拟建鄱阳湖水利枢纽工程对水龄的影响模拟分析

唐昌新，张晓航，邬年华，黄志文，邹文楠

（1.南昌大学 光伏研究院，江南 南昌 330031；2.南昌工程学院 理学院，江南 南昌 330099；3.江西省水利科学研究院，江南 南昌 330029；4.南昌大学 工程力学研究所/高等研究院，江南 南昌 330031）

1 研究背景

近年来，鄱阳湖受湖区上游水库蓄水、流域气候变化和长江水资源形势变化等多种因素影响，面临的生态压力不断增大，出现了一系列的生态问题，生态系统呈现出退化的趋势[1-3]。同时，鄱阳湖的枯水期出现了起始时间提前、水位偏低和持续时间延长等现象，湖区面积也在不断缩小[4]。因此，江西政府从保护“一湖清水”出发，坚持“江湖两利”和“保护湿地，坚持人与鸟和谐相处”为出发点，对鄱阳湖水利枢纽工程进行了重新定位，将建“坝”改为建“闸”，采用“调枯不调洪原则”的运行方式[5]。2009年，由江西省政府提出的《鄱阳湖生态经济区规划》获得国务院批准，规划中明确提出近期要“重点研究、适时推进鄱阳湖水利枢纽工程建设”[6]。

然而，在自然江湖水系中修建水利枢纽工程必然会影响江湖生态系统的连续性和流动性，改变水流情势，从而引发不同的生态环境效应[7]。对新的规划设计方案和运行思路，国内专家学者也从江湖关系、生态环境与经济社会效益等方面进行了大量研究和论证[8-16]：胡春宏等[15]在研究中提到，即使在调枯不调洪的方案下，鄱阳湖水利枢纽工程建成后，每年仍有一半时间造成江湖阻隔，改变了江湖水情，而江湖关系的后续演化仍需要开展深入的研究。洪峰等[16]的研究认为由于工程的季节性阻隔，水位提升，将影响产漂流性卵的鱼类和长江江豚迁移及遗传交流，其累积或将改变湖区生物物种组成和丰度等。胡春华等[17]应用EFDC（The Environmental Fluid Dynamics Code，环境流体动力学程序包[18-19]）模拟发现水利枢纽工程建成后湖区氮磷营养盐水平均有所提升，且对氮磷营养盐的分布具有较大影响。杜彦良等[20]采用水深平均的二维水动力-水质模型，综合分析了水利枢纽工程对鄱阳湖水动力特性和水质浓度的改变，发现工程增加了湖区局部水体的富营养化风险。湖泊水动力学模型的建立和水文模拟对湖泊水资源的管理具有非常重要的理论和实践意义。余启辉等[21]通过考虑鄱阳湖与长江之间的相互作用、湖区区间汇流对水动力的作用以及湖区复杂的河湖交替形态等多种特征，采用江湖连通一、二维耦合水文水动力模型，研究了鄱阳湖水利枢纽调度对湖区枯期水位与流速的影响；赖格英研究组[22-25]利用EFDC模拟了鄱阳湖水利枢纽工程对主湖区及湿地保护区水位的影响、长江干流流量、换水周期及对整个湖区水文水动力影响。

鄱阳湖水利枢纽的建设运行和调控方案的选择，要综合考虑促进江湖交换、保障粮食安全、保护湿地和鱼类资源、维系生态系统良性循环等因素，因此相关问题需不断深入的研究。为了定量认识流场在物质输运中的作用，有必要研究与流场密切相关又能反映其本质的辅助变量，比如水龄，进而通过研究这些辅助变量，有助于人们更好地理解湖泊水动力过程的环境效应[26]。水龄[27-30]定义为水质点自进入控制体以来到流经该点所需的时间（在控制体入口处，水龄为零），它可以定量反映水体的运动和交换程度以及滞留情况，对评估水质的变化具有重要意义。以太湖为例，李一平[31]、郝文彬等[32]和黄春琳等[33]分析了“引江济太”工程对太湖湖区水龄分布的影响，为客观的评估工程对太湖水质的改善情况提供了可靠依据，并考虑到投入产出比得到了最优的引水流量。最近，李云良等[34]模拟发现鄱阳湖换水周期的空间分布具有较高的空间异质性，并提到鄱阳湖是一个快速换水和慢速换水同时共存的湖泊系统。张素香等[35]利用EFDC分季节模拟了鄱阳湖的水龄，发现鄱阳湖水体交换受季节性来水的影响明显，并发现水龄的计算很适合研究鄱阳湖水体交换。

目前，利用EFDC等数值模拟手段来研究鄱阳湖已经非常成熟，但是已有模型中对鄱阳湖枢纽工程的概化方法较为单一，并且没有模型是基于水龄来分析枢纽工程的影响。因此，本文结合前期已有模型[36]，采用新的方案概化鄱阳湖枢纽工程，研究在预期调度方案下鄱阳湖水利枢纽工程对湖泊水龄的影响，为分析鄱阳湖水利枢纽工程对湖区水质的影响提供一定的依据。

2 研究方法

EFDC模型最早是由美国弗吉尼亚州海洋研究所Hamrick教授等集成多个数学模型开发研制的综合模型，其中的水龄模型在本文起关键作用[27-30]。通常水体的运动过程非常复杂，现场观测数据和数值模拟常规的状态变量通常无法直接反映水环境演化的内在机理，因此需要引入一些特定的辅助性变量来解读说明，水龄就是这一类的辅助变量，它可以进一步理解模型计算的结果。在水环境中，

绝大多数生物、溶解性营养物质、污染物和悬浮颗粒随水体运动，所以水龄越大，表示水体对这些物质的输运速度慢，水体被交换程度弱，反之，水龄越小，水体输运速度快，水体的交换程度就强，水的活性越高。因此通过水龄模拟，可以估算湖泊水体的净化速率，以及计算污染物在湖区的输运时间。对于水团水龄的定义，由于水的扩散和混合过程，水团中的水质点将和周围的环境不断的进行交换，进入水团的水质点与原有的水质点有着不同的水龄，所以Deleersnijder等[28]假定水龄满足质量加权平均，即水团的平均水龄等于各质点水龄质量加权的代数平均，详细计算过程参考文献[28]。

2.1 模型建立和率定鄱阳湖位于长江中下游南岸，江西省北部，上乘赣江、抚河、信江、修河和饶河（以下简称“五河”），其水域的成因主要是“五河”来水与下泄长江水量吞吐动态平衡的结果。鄱阳湖湖区以松门山为界，分为南北两部分，北面为通江河道，长40 km，宽3～5 km，最窄处约2.8 km；南面为主湖体，长133 km。模拟区域为整个鄱阳湖湖域，如图1（a）所示，面积为3143 km2，模型采用二维单层网格（图1（b）），总计78 477网格单元。模型采用鄱阳湖1998年的边界和地形数据，其中地形数据的测量点为215 774个，平均点距为120 m，并结合圩堤数据，确定模型边界。模型采用南昌站的气象数据。鄱阳湖的入流主要是“五河”，分为多条支流进入鄱阳湖，在模型中设定为流量边界条件（见图1（b））。各入湖处流量的测量站点为：修水为虬津和万家埠，赣江为外洲，抚河为李家渡，信江为梅港，乐安河为虎山，昌江为渡峰坑。水文站以下集水面积产生的入湖流量，利用平均降雨乘以降雨径流系数得到。鄱阳湖出流是通过湖口进入长江，模型以开边界、给定水位时间序列的方式设定。模型以2007年作为率定期确定相关水动力参数，同时也为2008年模型的运行提供水位、水龄的初始条件。通过率定，确定模型的底部粗糙高度在湖区多水生植物区域设为0.05 m，多泥沙区域设为0.01 m；模型的干网格水深设为0.07 m，湿网格临界水深设为0.08 m。模型丰水期的运行时间步长设为5 s，枯水期设为1s，并通过热启动的方式使模拟连续。

图1 鄱阳湖模型

表1 水位和湖口水文站泄量模拟误差分析

在模拟区域内选择屏峰、星子、都昌和棠荫等4个水文站点的测量水位以及湖口水文站的测量泄量与模拟值进行误差分析（表1），在验证期发现：位于北部入江水道的屏峰站和星子站的水位误差较小，位于湖区的棠荫站的水位误差较大，但4个站点的Nash有效系数都在0.937～0.993之间。从时间段来看（图2（a）～（d）），水位模拟值在枯水期的误差较大，其原因是枯水期鄱阳湖处于河相，对地形的精度要求较高。湖口泄量（表1，图2（e））的模拟相对均方根误差为4.8%，Nash有效系数为0.927，模拟误差来源有：（1）地下水不能准确考虑；（2）周边分蓄洪区因独立于鄱阳湖自由水面，其与湖区的水量交换无法考虑。本文的验证结果显示模拟误差在一个可接受范围内，表明建立的鄱阳湖EFDC水动力模型较好地模拟了鄱阳湖的水位、泄量变化。

2.2 鄱阳湖水利枢纽工程在模型中的概化拟建的鄱阳湖水利枢纽基于滚水坝的原理建造、位于湖区北部的狭长入江水道长岭－屏峰山湖段（图1（b）），闸址湖面宽约3 km，湖床底部高程一般7～9 m，其具体规划设计参见文献[5]。鄱阳湖枢纽工程采用闸门的方式，并基于“调枯不调洪”原则进行调度，在不同的时期控制水位不同，在丰水期为自由连通状态。这种“阶梯式水位，适应性调度，动态化管理”的工程调度方案设想分为5个时段，具体见表2。

图2 参数率定期和验证期水文站水位和湖口水文站泄量的测量值与模拟值对比

表2 鄱阳湖水利枢纽工程规划调度方案

在EFDC模型中对鄱阳湖水利枢纽工程进行合理概化，是数值模拟结果能否有效评估鄱阳湖水利枢纽影响的关键。本文通过改变水利枢纽工程位址处的底部高程，即人为设定出具有一定高度的坝体来概化鄱阳湖枢纽工程（如图3所示），具体做法是：（1）在自由连通期虽然无需控制水位，但考虑到工程建立也会改变该处的底部地形，所以参考工程的设计图纸，设定4.5m高的平顶坝体；（2）在枯水期根据调控水位设定一定高度的坝体，其高度由调控水位减去涌水高度得到；（3）“五河”的流量边界和湖口的开边界继续采用原值。关于该方案的有效性，后面还将详细论证。

3 模拟结果分析

图3 鄱阳湖枢纽工程概化方案和控制上游11m水位效果

3.1 2008年鄱阳湖无枢纽工程时的水龄时空分布在图4中，湖口水龄和鄱阳湖的水力停留时间具有等效意义，文献[35]对此有较为详细的说明。根据水位、流量和泄量等信息，鄱阳湖2008年的水动力过程可以依次概括为枯水期、涨水期、洪水期、顶托倒灌期、消退期、短时间强倒灌期、消退期和枯水期等过程。通过分析图4中2008年的湖区平均水龄变化过程，发现对应每个水动力时期，湖体水龄都有明显的特征，可以概括为如下内容：（1）鄱阳湖水龄的变化主要受“五河”来流流量的影响，当来流较大时湖区平均水龄降低，反之，水龄增加；（2）鄱阳湖的水龄受江湖作用的影响，在顶托倒灌期湖区水龄呈上升趋势，但是在较大倒灌来流的补充作用下能明显降低水龄；（3）在各个水动力阶段，枯水期和顶托倒灌期水龄较大，涨水期和洪水期水龄较小；（4）鄱阳湖平均水龄的年平均值为47.8 d，湖口水龄的年平均值为20.5 d，说明鄱阳湖水体具有较强输运能力。从图4中选择8个具有代表性的时间点（即图中所标注的A-H点），给出湖区水龄的空间分布，见图5（（a）—（h））所示，分析如下：（1）枯水期（图5（a）和（h）），鄱阳湖呈现“河相”，由于水位较低，各湖湾处的水体滞留而水龄较大，尤其是东北湖湾。（2）涨水期，随着“五河”来流增大，湖区水位上升，动态性增强，水龄降低，同时新鲜水体注入东北湖湾，把水龄较大的原水体推向了湖湾内部（见图5（b））；当“五河”来流短时变小而水位下降时，由于“五河”入湖口大多分布在湖区的西侧，湖区东侧水体水龄增加明显（见图5（c））。（3）洪水期（图5（d）），整个湖区的水龄年内最低，呈现出较好的交换性；（4）顶托倒灌期，从图5（e）可知，在通江河道和中央水道区域的水体受到顶托而不能顺利下泄，水龄较大。在发生较强的倒灌作用时（见图5（g）），湖流逆向，湖体在较大来流的补充下水龄快速降低；（5）消退期（图5（f）），湖区水龄呈现东部大于西部的分布特点。湖口泻出的水体经历前期较长时间的顶托从而水龄较大，同时湖区的平均水龄也随水位的迅速下降而快速增加。

图4 2008年鄱阳湖水龄、来流流量、泄量和星子水位时间序列

图5 2008年鄱阳湖湖区的水龄分布

同时，通过对图5的仔细观察可以发现来自不同入口的水体水龄云图在湖区常常有明显的分界线，说明水体在中心湖区并没有充分混合，再次体现了鄱阳湖水体动态较强、整体水龄较小的特点。综合来说，鄱阳湖的水龄分布正如李云良等[34]描述的具有较高的空间异质性，因此本文选择了3个重点区域，分别是：中心湖区，包括西南的河口三角洲和中央水道；东北湖湾区，包括中央水道以东的湖湾；入江水道区，指都昌水文站直到湖口的狭长水道区域。不同区域的水龄时间分布见图6。从图6可知，2008年3个区域的水龄演变特点是：（1）东北湖湾的水龄远大于湖区平均水龄，其年平均值达到119.4 d；（2）中心湖区水龄小于通江河道的水龄，但差别不大，年平均分别是16.6 d和23.2 d。

综上可知，在鄱阳湖的河口三角洲、中心湖区和入江水道等区域，湖水的动态性较强，年平均水龄在25 d以下，水体具有较好的交换性，属于快换水系统；而东北湖湾的水体由于湖盆形态和缺少驱动力，年平均水龄达到了119.4 d，容易滞留，交换性差，属于慢换水系统。鄱阳湖的水龄时空分布反映了它作为重力驱动、过水性和吞吐型湖泊的特点。重力驱动使鄱阳湖水体具有较强输运能力，水龄相对较小；过水性和吞吐型反映出鄱阳湖的水龄时空分布受到五河入口的位置及长江湖口水位的顶托倒灌作用的影响。

图6 2008年鄱阳湖不同区域的水龄时间序列

3.2 鄱阳湖水利枢纽工程概化方案的有效性分析图7表明模拟得到的水位变化完全符合预定的鄱阳湖水利枢纽工程水位调度方案，且在调控的不同阶段，水位以一种自然、平滑的方式过渡，比如水位控制期和自由连通期之间；另外，规划的鄱阳湖枢纽工程是基于滚水坝的原理、通过闸门来控制水位，本文将它处理成平顶坝符合其设计原理。值得注意的是，在湖口的开边界条件上，考虑枢纽工程的模型继续采用原水位。由于枢纽工程建立后，必然会改变湖口的泄量，从而影响湖口的水位，所以采用原测量水位将带来一定的误差，但该误差较小，因为：（1）模拟结果显示枢纽工程的存在并没有对湖口泄量带来较大的改变；（2）鄱阳湖湖口的水位主要受长江干流流量的影响[3]。目前已有的鄱阳湖枢纽工程的概化方案[22-25]是把工程处理为开边界，基于调控方案给定水位的方式设定，这种方案的主要问题是工程位址下游区域不会出现在数值模型中，而本文的概化方案克服了这个问题，从而可以更好地模拟在枢纽工程影响下的江湖作用。

图7 2008年有无水利枢纽工程时水位模拟对比

3.3 2008年有无水利枢纽工程情景的模拟结果对比分析鄱阳湖水利枢纽工程会升高枯水期水位，降低湖区流速，从而可能使水体水龄增加，对湖区的水质带来影响。图8分别显示了当控制水位为10 m和11 m时，鄱阳湖水龄分布的变化，对比发现：在枢纽工程以上的通江河道区域，水龄增加，且可以明显观测到在11 m控制水位时河道东侧的水龄增加明显，即发生滞留。为了得到入江河道东侧水体滞留的详细信息，本文在河道中选择两个横截面（位置见图8（d）所示），并提取这两个横截面处水龄、流速和高程等信息，如图9所示：在横截面Ⅰ处，水位10 m时，水龄在14.5～30.1 d之间，而水位在11 m时，为19.3～66.4 d之间；在横截面Ⅱ处，水位10 m时，水龄在7.0～56.5 d之间，而水位在11 m时，为9.4～94.1 d之间。而且，明显可以发现中央河道东侧的水龄快速增加。根据入江河道地形，主河道在西侧，所以可以解释水龄西小东大的规律，而且与横截面Ⅰ和横截面Ⅱ的速度分布对应。另外，“五河”中的修水、赣江和抚河等主要入湖口都分布在湖体西侧，使鄱阳湖水体的驱动力有西强于东。因此，鄱阳湖枢纽工程在枯水期蓄水使入江河道水位上升时，引起河道东侧水体较长时间滞留，而且此效应与水位相关，控制水位越高越明显。

图8 2008年有无水利枢纽的水龄分布对比((b)对应的控制水位为10m，(d)对应的控制水位为11m)

图9 2008年入江河道横截面水龄分布

图10 2008年鄱阳湖各区域水龄变化

下面再分区考虑鄱阳湖枢纽工程建立后对水龄的影响，分区情况如图8（d）所示：枢纽工程至松门山之间的区域为A区；东北湖湾为全湖域水龄最大的区域，所以单独划分为B区；中心湖区以西，主要包括赣江入湖三角洲区域划分为C区。2008年，3个区域水龄的变化过程如图10所示，可见：（1）从补偿调节期过渡到低枯水期进行开闸泄水时，A、B、C等2个区域的水龄都发生了增加，最大幅度分别为11.8、8.1和5.3 d，但低枯水期的后两个月时间，3个区的水龄都变化不大；（2）从4月初直到10月中旬，鄱阳湖实际为江湖自由连通状态，A区和C区的水龄基本相同，B区的水龄在有枢纽工程时发生了一定的增加，但增幅不大；（3）在三峡水库蓄水期的后期，有枢纽工程时会增加湖区水位，从而使A区和C区的水龄都发生增加，最大幅度分别为6.9 d和6.3 d，而B区的水龄变化不大；（4）在补偿调节期控制水位为11 m时，A区和C区的水龄都发生增加，最大幅度分别为7.6 d和4.5 d。

由此可知，鄱阳湖水利枢纽工程对水龄影响较大的区域主要是过江水道区，以及中心湖区西侧的赣江入湖三角洲等区域，尤其是工程位址以上的过江水道东侧，水体有明显滞留，而且与控制水位相关，如在控制水位为11 m时水龄达到了94.1 d。这些区域水龄原本较小，但水利枢纽工程使水龄有较大增加，从而减慢了水体的更换周期和输运条件，降低自净能力和纳污能力，从而可能对水质带来影响。东北湖湾水龄相对较大，换水时间较长，容易发生水质问题，但水利枢纽工程的建立运行只使该区域水龄的年平均值增加了2.8%，影响较小。

3.4 其它典型年份鄱阳湖有无水利枢纽工程的模拟结果对比分析以上分析是基于2008年的测量数据，该年鄱阳湖的平均流量为4087 m3/s，属于“平”水年。为了更好地分析鄱阳湖枢纽工程对湖区水龄的影响，以下以相同方法模拟鄱阳湖水利枢纽工程对1986年和1998年水龄的影响，其中1986年平均流量为3131 m3/s，属于“枯”水年，1998年平均流量为8389 m3/s，属于“丰”水年，见图11。从图11可知，在1986年从补偿调节期到低枯水期，进行开闸泄水时，B区和C区水龄也发生了增加，虽然1998年同期没有观测到该现象，是因为同期鄱阳湖湖区的水位已经高于调控水位。当江湖连通时，两个年份鄱阳湖各个区域的水龄都无明显变化。在下半年的枯水期，鄱阳湖枢纽工程控制水位后，1986年和1998年的A、B和C区的水龄都发生了增加，且枯水年1986年较为明显。

图11 鄱阳湖各区域水龄变化

3.5 鄱阳湖湖口水龄的模拟结果对比分析鄱阳湖湖口的水龄可以很好地反映湖体的水力更换时间，是湖泊重要的一个水动力参数。同时，湖口水龄可以直接体现鄱阳湖和长江之间的江湖作用，如水龄为零时表明发生了倒灌。图12给出了3个年份在有无枢纽工程时湖口水龄的对比，由图12可见：3个典型年份在枯水期控水时湖口水龄都发生了增加，而当江湖连通时湖口水龄变化很小。另外，从1986年的结果发现，湖口的倒灌发生了变化，即在有枢纽工程时倒灌发生的时间点比原来提前，且倒灌的天数缩短。该现象发生在调控方案的枢纽蓄水期，控制水位为15～16 m之间，控水增加了湖区水容量，降低了下泄流量，使湖口水位降低，从而提前引发了倒灌。同时，湖区较大的容量又会阻止倒灌的继续发生，缩短了倒灌的持续时间和强度。由此表明，鄱阳湖水利枢纽工程会影响江湖关系，但影响程度与控制水位相关，在控制水位10 m和11 m时影响较小。

图12 鄱阳湖湖口水龄变化

表3 鄱阳湖湖口水龄统计分析

表3统计结果更加具体表明鄱阳湖水利枢纽工程增加了湖口水龄，即延长水力更换时间，其中调控方案的补偿调节期和低枯水期幅度较大，增加了20%左右，且三种不同水力年份的整体增加幅度大小排序为：枯水年（1986）＞平水年（2008）＞丰水年（1998）。

4 结论

本文利用EFDC模拟了鄱阳湖的水龄时空分布，在无枢纽工程情况下，发现“平”水年2008年鄱阳湖水龄的平均值为47.8 d，相对国内其它大型湖泊较小，反映了鄱阳湖水体具有较强输运能力。鄱阳湖整体水龄的年内变化主要受“五河”来流流量和长江顶托倒灌作用的影响，在顶托倒灌期和枯水期水龄相对较大。鄱阳湖水龄的空间分布会受到“五河”入口的位置和湖底地形的影响，河口三角洲和入江水道等区域水龄较小，平均水龄分别是16.6和23.2 d，东北湖湾水龄较大，平均水龄为119.4 d。另外，本文对比了有无枢纽工程两种情景下的水龄变化，从而分析了鄱阳湖枢纽工程带来的影响，得到如下结论：（1）鄱阳湖水利枢纽工程使枯水期湖区的流速减小，增大了水龄，影响较大的是过江水道区域，以及中心湖区西侧的赣江入湖三角洲等区域。在枯水期，鄱阳湖枢纽工程调控水位时，入江河道东侧的水体发生了较长时间的滞留，而且此效应和控制水位相关。枢纽工程的建立运行对全湖水龄最大的东北湖湾的水龄影响较小，如2008年的对比结果显示该区域水龄在有枢纽工程的情况下年平均值只增加了2.8%。（2）鄱阳湖枢纽工程增加了湖体在枯水期的水力更换时间，在调控方案的补偿调节期和低枯水期有20%左右的增加率。（3）枢纽工程的控水和蓄水会影响江湖作用，具体体现为倒灌的发生时间和持续时间的改变，其影响程度和控制水位的高度有关。