(qū)洪水過程為“雙峰型”;當(dāng)五河洪水推遲，長江洪水提前，兩者遭遇，或者五河洪水很大，長江洪水很小，則出現(xiàn)“單峰型”［5］.洪水過程漲水段一般由五河洪水控制，峰段與退水段由長江洪水控制，特大洪水通常出現(xiàn)在五河洪水與長江洪水相互遭遇的條件下，如1954、1973、1983、1995、1996、1998和1999年洪水［6］.鄱陽湖枯水期一般為10月至次年3月，近11年鄱陽枯水程度顯著加劇，分析認(rèn)為鄱陽湖流域降水，五河、長江來水和湖盆形態(tài)變化［7］是造成枯水位較低的重要原因［8］.水位是湖泊重要水文因子，鄱陽湖水環(huán)境［9-10］、濕地［11］和生態(tài)［12-13］等與湖區(qū)水位密切相關(guān).三峽工程運(yùn)行雖然未明顯改變長江徑流以及長江與鄱陽湖作用的基本特征［14-15］，但在一定程度上影響了江湖作用的季節(jié)變化和鄱陽湖流域的旱澇幾率［16］.已有成果表明三峽工程運(yùn)行通過改變湖區(qū)水位對(duì)湖區(qū)局部濕地生長發(fā)育造成了一定影響［17］，因此需要開展研究探索三峽工程運(yùn)行對(duì)鄱陽湖水位的影響幅度和范圍.在三峽工程修建前已有學(xué)者就三峽工程對(duì)鄱陽湖水位的影響進(jìn)行了預(yù)測［18］，但是根據(jù)三峽工程實(shí)際運(yùn)行情況對(duì)鄱陽湖水位影響幅度和范圍的研究較少.鄱陽湖湖區(qū)面積寬廣，洲灘、湖灣較多，邊界復(fù)雜，因此本文在對(duì)鄱陽湖實(shí)測水位資料進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，開展物理模型試驗(yàn)研究三峽運(yùn)行對(duì)鄱陽湖湖區(qū)水位的影響.

1 實(shí)測資料分析

1.1 湖區(qū)水位變化階段劃分

鄱陽湖湖區(qū)水位受五河來水和長江干流的綜合作用，與江湖關(guān)系密切相關(guān).鄱陽湖流域與長江干流年徑來水基本同枯、同平和同豐，因而選擇1986、2000和1998年作為鄱陽湖和長江枯、平和豐水年進(jìn)行實(shí)測資料分析(本文水位值除特別說明外均為黃?；鶞?zhǔn)值)，不同典型水文年湖區(qū)水位和長江、湖口流量過程見圖1.

不同典型水文年湖區(qū)水位都經(jīng)歷了4個(gè)階段:低水階段(與枯水期時(shí)間相對(duì)應(yīng))、漲水階段(與五河汛期時(shí)間基本一致)、頂托倒灌階段(與長江汛期時(shí)間基本一致)和退水階段，不同水文年不同階段持續(xù)時(shí)間和相應(yīng)水位不同:枯水年低水階段為1月初至2月底(約第30～70 d);漲水階段為3月初至6月中旬(約第71～160 d);頂托倒灌階段為6月中旬至10月下旬(約第161～280 d)，最高水位僅約16 m;退水階段為10月下旬至11月底(約第281～335 d);12月(約第336 d之后)為低水階段.平水年相對(duì)于枯水年，漲水階段有所提前，頂托倒灌階段持續(xù)時(shí)間較長，最高水位與枯水年接近;豐水年五河和長江干流來水都較大，低水階段時(shí)間較短，1月中旬至3月中旬(約第20～90 d)湖口流量較大，五河漲水，水位相對(duì)較高，頂托倒灌階段提前到5月初(約第130 d)，7月至9月(約第210～250 d)水位近21 m(圖1).

不同階段水位特點(diǎn)不同:低水階段湖區(qū)水位與湖口流量增減過程高度一致，而湖口水位與長江干流保持一致;漲水階段湖區(qū)水位變化與湖口流量和長江干流流量增減有關(guān)，湖區(qū)水位在湖口水位較小時(shí)受湖口流量控制，在湖口水位較大時(shí)則受湖口水位影響明顯;頂托倒灌階段湖區(qū)水位與湖口水位保持一致;退水階段長江干流流量減小，湖口水位下降，湖區(qū)水位出現(xiàn)落差(圖1).

1.2 不同階段水位控制因素分析

湖口站位于鄱陽湖出口段末端，該站水位是湖區(qū)水位侵蝕基面，由長江干流而不是湖口流量決定(圖2):1991-2008年湖口水位與大通流量(考慮了傳播時(shí)間和漲落率修正)的相關(guān)性較好;湖口站水位與湖口流量關(guān)系數(shù)據(jù)點(diǎn)很散亂，即湖口水位基本由長江干流控制.

低水階段湖區(qū)水位相對(duì)較低并有較大落差，具有河道特性，因而受湖口流量和湖口水位(侵蝕基準(zhǔn)面)的共同影響，即受湖口流量和長江干流的共同作用.離湖口較遠(yuǎn)的棠蔭站和都昌站水位主要受湖口流量控制，受長江干流影響較小，星子站水位受湖口流量和長江干流的共同作用，長江干流影響較大.從各湖區(qū)低水階段日平均水位與湖口和大通流量的關(guān)系(圖3)可以看出:棠蔭站水位與湖口流量數(shù)據(jù)點(diǎn)密集，相關(guān)性較好，與大通流量的數(shù)據(jù)點(diǎn)松散且上、下半年分離，總體表現(xiàn)為正相關(guān);都昌站水位與湖口流量數(shù)據(jù)點(diǎn)相對(duì)密集且上、下半年稍有分離，相關(guān)性良好，與大通流量也總體表現(xiàn)為正相關(guān);星子站水位與湖口流量數(shù)據(jù)點(diǎn)較為松散且上、下半年明顯分離，相關(guān)性較差，而與大通流量數(shù)據(jù)點(diǎn)相對(duì)于棠蔭站和都昌站密集，相關(guān)性相對(duì)更強(qiáng).

漲水階段湖區(qū)水位受湖口流量和長江干流的共同作用(圖1):當(dāng)長江流量較大時(shí)，湖口水位將在短期內(nèi)頂托湖區(qū)水位，即湖區(qū)水位由長江干流控制;當(dāng)長江流量較小，入江水道段存在一定比降時(shí)，湖區(qū)水位受湖口流量控制.頂托倒灌階段湖區(qū)水位與湖口水位基本一致，受長江干流控制，汛期三峽工程調(diào)峰作用將減輕鄱陽湖的防洪和蓄洪壓力.退水階段湖口水位頂托作用消失，湖區(qū)不同位置水位開始出現(xiàn)差異，表現(xiàn)出河道的特性，此階段湖區(qū)水位由受長江干流控制逐漸向受湖口流量控制轉(zhuǎn)變.

圖1 鄱陽湖湖區(qū)水位年變化過程Fig.1 Yearly variation of water level in Lake Poyang

圖2 1991-2008年鄱陽湖湖口水位與大通和湖口流量的關(guān)系Fig.2 Relationship between water levels at Hukou station and discharges at Datong，Hukou stations of Lake Poyang during 1991-2008

1.3 三峽工程運(yùn)行影響分析

圖3 低水階段鄱陽湖水位與湖口、大通流量的關(guān)系Fig.3 Relationships of water level and discharge at Hukou and Datong station of Lake Poyang in low level stage

從三峽工程運(yùn)行前(1999-2002年)和運(yùn)行后(2003-2006年)星子、都昌和棠蔭站水位與湖口水位的關(guān)系(圖4)可以看出，工程運(yùn)行前后低水位(＜13 m)時(shí)，水位大小為棠蔭站＞都昌站＞星子站＞湖口站，水位關(guān)系數(shù)據(jù)點(diǎn)較松散，湖區(qū)水位具有河道的特點(diǎn)，有一定比降;高水位(≥13 m)時(shí)，鄱陽湖呈湖相，4個(gè)站點(diǎn)水位相差不大，因此可認(rèn)為三峽工程運(yùn)行后鄱陽湖水位基本特征并沒有改變.工程運(yùn)行后湖口水位5～7 m時(shí)星子站與湖口站水位差明顯減小，星子、都昌和棠蔭站水位差依然明顯，這可能與三峽工程在枯水期對(duì)下游有一定補(bǔ)水作用，而補(bǔ)水作用只影響到星子站有關(guān).

圖4 鄱陽湖湖口水位與其他站點(diǎn)水位的比較Fig.4 Comparison of water levels at Hukou station and those at other stations of Lake Poyang

盡管三峽工程運(yùn)行沒有改變鄱陽湖水位基本特征，但是低水、漲水和退水階段湖區(qū)水位在不同程度上受長江干流影響，因而與該3個(gè)階段對(duì)應(yīng)的枯水期、增泄期和蓄水期三峽運(yùn)行將對(duì)鄱陽湖水位造成不確定于或等于入庫流量;9月中旬開始蓄水1個(gè)月，下泄流量減少，少數(shù)年份這一蓄水過程延續(xù)到11月份;12月至次年4月，水庫按電網(wǎng)要求放水，動(dòng)用調(diào)節(jié)庫容，出庫流量大于或等于入庫流量.三峽工程運(yùn)行影響長江徑流過程，將對(duì)鄱陽湖水位造成影響.

圖3 低水階段鄱陽湖水位與湖口、大通流量的關(guān)系Fig.3 Relationships of water level and discharge at Hukou and Datong station of Lake Poyang in low level stage

從三峽工程運(yùn)行前(1999--2002年)和運(yùn)行后(2003--2006年)星子、都昌和棠蔭站水位與湖口水位的關(guān)系(圖4)可以看出，工程運(yùn)行前后低水位(＜13 m)時(shí)，水位大小為棠蔭站＞都昌站＞星子站＞湖口站，水位關(guān)系數(shù)據(jù)點(diǎn)較松散，湖區(qū)水位具有河道的特點(diǎn)，有一定比降;高水位(≥13 m)時(shí)，鄱陽湖呈湖相，4個(gè)站點(diǎn)水位相差不大，因此可認(rèn)為三峽工程運(yùn)行后鄱陽湖水位基本特征并沒有改變.工程運(yùn)行后湖口水位5～7 m時(shí)星子站與湖口站水位差明顯減小，星子、都昌和棠蔭站水位差依然明顯，這可能與三峽工程在枯水期對(duì)下游有一定補(bǔ)水作用，而補(bǔ)水作用只影響到星子站有關(guān).

圖4 鄱陽湖湖口水位與其他站點(diǎn)水位的比較Fig.4 Comparison of water levels at Hukou station and those at other stations of Lake Poyang

盡管三峽工程運(yùn)行沒有改變鄱陽湖水位基本特征，但是低水、漲水和退水階段湖區(qū)水位在不同程度上受長江干流影響，因而與該3個(gè)階段對(duì)應(yīng)的枯水期、增泄期和蓄水期三峽運(yùn)行將對(duì)鄱陽湖水位造成不確定影響:1)增泄期與鄱陽湖洪水期時(shí)間基本一致，長江干流增泄將在一定程度上增加湖區(qū)防洪壓力;2)蓄水期長江干流流量減小將降低湖區(qū)水位，使得湖區(qū)枯水期提前，影響湖區(qū)生態(tài)、水質(zhì)、航運(yùn)以及生活和工農(nóng)業(yè)用水，3)枯水期鄱陽湖水位較低，三峽調(diào)度將可能增加下游流量.因此本文開展物理模型試驗(yàn)，研究三峽工程增泄期、蓄水期和枯水期運(yùn)行對(duì)鄱陽湖水位的影響.

2 物理模型試驗(yàn)簡介

2.1 模型范圍和比尺

鄱陽湖湖區(qū)模型平面比尺500，垂直比尺50，相應(yīng)的水流運(yùn)動(dòng)相似比尺包括流速、糙率、流量和水流運(yùn)動(dòng)時(shí)間比尺，分別為7.07、0.607、176750 和 70.72.湖區(qū)模型模擬范圍包括鄱陽湖湖區(qū)(指湖口水位站防洪控制水位22.50 m(凍結(jié)吳淞高程)所影響的環(huán)鄱陽湖區(qū))、五河尾閭、湖口及部分長江段(武穴至彭澤河段，長約100 km)，各進(jìn)口控制口門和長江出口水位控制口門布置如圖5所示.

2.2 模型驗(yàn)證

結(jié)合水槽加糙試驗(yàn)成果、河工模型加糙實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)對(duì)鄱陽湖湖區(qū)和長江武穴-彭澤河段采用卵石梅花加糙和密鋪塑料草墊加糙方法對(duì)模型進(jìn)行加糙率定.

由于鄱陽湖湖區(qū)制模地形采用1998年實(shí)測地形，長江干流河段制模地形為2006年實(shí)測河道地形，因此對(duì)長江干流段和鄱陽湖入江水道段分段進(jìn)行水面線驗(yàn)證:選取2006年實(shí)測資料作為長江段枯平洪水面線驗(yàn)證試驗(yàn)資料;選取1998-1999年水位流量實(shí)測資料作為入江水道枯平洪水面線(湖口站為水位控制點(diǎn))驗(yàn)證試驗(yàn)資料.流速分布和分流比驗(yàn)證:選取2011年11月13--19日(枯水)和2012年5月11-19日(平水)水文測驗(yàn)資料作為驗(yàn)證試驗(yàn)資料.

驗(yàn)證結(jié)果表明:各站水位模型與原型誤差一般在±0.01 m與±0.05 m之間，滿足《河工模型試驗(yàn)規(guī)程(SL99--1995)》要求，即滿足模型與原型河床阻力相似的要求;各斷面橫向流速分布與原型實(shí)測資料基本一致，局部位置因制模地形與水文測驗(yàn)地形不同，模型的流速分布與原型有所偏差;左水道CJ3分流比為38.7%，右水道CJ4分流比為61.3%，對(duì)應(yīng)原型實(shí)測的40%和60%，模型左、右水道的分流與原型也基本相似.模型與原型在水面線、流速分布及汊道分流比等方面是基本相似的，滿足了模型與原型水流運(yùn)動(dòng)相似的要求，可以在此基礎(chǔ)上進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)研究.

3 結(jié)果分析

3.1 影響幅度分析

選取對(duì)鄱陽湖水情影響顯著的典型水文年，重點(diǎn)研究三峽工程運(yùn)行前后不同時(shí)期(增泄期、蓄水期和枯水期)長江水情變化對(duì)湖區(qū)水位的影響規(guī)律.基于漢口站和鄱陽湖五河的水文特征，按豐、平、枯的特征選取1986年(江枯湖枯)、2000年(江平湖平)和1998年(江豐湖豐)作為對(duì)湖區(qū)影響顯著的典型水文年.

根據(jù)宜昌至大通河段江湖河網(wǎng)一維非恒定流數(shù)學(xué)模型的計(jì)算成果，確定鄱陽湖定床模型試驗(yàn)進(jìn)出口試驗(yàn)條件(表1):計(jì)算三峽工程運(yùn)行前和運(yùn)行后在現(xiàn)狀地形上(長江干流為2006年實(shí)測地形，鄱陽湖區(qū)為1998年實(shí)測地形)各典型年長江至大通河段(含洞庭湖和鄱陽湖)的江湖水流演進(jìn)過程;分別選擇增泄期和蓄水期三峽工程運(yùn)行前后長江進(jìn)口平均流量、長江出口平均水位、湖口平均流量作為邊界條件，反映三峽工程運(yùn)行前后長江在增泄期和蓄水期水情的總體變化情況;選擇增泄期和蓄水期三峽工程運(yùn)行前后長江出口水位變化最大值當(dāng)日長江、湖口水情作為邊界條件，反映增泄期和蓄水期湖區(qū)水流運(yùn)動(dòng)的極端個(gè)別情況;分別找出三峽工程運(yùn)行前長江出口水位最低值、長江進(jìn)口流量最小值和運(yùn)行后長江出口水位變化最大值當(dāng)日的長江、湖口水情作為邊界條件，模擬枯水期湖區(qū)水流運(yùn)動(dòng)情況，反映長江水情變化對(duì)鄱陽湖水位的影響范圍及幅度.

從表1可以看出:三峽工程運(yùn)行對(duì)鄱陽湖水位的影響由湖口站到星子和都昌站逐漸減小;蓄水期三峽工程運(yùn)行對(duì)鄱陽湖水位影響最大，特別是枯水年造成星子站水位平均(最大)降幅為1.58 m(2.78 m)，都昌站水位平均(最大)降幅為0.94 m(2.58 m)，豐水年湖區(qū)水位降幅相對(duì)平枯水年降幅較小，但星子站和都昌站水位最大降幅也達(dá)到1.70 m和1.39 m;泄水期三峽工程運(yùn)行會(huì)增加鄱陽湖水位，豐水年增幅最大，星子站和都昌站水位增幅約1 m，平、枯水年兩站水位增幅為0.30～0.79 m;枯水期三峽工程運(yùn)行對(duì)鄱陽湖水位的影響總體較小，補(bǔ)水作用基本只影響到星子站，這與工程運(yùn)行后星子站與湖口站低水位時(shí)落差減小，而星子、都昌和棠蔭站水位有明顯落差的實(shí)際情況相一致.

水位影響范圍與長江尾門水位變幅有關(guān):當(dāng)長江尾門水位變化幅度小于1 m時(shí)，尾門水位變化帶來的影響隨著距離不斷減弱，都昌站水位基本不受影響;隨著尾門水位變幅的增大，其對(duì)星子和都昌站水位帶來的影響增大，當(dāng)尾門水位變幅達(dá)3.57 m時(shí)，都昌站水位變幅達(dá)2.58 m，即長江干流水位變化對(duì)整個(gè)湖區(qū)造成了影響.

表1 三峽工程運(yùn)行前后鄱陽湖水位差值(運(yùn)行后-運(yùn)行前)Tab.1 Variation of water level in Lake Poyang before and after operation of the Three Gorges Project

3.2 湖泊面積變化

根據(jù)湖泊1998年地形實(shí)測資料，建立通江水體高程-鄱陽湖面積關(guān)系曲線方程(忽略了湖面比降)，結(jié)合枯平洪水年增泄期、蓄水期、枯水期三峽工程運(yùn)行前后都昌站各運(yùn)行期平均水位，對(duì)比分析工程運(yùn)行前后鄱陽湖湖面面積變化(表2):三峽蓄水期將造成鄱陽湖湖區(qū)水面面積損失較大，特別是枯水年，面積減小68%;三峽增泄期明顯增加湖區(qū)面積，平水年和豐水年分別增加32%和26%;枯水期三峽工程運(yùn)行對(duì)鄱陽湖湖面面積基本無影響.

表2 三峽工程運(yùn)行前后鄱陽湖湖面面積變化(運(yùn)行后-運(yùn)行前)Tab.2 Variation of water-surface area of Lake Poyang before and after operation of the Three Gorges Project

4 結(jié)論

鄱陽湖湖口水位年內(nèi)經(jīng)歷了低水、漲水、頂托倒灌和退水4個(gè)階段，其中頂托倒灌階段湖區(qū)水位受長江干流控制，低水、漲水和退水階段湖區(qū)水位受湖口流量和長江干流的共同作用.

三峽工程運(yùn)行雖然沒有改變鄱陽湖“高水湖相，低水河相”的基本特征，但是對(duì)鄱陽湖湖區(qū)水位值有所影響:枯水期影響較小，補(bǔ)水作用基本只影響到星子站;增泄期會(huì)增加湖區(qū)水位，都昌站最大增幅約1 m，考慮到三峽增泄期與鄱陽湖汛期時(shí)間基本一致，三峽增泄可能增加湖區(qū)防洪壓力;蓄水期造成湖區(qū)水位降幅較大，枯水年都昌站平均(最大)降幅為0.94 m(2.58 m)，枯水文年湖區(qū)水面面積減小明顯.三峽蓄水將導(dǎo)致鄱陽湖枯水期提前，對(duì)鄱陽湖生態(tài)濕地和水資源利用造成影響.

試驗(yàn)成果沒有考慮三峽工程運(yùn)行對(duì)河道沖刷的影響，如果考慮三峽工程運(yùn)行中后期河道沖刷帶來的湖口站枯水期水位下降，三峽蓄水期造成的鄱陽湖湖區(qū)水位下降的影響將進(jìn)一步加大.本研究成果為正確認(rèn)識(shí)三峽工程運(yùn)行對(duì)鄱陽湖與長江江湖關(guān)系影響提供了科學(xué)依據(jù)，同時(shí)也為鄱陽湖區(qū)防洪安全提供了重要依據(jù)，具有良好的經(jīng)濟(jì)與社會(huì)效益.

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