湄公河-洞里薩湖河湖關(guān)系與水文情勢驅(qū)動響應(yīng)研究
——關(guān)鍵科學(xué)問題與技術(shù)實(shí)現(xiàn)路徑

李 昌 文，黃 艷

(1.三峽大學(xué) 水利與環(huán)境學(xué)院，湖北 宜昌 443000； 2.長江勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430010； 3.水利部長江勘測技術(shù)研究所，湖北 武漢 430011； 4.水利部長江水利委員會，湖北 武漢 430010)

0 引 言

瀾滄江-湄公河是東南亞一條重要的跨國界水系(見圖1)，被稱為“東方的多瑙河”。流經(jīng)中國、緬甸、老撾、泰國、柬埔寨和越南6國，在中國境內(nèi)稱為瀾滄江，出境后稱為湄公河，干流總長4 880.00 km，是亞洲第三、世界第六長河，流域面積81.24萬km2，是世界第十四大河；多年平均年徑流量4 750億m3，流域面積與黃河相當(dāng)，而水量約為黃河的10倍，以其優(yōu)越的自然條件哺育滋養(yǎng)著沿岸6國人民，是沿岸國家的重要經(jīng)濟(jì)紐帶和資源命脈。瀾滄江-湄公河是世界著名的雨洪河流，洪水峰高量大，上丁站一次洪水歷時(shí)平均約90 d，最大90 d洪量為3 601億m3，單位面積(1 km2)實(shí)測最大洪峰流量為0.123 m3/s，接近全球雨洪河流極值[1]，以其嚴(yán)重和頻繁的洪水災(zāi)害影響著流域各國的社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展[2]。

本次選取湄公河流域國家關(guān)切度最大、全球江湖關(guān)系代表性強(qiáng)的湄公河三角洲和洞里薩湖區(qū)(位置關(guān)系見圖2)為研究對象，研究區(qū)域面積16.12萬km2。湄公河三角洲面積7.52萬km2，干流長527.80 km，分別占全流域的9.3%和10.8%，為東南亞最大的平原，是柬埔寨和越南的經(jīng)濟(jì)及糧食安全戰(zhàn)略核心區(qū)。柬埔寨湄公河三角洲面積、人口、GDP分別占柬埔寨全國的19%，43%和50%，越南湄公河三角洲面積、稻谷、魚類、水果產(chǎn)量分別約占越南全國的12%，50%，33%和33%。洞里薩湖在柬埔寨首都金邊通過洞里薩河匯入湄公河，流域面積8.60萬km2，占全流域的10.5%，是東南亞最大的淡水湖泊，最大面積(15 261 km2)和容積(787億m3)分別約為鄱陽湖的4倍和3倍，流域面積、人口、GDP分別占柬埔寨全國的45%，50%和44%，不僅是湄公河最重要的洪水、泥沙調(diào)蓄場所和生態(tài)緩沖區(qū)，還是柬埔寨“四角戰(zhàn)略”和“東南亞糧倉”等國家戰(zhàn)略的重要依托，被稱為“柬埔寨的心臟”和“生命之湖”，對湄公河發(fā)揮著巨大的蓄豐補(bǔ)枯功能，對國際生物多樣性保護(hù)和三角洲生態(tài)安全維系具有極其重要的意義。

獨(dú)特的水文氣候及地理位置決定了湄公河與洞里薩湖特殊的水量交換格局，奠定了洞里薩湖在湄公河流域乃至世界上濕地生態(tài)系統(tǒng)中的重要地位。洞里薩湖是全球重要的吞吐型、季節(jié)性大型濕地，如同湄公河的“腎”與其連為一體，相互依托、相互作用和相互影響，構(gòu)成了世界上最為著名且復(fù)雜的河湖關(guān)系。湄公河治理的難點(diǎn)之一就在于如何處理好湄公河與洞里薩湖關(guān)系。正因?yàn)槿绱?，湄公河與洞里薩湖的河湖關(guān)系一直是國際社會關(guān)注的熱點(diǎn)問題，但由于相關(guān)研究成果嚴(yán)重不足，致使其重要水文過程機(jī)理仍不明晰，主要有如下表現(xiàn)。

(1) 湄公河與洞里薩湖降雨徑流年內(nèi)分配極為不均，全年90%的降水和84%的徑流集中在雨季，加之柬埔寨湄公河三角洲和洞里薩河河道槽蓄能力不夠，沿程多數(shù)河段防洪能力低于5 a一遇，造成洪災(zāi)問題突出，湄公河與洞里薩河季節(jié)性的河漫灘運(yùn)動巨大，其中磅湛至金邊段漫灘現(xiàn)象最為嚴(yán)重，多年平均漫灘水量達(dá)到312億m3[2]，現(xiàn)有手段難以有效模擬洪水漫灘的時(shí)空量變化規(guī)律，影響湄公河與洞里薩湖河湖關(guān)系邊界條件的辨識。補(bǔ)齊這一研究短板，亦可為下一步科學(xué)處理河湖蓄泄關(guān)系與左右岸防洪關(guān)系奠定基礎(chǔ)。

(2) 湄公河三角洲為感潮河段，洪水與天文大潮的遭遇機(jī)率較大，在徑流和河床邊界條件阻滯下，漲、落潮歷時(shí)不對稱，各入海汊道雨旱季與豐枯水年的潮差及分流比不一，潮流上溯過程中潮波變形明顯，現(xiàn)有研究尚未界定湄公河的潮流界與潮區(qū)界，河口潮汐對河湖匯流段水位的影響大小還有待定量揭示。

(3) 湄公河三角洲和洞里薩湖區(qū)地形平緩，河道平均比降分別為0.020 0‰～0.040 0‰和0.002 4‰～0.098 8‰[3]。獨(dú)特的地形造成洪泛區(qū)水位-面積-容積關(guān)系過渡平緩，受河槽、洪泛平原、湖泊蓄洪補(bǔ)枯影響，湄公河和洞里薩湖水位洪枯差異較小、漲落緩慢，導(dǎo)致水動力條件復(fù)雜，河湖相互頂托作用強(qiáng)大，頂托機(jī)理尚不明晰。湄公河與洞里薩湖洪水遭遇組合復(fù)雜，但洞里薩湖區(qū)的支流眾多，部分支流無控制水文站，有控制水文站的資料系列也較多缺測、系列長短不一，現(xiàn)有資料條件難以深入研究河湖洪水遭遇規(guī)律，影響河湖關(guān)系驅(qū)動條件的識別。

(4) 受控于湖區(qū)地形、湖區(qū)支流及湄公河來流與水位豐枯的不同遭遇影響，洞里薩湖洪、枯水期的水位、面積、容積相差較大，實(shí)測最高水位10.54 m，最低水位1.11 m，相應(yīng)最大湖泊面積和容積分別是最小值的7倍和101倍，5月面積最小，平均為2 487 km2，10月面積最大，平均為12 768 km2，多年平均面積變幅10 628 km2[4]，這與鄱陽湖面積極值比達(dá)129、容積極值比達(dá)482的特點(diǎn)差異顯著。在此自然景觀特點(diǎn)下，洞里薩湖的河、湖相特征是怎樣的，它與鄱陽湖類似的“高水是湖、低水似河”的特征有何差異，以及河湖相的轉(zhuǎn)換規(guī)律等，尚待揭示。

(5) 湄公河與洞里薩湖之間存在著巨大的水沙互動、反饋和頂托效應(yīng)，水量交換強(qiáng)度大。雨季湄公河漲水長歷時(shí)倒灌洞里薩湖，年均倒灌歷時(shí)122 d，是中國長江倒灌鄱陽湖歷時(shí)的8倍；年均倒灌水量達(dá)377億m3，是長江倒灌鄱陽湖水量的13倍，占湄公河干流同期來水的14.4%；倒灌洪峰8 402 m3/s，占干流同期來水的20%，大大減輕了湄公河的洪水威脅，但卻造成湖區(qū)洪災(zāi)頻繁[3，5]。旱季湖水注入湄公河，年均補(bǔ)水歷時(shí)244 d，補(bǔ)水水量711億m3，是湄公河倒灌入湖水量的1.96倍，占湄公河下游同期來水的29.9%[3]，保證三角洲供水、灌溉、航運(yùn)、生態(tài)等維持一定的水量與水位。湄公河與洞里薩湖河湖水通量交互方式多樣，包括倒灌(河灌湖)、補(bǔ)水(湖補(bǔ)河)、漫灘(河湖漫灘相互補(bǔ)給)、頂托(湄公河干流來流與洞里薩湖出流相互頂托)等類型，河湖水量交換水文-水動力條件極其復(fù)雜，不僅與湄公河和洞里薩湖的徑流豐枯差異有關(guān)，直接反映了受到洞里薩河水位(對應(yīng)過水?dāng)嗝婷娣e，不同水位下差異極大，集中反映了洞里薩河枯季歸槽、洪季漫灘這一季節(jié)性變化特性，表征動能)及河湖水位差(反映洞里薩湖出口段的水流阻力，表征勢能)的影響，還受到洞里薩湖及湄公河三角洲洪泛平原調(diào)蓄、潮汐頂托、風(fēng)浪等因素的影響，在洞里薩湖水位高于湄公河水位時(shí)會發(fā)生少量倒灌現(xiàn)象。在湄公河水位高于洞里薩湖水位時(shí)亦發(fā)生少量補(bǔ)水現(xiàn)象?；趯?shí)測資料和水文學(xué)統(tǒng)計(jì)方法難以單獨(dú)精準(zhǔn)剝離各指標(biāo)對河湖水量交換及湄公河與洞里薩湖水文情勢的影響大小及其作用機(jī)理，有待借助于水動力學(xué)模型深入研究河湖關(guān)系的水文-水動力學(xué)條件及其內(nèi)涵。當(dāng)前，湄公河與洞里薩湖河湖水量交換關(guān)系與水文情勢驅(qū)動機(jī)理和響應(yīng)關(guān)系方面的研究還不夠，尚不能滿足流域水庫群聯(lián)合應(yīng)急調(diào)度及湄公河三角洲和洞里薩湖區(qū)水文預(yù)報(bào)、綜合治理的需要，亟需就相關(guān)的關(guān)鍵科學(xué)問題開展系統(tǒng)研究并取得突破。

因此，擬基于現(xiàn)場調(diào)研、水文統(tǒng)計(jì)、遙感反演等手段，開展河湖水文情勢及水量交換關(guān)系特征診斷研究，以探尋河湖水情驅(qū)動機(jī)理的關(guān)鍵制約問題；構(gòu)建湄公河與洞里薩湖水文-水動力耦合模型，來定量揭示河湖水情-水動力條件-河湖水通量交互-洞里薩湖水文節(jié)律的驅(qū)動響應(yīng)機(jī)理；構(gòu)建河湖水量交換關(guān)系與洞里薩湖水文情勢全過程變化量的關(guān)系圖譜，有助于豐富江湖關(guān)系科學(xué)內(nèi)涵，為長江與鄱陽湖等國際上其他同類江湖關(guān)系研究提供有益借鑒。開展上述研究可為指導(dǎo)柬埔寨水旱災(zāi)害問題應(yīng)對、確保河湖健康安瀾奠定支撐基礎(chǔ)，具有重要的理論意義和工程應(yīng)用價(jià)值。

圖2 湄公河與洞里薩湖位置關(guān)系Fig.2 Location relationship between the Mekong River and Tonle Sap Lake

1 湄公河-洞里薩湖河湖關(guān)系與水文情勢驅(qū)動響應(yīng)機(jī)理研究現(xiàn)狀及發(fā)展動態(tài)

根據(jù)擬研究內(nèi)容，從湄公河與洞里薩湖水文情勢、河湖水量交換關(guān)系、水文水動力學(xué)模型及水情驅(qū)動響應(yīng)機(jī)制等3個方面論述國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，分述如下。

1.1 河湖水文情勢變化規(guī)律

湄公河與洞里薩湖水文情勢是河湖關(guān)系的直接表征，研究其特征是認(rèn)識河湖水量交換規(guī)律的基礎(chǔ)。隨著經(jīng)濟(jì)全球化進(jìn)程的推進(jìn)，水電開發(fā)已成為瀾滄江-湄公河流域一種客觀發(fā)展趨勢，是沿岸國家推動經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要手段[6]。在瀾滄江干流、湄公河干流、湄公河支流上分別已建水庫6，2座和54座，2040年前湄公河支流還將新建水庫83座[7]。這些水庫在發(fā)揮巨大綜合效益的同時(shí)，又強(qiáng)力驅(qū)動著湄公河與洞里薩湖水情的變化，對水利工程影響下的河湖水情變化的識別與分析，是目前研究的熱點(diǎn)。目前，國內(nèi)外對河湖水情的研究多為利用河湖控制站的水情觀測資料，借助于數(shù)理統(tǒng)計(jì)、時(shí)間序列等分析方法來分析水情變化的周期特性、年內(nèi)年際變化特性。

針對湄公河干流的水情變化，不少科學(xué)工作者做過有益的探討，主要包括徑流變化特性[8]、洪水特征[9]、水沙變化特性[10]等。其中，氣候變化和人類活動對于湄公河干流水情的影響研究較多。隨著海平面上升，咸潮入侵和土壤鹽堿化問題日漸突出，近年來越南湄公河三角洲咸水上溯范圍異常擴(kuò)張，影響供水與灌溉，受厄爾尼諾現(xiàn)象的影響，2016年枯季湄公河三角洲地區(qū)遭受了近百年來最嚴(yán)重的旱情[11]。為此，李妍清等[12]分析了瀾滄江梯級水庫對湄公河應(yīng)急補(bǔ)水的效果。Park等[13]通過分析越南湄公河三角洲洪水頻率的時(shí)空趨勢，同時(shí)考慮到堤壩建設(shè)的影響，提出了2000年以后洪水淹沒持續(xù)時(shí)間明顯減少、洪災(zāi)頻率大大降低與河床采砂造成的河床降低及過去幾十年來堤防建設(shè)密切相關(guān)。Hackney等[14]研究表明，湄公河過度采砂已造成河床水位大幅降低，引起河岸不穩(wěn)。Alberto[15]研究表明，湄公河三角洲正在下沉和收縮，土壤和含水層鹽堿化加劇，沿海紅樹林帶退化，生態(tài)系統(tǒng)普遍退化，原因是地下水過度開采、上游水庫攔沙、大量采砂、基礎(chǔ)設(shè)施擴(kuò)張及海平面上升。Lacombe等[16]以湄公河支流南烏河為例進(jìn)行研究，并指出水電開發(fā)可增加湄公河旱季流量5%～15%，有利于下游灌溉，但在特枯年份水庫無法蓄水，隨著用水需求增加湄公河流量將大幅減少。Rubin等基于湄公河干流和三角洲地貌評估和水庫攔沙模型進(jìn)行研究，預(yù)測表明瀾滄江-湄公河流域的140座水庫全部建成后，可攔截96%的沙量，將對湄公河三角洲水流泥沙產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響[17-18]。Dang等[19]研究表明湄公河流域135個水庫的建設(shè)對湄公河洪泛平原的自然水文狀況影響較大，主要表現(xiàn)為增加了三角洲的水位變化速度，其中柬埔寨洪泛平原可緩解其對越南湄公河三角洲的影響。越南自然資源與環(huán)境部委托丹麥水利研究所、美國HDR公司評估了湄公河干流上規(guī)劃的11座水電站開發(fā)對柬埔寨和越南水流情勢、泥沙的影響[20]。聯(lián)合國教科文組織出資、斯德哥爾摩環(huán)境研究所開展了湄公河流域泥沙現(xiàn)狀及趨勢分析研究，并建模評估了干流水電開發(fā)對泥沙的影響[21]。

洞里薩湖是湄公河三角洲重要的吞吐型湖泊，湖泊水位變動不僅受氣候因素等自然條件的影響，同時(shí)受到湄公河和湖區(qū)支流來水等重要影響。目前，對于洞里薩湖水情的研究主要集中在湖區(qū)支流徑流量變化[22]、出湖水量變化[23]、水量平衡分析[24]及水位變化[25]等。特別是近年來氣候變化[26-27]及水利工程[28]等人類活動影響加劇，洞里薩湖水位和水量變化呈現(xiàn)出新的變化特征和趨勢。洞里薩湖正遭受過度捕撈、水壩和生境破碎化的威脅，其中，湄公河流域正在激增的水電建設(shè)擾亂了洞里薩湖自然的季節(jié)性河流脈動[29]。Cochrane等[30]研究了水利設(shè)施建設(shè)對洞里薩湖水位的影響；Yu等[31]揭示了流域開發(fā)對洞里薩湖洪泛面積的影響程度；Kim等[26]應(yīng)用遙感技術(shù)揭示了柬埔寨的水位變化、降水變化模式和森林砍伐之間的關(guān)系，并使用蒙特卡洛模擬方法確定了降水和森林砍伐的趨勢，分析了它們對未來洪水風(fēng)險(xiǎn)的影響。

總體來看，在河湖水文情勢變化規(guī)律方面，以往以河或者湖單一對象的分析較多，而對河湖疊加效應(yīng)的研究較少，已有成果尚未解決湄公河與洞里薩湖水位漲落互饋關(guān)系、湄公河洪季漫灘與枯季歸槽規(guī)律、洞里薩湖洲灘高水漫溢與低水出露規(guī)律、潮汐對河湖關(guān)系影響程度、河湖來水地區(qū)組成以及豐枯遭遇規(guī)律等對河湖水量交換關(guān)系影響較大的水文過程的認(rèn)知問題。

1.2 河湖耦合水文水動力學(xué)模型

國內(nèi)外學(xué)者試圖通過建立水文、水動力學(xué)數(shù)學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜河網(wǎng)系統(tǒng)的數(shù)值模擬，但有關(guān)河湖關(guān)系的水文水動力學(xué)模型研究不多。Tang[32]、Mohammed[33]、Piman[34]等基于SWAT模型構(gòu)建了湄公河流域或區(qū)域分布式水文學(xué)模型；Trieu[35]基于MIKE 11構(gòu)建了越南湄公河三角洲一維水動力學(xué)模型；Trinh等[36]基于MIKE 21構(gòu)建了越南湄公河三角洲區(qū)域二維水動力學(xué)模型；Wu等[37]建立了洞里薩湖分布式水文模型；丹麥水利研究所基于MIKE 21構(gòu)建了洞里薩湖二維水力學(xué)模型[19]。國內(nèi)主要針對長江與洞庭湖、鄱陽湖江湖關(guān)系開展了有關(guān)水文水動力學(xué)模型研究。徐衛(wèi)紅[38]研究了復(fù)雜防洪系統(tǒng)數(shù)值模擬的理論方法和模型構(gòu)建，首次實(shí)現(xiàn)了洞庭湖區(qū)復(fù)雜防洪系統(tǒng)的聯(lián)合調(diào)洪模擬；周柏林等[39]在長江中下游水沙整體宏觀數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，建立了七里山水域二維水沙局部細(xì)致模擬數(shù)值模型；張南[40]對水動力數(shù)值模擬過程中所涉及的建模方法、數(shù)值模擬方法、流場可視化等問題進(jìn)行了詳細(xì)剖析，提出并實(shí)現(xiàn)了全面的水動力數(shù)值模擬解決方案。綜上，已有研究以河或者湖單一對象的建模較多，尚未實(shí)現(xiàn)河湖耦合聯(lián)算，不符合湄公河三角洲與洞里薩湖區(qū)大型連通水網(wǎng)復(fù)雜水力交互規(guī)律，水文數(shù)據(jù)不夠、精度不高、水文預(yù)報(bào)難度大等基礎(chǔ)問題亦未通過模型得以解決，還需要深入開展河湖耦合的水文水動力模型研究，對河湖關(guān)系變化規(guī)律進(jìn)行精細(xì)化模擬。

1.3 河湖水量交換關(guān)系及水情驅(qū)動機(jī)制

針對湄公河三角洲和洞里薩湖區(qū)的治理，首先要理清湄公河與洞里薩湖水量交換關(guān)系演變的規(guī)律與趨勢。長期演變形成的水量交換關(guān)系錯綜復(fù)雜，水通量交互特征主要表現(xiàn)為湄公河洪水倒灌及漫灘進(jìn)入洞里薩湖、洞里薩湖汛后通過洞里薩河及洪泛區(qū)向湄公河補(bǔ)水、湄公河來流與洞里薩湖出流相互頂托等。Mak等[41]統(tǒng)計(jì)了湄公河倒灌入湖水量；Qu等[42]分析了洞里薩湖的調(diào)洪作用；李昌文[3，43]、Xu[44]等基于實(shí)測資料和水文統(tǒng)計(jì)法揭示了河灌湖、湖補(bǔ)河的時(shí)間及量級變化特征及基本規(guī)律，初步分析了湄公河下泄水量與洞里薩湖出流的相互頂托作用及影響程度，研究了洞里薩湖對本流域和湄公河干流洪水的調(diào)蓄作用；Pokhrel等[45]認(rèn)為：雖然目前尚未發(fā)現(xiàn)大壩對湄公河下游洪水脈沖的潛在影響，但基于水動力學(xué)模型可以預(yù)測湄公河干流徑流調(diào)節(jié)對下游河漫灘動力學(xué)的影響，以及對洞里薩湖洪水脈沖的破壞，如果湄公河洪水脈沖衰減50%并延遲一個月，則湄公河將可能不會倒灌洞里薩湖。目前，國內(nèi)外對湄公河與洞里薩湖的河湖關(guān)系研究仍十分稀缺，已有研究多從實(shí)測資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，未深入認(rèn)識洞里薩湖河湖相關(guān)特征，亦未從水動力條件揭示河湖水情的時(shí)空量互動與反饋規(guī)律，洞里薩湖的調(diào)蓄作用缺乏長系列分析及漫灘交互量。

在認(rèn)識和分析河湖水情變化規(guī)律的基礎(chǔ)上，識別河湖水情的影響因子，便于揭示河湖相互作用的驅(qū)動機(jī)制。近年來，受氣候變化和人類活動共同影響的水循環(huán)系統(tǒng)演變機(jī)制研究受到國內(nèi)外普遍關(guān)注，特別是瀾滄江梯級水庫運(yùn)行后，對河湖中下游地區(qū)尤其是洞里薩湖帶來什么樣的影響，是目前研究的熱點(diǎn)。自然狀態(tài)下，河湖形態(tài)及水沙交換是一個動態(tài)季節(jié)性的變化過程[46]。河湖水量交換受河湖水情及水動力條件的驅(qū)動作用，洞里薩湖水文節(jié)律受河湖交換量的影響。Matti[47]通過建立概念性簡化模型，初步分析了湄公河流量變化對洞里薩湖洪水脈沖及初級生產(chǎn)力的影響。河湖水情的變化是自然與人類活動共同作用的結(jié)果，近幾十年來人類活動的影響越發(fā)凸顯。隨著上游及支流大型水利工程的運(yùn)轉(zhuǎn)，梯級水庫汛末蓄水改變了湄公河來水量，減緩了湄公河對洞里薩湖的頂托效應(yīng)，改變了原有的河湖水力聯(lián)系，河湖關(guān)系發(fā)生了調(diào)整變化，進(jìn)而影響洞里薩湖的水文情勢。鑒于湄公河流域水利基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的加速發(fā)展和氣候的異常變化，洞里薩湖洪水脈動正在發(fā)生重大變化。Arias等[48]通過建立歷史洪水淹沒圖和土地覆蓋面積之間的關(guān)系，評估了未來幾十年棲息地面積的潛在變化；Chang等[49]利用衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)提取洞里薩湖洪水淹沒范圍，基于歷史淹沒程度預(yù)測了未來逐日淹沒范圍；Smith等[50]研究表明，水位和面積是表征湖泊受氣候變化與人類活動影響程度的重要指示器；Teng[51]揭示了洞里薩湖水位波動與面積及生境變化關(guān)系；Jantunen[52]構(gòu)建了洞里薩湖的水位-面積曲線；Tangdamrongsub等[53]揭示了洞里薩湖面積年內(nèi)變化規(guī)律；李昌文等[54-55]精細(xì)構(gòu)建了基于0.1 m梯度的洞里薩湖水位-面積(容積)關(guān)系曲線。綜上，經(jīng)過長期的基礎(chǔ)研究，在湄公河與洞里薩湖河湖關(guān)系領(lǐng)域取得了可喜的進(jìn)展。但由于河湖水量交換關(guān)系是一個復(fù)合現(xiàn)象，相互作用復(fù)雜，在其演變驅(qū)動機(jī)制方面，已有研究僅分析了河湖水量關(guān)系變化的部分影響因素，尚未定量揭示出河湖水量交換格局與河湖水文情勢的驅(qū)動響應(yīng)關(guān)系，以及水動力條件改變對河湖水量交換的作用機(jī)制，亦未量化河湖關(guān)系內(nèi)涵變化量與水文情勢全過程變化量的關(guān)系。

綜上所述，目前對湄公河與洞里薩湖水量交換關(guān)系與水文情勢驅(qū)動響應(yīng)關(guān)系定量圖譜的研究還存在很大發(fā)展空間。因此，基于水文統(tǒng)計(jì)、遙感與GIS技術(shù)、河湖水文-水動力學(xué)耦合模型等手段，深入研究河湖互饋全過程，揭示河湖關(guān)系機(jī)理及驅(qū)動響應(yīng)關(guān)系，創(chuàng)建河湖水量交換關(guān)系內(nèi)涵變化量與水文情勢響應(yīng)的定量圖譜，具有重要的科學(xué)理論意義和實(shí)踐應(yīng)用價(jià)值。

2 湄公河-洞里薩湖河湖關(guān)系與水文情勢驅(qū)動響應(yīng)機(jī)理亟待解決的關(guān)鍵科學(xué)問題

2.1 湄公河與洞里薩湖復(fù)雜河網(wǎng)與水文節(jié)律下的水文-水動力耦合模型

(1) 洞里薩湖入湖支流水文站點(diǎn)缺乏，已有站點(diǎn)水文資料系列短、不連續(xù)、同步性差，水文比擬法等傳統(tǒng)水文學(xué)方法無法精細(xì)考慮湖區(qū)洪水頂托、下滲及空間變異等問題，難以合理分析洞里薩湖流域的來水大小及徑流地區(qū)組成規(guī)律。

(2) 長達(dá)140 km的洞里薩湖僅有1處水位站，尾閭河道則無測站控制，無法理清洞里薩湖區(qū)水面比降的季節(jié)性變化規(guī)律；受洪泛森林遮擋等影響，遙感影像和實(shí)測地形難以精準(zhǔn)模擬洞里薩湖面積、容積、流速等的季節(jié)性動態(tài)變化規(guī)律。在這種條件下，無法理清洞里薩湖的河湖相特征及轉(zhuǎn)換規(guī)律。

(3) 湄公河三角洲與洞里薩湖區(qū)極易發(fā)生漫灘，且彼此交互(部分洪水直接漫灘入湖或出湖)，漫灘的歷時(shí)長、范圍廣，在雨季6～10月和桔井至柬越邊境段均會發(fā)生不同程度的漫灘；而水文測驗(yàn)斷面不能控制上游所有來水，使得漫灘時(shí)空變化量難以準(zhǔn)確模擬，制約河湖水量交換關(guān)系的合理分析。

(4) 三角洲和湖區(qū)洲灘密布、支流眾多、水面寬闊、水量交互易受風(fēng)浪影響、建模難度大，金邊以下呈分汊型式、徑流過程集成度高、水流復(fù)雜，金邊以上洪枯極值大、河湖來流相互遭遇，水文學(xué)法無法深入分析這種復(fù)合現(xiàn)象。

(5) 目前柬埔寨水文預(yù)報(bào)技術(shù)落后，缺乏水文、水動力學(xué)模型，預(yù)報(bào)成果主要根據(jù)上、下游水位相關(guān)關(guān)系得出，尚未考慮河湖關(guān)系、左右岸洪水關(guān)系、下游潮汐頂托以及支流入?yún)R的影響，預(yù)報(bào)精度差，無法有效模擬與預(yù)測水文情勢，成為防洪抗旱、水生態(tài)環(huán)境保護(hù)、流域綜合管理等的制約瓶頸。

綜上，湄公河與洞里薩湖復(fù)雜河網(wǎng)水文-水動力耦合模型的構(gòu)建，是湄公河-洞里薩湖河湖關(guān)系與水文情勢驅(qū)動響應(yīng)機(jī)理研究亟待解決的一個關(guān)鍵科學(xué)問題，其研發(fā)可有效解決上述問題。

2.2 湄公河和洞里薩湖水量交換關(guān)系與水文情勢驅(qū)動機(jī)理和響應(yīng)關(guān)系

湄公河三角洲和洞里薩湖區(qū)地形平緩、河道與水面比降小、水位漲落緩慢、河湖豐枯遭遇組合多樣，且受洪泛區(qū)調(diào)蓄、河口潮位頂托、風(fēng)浪等影響，造成水動力條件極其復(fù)雜，湄公河與洞里薩湖之間存在著巨大的水沙互動、反饋和頂托效應(yīng)，并呈現(xiàn)出汛期倒灌、漫灘、汛后補(bǔ)水、全年相互頂托、洞里薩湖蓄洪補(bǔ)枯等的多重組合方式，關(guān)于河湖水量交換關(guān)系的驅(qū)動機(jī)理尚不明晰。因此，亟待揭示河湖水量交換關(guān)系的特性與變化過程，理清不同時(shí)期的河湖關(guān)系格局，深刻揭示洞里薩湖與湄公河倒灌、補(bǔ)水、漫灘、頂托、調(diào)蓄關(guān)系演變的水文水動力學(xué)驅(qū)動機(jī)制，闡明水量交換關(guān)系與洞里薩湖水情的響應(yīng)規(guī)律，量化河湖水情-水動力條件-河湖水通量交換-洞里薩湖區(qū)不同區(qū)域全過程水文節(jié)律的驅(qū)動響應(yīng)耦合協(xié)變關(guān)系。

3 湄公河-洞里薩湖河湖關(guān)系與水文情勢驅(qū)動響應(yīng)機(jī)理研究的突破方向與實(shí)現(xiàn)途徑

為了解決洞里薩湖流域有測站支流水文資料插補(bǔ)延長和無資料地區(qū)徑流推求的問題，以及河湖水情遭遇、倒灌、補(bǔ)水、漫灘、頂托、調(diào)蓄等全過程多維度互饋規(guī)律的認(rèn)知問題，亟待構(gòu)建湄公河與洞里薩湖水文-水動力耦合模型。在此基礎(chǔ)上，才能理清河湖水量交換關(guān)系的格局，闡明河湖水量交換關(guān)系演變過程和驅(qū)動機(jī)制，揭示河湖水量交換關(guān)系與河湖水情的響應(yīng)規(guī)律，奠定河湖關(guān)系的理論基礎(chǔ)。創(chuàng)建河湖水通量變化與水文情勢全過程變化量的定量關(guān)系圖譜，可為瀾湄流域6國共商、共建、共享瀾滄江-湄公河水文-水動力模型提供技術(shù)支撐，指導(dǎo)湄公河和洞里薩湖的水文預(yù)報(bào)和綜合治理。

為了解決上述瓶頸問題，結(jié)合湄公河三角洲與洞里薩湖區(qū)的實(shí)際情況，宜采取實(shí)地調(diào)研、資料查閱、理論公式推導(dǎo)、精細(xì)化數(shù)值模擬、水文水動力耦合、RS+GIS多尺度時(shí)空分析、數(shù)理統(tǒng)計(jì)、數(shù)據(jù)挖掘等相結(jié)合的研究方法，通過水文學(xué)、地貌學(xué)、河流動力學(xué)、應(yīng)用數(shù)學(xué)和地理科學(xué)等多學(xué)科綜合交叉與融合，開展湄公河與洞里薩湖水量交換關(guān)系與水文情勢驅(qū)動響應(yīng)關(guān)系定量圖譜研究。

3.1 技術(shù)路線

利用長系列水文觀測和遙感影像資料，采用多尺度時(shí)空分析技術(shù)，開展湄公河干流與洞里薩湖水文情勢及水量交換特征診斷研究，識別河湖水情的時(shí)空變化特征、組合疊加效應(yīng)特征及現(xiàn)有資料與技術(shù)的瓶頸問題。針對診斷問題，構(gòu)建面向河湖水量交換關(guān)系演化及驅(qū)動響應(yīng)的洞里薩湖流域分布式水文模型、湄公河與洞里薩湖耦合的雨季二維、旱季一二維水動力學(xué)數(shù)學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)河湖水情特征的精細(xì)模擬。以此為基礎(chǔ)，采用實(shí)測資料演化、河流動力學(xué)理論推導(dǎo)和數(shù)理統(tǒng)計(jì)相結(jié)合的技術(shù)手段，探究湄公河與洞里薩湖河湖水量關(guān)系演變的基本規(guī)律，建立河湖水情變化-水動力條件變化-河湖交換流量過程變化-洞里薩湖關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)水文節(jié)律變化-洞里薩湖濕地景觀變化的相關(guān)關(guān)系，定量揭示河湖水文情勢變化與河湖水量交換關(guān)系的驅(qū)動機(jī)制及響應(yīng)機(jī)理，創(chuàng)建河湖水量交換關(guān)系內(nèi)涵變化量與洞里薩湖水文情勢全過程變化量之間的關(guān)系圖譜。擬通過如圖3所示技術(shù)路線進(jìn)行系統(tǒng)、深入的研究。

3.2 關(guān)鍵技術(shù)

3.2.1湄公河與洞里薩湖水文情勢特征及河湖水情疊加效應(yīng)特征診斷研究

利用河湖控制站長歷時(shí)水文資料，結(jié)合遙感影像，從湄公河與洞里薩湖水文情勢及河湖水情疊加效應(yīng)兩個方面開展時(shí)空變化特征診斷，技術(shù)路線如圖4所示。

(1) 開展湄公河與洞里薩湖水文情勢特征診斷分析。重點(diǎn)攻破洞里薩湖出入湖徑流推算、地表-地下相互補(bǔ)給過程模擬、河湖水情特征診斷、河湖洪枯水形態(tài)診斷技術(shù)，解決洞里薩湖流域資料稀缺、湄公河干流測站無法監(jiān)測漫灘量等數(shù)據(jù)問題，以及水文、遙感技術(shù)無法精準(zhǔn)剖析河湖水情時(shí)空變化多過程的聯(lián)系與反饋機(jī)制等關(guān)鍵科學(xué)問題，探討湄公河干流與洞里薩湖水情長歷時(shí)變化的趨勢性、突變性和周期性特征，界定湄公河口的潮流界與潮區(qū)界，揭示河口潮汐、上游徑流、區(qū)域風(fēng)浪對河湖交匯段水位的影響機(jī)理，定量解決湄公河三角洲洪水漫灘、枯季歸槽以及洞里薩湖區(qū)湖灘汛期淹沒、枯季顯露的時(shí)空分布規(guī)律認(rèn)知問題，揭示洞里薩湖不同時(shí)段的河相、湖相特性及相互轉(zhuǎn)換關(guān)系。

(2) 開展湄公河與洞里薩湖水情疊加效應(yīng)時(shí)空變化特征診斷分析。通過概念定義、量化特征及相關(guān)分析等手段，從定性和定量角度，明晰洞里薩湖入湖、出湖與湄公河不同量級洪水的峰、量、過程遭遇特點(diǎn)，表征湄公河干流與洞里薩湖不同時(shí)間尺度下的相互頂托強(qiáng)度指數(shù)、河灌湖強(qiáng)度指數(shù)、河湖水量交換系數(shù)，闡明洪水遭遇組合變化、湄公河頂托、湖區(qū)調(diào)蓄能力變化、水量交換等河湖水情疊加效應(yīng)的基本特征。

圖3 研究總體技術(shù)路線Fig.3 Research overall technology roadmap

圖4 河湖水文情勢及水情疊加效應(yīng)時(shí)空變化特征診斷技術(shù)路線Fig.4 Technical route for diagnosing the spatial-temporal changing characteristics of river-lake hydrological regime and its superimposed effects

3.2.2湄公河與洞里薩湖復(fù)雜河網(wǎng)水文-水動力耦合模型研究

圖5 湄公河三角洲和洞里薩湖區(qū)水文站網(wǎng)及河道地形分布Fig.5 Hydrological station network and river topographic distribution in the Mekong Delta and Tonle Sap Lake area

以湄公河與洞里薩湖系統(tǒng)水文-水動力聯(lián)系為主線，將河湖系統(tǒng)在空間上劃分為3個單位(見圖5)，即洞里薩湖支流流域、洞里薩湖水體(含洪泛區(qū))以及湄公河水體(汛期含左右岸洪泛平原)，構(gòu)建空間結(jié)構(gòu)完整的河湖系統(tǒng)水文水動力聯(lián)合模型。重點(diǎn)突破復(fù)雜水網(wǎng)巨大河湖水動力交互建模技術(shù)瓶頸，研發(fā)面向河湖關(guān)系演變的洞里薩湖流域分布式水文模型、湄公河與洞里薩湖耦合的雨季二維、旱季一二維水動力學(xué)數(shù)學(xué)模型，并實(shí)現(xiàn)分布式水文模型與水動力學(xué)模型的聯(lián)合演算，解決資料不足、精度不高、方法缺失、機(jī)理不清等難題。由于湄公河三角洲洪泛平原面積龐大，重點(diǎn)研究越南和柬埔寨水文地形資料協(xié)同分析、模型邊界處理、河網(wǎng)概化、一二維模型耦合等問題。

3.2.3湄公河和洞里薩湖水量交互關(guān)系驅(qū)動機(jī)制與河湖水情響應(yīng)關(guān)系圖譜的構(gòu)建

基于湄公河與洞里薩湖耦合水文-水動力學(xué)模型，開展湄公河與洞里薩湖水情疊加效應(yīng)時(shí)空變化特征訂正、河湖水量交換關(guān)系演變的驅(qū)動機(jī)制及其響應(yīng)規(guī)律研究、河湖水量交換關(guān)系與水文情勢響應(yīng)關(guān)系定量圖譜構(gòu)建，揭示研究湄公河與洞里薩湖水量交互關(guān)系驅(qū)動機(jī)制，其技術(shù)路線如圖6所示。

圖6 河湖水量交互關(guān)系驅(qū)動機(jī)制與河湖水情響應(yīng)關(guān)系圖譜構(gòu)建技術(shù)路線Fig.6 The technical route for constructing the relationship map between the driving mechanism of the interaction between the water volume of the river and the lake and the water regime response

(1) 訂正湄公河與洞里薩湖水情疊加效應(yīng)時(shí)空變化特征?；阡毓优c洞里薩湖耦合水文-水動力學(xué)模型，精細(xì)揭示三角洲河網(wǎng)、沿岸洪泛平原對湄公河洪水的調(diào)蓄作用，定量修正洞里薩湖入湖洪水的地區(qū)組成和遭遇特征、湄公河與洞里薩湖洪水遭遇特征、湄公河左右岸漫灘洪水關(guān)系；根據(jù)不同徑流與潮汐組合下沿程潮位的模擬結(jié)果，復(fù)核潮流界與潮區(qū)界的界定范圍；構(gòu)建湖盆數(shù)字高程模型與不同水位下的湖面形態(tài)圖，構(gòu)建洞里薩湖水位-面積-動庫容關(guān)系，分析洞里薩湖水面面積、容積、水面坡降、流速場、洲灘出露等隨河湖水情的演變特征并建立相關(guān)關(guān)系，校正河湖相轉(zhuǎn)換的臨界條件；定量模擬河湖互動與反饋(倒灌、補(bǔ)水、漫灘、頂托)的水通量時(shí)間、歷時(shí)、程度與影響范圍，分析洞里薩湖吞吐湄公河的時(shí)空量變化特征和河湖交互水域水位變化規(guī)律，量化河湖關(guān)系內(nèi)涵變化閾值；訂正洞里薩湖蓄洪補(bǔ)枯作用及對河湖水位的變化影響。

(2) 精細(xì)揭示湄公河與洞里薩湖水情演變與互饋規(guī)律。揭示湄公河洪水漫灘規(guī)律、潮流界與潮區(qū)界對河湖交匯的影響機(jī)制、洞里薩湖徑流及洪水地區(qū)組成規(guī)律、洞里薩湖河湖相轉(zhuǎn)換規(guī)律，定量解決河湖水情豐枯遭遇、倒灌、補(bǔ)水、漫灘、頂托等互饋規(guī)律的認(rèn)知問題，進(jìn)而理清河湖水量交換的時(shí)空格局。辨識河湖水量交換關(guān)系的主要影響因素和發(fā)生條件，建立河湖水位漲落、河湖徑流豐枯遭遇組合、河口潮位頂托、風(fēng)浪等引起的水文-水動力過程變化與河湖水量交換關(guān)系內(nèi)涵量的對應(yīng)關(guān)系，評估湄公河干流及本流域不同入流對河湖相互作用的影響，明晰水動力過程對河湖水量交換關(guān)系內(nèi)涵影響量?；谀Ｐ脱菟愠晒?，量化河湖水情組合變化對洞里薩湖水位變幅及調(diào)洪補(bǔ)枯的影響程度，為水文預(yù)報(bào)和區(qū)域綜合治理提供理論依據(jù)。

(3) 定量創(chuàng)建河湖水通量變化與水文情勢全過程驅(qū)動響應(yīng)關(guān)系的知識圖譜。分別以河口潮位頂托變化、洞里薩湖本流域入湖流量變化、湄公河來流變化、湄公河與洞里薩湖峰現(xiàn)時(shí)間變化(河湖洪水出現(xiàn)時(shí)間推遲或提前)等為自變量，分河湖來水豐、平、枯水年遭遇組合序列，模擬演算出入湖流量及洞里薩湖區(qū)不同區(qū)域關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)水文節(jié)律隨河湖水情變化的相關(guān)關(guān)系，構(gòu)建了河湖水情變化-水動力條件變化-河湖交換流量過程變化-洞里薩湖水文節(jié)律變化的量化關(guān)系；同時(shí)，比較了湄公河干流漲/退水期湖區(qū)水文情勢的特征差異，解析了河湖水文情勢演變與河湖水通量響應(yīng)的耦合作用機(jī)理，揭示了河湖水量交換關(guān)系變化驅(qū)動的洞里薩湖洪枯水文過程變化規(guī)律，并探求了河湖水文節(jié)律通量的響應(yīng)規(guī)律及其與河湖水量交換關(guān)系的互饋協(xié)變關(guān)系。在此基礎(chǔ)上，基于數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，創(chuàng)建了對工程實(shí)踐指導(dǎo)作用極大的河湖關(guān)系內(nèi)涵變化量與水文情勢全過程變化量之間的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)定量知識圖譜。

4 結(jié) 論

本書對湄公河-洞里薩湖河湖關(guān)系與水文情勢驅(qū)動響應(yīng)機(jī)理進(jìn)行了綜合分析，并研究了其關(guān)鍵科學(xué)問題與技術(shù)實(shí)現(xiàn)路徑。結(jié)果表明：① 湄公河-洞里薩湖河湖關(guān)系與水文情勢驅(qū)動響應(yīng)機(jī)理研究取得了可喜進(jìn)展，但仍缺乏河湖疊加效應(yīng)耦合互饋機(jī)制的研究，因而難以解決湄公河與洞里薩湖水位漲落互饋關(guān)系、湄公河洪季漫灘與枯季歸槽規(guī)律、洞里薩湖洲灘高水漫溢與低水出露規(guī)律、潮汐對河湖關(guān)系影響程度、河湖來水地區(qū)組成及豐枯遭遇規(guī)律等對河湖水量交換關(guān)系影響較大的水文過程認(rèn)知問題。② 目前仍缺乏具有普遍適用性的河湖水文-水動力學(xué)耦合模型，尚未實(shí)現(xiàn)湄公河三角洲與洞里薩湖區(qū)大型連通水網(wǎng)復(fù)雜水文水力過程物理機(jī)制上的緊密交互，影響到了模擬的精度和研究的適用性。③ 如何量化河湖水情-水動力條件-河湖水通量交換-洞里薩湖區(qū)不同區(qū)域全過程水文節(jié)律的驅(qū)動響應(yīng)耦合協(xié)變關(guān)系，也是河湖治理亟須解決的關(guān)鍵科學(xué)問題。

為進(jìn)一步推進(jìn)湄公河-洞里薩湖河湖關(guān)系與水文情勢驅(qū)動響應(yīng)機(jī)理深入、系統(tǒng)的研究，基于目前已有成果和存在的問題，建議基于實(shí)測水文地形資料、全天候衛(wèi)星遙感監(jiān)測資料、多尺度GIS分析、分布式水文模型、水動力學(xué)模型等手段，研發(fā)湄公河與洞里薩湖復(fù)雜河網(wǎng)水文-水動力模型，實(shí)現(xiàn)河湖耦合豐枯聯(lián)算，解決三角洲平原河網(wǎng)復(fù)雜水動力條件的建模問題。在此基礎(chǔ)上，定量揭示河湖水量交互全過程與河湖水文情勢全過程的關(guān)系。研究過程中既需強(qiáng)調(diào)降雨和河湖徑流豐枯遭遇的作用，又要考慮河湖水位漲落、潮汐頂托、風(fēng)浪等的影響，剖析徑流、潮汐、風(fēng)浪的組合效應(yīng)；既要分析水文條件的作用機(jī)理，又需深入研究水動力學(xué)條件的作用機(jī)制；既要考慮傳統(tǒng)上倒灌、補(bǔ)水的河湖交互規(guī)律，又得考慮漫灘、頂托、調(diào)蓄、遭遇等的河湖互饋機(jī)制，進(jìn)而全面揭示湄公河與洞里薩湖河湖關(guān)系的內(nèi)在機(jī)理，實(shí)現(xiàn)基于水文-水動力數(shù)值模擬的河湖水量交換關(guān)系與水文情勢響應(yīng)關(guān)系定量圖譜的構(gòu)建，解決湄公河三角洲與洞里薩湖區(qū)水文預(yù)報(bào)及綜合治理的技術(shù)難題。