三峡工程运行对鄱阳湖水位影响试验*

邬年华，罗 优＊＊，刘同宦，黄志文

(1:江西省水利科学研究院，南昌330029)(2:长江科学院，武汉430010)

鄱阳湖是吞吐型、季节性淡水湖泊，是国家重点湿地保护地，已列入联合国“国际重要湿地名录”，是国际六大湿地之一，具有防洪、调节气候、涵养水源、净化水质和维持生物多样性等功能.鄱阳湖、长江和江西“五河”相互作用和影响，江河湖关系极其复杂，湖流主要有吞吐流和风生流，吞吐流受江湖关系控制呈顺畅型、倒灌型和顶托型分布［1］.五河流域降水充沛，年内分配不均，最大径流出现在4-6 月［2-3］.长江洪水主要发生在7-9月，因而倒灌发生时间主要集中在长江主汛期的7-9月，其中7月下旬、8月底至9月中下旬是江水倒灌最为频繁的时间［4］.长江和五河洪水的遭遇情况决定了鄱阳湖“单峰型”和“双峰型”洪水过程:大多数年份五河洪水与长江洪水不遭遇，湖区洪水过程为“双峰型”;当五河洪水推迟，长江洪水提前，两者遭遇，或者五河洪水很大，长江洪水很小，则出现“单峰型”［5］.洪水过程涨水段一般由五河洪水控制，峰段与退水段由长江洪水控制，特大洪水通常出现在五河洪水与长江洪水相互遭遇的条件下，如1954、1973、1983、1995、1996、1998和1999年洪水［6］.鄱阳湖枯水期一般为10月至次年3月，近11年鄱阳枯水程度显著加剧，分析认为鄱阳湖流域降水，五河、长江来水和湖盆形态变化［7］是造成枯水位较低的重要原因［8］.水位是湖泊重要水文因子，鄱阳湖水环境［9-10］、湿地［11］和生态［12-13］等与湖区水位密切相关.三峡工程运行虽然未明显改变长江径流以及长江与鄱阳湖作用的基本特征［14-15］，但在一定程度上影响了江湖作用的季节变化和鄱阳湖流域的旱涝几率［16］.已有成果表明三峡工程运行通过改变湖区水位对湖区局部湿地生长发育造成了一定影响［17］，因此需要开展研究探索三峡工程运行对鄱阳湖水位的影响幅度和范围.在三峡工程修建前已有学者就三峡工程对鄱阳湖水位的影响进行了预测［18］，但是根据三峡工程实际运行情况对鄱阳湖水位影响幅度和范围的研究较少.鄱阳湖湖区面积宽广，洲滩、湖湾较多，边界复杂，因此本文在对鄱阳湖实测水位资料进行分析的基础上，开展物理模型试验研究三峡运行对鄱阳湖湖区水位的影响.

1 实测资料分析

1.1 湖区水位变化阶段划分

鄱阳湖湖区水位受五河来水和长江干流的综合作用，与江湖关系密切相关.鄱阳湖流域与长江干流年径来水基本同枯、同平和同丰，因而选择1986、2000和1998年作为鄱阳湖和长江枯、平和丰水年进行实测资料分析(本文水位值除特别说明外均为黄海基准值)，不同典型水文年湖区水位和长江、湖口流量过程见图1.

不同典型水文年湖区水位都经历了4个阶段:低水阶段(与枯水期时间相对应)、涨水阶段(与五河汛期时间基本一致)、顶托倒灌阶段(与长江汛期时间基本一致)和退水阶段，不同水文年不同阶段持续时间和相应水位不同:枯水年低水阶段为1月初至2月底(约第30～70 d);涨水阶段为3月初至6月中旬(约第71～160 d);顶托倒灌阶段为6月中旬至10月下旬(约第161～280 d)，最高水位仅约16 m;退水阶段为10月下旬至11月底(约第281～335 d);12月(约第336 d之后)为低水阶段.平水年相对于枯水年，涨水阶段有所提前，顶托倒灌阶段持续时间较长，最高水位与枯水年接近;丰水年五河和长江干流来水都较大，低水阶段时间较短，1月中旬至3月中旬(约第20～90 d)湖口流量较大，五河涨水，水位相对较高，顶托倒灌阶段提前到5月初(约第130 d)，7月至9月(约第210～250 d)水位近21 m(图1).

不同阶段水位特点不同:低水阶段湖区水位与湖口流量增减过程高度一致，而湖口水位与长江干流保持一致;涨水阶段湖区水位变化与湖口流量和长江干流流量增减有关，湖区水位在湖口水位较小时受湖口流量控制，在湖口水位较大时则受湖口水位影响明显;顶托倒灌阶段湖区水位与湖口水位保持一致;退水阶段长江干流流量减小，湖口水位下降，湖区水位出现落差(图1).

1.2 不同阶段水位控制因素分析

湖口站位于鄱阳湖出口段末端，该站水位是湖区水位侵蚀基面，由长江干流而不是湖口流量决定(图2):1991-2008年湖口水位与大通流量(考虑了传播时间和涨落率修正)的相关性较好;湖口站水位与湖口流量关系数据点很散乱，即湖口水位基本由长江干流控制.

低水阶段湖区水位相对较低并有较大落差，具有河道特性，因而受湖口流量和湖口水位(侵蚀基准面)的共同影响，即受湖口流量和长江干流的共同作用.离湖口较远的棠荫站和都昌站水位主要受湖口流量控制，受长江干流影响较小，星子站水位受湖口流量和长江干流的共同作用，长江干流影响较大.从各湖区低水阶段日平均水位与湖口和大通流量的关系(图3)可以看出:棠荫站水位与湖口流量数据点密集，相关性较好，与大通流量的数据点松散且上、下半年分离，总体表现为正相关;都昌站水位与湖口流量数据点相对密集且上、下半年稍有分离，相关性良好，与大通流量也总体表现为正相关;星子站水位与湖口流量数据点较为松散且上、下半年明显分离，相关性较差，而与大通流量数据点相对于棠荫站和都昌站密集，相关性相对更强.

涨水阶段湖区水位受湖口流量和长江干流的共同作用(图1):当长江流量较大时，湖口水位将在短期内顶托湖区水位，即湖区水位由长江干流控制;当长江流量较小，入江水道段存在一定比降时，湖区水位受湖口流量控制.顶托倒灌阶段湖区水位与湖口水位基本一致，受长江干流控制，汛期三峡工程调峰作用将减轻鄱阳湖的防洪和蓄洪压力.退水阶段湖口水位顶托作用消失，湖区不同位置水位开始出现差异，表现出河道的特性，此阶段湖区水位由受长江干流控制逐渐向受湖口流量控制转变.

图1 鄱阳湖湖区水位年变化过程Fig.1 Yearly variation of water level in Lake Poyang

图2 1991-2008年鄱阳湖湖口水位与大通和湖口流量的关系Fig.2 Relationship between water levels at Hukou station and discharges at Datong，Hukou stations of Lake Poyang during 1991-2008

1.3 三峡工程运行影响分析

图3 低水阶段鄱阳湖水位与湖口、大通流量的关系Fig.3 Relationships of water level and discharge at Hukou and Datong station of Lake Poyang in low level stage

从三峡工程运行前(1999-2002年)和运行后(2003-2006年)星子、都昌和棠荫站水位与湖口水位的关系(图4)可以看出，工程运行前后低水位(＜13 m)时，水位大小为棠荫站＞都昌站＞星子站＞湖口站，水位关系数据点较松散，湖区水位具有河道的特点，有一定比降;高水位(≥13 m)时，鄱阳湖呈湖相，4个站点水位相差不大，因此可认为三峡工程运行后鄱阳湖水位基本特征并没有改变.工程运行后湖口水位5～7 m时星子站与湖口站水位差明显减小，星子、都昌和棠荫站水位差依然明显，这可能与三峡工程在枯水期对下游有一定补水作用，而补水作用只影响到星子站有关.

图4 鄱阳湖湖口水位与其他站点水位的比较Fig.4 Comparison of water levels at Hukou station and those at other stations of Lake Poyang

尽管三峡工程运行没有改变鄱阳湖水位基本特征，但是低水、涨水和退水阶段湖区水位在不同程度上受长江干流影响，因而与该3个阶段对应的枯水期、增泄期和蓄水期三峡运行将对鄱阳湖水位造成不确定于或等于入库流量;9月中旬开始蓄水1个月，下泄流量减少，少数年份这一蓄水过程延续到11月份;12月至次年4月，水库按电网要求放水，动用调节库容，出库流量大于或等于入库流量.三峡工程运行影响长江径流过程，将对鄱阳湖水位造成影响.

图3 低水阶段鄱阳湖水位与湖口、大通流量的关系Fig.3 Relationships of water level and discharge at Hukou and Datong station of Lake Poyang in low level stage

从三峡工程运行前(1999--2002年)和运行后(2003--2006年)星子、都昌和棠荫站水位与湖口水位的关系(图4)可以看出，工程运行前后低水位(＜13 m)时，水位大小为棠荫站＞都昌站＞星子站＞湖口站，水位关系数据点较松散，湖区水位具有河道的特点，有一定比降;高水位(≥13 m)时，鄱阳湖呈湖相，4个站点水位相差不大，因此可认为三峡工程运行后鄱阳湖水位基本特征并没有改变.工程运行后湖口水位5～7 m时星子站与湖口站水位差明显减小，星子、都昌和棠荫站水位差依然明显，这可能与三峡工程在枯水期对下游有一定补水作用，而补水作用只影响到星子站有关.

图4 鄱阳湖湖口水位与其他站点水位的比较Fig.4 Comparison of water levels at Hukou station and those at other stations of Lake Poyang

尽管三峡工程运行没有改变鄱阳湖水位基本特征，但是低水、涨水和退水阶段湖区水位在不同程度上受长江干流影响，因而与该3个阶段对应的枯水期、增泄期和蓄水期三峡运行将对鄱阳湖水位造成不确定影响:1)增泄期与鄱阳湖洪水期时间基本一致，长江干流增泄将在一定程度上增加湖区防洪压力;2)蓄水期长江干流流量减小将降低湖区水位，使得湖区枯水期提前，影响湖区生态、水质、航运以及生活和工农业用水，3)枯水期鄱阳湖水位较低，三峡调度将可能增加下游流量.因此本文开展物理模型试验，研究三峡工程增泄期、蓄水期和枯水期运行对鄱阳湖水位的影响.

2 物理模型试验简介

2.1 模型范围和比尺

鄱阳湖湖区模型平面比尺500，垂直比尺50，相应的水流运动相似比尺包括流速、糙率、流量和水流运动时间比尺，分别为7.07、0.607、176750 和 70.72.湖区模型模拟范围包括鄱阳湖湖区(指湖口水位站防洪控制水位22.50 m(冻结吴淞高程)所影响的环鄱阳湖区)、五河尾闾、湖口及部分长江段(武穴至彭泽河段，长约100 km)，各进口控制口门和长江出口水位控制口门布置如图5所示.

2.2 模型验证

结合水槽加糙试验成果、河工模型加糙实践经验对鄱阳湖湖区和长江武穴-彭泽河段采用卵石梅花加糙和密铺塑料草垫加糙方法对模型进行加糙率定.

由于鄱阳湖湖区制模地形采用1998年实测地形，长江干流河段制模地形为2006年实测河道地形，因此对长江干流段和鄱阳湖入江水道段分段进行水面线验证:选取2006年实测资料作为长江段枯平洪水面线验证试验资料;选取1998-1999年水位流量实测资料作为入江水道枯平洪水面线(湖口站为水位控制点)验证试验资料.流速分布和分流比验证:选取2011年11月13--19日(枯水)和2012年5月11-19日(平水)水文测验资料作为验证试验资料.

验证结果表明:各站水位模型与原型误差一般在±0.01 m与±0.05 m之间，满足《河工模型试验规程(SL99--1995)》要求，即满足模型与原型河床阻力相似的要求;各断面横向流速分布与原型实测资料基本一致，局部位置因制模地形与水文测验地形不同，模型的流速分布与原型有所偏差;左水道CJ3分流比为38.7%，右水道CJ4分流比为61.3%，对应原型实测的40%和60%，模型左、右水道的分流与原型也基本相似.模型与原型在水面线、流速分布及汊道分流比等方面是基本相似的，满足了模型与原型水流运动相似的要求，可以在此基础上进行相关试验研究.

3 结果分析

3.1 影响幅度分析

选取对鄱阳湖水情影响显著的典型水文年，重点研究三峡工程运行前后不同时期(增泄期、蓄水期和枯水期)长江水情变化对湖区水位的影响规律.基于汉口站和鄱阳湖五河的水文特征，按丰、平、枯的特征选取1986年(江枯湖枯)、2000年(江平湖平)和1998年(江丰湖丰)作为对湖区影响显著的典型水文年.

根据宜昌至大通河段江湖河网一维非恒定流数学模型的计算成果，确定鄱阳湖定床模型试验进出口试验条件(表1):计算三峡工程运行前和运行后在现状地形上(长江干流为2006年实测地形，鄱阳湖区为1998年实测地形)各典型年长江至大通河段(含洞庭湖和鄱阳湖)的江湖水流演进过程;分别选择增泄期和蓄水期三峡工程运行前后长江进口平均流量、长江出口平均水位、湖口平均流量作为边界条件，反映三峡工程运行前后长江在增泄期和蓄水期水情的总体变化情况;选择增泄期和蓄水期三峡工程运行前后长江出口水位变化最大值当日长江、湖口水情作为边界条件，反映增泄期和蓄水期湖区水流运动的极端个别情况;分别找出三峡工程运行前长江出口水位最低值、长江进口流量最小值和运行后长江出口水位变化最大值当日的长江、湖口水情作为边界条件，模拟枯水期湖区水流运动情况，反映长江水情变化对鄱阳湖水位的影响范围及幅度.

从表1可以看出:三峡工程运行对鄱阳湖水位的影响由湖口站到星子和都昌站逐渐减小;蓄水期三峡工程运行对鄱阳湖水位影响最大，特别是枯水年造成星子站水位平均(最大)降幅为1.58 m(2.78 m)，都昌站水位平均(最大)降幅为0.94 m(2.58 m)，丰水年湖区水位降幅相对平枯水年降幅较小，但星子站和都昌站水位最大降幅也达到1.70 m和1.39 m;泄水期三峡工程运行会增加鄱阳湖水位，丰水年增幅最大，星子站和都昌站水位增幅约1 m，平、枯水年两站水位增幅为0.30～0.79 m;枯水期三峡工程运行对鄱阳湖水位的影响总体较小，补水作用基本只影响到星子站，这与工程运行后星子站与湖口站低水位时落差减小，而星子、都昌和棠荫站水位有明显落差的实际情况相一致.

水位影响范围与长江尾门水位变幅有关:当长江尾门水位变化幅度小于1 m时，尾门水位变化带来的影响随着距离不断减弱，都昌站水位基本不受影响;随着尾门水位变幅的增大，其对星子和都昌站水位带来的影响增大，当尾门水位变幅达3.57 m时，都昌站水位变幅达2.58 m，即长江干流水位变化对整个湖区造成了影响.

表1 三峡工程运行前后鄱阳湖水位差值(运行后-运行前)Tab.1 Variation of water level in Lake Poyang before and after operation of the Three Gorges Project

3.2 湖泊面积变化

根据湖泊1998年地形实测资料，建立通江水体高程-鄱阳湖面积关系曲线方程(忽略了湖面比降)，结合枯平洪水年增泄期、蓄水期、枯水期三峡工程运行前后都昌站各运行期平均水位，对比分析工程运行前后鄱阳湖湖面面积变化(表2):三峡蓄水期将造成鄱阳湖湖区水面面积损失较大，特别是枯水年，面积减小68%;三峡增泄期明显增加湖区面积，平水年和丰水年分别增加32%和26%;枯水期三峡工程运行对鄱阳湖湖面面积基本无影响.

表2 三峡工程运行前后鄱阳湖湖面面积变化(运行后-运行前)Tab.2 Variation of water-surface area of Lake Poyang before and after operation of the Three Gorges Project

4 结论

鄱阳湖湖口水位年内经历了低水、涨水、顶托倒灌和退水4个阶段，其中顶托倒灌阶段湖区水位受长江干流控制，低水、涨水和退水阶段湖区水位受湖口流量和长江干流的共同作用.

三峡工程运行虽然没有改变鄱阳湖“高水湖相，低水河相”的基本特征，但是对鄱阳湖湖区水位值有所影响:枯水期影响较小，补水作用基本只影响到星子站;增泄期会增加湖区水位，都昌站最大增幅约1 m，考虑到三峡增泄期与鄱阳湖汛期时间基本一致，三峡增泄可能增加湖区防洪压力;蓄水期造成湖区水位降幅较大，枯水年都昌站平均(最大)降幅为0.94 m(2.58 m)，枯水文年湖区水面面积减小明显.三峡蓄水将导致鄱阳湖枯水期提前，对鄱阳湖生态湿地和水资源利用造成影响.

试验成果没有考虑三峡工程运行对河道冲刷的影响，如果考虑三峡工程运行中后期河道冲刷带来的湖口站枯水期水位下降，三峡蓄水期造成的鄱阳湖湖区水位下降的影响将进一步加大.本研究成果为正确认识三峡工程运行对鄱阳湖与长江江湖关系影响提供了科学依据，同时也为鄱阳湖区防洪安全提供了重要依据，具有良好的经济与社会效益.

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