鄱陽湖入江水道輸沙能力與出湖沙量關(guān)系及沖淤調(diào)整規(guī)律

方春明，關(guān)見朝，史紅玲

(中國水利水電科學(xué)研究院 泥沙研究所，北京 100048)

1 研究背景

鄱陽湖出湖沙量變化與湖區(qū)沖淤變化及湖區(qū)生態(tài)環(huán)境等密切相關(guān)，引起了眾多學(xué)者的研究[1-4]。多年來，鄱陽湖出湖泥沙總體隨入湖泥沙減少而呈減少趨勢，但2001年左右開始顯著增加，入江水道深泓下切，斷面面積擴大?，F(xiàn)有研究普遍認為[1-4]，自2001年長江河道采砂被禁止后，鄱陽湖采砂業(yè)迅速興起，是出湖泥沙顯著上升和斷面面積擴大的主要原因。這些研究主要是基于遙感技術(shù)或結(jié)合泥沙數(shù)值模擬，建立鄱陽湖水體透明度或懸浮泥沙濃度與采砂船只數(shù)目之間的關(guān)系得到。但該研究方法存在考慮因素不夠全面，機理分析不夠深入，采砂分布缺乏詳細數(shù)據(jù)，出湖泥沙和采砂之間的定量關(guān)系不明確等缺點，得到的結(jié)論具有一定片面性。本文對鄱陽湖入江水道輸沙能力與出湖沙量關(guān)系進行了系統(tǒng)分析，揭示了入江水道輸沙能力對出湖沙量的決定性作用及適應(yīng)調(diào)整規(guī)律，明晰了2001年以來出湖沙量增加是入江水道沖刷和采砂的共同作用，闡明了入江水道下段沖刷調(diào)整已趨于穩(wěn)定，上段仍可能會有一定的沖刷調(diào)整，對認識鄱陽湖沖淤、長江與鄱陽湖相互影響復(fù)雜關(guān)系和指導(dǎo)鄱陽湖治理具有重要意義。

本文所用數(shù)據(jù)主要有：鄱陽湖流域主要水文站1950年代以來流量、輸沙量和水位實測日平均資料系列，其中入湖河流水文泥沙數(shù)據(jù)年限為1956—2021年，湖口水文站泥沙數(shù)據(jù)為1955—2021年，水位數(shù)據(jù)為1950—2020年。鄱陽湖入江水道代表斷面1998、2010、2015、2020年觀測資料和湖口水文站1965—2020年歷年斷面觀測數(shù)據(jù)。資料來源為長江水利委員會水文局和江西省水文局。

本文研究主要采用水文學(xué)、數(shù)理統(tǒng)計學(xué)和泥沙運動力學(xué)相結(jié)合的方法，將1955—2020年分不同時期，按月對鄱陽湖入、出湖水沙變化、入江水道代表斷面挾沙能力變化等進行對比分析，建立相關(guān)關(guān)系，揭示內(nèi)在機理。

2 鄱陽湖年入、出湖沙量變化基本情況

2.1 鄱陽湖五河入湖沙量變化鄱陽湖入湖泥沙來源于鄱陽湖流域入湖河流來沙和長江干流倒灌入湖泥沙[5-6]，其中贛江、撫河、信江、饒河、修水五大入湖河流(簡稱五河)是入湖泥沙的主要來源[7]，1956—2021年五河年均入湖沙量1222萬t，入湖沙量距平累積曲線如圖1所示。由圖可見，五河年入湖沙量有兩處明顯的轉(zhuǎn)折點，一是1985年左右，另一是1999年左右，主要是由于五河上游水利工程修改后的攔沙作用[8]，使入湖泥沙大幅減少。1956—1984年五河年均入湖沙量為1675萬t，1985—1998年減為年均1233萬t，1999—2021年進一步減為年均645萬t。從年內(nèi)分布看，1956—2021年平均，3—7月沙量占全年沙量的85.6%，其中又以4—6月占比最大，占全年沙量的65.7%。

圖1 五河年入湖沙量距平累積曲線

2.2 長江倒灌沙量變化由于受長江干流洪水上漲的影響，汛期湖口出湖水流常有倒流情況出現(xiàn)[6]，倒灌入湖的長江干流水流含沙量往往較高[4]，倒灌主要集中在7—9月，6月和10月偶有發(fā)生。1955—2021年平均長江倒灌入湖沙量137萬t，年倒灌水沙量距平累積曲線如圖2所示。由圖可見，長江倒灌入湖水量和沙量變化趨勢基本是一致的，自1992年左右出現(xiàn)拐點，顯著減少。

圖2 湖口年倒灌沙量距平累積曲線

2.3 出湖沙量變化由于湖口水沙存在倒灌現(xiàn)象，為了避免混淆，本文把湖口沙量分為湖口順出湖沙量和湖口倒灌沙量，兩者之和稱為湖口凈沙量。1955—2021年湖口年順出湖沙量和湖口年凈沙量距平累積曲線如圖3所示。由圖可見，順出湖沙量和凈沙量變化趨勢大體相似。1963年前，湖口凈沙量年均約1300萬t；1963年左右開始有所減小，1963—1988年年均約966萬t；1989年左右開始明顯減小，1989—2000年年均約640萬t；2001年后湖口年凈沙量顯著增加，2001—2021年年均約1039萬t。從年內(nèi)分布看，1955—2021年平均，2—5月湖口凈沙量占全年凈沙量的56.9%，其中又以3—4月占比最大，占全年沙量44.8%。

圖3 湖口年沙量距平累積曲線

3 鄱陽湖出湖沙量變化機理

3.1 五河入湖沙量與出湖沙量關(guān)系已有眾多研究通過直接比較五河年入湖沙量和湖口年凈沙量變化過程，得出兩者的相關(guān)性[2-3，11]，如圖4所示。總體來看，2001年以前出湖沙量隨入湖沙量減少而減少，2001年后年出湖沙量明顯增大，普遍認為是由于鄱陽湖入江水道采砂所致。

圖4 五河入湖年沙量和湖口年凈沙量變化過程

實際上，如果分月比較，10月至次年3月，湖口月凈出湖沙量總體都遠大于五河入湖沙量，表明期間出湖泥沙主要是由湖區(qū)沖刷而來。以1月為例，五河入湖泥沙多年平均值為11.8萬t，而湖口沙量達71.6萬t，入湖沙量只占湖口沙量的16.5%。相反，5—6月出湖沙量總體遠小于五河入湖沙量，說明期間湖區(qū)泥沙大量淤積。以6月為例，入湖泥沙多年平均值為347萬t，而湖口凈沙量只有78.2萬t，只占入湖沙量的20.9%。7—9月，湖口凈沙量總體為長江泥沙倒灌入湖，年內(nèi)只有4月出湖沙量與五河入湖沙量比較接近。

點繪1956—2021年平均各月入湖沙量與湖口順出湖沙量關(guān)系如圖5所示，不論是入湖沙量多的4—7月還是入湖沙量少的8月—次年2月，入湖沙量與出湖沙量關(guān)系都很差。

圖5 五河月入湖沙量和湖口月順出湖沙量關(guān)系

3.2 鄱陽湖入江水道輸沙能力與出湖沙量關(guān)系2.1節(jié)分析表明，汛期五河入湖泥沙總體在湖區(qū)淤積，而枯期出湖泥沙總體為湖區(qū)泥沙沖刷而來，因而湖口沙量應(yīng)與鄱陽湖且主要是與入江水道輸沙能力具有相關(guān)性。為此選擇入江水道下段距湖口水文站較近的一個代表斷面(2#斷面)和上段星子水位站斷面(8#斷面)進行分析，斷面圖如圖6所示。兩個斷面灘寬都約8 km，槽寬都約1.5 km，具有入江水道典型的寬灘窄槽形態(tài)。從1998年、2010年、2015年和2020年斷面觀測看：1998—2010年2#斷面主槽顯著擴大，8#斷面主槽擴大相對較少；2010—2015年2#斷面變化不大，8#斷面主槽明顯擴大；2015—2020年2#斷面主槽有所左移，但斷面面積變化不大，8#斷面主槽有所展寬，深泓略有淤積；兩斷面灘地一直變化不大。

圖6 鄱陽湖入江水道代表斷面

2#斷面距湖口水文站較近，可根據(jù)湖口水文站水位和流量求該斷面對應(yīng)面積和斷面平均流速。8#斷面則可根據(jù)星子水位站水位和湖口站流量求該斷面對應(yīng)面積和斷面平均流速。其中各年所采用的斷面為，1956—1998年采用1998年斷面，1999年后各年采用相鄰年份觀測斷面插值計算。

同流量時，河道輸水能力主要與其挾沙能力有關(guān)。根據(jù)泥沙運動力學(xué)[9]，水流挾沙能力與流速高次方成正比，與水深和懸沙沉速成反比。入江水道內(nèi)缺少系統(tǒng)的懸沙級配資料，但湖口水文站有長系列懸沙級配觀測數(shù)據(jù)，表現(xiàn)為相對穩(wěn)定，因而入江水道泥沙級配可認為相對穩(wěn)定，對挾沙能力的影響不大；且在分析月均斷面挾沙能力時，年際間月平均水深變化相對較小，因而本文以代表斷面平均流速反映挾沙能力?；?955—2020年實測數(shù)據(jù)，先逐年計算各月斷面平均水位和湖口順出流時平均流量、水量和沙量，再推求代表斷面各月平均流速和湖口順出流含沙量。點繪兩個代表斷面各月流速與順出湖含沙量關(guān)系如圖7所示。由圖可見，兩個斷面月流速與月順出湖含沙量都顯著線性相關(guān)，2#斷面的相關(guān)性較8#斷面更好些。圖7表明入江水道挾沙能力與出湖含沙量直接相關(guān)，因而也與出湖沙量直接相關(guān)。

圖7 代表斷面1955—2020年各月平均流速與湖口順出湖含沙量關(guān)系

3.3 五河入湖沙量減少對出湖沙量的影響在入江水道輸沙能力直接決定湖口出湖沙量的同時，五河入湖泥沙對出湖泥沙具有間接影響。根據(jù)河流演變學(xué)，由于鄱陽湖泥沙主要來自五河，當(dāng)五河來沙發(fā)生變化時，鄱陽湖包括入江水道會發(fā)生沖淤變化，調(diào)整水流挾沙力以適應(yīng)來沙。但由于鄱陽湖及其入江水道湖容大，五河年沙量相對湖容很小，五河來沙變化自上游主湖區(qū)向下游入江水道傳播的過程中，對入江水道演變的影響是緩慢的。相反，由于五河水量相對于湖容很大，若五河徑流量發(fā)生年內(nèi)或年際變化，或湖口水位發(fā)生變化，對入江水道演變的影響則是直接的。為此，選擇五河入湖沙量最大的4—6月，對比1956年以來五河入湖沙量、湖口出湖沙量和2#斷面輸沙能力距平累積曲線，如圖8所示，其中斷面輸沙能力為流量乘以流速(流速代表挾沙能力，考慮了斷面面積變化)。

圖8 4—6月五河入湖沙量、湖口出湖沙量和2#斷面輸沙能力距平累積曲線對比

由可見，從出湖沙量變化趨勢看，總體各月出湖沙量與輸沙能力變化趨勢更為一致。入湖沙量最大的6月，五河入湖沙量從1985年開始明顯減少，而出湖沙量從1971年左右即開始明顯減少，與輸沙能力變化趨勢更為一致。

從變化量看，4月，1956—1984年平均入湖沙量為307萬t，1985—2021年減為124萬t，減幅為60%；同期出湖沙量由260萬t減為149萬t，減幅為43%；同期2#斷面輸沙能力減幅為22%。5月，1956—1984年平均入湖沙量為389萬t，1985—2021年減為145萬t，減幅為63%；同期出湖沙量由138萬t減為80萬t，減幅為42%，同期輸沙能力減幅為22%。6月，1956—1984年平均入湖沙量為468萬t，1985—2021年減為252萬t，減幅為46%；同期出湖沙量由96萬t減為67萬t，減幅為30%，同期輸沙能力減幅為15%。可見，從1985年前后變化量看，各月出湖沙量減少量和減小比率都小于入湖沙量減少量和減小比率，都大于輸沙能力減小比率。

4 入江水道輸沙能力變化與沖刷調(diào)整

比較鄱陽湖入江水道斷面4次觀測資料可知，1998年至2010年斷面基本都明顯擴大[10-11]。2010年部分全斷面存在不規(guī)則顯著擴大的斷面明顯是采砂作用，但大多數(shù)斷面表現(xiàn)為主槽光滑下切(如圖6所示)，有學(xué)者認為是沖刷作用[11]，但沒有提出明確證據(jù)。下面通過分析1999年以來入江水道輸沙能力變化與沖刷調(diào)整關(guān)系，說明主槽光滑下切斷面是沖刷和采砂共同影響的結(jié)果。

4.1 入江水道輸沙能力變化過程分析入江水道輸沙能力變化過程是為了說明1998年至2010年期間入江水道斷面擴大在時間上是否與輸沙能力變化相符。仍以2#斷面平均流速反映斷面輸沙能力，假定2#斷面1998年以來未發(fā)生變化的情況下，點繪1955年以來月流速距平累積曲線。結(jié)果表明，1990年代末以來，2—7月流速變化不顯著或趨勢性不明顯，8月至次年1月明顯增大，如圖9所示。因此，入江水道輸沙能力變化總體與1998年至2010年期間入江水道斷面擴大時間上是相符的。

圖9 2#斷面月平均流速1955—2020年距平累積曲線

如表1所示，統(tǒng)計分析表明，引起1999—2010年8月至次年1月2#斷面流速明顯增大的主要原因分別為：8月是湖口水位下降和流量增大的共同作用，10月和11月主要是水位下降，9月、12月和1月主要是流量增大。湖口水位下降是長江干流水位下降的結(jié)果[12]，湖口流量變化主要是入湖流量變化的影響[13]。

表1 1999—2010年與1955—1998年比湖口站月水位與流量變化統(tǒng)計

4.2 1999—2010年入江水道輸沙能力變化與出湖含沙量變化關(guān)系如果入江水道1998—2010年普遍沖刷下切與水流沖刷有關(guān)，期間入江水道輸沙能力變化與出湖含沙量變化應(yīng)存在相關(guān)關(guān)系。為此，按1955—1998年和1999—2010年分別統(tǒng)計計算各月代表斷面平均流速和平均順出湖含沙量(1999—2010年流速計算時考慮了斷面變化)。點繪1999—2010年與1955—1998年斷面流速之比和1999—2010年與1955—1998年順出湖含沙量之比之間的關(guān)系，如圖10所示。由圖可見，兩者總體呈正相關(guān)，2#斷面的相關(guān)性好于8#斷面。但含沙量增大比例總體都大于流速增大比例，其中10—12月增比最為顯著。

圖10 1999—2010年平均與1955—1998年平均月斷面流速比與月出湖含沙量比關(guān)系

圖11為1999—2010年各月平均流速與出湖含沙量關(guān)系與1955—1998年關(guān)系線對比，1999—2010年代表斷面流速計算一種是不考慮斷面變化，采用1998斷面，另一種是考慮斷面變化，采用1998、2010年斷面插值計算。由圖可見，1999—2010年出湖含沙量在不考慮斷面變化情況下總體都明顯低于1955—1998年關(guān)系線，考慮斷面變化情況下則2#斷面總體明顯高于1955—1998年關(guān)系線，8#斷面總體略高于1955—1998年關(guān)系線。圖11說明1999—2010年出湖含沙量增加和斷面擴大不完全是挾沙能力增大的結(jié)果，還受到了其它因素的明顯影響，應(yīng)該是河道采砂的影響。

4.3 2010年以來入江水道輸沙能力與出湖沙量關(guān)系斷面觀測資料表明，2010年以后入江水道斷面變化已顯著減緩，入江水道輸沙能力與出湖泥沙關(guān)系變化如何？為此，對2011—2020年計算統(tǒng)計各月代表斷面流速和順出湖含沙量，計算時各年斷面采用2010年、2015年和2020年斷面插值計算，比較2011—2020年平均與1955—1998年平均各月斷面流速與順出湖含沙量關(guān)系如圖12所示。2#斷面兩個時段的關(guān)系線基本重合，8#斷面2011—2020年關(guān)系線則明低于1955—1998年關(guān)系線，表明入江水道下段已趨于穩(wěn)定，上段可能還會有一定的沖刷調(diào)整。

圖12 2011—2020年平均與1955—1998年平均各月斷面流速與順出湖含沙量關(guān)系

5 結(jié)論

通過分析鄱陽湖入江水道輸沙能力與出湖沙量關(guān)系及沖淤調(diào)整規(guī)律，得到如下主要結(jié)論：(1)鄱陽湖月出湖沙量與五河月入湖沙量直接相關(guān)性差。10月至次年3月，湖口沙量總體都遠大于入湖沙量，出湖泥沙主要由湖區(qū)沖刷而來；5—6月湖口沙量總體遠小于入湖沙量，入湖泥沙在湖區(qū)大量淤積；7—9月，主要為長江泥沙倒灌入湖。(2)鄱陽湖出湖沙量與入江水道輸沙能力直接相關(guān)，入江水道代表斷面月流速與月出湖含沙量成良好的正比關(guān)系。由于五河年沙量相對鄱陽湖湖容很小，五河來沙變化對入江水道演變的影響是緩慢的，而五河年徑流量及年內(nèi)分配變化或湖口水位變化直接影響入江水道輸沙能力與沖淤演變。(3)主要受湖口水位和流量變化影響，入江水道挾沙能力從1990年代末開始增大。如果入江水道斷面不沖刷擴大，1998—2010年出湖含沙量明顯小于挾沙能力，但考慮斷面實際擴大程度后，出湖含沙量又明顯大于挾沙能力。因此，鄱陽湖入江水道1998—2010年主槽普遍擴大是水流沖刷與采砂共同影響的結(jié)果。(4)由于入江水道斷面擴大，挾沙能力降低，入江水道下段2#斷面2011—2020年同流速下順出湖含沙量與1955—1998年關(guān)系線基本一致，而上段8#斷面則明顯低于1955—1998年關(guān)系性。江湖水沙輸移規(guī)律是江湖水沙交換變化和江湖關(guān)系演變的核心，近年來鄱陽湖水文情勢發(fā)生顯著變化，極端枯水位屢創(chuàng)新低，剖析其變化原因是確定治理思路的需要[14]。本文針對自然和人為影響下江湖演變機制量化揭示的難點問題[15]，闡明了鄱陽湖入江水道輸沙能力與出湖沙量關(guān)系及沖淤調(diào)整規(guī)律，得到1999—2010年出湖含沙量增大和入湖水道斷面擴大是沖刷和采砂共同影響的結(jié)果，入江水道下段已趨于穩(wěn)定，上段仍可能會有一定沖刷調(diào)整，引起湖區(qū)枯水位繼續(xù)有所下降，對生態(tài)環(huán)境等影響需密切關(guān)注。