摘 要:根据1956—2020年出入湖输沙过程等实测资料,定量研究了湖区水沙运动特征和湖盆由淤积向冲刷转变的演变过程及水文生态效应。
利用1998、2010和2020年进行的三次典型断面测量成果、遥感影像和现场调查勘测资料分析计算后发现:(1)2000年以前鄱阳湖以淤积为主。
(2)2001—2010年有淤有冲,中部主湖区12个典型断面滩槽平均淤高0.51m;入江水道滩槽平均下切0.35m、泥沙冲刷量达19121×104m3。
(3)2011—2020年湖盆全面冲刷,中部主湖区滩槽平均下切0.35m;入江水道滩槽平均下切1.39m、泥沙量为9608×104m3。
(4)湖区采砂加剧了河床侵蚀,2000—2010年通江水道采砂量为9348×104m3,相当于自然冲刷量的45%;2011—2020年采砂量为8157×104m3,相当于自然冲刷量的85%。
(5)入江水道侵蚀,使1—3月湖水位全面降低,直接改变了湖泊湿地的洲滩植被分布格局。
研究结果表明,江河湖泊高泥沙含量增加了开发治理的复杂性,水土资源开发利用要坚持科学有度原则,同时要高度重视生态环境建设与保护。
关键词:水沙运动;淤积;冲刷;采砂;生态环境保护;鄱阳湖;长江流域;人类活动;作者简介:胡振鹏(1948—),男,教授,博士,主要从事水文学与水资源、水环境、水生态等研究。
基金:国家自然科学基金项目(41261053);引用:胡振鹏,王仕刚.鄱阳湖冲淤演变及水文生态效应[J/OL].水利水电技术(中 英文). 0 引 言鄱阳湖是我国最大的淡水湖,平均每年出湖水量1480×108m3,以9%的流域面积为长江提供了16.7%的清洁淡水,成为长江中下游水资源、水环境和水生态的绿色屏障。
长期以来,鄱阳湖流域水土流失严重,河湖泥沙淤积,湖盆萎缩。
水沙引运动特性和湖区冲淤引起了社会关注。
1983年鄱阳湖第一次科学考察对进出湖泥沙量变化过程、湖区淤积分布进行了详细调查,绘制了1/(25×104)湖区沉积物分布图,并把治理水土流失作为“江西山江湖开发治理工程”的重要举措之一。
江西省地质调查院马逸麟等从1985年开始对鄱阳湖区泥沙淤积情况进行了深入细致的调研和监测,发现至1998年湖区仍呈现淤积状态。
左长青认为,鄱阳湖泥沙淤积减少了鄱阳湖内洪水期的调蓄能力,加剧了枯水期湖区风沙危害并阻碍航运交通,影响到湖区水产资源的生长和繁育。
李微等发现鄱阳湖入湖泥沙从90年代开始下降趋势加剧,突变点在1998年前后;出湖泥沙1956—2000年整体呈下降趋势,2001—2011年呈现上升趋势,突变点在2003年前后。
孙鹏等认为森林覆盖率对输沙量的影响远远大于对径流的影响,水库蓄水对五大支流的水沙变化影响很大,对输沙量的影响更为显著;罗蔚等分析1956—2008年赣江等五河7个水文站水沙资料也得出了类似结论。
进出湖水沙过程变化对湖区产生淤积或冲刷,引起鄱阳湖湖盆地形变化。
廖智等依据1998年、2010年鄱阳湖地形测量成果,分析了鄱阳湖不同区域的冲淤变化情况, 1998—2010年松门山以南主湖区呈现淤积,松门山以北的入江水道出现冲刷。
吴桂平等利用鄱阳湖1980、1998和2010年湖盆水下地形数据研究湖盆冲淤的时空变化特征,1980—1998年松门山以南主湖区淤积明显,平均淤高0.82 m,1998—2010年淤积现象减缓;入江水道湖盆底高程显著下降,平均下降速率高达30.75 cm/a;赣江、抚河、修河入湖三角洲延伸速率逐渐减缓。
MEI等介绍,1960—1999 年的沉积在鄱阳湖湖盆的泥沙平均每年 421×104t;而2000—2012年从鄱阳湖流入长江的泥沙平均每年782×104t;从主湖区泥滩采集沉积物分析表明,1960—2002年沉积通量稳定增加,平均值为0.27 g/(cm2.a),以后沉积通量下降。
ZHANG等收集分析146 幅卫星图像,用水岸线法构建了 2000—2010 年湖底地形图,发现湖底高程平均每年下降14.4cm。
欧阳千林等研究1996—2010年6幅枯水期TM遥感影像数据和2010年典型断面测量数据后,认为入江水道主河槽总体表现为冲刷,冲刷速率为每年0.01 m,主槽总体表现稳定,不存在游荡现象。
欧阳千林还分析了2020年典型断面湖底地形测量成果,认为2010—2020年间,鄱阳湖总体处于冲刷状态,以棠荫为界呈"北冲南淤"态势,但入江水道冲刷程度逐渐减弱YUAN等详细研究了湖口与长江交界处水沙运动对水底地形的影响与作用特征。
2000年长江干流禁止采砂,大量采砂船进入鄱阳湖。
湖区大规模采砂引起专家学者的关注。
GAO 等通过分析长江和鄱阳湖河床形态和出流资料后,估计2001—2010 年总输沙量(包括采砂)为 1.2×108t/y。
LEEUW 等利用近红外 Aster 卫星图像估计离开湖泊的船只数量,计算得出鄱阳湖2005—2006年采砂 2.36 ×108m3,相当于中国建筑用沙总需求的 9%。
YE等利数字高程模型分析,估计每年采砂量0.96×108t,湖盆中部挖深,北部通江水道拓宽,导致湖水流出量年均增加182.74 m3/s,全湖水位下降0.23-0.61 m。
QI等计算分析1952和2010年鄱阳湖地形图后认为,2001—2010年间,鄱阳湖采砂面积范围大约为260.4km2,挖沙平均深度4.95 m,采砂量达到12.9×108m3;通过遥感影像辨识挖沙船只,2007年以前挖沙集中在北部湖区,2007年以后以中部湖区为主;采砂扩大通江河道的过水断面面积,引起近年来鄱阳湖秋冬季枯水期提前、枯水期延长,并水体含沙量增加、水体透明度降低。
LAI等利用调查和遥感数据调查了河道变化大规模采砂使鄱阳湖流出河道更宽、更深。
鄱阳湖在低水位下排入长江的能力已增加到采砂前的1.5—2倍。
周建军等认为,鄱阳湖大量采砂已经破坏了入江水道的自然水力顶托机制,是鄱阳湖连续出现极低水位的原因。
唐国华等通过实证研究说明,虽然鄱阳湖入江水道由淤积转变为冲刷,但出湖流量过程没有发生趋势性变化。
从文献综述可知:(1)对于2010年以前进出湖泥沙数量变化、湖区淤积冲刷变化过程及其原因认识比较一致,但2010年以后有关情况的研究成果很少。
(2)对湖区大规模采砂的危害认识一致,但采砂数量(0.96~2.36 ×108m3)的估算差异甚大。
由于运输成本原因,江西本省建筑用沙主要来自赣江等五河干支流;鄱阳湖的砂料(粗中砂)主要船运到上海等城市作建筑材料使用。
陈志华等介绍,包括了人工沙和天然细沙在内,2001年上海市建筑用砂1.3~1.5×104t,2013年全市建筑用沙4400×104t,主要来自湖北、江西、安徽、浙江和江苏等地;可见鄱阳湖每年采砂0.96~2.36 ×108m3与需求关系不协调,可信度不高。
(3)入江水道侵蚀对鄱阳湖的水文效应的看法几乎针锋相对,生态环境效应的研究成果不多。
进入21世纪前夕,钱正英、张光斗院士在《中国可持续发展水资源战略研究》中指出,“江河高泥沙含量是我国水资源的一个突出问题。
……增加了我国江河治理的复杂性和生态环境建设的迫切性”。
本文在现有资料基础上,增加监测和收集到的2010年以后进出湖泥沙量及年内分配过程、2020年湖区典型断面监测结果、卫星遥感影像等资料,全面、深入地研究鄱阳湖区水沙运动特征和湖区泥沙淤积冲刷变化过程及空间分布,探索湖区冲淤演变趋势;根据典型断面监测、遥感影像等资料,利用地理信息系统(GIS)及相应技术,计算入江水道各阶段自然冲刷与采砂数量关系;研究入江水道河床侵蚀对湖区水文过程和水生态的影响。
为鄱阳湖资源开发利用、水环境和水生态保护提供科学支撑。
1. 进出鄱阳湖泥沙变化过程和水沙运动特征鄱阳湖位于长江中下游交界处,接纳赣江、抚河、信江、饶河和修河来水,调蓄后汇入长江,湖盆周边还有博阳河、漳田河、潼津河等中小河流汇入(见图1)。
鄱阳湖是一个流动水体浅水湖泊,水位涨落受入湖河流来水与长江水位的双重影响。
受亚热带季风气候影响,呈现“高水是湖、低水似河”、“洪水一片、枯水一线”的自然景观。
丰水期呈现大湖景观,浩瀚辽阔,称为“湖相”;枯水期呈现河流与洲滩景观,水流在河槽中流动,两侧为沙滩、泥滩或草洲,称为“河相”。
赣江在南昌市下游逐级分汊,主支在吴城与修河一起流入鄱阳湖,吴城至渚溪口称为西水道;南支入湖后,抚河、信江汇入流至余干县瑞洪镇,瑞洪至渚溪口称为东水道;东西水道在渚溪口合并在湖口进入长江,称为入江水道。
赣江等河流设有七个水文站监测入湖流量和输沙量等水文要素;湖口设有水文站监测水位、进出湖流量和输沙量等。
湖区设有星子、都昌、棠荫、康山、吴城等水位站(见图1)。
图1.鄱阳湖区水文站、水位站和典型监测断面分布1.1 进出湖泥沙数量变化过程进出湖泥沙数量变化过程影响到湖区水沙运动和冲刷淤积过程。
根据1956—2020年赣江外洲站、抚河李家渡站、信江梅港站、饶河渡峰坑和虎山站、修河虬津和万家埠站的输沙率监测资料与流量相乘、按照年份相加,得到通过河流进入鄱阳湖的泥沙量,湖盆周边入湖泥沙量按照五河单位面积平均输沙量同倍比放大,计算得到1956—2020年入湖输沙量过程;根据湖口水文站同期实测记录,计算得到鄱阳湖出湖输沙量过程(其中长江倒灌进入鄱阳湖输沙量记为负值),如图2所示。
1956—2020年平均每年入湖泥沙量1444×104t,最多为3304×104t(1973年)、最少为343×104t(2007年);出湖泥沙量平均每年968×104t,最多为2170×104t(1969年)、最少为-372×104t(1963年长江净倒灌)。
根据进出湖泥沙数量和流域水土资源保护、开发状况,将1956—2020年湖盆淤积和冲刷分为3个时期描述。
图2. 1956-2020年鄱阳湖进出湖泥沙过程1.1.1 1956—1984年这一时期平均每年入湖泥沙量1962×104t、出湖1036×104t(见图2)。
鄱阳湖1.622×105km2流域面积中山地约占36%、丘陵占42%[3]。
长期以来砍伐森林、植被破坏,垦山造田、水土流失严重,森林覆盖率由1949年的40.3%下降到1983年的34.73%;水土流失面积34177km2,占流域总面积的21%,其中中度侵蚀(侵蚀模数大于3000t/km2·a以上)面积达16429km2。
大量的泥沙进出鄱阳湖。
1.1.2 1985—2000年这一时期平均每年入湖泥沙量为1365×104t,比前一时期减少30.4%;出湖泥沙为724×104t(图2),比前一时期减少30.1%。
泥沙减少的原因,一是1957—1980年鄱阳湖流域修建设了大量的水库,水库蓄水拦截了部分泥沙;二是改革开放后开始采取小流域综合治理、天然林封育等措施治理水土流失,水土保持工作初见成效。
1.1.3 2001—2020年从2001年开始出湖泥沙量大于入湖泥沙量。
2001—2020年平均入湖泥沙757×104t,出湖平均每年1066×104t(图2)。
持续不断的水土流失治理措施发挥了明显的效益,2010年流域森林覆盖率达到61.7%,森林植被质量提高;另外1998年以后各类病险水库得到维修加固,蓄水拦沙能力进一步提高;两者共同作用导致入湖泥沙进一步减少。
出湖泥沙大幅度增加与湖区采砂密切相关。
2000年长江干流禁止采砂后,采砂船进入鄱阳湖大规模采砂。
采砂使湖泊水体浑浊,大量泥沙以悬移质形式流出鄱阳湖,增加了出湖泥沙量。
1999、2000年湖区没有大规模采砂时,出湖泥沙量仅541×104t、580×104t,2001—2005年采砂活跃,出湖泥沙达1080×104—1550×104t;2008年停采整顿,出湖泥沙量下降到741×104t;2010年采砂再掀高潮,出湖泥沙量达1590×104t,2017年严厉整顿湖区采砂、2018年以后湖区采砂活动全面停止,出湖泥沙量下降到341×104—525×104t。
1.2 鄱阳湖水沙运动特征除了进出湖泥沙量影响鄱阳湖水沙运动外,湖区水动力学特性也是重要影响因素。
受亚热带季风气候影响,鄱阳湖流域降水集中在3—6月,降雨量占全年的57.2%,入湖径流量集中在3—7月,占全年径流量的60%,入湖泥沙量则占全年的70%;8月至次年2月入湖泥沙较少(见图3)。
出湖泥沙量受湖盆水流流速时空分布影响,11月至次年4月水流在东、西水道和入江水道河槽中流动,湖区滞留时间约8—10d,流速较快,出湖泥沙约占全年的56.3%(图3),主河槽容易产生冲刷。
5月鄱阳湖水位上涨,呈现湖泊状态,湖面辽阔;7—9月是长江主汛期,长江水位高、流量大,对鄱阳湖产生顶托或倒灌,长江泥沙倒灌进湖(见图2),水流在湖盆滞留时间28d左右,水流缓慢,中部主湖区流速更小,导致泥沙大量沉积,5—10月净出湖泥沙量仅占全年的18.1%(见图3)。
水沙运动这一特征使得鄱阳湖中部主湖区7—9月容易淤积,东、西水道和入江水道11月至次年4月易受冲刷。
图3. 1956-2020年平均每月进出鄱阳湖泥沙量2. 湖盆冲淤变化过程为了监测鄱阳湖冲淤分布及其变化过程,1998年在湖区设定的34个典型断面,从湖口开始,每隔5km一个,至青岚湖为止;其中共28个断面穿越东、西水道和入江水道,空间布局见图1。
1998、2010年和2020年分别进行了典型断面的湖底高程测量。
将3次测量28个断面的主漕深泓最低点高程、滩槽平均高程列在表1中。
用2010年深泓最低点高程和滩槽平均高程减去1998年相应数值,得到“至2010年变化值”;同样用2020年数据减去2010年相应数值,得到“至2020年变化值”;根据主漕深泓最低点变化值和滩槽平均高程变化值可以分析各个典型断面冲淤变化情况,结果列在表1中。
距1#断面上游2km处,设有湖口水文站测流断面(见图1),测流断面隔几年测量一次地形变化情况,将1998、2010和2020年相应结果也列在表1中。
根据进出湖泥沙变化过程和典型断面监测的分析结果,分4个阶段研究湖盆从严重淤积到全面冲刷的演变过程和冲淤空间分布情况。
2.1 1956—1984年湖区淤积严重1956—1984年平均每年924×104t沉积在湖盆中。
第一次鄱阳湖科学考察对湖盆淤积情况进行了详细调查。
结果显示,入湖泥沙大量沉积在入湖三角洲前沿,1949—1984年的35年内,赣江主支和中支向湖中心延伸7km、北支延伸11km、南支延伸12km,赣江入湖三角洲平均每年发育25mm;饶河三角洲每年发育3mm;信江、修水介于赣江和信江之间;抚河主要淤积在青岚湖,平均每年增加69mm,总厚度达1.79m。
在松门山以南的主湖区,由于湖面辽阔,水流流速缓慢,洲滩普遍淤积,估计平均每年增高6mm左右。
入江水道纵坡降较大,水流流速快,狭窄河段表现为冲刷,边滩较宽或有湖湾的河段边滩淤积,总体上入江水道平均每年刷深3mm。
五河入湖三角洲不断发育,促使围湖造田愈演愈烈,鄱阳湖处于萎缩状态。
1954年星子站最高湖水位20.66m(1985国家高程基面,以下相同)时,湖盆水面面积4390km2,1985年缩小到3222km2,减少26.6%;蓄水量由336×108m3减少到261×108m3,减少22.3%。
2.2 1985—2000年东水道淤积严重1985—2000年平均每年入湖泥沙量由1956—1984年的1960×104t下降到1365×104t,出湖泥沙由平均每年1036×104t下降到724×104t(见图2),但入湖泥沙仍然大于出湖泥沙,平均每年641×104t泥沙沉积在湖盆中。
入湖三角洲发育的速度比1985年以前明显减缓,赣江三角洲平均每年淤高2.5mm,抚河入湖口平均淤积12.4 mm/a;信江三角洲平均淤积速率为2.8mm/a。
松门山以南主湖区洲滩平均每年淤积2.1mm/a;东水道淤积尤为突出,1998年典型断面测量结果显示,从饶河入湖18#断面至康山大堤22#断面一线主槽深泓最低点仅6.82—11.04m(见表1),东水道枯水期的航运功能基本丧失。
2.3 2001—2010年入江水道受到冲刷从2001年开始,出湖泥沙量大于入湖泥沙量,鄱阳湖总体上处于冲刷状态;但有的地方淤积有的地方冲刷,空间分布不均衡。
比较1998和2010年28个典型断面地形测量结果(见表1)可知,1998—2010年,入江水道1#—10#断面主漕全面受冲,主漕深泓平均下切4.11m,滩槽平均下切0.35m;冲刷最深的为2#断面(-10.57m),其次为7#老爷庙断面(-9.18m);2#、3#、8#、10#断面槽冲滩淤,其他断面滩槽均冲。
中部主湖区12#—23#断面整体呈现淤积状态,主漕深泓平均下切0.88m,滩槽平均淤高0.51m。
南部湖区26#—28#断面,有淤有冲,主漕深泓平均下切1.12m,全断面淤高0.95m(见表1和图1)。
2.4 2011—2020年湖区全面冲刷比较2010年和2020年测量结果,2011—2020年整个湖区从有淤有冲转变为全面冲刷。
入江水道1#—10#断面中,仅4#、10#断面主漕深泓冲刷、边滩淤积,其余断面漕滩全部下切;主漕深泓平均下切2.01m,滩槽平均下切1.39m(见表1)。
中部主湖区12#—23#断面中,13-1#、16-1#、17#、18#、21#断面漕冲滩淤;12#、15-1#、19-1#、23#断面漕滩均冲,13-2#、14#、22#三个断面主漕深泓位置调整;12个断面主漕深泓平均下切0.43m,滩槽平均下切0.35m。
南部湖区26#、28#主漕深泓位置调整,27#断面漕滩均冲,主漕深泓淤高1.86m,滩槽平均下切0.23m(见表1)。
3. 入江水道自然冲刷量和采砂数量估算入江水道是沟通鄱阳湖主湖区与长江的纽带,也是泥沙、污染物质、鱼类和长江江豚江湖交流的通道。
入江水道冲刷或淤积,对鄱阳湖水资源、水环境和水生态影响很大。
下面重点讨论入江水道的冲淤变化。
图4列示了入江水道1#—10#断面1998、2010、2020年断面底部高程监测结果。
图4 入江水道1998、2010、2020年典型断面侵蚀过程3.1 典型断面侵蚀量计算根据典型断面底部高程测量结果,将1998年、2020年和2010年河槽最低点高程列在表2中。
底部高程测量时水平间距悬殊较大,简单的算术平均不能反映真实的滩槽平均高程;因此,以监测起始点的高程作为断面上位线(见图4中1#断面),用条带法计算上位线与底部高程之间的面积,称为“断面面积”;不论是自然原因还是人为因素作用,断面面积扩大均称为“断面侵蚀”。
对宽浅式河床而言,用断面面积除以断面宽度,得到河底平均高程比较符合实际(见表2)。
表1中的滩槽平均高程也是这样计算的。
3.2 自然冲刷量和采砂量计算对入江水道每一个典型断面,2010年断面面积减去1998年的断面面积得到1998—2010年该断面侵蚀面积(见表3中“2010前”),用2020年面积减去2010年面积得到2011—2020年入该断面的侵蚀面积(见表3中“2010后”),“侵蚀总面积”为负值,表示断面淤积。
河床断面侵蚀量由水沙运动产生的自然冲刷和挖沙两部分组成。
从断面侵蚀形态可以判断哪些是自然冲刷,哪些存在采砂挖掘损失。
自然冲刷将原来的主漕进一步切深和拓宽,2000年以前鄱阳湖没有大规模的采砂活动,可以认为1998年断面侵蚀基本上是由于自然冲刷引起,2010、2020年产生的自然冲刷一般在1998年河道深泓的基础上加深、扩大。
如图4中断面2#、3#、4#、6#和10#所示;1#断面右侧大面积侵蚀,也是自然冲刷引起,由于长江干流河床刷深下切,在水流作用下,引起与长江交接的湖口断面右侧高强度侵蚀。
采砂产生的侵蚀更多地具有人类活动印记。
5#和9#(老爷庙)断面主漕在左侧,主漕右侧的沙滩全部挖掉了;7#断面主漕居中,先后在主漕两侧采砂,主漕断面人为地扩大。
5#、7#、8#、9#断面侵蚀既有自然冲刷,也有采砂挖掘所致(见图4)。
很明显,图4中8#(星子)断面右侧侵蚀的一块,是在主漕旁边的沙洲采砂所致。
根据1998年主漕下切深度和形状,考虑自然冲刷切深扩大作用,比较2001年、2010、2017年枯水期入江水道遥感影像,考察断面上下游河道主槽自然状态及挖沙情况,可以粗略地画出自然冲刷和人为采砂的分界线(见图4粗虚线)。
如1998年5#、9#断面河槽深泓在左侧,右侧大面积侵蚀,是挖沙所致;7#断面主漕居中,参考遥感影像资料,可知主漕两边均有挖沙活动,根据附近未采砂河段的主漕宽度,可以区分自然冲刷和人工采砂的界线。
确定了自然冲刷和人为采砂的分界,就可以根据断面测量数据用条带法计算各断面自然冲刷面积和采砂挖掘掉的面积。
1998—2010年(2010年前)和2011—2020年(2010后)各典型断面总侵蚀面积、自然冲刷面积和挖沙挖掘损失面积列在表3中。
河道主漕在整个入江水道是贯通的,冲刷深度及形状取决于河床地质条件及该河段水沙运动状态。
如果典型断面具有代表性,可以分别将表3第6、7列上下两个断面求平均值得到河段平均冲刷面积,乘以两个断面距离(5km),得到这一河段侵蚀量,9个河段相加,得到入江水道自然冲刷总量,1998—2010年共侵蚀19121×104m3,2010—2020年共侵蚀9608×104m3。
2010年以后入江水道自然冲刷比2010年以前略有减少。
采砂面积不连续,典型断面存在采砂挖掘损失仅提示该断面上下游曾经有采砂活动。
采砂地点与面积大小取决于砂层在湖区分布状态。
2000—2007年主要集中在松门山周边(包括9#老爷庙断面上游)采砂。
2008年全湖停止采砂、进行整顿。
2009—2018年采砂地点主要在入江水道。
2018年鄱阳湖全湖停止了采砂活动。
为了计算入江水道的采砂数量,以2001枯水期入江水道遥感影像作为无采砂活动的比较基准,利用遥感影像自动监督分类方法和GIS技术,分别在2010、2017年枯水期入江水道遥感影像中提取出采砂面积,例如对于同一块沙洲,用2001年影像的沙洲面积减去2010年影像的沙洲面积,得出2001—2010年采砂挖掘掉的面积。
求出了每一块沙洲采砂损失的面积,参照附近的典型断面监测的采砂区底部高程,就可以计算出这块沙洲的采砂数量。
将入江水道所有采砂洲滩的计算结果相加,得到2001—2010年在入江水道采砂量为9348×104m3,是同期入江水道自然冲刷量的0.49倍,按照计算中粗砂密度1.3t/m3,折合1.2152×108t;采砂地点主要在9#(老爷庙)断面上游,其次在5#断面上下游。
2011—2018年在入江水道采砂量为8157×104m3,是同期入江水道自然冲刷量的0.85倍,折合1.0604×108t;采砂地点在7#断面下游至9#(老爷庙)断面下游一线。
4. 入江水道河槽侵蚀对水文过程的影响4.1 对水位过程的影响入江水道在自然冲刷和采砂活动的双重作用下侵蚀严重,明显改变了湖口站和星子站之间的水位关系。
利用1998年和2019年湖口站和星子站日平均水位进行回归分析,如图5所示。
图5. 1998年与2019年湖口站和星子站水位关系1998年:H星子=0.9238h湖口+1.3661H星子=0.9238h湖口+1.3661 (1)2019年:H星子=0.9964h湖口+0.1303H星子=0.9964h湖口+0.1303 (2)式中,H星子H星子为星子站日均水位(m);h湖口h湖口为湖口站日均水位(m)。
两式均通过可靠性检验。
由此可以计算得到,湖口水位6m时,1998年星子水位6.91m,2019年只有6.11m;湖口水位8m时,1998年星子水位8.76m,2019年只有8.10m;湖口水位17m时,2019年的星子水位与1998年大致相同。
入江水道下切对鄱阳湖区水位过程影响是广泛的。
2003年以后,鄱阳湖枯水出现时间提前、低枯水位加剧、枯水期延长,星子站9m水位提前40d出现[27]。
1—3月长江上游水库加大出力发电,为长江补水,湖口站平均水位比2003年以前有所抬升(见表4),由于鄱阳湖入江水道下切,星子、都昌、棠荫和康山等水位站平均水位比2003年以前下降0.03—1.45m,导致鄱阳湖枯水期向后延长。
入江水道10#(渚溪口)断面宽10km,到9#(老爷庙)束窄到4km,水流减缓、泥沙沉积,长年累月形成一条宽厚的沙埂,沙埂在一定程度抬高了上游水位。
9#(老爷庙)断面采砂和冲刷受侵蚀后,沙埂挡水作用消失,加快都昌水域水位下降。
如表5所示,都昌站2003年以前历史最低水位枯8.62m,2007—2009年连续出现8.18、8.05、7.99m的历史新低,2012—2014年再一次将历史最低枯水位更新到7.92、7.54、7.47。
最低枯水位持续下降,迫使都昌县自来水厂不得不另行择址新建。
4.2 对湖口出湖流量过程没有产生趋势性变化入江水道河床下切、过水断面扩大,并不代表出湖流量增大、鄱阳湖更多的水流入长江。
在1#(湖口)断面上游2km的设有湖口水文站出湖流量测流断面,该河段为岩石基质,多年来没有受到明显冲刷(见图1和表2),对下切的入江水道而言,相当于在鄱阳湖出口形成一个“门槛”,使得鄱阳湖出湖口门没有扩大。
另一方面,根据水力学谢才公式可知,水面坡降i减小,断面流量相应减小;过水断面增大,断面流量增加;两者共同影响出湖流量。
究竟出湖流量过程是否增加,要用实测资料来检验。
分别计算了1981—2000年、2001—2020年鄱阳湖汛后消落期(9月—3月)湖口同日最大、最小流量,组成的上、下包络线,同时计算了同日平均流量。
如图5所示,1981—2000年枯水期平均流量3736 m3/s,2001—2020年枯水期平均流量为3378m3/s,减少9.58%。
2001—2020年的上包络线比1981—2000年小得多;2001—2020年的下包络线与1981—2000年大致相当。
上述事实不支持“入江水道大幅冲刷加剧了鄱阳湖干涸”的说法。
图6. 1981—2000年、2001—2020年枯水期湖口日均最大、最小及平均流量过程线5. 入江水道水位降低对湿地生态系统的影响水文过程是湖泊湿地生态系统演变的主要驱动因素。
入江水道水位降低,对湖泊湿地植被分布格局会产生广泛深刻的影响。
鄱阳湖的沉水植物、浮叶植物等水生植物适宜在丰水期水深不超过3m的浅水水域生长,入江水道基本没有水生植被。
洲滩上的湿生植物群落依照土壤含水量呈条带状分布。
入江水道水位降低,改变洲滩土壤含水量分布格局,驱动湿生植物群落分布格局改变。
2010年在星子县蓼华洲(见图18#断面上游2km,)设立湿地植被观测样带。
2000年以前9—11m地带是泥滩地;由于枯水期提前、枯水位下降,2010年发育成大片的苔草群落,大约宽3km、长6km,当地人称为“蓼华洲大草原”,这一断面植被群落分布和结构、群落生物多样性指数、地下水埋深和土壤含水量等见文献[28]。
5#断面上游左侧的青山湖湾、7#断面下游左侧的麻头湾洲滩(见图1)也出现与蓼华洲类似的植被演替。
另外,入江水道中间的许多江心洲原来是沙滩,2010年以后生长了大面积蓼子草群落,观赏性极强。
这些湖湾洲滩枯水季节已成为热门的旅游景点。
[28] 胡振鹏,葛刚,刘成林,等. 鄱阳湖湿地植物生态系统结构及湖水位对其影响研究[J]. 长江流域 资源与环境,2010, 9(6):597-605 HU Z P, GE G, LIU C L, et al. Study of Poyng Lake wetland plant ecosystem in Poyang Lake and influence of lake water level for the structure[J]. Resources and Environment in the Yangtze Basin,2010, 9(6):597-6056. 结论本文通过分析计算1956—2020年鄱阳湖进出湖泥沙过程以及年内分配情况,研究了鄱阳湖水沙运动特征,利用1998、2010和2020年湖区34个典型断面湖底高程监测数据、湖区遥感影像资料及历史调查资料,计算分析了1956—2020年湖区冲刷和淤积时空分布情况,梳理了鄱阳湖由严重淤积转变为全面冲刷的演变过程;计算了1998年以来入江水道自然冲刷和采砂的河床侵蚀数量,以及入江水道河床侵蚀产生的水文生态效应。
得到下述结论。
(1)长期以来,鄱阳湖流域水土流失严重,江湖水体输沙量大,鄱阳湖泥沙淤积严重,湖泊萎缩。
1980年代启动了“江西山江湖开发治理工程”,将水土流失治理作为主要任务之一。
1985—2000年逐步遏制了泥沙淤积严重的趋势。
从2001年开始湖区大规模采砂,入湖泥沙量比出湖泥沙少,湖区水沙运动特征发生变化,1998—2010年中部湖区淤积为主,12个典型断面滩槽平均淤高0.51m;入江水道冲刷,1#—10#断面主漕深泓平均下切4.11m,滩槽平均下切0.35m。
2011—2020年整个湖盆处于冲刷状态,中部主湖区主漕深泓平均下切0.43m,滩槽平均下切0.35m;入江水道主河槽深泓下切2.01m,滩槽平均下切1.39m。
(2)利用遥感卫星影像辨识采砂面积,根据采砂区湖底高程实测数据分析计算得到,1998—2010年入江水道主河槽自然冲刷量19121×104m3,采砂量为9348×104m3(折合1.2152×108t),相当于自然冲刷量的0.45倍。
2011—2020年自然冲刷量为9608×104m3,采砂量为8157×104m3(折合1.0604×108t),相当于自然冲刷量的0.85倍。
(3)入江水道连续20年的冲刷,使水文情势有所改变。
星子站与湖口站的水位关系曲线下沉,星子站9m水位提前40d出现。
和2003年以前相比,长江上游水库1—3月加大出力发电,流量增加,湖口水位比2003年以前升高,但星子等湖区水位站水位都低于2003年以前,都昌站出现不断更新历史最低枯水位现象,入江水道河床侵蚀成为鄱阳湖枯水期延长的原因之一。
虽然入江水道河床侵蚀扩大,但湖口出湖流量没有发生趋势性变化。
(4)入江水道水位下降直接影响到鄱阳湖湿地的洲滩植被分布格局改变,原来9—11m高程的泥滩地变成苔草群落为主的草洲、江心洲沙滩冬季出现大片蓼子草群落。
2017年江西铁腕整治鄱阳湖采砂,2018年开始湖区基本没有采砂活动,进出湖泥沙数量发生根本性改变。
如图2所示,2017、2019和2020年(丰水年)泥沙量比入湖分别少75%、52%和42%,2018年(来水偏枯年份)出湖泥沙量仅比入湖多4%。
这一转变究竟是停止采砂后湖区水沙运动和湖盆冲淤恢复性调整,还是鄱阳湖水沙运动进入了动态平衡阶段,目前无法判断。
有待于今后进一步加强监测和研究。
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