仇寶瑞，桑學鋒，周祖昊，劉 俊

(1. 中國水利水電科學研究院流域水循環(huán)模擬與調控國家重點實驗室，北京 100038；2.華北水利水電大學，鄭州 450011;3. 陜西省河流工程技術研究中心，西安 710018)

近年來，隨著全球氣候變暖和城市化的快速發(fā)展，我國的水災越來越頻繁，許多地方造成嚴重的洪澇災害。2010年6月13日我國華南、江南南部出現強降水過程，造成嚴重的山洪泥石流滑坡災害，強降雨造成福建、廣西、四川、廣東、江西5省區(qū)143.2 萬人受災；2014年5月8日至5月11日，中國南方出現大范圍持續(xù)性強降雨過程，造成江西、湖南、廣東、廣西、貴州5省區(qū)121.6萬人受災；2017年6月3日至6月7日南方部分地區(qū)遭受的洪澇災害，造成江西、湖北、湖南、廣西、重慶、四川、貴州7省區(qū)74.7 萬人受災。每一次洪澇災害對湖泊的調蓄作用都是一次大的挑戰(zhàn)，而“湖泊之殤”是擺在眼前的尷尬現實。湖泊承擔著匯集雨水徑流、削減洪峰、節(jié)約城市用水、凈化水質、補充地下水等作用，同時它也是改善氣候、調節(jié)水系平衡和減少城市內澇、梳理城市雨洪系統(tǒng)的重要條件。隨著人們對于生態(tài)保護認識的逐漸加深，湖泊作為在適應環(huán)境變化和應對雨水帶來的自然災害等方面具有良好的“彈性”的巨大海綿，其作為流域洪水調蓄中心的作用愈發(fā)重要。

隨著海綿城市理念的提出及應用，城市湖泊作為統(tǒng)籌發(fā)揮自然生態(tài)功能和人工干預功能的中心，其調蓄能力在城市管理中所起的作用將越來越大。湖泊調蓄作用主要在削減洪峰的削峰作用與調節(jié)洪水的調蓄量，國外多對湖泊生態(tài)過程進行研究，美國是最早開始對雨洪調蓄進行研究的國家之一，從20世紀60年代初側重于對雨水中非點源污染的研究，到1986年頒布的《國家城市徑流報告》法案，再到21世紀美國國會再次強調城市雨水管理需遵循環(huán)保署的提議，都標志著城市湖泊其功能性作用在城市管理中越來越大[1]；而國內對湖泊功能性研究較為關注，楊桂山[2]等通過清查我國面積大于1 km2湖泊的數量、面積和分布情況，結合歷史及相關研究資料，面對我國湖泊萎縮與調蓄能力減少、水質下降、生態(tài)退化等等一系列生態(tài)與環(huán)境問題，提出了我國湖泊保護策略；姜魯光等[3]通過計算1998年前后鄱陽湖調蓄能力的變化，確定退田還湖工程的實施對鄱陽湖區(qū)洪水調蓄功能具有明顯影響；左曉陽[4]通過對洞庭湖多年削峰作用的分析，得出洞庭湖調蓄能力在不斷減弱，并提出洞庭湖防洪策略；章杭惠[5]通過太湖流域在歷史洪災中的巨大的調蓄和削峰作用，在減輕上下游防洪壓力的同時把流域洪災損失降低到最低程度，進一步分析和展望了太湖在未來流域防洪中的地位與作用；饒恩明[6]等以可調蓄水量作為湖泊洪水調蓄能力的評價指標，基于可調蓄水量與湖面面積之間的數量關系構建湖泊洪水調蓄功能評價模型，分別對我國湖泊和水庫的洪水調蓄能力進行了初步評估，為我國防洪建設和洪水管理提供了科學的指導。

前人對于湖泊調蓄能力的研究一般通過大型湖泊在歷史中所起的調蓄能力進行分析，而缺少對于湖泊不同重現期其調蓄能力的系統(tǒng)性分析，而且隨著流域經濟社會的快速發(fā)展，水資源供需矛盾日益突出，如何發(fā)揮湖泊在集中暴雨期間的調蓄作用，實現洪水資源化，發(fā)揮湖泊的綜合作用，將會是未來湖泊調蓄作用的研究目標。本文利用1959-2016年鄂州最大日降水量數據，通過皮爾遜Ⅲ分布法計算鄂州市多年一遇的降雨量來確定鄂州20年一遇、50年一遇和100年一遇降雨量，通過分析鄂州梁子湖、鴨兒湖等中型湖泊在不同重現期其削峰和調蓄洪水作用，對比鄂州市防洪排澇標準并討論鄂州防洪對策，對于指導鄂州湖泊的管理和對應對未來雨洪災害具有一定的指導意義。

1 研究區(qū)概況

鄂州市位于湖北省東南部，長江中游南岸。西接“九省通衢”武漢，東連“礦冶之城”黃石，北與黃岡地區(qū)隔江相望，南同咸寧市瀕湖毗鄰。地跨東經114°30′～115°05′，北緯30°01′～30°36′。鄂州市以湖而名，依水而興，是湖北省著名的“百湖之市”、“魚米之鄉(xiāng)”。境內河網密布，湖泊眾多，全市納入湖北省第一、第二批湖泊保護名錄的52個，現有水系主要為梁子湖、花馬湖、七跡湖及洋瀾湖四個水系組成。梁子湖水系主要由梁子湖、鴨兒湖、保安湖、三山湖等組成。其中梁子湖匯水面積2 085 km2，鴨兒湖363.2 km2、新港和三山湖153.8 km2?；R湖水系主要由走馬湖、花家湖、大湖墩、螺絲徑、黃山湖等組成，其中花馬湖匯水面積268.7 km2，現有湖泊面積約15.56 km2，平均水深約為2.5 m，總蓄水量約為4 950 萬m3。七跡湖水系主要由七跡湖、南跡湖等組成，整個湖系匯水面積約63.7 km2，平均水深約為2.7 m，現有湖泊面積約5.53 km2。洋瀾湖古稱南浦，又名南湖，位于鄂州城區(qū)中心，整個湖系匯水面積約41.7 km2，現有湖泊面積約4.25 km2。鄂州市全域根據地形地勢及受納水體的不同劃分為7大排水分區(qū)[7](見圖1)。

圖1 鄂州市排水系統(tǒng)分區(qū)

2 計算方法

湖泊可通過自身蓄洪能力在洪水期間暫時蓄納入湖洪水，消減并滯后洪峰流量，調蓄洪峰水量，從而減輕區(qū)域防洪壓力。本文采用鄂州市1959-2016年最大日降雨，利用皮爾遜Ⅲ分布法計算鄂州市不同重現期的降雨量，通過鄂州市不同重現期的降雨量計算區(qū)域入湖水量，區(qū)間產流由于沒有實測流量資料，通常采用間接方法計算，再通過湖泊水量平衡公式計算湖泊調蓄水量，確定重點湖泊在不同重現期暴雨情況下的調蓄作用和削峰作用。

入湖水量：

W1=1 000F水體I

(1)

W2=1 000αF匯水面積I

(2)

式中：W1為湖面產水量，m3；W2為匯流產水量，m3；α為徑流系數，魚塘、溝渠、河道為1.0，建城區(qū)(包括居民區(qū)、道路等)為0.75，其他用地0.6，區(qū)域綜合徑流系數為0.9 ；F水體為湖面面積，km2；F匯水面積為雨水匯水區(qū)域面積，km2；I為設計暴雨量，mm。

湖泊水量平衡：

ΔW=W1+W2-Q

(3)

(4)

式中：ΔW為調蓄量(若為正表示水面升高，反之降低)；k為調蓄率；Q為湖泊出湖水量，根據歷史不同重現期降雨情況下的出湖流量來確定。

此法相比其他計算方法，加入了匯流雨量，偏重于湖體與入湖雨量的關系，相對于面積較大湖泊對入湖水量的計算更為準確。

3 研究區(qū)降雨特征分析

通過1959-2016年多年降水量數據分析(數據來源于梁子鎮(zhèn)、白龍、天井畈和樊口站1959-2016年水文資料)，全市多年平均年降水量為1 253 mm，年降雨日129 d，年降水總量18.85 億m3。年降水量在地區(qū)分配上，總趨勢東南大于西北，南部太和、公友一帶年降水量1 500 mm，西北葛店、華容一帶，年均降水量僅1 400 mm。降水量分布不均，主要集中在4-7月，占全年的55.1%；年際變化也較大，梁子湖平原區(qū)天井畈站1969年最大降水深1 904.5 mm，1968年最小降水深740.4 mm，變差率達4[7]，見圖2。

圖2 鄂州市降水量等值線及水文站點分布圖(單位：mm)

1959-2016年最大日降水量變化趨勢情況如圖3所示。從圖3可以看出，鄂州年最大日降水量一般在200～300 mm之間，最大在1998年達到286.2 mm。經歷了一個從少到多的演變過程，20世紀六七十年代偏小，20世紀八九十年代增加顯著，21世紀有所下降。年最大日降雨量整體呈現上升趨勢，變化傾向率為0.44 mm/a，58 a間增加了25.5 mm，但增加并不顯著。

圖3 1959-2016年最大日降雨量趨勢線

采用鄂州市1959-2016年最大日降雨統(tǒng)計表，利用皮爾遜Ⅲ分布法計算鄂州市多年一遇的降雨量，暴雨重現期P為1、3、5、10、20、30、50、100年情況下的降雨量如表1所示。從圖4可以看出以最大日降雨為標準計算鄂州多年一遇降雨情況，20年一遇最大日降雨為202.5 mm，50年一遇最大日降雨為240.7 mm，100年一遇最大日降雨為269.1 mm。皮爾遜Ⅲ分布法計算的鄂州重現期降雨數據可代表鄂州多年來最大日降雨分布情況，其方法較為準確可靠，對未來鄂州計算其他重現期有一定的參考價值。

圖4 鄂州市日最大降水量多年一遇極值曲線

重現期/a13510203050100皮爾遜Ⅲ分布法/mm52.5119.0142.5173.0202.5219.5240.7269.1

4 湖泊削峰作用分析與討論

4.1 湖泊最大可調蓄水量

最大可調蓄水量是湖泊多年平均水位變幅與湖面面積的乘積，反映了湖泊調蓄能力的大小。鄂州市內調蓄湖泊共計52個，市域內湖泊總面積457.84 km2，平均調蓄水深2.2 m，計算得出可調蓄量共計101 067.7 萬m3，可見鄂州可調蓄水量巨大(湖泊相關資料來自《鄂州市市域排水專項規(guī)劃》)?？紤]到梁子湖和上鴨兒湖的面積在鄂州市全市排名前二，且兩湖的面積之和占鄂州市域內湖泊總面積的66%，選定這兩個湖泊為典型，分析鄂州市湖泊對防洪排澇的調蓄作用。表2為梁子湖和上鴨兒湖最大可調蓄水量計算分析表，可以看出梁子湖和上鴨兒湖最大可調蓄水量分別為71 814.8和7 645.62 萬m3。

表2 湖泊可調蓄水量

4.2 湖泊調蓄作用分析

湖泊對洪水的調蓄作用主要表現在消減洪峰流量與調節(jié)洪水的調蓄量。鄂州作為百湖之市，湖泊控制非常嚴格，在汛期到來之際都要對湖泊進行開閘放水，以迎接汛期可能帶來的洪水災害，湖泊削峰作用與調節(jié)洪水的調蓄量是防洪決策的重要依據[8,9]。

通過公式(1)和(2)計算湖泊入湖水量，其中梁子湖匯水區(qū)域2 085 km2，湖泊面積271 km2，上鴨兒湖匯水區(qū)域312 km2，湖泊面積129 km2，出湖水量根據歷史不同重現期降雨情況下出湖流量來確定(100年一遇以1998年日最大出湖流量，50年一遇以1987年日最大出湖流量，20年一遇以1959年日最大出湖流量)[10]，然后根據式(3)計算調蓄量及削峰作用。

表3為在不同重現期最大日降雨情況下湖泊調蓄作用分析表。根據水量平衡原理，湖泊調蓄作用通過其調蓄量和調蓄率來反映。對不同重現期湖泊調蓄作用的分析比較，可以看出梁子湖調蓄水量平均值3.69 億m3，最大調蓄量4.04 億m3，調蓄水量占入湖水量80%；上鴨兒湖調蓄水量平均值2 800 萬m3，最大調蓄水量3 900 萬m3，調蓄水量占入湖水量30%。面對不同重現期暴雨，梁子湖及上鴨兒湖的調蓄作用都很明顯。梁子湖100年一遇入湖流量為5 049 m3/s，相應下游出湖流量僅為1 173 m3/s，湖泊削減洪峰流量達80%；上鴨兒湖100年一遇入湖流量為875 m3/s，相應下游出湖流量僅為612 m3/s，湖泊削減洪峰流量達30%，效果都很顯著。

表3 湖泊調蓄作用分析表

湖泊的蓄洪能力關系到湖泊緩和自身流域的洪水水位，通過公式(2)計算湖泊存儲水量，根據湖泊水位—容積曲線推出湖泊水位[11]，不同重現期下湖泊水位上漲情況如表4所示。從表4可知梁子湖在50年一遇日降雨時，水位超過設防水位，說明湖泊一日降雨的防洪標準尚達不到50年一遇；上鴨兒湖在20年一遇日降雨時，水位超過設防水位，說明湖泊一日降雨防洪標準尚達不到20年一遇。計算結果與實際湖泊防洪標準基本一致，間接驗證了計算方法的準確性。按照城市防洪規(guī)劃標準，鄂州市防洪標準為50年一遇，目前的湖泊防洪排澇能力嚴重不足，尚需加大湖泊調蓄容量，增加排澇能力，提高防洪排澇標準。

表4 不同降水條件下湖泊水位上漲分析

4.3 討 論

鄂州有著巨大的湖泊面積，其調蓄作用和削峰作用顯著，然而“湖泊之殤”也是擺在眼前的尷尬現實。隨著經濟社會的發(fā)展，人們對土地的需求越來越大，鄂州湖泊面積每年都在減少，導致調蓄能力和削峰作用減弱[12]。為增大鄂州湖泊對于洪水的調蓄和削峰能力，降低鄂州洪澇災害，保障鄂州人民生命財產安全，除堤防加高加固外，還應采取下列措施。

(1)增加湖泊調蓄能力。鄂州市漁業(yè)發(fā)達，存在魚塘侵占湖泊的現象，導致湖泊蓄水容量減小。需要科學規(guī)劃養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展，拆除不合理堤防，破堤還湖，對局部低洼和阻礙行洪的地段采用挖泥船進行河湖疏浚，保證湖泊具有充足的調蓄空間。

(2)加強河湖水系連通。鄂州境內湖泊眾多，通過重塑或新建滿足防洪除澇功能的水流連接通道，使湖泊擁有更大削峰和調蓄能力，提高區(qū)域的防洪排澇能力，對減輕區(qū)域防洪排澇壓力具有重要作用。

(3)新建和改建泵站。鄂州處于我國南方豐水地區(qū)，每年都會面臨巨大的防洪排澇壓力。加大泵站抽排能力，增加汛期安全指數。

5 結 論

綜合而言，鄂州作為百湖之市，其湖泊在歷年抵御洪澇災害中起著重要作用。主要表現在有較大的調蓄水量，承擔著區(qū)域洪水調蓄的和削峰作用。

(1)通過不同重現期區(qū)域洪峰量和湖泊水量平衡計算，分析了鄂州市最大的兩個湖泊----梁子湖、上鴨兒湖在不同重現期其調蓄洪水和削峰作用。梁子湖對20年一遇、50年一遇、100年一遇洪水的調蓄水量分別為3.29、3.73和4.04 億m3，調蓄水量分別占入湖水量的87%、83%和80%；上鴨兒湖對20年一遇、50年一遇、100年一遇洪水的調蓄水量分別為0.39、0.22和0.23 億m3，調蓄水量分別占入湖水量的35%、32%和30%。

(2)本文通過皮爾遜Ⅲ分布法計算的鄂州重現期，并采用入湖水量計算方法及水量平衡計算方法對鄂州湖泊進行計算，其方法對其他湖泊計算有很大的參考價值；通過計算梁子湖和上鴨兒湖的調蓄作用，發(fā)現兩個排水片區(qū)的防洪排澇標準分別接近50年一遇和20年一遇，但是，如要達到鄂州市防洪排澇標準，尚需進一步提高湖泊的調蓄能力和泵站的外排能力。

(3)隨著全球氣候影響和快速城市化的發(fā)展，鄂州暴雨日降雨量呈現上升趨勢，鄂州市防洪壓力將會加大，可通過破垸還湖、江湖連通，提高湖泊對河川徑流的調節(jié)能力，可進一步發(fā)揮湖泊在集中暴雨期間的調蓄作用，實現洪水資源化，發(fā)揮鄂州市湖泊的綜合作用，降低鄂州市洪澇災害，對未來鄂州市防洪具有指導作用。

(4)人類活動對湖泊調蓄作用干預很大，尤其是水利工程建筑物(水閘、水利樞紐工程等)，所以在計算城市湖泊調蓄能力的時候，需要考慮人類活動對其的影響效果，現在湖泊出口一般都有泵站在洪水期間進行抽排，這樣可加大湖泊調蓄能力，所以未來計算湖泊調蓄能力時應該在現狀排水能力下考慮水泵抽排能力，或在現狀排水能力上加上一個系數來當做實際排水能力，這樣才能準確計算湖泊調蓄能力。

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