鄱陽湖水利樞紐工程對湖泊水位變化影響的模擬*

王 鵬，賴格英，

(1： 江西師范大學(xué)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)

水位變化是湖泊水文過程和水量平衡的動態(tài)反映，對湖泊的水質(zhì)、泥沙、水生生物等生態(tài)環(huán)境要素具有重要影響[1].鄱陽湖是我國第一大淡水湖，水位受自身流域入湖水量和長江水位頂托的雙重影響，水位變幅巨大.Hu等[2]通過研究鄱陽湖的流量和水位變化，認(rèn)為由于鄱陽湖流域的降水存在增加的趨勢，在1960-2003年間長江水位對鄱陽湖的頂托作用趨于變?nèi)?但王懷清等[3]對江西省79縣市氣象站1960-2006年逐日降水觀測資料進(jìn)行分析，認(rèn)為鄱陽湖各子流域的年降水量變化趨勢不明顯，僅呈略增大趨勢；Zhang等[4]研究發(fā)現(xiàn)鄱陽湖流域秋季和冬季降水量明顯增加，夏季降水量只有少量增加甚至是減少；葉許春等[5]研究認(rèn)為夏季暴雨頻率的增加，是引起1990s鄱陽湖流域徑流顯著增大的主要原因；Ye等[6]通過對1960-2007年的數(shù)據(jù)分析，認(rèn)為長江的頂托作用減弱的主要原因是長江徑流量與鄱陽湖徑流量的比值在7-10月明顯減小.

三峽工程對鄱陽湖水位的影響日益引起學(xué)者的關(guān)注.郭華等[7]通過2004-2008年的數(shù)據(jù)分析，認(rèn)為三峽水庫的運(yùn)行并沒有改變長江與鄱陽湖作用的基本特征，但10月份的大量蓄水使長江對鄱陽湖的作用頻率明顯減弱；Zhang等[4]認(rèn)為三峽工程對鄱陽湖水位的主要影響是秋季的蓄水發(fā)電導(dǎo)致長江下泄流量減少，降低了湖泊水位；汪迎春等[8]運(yùn)用長江中游江湖耦合水動力模型模擬表明三峽水庫汛末蓄水可使大湖面(都昌站)水位降低0.09～1.11m；方春明等[9]預(yù)測三峽水庫運(yùn)用30年后，在河道沖刷、可補(bǔ)水量減少和蓄水的共同作用下，鄱陽湖的枯水季節(jié)將提前1個月左右.

鄱陽湖枯水期水位的變化會對濕地植物、候鳥棲息地等生態(tài)系統(tǒng)造成重要影響[10-11].濕地水位在11～12m(吳淞高程)時候鳥棲息地面積最大，但水位超過14m后，候鳥棲息地面積將縮小乃至消失[12-13]；濕地植被對水分梯度的敏感性導(dǎo)致濕地生態(tài)系統(tǒng)的脆弱性，近年來鄱陽湖枯水期水位過低且持續(xù)時間長，使生態(tài)系統(tǒng)遭受一定損害[14].

針對近年來鄱陽湖枯水期干旱的現(xiàn)實(shí)，為防止?jié)竦赝嘶?，充分發(fā)揮鄱陽湖的經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)環(huán)境效益，由江西省政府提出并獲得國務(wù)院批復(fù)的《鄱陽湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)規(guī)劃》中提出近期將“重點(diǎn)研究、適時推進(jìn)鄱陽湖水利樞紐工程建設(shè)”.規(guī)劃中的鄱陽湖水利樞紐工程基于“調(diào)枯不調(diào)洪”運(yùn)行方式，在汛期保持江湖相通，在枯水期則放閘蓄水，以實(shí)現(xiàn)保護(hù)和改善生態(tài)環(huán)境，維持鄱陽湖一湖清水的規(guī)劃目標(biāo)[15-16].

生態(tài)系統(tǒng)對任何外來干擾都會產(chǎn)生相應(yīng)的反饋，鄱陽湖水利樞紐工程的實(shí)施將影響濕地景觀和生態(tài)結(jié)構(gòu)，其中水利樞紐工程對鄱陽湖水位的控制是最關(guān)鍵的問題[16-17].水位過低難以有效發(fā)揮工程效益，水位過高將影響候鳥棲息地環(huán)境.合理的水位調(diào)控方案是實(shí)現(xiàn)鄱陽湖水利樞紐工程的生態(tài)效益和經(jīng)濟(jì)效益，減小環(huán)境負(fù)效應(yīng)的關(guān)鍵.本研究基于環(huán)境流體動力學(xué)(Environmental Fluid Dynamics Code，EFDC)模型[18]模擬目前的鄱陽湖水利樞紐工程調(diào)控方案對湖泊水位變化的影響.本研究的模擬結(jié)果可以揭示在預(yù)期調(diào)度方案下，水利樞紐工程對湖泊水位變化節(jié)律的影響規(guī)律，特別是對鄱陽湖濕地自然保護(hù)區(qū)水位的影響，為工程建設(shè)提供一定的理論參考.

1 模型建立

1.1 模型構(gòu)建與驗(yàn)證

環(huán)境流體動力學(xué)(EFDC)模型采用垂向靜壓假定，在水平方向上采用正交曲線坐標(biāo)系，采用有限差分法對方程組進(jìn)行數(shù)值離散求解，具有靈活的變邊界處理技術(shù)和通用的文件輸入格式.其水動力基本方程為：

?t(mHu)+?x(myHuu)+?y(mxHvu)+?z(mwu)-(mf+v?xmy-u?ymx)Hv

=-myH?x(gζ+p)-my(?xh-z?xH)?zp+?z(mH-1Av?zu)+Qu

(1)

?t(mHv)+?x(myHuv)+?y(mxHvv)+?z(mwv)-(mf+v?xmy-u?ymx)Hu

=-mxH?y(gζ+p)-mx(?yh-z?yH)?zp+?z(mH-1Av?zu)+Qv

(2)

?zp=-gH(ρ-ρ0)ρ0-1=-gHb

(3)

?t(mζ)+?x(myHu)+?y(mxHv)+?z(mw)=0

(4)

(5)

式中，ζ為零點(diǎn)水面高程，h為零點(diǎn)河床高程，H為水深，u、v和w分別為曲線坐標(biāo)系中x、y和z方向上的速度分量，mx和my分別為度量張量對角元素的平方根，m=mxmy為度量張量行列式的平方根，Qu和Qv為動量在x和y方向的源匯項(xiàng)，f為科里奧利力，p為壓力，ρ為混合密度，ρ0為參考密度.

本次研究以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)，確定鄱陽湖的最大水面范圍.湖底地形通過1∶25000地形圖(2000年資料)進(jìn)行數(shù)字化得到.在此基礎(chǔ)上，采用正交曲線格網(wǎng)對鄱陽湖進(jìn)行了格網(wǎng)化，共劃分83657個格網(wǎng)，格網(wǎng)分辨率為117～304m.模型的輸入流量邊界為外洲(贛江)、萬家埠、虬津(修水)、李家渡(撫河)、梅巷(饒河)、虎山(東安河)和渡峰坑(昌江)水文站的日徑流數(shù)據(jù)，輸出流量邊界為湖口水文站的日徑流數(shù)據(jù).基于EFDC建立鄱陽湖水位模擬模型，模擬時間步長為15s.選取2000年7月1日-2001年3月31日時段對模型進(jìn)行參數(shù)率定(表1)，模擬結(jié)果(圖1)表明，模型具有較高的精度，可以有效地模擬鄱陽湖水位的變化.

表1 日水位模擬的誤差分析

圖1 參數(shù)率定和模型驗(yàn)證的日水位實(shí)測值與模擬值Fig.1 Observed and simulated daily water level for parameter calibration and model validation

1.2 鄱陽湖水利樞紐工程調(diào)度方案及模擬

鄱陽湖水利樞紐工程壩址(29°32′N，116°07′E)位于鄱陽湖入江水道，上距星子縣城約12km，下至長江匯合口約27km，規(guī)劃設(shè)計中的樞紐軸線總長2986m；擬設(shè)置108孔泄水閘，其中孔口凈寬16m的常規(guī)泄水閘105孔，孔口凈寬60m的大孔泄水閘3孔.鄱陽湖水利樞紐工程為開放式全閘工程，汛期工程閘門全開，不發(fā)揮作用，只是在汛末對湖區(qū)水位進(jìn)行節(jié)制，汛期4-8月閘門全開，江湖連通，枯水期9月至次年3月采取動態(tài)管理、適應(yīng)性調(diào)度的調(diào)控方式，控制相對穩(wěn)定的鄱陽湖枯水位.目前的調(diào)度方案見表2(2012年6月由江西省水利廳提供，水位為黃海高程基準(zhǔn)，下同).

在EFDC模型中，將工程位址的控制水位作為邊界條件(表2)輸入，結(jié)合五河七口的輸入流量邊界，模擬目前調(diào)度方案下，鄱陽湖水利樞紐工程對湖泊水位變化節(jié)律的影響.重點(diǎn)分析水利樞紐工程對枯水期大湖水位及濕地自然保護(hù)區(qū)核心區(qū)水位的影響.其中大湖水位的分析選取星子、都昌、棠蔭和南磯附近主河道上的4個點(diǎn)，濕地保護(hù)區(qū)選擇吳城自然保護(hù)區(qū)和南磯自然保護(hù)區(qū)核心區(qū)的2個點(diǎn)(圖2).

表2 鄱陽湖水利樞紐工程調(diào)度方案

圖2 模擬范圍及重點(diǎn)研究位置Fig.2 Simulation area and strategic locations to analysis

2 結(jié)果與分析

2.1 水利樞紐工程對大湖水位變化節(jié)律的影響

以平水年2000-2001年枯水期為例，利用EFDC分別模擬2000年9月-2001年3月有、無水利樞紐工程兩種條件下鄱陽湖的水位變化.水利樞紐工程條件下星子、都昌兩處的水位變化影響較大，9-11月波浪式的下降變?yōu)槌掷m(xù)下降，12-3月的水位比無水利樞紐工程條件下明顯提高，水位變化幅度變??；南磯、棠蔭水位變化受水利樞紐工程影響較小(圖3).

無水利樞紐工程條件下，南磯附近主河道月平均水位范圍為12.7～14.7m，棠蔭為11.7～14.6m，都昌為9.5～14.5m，星子為8.6～14.4m.9-10月，大湖南北水位相差小于1m；11月后，南北水位相差增大至3～4m.有水利樞紐工程時，9-11月水利樞紐工程使水位下降速率加快，大湖水面南北變化趨勢相近；12-3月，水利樞紐工程使大湖北部水位明顯升高約1～3m，而對大湖南部水位影響不大(圖4).在星子水位高于13m時，南北水位差很??；在星子水位低于13m時，南北水位關(guān)系產(chǎn)生變化，北部水位的下降速率大于南部，導(dǎo)致南北水位差逐漸增大(圖3).水利樞紐工程的存在，阻止了北部水位的持續(xù)下降，在枯水期提升了大湖北部水位，使南北水位差減小，將對湖水的整體流速產(chǎn)生影響，從而影響水體的自凈能力.胡春華等[19]利用EFDC模型模擬了鄱陽湖水利樞紐工程對湖區(qū)氮、磷營養(yǎng)鹽的影響，結(jié)果表明水利樞紐運(yùn)行后，枯水期湖區(qū)TIN、TP濃度將分別增長了20.42%和20.55%.

圖3 有、無鄱陽湖水利樞紐工程條件下的日平均水位變化Fig.3 Daily average water levels with and without Lake Poyang Project

利用每月日平均水位的標(biāo)準(zhǔn)差描述有、無水利樞紐工程條件下大湖水位的動態(tài)變化情況(圖4).9月，由于水利樞紐工程對水位的限制，標(biāo)準(zhǔn)差偏??；10月，水利樞紐工程持續(xù)的水位下降調(diào)整導(dǎo)致水位動態(tài)變大；11月，水利樞紐工程使大湖水位動態(tài)明顯變小；12月起，水利樞紐工程對大湖南部水位動態(tài)影響不大，北部明顯變小.9和10月，在有、無水利樞紐工程兩種條件下，大湖水位動態(tài)在南北方向上大體一致.11-3月，無水利樞紐工程條件下，大湖水位由南向北水位動態(tài)變化逐漸增大，如星子主河道月水位標(biāo)準(zhǔn)差范圍為0.39～1.10m，南磯僅為0.09～0.46m；有水利樞紐工程條件下，南北水位動態(tài)變化差別變小，靠近水利樞紐工程的北部動態(tài)變化比無水利樞紐時明顯變小.

圖4 有、無鄱陽湖水利樞紐工程條件下的月平均水位Fig.4 Monthly average water levels with and without Lake Poyang Project

2.2 水利樞紐工程對濕地自然保護(hù)區(qū)水位變化節(jié)律的影響

選取吳城、南磯兩個國家濕地自然保護(hù)區(qū)核心區(qū)(圖2)進(jìn)行有、無水利樞紐工程條件的水位模擬.從模擬結(jié)果(圖5)可以看出，兩個濕地保護(hù)區(qū)在9-11月的水位變化受到水利樞紐工程的一定影響：有水利樞紐工程時，吳城和南磯保護(hù)區(qū)9月的月平均水位均上升了0.77m；10月分別上升了0.15m和0.16m；11月分別下降了0.14m和0.11m；12-3月幾乎完全不受水利樞紐工程的影響.吳城自然保護(hù)區(qū)核心區(qū)位于蚌湖，豐水期與鄱陽湖連通成為一個整體，枯水期則與大湖隔離.通過對比吳城自然保護(hù)區(qū)與大湖主河道水位關(guān)系(圖6)可以看出，當(dāng)吳城濕地水位低于約13.8m時，蚌湖與鄱陽湖大湖分離，與姜加虎等通過水位觀測資料分析得出的結(jié)論相同[20].2000年由于水利樞紐工程的調(diào)控，使分離時間提前了約20d，對保護(hù)區(qū)的水位變化節(jié)律產(chǎn)生了一定影響，在蚌湖與鄱陽湖大湖分離后，保護(hù)區(qū)核心區(qū)水位不再受水利樞紐工程的影響.

圖5 有、無鄱陽湖水利樞紐工程條件下濕地自然保護(hù)區(qū)水位變化Fig.5 Dynamic of water level in wetland nature reserve with and without Lake Poyang Project

圖6 濕地自然保護(hù)區(qū)與大湖水位關(guān)系：(a) 吳城自然保護(hù)區(qū)(蚌湖)與星子附近主河道；(b) 南磯自然保護(hù)區(qū)與棠蔭附近主河道Fig.6 Relationships between water levels of wetland nature reserve and the main lake：(a) Wucheng Nature Reserve and main stem near Xingzi；(b) Nanji Nature Reserve and main stem near Tangyin

南磯自然保護(hù)區(qū)的水位變化與大湖棠蔭附近主河道的水位變化基本一致(圖6).通過前面分析可知，水利樞紐工程對湖泊南部水位變化影響不大(圖3)，由于南磯自然保護(hù)區(qū)位于鄱陽湖南部，受水利樞紐工程影響也較小.齊述華等[21]通過遙感影像的解譯認(rèn)為，鄱陽湖在低水位下，淺水生境面積隨水位的增加而增加，當(dāng)水位至11m時，達(dá)到最大面積，之后生境面積隨水位增加而減少.目前的水利樞紐工程調(diào)控水位在11月1日-3月31日期間維持在11m左右，可以有效保證越冬候鳥的棲息地面積.

總體來說，水利樞紐工程對兩個國家濕地自然保護(hù)區(qū)核心區(qū)水位變化節(jié)律的影響較小，但形成原因不同.吳城自然保護(hù)區(qū)核心區(qū)在水位較低時與大湖脫離，不再受水利樞紐工程影響；南磯自然保護(hù)區(qū)位于鄱陽湖南部，受水利樞紐工程影響較小.

2.3 枯水年水利樞紐工程對湖泊水位變化節(jié)律的影響

無水利樞紐工程條件下，枯水年湖泊來水量減少，水位將比平水年降低，特別是在鄱陽湖北部，枯水年水位下降更明顯(圖7).如湖泊南部的南磯附近主河道，平水年(2000年)9-12月的平均水位為13.7m，枯水年(2004年)為12.8m，下降了0.9m；北部的星子附近主河道平水年9-12月的平均水位為12.5m，枯水年為10.0m，下降了2.5m.有水利樞紐工程條件下，湖泊水位受人工控制，平水年和枯水年湖泊水位的變化基本一致.與平水年相比，枯水年水利樞紐工程對湖泊水位變化的影響更大.通過前面分析可知，平水年2000年12月起，水利樞紐工程開始明顯提升湖泊水位；在枯水年2004年10月起，有水利樞紐工程條件下的水位明顯高于無水利樞紐工程時.通過對比大湖主河道上南磯、棠蔭、都昌和星子4處的水位，可以發(fā)現(xiàn)在枯水年水利樞紐工程對都昌和星子水位變化的影響明顯，對南磯和棠蔭的水位變化影響較小，即枯水年水利樞紐工程對湖泊水位的影響規(guī)律與平水年類似，影響大小由北向南逐漸變小.

圖7 平水年(2000年)和枯水年(2004年)有、無鄱陽湖水利樞紐工程條件下大湖月平均水位變化：(a) 南磯主河道；(b) 棠蔭主河道；(c) 都昌主河道；(d) 星子主河道Fig.7 Monthly average water levels in normal year(2000) and dry year(2004)with and without Lake Poyang Project：(a) main stem near Nanji；(b) main stem near Tangyin；(c) main stem near Duchang；(d) main stem near Xingzi

3 結(jié)論

1) 水利樞紐工程對湖泊水位的影響由北向南逐漸減小. 2000平水年，9-11月大湖水面南北變化趨勢相近；12-3月，水利樞紐工程使大湖北部水位升高約1～3m，水位動態(tài)明顯變小，而對大湖南部水位影響不明顯.水位低于13m時，大湖南北水位關(guān)系產(chǎn)生拐點(diǎn)，大湖北部水位下降速率加快，水利樞紐工程提升了大湖北部水位，使南北水位差減小，將影響鄱陽湖枯水期的流速及自凈能力.

2) 吳城和南磯濕地自然保護(hù)區(qū)核心區(qū)水位變化受水利樞紐工程的影響較小，12-3月幾乎不受水利樞紐工程的影響.吳城自然保護(hù)區(qū)核心區(qū)在水位低于13.8m時與大湖脫離，不再受水利樞紐工程影響，但水利樞紐工程會影響蚌湖與大湖脫離時間，在2000年提前了約20d；南磯自然保護(hù)區(qū)位于鄱陽湖南部，水位受水利樞紐工程影響很小.

3) 水利樞紐工程條件下，湖泊水位受人工控制，枯水年和平水年湖泊水位的變化基本一致.枯水年水利樞紐工程對湖泊水位的影響大于平水年，但對湖泊南部的水位變化影響仍然較小.

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