姚仕明，胡呈維，渠 庚，柴朝暉，欒華龍

(1. 長(zhǎng)江科學(xué)院 河流研究所，武漢 430010; 2.長(zhǎng)江科學(xué)院 水利部長(zhǎng)江中下游河湖治理與防洪重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430010)

1 研究背景

百年來(lái)，受自然變化、湖泊圍墾、工程建設(shè)等因素的綜合影響，長(zhǎng)江中下游100余個(gè)通江湖泊大量淤積、萎縮消失和受到人為阻隔，目前面積在500 km2以上的湖泊僅有洞庭湖、鄱陽(yáng)湖(兩湖)仍與長(zhǎng)江保持自然連通。鄱陽(yáng)湖、洞庭湖作為我國(guó)第一、二大淡水湖(圖1)，在長(zhǎng)江流域洪水調(diào)蓄、水資源調(diào)節(jié)、濕地保護(hù)、生態(tài)系統(tǒng)維系等方面發(fā)揮著不可替代的重要作用。其中調(diào)蓄洪水和保障供水居功能之首位，是安瀾長(zhǎng)江和綠色長(zhǎng)江的前置條件。

圖1 長(zhǎng)江干流與洞庭湖、鄱陽(yáng)湖的位置關(guān)系示意Fig.1 Positional relationship between the mainstream of theYangtze River, the Dongting Lake and the Poyang Lake

近幾十年來(lái)，隨著人類(lèi)活動(dòng)的加劇，兩大通江湖泊沖淤情勢(shì)發(fā)生了較大變化，江湖關(guān)系也相應(yīng)調(diào)整，對(duì)洪水調(diào)蓄功能發(fā)揮造成顯著影響。一方面，受人多地少和對(duì)湖泊功能認(rèn)識(shí)不足等因素的影響，兩湖在一段歷史時(shí)期被大規(guī)模圍墾，湖泊面積急劇減少，湖泊洪水調(diào)蓄功能下降，洪澇災(zāi)害危害程度不斷加大；另一方面，以三峽工程為骨干的眾多干支流控制性水庫(kù)建成運(yùn)行，其在發(fā)揮巨大的防洪、發(fā)電、航運(yùn)的綜合效益的同時(shí)，對(duì)水沙的巨大調(diào)節(jié)能力使得長(zhǎng)江中下游河道由中沙河流變?yōu)樯偕澈恿?，引起兩湖沖淤情勢(shì)以及江湖關(guān)系持續(xù)變化[1]，給長(zhǎng)江防洪形勢(shì)帶來(lái)影響[2]。

隨著長(zhǎng)江上中游干支流控制性水庫(kù)的聯(lián)合調(diào)蓄，兩湖水文情勢(shì)發(fā)生顯著改變，一些水資源及水生態(tài)問(wèn)題也開(kāi)始逐漸顯現(xiàn)。在水庫(kù)蓄水、泥沙攔截、清水下泄以及下游河床沖刷等的影響下，長(zhǎng)江中下游干流中枯水期同流量水位下降，長(zhǎng)江對(duì)兩湖形成“拉空”之勢(shì)。如鄱陽(yáng)湖與長(zhǎng)江干流之間的水力坡度加大，湖水出流加快，導(dǎo)致湖區(qū)水位下降，枯水期大幅提前，同時(shí)頻繁出現(xiàn)極低水位。洞庭湖荊南三口河道分流量繼續(xù)保持下降趨勢(shì)，斷流時(shí)間提前，斷流時(shí)段延長(zhǎng)，中枯水流量時(shí)水位降低。兩湖枯水情勢(shì)的加劇給湖區(qū)人民生產(chǎn)生活帶來(lái)極大不便。

同時(shí)，洞庭湖與鄱陽(yáng)湖(兩湖)在長(zhǎng)江洪水調(diào)蓄以及水資源調(diào)節(jié)方面有著舉足輕重的作用。然而，百年來(lái)自然因素與人類(lèi)活動(dòng)的雙重影響使得兩湖沖淤情勢(shì)以及江湖關(guān)系發(fā)生了顯著改變，對(duì)兩湖洪水調(diào)蓄以及水資源調(diào)節(jié)等功能造成顯著影響。因此，需要對(duì)洞庭湖和鄱陽(yáng)湖水沙輸移規(guī)律、沖淤演變規(guī)律及其對(duì)洪枯調(diào)控功能的影響進(jìn)行深入研究，這對(duì)于促進(jìn)長(zhǎng)江流域生態(tài)文明建設(shè)、長(zhǎng)江大保護(hù)乃至全國(guó)的經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展具有十分重要的戰(zhàn)略意義。本文在對(duì)國(guó)內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)廣泛調(diào)研的基礎(chǔ)上，對(duì)上述3個(gè)方面當(dāng)前的研究成果進(jìn)行分析總結(jié)，并對(duì)當(dāng)前研究中存在的不足提出了未來(lái)研究應(yīng)加強(qiáng)的內(nèi)容，以期能為該領(lǐng)域未來(lái)研究工作提供參考。

2 兩湖水沙輸移規(guī)律研究進(jìn)展

江湖水沙輸移規(guī)律是江湖水沙交換變化和江湖關(guān)系演變的核心。長(zhǎng)江與洞庭湖關(guān)系變化直接體現(xiàn)在荊江三口與長(zhǎng)江水沙交換量的變化。20世紀(jì)50年代以來(lái)，在荊江裁彎、葛洲壩和三峽工程等人類(lèi)活動(dòng)較強(qiáng)的時(shí)間節(jié)點(diǎn)，荊江三口分流分沙呈現(xiàn)明顯階段性變化。例如，三峽工程運(yùn)行之前，荊江三口分流分沙總體上呈逐年減小的趨勢(shì)。1956—1966年，荊江三口分流分沙比分別為29%與35%；而1999—2002年，則分別減小至14%與16%，且三口每年的斷流天數(shù)也逐漸增多。三峽工程運(yùn)行以來(lái)，荊江三口分流比有所下降，分沙比有所上升：與1999—2002年相比，2003—2007年三口分流比由14%減少為12%，三口分沙比由16%增加到18%[1,3-4]。隨著長(zhǎng)江干流來(lái)水來(lái)沙的變化，長(zhǎng)江干流與洞庭湖的泥沙交換也受到影響[5-6]：長(zhǎng)江干流至洞庭湖的平均凈輸沙量在1950—2000年、2002年、2004年分別為86×106、16×106、0 t/a。而2006年，洞庭湖往長(zhǎng)江干流的凈輸沙量達(dá)14×106t/a[7]，長(zhǎng)江與洞庭湖的泥沙交換情況出現(xiàn)了轉(zhuǎn)變。同時(shí)，洞庭湖四水(湘、資、沅、澧)來(lái)沙也大幅度減少，2007—2016年，洞庭湖四水來(lái)沙量?jī)H為多年平均來(lái)沙量的29%[1]。隨著三峽水庫(kù)蓄水運(yùn)行，洞庭湖區(qū)泥沙沉積量大幅下降，對(duì)減緩洞庭湖的萎縮起積極作用。

鄱陽(yáng)湖的水沙主要來(lái)自贛江、信江、撫河、饒河與修水(簡(jiǎn)稱(chēng)“五河”)，部分年份長(zhǎng)江出現(xiàn)倒灌鄱陽(yáng)湖的現(xiàn)象。2007—2016年，“五河”的年徑流量變化趨勢(shì)不明顯，但年均輸沙量約為多年平均值的48.3%[1]，明顯減少，其中贛江減少最多。鄱陽(yáng)湖出湖沙量在1988—2000年約為720萬(wàn)t，而2001年后約為1 500 t，入湖年均來(lái)沙量小于出湖年均輸沙量[8]，這種現(xiàn)象可能與近年來(lái)鄱陽(yáng)湖區(qū)和入江水道采砂及江湖水體交換過(guò)程變化有關(guān)。

總體而言，近年來(lái)兩湖水沙條件發(fā)生了明顯變化。長(zhǎng)江干支流水庫(kù)群尤其是上游控制性水庫(kù)群的調(diào)蓄，使長(zhǎng)江中下游徑流過(guò)程變化較大，主要表現(xiàn)為枯水期流量增加、中水期延長(zhǎng)及洪水期洪峰流量減少，進(jìn)入江湖系統(tǒng)的泥沙量不斷減小。兩湖水系來(lái)沙量原本并不大，匯入長(zhǎng)江干流的沙量因兩湖的調(diào)蓄也相對(duì)較小。如今，隨著長(zhǎng)江上游干支流水庫(kù)運(yùn)行與水土保持工程的不斷實(shí)施，預(yù)計(jì)進(jìn)入江湖系統(tǒng)的沙量會(huì)繼續(xù)減少。

3 自然和人類(lèi)活動(dòng)影響下兩湖沖淤演變規(guī)律研究進(jìn)展

通江湖泊在世界各大洲廣泛存在[9-12]，其沖淤演變與地貌變遷是所在流域水沙輸運(yùn)的綜合結(jié)果，是對(duì)生態(tài)水文、湖區(qū)泥沙淤積與洲灘演變等環(huán)境因素變化的響應(yīng)。對(duì)通江湖泊沖淤演變規(guī)律進(jìn)行研究，可以從歷史發(fā)展的角度掌握通江湖泊的自然演變特征，為進(jìn)一步預(yù)測(cè)江湖沖淤及江湖關(guān)系的變化趨勢(shì)奠定基礎(chǔ)。

泥沙的入湖沉降，以及在水流的動(dòng)力作用下形成的二次再懸浮，再塑了湖盆地貌，引發(fā)湖盆沖淤變化和洲灘演化[13]。湖泊中輸移或沉積的泥沙，一部分來(lái)源于湖岸的侵蝕與崩塌，另一部分則由入湖地表徑流從流域內(nèi)所挾帶。兩者相比，后者對(duì)湖泊淤積和演變的影響最為顯著，而前者則是湖盆本身泥沙的再分配，對(duì)湖泊沉積的影響甚小。

江湖沖淤及江湖關(guān)系的演變是自然與人類(lèi)活動(dòng)共同作用的結(jié)果。在人類(lèi)活動(dòng)影響較小時(shí)，氣候變化、水沙作用、泥沙淤積與地質(zhì)構(gòu)造沉降等自然因素是導(dǎo)致江湖沖淤演變的主要原因，而不同學(xué)者對(duì)自然原因中不同因素對(duì)通江湖泊演變的影響程度存在分歧。對(duì)于洞庭湖來(lái)說(shuō)，梁杏等[14]從構(gòu)造地質(zhì)學(xué)的角度，跨越地質(zhì)歷史的多個(gè)時(shí)期，經(jīng)過(guò)實(shí)地測(cè)量，認(rèn)為洞庭湖區(qū)目前正處于構(gòu)造沉降階段，構(gòu)造沉降是影響近代洞庭湖演變最主要的因素，而李春初[15]認(rèn)為水沙過(guò)程是當(dāng)前影響洞庭湖演變的主要原因。隨著近幾十年來(lái)江湖采砂、湖泊圍墾、下荊江系統(tǒng)裁彎、控制性水利工程的建成運(yùn)行，人類(lèi)活動(dòng)對(duì)江湖沖淤演變及江湖關(guān)系變化的影響日益突出[16-19]，兩湖沖淤格局發(fā)生了多次調(diào)整[20-27]。三峽工程建成運(yùn)用使得進(jìn)入長(zhǎng)江中下游河道的沙量大幅減少[28-30]，如2013年以來(lái)，宜昌站輸沙量?jī)H為自然條件下的2.6%。此外，由荊江三口進(jìn)入洞庭湖湖區(qū)的泥沙也大幅減少，加之四水來(lái)沙量也逐漸減少，進(jìn)出洞庭湖區(qū)的泥沙基本相等，未來(lái)湖區(qū)將呈微沖微淤趨勢(shì)[1]。

目前針對(duì)通江湖泊沖淤演變的研究方法大體上包含沙量平衡法、水沙數(shù)值模擬和遙感圖像解譯法，其中沙量平衡法及遙感圖像解譯法運(yùn)用最多。沙量平衡法主要利用出入湖控制站的水沙實(shí)測(cè)資料分析湖區(qū)沖淤隨時(shí)間的變化[8,23,31-32]。例如，姚仕明與盧金友[33]分析了三峽工程運(yùn)用對(duì)洞庭湖泥沙沉積率的影響；朱玲玲等[23]采用輸沙量法計(jì)算了兩湖區(qū)淤積量，采用實(shí)測(cè)地形對(duì)比分析了兩湖區(qū)泥沙沖淤分布特征；劉曉群等[31]根據(jù)地形沖淤與輸水輸沙量分析，研究了2003年以來(lái)東洞庭湖的沖淤狀態(tài)。

遙感圖像解譯法主要結(jié)合已有資料和遙感圖像分析通江湖泊大尺度演變過(guò)程。例如，姜加虎等[34]利用1974年和1995年洞庭湖湖盆地形的測(cè)量數(shù)據(jù)，采用GIS空間分析方法，研究了洞庭湖區(qū)泥沙沖淤與洲灘變化，認(rèn)為洞庭湖湖盆的泥沙淤積強(qiáng)度隨高程增加而逐步減弱，表明洞庭湖泥沙淤積量并非線(xiàn)性增長(zhǎng)。吳桂平等[35]利用鄱陽(yáng)湖1980年、1998年和2010年實(shí)測(cè)水下地形數(shù)據(jù)對(duì)近40 a來(lái)鄱陽(yáng)湖沖淤時(shí)空變化過(guò)程及其影響因素進(jìn)行了研究，結(jié)果表明1980—1998年間，鄱陽(yáng)湖主湖體及湖灣區(qū)域淤積現(xiàn)象顯著，該現(xiàn)象主要由該時(shí)段內(nèi)水土流失加劇造成；1998—2010年間，湖盆淤積范圍明顯減少，主要原因在于流域大規(guī)模的植樹(shù)造林和水庫(kù)建設(shè)等人類(lèi)活動(dòng)的影響；對(duì)于不同入湖河道及洲灘區(qū)域，由于其地理位置、水文條件的不同，沖淤情況也有所不同。余姝辰等[36-37]利用多種歷史地圖與遙感數(shù)據(jù)，采用統(tǒng)計(jì)分析方法，研究了清末以來(lái)洞庭湖區(qū)通江湖泊面積變化情況。結(jié)果表明洞庭湖面積從1896年的5 216.37 km2減少到2019年的2 702.74 km2，面積萎縮率達(dá)48.19%。從不同時(shí)期面積萎縮情況來(lái)看，20世紀(jì)50年代為斷崖式下跌萎縮期，年均萎縮達(dá)139.05 km2，20世紀(jì)60—70年代為快速萎縮期，年均萎縮21.66 km2，而1980年以來(lái)湖區(qū)面積基本穩(wěn)定，年均萎縮僅0.13 km2。

綜上所述，兩湖沖淤演變是自然條件與多種人類(lèi)活動(dòng)綜合作用的結(jié)果。在不同階段，自然及人類(lèi)活動(dòng)中的各種因素對(duì)兩湖沖淤演變的影響權(quán)重也有所差異。只有對(duì)不同特征階段兩湖沖淤的自然和人為影響進(jìn)行有效識(shí)別，才能對(duì)百年來(lái)兩湖沖淤格局的演變規(guī)律有更加清晰的了解，而這依賴(lài)于對(duì)百年來(lái)兩湖自然條件下演變過(guò)程的了解。但20世紀(jì)50年代之前，即自然因素占主導(dǎo)的階段，兩湖沖淤過(guò)程缺乏系統(tǒng)的資料，而在這之后，人類(lèi)活動(dòng)的加劇又使得兩湖沖淤過(guò)程受到各種人為因素的影響。目前研究仍缺乏有效手段掌握資料匱乏時(shí)期兩湖的沖淤演變規(guī)律，也無(wú)法從20世紀(jì)50年代以來(lái)兩湖沖淤演變過(guò)程中剝離出各種人類(lèi)活動(dòng)的影響，因此亟待開(kāi)展相關(guān)研究。該問(wèn)題是闡明通江湖泊沖淤演變的多因子聯(lián)合驅(qū)動(dòng)機(jī)制以及預(yù)測(cè)兩湖未來(lái)沖淤趨勢(shì)的重要基礎(chǔ)。

4 兩湖沖淤及江湖關(guān)系演變趨勢(shì)研究進(jìn)展

4.1 兩湖水沙情勢(shì)變化

水沙情勢(shì)的變化是通江湖泊演變趨勢(shì)分析的基礎(chǔ)，預(yù)測(cè)湖泊沖淤變化需提前弄清水沙條件的變化趨勢(shì)。國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者基于水沙實(shí)測(cè)資料，采用統(tǒng)計(jì)學(xué)分析法(如趨勢(shì)分析方法、突變點(diǎn)檢驗(yàn)方法及周期診斷方法)對(duì)洞庭湖和鄱陽(yáng)湖的歷史和現(xiàn)狀水沙變化及其影響因素進(jìn)行了研究[38-53]。例如，朱玲玲等[54]分析了不同時(shí)期內(nèi)荊江三口分流比變化的誘發(fā)因素，并基于時(shí)段控制因子預(yù)估了荊江三口分流比的變化趨勢(shì)，認(rèn)為三峽水庫(kù)的調(diào)度方式會(huì)對(duì)分流比產(chǎn)生一定影響，但同流量下分流比出現(xiàn)趨勢(shì)性變化的可能性較小。邴建平等[55]利用TFPW-MK和MK趨勢(shì)分析法研究了鄱陽(yáng)湖與長(zhǎng)江干流水量交換年際變化趨勢(shì)，從流域來(lái)水差異、三峽水庫(kù)調(diào)度以及湖區(qū)水位容積變化方面研究了驅(qū)動(dòng)江湖水量交換效應(yīng)變化的機(jī)制。張范平等[56]采用統(tǒng)計(jì)分析法、趨勢(shì)分析法、MK非參數(shù)檢驗(yàn)法和Modet小波分析法分析了鄱陽(yáng)湖1953—2013年水位年內(nèi)變化特征、年際變化趨勢(shì)、極值變化、突變特征及其周期性，研究表明鄱陽(yáng)湖水位在多年尺度上呈現(xiàn)微弱的下降趨勢(shì)，自2003年以來(lái)下降幅度較大，并多次出現(xiàn)極低枯水位，湖區(qū)水位變化沒(méi)有表現(xiàn)出明顯的周期特性。

此外，敏感性分析、相似年法、水位-流量關(guān)系曲線(xiàn)、多元回歸法或數(shù)值模擬法等方法常被用于定性或定量地研究某一要素對(duì)兩湖水沙情勢(shì)變化趨勢(shì)的影響[57-59]?？偟膩?lái)說(shuō)，目前針對(duì)鄱陽(yáng)湖和洞庭湖水沙變化趨勢(shì)的研究，主要基于已有的水沙實(shí)測(cè)資料，對(duì)水文情勢(shì)數(shù)據(jù)時(shí)間序列進(jìn)行趨勢(shì)分析、突變點(diǎn)檢驗(yàn)、周期診斷、頻率分析等。盡管已有研究在上述方面取得了有益的成果，然而，目前研究采用的統(tǒng)計(jì)學(xué)手段只能研究水沙情勢(shì)在較短時(shí)間的變化趨勢(shì)，難以對(duì)長(zhǎng)江干支流水庫(kù)群聯(lián)合調(diào)度和兩湖中上游控制性水工程影響下兩湖未來(lái)較長(zhǎng)時(shí)間尺度的水沙變化趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)，而該問(wèn)題決定了能否在較大的時(shí)空尺度對(duì)江湖沖淤演變趨勢(shì)進(jìn)行精細(xì)化模擬。

4.2 兩湖沖淤演變趨勢(shì)

目前關(guān)于通江湖泊沖淤演變趨勢(shì)的研究主要有兩類(lèi):一是關(guān)注通江湖泊整體在未來(lái)較長(zhǎng)時(shí)間的演變規(guī)律；二是關(guān)注通江湖泊在未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)、整體或某些局部區(qū)域的沖淤演變趨勢(shì)[60]，如湖泊尾閭或入江水道的演變趨勢(shì)。目前，第一類(lèi)研究關(guān)于通江湖泊沖淤演變趨勢(shì)尚未形成一致的結(jié)論。如對(duì)于洞庭湖，較多學(xué)者認(rèn)為洞庭湖最終將走向消亡。但仍有不少學(xué)者認(rèn)為，由于區(qū)域性的現(xiàn)代地殼形變構(gòu)造趨于沉降，洞庭湖不僅不會(huì)消亡，還會(huì)擴(kuò)大[61]。產(chǎn)生上述分歧的主要原因是，前人研究?jī)珊_淤演變時(shí)所采用的數(shù)據(jù)以及研究方法有所不同。前人研究?jī)珊_淤時(shí)多基于歷史泥沙淤積數(shù)據(jù)，部分學(xué)者采用了不同時(shí)期地圖中的水域面積資料或不同年份遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行水面提取。此外，由于現(xiàn)在尚未形成湖泊邊界統(tǒng)一定義，對(duì)湖泊面積的量化也存在差異。人為因素如水土保持以及江湖關(guān)系演變等也都將對(duì)兩湖宏觀演變趨勢(shì)的判斷產(chǎn)生影響[37]。

關(guān)于第二類(lèi)研究，有不少學(xué)者采用數(shù)學(xué)模型，對(duì)長(zhǎng)江上游干支流水庫(kù)運(yùn)行后兩湖的沖淤演變進(jìn)行了預(yù)測(cè)。例如，盧金友與朱勇輝[62]采用一維水沙數(shù)學(xué)模型，研究了長(zhǎng)江上游干支流水庫(kù)運(yùn)用后洞庭湖演變趨勢(shì)。結(jié)果表明：洞庭湖區(qū)將逐漸淤積，但湖區(qū)淤積速度將不斷減慢。胡春宏等[63]利用一維江湖河網(wǎng)水沙數(shù)學(xué)模型，預(yù)測(cè)了洞庭湖未來(lái)100 a的變化趨勢(shì)，研究預(yù)計(jì)三峽及上游控制性水庫(kù)群聯(lián)合運(yùn)用100 a內(nèi)，洞庭湖累計(jì)淤積泥沙10.36 億m3，年平均淤積泥沙約1 036萬(wàn)m3。長(zhǎng)江科學(xué)院采用江湖耦合水沙數(shù)學(xué)模型模擬了鄱陽(yáng)湖未來(lái)50 a的沖淤演變，研究發(fā)現(xiàn)：鄱陽(yáng)湖湖區(qū)呈現(xiàn)逐年淤積的趨勢(shì)，至50 a末累積淤積體積約1.01億m3；通江水道呈現(xiàn)逐年沖刷的趨勢(shì)，50 a末累積沖刷0.63億m3。通江水道的控制站湖口站近年來(lái)年均水位受長(zhǎng)江干流水位變化的影響，呈現(xiàn)明顯的下降趨勢(shì)，特別是汛后蓄水，這也是通江水道總體沖刷的原因。另外，近年來(lái)鄱陽(yáng)湖挖砂現(xiàn)象嚴(yán)重，挖砂對(duì)河道沖淤變化也起了一定作用(圖2)。

圖2 鄱陽(yáng)湖沖淤計(jì)算斷面布置與計(jì)算結(jié)果Fig.2 Layout of calculation sections and calculationresults of erosion and deposition for the Poyang Lake

由于通江湖泊各區(qū)域常呈現(xiàn)不同的沖淤態(tài)勢(shì)，通江湖泊宏觀上的沖淤演變不能反映局部情況。例如，由于西洞庭湖、東南洞庭湖來(lái)水來(lái)沙條件以及地形地貌特點(diǎn)的不同，湖域內(nèi)不同區(qū)域的泥沙沖淤時(shí)空分布會(huì)有較大差異。目前，西洞庭湖已基本達(dá)到?jīng)_淤平衡，近年泥沙淤積主要發(fā)生在河道，而東南洞庭湖是洞庭湖泥沙淤積的主要場(chǎng)所，但淤積率也呈逐步降低趨勢(shì)[32]。因此，對(duì)湖泊沖淤進(jìn)行較為細(xì)致的分區(qū)刻畫(huà)顯得尤為必要。

由上可知，現(xiàn)有研究已從整體與局部角度對(duì)通江湖泊沖淤演變趨勢(shì)有了一定的認(rèn)識(shí)。但現(xiàn)有研究對(duì)于通江湖泊演變趨勢(shì)預(yù)測(cè)大多關(guān)注湖泊整體沖淤總量和沖淤速率，對(duì)于湖區(qū)沖淤演變時(shí)空差異及分布格局變化規(guī)律研究較少。

5 江湖關(guān)系演變影響效應(yīng)研究進(jìn)展

5.1 對(duì)洪水調(diào)蓄功能的影響

長(zhǎng)江中下游通江湖泊的調(diào)蓄能力與中下游整個(gè)區(qū)域的水安全密切相關(guān)，在長(zhǎng)江中下游防洪體系中占有極其重要的地位。一般利用調(diào)蓄量(一段時(shí)間內(nèi)進(jìn)、出湖泊水量之差)來(lái)表現(xiàn)通江湖泊的調(diào)蓄能力[64-67]。然而目前研究中的調(diào)蓄量指標(biāo)都含有經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，其插值的準(zhǔn)確性和理論依據(jù)存在不足，若要更準(zhǔn)確地計(jì)算兩湖調(diào)蓄量及三峽水庫(kù)對(duì)其的影響，需要構(gòu)建合理的江湖水位-流量關(guān)系。

湖泊調(diào)蓄能力的影響因素主要包括泥沙淤積程度、湖泊圍墾、入湖洪水特征以及湖泊出口水位等。對(duì)于過(guò)水性湖泊而言，湖泊調(diào)蓄實(shí)際上屬于河槽調(diào)蓄，調(diào)蓄量相當(dāng)于河槽調(diào)蓄量。由于通江湖泊的出口與河道保持自由連通狀態(tài)，因此，湖泊對(duì)洪水的調(diào)蓄作用與水庫(kù)區(qū)別明顯，不同之處在于：首先湖泊不同于分蓄洪區(qū)的空庫(kù)待蓄，調(diào)蓄量遠(yuǎn)小于湖泊容積，特別是高洪期，通江湖泊的湖容已被前期來(lái)水接近充滿(mǎn)，用于調(diào)蓄的湖容大小更多地取決于湖水位的可能漲幅；其次，湖泊調(diào)蓄的出流不可控，這一點(diǎn)不同于水庫(kù)，通江湖泊的調(diào)蓄能力取決于水流能否順暢流出湖泊，若湖泊出流不暢，則洪水可以更多地滯留湖內(nèi)，即表現(xiàn)為調(diào)蓄能力較強(qiáng)[68]。

近年來(lái)，影響兩湖調(diào)蓄能力的主要因素即為長(zhǎng)江上游一系列干支流水庫(kù)的建成運(yùn)行。特別是三峽工程建成運(yùn)行后，水庫(kù)調(diào)節(jié)造成干流水沙變化以及河床不斷沖刷[69]，已對(duì)兩湖沖淤及其對(duì)洪水的調(diào)蓄功能造成影響。國(guó)內(nèi)已有不少學(xué)者對(duì)近年來(lái)兩湖的調(diào)蓄能力開(kāi)展了相關(guān)研究[70-74]。例如，張振全等[72]基于1954—2010年洞庭湖對(duì)不同時(shí)段洪水的調(diào)蓄作用研究了洞庭湖調(diào)蓄能力的變化規(guī)律。王冬等[73]研究了洞庭湖來(lái)流與三峽水庫(kù)不同調(diào)度方式之間的關(guān)系及三峽水庫(kù)蓄水對(duì)長(zhǎng)江與洞庭湖水力要素的影響。邴建平[75]采用水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型和動(dòng)湖容模擬調(diào)節(jié)，研究了擬建鄱陽(yáng)湖樞紐及其與三峽水庫(kù)聯(lián)合調(diào)控對(duì)江湖水情的調(diào)節(jié)效應(yīng)。

5.2 對(duì)枯水情勢(shì)的影響

洞庭湖與鄱陽(yáng)湖是長(zhǎng)江中下游水資源的重要來(lái)源，兩湖水量約占長(zhǎng)江大通站徑流量的47.9%[27]。近年來(lái)兩湖沖淤以及江湖關(guān)系的調(diào)整，對(duì)兩湖的枯水情勢(shì)產(chǎn)生了顯著影響。洞庭湖和鄱陽(yáng)湖出入湖水量均有所減少，其中汛后水庫(kù)群蓄水期減少較多，而枯水期徑流量增加。洞庭湖和鄱陽(yáng)湖中枯水期平均水位均有所降低，兩湖枯水期更是呈現(xiàn)提前、延長(zhǎng)和加劇的態(tài)勢(shì)[42,76]。對(duì)于洞庭湖，荊江三口分流量進(jìn)一步減少，河道斷流時(shí)間延長(zhǎng)，從而導(dǎo)致地區(qū)過(guò)境水資源量進(jìn)一步減少，水資源問(wèn)題突出[77-79]。

兩湖枯水情勢(shì)主要受到氣候變化、三峽水庫(kù)運(yùn)行引起的水沙條件變化，以及湖區(qū)取用水、采砂等人類(lèi)活動(dòng)的綜合影響。當(dāng)前對(duì)鄱陽(yáng)湖枯水情勢(shì)發(fā)生的主要原因，尚無(wú)較為一致的看法。有學(xué)者認(rèn)為三峽水庫(kù)的調(diào)蓄造成長(zhǎng)江干流流量減少是鄱陽(yáng)湖水位降低的主導(dǎo)因素，長(zhǎng)江來(lái)水減少是造成鄱陽(yáng)湖秋季異常低水位的主要因素，且這種影響隨著長(zhǎng)江上游干支流大量水庫(kù)群的投入運(yùn)行變得更加嚴(yán)重[80]。還有學(xué)者認(rèn)為鄱陽(yáng)湖湖區(qū)水位降低主要受氣候變化影響。如Ye等[81]研究表明長(zhǎng)江流域的氣候變化是造成鄱陽(yáng)湖枯水期提前的主要原因，而三峽水庫(kù)的運(yùn)行并不是最主要的原因，只是使得這一現(xiàn)象更為顯著。還有其他學(xué)者認(rèn)為采砂是當(dāng)前鄱陽(yáng)湖枯水情勢(shì)嚴(yán)峻的主要原因。例如周建軍等[82]研究表明鄱陽(yáng)湖的基本自然特征并沒(méi)有改變，鄱陽(yáng)湖大量采砂已經(jīng)破壞了入江水道的自然水力頂托機(jī)制，這是鄱陽(yáng)湖連續(xù)出現(xiàn)極低水位的原因。

對(duì)于洞庭湖來(lái)說(shuō)，三峽工程的年調(diào)節(jié)將使其對(duì)洞庭湖水情的影響成為常態(tài)。尤其是汛末蓄水時(shí)段，上游來(lái)水減少將使洞庭湖水位提前消落，洲灘濕地出露時(shí)間變長(zhǎng)，多次出現(xiàn)接近歷史同期最低水位的枯水，水庫(kù)運(yùn)行對(duì)洞庭湖的影響再一次受到了廣泛的關(guān)注和討論。許多學(xué)者也在長(zhǎng)江干支流控制性水庫(kù)運(yùn)用以來(lái)的背景下，研究洞庭湖區(qū)枯水情勢(shì)的變化。代表性成果如胡春宏等[24]采用一維江湖河網(wǎng)數(shù)學(xué)模型，對(duì)未來(lái)洞庭湖枯水期水位趨勢(shì)進(jìn)行的研究。研究采用1991年典型來(lái)水過(guò)程(平水年)，分別計(jì)算了未來(lái)不同年份、七里山水文站和南咀水文站水位。計(jì)算結(jié)果表明：

(1)對(duì)于年平均水位，三峽及上游控制性梯級(jí)水庫(kù)群聯(lián)合運(yùn)行50 a末，七里山水文站年平均水位比1991年實(shí)測(cè)年平均水位低2.19 m，比2012年計(jì)算水位低1.14 m。

(2)對(duì)于月平均水位，三峽及上游控制性梯級(jí)水庫(kù)群蓄水階段的9—10月份湖區(qū)水位降低最為顯著，2052年9月份和10月份七里山水文站計(jì)算得到的水位結(jié)果比1991年同期實(shí)測(cè)的水位分別降低4.05 m和5.68 m，比2012年計(jì)算同期水位分別降低2.34 m和1.27 m。

總的來(lái)說(shuō)，上述研究成果雖然可以較好地揭示三峽水庫(kù)運(yùn)用后兩湖水情變化及其洪枯調(diào)控能力的變化，但仍存在3個(gè)方面的不足：一是當(dāng)前對(duì)于湖泊洪枯調(diào)控能力變化的研究多為定性或部分定量，缺乏兩湖一致性的量化指標(biāo)研究；二是長(zhǎng)江干支流控制性水庫(kù)運(yùn)行較長(zhǎng)時(shí)間后，兩湖洪枯調(diào)控能力的變化與兩湖未來(lái)的沖淤情勢(shì)密切相關(guān)，而難以準(zhǔn)確把握未來(lái)兩湖沖淤情景，導(dǎo)致目前難以對(duì)長(zhǎng)歷時(shí)兩湖的洪枯調(diào)控能力進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測(cè)；三是兩湖未來(lái)沖淤情景與其洪枯調(diào)控功能之間的動(dòng)態(tài)響應(yīng)關(guān)系尚不明確。上述不足均需要開(kāi)展進(jìn)一步研究。

6 結(jié) 語(yǔ)

隨著以三峽工程為核心的長(zhǎng)江上游水庫(kù)群的建成運(yùn)行，三峽水庫(kù)下游江湖水沙情勢(shì)發(fā)生了顯著改變，引起兩湖沖淤及江湖關(guān)系調(diào)整顯著，這對(duì)河道防洪、航運(yùn)、水資源利用等產(chǎn)生重要影響。本文從長(zhǎng)江中下游兩大通江湖泊——洞庭湖、鄱陽(yáng)湖水沙輸移規(guī)律、沖淤演變規(guī)律及其對(duì)洪枯調(diào)控功能的影響3個(gè)方面，總結(jié)了當(dāng)前兩湖演變與影響效應(yīng)方面一些代表性成果。但研究對(duì)象本身的復(fù)雜性，給這幾方面研究帶來(lái)了一定的困難。今后應(yīng)結(jié)合多學(xué)科理論和方法，加強(qiáng)以下幾個(gè)方面的研究：

(1)自然和人為影響下兩湖演變機(jī)制量化揭示。兩湖沖淤演變是自然條件與多種人類(lèi)活動(dòng)綜合作用的結(jié)果。闡明百年來(lái)兩湖沖淤格局的演變機(jī)制有賴(lài)于對(duì)不同特征階段兩湖沖淤的自然和人為影響因素進(jìn)行有效識(shí)別。因此，今后研究應(yīng)建立有效方法，反演與還原兩湖自然沖淤過(guò)程，闡明資料匱乏時(shí)期兩湖的沖淤演變過(guò)程，對(duì)各種自然因素對(duì)兩湖沖淤演變的影響進(jìn)行有效識(shí)別，還原人類(lèi)活動(dòng)加劇時(shí)期兩湖的自然沖淤過(guò)程，在此基礎(chǔ)上，闡明人類(lèi)活動(dòng)對(duì)兩湖沖淤演變的影響機(jī)制。

(2)兩湖未來(lái)長(zhǎng)歷時(shí)、大范圍沖淤情勢(shì)變化趨勢(shì)預(yù)測(cè)?，F(xiàn)有成果已從整體與局部角度對(duì)通江湖泊沖淤演變趨勢(shì)有了一定的認(rèn)識(shí)。但精準(zhǔn)預(yù)測(cè)長(zhǎng)江和兩湖上游梯級(jí)水庫(kù)群運(yùn)行引起的水沙變化研究還不夠，今后研究需要借助大時(shí)空尺度精細(xì)化的通江湖泊二維水沙數(shù)學(xué)模型，對(duì)通江湖泊演變趨勢(shì)進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)期精細(xì)化模擬。需要重點(diǎn)突破從以往兩湖泥沙淤積總量預(yù)測(cè)到淤積時(shí)空分布格局變化預(yù)測(cè)的技術(shù)“瓶頸”。

(3)兩湖演變對(duì)洪枯調(diào)控功能影響的指標(biāo)化評(píng)估。長(zhǎng)江干支流控制性水庫(kù)運(yùn)行較長(zhǎng)時(shí)間后，湖泊調(diào)蓄能力的變化與湖泊未來(lái)的沖淤情勢(shì)密切相關(guān)，而現(xiàn)有研究對(duì)未來(lái)兩湖沖淤情勢(shì)的研究不足，這也導(dǎo)致了目前無(wú)法對(duì)長(zhǎng)歷時(shí)兩湖的調(diào)蓄能力進(jìn)行更為準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)。此外，現(xiàn)有研究缺乏表征湖泊洪枯調(diào)控功能變化的有效指標(biāo)，湖泊洪枯調(diào)控功能與未來(lái)沖淤情景的定量關(guān)系尚不明確。因此，今后需要進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)兩湖未來(lái)沖淤情景的精準(zhǔn)預(yù)測(cè)，研究能夠表征湖泊洪枯調(diào)控功能的指標(biāo)，在此基礎(chǔ)上，建立洪枯功能表征指標(biāo)與兩湖未來(lái)不同沖淤情景的響應(yīng)關(guān)系，厘清兩湖未來(lái)沖淤情勢(shì)對(duì)洪枯調(diào)控功能的影響。