賴格英，張志勇，王 鵬，吳 青，潘思怡，胡興興，陳桃金

(1:鄱陽湖濕地與流域研究教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南昌 330022) (2:江西師范大學(xué)地理與環(huán)境學(xué)院，南昌 330022) (3:江西省贛州市氣象局，贛州 341000)

擬建鄱陽湖水利樞紐工程對長江干流流量影響的模擬*

賴格英1，2，張志勇3，王 鵬1，2，吳 青2，潘思怡2，胡興興2，陳桃金2

(1:鄱陽湖濕地與流域研究教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南昌 330022) (2:江西師范大學(xué)地理與環(huán)境學(xué)院，南昌 330022) (3:江西省贛州市氣象局，贛州 341000)

維系江湖關(guān)系的重要基礎(chǔ)是江湖之間的物質(zhì)通量，而江湖之間物質(zhì)通量的核心內(nèi)容是水的通量. 規(guī)劃中的鄱陽湖水利樞紐工程，以“一湖清水”為建設(shè)目標(biāo)，堅(jiān)持“江湖兩利”的原則，按“調(diào)枯不控洪”方式運(yùn)行. 目前，國內(nèi)學(xué)者對擬建的鄱陽湖水利樞紐工程可能導(dǎo)致湖泊影響方面的研究較多，但對該工程能否實(shí)現(xiàn)或維持“江湖兩利”方面的研究較少. 本文采用二維水動(dòng)力模型，針對擬建的鄱陽湖水利樞紐工程和規(guī)劃中的水位調(diào)度方案，分別從湖泊豐水期和枯水期兩個(gè)時(shí)段，選擇鄱陽湖豐、平、枯3種典型年型，在無樞紐與有樞紐兩種情景模擬的基礎(chǔ)上，定量分析豐、平、枯3種典型年樞紐工程的水位調(diào)度方案對長江干流流量的可能影響. 模擬結(jié)果表明：在一個(gè)鄱陽湖水利樞紐工程水位調(diào)度周期中，無樞紐狀態(tài)與有樞紐情景下湖泊外排到長江干流的徑流總量差異很小，從模擬的年份來看，有樞紐外排減少量在0.2%～0.7%之間變化，基本維持了有樞紐與無樞紐狀態(tài)下的水量平衡，但在一定程度上改變了湖泊外排長江干流水量的分配時(shí)間，使不同年型豐水期的湖泊外排水量有所減少，而在湖泊和長江低枯水期，對長江流量則有一定的增排作用，且增排效果為枯水年型>平水年型>豐水年型，不同年型的增排比例在2.1%～17.0%之間變化；在豐水期湖泊水位偏低，且樞紐位置的實(shí)際水位嚴(yán)重不足9 m的年型情況下，按照樞紐工程的水位調(diào)度方案要在9月15日將湖泊水位提升至14～15 m是難于實(shí)現(xiàn)的，現(xiàn)有的樞紐工程調(diào)度方案在這種情況下缺乏可操作性，有進(jìn)一步細(xì)化和優(yōu)化的空間.

鄱陽湖；水利樞紐工程；長江；流量；數(shù)值模擬

江湖關(guān)系是自然與人文驅(qū)動(dòng)力長期相互作用和相互適應(yīng)的結(jié)果，江湖之間的能量流、物質(zhì)流和生物流相互交織，構(gòu)成了復(fù)雜的江湖關(guān)系. 維系江湖關(guān)系的重要基礎(chǔ)是江湖之間的物質(zhì)通量，而江湖之間物質(zhì)通量的核心內(nèi)容是水的通量. 鄱陽湖是我國最大的淡水湖，是長江水系中的兩大通江湖泊之一，具有調(diào)蓄洪水和保護(hù)生物多樣性等特殊生態(tài)功能，對維持區(qū)域和國家的生態(tài)安全具有重要作用. 規(guī)劃中的鄱陽湖水利樞紐工程，雖然堅(jiān)持“江湖兩利”的理念，按“調(diào)枯不控洪”方式運(yùn)行，但該工程的建設(shè)客觀上會(huì)對長江中下游的水文情勢帶來一定程度的影響，從而打破原有的江湖平衡關(guān)系，引發(fā)江湖關(guān)系的新變化. 因此，如何定量評估鄱陽湖水利樞紐工程對長江干流流量的影響仍是十分重要的研究課題.

目前國內(nèi)學(xué)者就擬建的鄱陽湖水利樞紐工程對湖泊水文、水質(zhì)和生態(tài)等多方面進(jìn)行過較多的定性或定量研究，如余啟輝等[1]采用江湖連通一、二維耦合水文-水動(dòng)力模型的數(shù)值模擬研究結(jié)果表明：鄱陽湖水利樞紐工程的調(diào)度方案對湖區(qū)星子、都昌、吳城和康山各斷面枯水期水位有所抬升，星子、都昌、吳城和棠蔭各斷面流速均有所減小，但影響主要集中在星子至都昌一帶(松門山以北區(qū)域)；王鵬等[2-3]和賴格英等[4-5]以二維水動(dòng)力模型為基礎(chǔ)模擬了無樞紐及有樞紐兩種情景下湖泊的水動(dòng)力場，探討了鄱陽湖水利樞紐工程運(yùn)行后對主湖區(qū)及鄱陽湖兩大自然保護(hù)區(qū)水位變化的時(shí)間節(jié)律影響、不同情景年型下鄱陽湖水利樞紐工程調(diào)度方案的低枯水期11 m最低調(diào)度水位對主湖區(qū)不同空間位置水位的抬升程度，并分析了鄱陽湖水利樞紐工程對湖泊流場和湖泊換水周期的可能影響，得出的主要結(jié)論為：樞紐工程調(diào)度水位的11 m最低調(diào)度水位使豐、平、枯三種年型下湖泊平均水位的最大抬升在2.59～4.35 m間變化，同時(shí)樞紐工程的水位調(diào)度使不同年型的換水周期受到不同程度的影響，枯水年型影響最大，影響程度達(dá)26.1%；杜彥良等[6-7]采用二維水動(dòng)力水質(zhì)模型對鄱陽湖水動(dòng)力和水質(zhì)進(jìn)行了模擬，在現(xiàn)有外部入流邊界和污染負(fù)荷條件下以樞紐工程的3種調(diào)度方案分析了鄱陽湖湖流的時(shí)空形態(tài)變化和相應(yīng)的水質(zhì)變化，結(jié)果表明：樞紐工程使枯水期大部分湖區(qū)的水質(zhì)濃度下降，但尾閭等部分區(qū)域有所升高，開閘泄水期前后，水質(zhì)較現(xiàn)狀水質(zhì)下降，敞泄期的大部分時(shí)間，較現(xiàn)狀水質(zhì)基本相似，蓄水期水質(zhì)變化不大. 在樞紐工程對長江干流可能造成的影響研究方面，張雙虎等[8]通過預(yù)設(shè)不同的樞紐調(diào)度方案對有樞紐及無樞紐條件下的出湖流量進(jìn)行估算，分析了鄱陽湖蓄水期、三峽水庫蓄水期和鄱陽湖枯水期的流量差異，并對樞紐工程對長江干流的防洪影響進(jìn)行了分析，認(rèn)為樞紐建設(shè)可基本解決湖區(qū)枯水期缺水問題，如采用合理的運(yùn)行調(diào)度方式，對長江下游水資源利用沒有明顯影響，并在一定程度上可補(bǔ)償三峽及以上水庫蓄水期對長江下游的影響；譚國良等[9]采用水文學(xué)中的設(shè)計(jì)頻率法、水量平衡法、河道流量演算法及典型年法等常規(guī)方法，估算了水位調(diào)度方案中不同時(shí)期3種設(shè)計(jì)頻率下樞紐工程對長江干流流量的影響，結(jié)果表明樞紐工程對長江干流可以起到一定的增補(bǔ)水量的作用. 因此，從目前國內(nèi)研究現(xiàn)狀來看，對擬建的鄱陽湖水利樞紐工程可能導(dǎo)致湖泊影響方面的研究較多，但對該工程可能造成長江干流的影響研究則相對較少，且研究方法采用的多半是統(tǒng)計(jì)估算.

本文采用二維水動(dòng)力模型，針對擬建的鄱陽湖水利樞紐工程和規(guī)劃中的水位調(diào)度方案，分別從湖泊豐水期和枯水期兩個(gè)時(shí)段，采用皮爾遜Ⅲ型的水文頻率分析方法，選擇鄱陽湖豐、平、枯3種典型年型，在無樞紐與有樞紐兩種情景模擬的基礎(chǔ)上，定量分析典型年型樞紐工程水位調(diào)度方案對長江干流流量的可能影響，為進(jìn)一步研究鄱陽湖水利樞紐工程的生態(tài)效應(yīng)及對長江中下游帶來的影響提供必要的支撐.

1 研究區(qū)概況

1.1 鄱陽湖及其與長江干流的關(guān)系

鄱陽湖(28°22′～29°45′N，115°47′～116°45′E)是中國第一大淡水湖，地處江西省北部，長江中下游南岸. 鄱陽湖以松門山為界，分為南北兩部分，北面為入江水道，長40 km，寬3～5 km，最窄處約2.8 km；南面為主湖體，長133 km，最寬處達(dá)74 km. 湖泊承納流域的贛江、撫河、修河、信江和饒河五河來水，經(jīng)湖口注入長江. 鄱陽湖受五河來水及長江水情的影響，湖泊水位呈現(xiàn)高動(dòng)態(tài)的季節(jié)變化. 從1950-2012年間6-9月豐水期的湖口最高水位可達(dá)20.59 m(黃海高程，下同)，枯水期水位最低至5.90 m，鄱陽湖各水文站多年最高最低水位差為10.34～16.69 m. 受長江來水影響，鄱陽湖在長江高水位期間，湖泊會(huì)出現(xiàn)倒灌和頂托等湖流形態(tài)[9]. 從多年平均來看，鄱陽湖經(jīng)湖口的出流量占長江大通水文站(圖1)流量的比例各月在9.72%～29.03%之間變化，占比最小值出現(xiàn)在9月，占比最大值出現(xiàn)在4月. 一般地，在3-6月期間鄱陽湖的水文水動(dòng)力特性主要受流域來水影響較大，而在7-11月期間主要受長江的水情影響較大[9-11]. 此外，本文通過長江大通水文站1960-2014年共55年的流量資料分析表明，長江中游的低枯水期一般在1-3月和12月，豐水期一般在6-9月，其余月份為長江的平水期，這與文獻(xiàn)[11]的劃分一致[11].

圖1 鄱陽湖地圖及相關(guān)水文站、氣象站分布Fig.1 The map of Poyang Lake and the distribution of hydrologic/weather stations

1.2 鄱陽湖水利樞紐工程及其調(diào)度方案

按江西省水利廳發(fā)布的建設(shè)方案，擬建的鄱陽湖水利樞紐工程壩址選定于鄱陽湖入江水道(29°32′N，116°07′E)，介于廬山區(qū)長嶺與湖口縣屏峰山之間，兩山之間湖面寬約2.8 km，為鄱陽湖入長江通道最窄之處，該處上距星子縣城約12 km，下至長江匯合口約27 km. 該工程以“一湖清水”為建設(shè)目標(biāo)，堅(jiān)持“江湖兩利”的原則，按“調(diào)枯不控洪”方式運(yùn)行，與三峽水庫運(yùn)行方式相協(xié)調(diào)，實(shí)行錯(cuò)時(shí)蓄水和騰空，按生態(tài)保護(hù)和綜合利用要求控制相對穩(wěn)定的鄱陽湖枯水位，提高鄱陽湖枯水季節(jié)水環(huán)境容量，達(dá)到保護(hù)水生態(tài)水環(huán)境、從根本解決湖區(qū)干旱及生態(tài)缺水問題、改善濕地環(huán)境、消滅釘螺、提高航道等級、發(fā)展湖區(qū)旅游及漁業(yè)等方面的綜合效益. 表1給出了規(guī)劃中的鄱陽湖水利樞紐工程最新水位調(diào)度方案.

2 模型的建立與驗(yàn)證

2.1 數(shù)值模型

鄱陽湖水動(dòng)力模型以EFDC(Environmental Fluid Dynamics Code-EFDC)模型為基礎(chǔ)水動(dòng)力模型. EFDC是由威廉瑪麗大學(xué)維吉尼亞海洋科學(xué)研究所(VIMS，Virginia Institute of Marine Science at the College of William and Mary)Hamrick等開發(fā)的綜合模型[12]，可實(shí)現(xiàn)河流、湖泊、水庫、濕地系統(tǒng)、河口和海洋等水體的一維至三維水動(dòng)力、泥沙淤積與水質(zhì)模擬. 該模型在水平方向采用直角坐標(biāo)或正交曲線坐標(biāo)，垂直方向采用σ坐標(biāo). 動(dòng)力學(xué)方程采用有限差分法求解，水平方向采用交錯(cuò)網(wǎng)格離散，時(shí)間積分采用二階精度的有限差分法以及內(nèi)外模式分裂技術(shù)(即采用剪切應(yīng)力或斜壓力的內(nèi)部模塊和自由表面重力波或正壓力的外模塊分開計(jì)算). 外模塊采用半隱式計(jì)算方法，允許較大的時(shí)間步長，且可采用自適應(yīng)時(shí)間步長模式. 內(nèi)模塊采用了垂直擴(kuò)散的隱式格式，期間水陸漫灘帶區(qū)域采用了動(dòng)邊界干濕格網(wǎng)判別技術(shù). 此外，該模型由Fortran語言開發(fā)而成，源代碼開放，易于根據(jù)不同的應(yīng)用目標(biāo)進(jìn)行適當(dāng)?shù)男薷?，有較大的適用性.

表1 鄱陽湖水利樞紐工程規(guī)劃調(diào)度方案*資料來源：2013年9月17日由江西省水利廳發(fā)布.

2.2 模型的構(gòu)建及邊界條件

鄱陽湖是一個(gè)淺水湖泊，胡春華等[13]認(rèn)為可以采用二維的水動(dòng)力模型來模擬湖泊的水文、水動(dòng)力及水質(zhì)的問題. 因此，本文在EFDC水動(dòng)力模型基礎(chǔ)上，建立了鄱陽湖的二維水動(dòng)力模型，該模型以1998年鄱陽湖洪水期間的遙感影像為參照，結(jié)合鄱陽湖圩堤GIS數(shù)據(jù)，確定湖泊最大水面范圍作為模型的計(jì)算域. 采用正交曲線格網(wǎng)對計(jì)算域進(jìn)行了格網(wǎng)化；格網(wǎng)總數(shù)為96004，格網(wǎng)分辨率介于178～205 m之間，格網(wǎng)的正交性參數(shù)小于0.2(圖2). 由于格網(wǎng)為非正方形格網(wǎng)，其長寬不等，故格網(wǎng)分辨率參數(shù)是用每個(gè)格網(wǎng)面積的平方根來表示的. 在構(gòu)建計(jì)算格網(wǎng)時(shí)，在一定程度上考慮了湖盆地形的高程變差，從圖2b可以看出，在湖泊北部和東部，由于高程變差較大，采用了較小的格網(wǎng)來反映地形高程變差，而在高程變差小的湖泊漫灘部分(湖泊中部)采用了較大的格網(wǎng)，以控制格網(wǎng)總數(shù)，減小計(jì)算耗時(shí).

圖2 鄱陽湖水動(dòng)力模型的格網(wǎng)的正交性(a)和格網(wǎng)分辨率(b)Fig.2 Orthogonality (a) and resolution (b) of grid in the Poyang Lake hydrodynamic model

鄱陽湖水底地形采用的是2010年的實(shí)測數(shù)據(jù)，其比例尺為1∶ 104，由江西省水利廳提供. 模型的上邊界為鄱陽湖虬津、萬家埠、外洲、李家渡、梅港、虎山、渡峰坑等五河七口的實(shí)測逐日流量數(shù)據(jù)，下邊界為湖口的逐日實(shí)測水位數(shù)據(jù). 由于鄱陽湖入湖流量除贛江、撫河、修河、信江和饒河的五河來水外，尚有部分湖區(qū)的來水未納入考慮，且這些區(qū)域并非水文意義上的完整流域，水量無法通過常規(guī)的水文觀測得到[8]. 因此，為了保持入流與出流的水量平衡，在模擬過程中，將入流流量數(shù)據(jù)乘了一個(gè)比例系數(shù)，使在一個(gè)模擬的水文周期中，入流量大致等于出流量；此外，鄱陽湖的地下水僅占湖泊總水量的1.3%[14]，且湖區(qū)地下水的觀測數(shù)據(jù)相對較少，為此，在模型構(gòu)建與模擬過程中，沒有考慮地下水問題.

模型的氣象邊界條件包括渡峰坑、虎山、虬津、吳城、永修、李家渡、外洲、萬家埠、都昌、康山、棠蔭、龍口、星子、梅港和鄱陽等15個(gè)雨量站逐日降雨數(shù)據(jù)，鄱陽縣、都昌縣、星子縣、南昌縣、九江縣、永修縣、德安縣、余干縣等9個(gè)縣氣象站的風(fēng)速、風(fēng)向、氣溫、氣壓、相對濕度、干球與濕球溫度、云量等逐日數(shù)據(jù).

2.3 模型的率定與驗(yàn)證

模型的參數(shù)率定是非常耗時(shí)的，考慮到模擬耗時(shí)問題，模型的率定時(shí)段選取2000年1月1日-2000年7月31日之間的7個(gè)月，該時(shí)段包含豐水期和枯水期. 模擬的時(shí)間步長采用自適應(yīng)時(shí)間步長模式，自適應(yīng)時(shí)間步長的基本增量為1 s. 表2列出了模型主要參數(shù)的率定結(jié)果，其中格網(wǎng)干深、格網(wǎng)濕深和干濕判斷的時(shí)間步長是模型運(yùn)行過程中涉及的水陸漫灘區(qū)域運(yùn)動(dòng)邊界干濕格網(wǎng)判斷技術(shù)中的參數(shù)，格網(wǎng)干深和格網(wǎng)濕深分別是水陸漫灘區(qū)域格網(wǎng)由濕變干和由干變濕的水深閾值.

表2 模型主要參數(shù)的率定結(jié)果

模型的驗(yàn)證時(shí)期為2001年1月1日-2005年12月31日，共5年時(shí)間. 分別選取鄱陽湖南北方向不同部位的星子、都昌、棠蔭和康山4個(gè)站點(diǎn)的實(shí)測水位對模擬水位加以驗(yàn)證，流量則選取鄱陽湖的湖口實(shí)測流量來驗(yàn)證. 參數(shù)率定以后2001年1月1日-2005年12月31日4個(gè)驗(yàn)證站點(diǎn)的實(shí)測水位與模擬水位和實(shí)測流量與模擬流量的對照見圖3. 由于論文篇幅所限，流速的驗(yàn)證請參考文獻(xiàn)[3].

圖3 實(shí)測水位與模擬水位(a)和實(shí)測流量與模擬流量(b)對照Fig.3 Measured/simulated water level (a) and flow (b)

率定時(shí)期4個(gè)驗(yàn)證點(diǎn)的水位平均絕對誤差在0.278～0.560 m之間，平均相對誤差在2.510%～4.475%之間，均方根誤差(RMSE誤差)在0.371～0.635之間，納西(Nash-Stucliffe)效率系數(shù)[15]在0.808～0.981之間；而驗(yàn)證時(shí)期4個(gè)驗(yàn)證點(diǎn)的水位平均絕對誤差在0.166～0.411 m之間，平均相對誤差在1.823%～3.269%之間，RMSE誤差在0.249～0.505之間，納西效率系數(shù)在0.895～0.993之間. 觀測最大值與模擬最大值、觀測最小值與模擬最小值是同步的(表3).

表3 模擬的水位誤差分析

流量在率定時(shí)期的平均相對誤差為22.98%，納西效率系數(shù)為0.90，一致性指數(shù)為0.97；而驗(yàn)證時(shí)期的平均相對誤差為20.75%，納西效率系數(shù)為0.83，一致性指數(shù)[15]為0.96. 率定時(shí)期的最大觀測值與最大模擬值、最小觀測值與最小模擬值是同步的，驗(yàn)證時(shí)期的最大觀測值與最大模擬值也是同步的，但最小觀測值與最小模擬值不同步(表4).

表4 率定和驗(yàn)證時(shí)期的流量誤差分析

為了對比模擬與實(shí)際的水面差異，分別選取高、低水位時(shí)的2000年9月23日和1999年12月10日兩景遙感影像，用于評估高、低水位條件下模擬結(jié)果的空間吻合度. 圖4a和4b分別為1999年12月10日模擬和遙感影像中的湖泊水面，圖4c和4d分別為2000年9月23日模擬和遙感影像中的湖泊水面. 空間吻合度的評估方法采用遙感影像分類精度的常規(guī)評估方法，其具體做法是先在研究區(qū)空間范圍內(nèi)隨機(jī)產(chǎn)生1000個(gè)點(diǎn)，然后檢查這些點(diǎn)在實(shí)際水面與模擬水面的對應(yīng)情況，如果某點(diǎn)在模擬水面上對應(yīng)的是水，而在實(shí)際影像上對應(yīng)的不是水，則模擬結(jié)果是錯(cuò)誤的. 反之亦然. 模擬結(jié)果的空間吻合度即是模擬正確的隨機(jī)點(diǎn)數(shù)與總隨機(jī)點(diǎn)數(shù)之間的百分比. 高水位時(shí)模擬的面積相對誤差和空間吻合度分別為5.5%和93.6%，而低枯水位時(shí)這兩個(gè)誤差參數(shù)分別為10.4%和85.8%(表5)，表明高水位時(shí)的模擬效果比低枯水位時(shí)的好.

3 模擬方法

3.1 典型水文年型的選擇

考慮到實(shí)測的鄱陽湖水底地形DEM的時(shí)效性，典型水文年型主要在2000-2013年進(jìn)行選擇，但簡單地以年為時(shí)間尺度來衡量水文年型勢必掩蓋樞紐工程不同調(diào)度階段的水文特征. 為了更好地反映樞紐工程調(diào)度時(shí)期的水文特征，將該時(shí)期分為兩個(gè)階段：第一階段為9月1日-10月31日，以蓄排水為主要特征，屬于樞紐工程調(diào)度時(shí)期的豐水期；第二階段為11月1日至次年的3月25日，是水位的相對穩(wěn)定時(shí)期，其水位基本穩(wěn)定在10～11 m，屬于樞紐工程調(diào)度時(shí)期的枯水期. 對這兩個(gè)階段分別選取“豐、平、枯”3種年型.

圖4 1999年12月10日和2000年9月23日的模擬水面(a、c)與遙感水面(b、d)的對比Fig.4 Comparison between simulated water surface (a, c) and water surface in satellite image (b, d) on Dec. 10, 1999 and Sep. 23, 2000

水位狀態(tài)時(shí)間模擬水面面積/km2遙感解譯面積/km2面積的相對誤差/%空間吻合度/%高水位2000-9-232887．62728．35．593．6低枯水位1999-12-101016．11134．610．485．8

通常水文年型是以流量來劃分的，但在頂托或倒灌情況下，湖口會(huì)出現(xiàn)水位很高但流量偏小或負(fù)流量的情況，從而以流量為指標(biāo)將無法正確反映湖泊的“豐、平、枯”3種水文狀態(tài)，且樞紐工程調(diào)度方案的最高調(diào)度水位為15 m，采用平均水位來劃分水文年型，同樣難于反映14～15 m最高調(diào)度水位的基本特征. 因此，豐水期的“豐、平、枯”3種年型以9-10月份的最高水位來劃定，而枯水期的“豐、平、枯”水文年型則以11月1日至次年3月25日的湖口平均流量來確定. 由于枯水期跨兩個(gè)年份，為方便計(jì)，以起始年份作為該年型的年份標(biāo)記. 根據(jù)湖口1950-2014年共65年的水位和流量資料，并利用P-Ⅲ曲線水文頻率，最后選定2002年、2009年和2006年分別代表豐水期的豐水年型、平水年型和枯水年型， 而2002年、2001年和2003年作為枯水期的豐水年型、平水年型和枯水年型. 鄱陽湖水利樞紐工程水位調(diào)度時(shí)期豐水期及枯水期的典型年份及其水文特征、P-Ⅲ水文頻率見表6.

表6 鄱陽湖水利樞紐工程水位調(diào)度時(shí)期豐水期及枯水期的典型年份及其水文特征

3.2 模擬方案

按本文2.2節(jié)所述的上邊界、下邊界和氣象邊界條件進(jìn)行的模擬，作為無樞紐狀態(tài)下的模擬；將無樞紐狀態(tài)下的下邊界換為樞紐工程邊界條件，其余邊界條件不變，按這種方式進(jìn)行的模擬作為有樞紐的情景模擬. 樞紐工程邊界條件設(shè)在鄱陽湖水利樞紐工程位置上(圖1)，并定義為“開放型邊界”類型的水位強(qiáng)迫；其水位由樞紐工程水位調(diào)度方案來確定，其基本規(guī)則是：1)江湖連通時(shí)期，水位與無樞紐狀態(tài)下的水位一致；2)水位調(diào)度期間如遇調(diào)度水位高于無樞紐狀態(tài)下的水位，則以調(diào)度水位為此時(shí)的水位，否則以無樞紐狀態(tài)下的水位作為該期間的水位；3)按照現(xiàn)有的調(diào)度方案，樞紐蓄水期的最高調(diào)度水位定為14～15 m，為了考慮極端情況，在確定樞紐工程邊界條件時(shí)，將樞紐蓄水期的最高調(diào)度水位定為15 m.

4 結(jié)果分析

4.1 豐水年型的影響

在樞紐調(diào)度時(shí)期的豐水期和枯水期，2002年均是豐水年型. 在4-8月期間，由于湖泊處于江湖聯(lián)通狀態(tài)，有樞紐與無樞紐情景的水位是一致的(圖5a)，其他邊界條件也基本相同，理論上來說該時(shí)段模擬的無樞紐與有樞紐流量應(yīng)該完全一致，但模擬結(jié)果卻表明該時(shí)期有樞紐與無樞紐狀態(tài)下的外排流量并不一致(圖5b). 表7也表明從3月26日-8月31日的整個(gè)江湖聯(lián)通期，有樞紐與無樞紐狀態(tài)下的徑流總量相對減少0.1%；其他年份的模擬結(jié)果在該時(shí)期都表現(xiàn)出相同的趨勢. 因此，本文將這期間有樞紐與無樞紐狀態(tài)下的模擬差異視為模擬的系統(tǒng)誤差.

2002年9月1日-9月15日，湖泊處于蓄水期，按照樞紐調(diào)度方案水位逐步抬升至15 m. 由于實(shí)際水位大于15 m的調(diào)度水位(圖5a)，因而該時(shí)期有樞紐與無樞紐狀態(tài)下的徑流總量差異不大，其相對減少0.6%(表7). 9月16日-10月31日期間，樞紐調(diào)度處于三峽水庫蓄水期，樞紐的水位調(diào)度由15 m逐漸下降至12 m. 三峽水庫蓄水期的9月16日-10月10日時(shí)段，有樞紐與無樞紐相比外排水量減少了8.9%(表7)，約占長江大通徑流總量的2.5%；而在10月11日至10月31日期間，有樞紐與無樞紐相比外排水量增加了20.1%，約占長江大通徑流總量的3.8%(表7)；但就整個(gè)三峽水庫蓄水期而言，外排總水量仍是減少的，但減少量很小，其值為0.7%. 11月1日-1月10日，樞紐調(diào)度處于補(bǔ)償調(diào)節(jié)期，湖泊水位維持在11 m. 這一過程中，有樞紐比無樞紐湖泊外排水量的相對減少2.1%，其值很小(表7).

圖5 2002-2003年無樞紐(S1)與有樞紐(S2)情景下的水位(a)和相應(yīng)的逐日流量(b)Fig.5 Water levels (a) and flow hydrographs (b) of the lake in the scenarios with (S2) and without (S1) the Poyang Lake Hydraulic Project from 2002 to 2003

1月11日-3月25日，樞紐調(diào)度處于低枯水期，調(diào)度水位經(jīng)歷由11 m降至10 m再升至11 m然后向自然狀態(tài)水位過渡的3個(gè)變化過程(表1). 這3個(gè)過程有樞紐與無樞紐相比，外排徑流總量分別增加2.4%、1.3%和2.9%，占長江大通同期徑流總量的0.6%、0.4%和0.7%(表7). 就整個(gè)樞紐調(diào)度的低枯水期而言，外排徑流總量增加了2.1%，約占長江大通同期徑流總量的0.5%.

有樞紐情景盡管導(dǎo)致了不同調(diào)度時(shí)段湖泊外排水量的減小或增加，但就一個(gè)完整的調(diào)度時(shí)期而言，湖泊外排水量變化不大，其值為-0.3%，也即水量基本保持平衡(表7).

4.2 平水年型的影響

平水年型豐水期的典型年份是2009年. 2009年9-10月的最高水位不足15 m(圖6a)，低于該時(shí)期樞紐調(diào)度的最高水位. 9月份有樞紐情景下出現(xiàn)了負(fù)流量，而在無樞紐狀態(tài)下并無這種現(xiàn)象出現(xiàn)(圖6b). 其原因可以理解為在實(shí)際水位不足15 m，且入湖流量無法滿足將水位調(diào)度到15 m的情況下，模型由于水位強(qiáng)迫造成了系統(tǒng)外的補(bǔ)水現(xiàn)象. 9月1日-9月15日的樞紐蓄水期，有樞紐與無樞紐相比湖泊外排水量減少了111.9%(表8)，這就意味著即使完全截流使湖泊外排水量為0，要達(dá)到15 m的調(diào)度水位，尚缺11.9%的水量，按照無樞紐狀態(tài)下的日流量估算，須到9月17日才能實(shí)現(xiàn)；如按無樞紐時(shí)流量的一半來估計(jì)，即需到10月21日才能將水位調(diào)度到15 m.

表7 2002-2003年樞紐工程不同調(diào)度時(shí)段有樞紐與無樞紐徑流總量及其變化和與大通同期總量占比*

*括號內(nèi)數(shù)據(jù)為該調(diào)度時(shí)段的總體相對變化,下同.

9月16日-10月10日，樞紐調(diào)度處于三峽水庫蓄水期時(shí)段. 有、無樞紐相比，湖泊外排徑流總量增加了52.5%，與大通同期總量占比為7.4%. 由于該增加值包含了因水位強(qiáng)迫導(dǎo)致的系統(tǒng)外補(bǔ)水量，扣除這一部分水量，實(shí)際增量應(yīng)為42.6%，該增量占大通水文站同期徑流總量的6.0%；而在10月11日-10月31日期間的三峽水庫蓄水期時(shí)段，有、無樞紐相比，湖泊外排徑流總量則增加了79.7%，占大通同期總量的6.5%(表8).

圖6 2009年無樞紐(S1)與有樞紐(S2)情景下的水位(a)和相應(yīng)的逐日流量(b)Fig.6 Water levels (a) and flow hydrographs (b) of the lake in the scenarios with (S2) and without (S1) the Poyang Lake Hydraulic Project in 2009

平水年型枯水期的典型年份為2001年. 2001年11月1日-2002年1月10日期間，有、無樞紐相比，外排徑流總量減少了3.0%(表9)，這從圖7的水位過程線中可以得到解釋. 1月11日-3月25日的整個(gè)低枯水期，有、無樞紐相比，外排徑流總量增加了7.8%，表明在鄱陽湖和長江都處于低水位時(shí)，樞紐工程的調(diào)度方案對長江具有補(bǔ)償作用. 但從低枯水期包含的3個(gè)過程來看，不同過程的增減水作用不同. 1月11日-2月10日的調(diào)度水位下降過程導(dǎo)致外排徑流總量增加了10.9%，該增量占大通水文站同期總量的2.3%.

表8 2009年豐水期不同調(diào)度階段有/無樞紐狀態(tài)下徑流總量及其變化和與大通同期總量占比

2月11日至3月10日的調(diào)度水位提升過程，使湖泊外排水量減少了7.3%，約占長江大通水文站同期徑流總量的1.2%；而3月11日-3月25日由調(diào)度水位到自然狀態(tài)水位的過渡過程則導(dǎo)致了外排水量增加了24.1%，約占大通同期徑流總量的3.3%. 由此可以看出，平水年型低枯水期樞紐水位調(diào)度對長江干流徑流總量的影響，無論是增加還是減小，所占比例均不大，但卻明顯大于豐水年型.

圖7 2001-2002年枯水期無樞紐(S1)與有樞紐(S2)情景下的水位(a)和相應(yīng)的逐日流量(b)Fig.7 Water levels (a) and flow hydrographs (b) of the lake in the scenarios with (S2) and without (S1) the Poyang Lake Hydraulic Project under the dry season from 2001 to 2002

4.3 枯水年型的影響

枯水年型豐水期的典型年份為2006年. 2006年9月1日的實(shí)際水位不足9 m(圖8a)，由于實(shí)際水量明顯不足，模型在水位強(qiáng)迫下導(dǎo)致從系統(tǒng)外補(bǔ)水，9月6日起平均流量由0轉(zhuǎn)為負(fù)值，至9月11日負(fù)值達(dá)最大(-12479.5 m3/s，圖8b). 該時(shí)段湖泊外排水量減少了293.4%(表10)，亦即該時(shí)段如果完全截流使外排水量為0的話，要達(dá)到調(diào)度水位的15 m，仍尚缺66.23×108m3水量(占該時(shí)段無樞紐狀態(tài)時(shí)徑流總量的139.4%)，該水量如以無樞紐狀態(tài)下的逐日流量來大致估算的話，則需到10月25日才能滿足，如果外排不完全截流，而是以無樞紐狀態(tài)時(shí)的1/3流量來估算的話，則需到11月24日才能滿足這個(gè)水量余缺，這將讓處于三峽水庫蓄水期的長江失去了鄱陽湖的來水，無法實(shí)現(xiàn)樞紐調(diào)度方案在三峽水庫蓄水期對長江進(jìn)行補(bǔ)水的作用. 這說明在豐水期水位嚴(yán)重偏低的枯水年份，樞紐工程的水位調(diào)度方案存在一定的不合理性.

圖8 2006年8-12月無樞紐(S1)與有樞紐(S2)情景下的水位(a)和相應(yīng)的逐日流量(b)Fig.8 Water levels (a) and flow hydrographs (b) of the lake in the scenarios with (S2) and without (S1) the Poyang Lake Hydraulic Project from August to December in 2006

調(diào)度時(shí)段時(shí)間無樞紐徑流總量/(×108m3)有樞紐徑流總量/(×108m3)絕對變化/(×108m3)相對變化/%與大通同期總量占比/%江湖連通期2006/3/262006/8/311142．411143．210．800．070．02樞紐蓄水期2006/9/12006/9/1534．25-66．23-100．48-293．4?-41．2三峽水庫蓄水期2006/9/162006/10/1051．14119．4568．32133．6?(117．4?)18．52006/10/112006/10/3123．8343．4519．6282．3?7．1整個(gè)調(diào)度時(shí)期2006/9/12007/3/25369．13367．29-1．85-0．5-0．1

*表示因系統(tǒng)外補(bǔ)水現(xiàn)象發(fā)生，該數(shù)據(jù)存在一定的不合理性.

枯水年型枯水期的典型年份是2003年. 從圖9和表11可以看出，2003年11月1日-2004年1月10日的補(bǔ)償調(diào)節(jié)期，調(diào)度水位穩(wěn)定在11 m，這種狀態(tài)導(dǎo)致了有樞紐情景的外排水量減少了9.7%，該減量約占長江大通水文站同期徑流總量的0.8%. 低枯水期的3個(gè)調(diào)度時(shí)段除了2月11-3月10日調(diào)度水位由11 m降至10 m的時(shí)段有4.7%減排之外(約占長江大通水文站同期流量的0.7%)，其余兩個(gè)時(shí)段均導(dǎo)致外排水量有所增加，這種趨勢與豐水年型、平水年型的變化一致，且增幅明顯大于其他2種年型，其中低枯水期的1月11日-2月10日，外排水量增加了38.9%，而由調(diào)度水位轉(zhuǎn)換到自然水位的過程也使有樞紐情景外排水量增加了31.0%，其增加量與大通水文站同期流量的占比分別為2.7%和2.9%；整個(gè)低枯水期的外排水量增加比例為17.0%.

圖9 2003年10月-2004年3月無樞紐(S1)與有樞紐(S2)情景下的水位(a)和相應(yīng)的逐日流量(b)Fig.9 Water levels (a) and flow hydrographs (b) of the lake in the scenarios with (S2) and without (S1) Poyang Lake Hydraulic Project from October, 2003 to March, 2004

調(diào)度時(shí)段時(shí)間無樞紐徑流總量/(×108m3)有樞紐徑流總量/(×108m3)絕對變化/(×108m3)相對變化/%與大通同期總量占比/%江湖連通期2003/3/262003/8/31747．62746．59-1．03-0．1-0．02補(bǔ)償調(diào)節(jié)期2003/11/12004/1/1069．4862．76-6．72-9．7-0．8低枯水期2004/1/112004/2/1017．9524．936．9838．9(17．0)2．72004/2/112004/3/1036．6634．95-1．71-4．7-0．72004/3/112004/3/2528．5937．448．8531．02．9整個(gè)調(diào)度時(shí)期2003/9/12004/3/25276．80276．31-0．50-0．2-0．01

5 結(jié)論與討論

本文通過設(shè)置豐、平、枯3種水文年型，在數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上，就擬建的鄱陽湖水利樞紐工程調(diào)度方案對長江干流流量可能造成的影響進(jìn)行了探討. 分析了3種年型樞紐工程不同調(diào)度時(shí)段無/有樞紐情景下湖泊外排長江干流的流量變化及其對長江干流的影響. 通過分析得到以下幾點(diǎn)初步結(jié)論：

1)在一個(gè)鄱陽湖水利樞紐工程水位調(diào)度周期中，無/有樞紐情景下湖泊外排到長江干流的徑流總量差異很小，基本維持了無樞紐狀態(tài)/有樞紐情景下的水量平衡，但在一定程度上改變了湖泊外排長江干流水量的分配時(shí)間，使不同年型豐水期的湖泊外排水量有所減少，而在長江低枯水期，對長江流量則有一定的增排作用，且增排效果枯水年型>平水年型>豐水年型.

2)主要增排過程出現(xiàn)在1月11日-2月10日調(diào)度水位的提升過程和3月11日-3月25日調(diào)度水位向自然水位過渡過程，從模擬的3種年型來看，這兩個(gè)過程增排最大的近40%；但2月11日-3月10日的樞紐調(diào)度水位抬升過程，使外排到長江干流的水量有所減少，但不同年型的減少量有所不同，其中外排減少量最大的為7.3%，約占長江大通同期流量的1.2%.

3)在豐水期湖泊水位偏低且樞紐位置的實(shí)際水位嚴(yán)重不足9 m的年型情況下，按照樞紐工程的水位調(diào)度方案要在9月15日將湖泊水位提升至14～15 m是難于實(shí)現(xiàn)的，現(xiàn)有的樞紐工程調(diào)度方案在這種情況下缺乏可操作性，有進(jìn)一步細(xì)化和優(yōu)化的空間.

4)由于受EFDC基礎(chǔ)模型的限制，無樞紐狀態(tài)的下邊界設(shè)置在湖口，而有樞紐情景的下邊界只能設(shè)置在樞紐工程的位置，從而導(dǎo)致了無樞紐與有樞紐模擬的下邊界不一致，且在整個(gè)流量分析過程中，由于受有樞紐下邊界位置的影響，無論是無樞紐還是有樞紐，流量數(shù)據(jù)均采自樞紐斷面，與長江還有一定距離. 因此本文在討論樞紐工程對長江流量的影響時(shí)，存在一定的不合理和一定的模擬誤差.

[1] Yu Qihui, Ma Qiang, You Zhongqiongetal. Impact of regulation of Poyang Lake water conservancy project on lake water level and flow velocity in dry seasons.YangtzeRiver, 2013, 44(17):18-21,59. [余啟輝, 馬強(qiáng), 游中瓊等. 鄱陽湖水利樞紐調(diào)度對湖區(qū)枯期水位與流速影響. 人民長江, 2013, 44(17): 18-21,59.]

[2] Wang Peng, Lai Geying, Huang Xiaolan. Simulation of the impact of Lake Poyang Project on the dynamic of lake water level.JLakeSci, 2014, 26(1):29-36. DOI: 10.18307/2014.0104. [王鵬, 賴格英, 黃小蘭. 鄱陽湖水利樞紐工程對湖泊水位變化影響的模擬. 湖泊科學(xué), 2014, 26(1): 29-36.]

[3] Wang P, Lai GY, Li L. Predicting the hydrological impacts of the Poyang Lake Project using an EFDC Model.JournalofHydrologicEngineering, 2015, 20(12): 05015009-1-10.

[4] Lai Geying, Huang Xiaolan, Wang Pengetal. A simulation research of impacts of the Lake Poyang hydraulic project on hydrology and hydrodynamics.JLakeSci, 2015, 27(1): 128-140. DOI:10.18307/2015.0116. [賴格英, 黃小蘭, 王鵬等. 鄱陽湖水利樞紐工程對鄱陽湖水文水動(dòng)力影響的模擬. 湖泊科學(xué), 2015, 27(1): 128-140.]

[5] Lai GY, Wang P, Li L. Possible impacts of the Poyang lake (China) hydraulic project on lake hydrology and hydrodynamics.HydrologyResearch, 2016. DOI: 10.2166/nh.2016.174.

[6] Du Yanliang, Zhou Huaidong, Mao Zhanpoetal. Modeling the impacts of Poyang Lake Water Control Project on hydrodynamics and water quality.JournalofChinaInstituteofWaterResourcesandHydropowerResearch, 2011, 9(4): 249-258. [杜彥良, 周懷東, 毛戰(zhàn)坡等. 鄱陽湖水利樞紐工程對水質(zhì)環(huán)境影響研究. 中國水利水電科學(xué)研究院學(xué)報(bào), 2011, 9(4): 249-258.]

[7] Du Yanliang, Zhou Huaidong, Peng Wenqietal. Modeling the impacts of the change of river-lake relationship on the hydrodynamic and water quality revolution in Poyang Lake.ActaScientiaeCircumstantiae, 2015, 35(5): 1274-1284. [杜彥良, 周懷東, 彭文啟等. 近10年流域江湖關(guān)系變化作用下鄱陽湖水動(dòng)力及水質(zhì)特征模擬. 環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào), 2015, 35(5): 1274-1284.]

[8] Zhang Shuanghu, Jiang Yunzhong, Liu Xiaozhietal. Study on dispatching scheme of Water Control Project in Poyang Lake and its influence on water resources and flood control.JournalofChinaInstituteofWaterResourcesandHydropowerResearch, 2011, 9(4): 257-261. [張雙虎, 蔣云鐘, 劉曉志等. 鄱陽湖水利樞紐運(yùn)行調(diào)度方式及其對水資源與防洪的影響. 中國水利水電科學(xué)研究院學(xué)報(bào), 2011, 9(4): 257-261.]

[9] Tan Guoliang, Guo Shenglian, Wang Junetaleds. Study on the evolution of hydrology and water resources in Poyang Lake Ecological Economic Zone. Beijing: China Water & Power Press, 2013. [譚國良, 郭生練, 王俊等. 鄱陽湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)水文水資源演變規(guī)律研究. 北京: 中國水利水電出版社, 2013.]

[10] Zhang Q, Ye X, Werner ADetal. An investigation of enhanced recessions in Poyang Lake: Comparison of Yangtze River and local catchment impacts.JHydrol, 2014, 517: 425-434.

[11] Zhang Erfeng, Chen Xiqing. Changes of water discharge between Datong and the Changjiang Estuary during the dry season.ActaGeographicaSinica, 2003, 58(2): 231-238. [張二鳳, 陳西慶. 長江大通-河口段枯季的徑流量變化. 地理學(xué)報(bào), 2003, 58(2): 231-238.]

[12] Hamrick JM. A three-dimensional environmental fluid dynamics computer code: Theoretical and computational aspects. The College of William and Mary, Virginia Institute of Marine Science, Special Report 317, 1992.

[13] Hu Chunhua, Shi Wei, Hu Longfeietal. Simulation study on the impact of Poyang Lake hydro-junction projects on nitrogen and phosphorus nutrient in lake region.ResourcesandEnvironmentintheYangtzeBasin, 2012, 21(6): 749-755. [胡春華, 施偉, 胡龍飛等. 鄱陽湖水利樞紐工程對湖區(qū)氮磷營養(yǎng)鹽影響的模擬研究. 長江流域資源與環(huán)境, 2012, 21(6): 749-755.]

[14] Feng L, Hu CM, Chen XLetal. Satellite observations make it possible to estimate Poyang Lake’s water budget.EnvironmentalResearchLetters, 2011, 6: 044023.

[15] Krausel P, Boyle DP, Base F. Comparison of different efficiency criteria for hydrological model assessment.AdvancesinGeosciences, 2005, 5: 89-97.

Simulation of impacts of Poyang Lake Hydraulic Project on the flow of the Yangtze River using an EFDC model

LAI Geying1,2, Zhang Zhiyong3, WANG Peng1,2, WU Qing2, PAN Siyi2, HU Xingxing2& CHEN Taojin2

(1:KeyLaboratoryofPoyangLakeWetlandandWatershedResearch,MinistryofEducation,JiangxiNormalUniversity,Nanchang330022,P.R.China) (2:SchoolofGeographyandEnvironment,JiangxiNormalUniversity,Nanchang330022,P.R.China) (3:GanzhouMeteorologicalBureauofJiangxiProvince,Ganzhou341000,P.R.China)

Mass flux is an important basis for maintaining the relationship between lakes and rivers, while the key of mass flux is water flux. Aiming to a goal of constructing a clear water that are conducive to both the Yangtze River and Poyang Lake, the Poyang Lake Hydraulic Project (PLHP) in planning will be operated according to a proposed water level regulating scheme in the view of ecology, in which is controlling over the lake level in the dry season instead of the wet season. By using two-dimensional hydrodynamic model, this paper conducts a quantitative analysis concerning the potential impacts of the water level regulating scheme of PLHP under three typical hydro-years (wet, normal and dry years) on stream flow of the Yangtze River. According to the simulation results, during a PLHP water level regulating period, the difference, the discharge from the lake to the Yangtze River is very small, only varied from -0.2% to -0.7% compared with two modeling scenarios (with or without the PLHP). The discharge under those two scenarios is basically maintained in a balanced state, though the seasonal distribution time from the lake to the Yangtze River is changed. During the dry season, the project has minor impact on the flow of the Yangtze River, or even increases the amount of water discharges. The dry year has a maximum effect of the increased discharge, followed by normal year and the third by wet year. The increased discharge in different hydro-years varies from 2.1% to 17.0%. In normal year and dry year, the lake level before the beginning of the PLHP regulation is much lower than the highest regulated water level of 9 m, so that the existing PLHP regulation scheme, which proposes to regulate the water level to 14-15 m on September 15, has obvious defects and need a further optimization.

Poyang Lake; hydraulic project; the Yangtze River; discharge; numerical simulation

*國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃“973”項(xiàng)目(2012CB417003)、江西省重大生態(tài)安全問題監(jiān)控協(xié)同創(chuàng)新中心項(xiàng)目(JXS-EW-00)和國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41561101)聯(lián)合資助. 2016-06-12收稿；2016-08-31收修改稿. 賴格英(1963～)，男，博士，教授；E-mail: laigeying@126.com.

J.LakeSci.(湖泊科學(xué))， 2017， 29(3)： 521-533

DOI 10.18307/2017.0301

?2017 byJournalofLakeSciences