三峽工程運行對鄱陽湖水位影響試驗*

鄔年華，羅 優(yōu)＊＊，劉同宦，黃志文

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

鄱陽湖是吞吐型、季節(jié)性淡水湖泊，是國家重點濕地保護地，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)系極其復雜，湖流主要有吞吐流和風生流，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行通過改變湖區(qū)水位對湖區(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行對鄱陽湖水位的影響幅度和范圍.在三峽工程修建前已有學者就三峽工程對鄱陽湖水位的影響進行了預測［18］，但是根據(jù)三峽工程實際運行情況對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，邊界復雜，因此本文在對鄱陽湖實測水位資料進行分析的基礎(chǔ)上，開展物理模型試驗研究三峽運行對鄱陽湖湖區(qū)水位的影響.

1 實測資料分析

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、平和豐水年進行實測資料分析(本文水位值除特別說明外均為黃海基準值)，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個階段:低水階段(與枯水期時間相對應)、漲水階段(與五河汛期時間基本一致)、頂托倒灌階段(與長江汛期時間基本一致)和退水階段，不同水文年不同階段持續(xù)時間和相應水位不同: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.平水年相對于枯水年，漲水階段有所提前，頂托倒灌階段持續(xù)時間較長，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受湖口流量控制，在湖口水位較大時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)點密集，相關(guān)性較好，與大通流量的數(shù)據(jù)點松散且上、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)點相對密集且上、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)點相對于棠蔭站和都昌站密集，相關(guān)性相對更強.

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):當長江流量較大時，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;當長江流量較小，入江水道段存在一定比降時，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

從三峽工程運行前(1999-2002年)和運行后(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，工程運行前后低水位(＜13 m)時，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)點較松散，湖區(qū)水位具有河道的特點，有一定比降;高水位(≥13 m)時，鄱陽湖呈湖相，4個站點水位相差不大，因此可認為三峽工程運行后鄱陽湖水位基本特征并沒有改變.工程運行后湖口水位5～7 m時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下游有一定補水作用，而補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個階段對應的枯水期、增泄期和蓄水期三峽運行將對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.三峽工程運行影響長江徑流過程，將對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

從三峽工程運行前(1999--2002年)和運行后(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，工程運行前后低水位(＜13 m)時，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)點較松散，湖區(qū)水位具有河道的特點，有一定比降;高水位(≥13 m)時，鄱陽湖呈湖相，4個站點水位相差不大，因此可認為三峽工程運行后鄱陽湖水位基本特征并沒有改變.工程運行后湖口水位5～7 m時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下游有一定補水作用，而補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個階段對應的枯水期、增泄期和蓄水期三峽運行將對鄱陽湖水位造成不確定影響:1)增泄期與鄱陽湖洪水期時間基本一致，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，研究三峽工程增泄期、蓄水期和枯水期運行對鄱陽湖水位的影響.

2 物理模型試驗簡介

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，相應的水流運動相似比尺包括流速、糙率、流量和水流運動時間比尺，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 模型驗證

結(jié)合水槽加糙試驗成果、河工模型加糙實踐經(jīng)驗對鄱陽湖湖區(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模型進行加糙率定.

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

驗證結(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測資料基本一致，局部位置因制模地形與水文測驗地形不同，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%，對應原型實測的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動相似的要求，可以在此基礎(chǔ)上進行相關(guān)試驗研究.

3 結(jié)果分析

3.1 影響幅度分析

選取對鄱陽湖水情影響顯著的典型水文年，重點研究三峽工程運行前后不同時期(增泄期、蓄水期和枯水期)長江水情變化對湖區(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)學模型的計算成果，確定鄱陽湖定床模型試驗進出口試驗條件(表1):計算三峽工程運行前和運行后在現(xiàn)狀地形上(長江干流為2006年實測地形，鄱陽湖區(qū)為1998年實測地形)各典型年長江至大通河段(含洞庭湖和鄱陽湖)的江湖水流演進過程;分別選擇增泄期和蓄水期三峽工程運行前后長江進口平均流量、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行前后長江出口水位變化最大值當日長江、湖口水情作為邊界條件，反映增泄期和蓄水期湖區(qū)水流運動的極端個別情況;分別找出三峽工程運行前長江出口水位最低值、長江進口流量最小值和運行后長江出口水位變化最大值當日的長江、湖口水情作為邊界條件，模擬枯水期湖區(qū)水流運動情況，反映長江水情變化對鄱陽湖水位的影響范圍及幅度.

從表1可以看出:三峽工程運行對鄱陽湖水位的影響由湖口站到星子和都昌站逐漸減小;蓄水期三峽工程運行對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)水位降幅相對平枯水年降幅較小，但星子站和都昌站水位最大降幅也達到1.70 m和1.39 m;泄水期三峽工程運行會增加鄱陽湖水位，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;枯水期三峽工程運行對鄱陽湖水位的影響總體較小，補水作用基本只影響到星子站，這與工程運行后星子站與湖口站低水位時落差減小，而星子、都昌和棠蔭站水位有明顯落差的實際情況相一致.

水位影響范圍與長江尾門水位變幅有關(guān):當長江尾門水位變化幅度小于1 m時，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，其對星子和都昌站水位帶來的影響增大，當尾門水位變幅達3.57 m時，都昌站水位變幅達2.58 m，即長江干流水位變化對整個湖區(qū)造成了影響.

表1 三峽工程運行前后鄱陽湖水位差值(運行后-運行前)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、枯水期三峽工程運行前后都昌站各運行期平均水位，對比分析工程運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%;枯水期三峽工程運行對鄱陽湖湖面面積基本無影響.

表2 三峽工程運行前后鄱陽湖湖面面積變化(運行后-運行前)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，但是對鄱陽湖湖區(qū)水位值有所影響:枯水期影響較小，補水作用基本只影響到星子站;增泄期會增加湖區(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.三峽蓄水將導致鄱陽湖枯水期提前，對鄱陽湖生態(tài)濕地和水資源利用造成影響.

試驗成果沒有考慮三峽工程運行對河道沖刷的影響，如果考慮三峽工程運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一步加大.本研究成果為正確認識三峽工程運行對鄱陽湖與長江江湖關(guān)系影響提供了科學依據(jù)，同時也為鄱陽湖區(qū)防洪安全提供了重要依據(jù)，具有良好的經(jīng)濟與社會效益.

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