三峡工程运行对鄱阳湖区灌溉供水安全的影响

王 冬,谢 帅,许继军,王永强

(1.长江科学院 水资源综合利用研究所,武汉 430010;2.长江科学院 流域水资源与生态环境科学湖北省重点实验室,武汉 430010;3.长江水利委员会 长江经济带保护与发展战略研究中心,武汉 430010;4.长江电力股份有限公司 智慧长江与水电科学湖北省重点实验室,湖北 宜昌 443000)

0 引 言

在人类活动和气候变化的双重影响下,众多湖泊水文情势发生调整,直接影响湖泊在生态环境、水文循环、防洪抗旱方面的功能发挥[1-3]。21世纪以来,流域人类活动日益增多、增强,逐渐成为河湖水文情势演化与调整的主导因素[2-4]。对于长江流域而言,于2003年运行的三峡工程是流域内重要的水利工程,对流域水文情势、泥沙输运、河道调整、水资源综合利用等产生了显著影响,其中以洞庭湖、鄱阳湖为代表的河湖关系研究已成为关注的重点[1,5-7]。

鄱阳湖是中国最大的淡水湖,和长江互相连通,在长江流域的生态系统、防洪以及湖区生产生活中发挥着重要作用。鄱阳湖区是长江中下游五大平原区之一,是我国重要商品粮基地和江西省的主要产粮区,其灌溉极大程度上依赖于湖区引水,受鄱阳湖水位变幅大与低枯水位的影响,当湖水位低于工程最低取(用)水位时,就会造成引水、取水困难,出现农田干旱[8]。随着长江干支流的水资源综合开发利用,控制性水库的建设、尤其长江三峡工程建成蓄水运行以来,鄱阳湖水文节律发生较大变化[9-10],具体表现为枯水时间提前、枯水期延续时间长、枯水期水位下降[1,11-12],其在经济和生态系统中的功能发挥受到较大影响[1-2,9,13]。文献[14]的研究表明,受到三峡水库蓄水、天然降雨径流变化、江湖冲淤及流域用水量增加等因素的影响,鄱阳湖区枯水位降低、枯水期提前、枯水历时加长的情况将呈常态化趋势,且三峡及上游控制性水库运用后,蓄水期径流减少以及干流河道冲刷加大将进一步加剧鄱阳湖区的枯水情势。已有研究从生态、生产等角度分析了鄱阳湖水文情势变化的影响[2,13-14]。有研究认为五河入湖流量减少将使枯水期湖区用水困难,三峡水库蓄水期间鄱阳湖出湖流量增加加剧了枯水期湖区用水困难[15]。枯水期水位变化将会导致城乡供水困难、灌溉水源不足等多方面问题[14]。文献[15]分析了鄱阳湖低水位对环湖区农业灌溉的影响,结果表明环湖区取水口2003—2012年9—10月份水位相比1953—2002年同期水位降低明显,给湖区农业造成严重影响。为减弱三峡工程运行后鄱阳湖水文情势演变对供水的不利影响,需在流域管理中采取相应的措施[15-17]。但是,已开展的研究中缺少三峡工程运行对于湖区灌溉供水水量、水位满足程度的定量评估,河湖区域水资源调控与湖区灌溉供水安全的矛盾的研究尚不深入。

本研究以鄱阳湖为对象,研究三峡工程运行对鄱阳湖区水资源量、湖区水位的影响,定量分析三峡工程运行对湖区灌溉供水水量和水位满足程度等的影响,研究三峡水库不同蓄水方案对水资源利用的影响,为长江—鄱阳湖区水资源利用和水安全保障提供参考。

1 数据及方法

1.1 研究区域

鄱阳湖水系是以鄱阳湖为汇集中心的辐聚水系,由赣江、抚河、信江、饶河、修水和环湖直接入湖河流入鄱阳湖共同组成,各河来水汇聚鄱阳湖后,于江西省湖口注入长江,其水系站网图如图1所示。

流域地处长江中下游右岸,位于113°30′E—118°31′E、24°29′N—30°02′N之间,流域面积16.22万km2,约占长江流域面积的9%。流域内河湖密布,控制面积>10 000 km2的河流有赣江、抚河、信江、饶河、修水5条,五河总计控制流域面积14.70万km2,占鄱阳湖水系控制流域总面积的90.6%,其多年平均入湖水量约1 250亿m3。本研究以鄱阳湖区为研究对象,所称鄱阳湖区是指湖口水位22.50 m(吴淞高程)所影响的区域,湖区面积28 264 km2。

1.2 研究数据

研究中所采用的水文数据均为长江水利委员会水文局的日尺度站点实测数据,包括1960—2019年的鄱阳湖区水位、流量数据以及赣江、抚河、信江、饶河、修水5条河流的流量数据。具体水位、流量数据如表1所示。鄱阳湖区代表水文站选择鄱阳、都昌、康山、星子站,出湖水文站选择湖口站。鄱阳湖入湖流量采用赣江的外洲站、抚河的李家渡站、信江的梅港站、饶河的虎山和渡峰坑站、修水的虬津和万家埠站的流量合成数据。

表1 水文数据

此外,根据现场调研,收集了鄱阳湖区各水厂、堤垸的取用水数据。鄱阳湖湖区内供水水厂约有72座,堤垸约有47个。水厂和堤垸的数据情况如表2所示。

表2 取用水数据

1.3 研究方法

在研究中,首先以三峡水库运用为时间节点,分为运行前(1960—2002年)和运行后(2003—2019年)2个阶段,分析三峡工程运行前后鄱阳湖区水量变化及水资源供需平衡,然后定量分析鄱阳湖区水位变化对鄱阳湖区灌溉及城乡供水安全的影响,最后分析三峡工程不同蓄水方案对供水安全的影响。

1.3.1 水量变化及水资源供需平衡分析方法

在水量变化分析中,采用如下水量平衡方程计算鄱阳湖不同时段的湖区蓄水量V蓄,即

V蓄=V入-V出。

(1)

式中V入、V出分别为入湖径流量和出湖径流量。鄱阳湖水在湖口出湖入江,因此以湖口站径流量作为出湖径流量V出。入湖径流量根据五河七口入湖径流量计算。

在水资源供需平衡分析中,根据鄱阳湖天然湖泊容积曲线,结合湖区水位计算鄱阳湖不同月份的容积作为湖区水量,根据调研查勘结果确定逐月需水过程,对比分析鄱阳湖区可供水量和需水量。

1.3.2 灌溉供水满足程度分析方法

在湖区灌溉供水安全分析中,由于缺乏各取水口的水位历史数据,因此需将各取水口的取水水位折算为附近站点的水位,然后分析水位的满足程度,流程如图2所示。首先,通过资料收集、现场调研等方式收集整理两湖地区重要典型的城乡供水取水口和农业灌溉取水口的取水水位数据;然后,将取水水位折算到附近水文站,确定不同水文站的灌溉供水安全水位;最后,对比安全水位和历史水位过程,统计灌溉供水满足程度及缺水量。

图2 灌溉供水满足程度分析流程

折算方法为根据湖区水面坡降,结合取水口和临近断面的距离,按如下公式折算,即

Hr=H0+LS。

(2)

式中：H0为取水口的最低取水高程;S为所在区域的水面坡降;L为取水口距离临近控制代表站的距离,在控制代表站上游为负,在控制代表站下游为正;Hr为该取水口在临近控制代表站的最低取水水位,也就是控制代表站水位达到了Hr高程,该取水口就可以取到水。

将所有的取水口最低取水水位要求都折算到临近控制代表站以后,对每个控制代表站,取各取水口最低取水水位要求的外包络线,即最大值,作为控制代表站的灌溉及城乡供水安全指标。考虑供水对象以及性质不同,分别对城乡供水和农业灌溉提出一套水位安全指标。

确定不同水文站安全水位后,根据其历史水位过程,统计城乡供水、农业灌溉的水位满足时间,计算水位满足程度及水位不满足要求时的缺水量。

1.3.3 三峡水库不同蓄水方案的影响分析

基于《水利部关于“三峡(正常运行期)-葛洲坝水利枢纽梯级度规程(2019年修订版)”的批复》的三峡水库蓄水方案,设置3种蓄水方案,分别模拟8—11月份的湖口水位变化过程,分析不同蓄水方案下的供水安全。各蓄水方案的控制时间和水位如表3所示。

表3 三峡水库3种蓄水方案设置

2 鄱阳湖区水量变化及水资源供需分析

2.1 鄱阳湖区水量变化

2.1.1 鄱阳湖入湖径流变化

不同时段的鄱阳湖入湖径流量及其变化如图3和表4所示,不同年份的鄱阳湖入湖径流量如图4所示。1960—2002年、2003—2019年鄱阳湖入湖径流量分别为1 253.7×108m3和1 213.9×108m3,径流量减少39.8×108m3,减幅为3.2%,其中9—10月份的径流量减少23.4×108m3,减幅为20.4%。在年内径流量分配关系上看,11月份—次年3月份的径流量增加(2.7～14.9)×108m3,增幅为4.9%～39.0%,4—10月份的径流量减少(3.5～31.9)×108m3,减幅为1.5%～26.4%。整体来看,三峡运行前后鄱阳湖入湖径流量的变化相对较小,在所有月份中,9月份和10月份的径流量减少幅度相对较大,为15.7%和26.4%;1月份和12月份的径流量增加幅度相对较大,分别为22.5%和39.0%。

图3 鄱阳湖不同时段入湖径流量及其变化量

2.1.2 鄱阳湖出湖径流变化

不同时段的鄱阳湖出湖径流量及其变化如图5和表4所示,不同年份的鄱阳湖出湖径流量如图6所示。1960—2002年、2003—2019年鄱阳湖出湖径流量分别为1 496.6×108m3和1 507.3×108m3,出湖径流量增加10.7×108m3,增幅为0.7%。在年内径流量分配关系上看,4—5、9—11月份的出湖径流量减少(3.6～23.6)×108m3,减幅为3.6%～21.5%,其中9—10月份出湖径流量减少26.4×108m3,减幅为13.0%。1—3、6—8、12月份出湖径流量增加(3.4～24.0)×108m3,增幅为2.0%～36.1%。整体来看,三峡运行前后鄱阳湖出湖径流量的变化相对较小。

图4 鄱阳湖入湖径流量变化

图5 鄱阳湖不同时段出湖径流量及其变化量

图6 鄱阳湖出湖径流量变化

2.1.3 湖区蓄水量变化

根据鄱阳湖入湖径流量和出湖径流量计算的不同时段鄱阳湖蓄水量及其变化如图7和表4所示。1960—2002年、2003—2019年鄱阳湖年均蓄水量分别为-242.9×108m3和-293.5×108m3,蓄水量减少50.6×108m3,其中9—10月份蓄水量增加3.0×108m3。在年内分配关系上看,5、10—11月份的蓄水量增加(7.3～21.1)×108m3,其中11月份的蓄水量增加21.1×108m3,增加幅度最大,1—4、6—9月的蓄水量减少(6.4～20.3)×108m3,其中6月份的蓄水量减少20.3×108m3,减少幅度最大。

图7 鄱阳湖不同时段蓄水量及其变化

2.2 湖区水资源供需平衡分析

2.2.1 湖区可供水量

三峡运用前后鄱阳湖多年平均年内容积变化过程如图8所示。1960—2002年、2003—2019年鄱阳湖区水量分别在(2.2～139.3)×108m3、(2.1～119.3)×108m3之间,各月份的湖区水量均有所减少,减少水量在(0.1～41.4)×108m3,减幅为4.5%～73.6%。在所有月份中,9—10月份的湖区水量减少最为明显,分别从79.9×108m3、46.9×108m3减少至38.5×108m3、12.4×108m3,减少幅度为51.8%、73.6%。其主要原因在于,一方面五河的天然来流减少,另一方面三峡水库蓄水期下泄流量的减小降低中下游干流水位导致同样来流条件下的鄱阳湖出流加大。

图8 三峡运用前后湖区多年平均水量及变化量

2.2.2 鄱阳湖区需水分析

鄱阳湖区需水包括城乡生活需水和灌溉需水。采用定额法估算鄱阳湖区生活需水量。参考《鄱阳湖区综合治理规划》,鄱阳湖区现状城镇生活用水定额约为150 L/(人·d),农村生活用水定额约为90 L/(人·d),生活需水量约为1.37亿m3,平均分布在各个月份。农业种植以水稻为主,农业灌溉大部分依赖于湖区取水,其中主要作物灌溉期为4—10月份。按照现状灌溉面积,根据定额法估算,鄱阳湖湖区多年平均灌溉需水量为15.07亿m3。综合生活需水和灌溉需水,鄱阳湖湖区总需水量为16.44亿m3,逐月需水过程见图9。从图中可知,鄱阳湖湖区生活和灌溉需水主要集中于4—10月份,需水量为(8 056～32 531)×104m3,其中9月份需水最多,为32 531×104m3,7、8、10月份需水也均超过2×108m3,分别为28 076×104、28 612×104、20 811×104m3。需水集中于4—10月份的主要原因在于湖区取水的主要目的在于农业灌溉,其主要集中于4—10月份。

图9 鄱阳湖区生活和灌溉逐月需水量

2.2.3 鄱阳湖区水资源供需平衡分析

对比湖区的总需水量和湖区水量(图8和图9)可知,相比于鄱阳湖湖区水量,从鄱阳湖区取水的灌溉和城乡供水的需水量占比很小。因此,可以认为鄱阳湖水量能够满足湖区的生活和灌溉用水需求,从水量角度来看,不存在缺水问题。但是,由湖区水量的变化趋势可知三峡运行后不同月份的湖区水量均有减小趋势,其中在需水较多的7—10月份的湖区水量减少(19.9～41.4)×108m3,可能会对未来水资源利用造成威胁。

3 鄱阳湖区水位变化及灌溉供水安全评估

3.1 鄱阳湖区水位变化

3.1.1 湖区月平均水位变化

1960—2002年、2003—2019年康山、都昌、星子和鄱阳水文站各个时段月平均水位变化如图10所示。对于康山站,1960—2002年、2003—2019年水位分别为13.4～17.8、13.2～17.3 m,水位变化在-1.5～0.1 m之间,其中6月份水位上升,为0.1 m,其它月份水位下降,9、10月份的水位下降较大,分别为1.2、1.5 m。对于都昌站,1960—2002年、2003—2019年水位分别为10.5～17.8、9.6～17.1 m,水位变化在-2.5～0.0 m之间,在所有月份,都昌站水位均有降低,其中9—11月份水位降幅较大,分别为1.6、2.5、1.7 m。对于星子站,1960—2002年、2003—2019年水位分别为9.1～18.0、9.1～17.4 m,水位变化在-2.5～0.0 m之间,在所有月份,星子站水位均有降低,其中9—11月份水位降幅较大,分别为1.6、2.5、1.6 m。对于鄱阳站,1960—2002年、2003—2019年水位分别为13.7～18.0、13.7～17.3 m,水位变化在-1.2～0.1 m之间,在大部分月份,水位均呈下降趋势,其中9、10月份的水位降幅较大,分别为1.1、1.2 m。整体来看,各站点10月份的水位变化幅度最大,水位降低1.2～2.5 m,其次为9月份,水位降低1.1～1.6 m。9—10月份水位降低显著有着多方面的原因,一方面9—10月份包括三峡在内的长江上中游控制性水库蓄水导致了水位降低,另一方面长江干流和入江水道下切也导致了水位的下降[14]。

图10 不同时段鄱阳湖各站点水位变化

3.1.2 湖区年最低水位变化

湖口、星子、康山、鄱阳、都昌水位站1960—2019年的年最低水位见图11。由图11可知,湖口站年最低水位呈现微弱上升趋势,都昌年最低水位呈现微弱下降趋势,康山站、星子站和鄱阳站年最低水位变化不明显。年最低水位变化趋势和整体水位变化趋势不一致的主要原因在于,年最低水位多出现于枯期,而枯期三峡水库加大对长江中下游补水使得最低水位有所抬升。都昌站的年最低水位降低的主要原因在于采砂和入江水道整治工程等的影响。

图11 鄱阳湖区各站年最低水位过程

3.2 湖区灌溉及城乡供水安全指标

3.2.1 农业灌溉水位安全指标

根据湖水位年内变化情况,在湖区农田主灌溉期的4—10月间,低湖水位多发生于9—10月间,而4—8月间湖水位一般较高,基本能满足灌溉要求。因此,9—10月是低湖水位对农田灌溉的影响期。根据9、10月份各站的水位线变化情况和各县圩区取水设施分布情况,分别以星子站、康山站、鄱阳站为代表站确定灌溉安全控制水位。对水位进行折算后确定星子站、康山站、鄱阳站的控制水位分别为15、15、15.51 m。

3.2.2 城乡供水水位安全指标

鄱阳湖湖区内供水水厂较多,其中地处湖盆区的水厂其最低取水位高程一般较低,多在11～13 m之间;而尾闾河道水厂最低取水位较高,一般为14～17 m之间。经过调研,湖区部分水厂采用外延取水口等手段,降低了取水水位。根据湖区现有城镇水厂的设计最低取水位及经济社会发展要求,并结合湖区乡村水井供水情况,确定湖区满足供水要求的最低控制水位为：星子站8.5 m,都昌站9 m,鄱阳站9.5 m。

3.3 湖区灌溉及城乡供水安全评估

3.3.1 灌溉安全评估

基于星子、康山、鄱阳实测长系列水位数据,统计分析湖区堤垸灌溉取水水位的满足程度及缺水量,结果如表5所示。1960—2002年,不同堤垸的灌溉水位满足程度在76%～89.1%之间,平均值为83.6%,对应缺水量为7 032×104m3;2003—2019年,鄱阳湖湖区堤垸的灌溉水位满足程度下降至13%～62.2%,其中大部分堤垸灌溉水位满足程度下降至50%以下,平均值下降至42.7%,对应年均缺水量增大至1.86×108m3,占2003—2019年均需水量15.07亿m3的12.34%,供水安全受到了极大影响。

表5 鄱阳湖湖区取水水位满足程度

3.3.2 城乡供水安全评估

基于星子、都昌、鄱阳的实测长系列水位数据,统计分析湖区水厂取水水位的满足程度及缺水量,结果如表5所示。1960—2002年,不同水厂的水位满足程度在95.3%～100%之间,平均值为99.1%,对应缺水量为78×104m3;2003—2019年,鄱阳湖湖区水厂的水位满足程度下降至73%～95.1%,平均值下降至87.5%,对应年均缺水量增大至9 385×104m3,用水安全受到了较大影响。

整体来看,灌溉供水和城乡供水安全均受到了较大影响,其主要原因在于需水最多的9、10月份的各站点水位下降最为显著,难以满足灌溉及城乡供水的需求。

3.4 三峡水库不同蓄水方案对水位及供水安全的影响

不同蓄水方案下湖口8—11月份多年平均水位过程与还原计算的水位过程如图12所示,相比于还原计算的水位,不同蓄水方案在各个月份的水位下降值如表6所示。由表6可知,对于方案1,由于8月份蓄水量相对较小且长江处于汛期,8月份水位受影响较小(降低0.02 m),9、10月份的蓄水量最大且10月份的蓄水量在3种方案中最大,因此9、10月份的水位受影响较大,其中10月份水位降幅1.21 m为3种方案中最大;对于方案2,8月份蓄水较早且蓄水量大于另外2种方案,因此8月份水位降幅0.15 m为3种方案中最大,9月份蓄水量虽小于方案1,但8月底湖水位较低导致了9月份水位降幅(0.78 m)大于方案1(0.67 m);对于方案3,8、9、10月份的蓄水量均不大于另外2种方案,因此水位降幅也为3种方案中最小,但由于11月份仍在蓄水,因此11月份平均水位仍下降显著,降幅(0.78 m)为3种方案中最大。从水位过程来看(图12),对于方案1,8月下旬后期就会对水位产生影响,9月中旬—10月底的水位降低速率较快;对于方案2,8月中旬后期就会对水位产生影响,9月中旬前对水位的影响在3种方案中最大,9月中旬—10月底的水位降低速率相对较小;对于方案3,在10月底之前对水位影响最小,11月份对水位影响显著。整体来看,蓄水时间越靠后,前期影响越小,后期影响越大,蓄水时间越提前,对水位的影响越提前,但影响的幅度变化减小。

图12 不同蓄水方案下湖口水位过程

表6 不同蓄水方案下湖口月平均水位变化

相较于当前的蓄水方案(方案1),方案2和方案3通过提前或延后蓄水影响了鄱阳湖区供水能力。相比于方案1,方案2降低了8月湖区水位,但此时湖区水位相对较高,对取水的影响较小,而9—10月份的湖区平均水位则上升0.05 m,可提高鄱阳湖区灌溉供水能力0.2%,主要以湖口附近圩垸为主;方案3通过延后蓄水延长了水位下降影响的时间且在11月份的水位降幅更大(0.78 m),但是10月份后的湖区灌溉用水需求较小,对灌溉的影响不大,而9—10月份的水位上升0.20 m,可提高鄱阳湖区灌溉供水量0.02亿m3,提高供水能力约0.3%。因此,若想缓解三峡水库蓄水水资源利用的影响,则需要在长江干流来水较大的时期尽量多蓄水,在9—10月份湖区灌溉需水期尽量减小蓄水量,增加下泄流量。但是,整体来看,通过提前或延后蓄水对灌溉供水能力的提升效果有限。一方面,提前或延后蓄水并不改变整体的蓄水量,在某一时段导致的水位上升必然会导致另一时段的水位下降,其平均的影响较小。另一方面,导致当前水位下降的部分原因在于长江干流冲刷下切,调蓄时间的调整对此的作用有限。若想提升供水能力,需综合采用建设湖控工程、江-河-湖-库水资源联合调控等手段。

4 结 论

三峡工程运行后鄱阳湖湖区水文情势发生变化,影响到湖区灌溉和城乡供水。本研究以鄱阳湖区为研究对象,研究三峡工程运行前后鄱阳湖水量、水位变化,从供水水量和水位满足程度的角度分析其对鄱阳湖区灌溉供水安全的影响。主要结论如下：

(1)三峡工程运行前后,鄱阳湖入湖、出湖径流量及蓄水量的变化较小。相比1960—2002年,2003—2019年鄱阳湖的入湖径流量减少39.8×108m3,减幅为3.2%,出湖径流量由1 496.6×108m3增加至1 507.3×108m3,湖区年均蓄水量由-242.9×108m3变为-293.5×108m3。

(2)三峡工程运行后,鄱阳湖区各个月份的水量减少,其中9、10月份的水量减少最为明显,分别从79.9×108、46.9×108m3减少至38.5×108、12.4×108m3,减少幅度为51.8%、73.6%。从水量角度来看,湖区水量减少情况下仍能满足湖区生活和灌溉用水需求,但是水量减少的趋势是未来水资源利用的潜在威胁。

(3)三峡工程运行后,康山、都昌、星子和鄱阳等站点水位均有所下降,其中10月份水位降低1.2～2.5 m,9月份水位降低1.1～1.6 m。受水位下降影响,灌溉供水的平均水位满足程度由83.6%下降至42.7%,缺水量由7 032万m3增大至18 611.25万m3,城乡供水的平均水位满足程度由99.1%下降至87.5%,缺水量由78万m3增大至9 385万m3。

(4)通过三峡水库提前或延后蓄水,可减小9、10月份的湖区水位降幅,分别提升供水能力约0.2%、0.3%,一定程度上缓解三峡水库蓄水对9—10月份湖区灌溉供水的影响,但效果有限,需综合采用其他方法以缓解9—10月份的枯水情势。