鄧 恒， 徐國(guó)賓， 段 宇， 樊賢璐

(天津大學(xué) 水利工程仿真與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 天津 300350)

1 研究背景

淮河是我國(guó)的主要河流之一，起源于河南省桐柏山，自西向東穿過河南、安徽、湖北、江蘇四省[1]。洪澤湖位于淮河中下游，是淮河行水河道的組成部分，又是淮河中下游攔蓄調(diào)控洪水的中心樞紐。1128年黃河奪淮之后，自然因素和人類活動(dòng)共同作用下形成了洪澤湖[2]。洪澤湖的出現(xiàn)對(duì)淮河中下游的防洪產(chǎn)生了較大的負(fù)面影響。洪澤湖屬于過水性湖泊，水域面積隨水位波動(dòng)較大[3-4]。洪澤湖壅高了中游的水位，導(dǎo)致洪水不能順利下泄，滯洪時(shí)間變長(zhǎng)。流域中游河道的比降非常小，甚至有部分河道是倒比降，使得洪水下泄緩慢，這是淮河流域頻繁發(fā)生洪水災(zāi)害的主要原因。自1949年以來，淮河經(jīng)過將近70年的洪澇治理，已取得重大成就。但目前的工程治理措施并未能完全根除淮河水患，尤其是中下游“關(guān)門淹” 問題依然嚴(yán)重。淮河中下游地區(qū)自然條件特殊，人口、資源、環(huán)境壓力大，這決定了淮河中下游地區(qū)治理的艱巨性和復(fù)雜性。至今，淮河中下游地區(qū)仍保持著復(fù)雜的河湖連通關(guān)系，它們之間相互作用，互相制約(見圖1)。1949年以來的一系列治理工程以及復(fù)雜的自然因素的共同影響使得河湖關(guān)系經(jīng)歷了劇烈的調(diào)整。河湖關(guān)系的演變受自然因素和人類活動(dòng)的共同影響[5]。河湖關(guān)系的演變又會(huì)影響流域內(nèi)防洪、生態(tài)環(huán)境保護(hù)和水資源利用[6]。正確認(rèn)識(shí)和處理淮河中下游河湖關(guān)系對(duì)淮河中下游流域的治理具有指導(dǎo)性作用。

目前，河湖關(guān)系的理論研究仍處于起步階段?；诤雍】档哪繕?biāo)，開展河湖關(guān)系內(nèi)容的研究，已經(jīng)成為治理淮河的迫切需求。本文探討了河湖關(guān)系的概念、影響因素和河湖關(guān)系的現(xiàn)狀以及研究趨勢(shì)，初步建立河湖關(guān)系的概念框架，以期為河湖關(guān)系深入研究提供理論基礎(chǔ)。

圖1 淮河中下游河系及湖泊圖

2 河湖關(guān)系概念的提出及影響因素分析

2.1 河湖關(guān)系概念的提出

河湖關(guān)系是當(dāng)今學(xué)術(shù)界研究的熱點(diǎn)問題之一。毛世民[7]在研究處理淮河和洪澤湖關(guān)系時(shí)首先提出河湖關(guān)系，并對(duì)河湖關(guān)系的現(xiàn)狀進(jìn)行了系統(tǒng)的論述。朱昌雄[8]在探討河湖關(guān)系時(shí)，提出淮河與洪澤湖關(guān)系根本問題是蓄泄矛盾。近年來，有關(guān)學(xué)者對(duì)淮河與洪澤湖河湖關(guān)系的研究側(cè)重于對(duì)淮河和洪澤湖的治理[9-10]。國(guó)外學(xué)者在河湖關(guān)系方面的研究較少，基本側(cè)重于對(duì)河湖連通生態(tài)系統(tǒng)的研究[11-13]。國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)河湖關(guān)系的研究多集中在長(zhǎng)江流域[14-16]。萬(wàn)榮榮等[17]通過研究長(zhǎng)江與洞庭湖、鄱陽(yáng)湖之間的水沙特性，將江湖關(guān)系定義為連通的河湖水系之間的相互作用。趙軍凱等[6]通過定義河湖之間的“量質(zhì)交換”，認(rèn)為河湖之間通過“量質(zhì)交換”進(jìn)行相互作用。與國(guó)內(nèi)外同類河湖關(guān)系相比，淮河中下游河湖關(guān)系因其復(fù)雜的地理因素構(gòu)造了具有特色的河湖關(guān)系。洪澤湖吸納淮河中游所有來水，并將其泄入淮河下游河道。淮河水情的變化直接影響洪澤湖水量的變化，洪澤湖水位的變化進(jìn)而影響淮河的徑流過程。洪澤湖與淮河直接進(jìn)行水沙交換，兩者相互作用，互相反饋?；诖耍f明淮河中下游河湖關(guān)系是淮河和洪澤湖之間以水沙互饋為媒介，通過物質(zhì)和能量交換進(jìn)行的相互作用。河湖關(guān)系包括河道演變、湖泊演變、入湖三角洲演變以及洪澤湖的調(diào)蓄能力和出湖河道的泄流能力這幾個(gè)方面。

2.2 河湖關(guān)系影響因素分析

ZHANG等[18]梳理了淮河流域河湖關(guān)系的變化并將其變化原因總結(jié)為環(huán)境變化和人類活動(dòng)的影響。河湖關(guān)系的變化受自然變化和人類活動(dòng)的雙重影響，早期自然因素對(duì)河湖關(guān)系的影響發(fā)揮著決定性的作用。然而，隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，人類活動(dòng)對(duì)河湖演變的干預(yù)和影響正變得越來越顯著。

(1)自然因素。地質(zhì)構(gòu)造、地形地貌、氣候氣象、水文泥沙等自然因素對(duì)河湖關(guān)系的演變起控制性作用[19]。地質(zhì)構(gòu)造對(duì)河湖關(guān)系的演變起決定性作用，其特點(diǎn)是劇烈性和突發(fā)性。地形地貌的演變是一個(gè)漸變的過程，對(duì)河湖關(guān)系的演變具有累積效應(yīng)。氣候氣象變化直接影響河湖水系的水動(dòng)力變化。水文泥沙的變化對(duì)河湖關(guān)系的演變起直接作用。

(2)人類因素。阮仁宗等[20]通過比較1979-2002年洪澤湖天然濕地的變化情況，發(fā)現(xiàn)2002年洪澤湖濕地面積較1979年減少了64.59 km2，研究分析表明這種損失與湖泊濕地過度開發(fā)及不合理利用密切相關(guān)。史紅玲等[21]采用Mann-Kendal秩相關(guān)檢驗(yàn)法對(duì)50余年淮河流域的實(shí)測(cè)年徑流量和年輸沙量資料進(jìn)行了流域水沙年際變化趨勢(shì)分析，分析表明淮河年徑流量無明顯的變化趨勢(shì)，而淮河流域的來沙量呈現(xiàn)顯著減少的趨勢(shì)，提出淮河流域上游山區(qū)河流水庫(kù)的建設(shè)是流域來沙量減少的主要原因。人類活動(dòng)通過直接或間接改變河流邊界條件和水沙條件，對(duì)河湖水系演變的影響越來越顯著。

3 淮河與洪澤湖河湖關(guān)系研究進(jìn)展

3.1 河湖關(guān)系的演變過程

3.1.1 河道演變 天然河流總是不斷發(fā)展和變化，人類社會(huì)的發(fā)展與河流的演變密切相關(guān)，并對(duì)河流的演變的影響越來越大[22]。楊興菊等[23]利用實(shí)測(cè)資料分析了淮河中游河道的演變，分析表明淮河中游河道的自然演變比較緩慢，人類活動(dòng)對(duì)河道的演變產(chǎn)生較大的影響。毛世民等[24]和何華松[25]根據(jù)實(shí)測(cè)資料分析表明，20世紀(jì)50年代隨著大規(guī)模的治淮工程以及洪水的雙重作用，淮河中游河床發(fā)生了較大調(diào)整，出現(xiàn)沖-淤-沖-淤的交替變化。周賀[26]通過對(duì)比分析1992、2001和2010年實(shí)測(cè)河道斷面資料，研究了淮河入湖河道河流的演變，研究表明浮山至洪山頭河道主槽發(fā)生了明顯的沖刷，洪山頭以下河道的沖淤速度較緩，河道支汊沒有出現(xiàn)明顯的淤積。

3.1.2 湖泊演變 近800年來，黃河奪淮和歷代治水的共同作用形成了洪澤湖[27-28]。范亞民等[29]利用地形圖和遙感數(shù)據(jù)對(duì)1930-2001年的洪澤湖水域面積變化進(jìn)行分析，并對(duì)1971-2001年的湖泊岸線進(jìn)行定量分析，分析表明洪澤湖水域面積變化主要集中在湖的西部和東北部，其中1961年洪澤湖面積較1930年較少了130.3 km2，1971年較1961年減少了31.99 km2，2001年較1971年減少了154.93 km2。洪國(guó)喜等[30]分析了洪澤湖出入湖水沙特性，分析表明洪澤湖出湖沙量小于入湖沙量，呈淤積趨勢(shì)，其中在入湖河流中，淮河水沙占入湖90%以上，對(duì)洪澤湖水沙情況起控制作用。

3.1.3 入湖三角洲演變 淮河在洪澤湖盱眙北入湖，湖水的頂托導(dǎo)致入湖水流流速減緩，泥沙沉積在入湖口門處，逐漸形成入湖三角洲[31]。鍋谷淳和宮田一郎根據(jù)受水盆地的類型將三角洲劃分為海相三角洲和湖相三角洲，淮河入湖三角洲屬于湖相三角洲。Galloway[32]將塑造三角洲的動(dòng)力歸納為河流、潮汐和波浪，并根據(jù)其動(dòng)力將三角洲分為河控三角洲，潮控三角洲和浪控三角洲?；春尤牒侵薜陌l(fā)育受河流與湖泊的共同作用，但由于湖水作用的強(qiáng)度和規(guī)模較小，且沒有潮汐和波浪作用。因此，洪澤湖入湖三角洲為典型的河控三角洲。

王慶等[33]根據(jù)歷史文獻(xiàn)資料整理了淮河入湖三角洲的形成和演變過程，發(fā)現(xiàn)淮河入湖三角洲形成于19世紀(jì)50年代。張茂恒等[34]梳理了淮河入湖三角洲的形成、演變以及發(fā)展趨勢(shì)，確定黃河奪淮為其快速成長(zhǎng)的主要原因，現(xiàn)代水利工程的建設(shè)將對(duì)淮河三角洲的發(fā)展趨勢(shì)起重要作用?；春尤牒侵薜难葑兪苋祟惡妥匀换顒?dòng)的雙重影響，其演變是河流和湖泊相互作用的直接表現(xiàn)。

3.1.4 出湖河道的演變 淮河下游水分4路，主流通過三河閘匯入長(zhǎng)江，第2路出二河閘，經(jīng)淮沭新河入海州灣，第3路出二河閘經(jīng)淮河入海水道入黃海，第4路出高良澗閘經(jīng)蘇北灌溉總渠入黃海。

1851年，黃河和淮河同時(shí)發(fā)生洪水導(dǎo)致洪澤湖蔣壩大堤決口，最終在三江營(yíng)流入長(zhǎng)江，初步形成淮河入江水道[35]。1949年以后，我國(guó)開始了對(duì)淮河入江水道的大規(guī)模治理，共經(jīng)歷3個(gè)階段。第1階段，20世紀(jì)50年代初期，入江水道按設(shè)計(jì)行洪流量8 000 m3/s、高郵湖設(shè)計(jì)水位8.50 m、三江營(yíng)設(shè)計(jì)水位5.24 m進(jìn)行整治。1956年以后，又按淮河流域規(guī)劃入江行洪11 000 m3/s的規(guī)模進(jìn)行建設(shè)。第2階段，1969年冬經(jīng)國(guó)家批準(zhǔn)，入江水道按設(shè)計(jì)行洪流量12 000 m3/s、高郵湖設(shè)計(jì)水位9.50 m進(jìn)行整治。第3階段，入江水道的治理按1971年設(shè)計(jì)水位進(jìn)行固定，加固了沿線病險(xiǎn)涵閘和部分堤防，疏浚了新民灘莊臺(tái)河尾端。為了擴(kuò)大淮河下游洪水出路，1956、1969、1974年多次整治入江水道。蘇北灌溉總渠于1951年11月開工，至1952年5月完工，設(shè)計(jì)引水流量為500 m3/s，汛期排洪流量800 m3/s[36]。蘇北灌溉總渠建設(shè)的完成為廢黃河以南、運(yùn)河以東、里下河地區(qū)農(nóng)田灌溉提供了保障，解決了淮河入海通道問題?；淬鹦潞舆B接洪澤湖和新沂河，是一條人工修建的河流，于1958年9月開工，至1959年6月做完第一期工程?；淬鹦潞釉O(shè)計(jì)行洪流量3 000 m3/s，從洪澤湖二河閘以南入新沂河匯入黃海?；春尤牒Ｋ烙?999年開工，2003年6月完成主體工程，2006年10月通過竣工驗(yàn)收?；春尤牒Ｋ赖脑O(shè)計(jì)行洪能力2 270 m3/s，與蘇北灌溉總渠平行，經(jīng)二河閘至扁擔(dān)港匯入黃海[37-38]。

3.1.5 洪澤湖調(diào)蓄能力變化 洪澤湖對(duì)洪水的調(diào)節(jié)是淮河中游防洪的保障。由于泥沙淤積和人工圍墾，導(dǎo)致洪澤湖的面積不斷縮小，調(diào)蓄能力也在下降[39]?；春铀瘑T會(huì)和江蘇省水利廳在20世紀(jì)80年代和90年代對(duì)洪澤湖地區(qū)的地形進(jìn)行了測(cè)量，戚曉明等[40]基于洪澤湖區(qū)域的遙感數(shù)據(jù)對(duì)洪澤湖的庫(kù)容曲線進(jìn)行了推求，如表1所示。由表1可看出，汛限水位12.5 m時(shí)的庫(kù)容由20世紀(jì)80年代的31.27×108m3減少為22.15×108m3，2017年增加至27.9×108m3。整體而言汛限水位12.5 m時(shí)庫(kù)容有所減少，但近年來通過一系列的治理工程使得洪澤湖的庫(kù)容呈增長(zhǎng)狀態(tài)。

洪澤湖防洪庫(kù)容包括滯洪水位以下的正常調(diào)洪庫(kù)容和滯洪水位以上的需破圩滯洪的滯蓄庫(kù)容這兩部分。滯洪水位14.5 m(未滯洪)時(shí)洪澤湖的庫(kù)容由20世紀(jì)80年代的75.85×108m3減少為55.51×108m3，正常調(diào)洪庫(kù)容減少了20.34×108m3。滯洪水位14.5m時(shí)(已滯洪)的庫(kù)容由88.23×108m3減少為74.2×108m3，設(shè)計(jì)洪水位16.0 m時(shí)(已滯洪)的庫(kù)容由136.37×108m3減少為123.68×108m3，可以看出滯洪后的滯蓄庫(kù)容變化不大。通過遙感數(shù)據(jù)對(duì)洪澤湖庫(kù)容進(jìn)行分析時(shí)未考慮洪澤湖滯洪和未滯洪時(shí)庫(kù)容的區(qū)別，故對(duì)于14.5 m以上的滯蓄庫(kù)容未進(jìn)行對(duì)照分析。

表1 洪澤湖實(shí)測(cè)水位-容積關(guān)系

3.2 河湖關(guān)系治理措施

河湖關(guān)系的演變是在自然變化和人類活動(dòng)的共同作用下進(jìn)行的。然而，近年來人類活動(dòng)對(duì)淮河和洪澤湖的演變產(chǎn)生了越來越大的影響。自然變化對(duì)河湖關(guān)系的演變是不可控的，具有不確定性。人類通過興建水利工程，可以對(duì)自然變化引起的不確定河湖關(guān)系進(jìn)行改善。

1949年以來，淮河流域防洪工程體系和非工程體系的建設(shè)使淮河流域防洪能力得到了根本的改善[41]。1950年大水后，掀起了第一輪淮河治理高潮，制定了淮河流域綜合治理規(guī)劃，初步形成了淮河流域防洪工程體系；1991年大水后，掀起了第二輪淮河治理高潮，提出“蓄滯兼籌，近期以泄為主”的治理方針，確定建設(shè)治淮19項(xiàng)骨干工程；2003年大水后，掀起了第三輪淮河治理高潮，提出2007年全面完成19項(xiàng)治淮骨干工程[42-44]。近期國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)河湖關(guān)系治理研究主要為河湖分離[45-46]。毛世民等[47]提出保留洪澤湖的蓄水功能，實(shí)施河湖分開，將大部分淮河洪水從擴(kuò)大的入海水道直接入海，利用機(jī)械疏浚和溯源沖刷，調(diào)整淮河河道縱剖面是改善河湖關(guān)系的根本措施。王學(xué)功等[48]分析比較了溧河洼方案、老河道開挖方案、老河道分流道方案和溧河洼分流道北移方案，認(rèn)為進(jìn)行河湖分離方案不僅能降低小柳巷水位，也會(huì)降低蚌埠水位，通過分析比較最大社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益和最小環(huán)境影響，得出老河道分流道方案為最優(yōu)方案。河湖分離工程的實(shí)施能較好地解決當(dāng)前河湖一體的弊端，但具體的河湖分離工程需要進(jìn)行更詳細(xì)地規(guī)劃和調(diào)洪演算，進(jìn)行多種方案的比較和分析，以達(dá)到更好的綜合效益。

3.3 河湖關(guān)系的現(xiàn)狀

洪澤湖與淮河的河湖關(guān)系是研究解決淮河中游洪澇災(zāi)害和水資源問題的重要方面。洪澤湖承泄淮河上中游所有來水，淮河多年平均來沙量占洪澤湖總來沙量的83.0%，多年平均入湖水量占洪澤湖入湖水量的86.5%，淮河對(duì)洪澤湖的水沙情況起控制作用[49]。洪澤湖入湖沙量有逐年減少的趨勢(shì)，入湖徑流量基本持平，但入湖沙量大于出湖沙量，湖區(qū)呈淤積趨勢(shì)[30]。洪澤湖水位變化主要受入湖水量和人工調(diào)節(jié)的影響，是自然和人工調(diào)控相互作用的結(jié)果[50]。洪澤湖出湖河道一共有4條，設(shè)計(jì)泄洪能力如表2所示。

表2下游排洪通道設(shè)計(jì)泄洪能力[51]

m，m3/s

治淮19項(xiàng)工程的完成提高了淮河流域的防洪能力，但是在防御中等以上洪水時(shí)，啟用行蓄洪區(qū)需要付出較大的代價(jià)[52]?；春恿饔虻闹卫聿粌H在于防洪工程措施的建設(shè)，還應(yīng)加大力量完善淮河流域的非工程措施。陳予倩[53]將淮河流域的防洪非工程措施分為基于科學(xué)措施的防洪非工程措施，包括洪水預(yù)報(bào)，通信與報(bào)警功能和防洪抗旱指揮系統(tǒng)；基于洪水管理的防洪非工程措施，包括行蓄洪區(qū)管理，防洪預(yù)案和洪水風(fēng)險(xiǎn)圖；基于公共服務(wù)的防洪非工程措施，包括指揮體系和應(yīng)急管理?；春恿饔虻姆篮榉枪こ檀胧┰诮陙淼姆篮楣ぷ髦衅鸬搅酥匾饔茫瑒?chuàng)造了顯著的防洪減災(zāi)效益。淮河流域防洪非工程措施還應(yīng)當(dāng)不斷發(fā)展與完善，以適應(yīng)新型的河湖關(guān)系，并與防洪工程措施相配合，在防洪除澇中發(fā)揮更大的作用。

4 淮河與洪澤湖河湖關(guān)系研究展望

4.1 河湖關(guān)系定義的深入研究

國(guó)內(nèi)關(guān)于河湖關(guān)系的研究尚處于初步階段，有待于進(jìn)一步研究和完善。河湖關(guān)系不僅包含在量質(zhì)交換上的河流與湖泊之間的相互作用的關(guān)系，還應(yīng)包括對(duì)河湖生態(tài)系統(tǒng)以及河湖關(guān)系演變對(duì)人類活動(dòng)和自然環(huán)境的反饋以及河湖生態(tài)系統(tǒng)等的關(guān)系研究。河湖關(guān)系定義的研究為研究河湖關(guān)系建立理論基礎(chǔ)，為更深入的研究河流和湖泊以及人類和自然對(duì)其作用的關(guān)系提供理論依據(jù)。

4.2 河湖關(guān)系表征指標(biāo)的具體化

由于河湖關(guān)系的復(fù)雜性和交叉性，而已有的研究未對(duì)河湖關(guān)系進(jìn)行整體性分析，目前尚無一套綜合的河湖關(guān)系表征的指標(biāo)。構(gòu)造一套具體的系統(tǒng)表征河湖關(guān)系及其變化的指標(biāo)是未來河湖關(guān)系研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。河湖關(guān)系是建立在人類活動(dòng)和自然環(huán)境變化下的一個(gè)動(dòng)態(tài)過程，因此在指標(biāo)的實(shí)際構(gòu)造中，應(yīng)依據(jù)不同階段的河湖特點(diǎn)對(duì)指標(biāo)進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整和修改。

4.3 人類與自然對(duì)河湖關(guān)系影響差異化比較

河湖關(guān)系的變化是人類活動(dòng)和自然環(huán)境變化的綜合結(jié)果。已有的研究表明人類活動(dòng)在現(xiàn)代河湖關(guān)系的變化中起著主導(dǎo)作用。但如何區(qū)分人類活動(dòng)和自然環(huán)境變化對(duì)河湖關(guān)系影響的程度尚未進(jìn)行深入的研究。因此，綜合的考慮人類活動(dòng)和自然環(huán)境對(duì)河湖關(guān)系的影響，并且定性或定量區(qū)分其影響程度是河湖關(guān)系研究的另一個(gè)趨勢(shì)。

4.4 河湖關(guān)系健康評(píng)價(jià)體系的建立

河湖關(guān)系是河流與湖泊相互作用的表現(xiàn)形式。河流和湖泊的健康反映河湖關(guān)系的健康程度。因此建立河湖關(guān)系的健康評(píng)價(jià)體系是河湖關(guān)系研究的另一個(gè)難點(diǎn)。河流和湖泊生態(tài)系統(tǒng)直接和間接地提供給人類諸多生態(tài)服務(wù)功能[54-55]。河流和湖泊作為與社會(huì)發(fā)展密切相關(guān)的生態(tài)系統(tǒng)，不僅僅是自然狀態(tài)的生態(tài)系統(tǒng)，還有其社會(huì)服務(wù)功能。因此，在進(jìn)行河湖健康評(píng)價(jià)時(shí)，應(yīng)將河湖生態(tài)系統(tǒng)健康和河湖社會(huì)服務(wù)功能相結(jié)合。

4.5 河湖關(guān)系發(fā)展趨勢(shì)的研究

河湖關(guān)系的演變一直在進(jìn)行中，對(duì)于河湖關(guān)系演變的趨勢(shì)性研究是一個(gè)持續(xù)的過程。當(dāng)前一個(gè)強(qiáng)度稍大的人類活動(dòng)或者一次劇烈的自然環(huán)境變化，對(duì)河湖關(guān)系的變化起到的作用往往是極大的。河湖關(guān)系的變化往往會(huì)對(duì)流域生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生一定的影響。因此，對(duì)河湖關(guān)系的趨勢(shì)研究勢(shì)在必行。在對(duì)河湖關(guān)系進(jìn)行了定義以及指標(biāo)化研究的基礎(chǔ)上，尊重河湖關(guān)系的演變規(guī)律，在確保河湖健康的前提下，進(jìn)行合理的人工干預(yù)，構(gòu)建符合淮河中下游特點(diǎn)的河湖關(guān)系。