长江中下游江湖水交换规律研究

【摘要】：河湖关系的研究是当今社会和科学界普遍关注与研究的热点问题之一。科学地认识、正确地处理河湖关系,是维护健康河流、构建和谐人水关系以及人地关系的重点和关键。河湖水沙交换问题是河湖关系的核心问题,是河湖关系演变的纽带。河湖水沙变化和交换是河湖关系演变的驱动力之一。而河湖水交换则是水沙交换的核心和载体,水多则沙多,无水则无沙,因此,河湖水交换问题的研究是澄清河湖水沙交换问题乃至河湖关系的前提和基础。 我国长江中下游的洞庭湖和鄱阳湖与长江干流河湖关系问题成为当前正确处理长江中下游人水关系乃至人地关系的焦点问题。自2005年4月首届长江论坛在武汉成功举办以来,《保护与发展长江宣言》得到社会各界的热烈响应,“维护健康长江、促进入水和谐”的新时期治江思路正在积极实践。毫无疑问,三峡工程建成后,在防洪、错峰等方面成效显著,尤其是2010年汛期三峡成功经历了接近1998年洪峰流量的考验、能有效控制长江上游的洪水,大量减少荆江、洞庭湖的洪水威胁。当前,需要改变治水理念,探索湖区人水和谐相处的可能途径,处理好长江中下游江湖关系,使长江中下游江湖水系肌体的调蓄功能得以充分发挥,维护健康长江、健康湖泊和健康河口。 本论文运用普通水文学、工程水文学、随机水文学和水资源科学等的基本理论,采用多种时间序列统计分析方法、Mann-Kendall趋势和突变检验法、小波分析(Wavelet analysis)法,等定性与定量分析相结合,借助计算机技术,统计分析软件SPSS,科学计算软件Matlab等,利用ArcGIS、MapINFO和CoreIDRAWX3等地理信息系统软件和做图软件,在对长江中下游通江湖泊与干流水交换分析的基础上,得到洞庭湖和鄱阳湖与长江水交换的规律,推导出普适性的河湖水交换强度的量化公式,并在洞庭湖和鄱阳湖与长江干流水交换研究上取得成功,论文重点分析了三峡水库运行前后长江干流与两湖的水交换及其变化,并分析了特殊水文年份江湖水交换过程,以期探讨江湖水交换理论、以及合理开发利用水资源、并为维护长江中下游健康的江湖关系乃至健康的河口提供科学参考与建议。 一、三峡水库对长江干流径流变化影响 三峡水库运行以后,长江干流枯季径流年内所占比例增大,汛期末端月10月径流所占比例却减少,且宜昌站表现最突出。说明三峡水库运行后长江干流径流特征发生了变化,三峡水库运行加剧了长江中下游汛期径流减少的趋势,加大了枯季径流增加的趋势；并且,2002年干流径流序列存在跳跃点与2003年三峡水库蓄水有关。可见,三峡水库运行改变了坝下游径流的年内分配,使年内分配差值减小。 二、三峡水库运行前后江湖水交换规律 1洞庭湖与长江干流水交换。三峡水库运行之后2003-2009年与1998-2002年相比三口分流量之和减小了220×10~8m~3。2003-2009年9-10月份三口流量之和比蓄水前减少了870m~3/s,减少幅度为38.9%。2003-2009年宜昌站流量50000m~3/s和30000m~3/s时,三口分流比较1998-2002年略增；10000m~3/s时,三口分流比较1998-2002年减少。2003-2009年与以前时段相比,城陵矶(七)站出湖流量在宜昌站高流量时受干流顶托作用更明显,在中、低流量时,与2000-2002年相比城陵矶流量变化不大。 2鄱阳湖与长江干流水交换规律。湖口站多年平均径流量在三峡水库运行前后变化不明显。可是径流的年内分配在2000s与以前相比枯季所占比例增加,水库蓄水月9和10月份径流年内分配比例较1990s有所增加。2010年9月和10月湖口径流量增加,是由于长江干流流量小、水位低,对湖口顶托作用减少而引起的。2010年鄱阳湖与长江干流水交换系数I_p=0.21,且该年长江干流没有发生江水倒灌现象,长江对鄱阳湖顶托作用小,同样说明了这一点。 长江水倒灌鄱阳湖现象,年代际间倒灌规律发生了变化,2000s与同样枯水年组1980s和1960s相比,江水倒灌年数、总天数和总水量都减少。 三、不同径流频率条件下江湖水交换计算成果 1利用水量平衡原理计算了不同频率组合下长江干流与洞庭湖水交换量。当长江干流径流频率为5%的丰水年,恰遇四水也是5%的丰水年时,则洞庭湖可以分洪658×10~8m~3,同年补给长江干流水量为3191×10~8m~3；三口和四水都是50%的平水年时,洞庭湖分长江干流水量为545×10~8m~3,同年补给长江干流2403×10~8m~3水量；当三口和四水都是95%的特大干旱年时,洞庭湖只能补给长江1873×10~8m~3的水量。 2利用水量平衡原理计算了不同条件下长江干流与鄱阳湖水交换量。频率为5%、50%、75%和95%时,湖口年径流量分别为2300×10~8m~3、1440×10~8m~3、1175×10~8m~3和930×10~8m~3。 四、特殊水文年份江湖水交换过程 1典型枯水年江湖水交换 (1)1978年洞庭湖和鄱阳湖与长江干流水交换系数分别为0.57和0.56,洞庭湖和鄱阳湖与长江水交换作用处于稳定状态,该年发生了长江水倒灌入鄱阳湖的现象。2006年洞庭湖和鄱阳湖与长江干流水交换系数分别为0.89和0.51,前者是湖对长江强补给状态,后者是江湖作用接近稳定状态。 (2)2006年三峡水库运行使长江中下游干流径流全年分配趋于均匀。特别是增大了枯季径流量,使河槽水位上升,影响了江湖水交换的过程,使长江下游出现枯季不枯的好现象。 (3)1978年和2006年都是长江流域典型枯水年,中游通江湖泊对干流补水作用更明显,尤其是2006年鄱阳湖干流补给水量为1564×10~8m~3,超过了平水年。 2典型丰水年江湖水交换 (1)1954年洞庭湖和鄱阳湖与长江干流水交换系数分别为0.35和0.34,洞庭湖和鄱阳湖与干流水交换作用较强,发挥了湖泊的分洪调蓄作用。1998年洞庭湖和鄱阳湖与长江水交换系数分别为0.46和0.39,洞庭湖与干流水交换强度接近多年平均水平,主要作用是分洪,但没有1954年分洪作用大；鄱阳湖对长江的分洪作用较强,但也没有1954年分洪作用大。 (2)洞庭湖和鄱阳湖1954年补给长江水量为分别为5248x10~8m~3和2481×10~8m~3,分别约占同期大通径流量的38.6%和19.0%；1998年补给长江水量分别为3994x10~8m~3和2650×10~8m~3,分别约占同期大通径流量的32.1%和21.3%。 3无论丰水年还是枯水年洞庭湖和鄱阳湖对长江的调蓄作用都是非常重要的。丰水年,两湖对长江干流起到分洪、消峰等作用,减轻下游洪水压力；枯水年,两湖对长江干流主要是水量补充作用,使得下游河道保持一定的流量。 五、江湖水交换量化研究成果 用河湖水交换系数来表示河湖水交换强度,并推导出了普适性的河湖水交换系数的量化计算公式((?)),在洞庭湖、鄱阳湖与长江干流水交换研究中推导出其江湖水交换系数计算公式((?)和((?)),并取得成功。两湖与长江干流水交换量化研究结果表明,历年的江湖水交换系数能够反映两湖与长江干流水交换的真实情况。此公式具有应用价值。