鄱陽湖水利樞紐工程對鄱陽湖水文水動(dòng)力影響的模擬*

賴格英，王 鵬，黃小蘭，熊家慶，劉 影，曾峰海

(1：江西師范大學(xué)鄱陽湖濕地與流域研究教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南昌 330022)(2：江西師范大學(xué)地理與環(huán)境學(xué)院，南昌 330022)

鄱陽湖水利樞紐工程對鄱陽湖水文水動(dòng)力影響的模擬*

賴格英1，2，王 鵬1，2，黃小蘭1，2，熊家慶2，劉 影1，2，曾峰海1，2

(1：江西師范大學(xué)鄱陽湖濕地與流域研究教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南昌 330022)(2：江西師范大學(xué)地理與環(huán)境學(xué)院，南昌 330022)

水流情勢變化是河湖生態(tài)系統(tǒng)演變最主要的驅(qū)動(dòng)力，擬建的鄱陽湖水利樞紐工程對鄱陽湖水文水動(dòng)力會(huì)產(chǎn)生何種影響是一個(gè)值得深入研究的問題.本研究基于EFDC模型構(gòu)建了鄱陽湖水動(dòng)力的二維模型，并按照規(guī)劃中的鄱陽湖水利樞紐工程調(diào)度方案，通過豐平枯典型年份的情景模擬，探討了鄱陽湖水利樞紐工程運(yùn)行調(diào)度方案對湖泊水文水動(dòng)力的可能影響.模擬結(jié)果表明：不同情景年型鄱陽湖水利樞紐工程低枯水位生態(tài)調(diào)節(jié)期(12月1日至3月底4月初)中11m控制水位對該時(shí)期湖泊平均水位的抬升程度明顯，2010年(豐水年)11m控制水位對枯水期湖泊平均水位的最大抬升為2.59m，2000年(平水年)枯水期湖泊的平均水位最大抬升為2.68m，而2004年(枯水年)枯水期湖泊的平均水位最大抬升為4.35m.枯水期水位的抬升，使不同年型不同湖區(qū)的枯水期平均流速、最大流速和最小流速都有不同程度的減小，其中以入江河道為最，2000年和2010年枯水期平均流速降幅在44%以上，2004年(枯水年)枯水期的平均降速范圍在50%以上，而對兩大保護(hù)區(qū)的影響則較小.對流場格局的影響方面，主要表現(xiàn)在有樞紐時(shí)由于低枯水期的11m水位控制，棠蔭以北尤其是入江河道的流場與無樞紐時(shí)的流場表現(xiàn)出明顯的不同；棠蔭以南的湖區(qū)，當(dāng)贛江中支和贛江南支的來水較大時(shí)，在棠蔭附近及松門山以南的湖區(qū)會(huì)呈現(xiàn)出較大的水面.同時(shí)由于枯水期的水位抬升和流速減小，水利樞紐工程對湖泊換水周期的作用明顯，不同年型的換水周期都受到不同程度的影響，2004年樞紐控水過程使控水期間的平均換水周期增加了5.6d，影響程度達(dá)26.1%；模型模擬結(jié)果可以揭示在目前調(diào)度方案下，水利樞紐工程對鄱陽湖水文水動(dòng)力的影響程度，為進(jìn)一步定量分析鄱陽湖水利樞紐工程對湖泊水質(zhì)和生態(tài)系統(tǒng)演化及其可能造成的影響提供必要的基礎(chǔ)支撐.

鄱陽湖；水利樞紐工程；EFDC模型；水文水動(dòng)力；數(shù)值模擬

鄱陽湖是我國最大的淡水湖，是長江水系中的兩大通江湖泊之一，具有調(diào)蓄洪水和保護(hù)生物多樣性等特殊生態(tài)功能，對維系區(qū)域和國家生態(tài)安全具有重要作用.鄱陽湖高動(dòng)態(tài)的水位特征，形成了獨(dú)特的湖泊濕地景觀和生態(tài)格局[1].然而，自2003年以來受鄱陽湖水系入湖徑流量減少以及長江水資源形勢變化等多種因素影響，鄱陽湖枯水期出現(xiàn)了時(shí)間提前、水位偏低、持續(xù)時(shí)間延長等現(xiàn)象，引起國內(nèi)學(xué)者和有關(guān)政府部門的高度關(guān)注.建設(shè)鄱陽湖水利樞紐工程的構(gòu)想再次進(jìn)入人們的視野.上升為國家戰(zhàn)略的鄱陽湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)建設(shè)，推動(dòng)了地方政府對這一工程的規(guī)劃實(shí)施和進(jìn)一步深化，并基于生態(tài)角度提出了“控枯不控洪，動(dòng)態(tài)調(diào)整”的新設(shè)計(jì)方案與運(yùn)行思路，國內(nèi)專家與學(xué)者也從江湖關(guān)系、生態(tài)環(huán)境與經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益等方面進(jìn)行了大量研究和論證[2-4]，但仍引發(fā)了眾多爭鳴[5].

湖泊是水系的重要組成部分，由江湖水系所支撐的江湖生態(tài)系統(tǒng)是地表最富生產(chǎn)力和生物多樣性的生態(tài)系統(tǒng)類型之一，也是陸地生態(tài)系統(tǒng)中物質(zhì)循環(huán)和生命支持的動(dòng)脈.水利樞紐工程作為人類社會(huì)的重要基礎(chǔ)設(shè)施之一，不僅具有“調(diào)節(jié)豐枯、抵御洪澇”的生態(tài)服務(wù)功能，而且還有促進(jìn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要社會(huì)功能.然而，構(gòu)建在自然江湖水系中的水利樞紐工程必然會(huì)造成江湖生態(tài)系統(tǒng)連續(xù)性和流動(dòng)性的破壞，從而導(dǎo)致水流情勢的變化，引發(fā)不同的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)[6-8].水量與水動(dòng)力是河湖生態(tài)系統(tǒng)的重要基礎(chǔ)變量，水流情勢變化是河湖生態(tài)系統(tǒng)演變最主要的驅(qū)動(dòng)力[9].因此，湖泊水量與水動(dòng)力及其對營養(yǎng)鹽循環(huán)和生物生長及優(yōu)勢種群演替的影響是淺水湖泊現(xiàn)代過程研究的核心內(nèi)容之一[10].而水動(dòng)力模型是定量分析水流情勢變化的重要而有效工具[11]，它可以在短時(shí)間內(nèi)模擬單變量或多變量組合對河湖系統(tǒng)水流情勢變化的影響.因此，應(yīng)用具有物理意義的水動(dòng)力學(xué)模型，通過單變量或多變量組合的敏感性模擬和情景模擬，開展水利樞紐工程對河湖系統(tǒng)水文水動(dòng)力的影響研究，是人類定量理解和認(rèn)識(shí)湖泊演變的人文作用機(jī)理、江湖關(guān)系改變及其生態(tài)環(huán)境效應(yīng)的有效方法，也是人類進(jìn)一步認(rèn)識(shí)與評(píng)估水利樞紐工程對水生態(tài)環(huán)境的影響及調(diào)控、江湖關(guān)系優(yōu)化調(diào)整的重要基礎(chǔ).

近年來隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、計(jì)算流體力學(xué)、數(shù)值計(jì)算和GIS技術(shù)等方面的快速發(fā)展，國際上開發(fā)了大量有影響的水動(dòng)力模型，如EFDC、MIKE、SMS、Delft3d、ANUGA、CCHE等[12].國內(nèi)外學(xué)者利用這些具有動(dòng)力機(jī)制的模型，在數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上，開展了對河、庫、湖和河口海岸等水體的水動(dòng)力、富營養(yǎng)化、生態(tài)修復(fù)和重大水利工程影響分析等眾多領(lǐng)域的大量研究. Obeysekera、Onnish及Endon等[11，13-14]通過湖泊水動(dòng)力模型，進(jìn)行了湖泊開發(fā)利用和修復(fù)保護(hù)等有關(guān)水動(dòng)力學(xué)方面的模擬；Ferrari等應(yīng)用三維水動(dòng)力數(shù)值模擬，研究水庫潰壩過程中不同點(diǎn)位壓力場的溫度變化、水深和鉛垂速度分布[15]；我國學(xué)者利用水動(dòng)力模型或耦合的生態(tài)動(dòng)力學(xué)模型，在重大水利工程對庫湖水動(dòng)力和水環(huán)境的影響方面已進(jìn)行一定探討，如陳江應(yīng)用二維水動(dòng)力模型，對長江水源地現(xiàn)狀及假設(shè)淤積狀態(tài)下的流場進(jìn)行了情景模擬，探討了引江濟(jì)太對水源地安全的影響[16]；李云良等[17-18]以鄱陽湖湖泊流域系統(tǒng)為研究對象，構(gòu)建了鄱陽湖湖泊流域聯(lián)合模擬模型.該模型基于自主研發(fā)的流域分布式水文模型WATLAC和湖濱平原區(qū)產(chǎn)流模型以及水動(dòng)力模型MIKE21等3個(gè)不同功能子模型的連接來實(shí)現(xiàn)該復(fù)雜系統(tǒng)的模擬，利用構(gòu)建的模型模擬了湖泊水位對流域入湖徑流量的響應(yīng).在三峽工程方面，國內(nèi)學(xué)者馬超、陳棟和辛小康等利用MIKE、CE-QUAL-W2、ECOMSED等模型分別進(jìn)行了不同維數(shù)的模擬研究，探討了三峽水庫日調(diào)節(jié)調(diào)度方案、運(yùn)行方式、不同水位蓄放方式的水動(dòng)力和水質(zhì)效應(yīng)及對支流水動(dòng)力與水質(zhì)的影響及其效果[4，19-20].

雖然擬建的鄱陽湖水利樞紐工程在學(xué)術(shù)界引起了較多爭論，許多學(xué)者也開展了這方面的研究，但目前的研究多局限在定性方面[2-3]，雖有學(xué)者利用具有動(dòng)力機(jī)制的模型開展了這方面的研究，如胡春華等應(yīng)用EFDC建立了鄱陽湖二維的水動(dòng)力和水質(zhì)模型，進(jìn)行鄱陽湖水利樞紐工程對主湖區(qū)氮、磷營養(yǎng)鹽的影響模擬[21]；杜彥良等[22]采用水深平均的二維水動(dòng)力-水質(zhì)模型，在相同入流邊界和現(xiàn)狀污染負(fù)荷條件下，通過鄱陽湖有樞紐和無樞紐的情景模擬，研究水動(dòng)力和水質(zhì)狀態(tài)差異，結(jié)果表明：枯水期大部分區(qū)域的水質(zhì)濃度下降，但尾閭等部分區(qū)域有所升高，開閘泄水期前后，水質(zhì)較現(xiàn)狀水質(zhì)下降，敞泄期的大部分時(shí)間，較現(xiàn)狀水質(zhì)基本相似，蓄水期水質(zhì)變化不大；余啟輝等[23]在充分考慮鄱陽湖與長江之間的相互作用、湖區(qū)區(qū)間匯流對水動(dòng)力的作用以及湖區(qū)復(fù)雜的河湖交替形態(tài)的條件下，采用江湖連通一、二維耦合水文-水動(dòng)力模型，研究了鄱陽湖水利樞紐調(diào)度對湖區(qū)枯期水位與流速的影響.但這些研究對于建設(shè)一個(gè)具有重大影響的水利樞紐工程來說，深度和廣度仍顯不足.

針對擬建的鄱陽湖水利樞紐工程，在EFDC模型基礎(chǔ)上，建立了二維的湖泊水動(dòng)力模擬模型，通過對典型年份的情景模擬，探討擬建的水利樞紐工程對鄱陽湖水文水動(dòng)力的影響.作為研究的一部分，文獻(xiàn)[24]主要探討了鄱陽湖水利樞紐工程運(yùn)行對主湖區(qū)及鄱陽湖兩大自然保護(hù)區(qū)水位變化的時(shí)間節(jié)律影響.本文在文獻(xiàn)[24]的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步探討不同情景年型中鄱陽湖水利樞紐工程調(diào)度方案的低枯水期11m最低控制水位對主湖區(qū)不同空間位置水位的抬升程度，并進(jìn)而分析鄱陽湖水利樞紐工程對湖泊流場和湖泊換水周期的可能影響，為定量分析鄱陽湖水利樞紐工程對湖泊水質(zhì)和生態(tài)系統(tǒng)演化造成的可能影響提供必要的基礎(chǔ)支撐.

1 鄱陽湖水利樞紐工程設(shè)計(jì)及調(diào)度方案概況

擬建的鄱陽湖水利樞紐工程壩址選定于鄱陽湖入江水道(29°32′N，116°07′E)，介于廬山區(qū)長嶺與湖口縣屏峰山之間，兩山之間湖面寬約2.8km，為鄱陽湖入長江通道最窄之處.該處上距星子縣城約12km，下至長江匯合口約27km.規(guī)劃中的鄱陽湖水利樞紐工程以“一湖清水”為建設(shè)目標(biāo)，堅(jiān)持“江湖兩利”的原則，按“調(diào)枯不控洪”方式運(yùn)行，按生態(tài)保護(hù)和綜合利用要求控制相對穩(wěn)定的鄱陽湖枯水位，提高鄱陽湖枯水季節(jié)水環(huán)境容量，達(dá)到保護(hù)水生態(tài)環(huán)境、根本解決湖區(qū)干旱及生態(tài)缺水問題、改善濕地環(huán)境、消滅釘螺、提高航道等級(jí)、發(fā)展湖區(qū)旅游及漁業(yè)等方面的綜合效益.鄱陽湖水利樞紐工程調(diào)度規(guī)劃方案見表1.

表1 鄱陽湖水利樞紐工程規(guī)劃調(diào)度方案*

*資料為2012年6月項(xiàng)目組調(diào)研時(shí)由江西省水利廳提供；水位為黃海高程，下同.

2 研究方法

鄱陽湖二維水動(dòng)力模型以EFDC(Environmental Fluid Dynamics Code， EFDC)模型為基礎(chǔ)水動(dòng)力模型.EFDC是由威廉瑪麗大學(xué)維吉尼亞海洋科學(xué)研究所(Virginia Institute of Marine Science at the College of William and Mary，VIMS)John Hamrick等開發(fā)的綜合模型，可實(shí)現(xiàn)河流、湖泊、水庫、濕地系統(tǒng)、河口和海洋等水體的一維至三維水動(dòng)力、泥沙淤積與水質(zhì)模擬.該模型在水平方向采用直角坐標(biāo)或正交曲線坐標(biāo)，垂直方向采用σ坐標(biāo).動(dòng)力學(xué)方程采用有限差分法求解，水平方向采用交錯(cuò)網(wǎng)格離散，時(shí)間積分采用二階精度的有限差分法以及內(nèi)外模式分裂技術(shù)(即采用剪切應(yīng)力或斜壓力的內(nèi)部模塊和自由表面重力波或正壓力的外模塊分開計(jì)算).外模塊采用半隱式計(jì)算方法，允許較大的時(shí)間步長，且可采用自適應(yīng)時(shí)間步長模式.內(nèi)模塊采用了垂直擴(kuò)散的隱式格式，期間水陸漫灘帶區(qū)域采用干濕格網(wǎng)技術(shù).此外，該模型由Fortran語言開發(fā)而成，源代碼開放，易于根據(jù)不同的應(yīng)用目標(biāo)進(jìn)行適當(dāng)?shù)男薷模休^大的適用性.EFDC模型是美國環(huán)保署(US EPA)首推的水動(dòng)力模型，目前在國際上有大量的應(yīng)用[25-26].

2.1 EFDC水動(dòng)力模型的控制方程

2.1.1 動(dòng)量方程、連續(xù)方程和狀態(tài)方程 EFDC模型的動(dòng)力學(xué)方程是基于三維不可壓縮的、變密度紊流邊界層方程組，為了便于處理由于密度差而引起的浮升力項(xiàng)，采用Boussinesq假設(shè).在水平方向上采用曲線正交坐標(biāo)變換和在垂直方向上采用σ坐標(biāo)變換：

(1)

式中，(x*，y*，z*)為任意點(diǎn)P的直角坐標(biāo)，(x，y，z)為P點(diǎn)的正交曲線σ坐標(biāo)，ξ為水位，h為湖底高程，H為水深.坐標(biāo)經(jīng)過這兩種變換后的動(dòng)量方程和連續(xù)方程如下：

動(dòng)量方程為：

(2)

(3)

(4)

連續(xù)方程為：

(5)

(6)

ρ=ρ(p，S，T)

(7)

式中，u、v、w分別為邊界擬合正交曲線坐標(biāo)x、y和z方向上的水平速度分量，mx和my為水平坐標(biāo)變換尺度因子，m=mxmy是度量張量行列式的平方根，Av為垂向紊動(dòng)粘滯系數(shù)，Ab垂向紊動(dòng)擴(kuò)散系數(shù)，f為科里奧利系數(shù)，p為壓力，ρ為混合密度，ρ0為參考密度，S為鹽度，T為溫度，Qu和Qv為動(dòng)量的源匯項(xiàng).

2.1.2 邊界條件和初始條件 自由水表面動(dòng)力學(xué)邊界條件為：

w(x，y，1，t)=0

(8)

(9)

水底動(dòng)力學(xué)邊界條件為：

w(x，y，0，t)=0

(10)

(11)

式中，τbx和τby分別為風(fēng)應(yīng)力τb在x和y方向上的分量.

湖岸邊界條件為：

uboundary(x，y，z，t)=0

(12)

(13)

入口和出口的邊界條件分別為：

uin(x，y，z，t)=0；vin(x，y，z，t)=ψ1(t)；uout(x，y，z，t)=0；vout(x，y，z，t)=ψ2(t)；w(x，y，z，t)=0

(14)

式中，ψ1(t)和ψ2(t)分別為入口和出口的流量函數(shù).

模型的初始條件為：

u(x，y，z，0)=0；v(x，y，z，0)=0；w(x，y，z，0)=0；ξ(x，y，0)=C

(15)

式中，C為常數(shù).

2.2 鄱陽湖二維水動(dòng)力模型的構(gòu)建

以1998年鄱陽湖洪水期間的遙感影像為參照，結(jié)合鄱陽湖圩堤GIS數(shù)據(jù)，對圩堤外與湖區(qū)水體不能自由流通的水體予以排除，以此來確定鄱陽湖的最大水面范圍和模型的計(jì)算域.并在此基礎(chǔ)上，采用正交曲線格網(wǎng)對模型的鄱陽湖計(jì)算域進(jìn)行格網(wǎng)化；格網(wǎng)總數(shù)為96004，格網(wǎng)分辨率參數(shù)介于178～205m之間，格網(wǎng)的正交性參數(shù)小于0.2(圖1a、b).由于格網(wǎng)為非正方形格網(wǎng)，其長寬不等，故格網(wǎng)分辨率參數(shù)是用每個(gè)格網(wǎng)面積的平方根來表示的.在構(gòu)建計(jì)算格網(wǎng)時(shí)，在一定程度上考慮了湖盆地形的高程變差，從圖1b可以看出，在湖泊北部和東部，由于高程變差較大，因而采用較小的格網(wǎng)來反映地形高程變差，而在高程變差小的湖泊漫灘部分(湖泊中部)采用了較大的格網(wǎng)，以控制格網(wǎng)總數(shù)，減小計(jì)算耗時(shí).

圖1 鄱陽湖水動(dòng)力模型的格網(wǎng)正交性(a)和分辨率(b)參數(shù)，入湖與出湖的控制站點(diǎn)和驗(yàn)證站點(diǎn)位置(c)Fig.1 Parameters of grid orthogonality(a)and resolution(b) of Lake Poyang hydrodynamic modeling， positions of control cross section for lake inlets/outlet and verification points(c)

鄱陽湖水底地形采用1998年實(shí)測的數(shù)據(jù)，比例尺為1∶2.5萬，由長江水利委員會(huì)提供.模型的上邊界為鄱陽湖虬津、萬家埠、外洲、李家渡、梅港、虎山、渡峰坑等“五河七口”的逐日實(shí)測流量數(shù)據(jù)(m3/s)，下邊界為湖口的逐日實(shí)測水位數(shù)據(jù)(m，黃海高程)，為了進(jìn)行鄱陽湖水利樞紐工程的情景模擬，在水利樞紐工程位址處設(shè)置了一個(gè)下邊界(圖1c)，其邊界條件為水位強(qiáng)迫，水位數(shù)據(jù)由無樞紐模擬時(shí)在工程位址處獲取，具體見情景模擬方案部分.

2.3 模型的率定與驗(yàn)證

由于模擬比較耗費(fèi)時(shí)間，所以模型的參數(shù)率定時(shí)期選取了1999年11月1日-2000年7月31日間的9個(gè)月，該時(shí)段包含了鄱陽湖的豐水期和枯水期，這有利于提高參數(shù)率定過程中模型對高水位和低水位的模擬效果及模型參數(shù)率定的效率.模型的驗(yàn)證時(shí)期選2000年8月1日-2001年7月31日，這個(gè)時(shí)段包括了一個(gè)完整水文年.模型驗(yàn)證分別選取鄱陽湖南北方向不同部位的星子、都昌、棠蔭和康山4個(gè)站點(diǎn)的實(shí)測水位與模擬水位來進(jìn)行.圖2繪制了模型參數(shù)率定以后模擬的1999年11月1日—2001年7月31日4個(gè)驗(yàn)證站點(diǎn)的實(shí)測水位與模擬水位對照圖，表2給出了其間的平均絕對誤差、平均相對誤差、RMS誤差和Nash-Stucliffe效率系數(shù)[27]，各誤差參數(shù)由EFDC模型提供的EFDC-Explorer程序自動(dòng)計(jì)算得出.

4個(gè)驗(yàn)證點(diǎn)的平均誤差在0.160～0.351m之間，相對誤差在1.523%～2.792%之間，RMS誤差在0.229～0.459之間，Nash-Stucliffe效率系數(shù)在0.852～0.988之間(圖2、表2).其中星子、都昌、棠蔭3個(gè)驗(yàn)證點(diǎn)的誤差比較接近，康山誤差相對較大，究其原因，應(yīng)與康山的水底地形及計(jì)算格網(wǎng)的相對大小有關(guān)，康山水底比其它驗(yàn)證點(diǎn)的地形復(fù)雜，表現(xiàn)在高程上即其變率較大(圖1c)，而模型的計(jì)算格網(wǎng)大小在康山位置上卻較其它驗(yàn)證位置上的格網(wǎng)分辨率大(圖1b)，這就造成了計(jì)算格網(wǎng)的分辨率沒有很好地反映實(shí)際地形的高程變率.此外，圖2康山水位驗(yàn)證中在1999年11月1日到2000年3月1日、2000年12月1日到2001年3月1日實(shí)測值呈波動(dòng)狀而模擬值基本不變，這可能與插值后地形被拉平有關(guān).這兩方面因素綜合作用造成了康山驗(yàn)證點(diǎn)實(shí)測值與模擬值之間較大的誤差.

圖2 參數(shù)率定和模型驗(yàn)證的逐日水位實(shí)測值與模擬值Fig.2 Observed and simulated daily water levels for parameter calibration and model validation

表2 模型驗(yàn)證的誤差分析表

為了更好地驗(yàn)證模擬結(jié)果的可靠性，尤其是驗(yàn)證模擬的湖泊水面與實(shí)際湖泊水面的對應(yīng)情況，圖3呈示了枯水期(1999年12月10日)和豐水期(2005年9月29日)模擬的湖泊水面(圖3a、c)與遙感影像中的湖泊水面(圖3b、d)對照.由于模擬過程中干濕判斷參數(shù)網(wǎng)格為干的水深為0.16m，圖3a和3c圖例中的第一等級(jí)水深為0～0.16m，因此，兩圖的模擬水面實(shí)際上是水深0.17m以上的水深分布區(qū)域.對照圖3a、b和圖3c、d可以看出，模擬水面與實(shí)際水面有較好的對應(yīng)關(guān)系.

圖3 模擬的湖泊水面與遙感影像中的水面對照(a、b分別為1999年12月10日的模擬水面和遙感水面，c、d分別為2005年9月29日的模擬水面和遙感水面)Fig.3 Comparison of simulated water surface with images of remote sensing(a，b represent simulated water surface and remote sensing image in December 10th， 1999， respectively； c，d represent simulated water surface and remote sensing image in September 29th， 2005， respectively)

2.4 情景模擬方案

依據(jù)鄱陽湖水利樞紐工程的調(diào)度方案，本文根據(jù)項(xiàng)目組長江水利委員會(huì)參加單位對長江中下游“豐、平、枯”水文年型的研究界定，選擇2000年作為平水年、2004年作為枯水年、2010年作為豐水年，進(jìn)行典型情景年份的模擬；根據(jù)EFDC模型的原理，在工程位址上，將網(wǎng)格邊界條件設(shè)置為“Open BC”類型，并定義此“Open BC”的控制類型為“指定的水位”作為其強(qiáng)迫條件.“指定的水位”以樞紐工程調(diào)度方案定義的水位和排控方案及過程為依據(jù)來確定；以工程位址的控制水位作為邊界條件輸入，由于該位址上水文部門沒有建相應(yīng)的水位站，因此，其水位以模型來模擬，在模擬結(jié)果的基礎(chǔ)上，結(jié)合工程調(diào)度方案的控制水位，作為邊界條件輸入.

模型的干濕判斷參數(shù)為：格網(wǎng)為濕的水深為0.10m，格網(wǎng)為干的水深為0.15m，格網(wǎng)為干的時(shí)間步長為16s.模型在參數(shù)率定和模擬期間均采用自適應(yīng)時(shí)間步長.

3 模擬結(jié)果分析

3.1 水利樞紐工程調(diào)度方案11m低枯水期最低控制水位對湖泊水位抬升的程度分析

自2003年以來受鄱陽湖水系入湖徑流量減少以及長江水資源形勢變化等多種因素影響，鄱陽湖出現(xiàn)了枯水時(shí)間提前、水位偏低、持續(xù)時(shí)間延長等現(xiàn)象，對湖泊生態(tài)系統(tǒng)造成了一定的影響.為了減緩這些影響，鄱陽湖水利樞紐工程的調(diào)度方案設(shè)計(jì)了11月底或12月初至次年3月底或4月初低枯水期的11m最低控制水位.

由不同情景年型鄱陽湖水利樞紐工程低枯位生態(tài)調(diào)節(jié)期(12月1日至3月底4月初)中11m控制水位對該時(shí)期湖泊平均水位的抬升程度及其空間分布可以看出(圖4)，2010年(豐水年)11m控制水位對枯水期湖泊平均水位的最大抬升為2.59m，2000年(平水年)枯水期湖泊的平均水位最大抬升為2.68m，而2004(枯水年)枯水期湖泊的平均水位最大抬升為4.35m.由此可以看出，鄱陽湖水利樞紐工程11.0m的控制水位對不同年型湖泊枯水期的水位起到一定的調(diào)節(jié)作用，尤其是枯水年型.枯水期的水位抬升在某種程度上可以解決湖泊出現(xiàn)的枯水時(shí)間提前、水位偏低、持續(xù)時(shí)間延長等問題，從而緩解湖泊旱情.

圖4 不同情景年型枯水期11m控制水位對枯水期湖泊平均水位的抬升程度Fig.4 Uplift distribution of average water level of Lake Poyang during dry season in different hydro-year scenario due to the controlled water level of 11 m according to the scheme of water level regulation of the Lake Poyang hydraulic project

圖5 觀測點(diǎn)分布Fig.5 Distribution of observation points

3.2 水利樞紐工程對湖泊流場的影響分析

為了對比分析水利樞紐對鄱陽湖流場流速的影響，在鄱陽湖選擇了50個(gè)觀測點(diǎn)，對有樞紐工程和無樞紐工程的模擬結(jié)果進(jìn)行分析，所選觀測點(diǎn)的分布見圖5.

修河與主河道匯合點(diǎn)以北為入江河道觀測點(diǎn)，共8個(gè)觀測點(diǎn)；重點(diǎn)湖區(qū)分吳城國家級(jí)自然保護(hù)區(qū)和南磯山濕地國家級(jí)自然保護(hù)區(qū)，主要選擇核心區(qū)的觀測點(diǎn)，共10個(gè)觀測點(diǎn)；兩個(gè)保護(hù)區(qū)及入江河道之外的觀測點(diǎn)為主湖區(qū)觀測點(diǎn)，共32個(gè)觀測點(diǎn).主湖區(qū)觀測點(diǎn)的選擇原則：以有樞紐模擬時(shí)星子11.0m控制水位所形成的鄱陽湖水陸分界線為依據(jù).枯水期與豐水期的劃分以星子水位低于10.22m為枯水期，高于13.39m為豐水期.

根據(jù)有樞紐和無樞紐模擬結(jié)果繪制的鄱陽湖入江河道、主湖區(qū)、吳城自然保護(hù)區(qū)和南磯山自然保護(hù)區(qū)年平均流速、枯水期平均流速和豐水期平均流速對比表明，樞紐工程的控水過程降低了入江河道的年平均流速，2000、2004和2010年分別由原來的0.31、0.26和0.41m/s降為0.26、0.18和0.32m/s，其降速的影響因素主要為枯水期間的水位抬升，因此枯水期的平均流速變化較大，2000、2004和2010年分別由原來的0.46、0.32和0.45m/s降為0.24、0.15和0.25m/s，分別降低了48%、53%和44%.

樞紐控水過程對主湖區(qū)平均流速的影響相對于入江河道來說比較小，2000年的平均流速?zèng)]有變化，但最大流速由無樞紐時(shí)的1.34m/s到有樞紐的1.18m/s，降低了0.16m/s.2004和2010年分別由原來的0.075和0.11m/s到有樞紐時(shí)的0.061和0.09m/s(圖6b).

樞紐控水過程對主湖區(qū)最大流速的降低作用比入江河道明顯，尤其是對2000年和2004年最大流速的降低作用最為明顯，這兩年的最大流速分別從1.38和1.19m/s降到了1.18和0.89m/s，降幅分別達(dá)14%和25%(圖6).

樞紐工程對入江河道、主湖區(qū)和兩大保護(hù)區(qū)的枯水期平均流速、最大流速和最小流速都有不同程度的影響，其中以入江河道最大，對兩大保護(hù)區(qū)的影響則較小，主要影響表現(xiàn)在降低了兩大保護(hù)區(qū)枯水期的流速變幅，但減小程度不明顯(圖6).

圖6 幾個(gè)重要區(qū)域有無樞紐流速全年、枯水期、豐水期的最大值、最小值及平均值Fig.6 Maximum， minimum and average of velocities in several import regions under both situations with hydraulic project and without hydraulic project in the whole year， low-water level and high-water level period

鄱陽湖是一個(gè)吞吐型湖泊，其湖流的主要形態(tài)為吞吐流，密度流和異重流較為少見.在吞吐流中，根據(jù)流勢、流向及江湖水文關(guān)系可分為重力型、倒灌型和頂托型3種湖流類型.而在上述的3種湖流中，又以重力流為主.倒灌型湖流常發(fā)生在“五河”汛期基本結(jié)束，長江水位迅速上漲并高于鄱陽湖水位，且鄱陽湖水面比降較小的7-10月.而頂托型湖流多發(fā)生在汛期，此時(shí)鄱陽湖處于“五河”與長江同時(shí)漲水，或“五河”大汛已結(jié)束，長江漲水尚未達(dá)到倒灌條件的情況下[28].按照表1的水利樞紐工程調(diào)度方案，控水過程主要作用于當(dāng)年的9月1日至次年的3月底4月初，這一時(shí)期未包含汛期.因此，水利樞紐工程對頂托型湖流不會(huì)造成影響.倒灌型湖流發(fā)生的時(shí)間與控水過程的作用時(shí)間盡管有部分重疊(9-10月)，但由于水利樞紐工程調(diào)度方案主要基于“控枯不控洪”的原則，且2000、2004年倒灌發(fā)生的實(shí)際水位多半高于水利樞紐的調(diào)度水位，而2010年沒有發(fā)生倒灌.為此，本文討論水利樞紐工程對湖泊流場的影響，只考慮對湖泊重力流流場的影響.

為了進(jìn)一步分析和討論水利樞紐工程對湖泊重力流流場的影響，選取了反差最大的無樞紐最低水位流場與有樞紐時(shí)的湖流流場進(jìn)行對比.圖7呈示了典型年份無樞紐最低水位時(shí)的流場與同期有樞紐的流場格局(矢量與標(biāo)量).其中圖7a、b和c分別代表2000、2004和2010年無樞紐最低水位時(shí)的湖泊流場(具體時(shí)間分別是1月7日、1月12日和1月2日，對應(yīng)的星子模擬水位分別為6.72、6.65和5.80m)，而圖7d、e和f分別代表對應(yīng)年份同一天有樞紐流場.

從圖7a、b和c可以看出，盡管無樞紐時(shí)不同年型的最低水位有所不同，但流場格局基本相似；棠蔭東北附近湖區(qū)由于兩江合流，當(dāng)兩江來水較大時(shí)，易在棠蔭東北方向湖區(qū)出現(xiàn)回流場(圖7a)；2010年雖為豐水年，但最低水位為5.80m，棠蔭附近東北方向湖區(qū)水面比2000年及2004年的水面小很多，流場呈現(xiàn)較大的差異.有樞紐時(shí)由于低枯水期的11m水位控制，棠蔭以北尤其是入江河道的流場與無樞紐時(shí)的流場表現(xiàn)出明顯的不同；棠蔭以南的湖區(qū)，2000年和2010年無樞紐與有樞紐的流場格局相似，但2004年由于贛江中支和贛江南支的來水較大，由于11m水位的“頂托”，在棠蔭附近及松門山以南的湖區(qū)會(huì)呈現(xiàn)出較大的水面.對比圖7a和圖7b還可以發(fā)現(xiàn)，棠蔭東北方向湖區(qū)出現(xiàn)回流場在無樞紐與有樞紐時(shí)都存在，且差異不明顯，由此可以說明，樞紐工程低枯水期的11m控制水位對棠蔭東北方向湖區(qū)由于局部來水較大出現(xiàn)的回流沒有明顯的增強(qiáng)作用.

3.3 水利樞紐工程對湖泊換水周期的影響分析

利用2000、2004和2010年的模擬結(jié)果，根據(jù)換水周期的概念，計(jì)算了逐日的換水周期，其計(jì)算公式如下：

(16)

從有樞紐與無樞紐條件下月?lián)Q水周期可以看出(圖8)，在江湖連通的4-8月期間，樞紐工程對月?lián)Q水周期沒有影響，但在1-3月及9-12月期間，湖泊水位由樞紐工程控制，明顯增加了這些月份的換水周期.其中，月?lián)Q水周期相差最大的為豐水年型(2010年)的11月，其差值為14.5d，有樞紐與無樞紐相比增加了43.4%；其次為枯水年型(2004年)，最大相差天數(shù)為9.6d(10月)，有樞紐與無樞紐相比增加了59.5%；平水年型(2000年)的月?lián)Q水周期相差最大的為8.0d(1月)，有樞紐與無樞紐相比增加了55.7%.

圖8 平、枯、豐年型下無、有樞紐工程時(shí)月?lián)Q水周期Fig.8 Monthly water exchange period under both situations with hydraulic project and without hydraulic project in normal water level year， low water level year and high water level year

從不同年型有無水利樞紐工程時(shí)年換水周期及樞紐控制期間換水周期可以看出(表3)，樞紐工程的控水過程導(dǎo)致了年換水周期的增加，2000、2004和2010年分別增加了2.1、3.2和1.9d，其增加比例分別為14.4%、12.4%和10.9%.

表3 不同年型無、有水利樞紐工程時(shí)年換水周期及控水期間換水周期對照

樞紐工程實(shí)際控水期間的換水周期變化體現(xiàn)了樞紐工程對湖泊換水周期的實(shí)際影響，從表3可以看出，樞紐工程實(shí)際控水期間使2000、2004和2010年的換水周期分別增加了3.5、5.6和3.3d，增加的比例分別為24.2%、26.1%和13.1%.其中對枯水年型(2004年)影響最大.

平水年(2000年)的平均流量為4502.4m3/s，豐水年(2010年)的平均流量為7031.3m3/s，枯水年的平均流量為2934.4m3/s，從平均流量看符合“平”、“豐”、“枯”年型的標(biāo)準(zhǔn)，但從枯水期的天數(shù)來看，2000年星子水位低于10.22m的天數(shù)為100d，2010年星子水位低于10.22m的天數(shù)為148d，而2004年為172d.由此可以看出，樞紐工程對換水周期的影響與星子水位低于10.22m的枯水期天數(shù)及期間的平均水位密切相關(guān).

4 結(jié)語

本文針對擬建的鄱陽湖水利樞紐工程，在EFDC模型基礎(chǔ)上，建立了二維的湖泊水動(dòng)力模型，通過對豐、平、枯典型年份的情景模擬，探討了鄱陽湖水利樞紐工程對不同情景年型豐水期和枯水期湖區(qū)不同空間位置水位及其抬升、流速和湖泊換水周期的可能影響，結(jié)果表明：

1) 不同情景年型鄱陽湖水利樞紐工程低枯水位生態(tài)調(diào)節(jié)期(12月1日至3月底4月初)中11m控制水位對該時(shí)期湖泊平均水位的抬升程度明顯，2010年(豐水年)11m控制水位對枯水期湖泊平均水位的最大抬升為2.59m，2000年(平水年)枯水期湖泊的平均水位最大抬升為2.68m，而2004年(枯水年)枯水期湖泊的平均水位最大抬升為4.35m，因此11m控制水位對不同年型湖泊枯水期的水位可以起到有效的調(diào)節(jié)作用，尤其是枯水年型.枯水期的水位抬升在某種程度上可以解決湖泊出現(xiàn)的枯水時(shí)間提前、水位偏低、持續(xù)時(shí)間延長等問題，從而緩解湖泊的旱情.

2) 鄱陽湖水利樞紐工程通過控制湖泊的水位，抬升了枯水期的最低水位，使不同年型入江河道、主湖區(qū)和兩大保護(hù)區(qū)的枯水期平均流速、最大流速和最小流速都有不同程度的減小，其中以入江河道為最大，2000年平水年和2010年豐水年枯水期平均流速降幅在44%以上，2004年(枯水年)枯水期的平均降速范圍在50%以上.對兩大保護(hù)區(qū)的影響則較小，主要影響表現(xiàn)在降低了兩大保護(hù)區(qū)枯水期的流速變幅，但減小程度不明顯.

3) 有樞紐時(shí)由于低枯水期的11m水位控制，棠蔭以北尤其是入江河道的流場與無樞紐時(shí)的流場表現(xiàn)出明顯的不同；棠蔭以南的湖區(qū)，當(dāng)贛江中支和贛江南支的來水較大時(shí)，在棠蔭附近及松門山以南的湖區(qū)會(huì)呈現(xiàn)出較大的水面；但11m控制水位造成的“頂托”對棠蔭東北方向湖區(qū)由于局部來水較大出現(xiàn)的回流沒有明顯的增強(qiáng)作用.

4) 由于湖泊水位抬升、庫容增加，且流速相對減小，水利樞紐工程對湖泊換水周期的作用明顯，不同年型的換水周期都受到不同程度的影響，2004年(枯水年份)樞紐工程的調(diào)度方案使低枯水位生態(tài)調(diào)節(jié)期的平均換水周期增加了5.6d，影響程度達(dá)26.1%.換水周期的增加，對湖泊水質(zhì)帶來一定影響.但同時(shí)也應(yīng)看到，湖泊庫容的增加是換水周期增加的主要因素，該因素的增加在某種程度上又將導(dǎo)致湖泊環(huán)境容量的增加.因此，水利樞紐工程對湖泊換水周期所造成的影響，最終給湖泊水質(zhì)帶來何種程度的影響，有待進(jìn)一步的研究.

[1] 謝冬明，鄭 鵬，鄧紅兵等.鄱陽湖濕地水位變化的景觀響應(yīng).生態(tài)學(xué)報(bào)，2011，31(5)：1269-1276.

[2] 洪 峰，陳文靜，周輝明等.鄱陽湖水利樞紐工程對水生生物影響的探討.江西科學(xué)，2010，28(4)：555-558.

[3] 葛 剛，紀(jì)偉濤，劉成林等.鄱陽湖水利樞紐工程與濕地生態(tài)保護(hù).長江流域資源與環(huán)境，2010，19(6)：606-613.

[4] 馬 超，練繼建.人控調(diào)度方案對庫區(qū)支流水動(dòng)力和水質(zhì)的影響機(jī)制初探.天津大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，44(3)：202-209.

[5] Li J. Scientists line up against dam that would alter protected wetlands.Science， 2009，326：508-509.

[6] Humborg C， Ittekkot V， Cociasu Aetal. Effect of Danube River dam on Black Sea biogeochemistry and ecosystem structure.Nature， 1997，386(6626)：385-388.

[7] Wang B， Uwe B. Potential impacts of Three Gorges Dam in China on the ecosystem of East China Sea.ActaOceanologicaSinica， 2008，27(1)：67-76.

[8] 傅開道，黃河清，鐘榮華等.水庫下游水沙變化與河床演變研究綜述.地理學(xué)報(bào)，2011，66(9)：1239-1250.

[9] Nikora V. Hydrodynamics of aquatic ecosystems： An interface between ecology， biomechanics and environmental fluid mechanics.RiverResearchandApplications， 2010，26(4)：367-384.

[10] 冷疏影，楊桂山，劉正文等.湖泊及流域科學(xué)重點(diǎn)發(fā)展領(lǐng)域與方向.中國科學(xué)基金，2003，(2)：82-85.

[11] Obeysekera J， Kuebler L， Ahmed Setal. Use of hydrologic and hydrodynamic modeling for ecosystem restoration.CriticalReviewsinEnvironmentalScienceandTechnology， 2011，41(supp.1)：447-488.

[12] 潘曉東，王偉卓，唐健生等.哈達(dá)山水庫水動(dòng)力與水質(zhì)模擬研究.人民黃河，2010，32(8)：61-62.

[13] Onnish Y， Imasato N. Study on the currents in Lake Biwa(Ⅲ).JournaloftheOceanographicalSocietyofJapan， 1979， (9)：53-60.

[14] Endoh S. Diagnostic study on the vertical circulation and the maintenance mechanisms of the cyclonic gyre in Lake Biwa.JournalofGeophysicalResearch， 1986，91(C1)：869-876.

[15] Ferrari A， Fraccarollo L， Dumbser Metal. Three-dimensional flow evolution after a dam break.JournalofFluidMechanics， 2010，663：456-477.

[16] 陳 江.引江濟(jì)太長江水源地岸線穩(wěn)定性與河床演變研究[學(xué)位論文].南京：河海大學(xué)，2007.

[17] 李云良，張 奇，姚 靜等.鄱陽湖湖泊流域系統(tǒng)水文水動(dòng)力聯(lián)合模擬.湖泊科學(xué)，2013，25(2)：227-235.

[18] Li Y， Zhang Q， Yao Jetal. Hydrodynamic and hydrological modeling of the Lake Poyang catchment system in China.AmericanSocietyofCivilEngineers， 2014，19：607-616.

[19] 陳 棟.三峽水庫非汛期水動(dòng)力及水質(zhì)模擬研究[學(xué)位論文].濟(jì)南：山東大學(xué)，2008.

[20] 辛小康，尹 煒，葉 閩.水動(dòng)力調(diào)控三峽庫區(qū)支流水華方案初步研究.水電能源科學(xué)，2011，29(7)：16-18.

[21] 胡春華，施 偉，胡龍飛等.鄱陽湖水利樞紐工程對湖區(qū)氮磷營養(yǎng)鹽影響的模擬研究.長江流域資源與環(huán)境，2012，21(6)：749-755.

[22] 杜彥良，周懷東，毛戰(zhàn)坡等.鄱陽湖水利樞紐工程對水質(zhì)環(huán)境影響研究.中國水利水電科學(xué)研究院學(xué)報(bào)，2011，9(4)：249-256.

[23] 余啟輝，馬 強(qiáng)，游中瓊.鄱陽湖水利樞紐調(diào)度對湖區(qū)枯期水位與流速影響.人民長江，2013，44(17)：18-21.

[24] 王 鵬，賴格英，黃小蘭.鄱陽湖水利樞紐工程對湖泊水位變化影響的模擬.湖泊科學(xué)，2014，26(1)：29-36.

[25] Zhou J， Pan S， Falconer RAetal. Effects of open boundary location on the far-field hydrodynamics of a Severn Barrage.OceanModelling， 2014，73：19-29.

[26] Scott CJ， Vijayasarathi J， David THetal. Simulating pH effects in an algal-growth hydrodynamics model.JournalofPhycology， 2013，49(3)：606-615.

[27] Krause1 P， Boyle DP， Base F. Comparison of different efficiency criteria for hydrological model assessment.AdvancesinGeosciences， 2005，5：89-97.

A simulation research of impacts of the Lake Poyang hydraulic project on hydrology and hydrodynamics

LAI Geying1，2， WANG Peng1，2， HUANG Xiaolan1，2， XIONG Jiaqing2， LIU Ying1，2& ZENG Fenghai1，2

(1：KeyLabofPoyangLakeWetlandandWatershedResearch，MinistryofEducation，JiangxiNormalUniversity，Nanchang330022，P.R.China)(2：SchoolofGeographyandEnvironment，JiangxiNormalUniversity，Nanchang330022，P.R.China)

Flow regime change is the main dynamics to affect the lake ecological system evolution. It is worth studying that how the proposed Lake Poyang hydraulic project (PLPHP) will impact the hydrology and hydrodynamics of Lake Poyang. Based on the EFDC model， a two-dimensional model of Lake Poyang hydrodynamics is constructed. According to the planning water level regulation scheme of PLPHP， this research discusses the possible influence of PLPHP on hydrology and hydrodynamics of Lake Poyang using the method of scenario simulation (including normal， dry and wet hydro-years). The simulation result shows that the 11m controlled water level in eco-adjustment period of low-water level (from Dec. 1st to the end of Mar. or early Apr.) will effectively uplift the average water level of Lake Poyang in this period. The maximum uplift of average water level in the lake will be 2.59 m in wet hydro-year (2010)， 4.35 m in dry hydro-year (2004)， 2.68 m in normal hydro-year (2000)，respectively. These uplifts of water level in eco-adjustment period of low-water level will lead to the different level decreases of average flow velocity， maximum flow velocity and minimum flow velocity of low-water level period in different hydro-year scenario. The maximum decrease of flow velocity is in the waterway of Lake Poyang into the Yangtze River (which is located in Xingzi to Hukou)， in which drop in average velocity is more than 44% in 2000 and 2010， 50% in 2004， but the effect of flow velocity on two natural reserves is small. As to the effect of flow pattern， the main result shows that because of the 11 m controlled water level with PLPHP scenario, the flow pattern is apparently different from that without PLPHP in the north of Tangyin， especially in the waterway of Lake Poyang into the Yangtze River. Furthermore， the region， in the vicinity of Tangyin and south of Songmenshan， will show larger water surface with more complex flow pattern when the volumes of flow in middle and south two branches of Ganjiang River are larger. Because of the uplift of water level and the drop of flow velocity， PLPHP has significant impact on water exchange cycle (WEC) of lake and WECs in different hydro-year scenarios are affected to varying degrees， the average WEC increasing by 5.6 d in 2004， the extent of impact being 26.1%. Therefore， the simulation results can reveal the impact extent of PLPHP on hydrology and hydrodynamics with the planning water-level regulation scheme， and provide some foundation at support to study the influence of PLPHP on water quality and ecological system evolution.

Lake Poyang； hydraulic project； EFDC model；hydrology and hydrodynamic； numerical simulation

*國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃“973”項(xiàng)目(2012CB417003)和江西省重大生態(tài)安全問題監(jiān)控協(xié)同創(chuàng)新中心項(xiàng)目(JXS-EW-07)聯(lián)合資助.2014-01-07收稿；2014-06-24收修改稿.賴格英(1963～)，男，博士，教授；E-mail：laigeying@126.com.