趙 沖，李國強(qiáng)，諸葛亦斯，余 曉

(1.三峽大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院，湖北 宜昌 443002 ；2，華東勘測設(shè)計研究院，杭州 310014；3.中國水利水電科學(xué)研究院，北京 100048)

0 引 言

湖泊倒灌是發(fā)生在湖泊與周圍水體交匯處的一種物理過程，多指湖泊水體從歷史水位較低的區(qū)域流向水位較高的區(qū)域，會對湖泊水動力和水環(huán)境帶來嚴(yán)重影響或干擾[1,2]。目前國內(nèi)研究長江倒灌鄱陽湖的有很多，唐昌新[3]提出用零界流量來識別湖泊倒灌；胡春華[4]研究了長江倒灌鄱陽湖的強(qiáng)度的三個階段, 在江湖泊倒灌問題上取得了不錯成果。烏倫古湖位于新疆福?？h境內(nèi)，分為大小不等的兩個湖泊，小湖水位較高且礦化度較大湖低很多。正常情況下，小湖湖水流向大湖，兩湖生境能夠維持健康。湖泊修建了補(bǔ)水和攔河閘工程后，在湖區(qū)出現(xiàn)了逆向湖流，大湖高礦化度的湖水開始不斷倒灌流入小湖，使得小湖礦化度劇增，湖水迅速從淡水湖轉(zhuǎn)變?yōu)橄趟?。這種湖泊內(nèi)部倒灌與江湖間倒灌的機(jī)制不盡相同，對湖泊健康危害較大且研究相對較少，需要更多的研究。因此，以烏倫古湖倒灌問題為研究背景，從湖泊水動力角度解釋湖泊倒灌的成因，依靠數(shù)值模擬的手段探究倒灌發(fā)生的條件和特點，并對烏倫古湖的攔河閘和補(bǔ)水工程提出一些優(yōu)化建議。

1 湖泊概況及問題描述

1.1 湖泊概況

烏倫古湖位于新疆西北部，是兩組斷層塌陷后形成的湖泊，也是烏倫古河的尾閭湖泊。目前，湖泊面積約1 000 km2，主要由吉利湖(小湖)和布倫托海(大湖)兩個水域組成。吉利湖位于湖泊東南部，平均水深9.9 m，最大水深14.7 m，面積約167 km2；布倫托海位于湖泊西北部，平均水深8 m，最大水深12.8 m，面積約830 km2。天然狀況下，烏倫古河來流進(jìn)入吉利湖，經(jīng)過長約7 km的庫依爾尕河(近似為NW走向，以下簡稱庫河)，匯入布倫托海，見圖1。

圖1 烏倫古湖示意圖Fig.1 Schematic view of Wulungu Lake

湖區(qū)水質(zhì)清澈，面積廣闊，湖周蘆葦叢生，濕地遍布，是良好的棲息場所。據(jù)統(tǒng)計，湖區(qū)生活著天鵝、黑頸鶴、鷺鷥、海鷗等47種名貴鳥類和東方歐鳊、梭鱸銀鯽、丁鱸、貝加爾雅羅魚等29種稀有魚類，是新疆重要的漁業(yè)基地，具有十分重要的生態(tài)保護(hù)意義。

1.2 咸水倒灌問題描述及危害

大型湖泊由于空間分布廣闊，水環(huán)境質(zhì)量在空間上分布差異很大[5]。烏倫古湖兩湖的礦化度差異很大，布倫托海礦化度為2～3 g/L，屬于微咸水湖泊，吉利湖礦化度小于0.5 g/L，為淡水湖泊。1970以后，為了緩解氣候變暖和人類活動造成烏倫古河入湖水量銳減、湖泊萎縮等問題[6]，分別在布倫托海和庫河建造了補(bǔ)水工程、攔河工程。由于缺乏科學(xué)的管理方案，湖泊面積恢復(fù)的同時布倫托海的咸水也開始倒灌吉利湖。多年來，吉力湖礦化度一直呈上升趨勢(見表1)，但根據(jù)程艷的研究，繼1987年以后，在水量不足和咸水倒灌的雙重作用下，吉湖礦化度快速升高[7]；2000年以后，吉力湖水位穩(wěn)定在482 m左右，但倒灌仍然使吉力湖礦化度保持很高的增長水平。

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

在水體礦化度為2～3 g/L時，家魚性腺成熟、宇卵受精率和孵化率都較差，淡水魚難以自然繁殖[8,9]。目前，烏倫古湖僅吉力湖礦化度在2 g/L以下，能為湖區(qū)淡水魚類提供良好的繁衍和棲息場所。而布倫托海咸水倒灌，加速了吉力湖的咸化進(jìn)程，會使湖區(qū)銀鯉魚和白斑狗魚數(shù)量減少，東方真鳊魚的繁殖能力下降[8]，對湖泊的優(yōu)勢魚種形成一定選擇性，破壞湖泊的原有生物結(jié)構(gòu)。

1.3 湖泊咸水倒灌成因分析

湖泊的水動力決定了湖泊物質(zhì)遷移轉(zhuǎn)化和生境演變[10,11]，主導(dǎo)著湖泊的水體運動。水位、風(fēng)和徑流能為湖泊水體運動提供主要的驅(qū)動力。不同區(qū)域間的水位差異會引起湖泊水面的傾斜，驅(qū)使水體流動；在大型寬淺湖泊，風(fēng)是湖泊水體流動的主要驅(qū)動力[12],決定了湖泊的湖流形態(tài)、環(huán)流結(jié)構(gòu)以及流速大小[12,13]；徑流入湖會產(chǎn)生吞吐流，在出入流量較大的湖口地區(qū)影響明顯[11]。

烏倫古湖主導(dǎo)風(fēng)向為NW，多年平均風(fēng)速大小為2.58 m/s，在風(fēng)驅(qū)動力作用下，會推動湖泊大部分水體向東南方流動，在庫河形成與正常流向(吉力湖流向布倫托海)方向完全相反的倒灌湖流。而在1950-1969年間，吉利湖湖區(qū)水位比布倫托海高出2～4 m(見圖2)，這種天然水位差會使庫河水面向布倫托海傾斜，在水體重力作用下，庫河會形成從吉利湖流向托海的正常湖流。當(dāng)兩湖水位差較大時，重力作用產(chǎn)生的正常湖流能夠有效壓制風(fēng)生流產(chǎn)生的倒灌湖流，庫河水體呈現(xiàn)正常流向，湖泊不會出現(xiàn)倒灌。

根據(jù)程艷的研究，自1957年后，湖區(qū)上游用水量急劇增加，使得烏倫古河補(bǔ)給湖區(qū)的吞吐流量銳減，甚至出現(xiàn)斷流現(xiàn)象，湖泊水位不斷降低[14]。補(bǔ)水工程的修建，在烏倫古湖開辟了新的入湖徑流，導(dǎo)致湖泊產(chǎn)生吞吐流的位置從一處變?yōu)閮商?；攔河閘則切斷了大部分時段兩湖的水動力聯(lián)系，縮小了吞吐流的影響范圍，烏倫古河與補(bǔ)水入湖產(chǎn)生的吞吐流分別只能對吉力湖、布倫托海起作用。湖區(qū)吞吐流的這些變化，使得兩湖的天然水位關(guān)系不斷變化。1970年后(圖2)，兩湖水位差(吉力湖減布倫托海)經(jīng)歷了一個先增加后減小最終布倫托海水位反超吉力湖的過程。隨著兩湖水位差不斷縮小，庫河水面傾斜程度會逐漸降低，水體重力產(chǎn)生的順流效果會削弱，對風(fēng)生流壓制作用削弱甚至消失，在兩湖連通的時段，風(fēng)生流就會引發(fā)湖泊倒灌。在2005年前后，布倫托海水位徹底超過吉力湖，此時布倫托海流向吉力湖會成為庫河的常態(tài)流向，嚴(yán)格意義上講，此階段布倫托海咸水流向吉力湖已不屬于倒灌范疇。

圖2 兩湖近60年來水位Fig.2 Water level of the two lakes for nearly 60 years

2 湖泊倒灌的特點及條件分析

要進(jìn)一步剖析湖泊倒灌產(chǎn)生所滿足定量條件，需要對湖泊倒灌的水動力進(jìn)行更加精細(xì)深入的研究。目前，數(shù)值模擬在湖泊水動力研究運用廣泛，借助數(shù)值模擬的手段,分風(fēng)生流、吞吐流以及二者并存三種情況來探究烏倫古湖倒灌的水動力特點。烏倫古湖屬于淺水湖泊，水體無分層，采用二維水動力模型即可很好的模擬湖泊水動力特性。

2.1 風(fēng)生流下倒灌的研究

在湖泊沒有水量出入時，湖泊屬于純風(fēng)生流狀態(tài)。西北風(fēng)形成的風(fēng)生流會在布倫托海形成3個大的環(huán)流，吉力湖形成2個大的環(huán)流，局部區(qū)域形成若干小型環(huán)流，整個湖泊呈現(xiàn)西北低東南高、布倫托海低吉力湖高的水位分布(圖3)。

圖3 風(fēng)生流下湖泊水位、流場Fig.3 The water level and flow field of the Lake under the wind-driven current

在吉力湖水位比布倫托海水位高出一定值后，庫河水面將擁有很大的傾斜，傾斜水體水平方向作用效果與風(fēng)驅(qū)動力達(dá)到平衡，風(fēng)生流就不能引起的倒灌。本文統(tǒng)計倒灌剛好被壓制時庫河與兩湖連接點[位置如圖4(a)所示]的上斷面與下斷面的水位差值，結(jié)果如圖4(b)。風(fēng)速從0 m/s增加到22 m/s，抑制倒灌所需要的湖泊水位差也會相應(yīng)增加。在風(fēng)速為22 m/s時，水位差值達(dá)到最大，為0.17～0.3 m，才能遏制倒灌。而隨著湖泊整體水位升高，需要的水位差會減小，以22 m/s風(fēng)速為例，湖泊水位從481.5 m上升為483 m，水位差從0.3 m下降為0.17 m。因此，保持吉力湖水位比布倫托海高0.3 m，是風(fēng)生流不會引起湖泊倒灌的閾值條件。

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

2.2 吞吐流下倒灌的研究

當(dāng)湖泊無風(fēng)時，湖泊處于烏倫古河來流qW和補(bǔ)水工程輸入流量qB形成純吞吐流狀態(tài)。吞吐流會在兩湖間形成一個順時針的環(huán)流。整個湖泊水位分布基本相同，并無明顯水位差存在(圖5)。

吞吐流對布倫托海和吉力湖的作用效果基本相同，但不同qW、qB組合情境下，在庫河會有不同的水流流向。對任意qW，隨著qB不斷增大，庫河的水流流向都會從吉力湖流向布倫托海逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)椴紓愅泻Ａ飨蚣?圖6)，本文統(tǒng)計了庫河流向剛好變?yōu)椴紓愅泻Ａ飨蚣r的qB大小，計為qL。隨著qW增加時，qL的值也會增加，二者之間存在良好的一階線性關(guān)系。湖泊水位分別為481.5、482、482.5、483 m時，qL/qW(以下簡稱大、小湖補(bǔ)水比例)比值差異很小，均在4.6～4.8左右。庫河的水流流向反映了大、小湖的補(bǔ)水關(guān)系，當(dāng)流向為布倫托海流向吉力湖時，布倫托海咸水會不斷補(bǔ)給吉力湖，即發(fā)生倒灌。

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

圖6 庫河流向變化情況Fig.6 Changes in the Ku river flow direction

因此，大、小湖補(bǔ)水比例qL/qW大于4.6～4.8，吞吐流會引起湖泊倒灌。

2.3 復(fù)合驅(qū)動下倒灌的研究

當(dāng)湖泊處于風(fēng)生流和吞吐流的復(fù)合驅(qū)動時，風(fēng)生流占主導(dǎo)地位，整個湖泊表現(xiàn)為生流情況下的水動力特性(對比圖4、圖7和圖8)。會在布倫托海形成3個大的環(huán)流，吉力湖形成2個環(huán)流，湖泊水位呈現(xiàn)西北高東南低、吉力湖高布倫托海低的特點(圖7)。

圖7 風(fēng)聲流和吞吐流復(fù)合驅(qū)動下下湖泊水位、流場Fig.7 Water level and flow field under Composite driver

和風(fēng)生流下湖泊情況基本一樣，吉力湖和布倫托海水位差小于0.3 m時，風(fēng)生流會引起湖泊倒灌。大、小湖補(bǔ)水比例變化并不能阻止倒灌發(fā)生，但比例增大會延長倒灌的持續(xù)時間。大、小湖補(bǔ)水比例從3增加到4，倒灌的持續(xù)時間會被延長2.5 h，大、小補(bǔ)水比例從3增加到5，倒灌時長會延長6 h。當(dāng)風(fēng)場風(fēng)速為5 m/s，大、小湖補(bǔ)水比例為3時，倒灌的持續(xù)時間就能被控制在1 d以內(nèi)。而兩湖水位差(吉力湖減布倫托海)大于0.3 m時，風(fēng)生流的倒灌作用被水位差壓制，吞吐流會表現(xiàn)出更大影響。在大、小湖補(bǔ)水比例大于4.7～7.0時，盡管吉力湖水位比布倫托海高，庫河也會出現(xiàn)布倫托海流向吉力湖的水流流向，湖泊也會發(fā)生倒灌。因此，復(fù)合驅(qū)動下，湖泊發(fā)生倒灌的條件是湖泊水位差低于0.3 m或水位差高于0.3 m，大、小湖補(bǔ)水比例大于4.7。

2.4 討 論

根據(jù)三種情景下烏倫古湖水動力特點模擬的結(jié)果，在風(fēng)生流和風(fēng)生流與吞吐流復(fù)合驅(qū)動下湖泊倒灌情況、水位分布以及流場分布的規(guī)律基本相同，沒有表現(xiàn)出吞吐流作用下的特點?？梢姡赐掏铝鞯膶吹构?、水位分布和流場分布的影響要比風(fēng)生流小得多，這與上文引用其他學(xué)者對風(fēng)生流和吞吐流水動力特性的描述基本一致。

在只有吞吐流作用時，庫河水流流向始終為高水位流向低水位。當(dāng)庫河流向剛好處于大湖流向小湖的臨界狀態(tài)時，大、小湖間水量交換很弱，烏倫古河的吞吐流量只作用在小湖，而補(bǔ)水工程的補(bǔ)水流量也近乎只對大湖起作用。此時吞吐流對兩湖水位的瞬時影響，可用各吞吐流量值與湖面積的比值來估算。當(dāng)湖泊水位為481.5～483 m時，小湖面積為160.2～178.5 km2，大湖為815.7～837 km2，大湖與小湖面積之比在4.7～5.0變動。在兩湖初始水位相同狀態(tài)下，要維持大湖水位不超過小湖，補(bǔ)水流量與烏倫古河來流比值應(yīng)小于二者面積比4.7～5.0，這與模型模擬的比例4.6～4.8十分接近。分析差異的原因可能是湖泊的動態(tài)面積與靜止時會有些許差異。而復(fù)合驅(qū)動下，風(fēng)生流作用比吞吐流作用大得多。風(fēng)生流的驅(qū)動力主要是與水面間的摩擦力，只要與水面有接觸，就會產(chǎn)生驅(qū)力，因此，在忽略湖面各處表面摩擦系數(shù)差異的情況下，風(fēng)生流的驅(qū)動力是均勻作用于湖泊各點的，會始終使湖面各處存在西北向水位梯度，這種梯度，會削弱大湖流向庫河(與梯度方向相反)的吞吐流的作用，使補(bǔ)水流量作用降低，因此表現(xiàn)出復(fù)合驅(qū)動下的比例比只有吞吐流作用下的大。

3 結(jié) 語

(1) 本文通過對烏倫古湖水動力的分析和模擬，找出了湖泊倒灌的原因；工程建設(shè)改變了湖泊吞吐流分布，引發(fā)了風(fēng)生流和吞吐流復(fù)合驅(qū)動的倒灌問題。

(2)根據(jù)烏倫古湖水動力的研究結(jié)果，當(dāng)吉力湖水位高出布倫托海0.3 m且補(bǔ)水流量與烏倫古湖入湖流量比例低于4.6，湖泊才不會發(fā)生倒灌。

(3)將補(bǔ)水流量和烏倫古湖入湖流量比例控制在4.6以下，同時,在4、5月份關(guān)閉庫依爾尕河上的攔河閘，能夠很大程度的緩解烏倫古湖生境破碎化、湖泊水位分布人工化和湖泊倒灌問題。

本文未將水質(zhì)模塊納入研究范疇，忽略了水中溶質(zhì)對水動力的影響，尚存在不夠嚴(yán)謹(jǐn)之處。

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