洪澤湖水沙變化趨勢和沖淤時空分布及驅(qū)動因素*

賁 鵬 ，虞邦義，張 輝，胡 勇

(1：安徽省(水利部淮河水利委員會)水利科學(xué)研究院，蚌埠 233000) (2：水利水資源安徽省重點實驗室，蚌埠 233000)

洪澤湖位于淮河中游和下游的結(jié)合部，承泄淮河上、中游15.8×104km2流域面積的來水來沙，是一座具有防洪、蓄水、水產(chǎn)、航運和生態(tài)等綜合利用功能的大型平原水庫，也是南水北調(diào)東線工程的重要輸水通道. 洪澤湖屬淺水湖，湖盆呈淺碟形，岸坡平緩，湖底較平坦，湖底高程一般在10～11 m之間.

洪澤湖是淮河行洪、蓄洪的重要載體，淮河中游洪澇與洪澤湖的形成與擴大有直接的聯(lián)系. 淮河干流河道與洪澤湖是一對矛盾的統(tǒng)一體，表現(xiàn)出復(fù)雜的互饋關(guān)系，淮河干流水沙條件決定了洪澤湖沖淤演變規(guī)律，而洪澤湖是淮河干流的侵蝕基準面，較高的湖區(qū)水位導(dǎo)致淮河洪水下泄不暢，成為淮河嚴重洪澇災(zāi)害的主要原因之一. 洪澤湖來水來沙變化趨勢和沖淤時空分布規(guī)律研究主要涉及以下問題，在自然和人類活動影響下，洪澤湖水沙和沖淤如何變化？如何量化這些變化？是否具有趨勢性？未來的情勢如何？變化的原因是什么？這些變化與河床和湖盆演變關(guān)系如何？維持河床與湖盆形態(tài)穩(wěn)定性條件是什么？這些的基礎(chǔ)科學(xué)研究對新時期解決淮河中游洪澇災(zāi)害，探討淮河與洪澤湖的關(guān)系、湖區(qū)綜合治理、水資源保護利用等關(guān)鍵問題的意義重大.

目前，關(guān)于湖泊水沙變化規(guī)律及沖淤特性研究較多，多集中在鄱陽湖和洞庭湖，而洪澤湖相關(guān)研究較少. 代穩(wěn)等[1]對洞庭湖降水量、徑流量和輸沙量之間的相互關(guān)系進行分析，確定影響水沙變化的驅(qū)動因素；羅蔚等[2]分析了鄱陽湖水沙變化特征并初步探討了水沙變化規(guī)律；鄧吉秋等[3]基于 GIS 對目平湖泥沙沖淤變化進行空間定量分析；高俊峰等[4]研究表明，洞庭湖近 24 a來總的趨勢是淤積的，局部有沖刷，但總體上淤積量大于沖刷量. 針對淮河與洪澤湖沖淤演變研究主要集中在降雨徑流變化特性和沙量平衡沖淤計算方面，孫鵬等[5]分析了淮河流域中上游徑流年內(nèi)分配、年際變化、徑流趨勢、突變特征及周期變化等徑流過程變化特征；劉源等[6]分析了洪澤湖入湖水沙的周期性變化；虞邦義等[7]基于實測水沙資料，得到洪澤湖區(qū)泥沙沖淤情況. 目前，基于洪澤湖長系列水沙資料的徑流、泥沙變化規(guī)律探究較少，也尚未見運用 GIS 技術(shù)對洪澤湖泥沙沖淤時空分布進行定量研究.

本文采用長序列水沙資料和最新地形數(shù)據(jù)，通過累積距平法、Mann-Kendall(M-K)、R/S分析法等解析洪澤湖水沙的組成、時空演變規(guī)律，并預(yù)測其變化趨勢；采用GIS數(shù)據(jù)處理方法分析洪澤湖泥沙沖淤量和空間分布以及入湖水沙變化和沖淤分布的主要驅(qū)動因素，揭示自然因素和人類活動耦合作用下洪澤湖沖淤格局的時空演變規(guī)律及響應(yīng)關(guān)系.

1 水沙時空分布規(guī)律

1.1 河流水系情況

洪澤湖入湖河流主要有淮河干流、池河、懷洪新河、新汴河、濉河、老濉河和徐洪河等，大多分布于湖區(qū)的西北部；出湖河道主要有入江水道、入海水道、分淮入沂、蘇北灌溉總渠，均位于湖區(qū)東南部. 洪澤湖水系概化見圖1.

圖1 洪澤湖水系概化圖Fig.1 Water system generalization of Lake Hongze

1.2 入湖水沙歷史變化趨勢

淮河干流是洪澤湖最大的來水來沙河道，吳家渡水文站是距離洪澤湖最近的長系列水文資料觀測站點，其水沙系列可以反映洪澤湖入湖水沙特性及變化規(guī)律. 由圖2可知，吳家渡站近66 a來，多年平均徑流量為266.10×108m3，各年代平均徑流量整體上呈現(xiàn)交替狀態(tài)，并無明顯增加或減少的趨勢；多年平均輸沙量為827.02×104t，各年代平均輸沙量隨時間推移均呈明顯減小趨勢，以22.882×104t/a的速率減少，且輸沙量在1985年后整體上均低于近66 a平均值；多年平均含沙量為0.28 kg/m3，各年代平均含沙量隨時間推移均呈明顯減小趨勢，以 0.0074 kg/(m3·a)的速率減少，1990年以后含沙量基本穩(wěn)定在0.2 kg/m3以下.

1.3 入湖泥沙變異性

1.3.1 分析方法 1)累積距平法

累積距平法是由曲線直觀判斷離散數(shù)據(jù)點變化趨勢的一種非線性統(tǒng)計方法，根據(jù)曲線上下起伏特性，可以判斷序列要素長期顯著的變化趨勢及持續(xù)性變化，同時也還可以判斷出發(fā)生突變的大致時間[8].

對于某一序列x，其某一時刻t的累積距平表示為：

(1)

圖2 吳家渡站徑流量(a)、輸沙量(b)和含沙量(c)的逐年變化Fig.2 Changes in the annual runoff (a)， sediment discharge (b) and sediment concentration (c) at the Wujiadu Station

2)M-K分析法

M-K分析法適用于不符合正態(tài)分布的水沙數(shù)據(jù)，不受少數(shù)異常值的干擾，計算簡便[9].

對于具有ri個樣本量的時間序列x，構(gòu)造一秩序列：

(2)

式中，Sk為第i時刻數(shù)值大于第j時刻數(shù)值個數(shù)的累計數(shù)，ri為第i個樣本xi大于yi(1≤j≤i)的累計數(shù).

將Sk標準化得到如下統(tǒng)計量：

(3)

式中，UF1=0，E(Sk)和var(Sk)分別為Sk的均值和方差. 給定顯著性水平α，若|UFk|>Uα/2,則表明時間序列存在明顯的變化趨勢.

將時間序列x按逆序重復(fù)上述步驟，同時使：

UBk=-UFk(k=n,n-1,n-2,…,1)

(4)

通過對UBk和UFk曲線的分析，得到突變時間與突變區(qū)域.

1.3.2 變異性規(guī)律 采用累積距平法對吳家渡站年均來沙量進行多沙-少沙變化規(guī)律分析，年輸沙量與年含沙量多沙-少沙變化過程基本相同，1980s前為多沙期，隨后轉(zhuǎn)入少沙期(圖3). 采用M-K法對來沙序列進行突變檢驗，來沙量的UFk值整體都為負值，表明來沙量一直處于減少的趨勢，減少趨勢顯著，突變發(fā)生在1980s(圖4).

圖3 來沙量累積距平曲線Fig.3 Cumulative anomaly curve of incoming

圖4 來沙量M-K法統(tǒng)計量曲線Fig.4 Statistic curve of M-K method in sand volume

1.4 入湖泥沙未來變化趨勢

1.4.1 分析方法 R/S分析法最先是由英國水文家Hurst提出的一種基于長程相關(guān)思想的時間序列統(tǒng)計方法，已發(fā)展為一種廣泛應(yīng)用的趨勢分析方法[10]，其基本原理如下：

考慮一個時間序列{ξ(t)}，t=1，2，…. 對于任意正整數(shù)τ≥1，定義均值序列為：

(5)

累積離差X(t，τ)為：

(6)

極差R(τ)為：

R(τ)=max1≤t≤τX(t，τ)-min1≤t≤τX(t，τ) (τ=1,2,3,4,…,n)

(7)

標準差S(τ)為：

(8)

研究發(fā)現(xiàn)：

R(τ)/S(τ)=K(τ/2)H

(9)

式中，K為比例系數(shù)，H為Hurst指數(shù).

圖5 吳家渡站來沙量R/S法統(tǒng)計量曲線Fig.5 R/S statistic curve of incoming sand volume at the Wujiadu Station

1.4.2 變化趨勢分析 采用R/S分析法對吳家渡站未來一段時間內(nèi)來沙趨勢進行判斷. 由圖5可知，來沙量時間序列R/S法統(tǒng)計量H回歸擬合程度較好，輸沙量、含沙量與歷時的相關(guān)系數(shù)R2分別可達到0.9645和0.9628. 輸沙量和含沙量時間序列的Hurst指數(shù)均大于0.5，表明未來一段時間輸沙過程具有持續(xù)性，且與歷時有正相關(guān)性，即未來變化趨勢將和輸沙量歷史總體趨勢保持相同.

1.5 入出湖水沙空間分布

淮河干流小柳巷站是距離洪澤湖最近的水文站，于1982年建站，能夠更好地反映近期淮河干流入洪澤湖水沙量，以其近34 a的水沙系列分析入、出湖水沙空間分布,對于個別年份缺測資料進行了相關(guān)插補[13]. 由表1可知，1983-2016年淮河(淮河干流和池河)來水來沙量均占入湖總量的89.6%，平均含沙量為0.19 kg/m3；懷洪新河來水量占5.7%，來沙量僅占1.5%，平均含沙量為0.05 kg/m3，懷洪新河下游地區(qū)地勢低洼，湖泊、河道眾多，泥沙沉積后入湖量較?。讳嗪油菸鞅敝Я鱽硭空?.8%，來沙量占6.5%，平均含沙量為0.33 kg/m3，含沙量較大. 由表2可知，三河閘是水沙出湖的主要通道，約60%水沙量經(jīng)入江水道排入長江，未考慮蒸發(fā)和取用水. 洪澤湖水沙同源，輸沙量的大小受控于來水量大小，符合大水大沙的特點.

表1 1983-2016年洪澤湖入湖水沙空間分布

表2 1983-2016年洪澤湖出湖水沙空間分布

2 輸沙平衡沖淤分析

2.1 近期沖淤年際分布規(guī)律

根據(jù)洪澤湖入湖和出湖控制站計算出湖區(qū)年際泥沙沖淤量，沖淤年際分布見圖6. 洪澤湖1983-2016年總體趨勢是淤積，總來沙量為19726.8×104t，出沙量為9522.5×104t，淤積量為10204.8×104t，淤積率為51.7%，多年平均淤積量為300.1×104t，其中2007年淤積量最大，為1044.4×104t. 系列資料34 a中2001、2009、2011、2012年發(fā)生微沖，沖刷量都小于50×104t；1994和2014年輸沙基本平衡；1992、1993、1995、1997和1999年共5 a 發(fā)生微淤，淤積量小于100×104t，其余23 a洪澤湖都發(fā)生淤積，淤積量大于100×104t.

圖6 洪澤湖年際沖淤分布Fig.6 Interannual scouring and deposition of Lake Hongze

2.2 長系列沖淤量及變化趨勢

文獻[7]推算了1950-1959年、1966-1976兩個時段的洪澤湖沖淤量；文獻[12]計算了1960-1965 年、1972-1982年兩個時段的洪澤湖沖淤量；結(jié)合近期水沙資料，進一步推算出1950-2015 年洪澤湖總淤積量為30174×104t，年均淤積457×104t. 從表3可以看出，洪澤湖淤積量呈減少趨勢，洪澤湖淤積量減少與淮河干支流來沙量變化趨勢一致.

表3 洪澤湖各年代平均淤積量

3 湖盆沖淤分布規(guī)律

以1992年(1∶10000地形圖 ，1985國家高程)和2016年(1∶10000地形圖，1985國家高程)實測地形圖為研究的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，基于GIS的泥沙沖淤變化空間定量分析和地理空間數(shù)據(jù)，運用數(shù)字化、GIS的數(shù)據(jù)處理和空間分析功能，實現(xiàn)對不同時間泥沙淤積狀態(tài)的計算與對比，從而對泥沙沖淤的空間分布變化進行計算與分析.

3.1 沖淤高程分布特征

本次僅分析洪澤湖湖區(qū)13.5 m高程以下湖盆的沖淤變化，不包含周邊滯洪圩區(qū)及湖泊洼地. 湖區(qū)1992年高程見圖7a，2016年高程見圖7b，1992和2016年庫容變化見表4，可以看出，整個湖區(qū)庫容增加0.91×108m3，包括采砂量和航道疏浚量. 9.5 m高程以下湖區(qū)變化最大，庫容增加0.92×108m3，主要變現(xiàn)為局部深坑；10.5 m高程以下庫容增加1.29×108m3，9.5～10.5 m高程區(qū)域庫容增加0.37×108m3，主要變現(xiàn)為局部深坑和航道變化；11.5 m高程以下庫容增加0.71×108m3，10.5～11.5 m高程區(qū)域庫容減少0.58×108m3，說明該區(qū)域發(fā)生了淤積；11.5～13.5 m之間湖區(qū)庫容變化較小，沖淤幅度較小.

2016年湖底出現(xiàn)較多深坑，局部區(qū)域下切近6 m，初步分析，湖區(qū)深坑不是自然沖淤的結(jié)果，而是人工采砂造成的[13]. 為了反映湖區(qū)真實沖淤量，需要對局部DEM地形進行修正，扣除明顯的采砂坑和航道疏浚量后，湖區(qū)表現(xiàn)為淤積，淤積量為4200×104m3，平均淤積厚度為0.03 m. 航道整治方量修正計算方法，以2016年地形航道邊界為基準，將航道區(qū)域沖淤量設(shè)置為0 m3；人工采砂量周邊修正計算方法，將采砂坑周邊局部靜水或流速較小且沖刷厚度大于0.3 m區(qū)域的沖刷量設(shè)置為0 m3.

圖7 洪澤湖湖區(qū)1992年(a)和2016年(b)高程Fig.7 Elevations of Lake Hongze in 1992 (a) and 2016 (b)

表4 各高程湖區(qū)庫容及變化量(×108 m3)

圖8 湖區(qū)沖淤空間分布(+為淤積；-為沖刷)Fig.8 Spatial distribution of erosion and deposition in the lake area (+ : deposition; -: scour)

3.2 沖淤空間分布特征

湖區(qū)不同區(qū)域的形態(tài)和水流特性相差較大，沖淤變化亦不同，根據(jù)入、出流位置和湖區(qū)形態(tài)將湖盆分為5個區(qū)域，分別為淮干入湖口區(qū)、溧河洼區(qū)、成子湖區(qū)、三河閘區(qū)和中心湖區(qū)(圖8). 淤積區(qū)域主要集中在淮干入湖口、溧河洼以及臨淮鎮(zhèn)和半城鎮(zhèn)局部區(qū)域；成子湖和三河閘區(qū)沖淤幅度較小，局部回淤；中心湖區(qū)沖淤總體表現(xiàn)為沖刷，沖刷量較小. 淮干入湖口區(qū)淤積量約為2300×104m3，局部淤積厚度達1.0 m，平均淤積厚度為0.35 m. 溧河洼主要淤積在懷洪新河入湖口以上湖區(qū)，淤積量約為1900×104m3，平均淤積厚度為0.25 m；懷洪新河入湖口以下湖區(qū)未淤積，有微沖. 臨淮鎮(zhèn)和半城鎮(zhèn)等局部區(qū)域淤積約為900×104m3. 中心湖區(qū)總體表現(xiàn)為沖刷，西部沖淤基本平衡，東部湖區(qū)湖底下切，下切深度為0.1～0.2 m，庫容約增加1600×104m3，由于區(qū)域內(nèi)采砂嚴重，庫容增加并非自然沖刷的結(jié)果.

3.3 地形法與輸沙法對比

按地形法計算，1992-2016年間，扣除人工采砂和航道疏浚量后，湖區(qū)表現(xiàn)為淤積，淤積區(qū)域為淮干入湖口和溧河洼區(qū)西北部，淤積量為4200×104m3，這兩個區(qū)域是湖區(qū)沙源所在. 按輸沙法計算，1992-2016年間，湖區(qū)共淤積5600×104t，相當(dāng)于淤積量為3700×104m3. 兩種計算方法結(jié)果基本吻合，也可以說明洪澤湖來沙主要淤積在淮干入湖口和溧河洼區(qū)域，其他湖區(qū)沖淤基本平衡.

4 水沙變化和湖盆演變驅(qū)動因素

4.1 水沙變化趨勢原因分析

出湖水沙特性受入湖水沙、降雨、蒸發(fā)、湖區(qū)沖淤、水資源利用等因素影響，其核心因素是入湖水沙條件，這里僅分析入湖水沙變化原因.

1)洪澤湖入湖水量變化的主導(dǎo)因素為天然降雨. 1950s以來，洪澤湖流域面雨量呈波動增加趨勢，但是總體變化趨勢不明顯[11,14-15]，流域用水總量雖然呈現(xiàn)緩慢增長趨勢，但增長緩慢，并且增加量主要源于地下水[18]. 面雨量和用水量均沒有發(fā)生明顯變化，洪澤湖入湖水量也無明顯變化趨勢.

2)流域大型水庫和河道閘壩的蓄水?dāng)r沙是入湖沙量減少的重要原因[16]. 淮河上游山區(qū)和淮北平原水系是淮河流域的主要產(chǎn)流產(chǎn)沙區(qū)，1970s建成了五岳、潑河和鲇魚山水庫，1987年板橋水庫復(fù)建，1993年石漫灘水庫復(fù)建，隨著水庫庫容的增加，攔沙作用更為明顯，使得上游泥沙淤積在水庫中，淮河中游河道含沙量減小. 1990s，淮河水系水庫和閘壩建設(shè)基本完成，區(qū)域來沙也基本穩(wěn)定下來.

3)農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)改變和水土保持改變了流域下墊面[17]. 淮北平原是我國重要的糧食生產(chǎn)基地，淮北支流洪汝河、沙潁河來沙量對淮河干流影響較大. 1980s開始，為了增加糧食產(chǎn)量，采用精耕細作、涵養(yǎng)水分和養(yǎng)分、增加復(fù)種指數(shù)等措施，這些技術(shù)措施正是水土保持的第一道防線. 同時，種植結(jié)構(gòu)也發(fā)生一些變化，如旱地作物向水田作物轉(zhuǎn)變、糧食作物向經(jīng)濟作物轉(zhuǎn)變等，地面裸土面積減小，改變了淮北地區(qū)的下墊面. 同時，治淮骨干工程要求進一步加大水土保持工程建設(shè)，水土流失得到了有效的遏制，使得淮河干流含沙量繼續(xù)減小.

4)人工采砂直接影響入湖沙量，而且改變河床形態(tài). 1980s中后期，淮河干流及主要支流河道開始大規(guī)模采砂，根據(jù)淮干歷次地形及歷史水沙資料計算分析，僅淮河干流王家壩至浮山段河道人工采砂量約為2×108m3，無序采砂導(dǎo)致河床出現(xiàn)大量不連續(xù)的深坑，河道成為沉砂池.

4.2 湖盆演變原因分析

2016年較1992年洪澤湖13.5 m高程以下庫容增加9100×104m3，而大部分區(qū)域表現(xiàn)為淤積或者沖淤基本平衡，僅局部區(qū)域出現(xiàn)深坑，湖區(qū)不同區(qū)域沖淤特性差別較大，導(dǎo)致這種現(xiàn)象的主要原因如下：

1)湖區(qū)水動力特性是泥沙自然淤積分布的重要影響因素[18]. 湖區(qū)泥沙淤積區(qū)域為淮河干流入湖口和溧河洼北部，是湖區(qū)最大的兩個來水來沙區(qū). 淮河干流入湖口水面突然開闊，入湖河段河底倒比降，洪水期河道段流速為1～2 m/s，進入湖區(qū)擴散段后流速降至0.5 m/s以下，水動力條件減弱，挾沙能力明顯下降，導(dǎo)致河口泥沙累積性淤積，特別是入湖河口淤積淺灘發(fā)育.

2)圍湖造田和圍網(wǎng)養(yǎng)殖是洪澤湖局部淤積的重要原因. 洪澤湖的圈圩墾殖和圍網(wǎng)養(yǎng)殖始于1960s，在高程12.5 m以下的灘地進行圈地種植，主要分布在溧河洼湖區(qū)、淮干入湖口、臨淮鎮(zhèn)和半城鎮(zhèn)等西北湖區(qū)，這些區(qū)域正是湖區(qū)的淤積位置. 圈圩墾殖和圍網(wǎng)養(yǎng)殖不僅占用洪澤湖庫容，而且嚴重阻水，成為泥沙的沉積區(qū)，這也是淮干入湖口和溧河洼湖區(qū)泥沙淤積的重要原因. 1980s以來，洪澤湖西岸臨淮鎮(zhèn)附近的湖泊變化最大，大部分湖泊己經(jīng)被變成了圍網(wǎng)養(yǎng)殖區(qū)[19]，從航拍圖片(圖9)來看，近岸的湖面被隔堤和漁網(wǎng)切割成一個個小塊，向內(nèi)湖延伸近千米.

3)人工采砂是影響湖區(qū)庫容的主要因素之一. 中心湖區(qū)東部出現(xiàn)大量深坑，且湖底出現(xiàn)大面積下切，此區(qū)域并非主流區(qū)，不會出現(xiàn)大范圍沖刷，原因是人工采砂[13]. 2005年，洪澤湖開始出現(xiàn)采砂；2006年，采砂區(qū)域向洪澤湖水域縱深發(fā)展；2010年，采砂區(qū)域擴大至泗洪、泗陽等多水域；2015 年，采砂區(qū)域擴大整個湖區(qū)，采砂船已增加到600余條(圖10). 隨著采砂區(qū)域不斷擴大和采砂船數(shù)量不斷增加，大規(guī)模采砂活動對湖區(qū)庫容產(chǎn)生較大影響. 1992-2016年，洪澤湖采砂量超1×108m3，除采砂區(qū)域，期間洪澤湖表現(xiàn)為淤積或沖淤基本平衡狀態(tài)，人類活動的影響遠大于自然沖淤.

圖9 溧河洼圍網(wǎng)養(yǎng)殖航拍圖Fig.9 Aerial photography of seine culture in Lihewa

圖10 2014年洪澤湖局部水域采砂航拍圖Fig.10 Aerial photo of sand mining in Lake Hongze in 2014

5 結(jié)語與探討

1)基于洪澤湖1950-2016年的實測水沙資料以及1992年和2016年地形資料，對其水沙變化趨勢和湖區(qū)沖淤分布進行了定量計算與定性分析. 結(jié)果表明，洪澤湖入湖水量無明顯增加或減少的趨勢，輸沙量和含沙量呈明顯減小趨勢，淮河干流(包括池河)入湖水量和沙量約占入湖總量的89.6%；(2)淮河干流入湖口和溧河洼上部為主要淤積區(qū)域，平均淤積厚度0.35和0.25 m，其他區(qū)域自然沖淤基本平衡；(3)水庫和道閘壩的攔沙作用，農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)變化，水土保持、大規(guī)模采砂等因素導(dǎo)致入湖沙量減少；湖區(qū)水動力特性是泥沙自然淤積的主導(dǎo)因素，而湖區(qū)庫容變化的主因則是人工采砂、圍湖造田和圍網(wǎng)養(yǎng)殖，且人類活動的影響遠大于自然沖淤.

2)1992-2016年間，在自然和人類活動作用下，淮干入湖口和溧河洼區(qū)域出現(xiàn)淤積，但淤積厚度不大；湖區(qū)沖淤基本平衡，淮干入湖口至三河閘、淮干入湖口至二河閘和懷洪新河入湖口至二河閘等以及湖區(qū)主要流路也沒有出現(xiàn)淤積現(xiàn)象. 根據(jù)入湖水沙變化規(guī)律，在流域下墊面不發(fā)生較大變化條件下，入湖含沙量將維持在較低水平，淤積量也將處于較低水平. 洪澤湖綜合整治涉及湖區(qū)疏浚，河床穩(wěn)定性以及入海水道、入江水道、馮鐵營引河和老河道如何銜接等問題，水沙變化趨勢和沖淤時空分布規(guī)律可以為湖區(qū)綜合治理提供參考.