三峽水庫蓄水期長江中游湖泊調(diào)蓄能力變化

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(武漢大學(xué) 水資源與水電工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 武漢 430072)

1 研究背景

鄱陽湖和洞庭湖是長江中游的大型調(diào)蓄湖泊，與長江干流自然連通，具有重要的水資源、防洪、生態(tài)等價(jià)值。兩湖與長江相互作用、互為制約，長期演變形成的江湖關(guān)系錯(cuò)綜復(fù)雜[1-2]。三峽水庫蓄水運(yùn)行后，水庫調(diào)節(jié)造成干流水沙變化以及河床沖刷發(fā)展已經(jīng)開始對兩湖的演變及其調(diào)蓄功能造成影響，洞庭湖、鄱陽湖均出現(xiàn)了枯水出現(xiàn)時(shí)間提前、枯水期延長、旱情加劇等現(xiàn)象。2006年9—10月，洞庭湖入湖水量減小為同期多年平均入湖水量的7%，2009年10月，城陵磯水位出現(xiàn)了1960年以來的最低水位，即21.62 m[3]；鄱陽湖近10 a來多次出現(xiàn)季節(jié)性干旱，低枯水位持續(xù)時(shí)間延長，湖泊水面出現(xiàn)持續(xù)減小的趨勢[4],2016年鄱陽湖流域?qū)儆谪S水年，1—9月份雨量比多年平均雨量偏多14%，但汛后還是出現(xiàn)了湖區(qū)水位大幅下降現(xiàn)象，9月份下旬星子站水位已經(jīng)接近10 m的枯水位。

針對三峽水庫蓄水后兩湖水文情勢及調(diào)蓄能力變化，國內(nèi)已有不少學(xué)者開展了相關(guān)研究。黃群、姜加虎等[5-6]通過數(shù)學(xué)模型，定量研究了三峽水庫運(yùn)用對洞庭湖、鄱陽湖湖區(qū)水位的影響；李景保等[7-8]通過實(shí)測資料分析，揭示了三峽水庫對洞庭湖來流過程、湖區(qū)水情的影響；王冬等[3,9]探討了三峽水庫調(diào)度方式變化對洞庭湖來流的影響，并通過近期資料的統(tǒng)計(jì)分析，揭示了三峽水庫蓄水對長江和洞庭湖水力要素的影響。許繼軍等[10]通過水量平衡方程和槽蓄方程，定量分析了不同典型年下三峽水庫調(diào)度運(yùn)行對鄱陽湖湖口水位、湖區(qū)水情的影響；方春明等[11]通過實(shí)測資料分析，探討了三峽水庫運(yùn)用后鄱陽湖與長江關(guān)系的變化及三峽水庫蓄水的影響。上述研究成果雖然較好地揭示了三峽水庫蓄水后兩湖水情變化以及江湖關(guān)系演變趨勢，但對于湖泊調(diào)蓄能力變化的研究較為簡單定性，且缺乏兩湖統(tǒng)一的研究。

本文基于1990—2014年實(shí)測水文資料，在對洞庭湖與鄱陽湖調(diào)蓄機(jī)理、影響因素進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，探討了兩湖調(diào)蓄臨界狀態(tài)及其臨界條件，定量分析了三峽水庫蓄水期兩湖調(diào)蓄能力變化，可為長江中游江湖治理提供參考。

2 研究區(qū)域概況

洞庭湖和鄱陽湖是長江中游最為重要的大型吞吐型、季節(jié)性淡水湖泊，調(diào)蓄功能顯著(圖1)。

圖1 研究區(qū)域示意圖Fig.1 Map of the study area

洞庭湖位于長江中游荊江南岸，流域面積為26.28萬km2。洞庭湖容納三口和四水來流，經(jīng)湖泊調(diào)蓄后由城陵磯處匯入長江[12]。入湖水文控制站有三口5站(新江口、沙道觀、彌陀寺、康家崗、管家鋪)、四水4站(湘潭、桃江、桃源、石門)，湖泊出口控制站為七里山站。

鄱陽湖位于江西省北部，流域面積16.22萬km2。鄱陽湖來水主要由贛、撫、信、饒、修5大支流分別從南、東、西3面匯入，經(jīng)湖泊調(diào)蓄后，在北部經(jīng)湖口注入長江[11]。入湖水文控制站為五河6站(外洲、李家渡、梅港、虎山、渡峰坑、萬家埠)，湖泊出口控制站為湖口站。

3 數(shù)據(jù)和方法

3.1 數(shù) 據(jù)

本文采用的水文資料為長江中游及兩湖流域的水文測站數(shù)據(jù)，包括1990—2014年洞庭湖三口5站、四水4站、城陵磯站逐日水位流量數(shù)據(jù)，鄱陽湖五河6站、湖口站逐日水位流量數(shù)據(jù)，以及長江干流監(jiān)利站、漢口站逐日流量數(shù)據(jù)。

3.2 方 法

湖泊調(diào)蓄能力可用調(diào)蓄量表示[13]，計(jì)算方法為

W=IΔt-QΔt+I′ 。

(1)

式中：W為湖泊調(diào)蓄量；I為入湖流量；Q為出湖流量；I′為區(qū)間匯流量；Δt為計(jì)算時(shí)段。

4 結(jié)果及分析

4.1 洞庭湖與鄱陽湖調(diào)蓄過程及其影響因素

洞庭湖和鄱陽湖作為長江中游大型通江調(diào)蓄湖泊，其年內(nèi)調(diào)蓄過程可類比于徑流式水庫。枯期湖泊來流較小，長江干流頂托作用較弱，湖泊調(diào)蓄作用不明顯，類似于徑流式水庫來多少水泄多少水；汛期隨著來流的增加，湖泊利用湖容容納洪水，同時(shí)長江干流頂托作用較強(qiáng)，湖泊主動和被動調(diào)蓄作用明顯[13]，與徑流式水庫利用庫容攔洪滯洪過程類似?？紤]到洞庭湖、鄱陽湖與長江的聯(lián)通具有類似的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，湖泊出流量與長江干流水量關(guān)系具有相似性(干強(qiáng)支弱)，其調(diào)蓄過程與徑流式水庫調(diào)蓄作用又存在不同。在洞庭湖與鄱陽湖的調(diào)蓄過程中，除與入湖流量大小有關(guān)外，長江干流的頂托作用同樣至關(guān)重要，影響因素更為復(fù)雜。在我們之前的研究中[3]，曾將干流頂托作用類比為湖泊出口形成“堰”的作用。該“堰”的高程除了受入湖流量和湖泊出口處斷面形態(tài)的影響外，更主要是由長江干流流量決定，是動態(tài)、不斷變化的。

4.2 洞庭湖與鄱陽湖的調(diào)蓄機(jī)理及臨界狀態(tài)

基于1990—2014年的實(shí)測日均水位流量資料，計(jì)算了洞庭湖、鄱陽湖的1 d調(diào)蓄量，并在不同入湖流量和干流流量級下，點(diǎn)繪了兩湖調(diào)蓄量與出口水位之間的關(guān)系(圖2)。由圖2可知，兩湖調(diào)蓄能力具有相似的變化規(guī)律，湖泊調(diào)蓄能力與入湖流量、長江干流流量、出口水位(反映頂托作用)均關(guān)系密切。在入湖流量一定的條件下，同一干流流量級對應(yīng)的湖泊調(diào)蓄量，其正、負(fù)值基本都圍繞某一特定的出口水位上下浮動，該水位對應(yīng)了湖泊調(diào)蓄量為0的臨界狀態(tài)，可以將其作為反映湖泊臨界調(diào)蓄的指標(biāo)，定義為臨界水位。

由圖2可以進(jìn)一步解釋邊界條件擾動下的洞庭湖與鄱陽湖的調(diào)蓄機(jī)理。設(shè)想入湖流量和長江干流流量一直保持恒定，則湖泊會自動調(diào)整適應(yīng)，將進(jìn)來的水量盡可能地排出湖區(qū)，湖泊會逐步達(dá)到調(diào)蓄量為0的平衡狀態(tài)。此時(shí)，在入湖流量不變的條件下，如果對長江干流流量釋加擾動，則湖泊的臨界調(diào)蓄狀態(tài)將會打破，并通過調(diào)蓄能力的自我調(diào)整，消減邊界擾動帶來的影響，并再次趨于平衡。這里以長江干流流量增大為例，反之亦然。如果長江干流流量突然增大后保持不變，則湖泊出口水位迅速抬升，原來的湖泊調(diào)蓄臨界狀態(tài)破壞。由于長江干流頂托作用的增強(qiáng)，湖區(qū)出流將受阻減小，湖泊通過蓄水向新的平衡狀態(tài)逼近。此時(shí)，受湖泊出流減小影響，出口水位將有所下降，達(dá)到新的臨界狀態(tài)時(shí)，新的臨界水位將不低于最初的臨界水位。在兩湖實(shí)際調(diào)蓄過程中，由于流量過程不斷波動，因此其對應(yīng)的臨界水位也是時(shí)刻變化的，但兩湖的調(diào)蓄方向總是趨向于調(diào)蓄量為0的臨界狀態(tài)。

圖2 不同入湖流量下兩湖1 d調(diào)蓄量與出口水位關(guān)系Fig.2 Relationship between daily regulation and storage capacity and outlet water level in the presence of varying inflow of Dongting Lake and Poyang Lake

圖3 兩湖出口臨界水位與長江干流流量的關(guān)系Fig.3 Relationship between critical water level at the outlet of lake and mainstream discharge of the Yangtze River

4.3 洞庭湖與鄱陽湖調(diào)蓄臨界水位計(jì)算方法

分不同入湖流量級，點(diǎn)繪洞庭湖和鄱陽湖出口臨界水位與干流流量的關(guān)系，如圖3所示。由圖3可知，不同入湖流量下，出口臨界水位和干流流量之間存在正相關(guān)的關(guān)系，干流流量增大，臨界水位增加，反之亦然。

線性擬合圖3中不同入湖流量級下干流流量和臨界水位的關(guān)系，并統(tǒng)計(jì)直線擬合關(guān)系的斜率A和截距B列于表1。

表1 兩湖臨界水位與長江干流流量的擬合關(guān)系Table 1 Fitted relationship between critical water level oflake and mainstream discharge of the Yangtze River

如前所述，洞庭湖和鄱陽湖具有相似的調(diào)蓄規(guī)律，其臨界水位的計(jì)算方法可統(tǒng)一用式(2)表示。

Zc=A(Qr)Qg+B(Qr) 。

(2)

式中：Zc為湖泊調(diào)蓄臨界水位(m)；Qg為長江干流流量(m3/s)；A(Qr),B(Qr)是入湖流量的函數(shù)，為入湖流量為Qr時(shí)對應(yīng)的斜率及截距。

根據(jù)1990—2014年實(shí)測資料，計(jì)算不同入湖流量級條件下的斜率A及截距B，繪制經(jīng)驗(yàn)曲線如圖4所示。通過圖4，可根據(jù)式(2)以及實(shí)測干流流量資料快速計(jì)算相應(yīng)的臨界水位。

圖4 A與B和兩湖入湖流量關(guān)系Fig.4 Inflow of lake and corresponding sloping rate

4.4 三峽水庫蓄水對兩湖調(diào)蓄能力的影響

4.4.1 三峽水庫蓄水前后兩湖干流流量和出口水位的變化

以監(jiān)利站、漢口站分別作為洞庭湖、鄱陽湖對應(yīng)的長江干流代表站。根據(jù)1990—2014年實(shí)測資料，點(diǎn)繪三峽水庫蓄水前后9—11月份監(jiān)利、漢口月均流量變化及城陵磯、湖口月均水位變化(圖5)。由圖5可知，三峽水庫汛后蓄水，水庫下泄流量與天然狀態(tài)下相比明顯減小，監(jiān)利、漢口流量均相應(yīng)減少，城陵磯、湖口水位也隨之下降。

圖5 三峽水庫蓄水前后監(jiān)利、漢口流量變化及城陵磯、 湖口水位月均變化Fig.5 Monthly average variations of discharge at Jianli and Hankou as well as water level at Hukou before and after the impoundment of Three Gorges Reservoir

4.4.2 三峽水庫蓄水前后兩湖臨界水位及調(diào)蓄量變化

根據(jù)兩湖調(diào)蓄臨界水位計(jì)算式(2)，基于1990—2014年實(shí)測資料，得到三峽蓄水前后兩湖臨界水位在9—11月份變化情況(圖6)。

圖6 三峽水庫蓄水前后兩湖臨界水位及湖容變化Fig.6 Variations of critical water level and volume of the two lakes before and after the impoundment of Three Gorges Reservoir

由圖6可知，三峽水庫蓄水后洞庭湖、鄱陽湖的調(diào)蓄臨界水位在9月份、10月份均有所降低，而11月份臨界水位變化不大。這是因?yàn)?1月份三峽水庫蓄水基本完成，下泄徑流變化較小，臨界水位變化趨勢不明顯。根據(jù)兩湖水位-湖容曲線[14-15]，可以通過臨界水位計(jì)算洞庭湖、鄱陽湖湖泊容積變化(圖6)，能夠定量反映三峽水庫蓄水對兩湖調(diào)蓄能力的影響。與臨界水位的變化類似，三峽水庫蓄水后，與蓄水前相比，9—10月份兩湖容積明顯減小，11月份變化不大。

表2三峽水庫蓄水前后兩湖調(diào)蓄水量變化
Table2VariationoflakestoragecapacitybeforeandaftertheimpoundmentofThreeGorgesReservoir

湖泊月份1990—2002年2003—2007年2008—2014年臨界水位/m臨界水位/m調(diào)蓄量變化/(億m3)變化率/%臨界水位/m調(diào)蓄量變化/(億m3)變化率/%925.3825.04-2.39-8.3024.89-3.41-11.81洞庭湖1023.4121.95-5.84-34.1821.22-8.05-47.101120.7519.69-2.25-28.7320.890.344.36913.6313.30-12.24-10.6413.10-19.42-16.88鄱陽湖1011.3810.01-22.60-45.1010.27-19.04-37.99119.698.71-10.02-42.779.841.867.95

為進(jìn)一步定量分析三峽水庫蓄水期對兩湖調(diào)蓄能力的宏觀影響，根據(jù)1990—2002年(三峽水庫蓄水前)、2003—2007年(三峽水庫139，156 m蓄水期)、2008—2014年(三峽水庫175 m試驗(yàn)性蓄水期)的實(shí)測資料，首先計(jì)算了三峽水庫蓄水前后多年平均臨界水位，其次通過已有研究中出口水位與湖內(nèi)水位的相關(guān)關(guān)系可以推算出湖內(nèi)水位變化量，最后結(jié)合兩湖水位-湖容關(guān)系曲線[14-15]，便可得到三峽水庫蓄水后的湖泊調(diào)蓄水量變化值(表2)。由表2可知，三峽水庫蓄水后，無論是初期蓄水期(2003—2007年)還是175 m試驗(yàn)性蓄水期(2008—2014年)，兩湖9—10月份調(diào)蓄能力下降明顯。2003—2007年洞庭湖、鄱陽湖9月份、10月份調(diào)蓄水量較蓄水前分別減少了8.23億，34.84億m3；2008—2014年洞庭湖、鄱陽湖9月份、10月份調(diào)蓄水量較蓄水前分別減小了11.46億，38.46億m3。隨著三峽水庫蓄水力度的加大，蓄水水位由135，156 m增加到175 m，2008—2014年兩湖調(diào)蓄水量的減少較2003—2007年更大。上述變化除造成長江中游兩湖區(qū)域枯水出現(xiàn)時(shí)間提前、枯水期延長、旱情加劇等[3-4]外，還將導(dǎo)致長江下游及河口段入海水沙通量變化，進(jìn)而造成下游及河口的沖淤響應(yīng)和演變調(diào)整，對海域咸潮入侵時(shí)間和規(guī)模、河段水質(zhì)及水生態(tài)環(huán)境變化等均有重要的影響[16-18]。

5 結(jié) 論

本文通過對洞庭湖、鄱陽湖調(diào)蓄機(jī)理和臨界條件的研究，分析了三峽水庫蓄水期兩湖調(diào)蓄能力的變化，得到以下結(jié)論：

(1)洞庭湖、鄱陽湖調(diào)蓄能力變化受入湖流量和長江干流頂托的雙重影響，兩湖具有相同的調(diào)蓄機(jī)理，均體現(xiàn)為入湖與出湖水量的動態(tài)調(diào)整過程，該過程以湖泊調(diào)蓄量不斷向0趨近為主要特征。

(2)三峽水庫蓄水后，洞庭湖、鄱陽湖9—10月份調(diào)蓄能力下降明顯，2008—2014年兩湖調(diào)蓄水量的減少較2003—2007年更大。三峽水庫蓄水期兩湖調(diào)蓄能力明顯減弱的主要原因是三峽水庫蓄水引起長江干流流量減小，兩湖臨界水位減小。

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