乌伦古湖咸水倒灌原因及缓解条件分析

2019-12-27李国强诸葛亦斯

中国农村水利水电 2019年12期

赵冲，李国强，诸葛亦斯，余晓

(1.三峡大学水利与环境学院，湖北宜昌 443002 ；2，华东勘测设计研究院，杭州 310014；3.中国水利水电科学研究院，北京 100048)

0 引言

湖泊倒灌是发生在湖泊与周围水体交汇处的一种物理过程，多指湖泊水体从历史水位较低的区域流向水位较高的区域，会对湖泊水动力和水环境带来严重影响或干扰[1,2]。目前国内研究长江倒灌鄱阳湖的有很多，唐昌新[3]提出用零界流量来识别湖泊倒灌；胡春华[4]研究了长江倒灌鄱阳湖的强度的三个阶段, 在江湖泊倒灌问题上取得了不错成果。乌伦古湖位于新疆福海县境内，分为大小不等的两个湖泊，小湖水位较高且矿化度较大湖低很多。正常情况下，小湖湖水流向大湖，两湖生境能够维持健康。湖泊修建了补水和拦河闸工程后，在湖区出现了逆向湖流，大湖高矿化度的湖水开始不断倒灌流入小湖，使得小湖矿化度剧增，湖水迅速从淡水湖转变为咸水湖。这种湖泊内部倒灌与江湖间倒灌的机制不尽相同，对湖泊健康危害较大且研究相对较少，需要更多的研究。因此，以乌伦古湖倒灌问题为研究背景，从湖泊水动力角度解释湖泊倒灌的成因，依靠数值模拟的手段探究倒灌发生的条件和特点，并对乌伦古湖的拦河闸和补水工程提出一些优化建议。

1 湖泊概况及问题描述

1.1 湖泊概况

乌伦古湖位于新疆西北部，是两组断层塌陷后形成的湖泊，也是乌伦古河的尾闾湖泊。目前，湖泊面积约1 000 km2，主要由吉利湖(小湖)和布伦托海(大湖)两个水域组成。吉利湖位于湖泊东南部，平均水深9.9 m，最大水深14.7 m，面积约167 km2；布伦托海位于湖泊西北部，平均水深8 m，最大水深12.8 m，面积约830 km2。天然状况下，乌伦古河来流进入吉利湖，经过长约7 km的库依尔尕河(近似为NW走向，以下简称库河)，汇入布伦托海，见图1。

图1 乌伦古湖示意图Fig.1 Schematic view of Wulungu Lake

湖区水质清澈，面积广阔，湖周芦苇丛生，湿地遍布，是良好的栖息场所。据统计，湖区生活着天鹅、黑颈鹤、鹭鸶、海鸥等47种名贵鸟类和东方欧鳊、梭鲈银鲫、丁鲈、贝加尔雅罗鱼等29种稀有鱼类，是新疆重要的渔业基地，具有十分重要的生态保护意义。

1.2 咸水倒灌问题描述及危害

大型湖泊由于空间分布广阔，水环境质量在空间上分布差异很大[5]。乌伦古湖两湖的矿化度差异很大，布伦托海矿化度为2～3 g/L，属于微咸水湖泊，吉利湖矿化度小于0.5 g/L，为淡水湖泊。1970以后，为了缓解气候变暖和人类活动造成乌伦古河入湖水量锐减、湖泊萎缩等问题[6]，分别在布伦托海和库河建造了补水工程、拦河工程。由于缺乏科学的管理方案，湖泊面积恢复的同时布伦托海的咸水也开始倒灌吉利湖。多年来，吉力湖矿化度一直呈上升趋势(见表1)，但根据程艳的研究，继1987年以后，在水量不足和咸水倒灌的双重作用下，吉湖矿化度快速升高[7]；2000年以后，吉力湖水位稳定在482 m左右，但倒灌仍然使吉力湖矿化度保持很高的增长水平。

表1 不同年份吉力湖矿化度Tab.1 Mineralization degree of Jili Lake in different years

在水体矿化度为2～3 g/L时，家鱼性腺成熟、宇卵受精率和孵化率都较差，淡水鱼难以自然繁殖[8,9]。目前，乌伦古湖仅吉力湖矿化度在2 g/L以下，能为湖区淡水鱼类提供良好的繁衍和栖息场所。而布伦托海咸水倒灌，加速了吉力湖的咸化进程，会使湖区银鲤鱼和白斑狗鱼数量减少，东方真鳊鱼的繁殖能力下降[8]，对湖泊的优势鱼种形成一定选择性，破坏湖泊的原有生物结构。

1.3 湖泊咸水倒灌成因分析

湖泊的水动力决定了湖泊物质迁移转化和生境演变[10,11]，主导着湖泊的水体运动。水位、风和径流能为湖泊水体运动提供主要的驱动力。不同区域间的水位差异会引起湖泊水面的倾斜，驱使水体流动；在大型宽浅湖泊，风是湖泊水体流动的主要驱动力[12],决定了湖泊的湖流形态、环流结构以及流速大小[12,13]；径流入湖会产生吞吐流，在出入流量较大的湖口地区影响明显[11]。

乌伦古湖主导风向为NW，多年平均风速大小为2.58 m/s，在风驱动力作用下，会推动湖泊大部分水体向东南方流动，在库河形成与正常流向(吉力湖流向布伦托海)方向完全相反的倒灌湖流。而在1950-1969年间，吉利湖湖区水位比布伦托海高出2～4 m(见图2)，这种天然水位差会使库河水面向布伦托海倾斜，在水体重力作用下，库河会形成从吉利湖流向托海的正常湖流。当两湖水位差较大时，重力作用产生的正常湖流能够有效压制风生流产生的倒灌湖流，库河水体呈现正常流向，湖泊不会出现倒灌。

根据程艳的研究，自1957年后，湖区上游用水量急剧增加，使得乌伦古河补给湖区的吞吐流量锐减，甚至出现断流现象，湖泊水位不断降低[14]。补水工程的修建，在乌伦古湖开辟了新的入湖径流，导致湖泊产生吞吐流的位置从一处变为两处；拦河闸则切断了大部分时段两湖的水动力联系，缩小了吞吐流的影响范围，乌伦古河与补水入湖产生的吞吐流分别只能对吉力湖、布伦托海起作用。湖区吞吐流的这些变化，使得两湖的天然水位关系不断变化。1970年后(图2)，两湖水位差(吉力湖减布伦托海)经历了一个先增加后减小最终布伦托海水位反超吉力湖的过程。随着两湖水位差不断缩小，库河水面倾斜程度会逐渐降低，水体重力产生的顺流效果会削弱，对风生流压制作用削弱甚至消失，在两湖连通的时段，风生流就会引发湖泊倒灌。在2005年前后，布伦托海水位彻底超过吉力湖，此时布伦托海流向吉力湖会成为库河的常态流向，严格意义上讲，此阶段布伦托海咸水流向吉力湖已不属于倒灌范畴。

图2 两湖近60年来水位Fig.2 Water level of the two lakes for nearly 60 years

2 湖泊倒灌的特点及条件分析

要进一步剖析湖泊倒灌产生所满足定量条件，需要对湖泊倒灌的水动力进行更加精细深入的研究。目前，数值模拟在湖泊水动力研究运用广泛，借助数值模拟的手段,分风生流、吞吐流以及二者并存三种情况来探究乌伦古湖倒灌的水动力特点。乌伦古湖属于浅水湖泊，水体无分层，采用二维水动力模型即可很好的模拟湖泊水动力特性。

2.1 风生流下倒灌的研究

在湖泊没有水量出入时，湖泊属于纯风生流状态。西北风形成的风生流会在布伦托海形成3个大的环流，吉力湖形成2个大的环流，局部区域形成若干小型环流，整个湖泊呈现西北低东南高、布伦托海低吉力湖高的水位分布(图3)。

图3 风生流下湖泊水位、流场Fig.3 The water level and flow field of the Lake under the wind-driven current

在吉力湖水位比布伦托海水位高出一定值后，库河水面将拥有很大的倾斜，倾斜水体水平方向作用效果与风驱动力达到平衡，风生流就不能引起的倒灌。本文统计倒灌刚好被压制时库河与两湖连接点[位置如图4(a)所示]的上断面与下断面的水位差值，结果如图4(b)。风速从0 m/s增加到22 m/s，抑制倒灌所需要的湖泊水位差也会相应增加。在风速为22 m/s时，水位差值达到最大，为0.17～0.3 m，才能遏制倒灌。而随着湖泊整体水位升高，需要的水位差会减小，以22 m/s风速为例，湖泊水位从481.5 m上升为483 m，水位差从0.3 m下降为0.17 m。因此，保持吉力湖水位比布伦托海高0.3 m，是风生流不会引起湖泊倒灌的阈值条件。

图4 断面位置和水位差值Fig.4 Section position and water level difference

2.2 吞吐流下倒灌的研究

当湖泊无风时，湖泊处于乌伦古河来流qW和补水工程输入流量qB形成纯吞吐流状态。吞吐流会在两湖间形成一个顺时针的环流。整个湖泊水位分布基本相同，并无明显水位差存在(图5)。

吞吐流对布伦托海和吉力湖的作用效果基本相同，但不同qW、qB组合情境下，在库河会有不同的水流流向。对任意qW，随着qB不断增大，库河的水流流向都会从吉力湖流向布伦托海逐渐转变为布伦托海流向吉力湖(图6)，本文统计了库河流向刚好变为布伦托海流向吉力湖时的qB大小，计为qL。随着qW增加时，qL的值也会增加，二者之间存在良好的一阶线性关系。湖泊水位分别为481.5、482、482.5、483 m时，qL/qW(以下简称大、小湖补水比例)比值差异很小，均在4.6～4.8左右。库河的水流流向反映了大、小湖的补水关系，当流向为布伦托海流向吉力湖时，布伦托海咸水会不断补给吉力湖，即发生倒灌。

图5 吞吐流下湖泊的水位、流场Fig.5 The water level and flow field of the lake under the influent-effluent current

图6 库河流向变化情况Fig.6 Changes in the Ku river flow direction

因此，大、小湖补水比例qL/qW大于4.6～4.8，吞吐流会引起湖泊倒灌。

2.3 复合驱动下倒灌的研究

当湖泊处于风生流和吞吐流的复合驱动时，风生流占主导地位，整个湖泊表现为生流情况下的水动力特性(对比图4、图7和图8)。会在布伦托海形成3个大的环流，吉力湖形成2个环流，湖泊水位呈现西北高东南低、吉力湖高布伦托海低的特点(图7)。

图7 风声流和吞吐流复合驱动下下湖泊水位、流场Fig.7 Water level and flow field under Composite driver

和风生流下湖泊情况基本一样，吉力湖和布伦托海水位差小于0.3 m时，风生流会引起湖泊倒灌。大、小湖补水比例变化并不能阻止倒灌发生，但比例增大会延长倒灌的持续时间。大、小湖补水比例从3增加到4，倒灌的持续时间会被延长2.5 h，大、小补水比例从3增加到5，倒灌时长会延长6 h。当风场风速为5 m/s，大、小湖补水比例为3时，倒灌的持续时间就能被控制在1 d以内。而两湖水位差(吉力湖减布伦托海)大于0.3 m时，风生流的倒灌作用被水位差压制，吞吐流会表现出更大影响。在大、小湖补水比例大于4.7～7.0时，尽管吉力湖水位比布伦托海高，库河也会出现布伦托海流向吉力湖的水流流向，湖泊也会发生倒灌。因此，复合驱动下，湖泊发生倒灌的条件是湖泊水位差低于0.3 m或水位差高于0.3 m，大、小湖补水比例大于4.7。

2.4 讨论

根据三种情景下乌伦古湖水动力特点模拟的结果，在风生流和风生流与吞吐流复合驱动下湖泊倒灌情况、水位分布以及流场分布的规律基本相同，没有表现出吞吐流作用下的特点。可见，湖泊吞吐流的对湖泊倒灌、水位分布和流场分布的影响要比风生流小得多，这与上文引用其他学者对风生流和吞吐流水动力特性的描述基本一致。

在只有吞吐流作用时，库河水流流向始终为高水位流向低水位。当库河流向刚好处于大湖流向小湖的临界状态时，大、小湖间水量交换很弱，乌伦古河的吞吐流量只作用在小湖，而补水工程的补水流量也近乎只对大湖起作用。此时吞吐流对两湖水位的瞬时影响，可用各吞吐流量值与湖面积的比值来估算。当湖泊水位为481.5～483 m时，小湖面积为160.2～178.5 km2，大湖为815.7～837 km2，大湖与小湖面积之比在4.7～5.0变动。在两湖初始水位相同状态下，要维持大湖水位不超过小湖，补水流量与乌伦古河来流比值应小于二者面积比4.7～5.0，这与模型模拟的比例4.6～4.8十分接近。分析差异的原因可能是湖泊的动态面积与静止时会有些许差异。而复合驱动下，风生流作用比吞吐流作用大得多。风生流的驱动力主要是与水面间的摩擦力，只要与水面有接触，就会产生驱力，因此，在忽略湖面各处表面摩擦系数差异的情况下，风生流的驱动力是均匀作用于湖泊各点的，会始终使湖面各处存在西北向水位梯度，这种梯度，会削弱大湖流向库河(与梯度方向相反)的吞吐流的作用，使补水流量作用降低，因此表现出复合驱动下的比例比只有吞吐流作用下的大。