近60年來(lái)長(zhǎng)江對(duì)鄱陽(yáng)湖倒灌水量的變化特征

(1.長(zhǎng)江水利委員會(huì) 水文局，武漢 430010；2.武漢市水務(wù)科學(xué)研究院，武漢 430014)

1 研究背景

鄱陽(yáng)湖位于江西省北部、長(zhǎng)江中游南岸，承納贛江、撫河、信江、饒河、修水(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“五河”)，以及博陽(yáng)河等支流來(lái)水，是長(zhǎng)江水系及生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分。作為長(zhǎng)江中下游典型的通江湖泊，鄱陽(yáng)湖出流特征及水位漲落同時(shí)受五河及長(zhǎng)江來(lái)水的雙重影響，每年4—6月份為五河主汛期，7—9月份為長(zhǎng)江主汛期，鄱陽(yáng)湖區(qū)水位受長(zhǎng)江洪水頂托或倒灌影響而壅高，長(zhǎng)期維持高水位；進(jìn)入10月份，受長(zhǎng)江穩(wěn)定退水影響，湖區(qū)水位持續(xù)下降，進(jìn)而形成較為復(fù)雜的江湖水文情勢(shì)關(guān)系[1]。

葉許春等[2-3]利用時(shí)間序列分析方法，對(duì)鄱陽(yáng)湖流域五河干流的徑流系列進(jìn)行了研究，定量分析了氣候變化和人類(lèi)活動(dòng)對(duì)鄱陽(yáng)湖流域徑流變化的影響；閔騫[4]研究了近50 a來(lái)鄱陽(yáng)湖形態(tài)和水情的變化規(guī)律及其與圍墾的關(guān)系，并從流域降水、五河來(lái)水、長(zhǎng)江上中游來(lái)水、湖盆形態(tài)等方面的變化，探討了鄱陽(yáng)湖枯水變化原因[5]；郭華等[6-7]的研究表明，鄱陽(yáng)湖流域的氣候變化和五河入湖流量是鄱陽(yáng)湖水位和水量變化的主要因素，三峽水庫(kù)運(yùn)行并沒(méi)有改變長(zhǎng)江與鄱陽(yáng)湖作用的基本特征；劉小東等[8]對(duì)鄱陽(yáng)湖低枯水位變化特征及成因進(jìn)行了探討，指出社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)用水增長(zhǎng)、河床變化、河湖采砂、三峽工程汛末蓄水等是鄱陽(yáng)湖枯水期水位降低的主要原因；戴雪等[9]根據(jù)1951—2011年湖區(qū)4站及湖口站水文實(shí)測(cè)資料，指出2003年以后湖泊因漲、退水階段水位均偏低，進(jìn)而枯水階段延長(zhǎng)，同時(shí)豐水階段縮短，湖泊水文節(jié)律整體呈現(xiàn)洪旱急轉(zhuǎn)情勢(shì)；方春明等[10]闡明了長(zhǎng)江干流來(lái)流對(duì)湖口出流的頂托作用，并給出了湖口出現(xiàn)倒流的條件，得到了鄱陽(yáng)湖對(duì)洪水的調(diào)節(jié)作用系數(shù)，初步理清了鄱陽(yáng)湖與長(zhǎng)江干流江湖相互影響的規(guī)律；趙軍凱等[11-12]提出了河湖水量交換系數(shù)的概念，鄱陽(yáng)湖與長(zhǎng)江干流的水交換系數(shù)在穩(wěn)定狀態(tài)附近波動(dòng)，河湖水交換狀態(tài)無(wú)明顯趨勢(shì)性變化，河湖系統(tǒng)演化穩(wěn)定。

上述研究為認(rèn)識(shí)鄱陽(yáng)湖流域的某個(gè)水文要素或者流域的局部水文變化提供了大量的前期基礎(chǔ)。以往對(duì)于水文情勢(shì)演變規(guī)律的研究以分析長(zhǎng)江或者鄱陽(yáng)湖單一對(duì)象較多，而對(duì)于江湖疊加效應(yīng)的研究較少，尤其是對(duì)長(zhǎng)江倒灌鄱陽(yáng)湖的研究相對(duì)較少。本文選取能代表五河以及鄱陽(yáng)湖出湖的重要控制水文站的1956—2016年水文數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與研究，采用小波分析[13]等方法探討長(zhǎng)江對(duì)鄱陽(yáng)湖倒灌水量的變化規(guī)律，這對(duì)于認(rèn)識(shí)變化條件下長(zhǎng)江與鄱陽(yáng)湖江湖關(guān)系變化規(guī)律具有重要意義。

2 鄱陽(yáng)湖流域徑流變化特征

鄱陽(yáng)湖水系五河七口控制站分別為贛江的外洲站、撫河的李家渡站、信江的梅港站、饒河的虎山和渡峰坑站、修水的虬津和萬(wàn)家埠站，出湖水量由湖口水文站控制。現(xiàn)以五河七口水量總和作為鄱陽(yáng)湖湖區(qū)主要入湖水量，以湖口站水量表征出湖水量。根據(jù)鄱陽(yáng)湖五河七口及湖口控制站1956—2016年長(zhǎng)系列逐日平均流量，分析各站不同時(shí)期來(lái)水變化特征。

以2003年三峽水庫(kù)投入運(yùn)行為時(shí)間節(jié)點(diǎn)，表1給出了鄱陽(yáng)湖五河七口各控制站在不同時(shí)段出入湖多年平均流量。相比1956—2002年年平均徑流量，鄱陽(yáng)湖五河七口控制站2003—2016年年平均徑流量均有所降低。從減少比例來(lái)看，虬津站的年平均徑流量減少比例較大，達(dá)18.6%；其次為李家渡站，為13.4%；而梅港站年徑流減少比例最小，僅為1.5%，綜合表明修水和撫河在2003年后水量相對(duì)變化較大，而信江變化較小。

3 長(zhǎng)江對(duì)鄱陽(yáng)湖作用的變化規(guī)律

3.1 長(zhǎng)江對(duì)鄱陽(yáng)湖作用的年內(nèi)變化規(guī)律

由于鄱陽(yáng)湖流域汛期較長(zhǎng)江中上游偏早1～2個(gè)月，在季節(jié)上，每年4—6月份是鄱陽(yáng)湖流域的多雨期(圖1)，五河洪水入湖流量增加使湖泊水位上漲，從而產(chǎn)生鄱陽(yáng)湖作用于長(zhǎng)江的梯度力。在隨后的7—9月份，隨著長(zhǎng)江中上游主汛期的到來(lái)，長(zhǎng)江干流水位上漲造成對(duì)鄱陽(yáng)湖水的強(qiáng)烈頂托作用[1]。當(dāng)長(zhǎng)江干流對(duì)湖口的頂托作用大于湖水出湖壓力時(shí)，長(zhǎng)江對(duì)鄱陽(yáng)湖作用強(qiáng)烈，將出現(xiàn)江水倒灌現(xiàn)象[1，14]。

根據(jù)湖口站1956—2016年共61 a資料統(tǒng)計(jì)，長(zhǎng)江倒灌入湖總水量為1 395億m3，平均每年為22.9億m3，共有12 a未發(fā)生倒灌，其余49 a均發(fā)生倒灌。從年代分析可知，1956—1960年倒灌徑流量為170.1億m3，1961—1970年倒灌徑流量354億m3，1971—1980年倒灌徑流量132億m3，1981—1990年倒灌徑流量329億m3，1991—2000年倒灌徑流量164億m3，2001—2016年倒灌徑流量為246億m3。其中最大倒灌流量為1991年7月10日的13 600 m3/s，年最大倒灌水量114億m3?，F(xiàn)以2003年為界對(duì)湖口1956—2016年不同時(shí)段倒灌水量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，見(jiàn)表2。

表1 鄱陽(yáng)湖五河控制站不同時(shí)段月平均流量統(tǒng)計(jì)Table 1 Statistics of monthly average streamflow at main hydrological stations of Poyang Lake m3/s

圖1 1956—2016年鄱陽(yáng)湖入湖流量、湖口及漢口日平均流量過(guò)程Fig.1 Volume of flow into Poyang Lake and dailyaverage flow at Hukou and Hankou hydrological stations

表2 鄱陽(yáng)湖不同時(shí)段湖口倒灌特征Table 2 Characteristic parameters of water recharge from Changjiang River into Poyang Lake

根據(jù)對(duì)1956—2016年間長(zhǎng)江倒灌鄱陽(yáng)湖天數(shù)的統(tǒng)計(jì)分析(圖2)，61 a中出現(xiàn)倒灌的天數(shù)總共735 d，主要發(fā)生在7—9月份，占總倒灌天數(shù)的87.6%。其中，7月份、8月份、9月份這3個(gè)月長(zhǎng)江倒灌鄱陽(yáng)湖天數(shù)分別為211，184，249 d，分別占倒灌總天數(shù)的28.7%，25.0%，33.9%，其余月份僅占年倒灌總天數(shù)的12.4%。

圖2 不同時(shí)段湖口倒灌天數(shù)統(tǒng)計(jì)Fig.2 Number of days of water recharge from ChangjiangRiver into Poyang Lake

3.2 長(zhǎng)江對(duì)鄱陽(yáng)湖作用的年際變化規(guī)律

進(jìn)一步探討長(zhǎng)江倒灌鄱陽(yáng)湖的倒灌水量及倒灌天數(shù)的年際變化規(guī)律。由圖3可知，長(zhǎng)江倒灌入湖的天數(shù)和徑流量在不同年代間變化迥異。1960年代、1980年代江水倒灌最為頻繁，1970年代次之，1990年代江水倒灌現(xiàn)象較少，2000—2005年以來(lái)江水倒灌又呈增加趨勢(shì)，而2006年以來(lái)倒灌現(xiàn)象最少。近60 a江水倒灌的年際變化總體呈長(zhǎng)期的減小趨勢(shì)，但年代間的變化過(guò)程反映出江湖作用強(qiáng)度在年代際尺度上存在此消彼長(zhǎng)的波動(dòng)過(guò)程。

圖3 湖口站倒灌水量及倒灌天數(shù)年際變化Fig.3 Variations of number of days and volume ofwater recharge from Changjiang River into PoyangLake over years

圖4 湖口站歷年倒灌水量、倒灌天數(shù)與鄱陽(yáng)湖入湖水量、長(zhǎng)江干流來(lái)水之間的關(guān)聯(lián)性Fig.4 Correlation of amount and number of days ofwater recharge at Hukou station versus incoming flowinto Poyang Lake and incoming flow from mainstreamChangjiang River

由于鄱陽(yáng)湖倒灌水量受長(zhǎng)江干流來(lái)水和鄱陽(yáng)湖來(lái)水共同影響，因此進(jìn)一步分析鄱陽(yáng)湖入湖水量、長(zhǎng)江干流來(lái)水與鄱陽(yáng)湖倒灌的關(guān)聯(lián)性。根據(jù)鄱陽(yáng)湖水系五河七口控制站實(shí)測(cè)流量統(tǒng)計(jì)1956—2016年鄱陽(yáng)湖入湖水量，根據(jù)三峽水庫(kù)2003年以后實(shí)際運(yùn)行資料統(tǒng)計(jì)水庫(kù)蓄變量，據(jù)此對(duì)漢口水文站2003年以后的實(shí)測(cè)流量進(jìn)行還原。分別對(duì)還原后的漢口站水量、鄱陽(yáng)湖入湖水量以及鄱陽(yáng)湖倒灌水量、倒灌天數(shù)距平處理，繪制關(guān)系圖，見(jiàn)圖4。

從圖4中可見(jiàn)，鄱陽(yáng)湖倒灌水量、倒灌天數(shù)均與漢口站來(lái)水與鄱陽(yáng)湖入湖水量之差呈現(xiàn)較好的正相關(guān)關(guān)系。鄱陽(yáng)湖倒灌水量或倒灌天數(shù)較多的年份，長(zhǎng)江干流來(lái)水往往大于鄱陽(yáng)湖入湖水量；倒灌水量或倒灌天數(shù)較小的年份，多以鄱陽(yáng)湖作用為主，長(zhǎng)江干流來(lái)水較小。這也再次印證了鄱陽(yáng)湖倒灌水量受長(zhǎng)江干流和鄱陽(yáng)湖來(lái)水的雙重影響。

3.3 三峽水庫(kù)運(yùn)行對(duì)鄱陽(yáng)湖倒灌水量的影響

2003年6月三峽水庫(kù)正式投運(yùn)，并對(duì)長(zhǎng)江中下游及鄱陽(yáng)湖水文情勢(shì)產(chǎn)生一定的影響。為分析三峽水庫(kù)運(yùn)行對(duì)鄱陽(yáng)湖倒灌水量的影響，以2003年為界進(jìn)行分段統(tǒng)計(jì)分析。根據(jù)計(jì)算，2003—2016年鄱陽(yáng)湖年平均倒灌水量17.4億m3，年平均倒灌8.2 d，分別較1956—2002年減少7.1億m3和5.0 d，2003年后鄱陽(yáng)湖倒灌現(xiàn)象逐漸減少。特別是2009年以來(lái)鄱陽(yáng)湖倒灌強(qiáng)度明顯減弱，鄱陽(yáng)湖在2009—2016年發(fā)生倒灌天數(shù)分別為1，0，4，3，4，3，0，5 d。

繪制鄱陽(yáng)湖倒灌水量與三峽水庫(kù)蓄水量之間的關(guān)系，見(jiàn)圖5。圖中主坐標(biāo)為鄱陽(yáng)湖倒灌水量，次坐標(biāo)為三峽水庫(kù)蓄水量，正值表示蓄水，負(fù)值表示補(bǔ)水。從圖5中也可看出，2003—2008年為三峽水庫(kù)初期運(yùn)行階段，該階段水庫(kù)的調(diào)蓄作用有限，因此對(duì)鄱陽(yáng)湖倒灌沒(méi)有明顯改善作用。2008年汛后三峽水庫(kù)進(jìn)入175 m試驗(yàn)性蓄水期，2010年10月成功蓄水至175 m。從2009年開(kāi)始三峽水庫(kù)對(duì)生態(tài)用水和中下游供水的調(diào)度，減少了鄱陽(yáng)湖倒灌水量和倒灌天數(shù)。

圖5 2003—2016年湖口站月倒灌水量與三峽水庫(kù)月蓄水量之間的關(guān)系Fig.5 Relationship between monthly amount of waterrecharge at Hukou station and monthly water storage inThree Gorges Reservoir from 2003 to 2016

由此可見(jiàn)，雖然2003年后，三峽水庫(kù)的運(yùn)行并沒(méi)有改變長(zhǎng)江與鄱陽(yáng)湖相互作用的基本特征，倒灌現(xiàn)象仍然出現(xiàn)，但是水庫(kù)的蓄水或放水在一定程度上影響了江湖作用的季節(jié)變化和鄱陽(yáng)湖流域的旱澇機(jī)遇，一定程度上減少了長(zhǎng)江對(duì)鄱陽(yáng)湖的倒灌頻次。

3.4 長(zhǎng)江對(duì)鄱陽(yáng)湖作用的多時(shí)間尺度分析

采用Morlet小波對(duì)鄱陽(yáng)湖湖口站月倒灌天數(shù)和月倒灌水量進(jìn)行多時(shí)間尺度分析。圖6(a)、圖6(b)分別為月倒灌水量和月倒灌天數(shù)的小波實(shí)部等值線(xiàn)及小波方差。從圖6中可見(jiàn)，1956—2016年長(zhǎng)江倒灌鄱陽(yáng)湖月倒灌水量及月倒灌天數(shù)存在顯著的震蕩周期，尤其以1 a及1 a以下的小尺度震蕩為主，其中1 a尺度的峰值最大。從小波實(shí)部等值線(xiàn)可以看出，在1 a尺度上經(jīng)歷了1956—1959、1963—1966、1981—1983、1988—1989、1991—1992、2003—2006等多個(gè)正相位，表明這些年份長(zhǎng)江倒灌鄱陽(yáng)湖作用強(qiáng)烈；2009年以后震蕩逐漸減弱，小尺度震蕩基本消失，表明長(zhǎng)江倒灌鄱陽(yáng)湖水量逐漸減少，這與3.3節(jié)的分析結(jié)果一致。

圖6 1956—2016年長(zhǎng)江倒灌鄱陽(yáng)湖月倒灌量及月倒灌天數(shù)小波實(shí)部等值線(xiàn)及小波方差Fig.6 Contour map of wavelet analysis and waveletvariance of monthly flow and monthly number of days ofwater recharge from Changjiang River into Poyang Lakefrom 1956 to 2016

鄱陽(yáng)湖與長(zhǎng)江水力關(guān)系密切，歷年江水倒灌鄱陽(yáng)湖徑流量及天數(shù)的變化發(fā)展過(guò)程反映出長(zhǎng)江與鄱陽(yáng)湖相互作用的強(qiáng)弱變化過(guò)程。如發(fā)生江水倒灌少的年代,如1970年代和1990年代，正是長(zhǎng)江中上游來(lái)水對(duì)鄱陽(yáng)湖作用較弱的時(shí)期，而此時(shí)鄱陽(yáng)湖對(duì)長(zhǎng)江的作用較強(qiáng)。相反，發(fā)生江水倒灌多的年代，如1960年代、1980年代，則表示長(zhǎng)江上中游來(lái)水對(duì)鄱陽(yáng)湖的作用相對(duì)強(qiáng)烈，而鄱陽(yáng)湖對(duì)長(zhǎng)江的作用較弱。

4 結(jié) 論

(1)采用鄱陽(yáng)湖五河及出口控制水文站1956—2016年水文數(shù)據(jù)，對(duì)鄱陽(yáng)湖徑流變化特征進(jìn)行了分析。鄱陽(yáng)湖五河七口控制站2003—2016年年平均徑流量相比1956—2002年年平均徑流量均有所降低。

(2)根據(jù)湖口站1956—2016年共61 a資料統(tǒng)計(jì)，有12 a未發(fā)生倒灌，其余49 a均發(fā)生倒灌。鄱陽(yáng)湖倒灌水量、倒灌天數(shù)均與漢口站來(lái)水與鄱陽(yáng)湖入湖水量之差呈較好的正相關(guān)關(guān)系。鄱陽(yáng)湖倒灌水量或倒灌天數(shù)較多的年份，長(zhǎng)江干流來(lái)水往往大于鄱陽(yáng)湖入湖水量。

(3)2003年后，三峽水庫(kù)的運(yùn)行并沒(méi)有改變長(zhǎng)江與鄱陽(yáng)湖相互作用的基本特征，但是水庫(kù)的蓄水或放水在一定程度上影響了江湖作用的季節(jié)變化和鄱陽(yáng)湖流域的旱澇機(jī)遇，一定程度上減少了長(zhǎng)江對(duì)鄱陽(yáng)湖的倒灌頻次。

(4)采用小波分析方法探討長(zhǎng)江對(duì)鄱陽(yáng)湖倒灌水量的多時(shí)間尺度變化特征，倒灌水量和倒灌天數(shù)在1960年代、1980年代和21世紀(jì)初存在較強(qiáng)的正相位，表示長(zhǎng)江上中游來(lái)水對(duì)鄱陽(yáng)湖的作用相對(duì)強(qiáng)烈；而在1970年代、1990年代和2010年以后呈現(xiàn)出較強(qiáng)的負(fù)相位，表明長(zhǎng)江中上游來(lái)水對(duì)鄱陽(yáng)湖作用較弱。