鄱陽(yáng)湖河湖兩相下湖流和水質(zhì)變化特征研究

歐陽(yáng)千林，王 婧

(江西省鄱陽(yáng)湖水文局，江西 廬山 332800)

0 引 言

鄱陽(yáng)湖是我國(guó)最大的吞吐型、季節(jié)性淡水湖泊，具有“高水是湖、低水是河”獨(dú)特水文特性，湖區(qū)水域最大面積達(dá)5 100 km2，最小面積僅為146 km2，最大容積達(dá)365億m3，最小容積僅為4.5億m3[1]。鄱陽(yáng)湖上承贛、撫、信、饒、修五河來(lái)水，經(jīng)湖盆調(diào)蓄后注入長(zhǎng)江，受五河和長(zhǎng)江干流雙重影響，形成了重力型、頂托型、倒灌型和風(fēng)生流等特殊流型[2-4]，湖流特性不同直接影響著泥沙與化學(xué)物質(zhì)輸移、沉降與懸浮特征。近年來(lái)，隨著人類(lèi)活動(dòng)和氣候變化等因素影響，江湖河關(guān)系發(fā)生較顯著變化，湖泊動(dòng)力、水質(zhì)等均隨之變化[5，6]。目前，對(duì)鄱陽(yáng)湖湖流與水質(zhì)變化特征研究成果較多[6-9]，但鄱陽(yáng)湖水位變化劇烈，枯水期湖水落槽，灘地出露，湖水僅限于主槽和內(nèi)湖洼地，豐水期湖水漫灘，主槽、灘地、蝶形湖等連城一片，湖水浩渺，湖盆形態(tài)的不同必然導(dǎo)致湖水面積和容積的變化，從而影響湖流和水質(zhì)特征上的差異。本文從鄱陽(yáng)湖獨(dú)特河湖兩相性出發(fā)，基于2010～2016年鄱陽(yáng)湖7次湖流與水質(zhì)同步監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，探討河流和湖泊兩種狀態(tài)下湖流和水質(zhì)變化特征。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

為摸清近年來(lái)鄱陽(yáng)湖湖流變化特征，江西省水文局于2010～2016年對(duì)鄱陽(yáng)湖開(kāi)展了7次湖流與水質(zhì)同步監(jiān)測(cè)。在湖區(qū)采用網(wǎng)格法，橫向沿湖盆南北向每5 km布設(shè)斷面，全湖共布設(shè)34個(gè)斷面，68條垂線。水質(zhì)采樣與湖流流速、流向監(jiān)測(cè)在相同斷面、相同垂線同時(shí)進(jìn)行，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)水溫、透明度、溶解氧、pH值和葉綠素a等5項(xiàng)，其它16個(gè)項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)取樣送實(shí)驗(yàn)室分析，數(shù)據(jù)均經(jīng)過(guò)審查，成果準(zhǔn)確可靠(見(jiàn)表1)。

表1 鄱陽(yáng)湖湖流與水質(zhì)同步監(jiān)測(cè)情況統(tǒng)計(jì)表

1.2 河湖相區(qū)分

鄱陽(yáng)湖受江西五河來(lái)水和長(zhǎng)江洪水的雙重影響，水位較低時(shí)，水流歸槽，上下游比降增大，整個(gè)湖區(qū)如同河流；水位升高時(shí)，水流漫灘，各蝶形湖泊與主湖體相連，上下游水位幾近相同，湖區(qū)恢復(fù)為湖泊，而湖泊水情、水環(huán)境、水生態(tài)等特征均隨著湖泊水域特性的不同而發(fā)生明顯的變化，故按鄱陽(yáng)湖水域特性不同將其劃分為河相、湖相分別分析具有較強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。目前，如何合理的區(qū)分河湖相鮮有研究，部分學(xué)者從湖區(qū)各站水位關(guān)系入手進(jìn)行鄱陽(yáng)湖河湖相轉(zhuǎn)換規(guī)律研究[10]，但未充分考慮鄱陽(yáng)湖特性。在湖泊中有著換水周期理論，系指全部湖水交換更新一次所需時(shí)間的長(zhǎng)短(T月?lián)Q水周期=M月天數(shù)×W月均蓄水量/Q月出湖水量)，針對(duì)鄱陽(yáng)湖而言，各月水位不同，換水周期不同(見(jiàn)表2)，從變化機(jī)理分析，換水周期發(fā)生變化主要與蓄水量和出口處流速有關(guān)，在換水周期變化區(qū)間的兩端必然表征不同的水文特征，故選取換水周期為6日和28日時(shí)對(duì)應(yīng)的水位10.10 m、13.94 m作為絕對(duì)河相和絕對(duì)湖相分界值。

表2 鄱陽(yáng)湖歷年逐月?lián)Q水周期平均值

另外，從河流定義(指由一定區(qū)域內(nèi)地表水和地下水補(bǔ)給，經(jīng)常或間歇地沿著狹長(zhǎng)凹地流動(dòng)的水流)可以看出河流主要是沿著狹長(zhǎng)凹地流動(dòng)水流，對(duì)鄱陽(yáng)湖而言，當(dāng)水流落槽后就能表征為河流形態(tài)，故根據(jù)星子站水位～湖體面積綜合曲線[11]，計(jì)算面積發(fā)生突變時(shí)星子站水位。經(jīng)過(guò)計(jì)算，星子站水位在10.00 m以下時(shí)，湖水基本上均已歸槽，呈河流特性，故可綜合考慮換水周期條件下河相，取其低者，確定為星子站水位10.00 m以下為絕對(duì)河相。

鄱陽(yáng)湖要想表征為絕對(duì)湖相，其應(yīng)將蝶形湖全部或大部分淹沒(méi)。據(jù)統(tǒng)計(jì)鄱陽(yáng)湖蝶形湖共35個(gè)[1]，控制高程基本在12.00～15.00 m之間，故可考慮所有蝶形湖泊均被淹沒(méi)作為其湖相特征，綜合考慮換水周期條件下湖相，取其高者，確定為星子站水位15.00 m作為絕對(duì)湖相，其余作為河湖相緩沖區(qū)，函數(shù)表現(xiàn)為分段函數(shù)。

2 湖 流

2.1 分布特征

2.1.1 空間分布

根據(jù)河湖相分區(qū)原則，7次湖流監(jiān)測(cè)成果中有3次屬于河相，2次屬于湖相，2次屬于河湖緩沖區(qū)。從流速空間分布圖來(lái)看(圖2)，鄱陽(yáng)湖湖流具有以下特點(diǎn)：(1)流速空間分布不均，且河相不均勻程度大于湖相，河相下流速變化范圍在0.01～1.79 m/s之間，湖相下流速變化范圍在0.04～1.11 m/s之間；(2)南北縱向分析，南部、東部小于北部，在東西斷面分析，漫灘部位流速小于主槽流速；(3)河相下，蝶形湖脫離主湖體，流速近乎停滯，湖相下，吳城、鄱陽(yáng)附近流速有所增大，蝶形湖內(nèi)部流速與主湖體密切相關(guān)。

為分析河、湖兩相下流速區(qū)別，將3次河相和2次湖相柵格數(shù)據(jù)分別平均，并以平均河相柵格減去平均湖相柵格，獲取河相流速大于湖相流速空間分布圖。河相流速高于湖區(qū)流速主要分布在主航道及入江水道區(qū)，而低于湖相流速主要分布在松門(mén)山以南、東部、西部湖區(qū)、康山湖、青山湖以及吳城附近的蝶形湖。

2.1.2 垂向分布

2.2 水位～流速關(guān)系

為分析鄱陽(yáng)湖水位與流速之間的關(guān)系，將鄱陽(yáng)湖整體劃分為4段，分別以星子站、棠蔭站、康山站作為代表站，并參考20世紀(jì)湖流監(jiān)測(cè)成果(鄱陽(yáng)湖僅在20世紀(jì)六、七十年代有過(guò)湖流監(jiān)測(cè)成果)，繪制出水位與流速關(guān)系圖。其中棠蔭站、康山站河湖兩相分界點(diǎn)通過(guò)與星子站水位相關(guān)關(guān)系獲取，其絕對(duì)河相分界點(diǎn)分別為11.50 m、12.50 m，而在星子站水位大于15.00 m時(shí)，整個(gè)湖區(qū)水位基本持平，故將絕對(duì)湖相分界點(diǎn)均定為15.00 m。

圖1 鄱陽(yáng)湖流速空間分布特征及河湖相流速空間對(duì)比

圖2 河相下(8.09 m)各典型垂線流速垂向分布圖

圖3 湖相下(16.75 m)各典型垂線流速垂向分布圖

圖4 鄱陽(yáng)湖各站水位～流速關(guān)系

從圖4看出，鄱陽(yáng)湖流速與水位之間的關(guān)系較為散亂，可將其以河相和湖相分別進(jìn)行分析。(1)從實(shí)測(cè)點(diǎn)位分布來(lái)看，河相下星子站流速隨水位上升而呈較明顯增大趨勢(shì)，湖相下點(diǎn)群較為散亂；棠蔭站、康山站水位流速關(guān)系并不顯著，主要因兩站處于河流入湖交匯處，斷面較寬，影響流速因素較多，而監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)較少，難以反映此處流速隨水位變化過(guò)程。(2)從20世紀(jì)六、七十年代垂線最大流速外包線來(lái)看，河相下流速隨水位的上漲而呈指數(shù)型增大，湖相下流速隨水位的上漲而減?。辉诤雍彌_區(qū)流速與水位關(guān)系較為復(fù)雜。

3 水 質(zhì)

鄱陽(yáng)湖污染物主要來(lái)源于降水、河流來(lái)水、周邊縣市面源污染或部分點(diǎn)源污染。根據(jù)2002～2015年江西省水資源公報(bào)公布數(shù)據(jù)，鄱陽(yáng)湖優(yōu)于或符合Ⅲ類(lèi)水比例均高于50%，但呈水質(zhì)下降趨勢(shì)，主要污染物為氨氮、TP、TN等，汛期(4～9月)營(yíng)養(yǎng)評(píng)分均小于50分，屬于中營(yíng)養(yǎng)，總體上水質(zhì)較好。

受資料影響，選取近4次水質(zhì)監(jiān)測(cè)成果，其中1次河相，2次湖相，1次河湖緩沖區(qū)分析其水溫、透明度、TP、TN和葉綠素均值和變差系數(shù)與水位變化關(guān)系(表3)。

表3 鄱陽(yáng)湖水質(zhì)狀況統(tǒng)計(jì)

從表3看出，河相下各水質(zhì)要素空間分布差異性較湖相、河湖緩沖區(qū)小。兩湖相監(jiān)測(cè)時(shí)期相差較小，可用于比較分析，表明湖相下，水位越高，各區(qū)域內(nèi)水質(zhì)要素混合均勻，變差系數(shù)較??；透明度受采砂影響較大，降水時(shí)湖區(qū)周邊農(nóng)藥化肥等面源污染物進(jìn)入湖區(qū)，導(dǎo)致漲水時(shí)TN偏大，且區(qū)域性差異性較為明顯；葉綠素與湖區(qū)是否處于漲水有一定的關(guān)系。

近年來(lái)，關(guān)于鄱陽(yáng)湖富營(yíng)養(yǎng)化問(wèn)題的討論頻繁見(jiàn)諸報(bào)端，且呈愈演愈烈之勢(shì)。研究富營(yíng)養(yǎng)化時(shí)，通常將透明度，與TP、Chl-a一起用作衡量湖泊營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)的常規(guī)方法，但透明度不適用于作水體色深或存在高無(wú)機(jī)懸浮固體湖泊的富營(yíng)養(yǎng)化指標(biāo)，故采用不同分區(qū)富營(yíng)養(yǎng)化控制指標(biāo)以Chl-a、TP和TN為必選指標(biāo)，其它指標(biāo)(如SD、CODMn為可選指標(biāo))[1]。一般地，認(rèn)為T(mén)N、TP是導(dǎo)致水體富營(yíng)養(yǎng)化直接促使水華形成的必要條件，當(dāng)TN、TP分別超過(guò)0.5 mg/L和0.02 mg/L就可能引起水華[12-14]，且TN和TP是鄱陽(yáng)湖湖區(qū)主要超標(biāo)污染物，分析TN和TP空間分布重疊性具有非常重要的意義。

將各監(jiān)測(cè)點(diǎn)TP、TN濃度值分別減去0.02 mg/L、0.5 mg/L，利用差值進(jìn)行空間插值，可以看出鄱陽(yáng)湖TP、TN超出限值的區(qū)域較大，污染水域基本上呈斑塊或團(tuán)狀向下游轉(zhuǎn)移和擴(kuò)散，空間分布差異性較大。從TP分布來(lái)看，湖相下，北部湖區(qū)、主湖區(qū)、東部湖區(qū)濃度較低，而在入江水道區(qū)、南部湖區(qū)呈較高濃度特征；河相下，湖區(qū)水量減少，稀釋能力降低，流速加大，污染物質(zhì)擴(kuò)散加快，TP濃度較湖相增大，且主要分布于入江水道區(qū)。從TN分布來(lái)看，其高濃度值主要集中在贛江入湖口區(qū)域，其出湖口TN能穩(wěn)定在Ⅱ、Ⅲ類(lèi)水平，湖相下，入江水道、東部湖區(qū)、南部湖區(qū)濃度較低，而在北部湖區(qū)，特別是贛江入湖口附近呈高濃度特征；河相下，受流速影響，污染物質(zhì)擴(kuò)散加快，TN濃度較高區(qū)域擴(kuò)散至入江水道區(qū)。

從TN和TP超標(biāo)分布特征來(lái)看，大面積的TP、TN超標(biāo)水域大部分場(chǎng)合不會(huì)同時(shí)出現(xiàn)在同一水域。單從TN和TP超標(biāo)濃度分布來(lái)看，河相情況下，水華可能發(fā)生區(qū)域主要集中在入江水道區(qū)、贛江入湖口區(qū)、東部湖區(qū)；湖相下水華可能發(fā)生區(qū)域主要集中在贛江南支入湖口、饒河入湖口、青嵐湖內(nèi)湖和入江水道區(qū)。從2倍TN、TP超標(biāo)濃度重疊性來(lái)看，重疊度較小，河相下基本沒(méi)有區(qū)域同時(shí)超2倍超標(biāo)濃度；湖相下同時(shí)超2倍超標(biāo)濃度區(qū)域主要位于贛江南支及撫河入湖口；河湖緩沖區(qū)下同時(shí)超2倍超標(biāo)濃度區(qū)域主要位于湖區(qū)西部及松門(mén)山南部環(huán)流區(qū)域。總體而言，入江水道區(qū)、贛江南支及撫河入湖口區(qū)、松門(mén)山南部環(huán)流區(qū)、青嵐湖、撮箕湖內(nèi)湖區(qū)有產(chǎn)生水華風(fēng)險(xiǎn)；若同時(shí)考慮流速影響，入江水道區(qū)流速較大，故水華風(fēng)險(xiǎn)程度有所降低，青嵐湖、撮箕湖流速較小，營(yíng)養(yǎng)鹽較豐富，水華風(fēng)險(xiǎn)程度有所升高，故綜合考慮，水華風(fēng)險(xiǎn)較高區(qū)域位于贛江南支及撫河入湖口區(qū)、松門(mén)山南部環(huán)流區(qū)、青嵐湖、撮箕湖內(nèi)湖區(qū)。

圖5 鄱陽(yáng)湖TN、TP濃度超標(biāo)區(qū)域分布圖

圖6 鄱陽(yáng)湖TN、TP濃度2倍超標(biāo)濃度重疊圖

4 結(jié) 論

綜合考慮湖區(qū)面容積突變特征、湖區(qū)換水周期等因素影響，確定為星子站水位低于10.00 m為絕對(duì)河相，15.00 m以上為絕對(duì)湖相，其余為河湖相緩沖區(qū)，函數(shù)形式表現(xiàn)為分段函數(shù)，依據(jù)河湖相分區(qū)原則，分析河相、湖相下湖流與水質(zhì)變化特征，得出以下結(jié)論：

(1)鄱陽(yáng)湖流速在空間分布上呈北部湖區(qū)流速大于南部湖區(qū)大于東部湖區(qū)，河相下流速大于湖相下流速，主要分布在主航道及入江水道區(qū)。河相流速在垂線分布上主要呈冪函數(shù)分布，湖相流速在垂線分布不呈穩(wěn)定函數(shù)類(lèi)型。

(2)河相下流速隨水位的上漲而呈指數(shù)型增大，湖相下流速隨水位的上漲而減小；在河湖緩沖區(qū)流速與水位關(guān)系較為復(fù)雜。

(3)河相下各水質(zhì)要素空間分布差異性較湖相、河湖緩沖區(qū)小，透明度受采砂影響較大，降水時(shí)湖區(qū)周邊農(nóng)藥化肥等面源污染物進(jìn)入湖區(qū)，導(dǎo)致漲水時(shí)TN偏大，且區(qū)域性差異性較為明顯；葉綠素與湖區(qū)是否處于漲水有一定的關(guān)系。

(4)污染水域基本上呈斑塊或團(tuán)狀向下游轉(zhuǎn)移和擴(kuò)散，空間分布差異性較大，大面積的TP、TN超標(biāo)水域大部分場(chǎng)合不會(huì)同時(shí)出現(xiàn)在同一水域，超標(biāo)值較大區(qū)域重疊度小，水華風(fēng)險(xiǎn)較高區(qū)域位于贛江南支及撫河入湖口區(qū)、松門(mén)山南部環(huán)流區(qū)、青嵐湖、撮箕湖內(nèi)湖區(qū)。