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长江中下游江湖水沙交换研究

张雨宁  
【摘要】:河流与湖泊之间的水沙交换过程是河湖动力地貌演变的关键环节。长江中下游湖泊密布,水沙资源丰富,近年来,受人类活动与气候变化影响,水文情势发生很大变化。研究江湖水沙交换,包括湖泊对长江干流水沙调蓄作用,是认识流域水库工程影响,保障水资源与航运资源安全和保护生态环境的重要基础。本研究基于长历时实测水文数据,首先,系统分析长江中下游江湖水沙格局的年际和季节变化,通过引入水沙交换系数、两湖分流分沙比、水沙贡献比等指标定量揭示洞庭湖和鄱阳湖与长江水沙交换关系的不同步变化过程;其次,从量化和机理层面研究长江上游水库群和江湖局地工程(包括湖泊支流水库群、采砂工程、河道整治工程等)对江湖水沙交换的影响;最后,分析长江和两湖出入湖悬沙粒度的时空变化,探讨江湖水沙交换变化引起的环境效应。主要认识如下:(1)1960~2019年,洞庭湖和鄱阳湖与长江水沙交换的年际变化不同步,两湖对长江贡献径流和泥沙的季节规律相似,但变化趋势相反。年际变化上,上世纪八九十年代洞庭湖和鄱阳湖先后呈现径流出湖作用显著增强态势,洞庭湖净出湖径流量从1960~1986年的189亿方/年增至1987~2019年的205亿方/年,鄱阳湖净出湖径流量从1960~1991年的140亿方/年增至1992~2019年的162亿方/年;九十年代末,鄱阳湖泥沙出湖作用显著增强,净出湖沙量从1960~1996年的926万吨/年增至1997~2019年的1075万吨/年,洞庭湖则从1960~2004年的净入湖7000万吨/年转变为2005~2019年的净出湖1100万吨/年。两湖泥沙出湖作用达到高值后,不是持续增强,而是均有所回落。季节变化上,洞庭湖和鄱阳湖对长江水量贡献在1~6月较大,期间两湖出湖径流量分别为199和145亿方/月,约占同期大通径流量的31%和23%;两湖对长江沙量贡献在1~4月和11~12月较大,期间两湖出湖输沙量分别为144和116万吨/月,约占同期大通径流量的31%和25%。2003~2019年,10~12月,两湖水量贡献呈增大趋势;1~4月和11~12月,洞庭湖沙量贡献呈增大趋势而鄱阳湖沙量贡献呈减小趋势。(2)长江上游干流水库群是两湖能维持较强水沙出湖作用的主要因素;河道治理、采砂等江湖局地工程,是江湖水沙关系变化的推动因素;过度采砂和湖泊支流水库群拦沙限制水沙出湖作用的持续增强。2003年后,荆江三口入洞庭湖的沙量与宜昌输沙量的相关性明显比1960~2002年更强。上游干流水库群一方面通过改变下泄水沙通量进而影响入湖通量大小和季节分布,另一方面通过引起河床侵蚀加剧,改变出入湖通道水面比降。2000年前,荆江裁弯短期内改变了江湖通道与河道的角度,长期则缩短河道加大干流流量,叠加河道采砂活动,促使干流河床下切,改变出入湖通道水面比降。2000年后,采砂转移到湖泊,导致更多泥沙悬扬且随水流出湖,推动洞庭湖沙量从“净入湖”向“净出湖”的转变和鄱阳湖出湖沙量的增加。近十年,两湖支流来水来沙占入湖总量的比例逐渐增大,目前已成为主要水沙来源,但由于湖泊支流水库群的建设,洞庭湖和鄱阳湖支流入湖沙量相较于上世纪六七十年代分别减少了71%和50%,两湖出湖泥沙因此会相应减少。(3)长江中下游干流悬沙的粗化主要体现在砂含量的增大;枯季两湖对干流的细颗粒泥沙补充能适度缓解干流悬沙粗化;目前,两湖出湖悬沙逐渐粗化。1987~2019年,长江干流悬沙呈现上游细化、中下游粗化的变化趋势。中下游的宜昌、九江和徐六泾悬沙中,砂的含量均从2012年的几乎为0逐渐增至2018年的10%。由于洞庭湖和鄱阳湖对长江供沙比例增加,且沙量贡献在枯季较大,九江和徐六泾的悬沙在洪季(5~10月)10~100μm的悬沙体积百分含量相比枯季增加更显著,粒度的季节差异增大。但是,城陵矶悬沙中值粒径从2003年的3μm逐渐增至2019年的11μm,湖口悬沙中值粒径从2006年的2μm逐渐增至2019年的11μm。两湖对长江干流细颗粒泥沙的补充能力有所下降。


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