洞庭湖调蓄量变化及其影响因素分析(李义天,邓金运,孙昭华,何用)

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洞庭湖调蓄量变化及其影响因素分析水利论文&}QL5qm!W)O7H TB

李义天邓金运孙昭华,何 用
1fzN%Ky0(武汉大学 水沙科学教育部重点实验室)

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摘要:通过计算50~90年代洞庭湖的一日调蓄量,分析了其年内和不同年代间的调蓄量的变化及湖区泥沙淤积、人为围垦和城陵矶以下河段泥沙淤积对调蓄量变化的影响。得到了下游泥沙淤积是50~90年代洞庭湖相同入湖流量条件下调蓄量逐年增大的主要原因的认识。水利论文6Iy? z$Pe SZ6c%M

关键词:泥沙淤积;调蓄量;高水位

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作者简介:李义天(1957-),男,山西人,武汉大学教授。水利论文9a2HZh }0n2j-K

1 引言

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洞庭湖作为长江中游重要的调蓄湖泊,对整个长江中游的防洪有着举足轻重的作用[1~3]。以往研究对于洞庭湖调蓄量的重要意义已有了深刻的认识,就这个问题进行了一定的探讨。自90年代以来,长江中游地区的“中小流量高水位”现象愈来愈严重,为了分析这种现象的机理,许多学者对洞庭湖的调蓄能力进行了研究,一种观点认为由于湖泊的消亡与萎缩,降低了调蓄能力,使本应由湖泊调蓄的那部分水量也因此涌入河道,加大了防洪压力,引起水位抬高[4~8]。这些研究工作主要是分析洞庭湖湖容的年际变化,从湖容的减小方面推论,得到洞庭湖调蓄能力降低的结论,将调蓄能力的变化归结为洞庭湖区淤积和围垦的影响。但洞庭湖的调蓄作用不同于一般水库的调蓄,属于自然调蓄。除湖泊容积外,下游河道严重淤积引起的出湖流量减小等因素对其也有重要的影响。因此进一步研究湖区调蓄洪水能力的变化规律,探讨其变化原因就具有重要意义。调蓄量的变化是一个复杂的研究课题,本文试图阐明洞庭湖调蓄量年内、不同年代的变化并较全面的分析其主要的影响因素。水利论文 S(Vb M#S{]

2 调蓄量的年内变化过程

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洞庭湖的洪水由长江三口来水与四水组成,除了水量巨大外,洪水的历时特别长。其中,长江的洪水主要来自宜昌以上的长江干流,其主汛期为7、8月份,1951~1988年统计洪峰流量在此出现的机率为76.3%(以宜昌站统计)。洪峰最早出现在5月,而最晚出现在10月。四水的汛期一般为4~9月,其中湘、资水的主汛期为5、6月,沅、澧水的主汛期为6、7月。三口洪水峰型肥胖,历时较长,汛期来水量占全年的94%,四水属山溪性河道,峰型尖瘦,历时较短,汛期来水占全年的73%。每年汛期湘、资水先涨水,洪水入湖垫底,沅、澧水后涨水,洪水入湖抬高湖水位,随之而来的长江洪水自三口入湖,进一步抬高洪水位。如果江湖洪水遭遇,则往往造成洞庭湖较大的洪水灾害,如1998年大水期间城陵矶出现8次洪峰,其中第1~3次是由四水洪水造成的,第4~8次是由长江的洪水造成的,从第4次开始,湖区一直处于高危水位[3]。洞庭湖调蓄量的年内变化过程和洞庭湖洪水的变化过程(图1)是对应的。

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按照上述的洪水发生过程,我们将调蓄量的年内变化过程分为枯水期、涨水期、高水位、落水期、枯水期几个过程(图2)。其中涨水期、高水位、落水期属于汛期。每年的1到3月,洞庭湖处于枯水期,来水变化不大,调蓄作用不明显,调蓄量变化不大,此时的洞庭湖类似于处于死水位下的水库,留有一定的防洪库容待用。进入4月份以后,四水相继涨水,洞庭湖进入涨水期,此时的洞庭湖相当于水库开始进入防洪运用。洞庭湖的调蓄湖容被逐渐填满,并对入湖洪水进行主动调蓄。当涨水期逐渐结束,7、8月份长江三口分泄洪水入湖,洞庭湖进入高水位时期,湖容已被填满,此时的有效调峰容积是指最高洪水位以下1m左右的湖容。高水位持续一段时间后,10月份左右,洞庭湖进入落水期。随着水位的逐渐消落,洞庭湖又进入11、12月的枯水期。
1 各年代三口、四水典型流量过程水利论文 k!r$gwj2gm[6{;d+d
Fig.1 The typical inflow process of Dongting Lake
  通过整理三口、四水、城陵矶1955~1999年逐日平均的水位、流量资料,按照文献[2]的方法,计算了洞庭湖的一日调蓄量。以1955~1959年作为50年代,以1963~1966年作为60年代,以1973~1979年作为70年代,以1981~1985年作为80年代,以1998~1999年作为90年代。水利论文0oZYu"JG)C

  洞庭湖的淤积和围垦以及下游河段的淤积是影响调蓄量的重要因素,但主要起作用的是其累积效应,在具体的某一年中,它们的作用较小,可以近似认为不变,洞庭湖的调蓄量的变化主要受到进出口流量和出口水位的影响。为了分析调蓄量的年内变化过程,本文选择了各个年代湖区洪灾较为严重的年份作为典型来分析。水利论文#o0UVWf

2 三口、四水流量过程示意图
_(A&ZoZ9}uW3|0Fig.2 The sketch of discharge process

50年代选1955年;60年代选1964年;70年代选1973年;80年代选1983年;90年代选1998、1999年。就所选的典型年,点绘了不同的出口水位(螺山水位和七里山水位相关关系很好,我们用螺山水位来代替七里山水位分析,不影响对问题的研究)条件下洞庭湖的一日调蓄量(W,108m3)和总入湖流量(三口+四水+区间,Q,m3/s)的关系图(图3)。

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3 典型年内调蓄量和入湖流量的关系水利论文-fe`"e }@
Fig.3 The annual change of the flood storage capacity

从图3可看出,各典型年调蓄量的年内变化规律一致,即:随着入湖流量的增大,相同出口水位条件下,一日调蓄量是逐渐增大的;随着出口水位的升高,相同入湖流量对应的一日调蓄量是逐渐变小的。这是不难理解的,入湖流量越大,洞庭湖能够调蓄的水量越大,故调蓄量越大;下游水位在不断上涨时,过水断面面积增大,同时湖容也在变化,虽然荆江对洞庭湖出流的顶托作用也是加强的。但在下游过水断面面积变化、湖容变化和出流顶托的综合作用下,年内洞庭湖调蓄量随水位升高而变小。

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3 洞庭湖调蓄量的不同年代的变化

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鉴于防洪关心的问题是汛期水位开始起涨到开始消落期间的调蓄量的变化过程,因此本文重点分析了汛期的调蓄量变化的过程。水利论文R*W:pPT

通过整理50~90年代汛期的洞庭湖进出口各站的实测资料,在相同的螺山水位条件下(水位相差不超过±0.2m),点绘了入湖总流量(三口+四水+区间,Q,m3/s)和一日调蓄量的关系(W,108m3)(见图4)。

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由于螺山50年代、60年代、70年代的最高水位为32.32m,80年代为33.01m,90年代为34.92m。在最高水位处,50~70年代的点子少,故图4(a)中只是将80、90年代做了对比。由图4(a)可见,90年代的点子都在80年代的上方,这说明在相同的入湖流量的条件下,洞庭湖的调蓄量90年代大于80年代。水利论文.B)R5j:R1XDv z

4 入湖流量与一日调蓄量的关系
(v3Q eq;T'zs0Fig.4 The interannual change of the flood storage capacity

从图4(b,c,d)中可以看到,在30m、27m较高的水位时,相同的入湖流量条件下洞庭湖的调蓄量从50年代到90年代呈增大的趋势;但在水位较低(24m)时则各年代变化不明显。

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这与文献[2]的60、80年代的同条件下的比较是一致的。分析其变化的原因,相同的下游水位条件下,荆江对洞庭湖出流的顶托作用可以认为是变化不大,同时在点绘图4的时候,没有区分出湖区淤积和围垦的影响,因此在影响湖区调蓄量的其他几个因素中,由于下游河段的淤积造成的城陵矶出流变小,自60年代开始正逐渐变成影响调蓄量的主要因素。尽管从60年代到90年代,湖区的淤积仍在继续,平均每年在洞庭湖沉积的泥沙为1.23×108t,约折合0.90×108m3,裁弯前1.69×108t,折合1.20×108m3,裁弯后为0.97×108t,折合0.69×108m3。围垦60年代以后直到90年代虽然变化幅度不大,但也是逐渐减小的。二者的综合作用是使洞庭湖调蓄量50~90年代逐次变小,但下游淤积造成的影响不仅抵消了他们的影响,而且还使相同入湖流量下的调蓄量50~90年代逐次变大。这表明,90年代与以前相比,相同条件下,调蓄量变大了,近年来“中小流量高水位”现象的加重,不能从洞庭湖调蓄量变化上来找原因。

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4 影响因素分析水利论文$Z3|q3u|O

从上述分析中可以看出,洞庭湖的淤积、湖区的围垦、下游河道的淤积这三个影响调蓄量变化的因素中,自60年代以来,下游的淤积正逐渐成为占主导作用的因素,湖区淤积和围垦的综合作用尚不能与之匹敌。

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洞庭湖因泥沙淤积和围垦,人与水争地,围湖垦殖和泥沙淤积,致使湖泊严重萎缩,破坏了平原区江湖的原有的平衡,加上占用行洪洲滩,抬高江湖洪水位,导致洪灾加剧。洞庭湖现有湖泊面积2691km2,河道水面面积1307km2,总计水面面积近4000km2。近50年来湖底平均淤高1.23m,外湖面积净减1659km2,容积相应减少119×108m3,湖泊天然调蓄功能因此减少20.1%[9]。但究竟淤积和围垦在调蓄量变化中占多大的权重,下游淤积又起到什么样的作用,本文试图进行一些合理的估算。水利论文;Ni)F;LM8dfe8@(h$r

4.1 荆江水沙涌入洞庭湖,造成湖盆急剧萎缩

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1951年以来,洞庭湖年均淤沙约1×108m3。洞庭湖区的泥沙绝大多数淤积在东洞庭湖、南洞庭湖、西洞庭湖这三大湖泊之中,约占90%以上,其中,东洞庭湖淤积总量约占50%以上[4]。湖区泥沙淤积对中低水的容积损失巨大,但对洞庭湖调洪影响有限。这是因为长江中下游高水位多由连续多次洪水过程导致,在洪水主峰来临之前,中低水湖盆已被四水来水填满,在中高水位,调洪是通过水位增量之间的容积来发挥作用的,此时湖容的减少,主要是围垦造成的[4]。洞庭湖每淤积1×108t泥沙,泥沙干容重按1.4t/m3计,则调蓄湖容减少0.71×108m3;自1955~1988年间,洞庭湖区累积淤积量为38.1×108t(图5),由此造成的湖容损失约为27×108m3

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4.2 围垦使湖泊萎缩,湖垸形势恶劣水利论文9eEr(|TG5L `

分析围垦的来由和影响,对加深认识是有益的。洞庭湖围垦的历史悠久,可以上溯到石器时代,到汉晋时代,围垦已初具规模,当时文献称洞庭湖为“洞庭陂”,表明湖区已全面筑堤围垦了。自唐到宋,再到明湖,围垦一直在继续,但增加速度较慢。1949年以来,洞庭湖经过疏浚洪道,加修大堤,湖区的围垦和农业出现了新面貌[6]。此时的围垦大致可分为三个时期:一是1954年及其以前的几次大水,使原有的堤垸几乎全部漫溃,照原有的规模恢复工程浩大,无法完成,于是进行了有计划的堵支并流、合修大垸,共减少湖泊面积435km2。二是1956年到1960年间进行了大量的围垦,外湖面积减少迅速,先后围垦了建兴、钱粮湖、屈原、千山红等农场,共减少湖泊面积774km2,平均每年围湖18万亩,即120km2。两次合计减少湖泊面积1209km2,占总减少面积的75%以上。三是60年代以来的小规模围垦和内湖围垦以及矮围灭螺堵了一些湖汊,60年代围192km2,70年代围了约200km2。其中70年代围垦的中洲垸、漉湖、横岭湖是这一时期的较大者,后两者均在围成后的第一个汛期溃废[6,7]。在1949年前的近2000年,洞庭湖区围垦面积约1 028km2。1949年以后人口剧增,仅50年代即围垦1433km2,60、70年代又围垦246km2,湖泊面积急剧减小(图6)。30年的围垦面积超过历史上的2000年,这是一个短期内人为破坏生态环境的惊人数字[8]

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5 洞庭湖和螺山汉口河段的累积淤积量水利论文R5Pftp/u
Fig.5 The accumulated deposition in Dongting Lake and the reach from Luoshan to Hankou
6 洞庭湖湖泊面积变化图水利论文#F-lZ4olFw
Fig.6 The change of surface area of Dongting Lake
  虽然文献[4]、[6]中的围垦的具体值稍有差异,但都反映了由于湖泊的过度围垦使湖泊大量失去了蓄纳水沙场所。洞庭湖每围垦100km2,以平均水深10m计,调蓄湖容减少约10×108m3;自1955~1988年间,洞庭湖因围垦而损失的湖容约为120.3×108m3,远远大于湖区泥沙淤积造成的影响。由上文的分析及图6可知,洞庭湖围垦在1955到1958年增加速率最为严重,为了分析围垦对调蓄量的作用,本文点绘了相同出口水位条件下,1955、1958年调蓄量和总入湖流量的关系图(图7)。从图7中可以看出,1955年的调蓄量比1958年的调蓄量大。
7 1955、1958年调蓄量与总入湖流量的关系
"Htt!o8B W PM0Fig.7 The relationship between flood storage capacity and inflow in 1955,1958

在短短的这段时间中,洞庭湖的淤积和下游的淤积可以近似认为变化不大,调蓄量的变化主要是由于过度的围垦造成的。1955到1958年按围垦了600km2计,在螺山水位时(图7),经拟合曲线,可得洞庭湖调蓄量和入湖流量的经验拟合公式

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1955年W1=0.0013Q-28.411(1)
1958年W2=0.0012Q-29.417(2)

式中W1、W2为洞庭湖一日调蓄量,108m3;Q为入湖流量,m3/s。

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由式(1)、(2)可以计算在各级入湖流量下围垦造成的调蓄量的变化,见表1。

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由上表可见,在流量大时,围垦对调蓄量的作用明显。

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4.3 下游河段的淤积水利论文AuutX

由于三口分流分沙的不断减小,尤其是1967~1972年下荆江三处裁弯加速了这种进程,使得三口分流分沙比明显下降。使本该进入洞庭湖的水沙直接由长江干流下泄,增大了长江干流的水量、沙量,使得河床重新调整以适应这种变化,造成泥沙淤积部位发生改变(表2,图5)。水利论文&EC5}4d5w9p V!j$f6m

1 围垦造成的调蓄量变化估算 单位:108m3水利论文T1j5f:[1ZSGzf7]l

Table 1 The changes of flood storage capacity

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入湖流量(m3/s)1955年调蓄量1958年调蓄量调蓄量减小值每围垦1km2调蓄量减小值

20000-2.411-5.4173.000.005
3000010.5896.5834.000.0067
4000023.58918.5835.010.0083

2 洞庭湖区及螺山至汉口河段淤积变化 单位:106t水利论文)z"h(t#?'X-s

Table 2 The change of the deposition in Dongting Lake and Luoshan to Hankou reach

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时段(a)1956~19661967~19721973~19801981~1988多年平均

洞庭湖区年平均淤积量168.90130.42109.03107.38132.41

螺山汉口段年平均淤积量25.0148.1170.9586.7555.10

  注:本文中螺山汉口淤积量计算均采用输沙量法资料。

大量的泥沙在螺山~汉口河段沉积下来,抬高了城陵矶出流和荆江出流的侵蚀基面,从而抬高了长江中游和洞庭湖区的洪水位。这就造成:

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(1)整个长江中游及洞庭湖区的高水位持续时间增加水利论文9e$U%M Z8nY

洞庭湖出口城陵矶站1998年高水位持续时间见表3[10]。自6月份超警戒水位32m以来,高水位持续84d。

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3 城陵矶站高洪水位持续时间比较

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Table 3 The remained time of flood level

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水位(m)32333435

1998(d)84785542
1954(d)7656240

(2)洞庭湖出口及下游河道的泄洪能力下降

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由于水位的抬高,增加了水流漫滩的机会,造成下游河道的滩槽同步淤积[11],占据行洪断面。使螺山河段泄流能力减少15000~20000m3/s[12]。由于螺山河段泄流量减少,使得洞庭湖吐洪量减少。1998年城陵矶出现35.94m最高水位时,出湖量仅28800m3/s(见表4)。

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4 城陵矶、螺山站历史上三次最高水位、流量比较

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Table 4 The highest water stage and discharge in Chenglingji and Luoshan水利论文7wF+?9U @sL.i


城陵矶螺山
年份
水位(m)流量(m3/s)水位(m)流量(m3/s)

195434.554340033.1778800
199635.314350034.1768200
199835.942880034.9564000

(3)出湖水面比降减小,造成洞庭湖出流不畅,被动加大了洞庭湖的调蓄量

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尽管控制松滋河、虎渡河及藕池河中、西支、澧水和西洞庭湖出口的南咀水文站位于湖区尾闾,由于淤积及下游水位抬升的影响,同流量下水位不断抬高,但它们与七里山的水位落差是逐年减少的。不仅如此,湖区其它测站如东洞庭湖的鹿角站、西洞庭湖的肖家湾站、藕池河东支的北景岗站与出口城陵矶站的水位落差也是减小的[13,14]。这表明,50年代到90年代,湖区的坡降减缓,水流在湖内滞留的时间增加。水利论文V }*J9@R%}N

由于上述原因,50年代到90年代在相同出口水位条件下,调蓄量呈增加的趋势,尤其是以裁弯后最为明显。水利论文6?/Y+Ao {2`H(y

综上所述,湖区淤积和围垦对调蓄量的作用中,围垦的作用远远大于淤积,淤积只是对中低水位的湖容有影响,而围垦则是大流量时作用更显著。下游河道的淤积通过多方面的影响,使洞庭湖出流不畅,造成的影响比湖区淤积和围垦的综合作用还大。

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5 结论

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从本文的分析可知,在相同的入湖流量条件下,洞庭湖的调蓄量在年内随水位的升高而变小。在相同的出湖水位条件下,洞庭湖的调蓄量从50年代到90年代的变化呈增大的趋势。年内变化是由于湖容和下游过水断面面积及出流顶托综合作用的结果。在相同下游水位及入湖流量条件下,洞庭湖调蓄量50~90年代增大,受到湖区淤积、围垦和下游河道淤积的综合作用。其中,下游河道淤积作用最大,围垦次之,湖区淤积最小。前者所起的是正作用,后两者起的负作用。因此,在洞庭湖的治理对策中要充分考虑下游泥沙淤积的影响。

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