方春明，關(guān)見(jiàn)朝，史紅玲

(中國(guó)水利水電科學(xué)研究院 泥沙研究所，北京 100048)

1 研究背景

鄱陽(yáng)湖出湖沙量變化與湖區(qū)沖淤變化及湖區(qū)生態(tài)環(huán)境等密切相關(guān)，引起了眾多學(xué)者的研究[1-4]。多年來(lái)，鄱陽(yáng)湖出湖泥沙總體隨入湖泥沙減少而呈減少趨勢(shì)，但2001年左右開(kāi)始顯著增加，入江水道深泓下切，斷面面積擴(kuò)大?，F(xiàn)有研究普遍認(rèn)為[1-4]，自2001年長(zhǎng)江河道采砂被禁止后，鄱陽(yáng)湖采砂業(yè)迅速興起，是出湖泥沙顯著上升和斷面面積擴(kuò)大的主要原因。這些研究主要是基于遙感技術(shù)或結(jié)合泥沙數(shù)值模擬，建立鄱陽(yáng)湖水體透明度或懸浮泥沙濃度與采砂船只數(shù)目之間的關(guān)系得到。但該研究方法存在考慮因素不夠全面，機(jī)理分析不夠深入，采砂分布缺乏詳細(xì)數(shù)據(jù)，出湖泥沙和采砂之間的定量關(guān)系不明確等缺點(diǎn)，得到的結(jié)論具有一定片面性。本文對(duì)鄱陽(yáng)湖入江水道輸沙能力與出湖沙量關(guān)系進(jìn)行了系統(tǒng)分析，揭示了入江水道輸沙能力對(duì)出湖沙量的決定性作用及適應(yīng)調(diào)整規(guī)律，明晰了2001年以來(lái)出湖沙量增加是入江水道沖刷和采砂的共同作用，闡明了入江水道下段沖刷調(diào)整已趨于穩(wěn)定，上段仍可能會(huì)有一定的沖刷調(diào)整，對(duì)認(rèn)識(shí)鄱陽(yáng)湖沖淤、長(zhǎng)江與鄱陽(yáng)湖相互影響復(fù)雜關(guān)系和指導(dǎo)鄱陽(yáng)湖治理具有重要意義。

本文所用數(shù)據(jù)主要有：鄱陽(yáng)湖流域主要水文站1950年代以來(lái)流量、輸沙量和水位實(shí)測(cè)日平均資料系列，其中入湖河流水文泥沙數(shù)據(jù)年限為1956—2021年，湖口水文站泥沙數(shù)據(jù)為1955—2021年，水位數(shù)據(jù)為1950—2020年。鄱陽(yáng)湖入江水道代表斷面1998、2010、2015、2020年觀測(cè)資料和湖口水文站1965—2020年歷年斷面觀測(cè)數(shù)據(jù)。資料來(lái)源為長(zhǎng)江水利委員會(huì)水文局和江西省水文局。

本文研究主要采用水文學(xué)、數(shù)理統(tǒng)計(jì)學(xué)和泥沙運(yùn)動(dòng)力學(xué)相結(jié)合的方法，將1955—2020年分不同時(shí)期，按月對(duì)鄱陽(yáng)湖入、出湖水沙變化、入江水道代表斷面挾沙能力變化等進(jìn)行對(duì)比分析，建立相關(guān)關(guān)系，揭示內(nèi)在機(jī)理。

2 鄱陽(yáng)湖年入、出湖沙量變化基本情況

2.1 鄱陽(yáng)湖五河入湖沙量變化鄱陽(yáng)湖入湖泥沙來(lái)源于鄱陽(yáng)湖流域入湖河流來(lái)沙和長(zhǎng)江干流倒灌入湖泥沙[5-6]，其中贛江、撫河、信江、饒河、修水五大入湖河流(簡(jiǎn)稱五河)是入湖泥沙的主要來(lái)源[7]，1956—2021年五河年均入湖沙量1222萬(wàn)t，入湖沙量距平累積曲線如圖1所示。由圖可見(jiàn)，五河年入湖沙量有兩處明顯的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，一是1985年左右，另一是1999年左右，主要是由于五河上游水利工程修改后的攔沙作用[8]，使入湖泥沙大幅減少。1956—1984年五河年均入湖沙量為1675萬(wàn)t，1985—1998年減為年均1233萬(wàn)t，1999—2021年進(jìn)一步減為年均645萬(wàn)t。從年內(nèi)分布看，1956—2021年平均，3—7月沙量占全年沙量的85.6%，其中又以4—6月占比最大，占全年沙量的65.7%。

圖1 五河年入湖沙量距平累積曲線

2.2 長(zhǎng)江倒灌沙量變化由于受長(zhǎng)江干流洪水上漲的影響，汛期湖口出湖水流常有倒流情況出現(xiàn)[6]，倒灌入湖的長(zhǎng)江干流水流含沙量往往較高[4]，倒灌主要集中在7—9月，6月和10月偶有發(fā)生。1955—2021年平均長(zhǎng)江倒灌入湖沙量137萬(wàn)t，年倒灌水沙量距平累積曲線如圖2所示。由圖可見(jiàn)，長(zhǎng)江倒灌入湖水量和沙量變化趨勢(shì)基本是一致的，自1992年左右出現(xiàn)拐點(diǎn)，顯著減少。

圖2 湖口年倒灌沙量距平累積曲線

2.3 出湖沙量變化由于湖口水沙存在倒灌現(xiàn)象，為了避免混淆，本文把湖口沙量分為湖口順出湖沙量和湖口倒灌沙量，兩者之和稱為湖口凈沙量。1955—2021年湖口年順出湖沙量和湖口年凈沙量距平累積曲線如圖3所示。由圖可見(jiàn)，順出湖沙量和凈沙量變化趨勢(shì)大體相似。1963年前，湖口凈沙量年均約1300萬(wàn)t；1963年左右開(kāi)始有所減小，1963—1988年年均約966萬(wàn)t；1989年左右開(kāi)始明顯減小，1989—2000年年均約640萬(wàn)t；2001年后湖口年凈沙量顯著增加，2001—2021年年均約1039萬(wàn)t。從年內(nèi)分布看，1955—2021年平均，2—5月湖口凈沙量占全年凈沙量的56.9%，其中又以3—4月占比最大，占全年沙量44.8%。

圖3 湖口年沙量距平累積曲線

3 鄱陽(yáng)湖出湖沙量變化機(jī)理

3.1 五河入湖沙量與出湖沙量關(guān)系已有眾多研究通過(guò)直接比較五河年入湖沙量和湖口年凈沙量變化過(guò)程，得出兩者的相關(guān)性[2-3，11]，如圖4所示。總體來(lái)看，2001年以前出湖沙量隨入湖沙量減少而減少，2001年后年出湖沙量明顯增大，普遍認(rèn)為是由于鄱陽(yáng)湖入江水道采砂所致。

圖4 五河入湖年沙量和湖口年凈沙量變化過(guò)程

實(shí)際上，如果分月比較，10月至次年3月，湖口月凈出湖沙量總體都遠(yuǎn)大于五河入湖沙量，表明期間出湖泥沙主要是由湖區(qū)沖刷而來(lái)。以1月為例，五河入湖泥沙多年平均值為11.8萬(wàn)t，而湖口沙量達(dá)71.6萬(wàn)t，入湖沙量只占湖口沙量的16.5%。相反，5—6月出湖沙量總體遠(yuǎn)小于五河入湖沙量，說(shuō)明期間湖區(qū)泥沙大量淤積。以6月為例，入湖泥沙多年平均值為347萬(wàn)t，而湖口凈沙量只有78.2萬(wàn)t，只占入湖沙量的20.9%。7—9月，湖口凈沙量總體為長(zhǎng)江泥沙倒灌入湖，年內(nèi)只有4月出湖沙量與五河入湖沙量比較接近。

點(diǎn)繪1956—2021年平均各月入湖沙量與湖口順出湖沙量關(guān)系如圖5所示，不論是入湖沙量多的4—7月還是入湖沙量少的8月—次年2月，入湖沙量與出湖沙量關(guān)系都很差。

圖5 五河月入湖沙量和湖口月順出湖沙量關(guān)系

3.2 鄱陽(yáng)湖入江水道輸沙能力與出湖沙量關(guān)系2.1節(jié)分析表明，汛期五河入湖泥沙總體在湖區(qū)淤積，而枯期出湖泥沙總體為湖區(qū)泥沙沖刷而來(lái)，因而湖口沙量應(yīng)與鄱陽(yáng)湖且主要是與入江水道輸沙能力具有相關(guān)性。為此選擇入江水道下段距湖口水文站較近的一個(gè)代表斷面(2#斷面)和上段星子水位站斷面(8#斷面)進(jìn)行分析，斷面圖如圖6所示。兩個(gè)斷面灘寬都約8 km，槽寬都約1.5 km，具有入江水道典型的寬灘窄槽形態(tài)。從1998年、2010年、2015年和2020年斷面觀測(cè)看：1998—2010年2#斷面主槽顯著擴(kuò)大，8#斷面主槽擴(kuò)大相對(duì)較少；2010—2015年2#斷面變化不大，8#斷面主槽明顯擴(kuò)大；2015—2020年2#斷面主槽有所左移，但斷面面積變化不大，8#斷面主槽有所展寬，深泓略有淤積；兩斷面灘地一直變化不大。

圖6 鄱陽(yáng)湖入江水道代表斷面

2#斷面距湖口水文站較近，可根據(jù)湖口水文站水位和流量求該斷面對(duì)應(yīng)面積和斷面平均流速。8#斷面則可根據(jù)星子水位站水位和湖口站流量求該斷面對(duì)應(yīng)面積和斷面平均流速。其中各年所采用的斷面為，1956—1998年采用1998年斷面，1999年后各年采用相鄰年份觀測(cè)斷面插值計(jì)算。

同流量時(shí)，河道輸水能力主要與其挾沙能力有關(guān)。根據(jù)泥沙運(yùn)動(dòng)力學(xué)[9]，水流挾沙能力與流速高次方成正比，與水深和懸沙沉速成反比。入江水道內(nèi)缺少系統(tǒng)的懸沙級(jí)配資料，但湖口水文站有長(zhǎng)系列懸沙級(jí)配觀測(cè)數(shù)據(jù)，表現(xiàn)為相對(duì)穩(wěn)定，因而入江水道泥沙級(jí)配可認(rèn)為相對(duì)穩(wěn)定，對(duì)挾沙能力的影響不大；且在分析月均斷面挾沙能力時(shí)，年際間月平均水深變化相對(duì)較小，因而本文以代表斷面平均流速反映挾沙能力?；?955—2020年實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，先逐年計(jì)算各月斷面平均水位和湖口順出流時(shí)平均流量、水量和沙量，再推求代表斷面各月平均流速和湖口順出流含沙量。點(diǎn)繪兩個(gè)代表斷面各月流速與順出湖含沙量關(guān)系如圖7所示。由圖可見(jiàn)，兩個(gè)斷面月流速與月順出湖含沙量都顯著線性相關(guān)，2#斷面的相關(guān)性較8#斷面更好些。圖7表明入江水道挾沙能力與出湖含沙量直接相關(guān)，因而也與出湖沙量直接相關(guān)。

圖7 代表斷面1955—2020年各月平均流速與湖口順出湖含沙量關(guān)系

3.3 五河入湖沙量減少對(duì)出湖沙量的影響在入江水道輸沙能力直接決定湖口出湖沙量的同時(shí)，五河入湖泥沙對(duì)出湖泥沙具有間接影響。根據(jù)河流演變學(xué)，由于鄱陽(yáng)湖泥沙主要來(lái)自五河，當(dāng)五河來(lái)沙發(fā)生變化時(shí)，鄱陽(yáng)湖包括入江水道會(huì)發(fā)生沖淤變化，調(diào)整水流挾沙力以適應(yīng)來(lái)沙。但由于鄱陽(yáng)湖及其入江水道湖容大，五河年沙量相對(duì)湖容很小，五河來(lái)沙變化自上游主湖區(qū)向下游入江水道傳播的過(guò)程中，對(duì)入江水道演變的影響是緩慢的。相反，由于五河水量相對(duì)于湖容很大，若五河徑流量發(fā)生年內(nèi)或年際變化，或湖口水位發(fā)生變化，對(duì)入江水道演變的影響則是直接的。為此，選擇五河入湖沙量最大的4—6月，對(duì)比1956年以來(lái)五河入湖沙量、湖口出湖沙量和2#斷面輸沙能力距平累積曲線，如圖8所示，其中斷面輸沙能力為流量乘以流速(流速代表挾沙能力，考慮了斷面面積變化)。

圖8 4—6月五河入湖沙量、湖口出湖沙量和2#斷面輸沙能力距平累積曲線對(duì)比

由可見(jiàn)，從出湖沙量變化趨勢(shì)看，總體各月出湖沙量與輸沙能力變化趨勢(shì)更為一致。入湖沙量最大的6月，五河入湖沙量從1985年開(kāi)始明顯減少，而出湖沙量從1971年左右即開(kāi)始明顯減少，與輸沙能力變化趨勢(shì)更為一致。

從變化量看，4月，1956—1984年平均入湖沙量為307萬(wàn)t，1985—2021年減為124萬(wàn)t，減幅為60%；同期出湖沙量由260萬(wàn)t減為149萬(wàn)t，減幅為43%；同期2#斷面輸沙能力減幅為22%。5月，1956—1984年平均入湖沙量為389萬(wàn)t，1985—2021年減為145萬(wàn)t，減幅為63%；同期出湖沙量由138萬(wàn)t減為80萬(wàn)t，減幅為42%，同期輸沙能力減幅為22%。6月，1956—1984年平均入湖沙量為468萬(wàn)t，1985—2021年減為252萬(wàn)t，減幅為46%；同期出湖沙量由96萬(wàn)t減為67萬(wàn)t，減幅為30%，同期輸沙能力減幅為15%?？梢?jiàn)，從1985年前后變化量看，各月出湖沙量減少量和減小比率都小于入湖沙量減少量和減小比率，都大于輸沙能力減小比率。

4 入江水道輸沙能力變化與沖刷調(diào)整

比較鄱陽(yáng)湖入江水道斷面4次觀測(cè)資料可知，1998年至2010年斷面基本都明顯擴(kuò)大[10-11]。2010年部分全斷面存在不規(guī)則顯著擴(kuò)大的斷面明顯是采砂作用，但大多數(shù)斷面表現(xiàn)為主槽光滑下切(如圖6所示)，有學(xué)者認(rèn)為是沖刷作用[11]，但沒(méi)有提出明確證據(jù)。下面通過(guò)分析1999年以來(lái)入江水道輸沙能力變化與沖刷調(diào)整關(guān)系，說(shuō)明主槽光滑下切斷面是沖刷和采砂共同影響的結(jié)果。

4.1 入江水道輸沙能力變化過(guò)程分析入江水道輸沙能力變化過(guò)程是為了說(shuō)明1998年至2010年期間入江水道斷面擴(kuò)大在時(shí)間上是否與輸沙能力變化相符。仍以2#斷面平均流速反映斷面輸沙能力，假定2#斷面1998年以來(lái)未發(fā)生變化的情況下，點(diǎn)繪1955年以來(lái)月流速距平累積曲線。結(jié)果表明，1990年代末以來(lái)，2—7月流速變化不顯著或趨勢(shì)性不明顯，8月至次年1月明顯增大，如圖9所示。因此，入江水道輸沙能力變化總體與1998年至2010年期間入江水道斷面擴(kuò)大時(shí)間上是相符的。

圖9 2#斷面月平均流速1955—2020年距平累積曲線

如表1所示，統(tǒng)計(jì)分析表明，引起1999—2010年8月至次年1月2#斷面流速明顯增大的主要原因分別為：8月是湖口水位下降和流量增大的共同作用，10月和11月主要是水位下降，9月、12月和1月主要是流量增大。湖口水位下降是長(zhǎng)江干流水位下降的結(jié)果[12]，湖口流量變化主要是入湖流量變化的影響[13]。

表1 1999—2010年與1955—1998年比湖口站月水位與流量變化統(tǒng)計(jì)

4.2 1999—2010年入江水道輸沙能力變化與出湖含沙量變化關(guān)系如果入江水道1998—2010年普遍沖刷下切與水流沖刷有關(guān)，期間入江水道輸沙能力變化與出湖含沙量變化應(yīng)存在相關(guān)關(guān)系。為此，按1955—1998年和1999—2010年分別統(tǒng)計(jì)計(jì)算各月代表斷面平均流速和平均順出湖含沙量(1999—2010年流速計(jì)算時(shí)考慮了斷面變化)。點(diǎn)繪1999—2010年與1955—1998年斷面流速之比和1999—2010年與1955—1998年順出湖含沙量之比之間的關(guān)系，如圖10所示。由圖可見(jiàn)，兩者總體呈正相關(guān)，2#斷面的相關(guān)性好于8#斷面。但含沙量增大比例總體都大于流速增大比例，其中10—12月增比最為顯著。

圖10 1999—2010年平均與1955—1998年平均月斷面流速比與月出湖含沙量比關(guān)系

圖11為1999—2010年各月平均流速與出湖含沙量關(guān)系與1955—1998年關(guān)系線對(duì)比，1999—2010年代表斷面流速計(jì)算一種是不考慮斷面變化，采用1998斷面，另一種是考慮斷面變化，采用1998、2010年斷面插值計(jì)算。由圖可見(jiàn)，1999—2010年出湖含沙量在不考慮斷面變化情況下總體都明顯低于1955—1998年關(guān)系線，考慮斷面變化情況下則2#斷面總體明顯高于1955—1998年關(guān)系線，8#斷面總體略高于1955—1998年關(guān)系線。圖11說(shuō)明1999—2010年出湖含沙量增加和斷面擴(kuò)大不完全是挾沙能力增大的結(jié)果，還受到了其它因素的明顯影響，應(yīng)該是河道采砂的影響。

4.3 2010年以來(lái)入江水道輸沙能力與出湖沙量關(guān)系斷面觀測(cè)資料表明，2010年以后入江水道斷面變化已顯著減緩，入江水道輸沙能力與出湖泥沙關(guān)系變化如何？為此，對(duì)2011—2020年計(jì)算統(tǒng)計(jì)各月代表斷面流速和順出湖含沙量，計(jì)算時(shí)各年斷面采用2010年、2015年和2020年斷面插值計(jì)算，比較2011—2020年平均與1955—1998年平均各月斷面流速與順出湖含沙量關(guān)系如圖12所示。2#斷面兩個(gè)時(shí)段的關(guān)系線基本重合，8#斷面2011—2020年關(guān)系線則明低于1955—1998年關(guān)系線，表明入江水道下段已趨于穩(wěn)定，上段可能還會(huì)有一定的沖刷調(diào)整。

圖12 2011—2020年平均與1955—1998年平均各月斷面流速與順出湖含沙量關(guān)系

5 結(jié)論

通過(guò)分析鄱陽(yáng)湖入江水道輸沙能力與出湖沙量關(guān)系及沖淤調(diào)整規(guī)律，得到如下主要結(jié)論：(1)鄱陽(yáng)湖月出湖沙量與五河月入湖沙量直接相關(guān)性差。10月至次年3月，湖口沙量總體都遠(yuǎn)大于入湖沙量，出湖泥沙主要由湖區(qū)沖刷而來(lái)；5—6月湖口沙量總體遠(yuǎn)小于入湖沙量，入湖泥沙在湖區(qū)大量淤積；7—9月，主要為長(zhǎng)江泥沙倒灌入湖。(2)鄱陽(yáng)湖出湖沙量與入江水道輸沙能力直接相關(guān)，入江水道代表斷面月流速與月出湖含沙量成良好的正比關(guān)系。由于五河年沙量相對(duì)鄱陽(yáng)湖湖容很小，五河來(lái)沙變化對(duì)入江水道演變的影響是緩慢的，而五河年徑流量及年內(nèi)分配變化或湖口水位變化直接影響入江水道輸沙能力與沖淤演變。(3)主要受湖口水位和流量變化影響，入江水道挾沙能力從1990年代末開(kāi)始增大。如果入江水道斷面不沖刷擴(kuò)大，1998—2010年出湖含沙量明顯小于挾沙能力，但考慮斷面實(shí)際擴(kuò)大程度后，出湖含沙量又明顯大于挾沙能力。因此，鄱陽(yáng)湖入江水道1998—2010年主槽普遍擴(kuò)大是水流沖刷與采砂共同影響的結(jié)果。(4)由于入江水道斷面擴(kuò)大，挾沙能力降低，入江水道下段2#斷面2011—2020年同流速下順出湖含沙量與1955—1998年關(guān)系線基本一致，而上段8#斷面則明顯低于1955—1998年關(guān)系性。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，近年來(lái)鄱陽(yáng)湖水文情勢(shì)發(fā)生顯著變化，極端枯水位屢創(chuàng)新低，剖析其變化原因是確定治理思路的需要[14]。本文針對(duì)自然和人為影響下江湖演變機(jī)制量化揭示的難點(diǎn)問(wèn)題[15]，闡明了鄱陽(yáng)湖入江水道輸沙能力與出湖沙量關(guān)系及沖淤調(diào)整規(guī)律，得到1999—2010年出湖含沙量增大和入湖水道斷面擴(kuò)大是沖刷和采砂共同影響的結(jié)果，入江水道下段已趨于穩(wěn)定，上段仍可能會(huì)有一定沖刷調(diào)整，引起湖區(qū)枯水位繼續(xù)有所下降，對(duì)生態(tài)環(huán)境等影響需密切關(guān)注。