控水閘對通江湖泊水位及面積變化的影響分析
——以升金湖為例

崔玉環(huán)， 王 杰

(1.安徽農業(yè)大學 理學院， 安徽 合肥 230036； 2.安徽大學 資源與環(huán)境工程學院， 安徽 合肥 230601)

1 研究背景

河湖水系的連通可維持濕地生態(tài)系統(tǒng)的完整性，影響流域水資源的開發(fā)利用和分配，影響水功能區(qū)水質狀況[1]。大壩的修建，一方面割斷了河道的縱向連通性，改變水流的時間和空間分布，引起水文情勢的變化及生態(tài)系統(tǒng)物理、化學和地貌形態(tài)的改變[2]，不利于濕地生物的生長，有可能降低河流濕地的生物多樣性[3]。另一方面，筑堤和建閘人為地切斷了河流與湖泊的自然連通，節(jié)制了干流及其支流和湖泊間的水力聯(lián)系，從而使得在河湖連通的支流河道內發(fā)生泥沙淤積，河湖泊聯(lián)系通道阻塞，水系連通性變差[4-5]。

目前，國內外學者對控水閘等水利工程對河道水系水質水量的影響展開討論，Richter等[6]認為閘控改變河道自然連通狀態(tài)，導致流域水文循環(huán)過程的變化，進而對生態(tài)系統(tǒng)產生及物種產生重大影響。胡巍巍[7]用IHA和RAV法研究了蚌埠閘及上游閘壩對淮河自然水文情勢的影響，結果發(fā)現(xiàn)閘壩對下游河流水文情勢影響強烈，特別是在枯水期。左其亭等[8]通過在沙潁河槐店閘實驗分析，得出考慮底泥擾動的水閘運作對重污染河流水質水量運移的作用規(guī)律。郭文獻等[9]通過實測水文資料對比分析了北運河閘壩工程修建前后河段水文情勢的變化，得出閘壩工程導致河流流量減少，以非汛期更為明顯。

自19世紀50年代以來，長江中下游通江淺水湖泊興建閘壩、筑堤，改變了河湖原有的自然聯(lián)通狀態(tài)，導致絕大多數(shù)湖泊成為阻隔湖泊，僅剩洞庭湖、鄱陽湖、石臼湖自然通江。目前就控水閘壩對通江湖泊河湖水質水量連通性方面的研究較少，僅就擬建設鄱陽湖水利樞紐方面，相關學者做了一些論證和預測，余啟輝等[10]和賴格英等[11-12]通過水動力模型預測了鄱陽湖水利樞紐對長江干流、湖泊支流水位和流量的影響。杜彥良等[13-14]定量預測了水利樞紐的不同調度方案對鄱陽湖水質狀況的影響。

因此，本文以建有控水閘的典型通江湖泊-升金湖為研究區(qū)，分析閘控兩側長江、湖泊水位年內漲落關系及其相關性，考慮控水閘的運作方式，進而探究控水閘建設對通江湖泊水文特征的影響，為研究不同水位波動下河湖水質遷移、土壤地貌特征提供參考，也可以為河湖水系連通戰(zhàn)略實施，提高水資源統(tǒng)籌配置能力，加強生態(tài)環(huán)境質量和防洪保安能力提供理論基礎。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 研究區(qū)概況

升金湖位于安徽省池州市貴池區(qū)和東至兩縣交界處，地處東經116°55′至117°15′，北緯30°15′至30°30′，自西向北自然分成3個相連的水面(上、中、下湖)，以黃湓河為中心擴展成湖。上、下兩湖床略高于中湖，平均海拔11 m，湖周海拔平均25 m。上湖與中湖、下湖人為筑壩分開，上游來水較大時可以通過攔壩，水量減少時則起到保留上湖水量的作用。中湖、下湖與長江之間由黃湓河連接。每年5-8月為豐水期，平均水位12.5 m(吳淞高程)，11月-次年4月為枯水期，平均水位8.9 m，其他時期為平水期，平均水位11.3 m[15]。年平均降水量約1600 mm,且受亞熱帶季風影響，降水主要集中在夏季，約占全年降水量的50%。為控制升金湖水位，于1960年在黃湓河修建黃湓閘，1965年正式投入使用，該閘汛期拒江水倒灌入湖，汛后排泄升金湖漬水，干旱年份引江水入湖或關閘蓄水，在一定程度上維持升金湖水位，減少干旱年份湖泊過度萎縮的風險，但在很大程度上改變了河湖的自然連通狀態(tài)，從而造成河湖水沙輸移、污染物運移和降解、魚類巡回等方面的生態(tài)環(huán)境問題。

2.2 數(shù)據(jù)來源及處理

收集整理了2015-2017年的升金湖姜壩站，黃湓閘閘上、閘下水位，長江安慶站水位實地觀測數(shù)據(jù)，以及黃湓閘逐日降水數(shù)據(jù)(站點分布見圖1)。2016年夏長江中下游發(fā)生持續(xù)洪水，升金湖水位(姜壩站)最高達17.45 m，超過警戒水位15 m歷時40 d，長江安慶站最高水位達17.68 m，超過長江警戒水位16.7 m歷時23 d，期間江湖水位不受閘控影響，處于完全連通狀態(tài)。

本文分別分析以上4個水位站在枯水期、漲水期、豐水期和退水期水位波動差異及其相關性，以及黃湓閘汛期拒江水倒灌入湖，汛后排泄升金湖漬水，干旱年份引江水入湖或關閘蓄水的運作方式，分析控水閘的運作對河湖水位波動的影響。并根據(jù)2016年特大洪水年份河湖水位豐水期的特殊連通關系，參照已有研究中升金湖水位-湖泊面積的關系[16]，定量分析不受閘控影響下，在正常年份湖泊水位與面積變化過程。

3 控水閘對湖泊水位波動的影響

3.1 水位年內波動特征

姜壩水位站水位反映升金湖上湖水位波動，上湖和中下湖之間有人為筑壩，壩高約11 m。中下湖與長江由黃湓河相連，水位受黃湓閘控制，因此黃湓閘閘上水位可反映中下湖的水位波動，安慶水位站的水位代表長江的水位波動。閘上、閘下、姜壩和安慶水位站2015年1月1日-2017年11月30日水位波動見圖2所示。從圖2可以看出，姜壩站水位波動與其他水位站差異較大，由于人為筑壩的攔截作用，枯水期維持11 m左右的水位，遠高于其他水位站水位，豐水期除了2016年特大洪水與其他水位波動保持一致以外，其它年份均維持在15 m的警戒水位以內，與閘上水位波動一致，由于黃湓閘汛期關閘拒江水倒灌，該站點高水位遠低于閘下和安慶站水位，且水位波動存在較大差異。

閘上水位在枯水期介于姜壩和閘下水位之間，水位高于11 m的平水期和豐水期，水位波動基本與姜壩水位一致，原因在于升金湖在低水位時向長江泄流，當湖水位低11 m時，升金湖上湖和中、下湖水體被攔截壩分開，持續(xù)泄流導致中、下湖水位不斷降低；閘下水位受黃湓閘泄水和長江水位波動共同影響，在枯水期湖水向長江泄流，閘下水位介于閘上和安慶水位之間，在平水期和豐水期與長江水位波動一致；安慶水位反映長江水位的波動特征，全年受降水影響較大，枯水期降水減少，水位在7 m左右波動，春夏季降水增加，水位加速上漲，豐水期洪峰尖瘦。

圖1 研究區(qū)水位站與控水閘空間分布圖

圖2 2015-2017年不同水位站水位年內波動

3.2 不同水文時期水位分布特征

不同水文階段水位的箱式分布圖，可反映水位在各階段間波動的趨勢以及波動范圍。本文根據(jù)姜壩、閘上、閘下和安慶4個水位站的實測水位數(shù)據(jù)生成箱式分布圖(圖3)，并比較在枯水期、漲水期、豐水期和退水期4個階段水位的相關關系(表1)。綜合分析水位箱式分布(圖3)和不同水位站之間的相關系數(shù)(表1)，得出如下結論：

(1)枯水期：枯水期姜壩站水位較為穩(wěn)定，中位數(shù)偏向下四分位數(shù)，分布集中在10.44～11.46m之間，平均水位10.95 m，水位歷時大約為12月-次年4月底；閘上水位近似正態(tài)分布，中位數(shù)處于上下四分位數(shù)中間位置，分布范圍在7.86～10.96 m之間，平均水位9.18 m，水位歷時大約為12月-次年3月底，頻繁的開閘放水，使水位存在明顯鋸齒狀波動；閘下和安慶站水位波動較為一致，變化范圍分別為7.05～10.39 m和5.57～10.64 m，平均水位分別為8.06和7.45 m，水位歷時大約為12月-次年2月底，但從箱式圖圖3看，閘下的水位分布較安慶站集中，且由于枯水期開閘放水導致存在異常值。

4個水位站水位相關性在不同年份差異較大，可能與枯水期降水量有關。2015年枯水期幾乎無降水，水位站水位相關系數(shù)均在0.65以上，閘下-安慶、閘下-姜壩和安慶-姜壩相關系數(shù)均在0.94以上，2016年除了閘下-安慶和安慶-姜壩相關系數(shù)大于0.6，其余均在0.5以下，2017年除了閘上-閘下和閘下-姜壩相關性較差，其余均在0.5以上。

(2)漲水期：姜壩站水位分布較為集中，但高低水位均出現(xiàn)異常值，2015年大約5月初水位開始持續(xù)上漲，至6月初達到大于12 m的高水位，2016年4月初開始上漲，4、5月降水持續(xù)增加，至4月底已達到高水位，2017年6月初水位才開始上漲，至6月底達高水位；閘上水位在3月底開始上漲，在6月初達到高水位；閘下和安慶水位在3月初開始上漲，在6月初至6月底達到高水位；閘上、閘下和安慶站水位分布較離散，且尾長較長，中位數(shù)居中偏上，在4月份有1次小洪峰(2015和2017年)，2016年3月開始持續(xù)降水，水位急劇抬升至高水位，且在水位上漲之初，姜壩站水位高于其他站水位，但隨著春季降水的增加，其他3站水位急速增加，很快超過了姜壩站水位。

4個水位站水位相關性均較大，相關系數(shù)在0.695～0.998之間，姜壩站與其他3個水位站水位相關性(相關系數(shù)在0.695～0.831之間)相對低于其他3個站之間的相關性(相關系數(shù)大于0.932)。

(3)豐水期：6～8月份為4個水位站的豐水期，2015和2017年正常水文年份，豐水期黃湓閘關閘拒江水倒灌，控水閘兩側水位有較大差異，姜壩站和閘上站水位變化過程基本一致，安慶站在洪峰處水位高于閘下水位，兩者亦有近似的水位波動過程，2016年洪水年份，洪水位接近14 m之后，河湖水位不受控水閘作用，河湖水體連成一體，4個水位站有近似的水位波動過程。閘下站和安慶站水位近似正態(tài)分布，但分布較為離散；閘上站和姜壩站水位中位數(shù)偏向上四分位數(shù)處，分布較為集中。

為便于比較，分別生成了2016年和2015、2017年豐水期水位分布箱圖(見圖4)。2015、2017年豐水期閘上和姜壩水位分布較為集中，中位數(shù)居中，水位呈正態(tài)分布，閘下和安慶水位分布較離散，中位數(shù)居中偏下，而2016年豐水期4個水位站水位分布近似，中位數(shù)偏向下四分位處。從相關性比較看，4個水位站水位在不同年份相關性存在差異，2016年洪水作用下，河湖持續(xù)高水位，河湖連接成片，各站點水位相關系數(shù)均在0.99以上，在2015和2017年閘下-安慶和閘上-姜壩相關系數(shù)均在0.99以上，其余均在0.674～0.719之間。

(4)退水期 8月份以后，4個水位站開始進入退水期，退水初期，姜壩和閘上站水位變化過程基本一致，水位分布較為集中，閘下和安慶水位變化過程基本一致，水位分布較離散，且中位數(shù)偏向上四分位處。大約在10月份之后黃湓閘開始集中泄洪，閘上水位出現(xiàn)較大鋸齒狀波動，且閘下水位出現(xiàn)與閘上相反的波動，11月以后，閘上、閘下和安慶水位出現(xiàn)隨降水波動的態(tài)勢，由于攔截壩的作用，姜壩站水位降至11m左右開始平穩(wěn)變化。4個水位站水位相關性均較大，相關系數(shù)在0.533～0.998之間，姜壩-閘上和閘下-安慶水位相關性(相關系數(shù)在0.746～0.998之間)高于其他站之間的相關性。

總體來說，4個水位站可大致分為兩組，閘上和姜壩站有近似的水位變化過程，閘下和安慶站具有近似的水位變化過程(除枯水期，閘下受上游放水影響明顯，和安慶站水位分布差異較大)。由此可見，通江河道控水閘改變了長江-湖泊的河湖自然連通性，對通江湖泊-升金湖的水位變化規(guī)律產生重要影響。

圖3 2015-2017年不同水位站在各水文階段的水位分布

表1 2015-2017年不同水位站在各水文階段的相關系數(shù)

注：*表示顯著性水平達0.1；**表示顯著性水平達0.05；***表示顯著性水平達0.01。

圖4 洪水年份(2016年)與其他年份(2015、2017年)水位分布的差異

4 控水閘對湖泊面積的影響

李皖彤等[16]通過遙感監(jiān)測技術建立升金湖水位-面積關系：S湖=9.94H+9.10，R2=0.958。參考處于河湖自然連通狀態(tài)的鄱陽湖水位-面積呈現(xiàn)對數(shù)關系[17]，本文假設升金湖與長江自然連通時其水位-面積關系亦為對數(shù)關系，并重新擬合為：S湖=106.76 lnH-136.39，R2=0.960。升金湖水位-面積關系見圖5所示。

假設沒有黃湓閘的控水作用與攔水壩的攔截，長江與升金湖呈現(xiàn)自然連通狀態(tài)，則在整個水文周期內，湖泊水位和長江水位呈現(xiàn)相同變化過程，在枯水期湖泊水位維持在8 m左右(黃湓河近湖段河面高程約8 m，低于8 m時，河湖不連通)，在豐水期湖泊水位波動與長江水位一致，安慶到升金湖入河口水位落差大約為0.21 m(2016年7月安慶與姜壩水位落差計算得出)。據(jù)此推斷，本文重新估算在河湖連通條件下2015年升金湖月平均水位，根據(jù)上述湖泊水位-面積的對數(shù)關系，推算湖泊面積，并與根據(jù)實測水位計算的湖泊面積比較，結果見表2。由表2可以看出，在現(xiàn)有閘控條件下，在枯水期升金湖面積有所增大，最大增幅可達30.98 km2，而在高水位時升金湖面積有所減小，最大減幅約10 km2。

圖5 升金湖水位-面積關系(數(shù)據(jù)參考文獻[16])

表2 控水閘運行、河湖自然連通條件下升金湖面積的定量估算

續(xù)表2

5 結 論

通過分析近3年來升金湖姜壩、黃湓閘閘上和閘下以及長江安慶水位站逐日水位變化過程及各站點水位波動的相關關系，分析黃湓閘控水對升金湖水位波動的影響，并根據(jù)特大洪水年份(2016年)豐水期的自然河湖連通關系，結合已建立的湖泊水位-面積的關系，定量估算不受閘控影響情況下通江湖泊水位、面積變化的過程，探究控水閘運行對通江湖泊水位及面積的影響，得出以下結論：

(1)在人為筑壩攔截和黃湓閘控水作用的共同影響下，姜壩站水位與其他站水位差異較大，枯水期水位維持在11 m左右，遠高于其他水位站，在河湖連通時豐水期水位不受控水閘影響，其他年份維持在15 m的警戒水位以內，與閘上水位波動一致。

(2)閘上水位在枯水期介于姜壩站和閘下水位之間，在水位高于11 m的平水期和豐水期，水位波動基本與姜壩站水位一致；閘下水位在枯水期介于閘上和安慶站水位之間，在平水期和豐水期與長江水位波動一致；安慶水位反映長江水位的波動特征，全年受降水影響較大，枯水期水位最低，在7 m左右波動，春夏季降水增加，水位加速上漲，豐水期洪峰尖瘦。

(3)在現(xiàn)有建閘控水條件下，相比于自然河湖連通狀態(tài)，升金湖在枯水期面積有所增大，最大增幅可達30.98 km2，而在豐水期湖泊面積有所減小，最大減幅約10 km2。

目前在長江流域內建設水閘數(shù)量已超過5×104個，改變了原有的河湖體系自然連通關系[18]。受區(qū)域地質構造、地形、河道形態(tài)等影響，不同集水流域的控水閘對通江河流(湖泊)水文特征的影響可能會存在著一定差異[19]。受水文站實測資料的限制，本文分析了控水閘運行對安徽省升金湖水位及面積變化的影響，在今后研究中選取其它類型通江湖泊為研究對象，進一步探究控水閘運行對通江湖泊水文規(guī)律的影響機制。