崔玉環(huán)， 王 杰

(1.安徽農(nóng)業(yè)大學(xué) 理學(xué)院， 安徽 合肥 230036； 2.安徽大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院， 安徽 合肥 230601)

1 研究背景

河湖水系的連通可維持濕地生態(tài)系統(tǒng)的完整性，影響流域水資源的開發(fā)利用和分配，影響水功能區(qū)水質(zhì)狀況[1]。大壩的修建，一方面割斷了河道的縱向連通性，改變水流的時(shí)間和空間分布，引起水文情勢的變化及生態(tài)系統(tǒng)物理、化學(xué)和地貌形態(tài)的改變[2]，不利于濕地生物的生長，有可能降低河流濕地的生物多樣性[3]。另一方面，筑堤和建閘人為地切斷了河流與湖泊的自然連通，節(jié)制了干流及其支流和湖泊間的水力聯(lián)系，從而使得在河湖連通的支流河道內(nèi)發(fā)生泥沙淤積，河湖泊聯(lián)系通道阻塞，水系連通性變差[4-5]。

目前，國內(nèi)外學(xué)者對控水閘等水利工程對河道水系水質(zhì)水量的影響展開討論，Richter等[6]認(rèn)為閘控改變河道自然連通狀態(tài)，導(dǎo)致流域水文循環(huán)過程的變化，進(jìn)而對生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生及物種產(chǎn)生重大影響。胡巍巍[7]用IHA和RAV法研究了蚌埠閘及上游閘壩對淮河自然水文情勢的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)閘壩對下游河流水文情勢影響強(qiáng)烈，特別是在枯水期。左其亭等[8]通過在沙潁河槐店閘實(shí)驗(yàn)分析，得出考慮底泥擾動的水閘運(yùn)作對重污染河流水質(zhì)水量運(yùn)移的作用規(guī)律。郭文獻(xiàn)等[9]通過實(shí)測水文資料對比分析了北運(yùn)河閘壩工程修建前后河段水文情勢的變化，得出閘壩工程導(dǎo)致河流流量減少，以非汛期更為明顯。

自19世紀(jì)50年代以來，長江中下游通江淺水湖泊興建閘壩、筑堤，改變了河湖原有的自然聯(lián)通狀態(tài)，導(dǎo)致絕大多數(shù)湖泊成為阻隔湖泊，僅剩洞庭湖、鄱陽湖、石臼湖自然通江。目前就控水閘壩對通江湖泊河湖水質(zhì)水量連通性方面的研究較少，僅就擬建設(shè)鄱陽湖水利樞紐方面，相關(guān)學(xué)者做了一些論證和預(yù)測，余啟輝等[10]和賴格英等[11-12]通過水動力模型預(yù)測了鄱陽湖水利樞紐對長江干流、湖泊支流水位和流量的影響。杜彥良等[13-14]定量預(yù)測了水利樞紐的不同調(diào)度方案對鄱陽湖水質(zhì)狀況的影響。

因此，本文以建有控水閘的典型通江湖泊-升金湖為研究區(qū)，分析閘控兩側(cè)長江、湖泊水位年內(nèi)漲落關(guān)系及其相關(guān)性，考慮控水閘的運(yùn)作方式，進(jìn)而探究控水閘建設(shè)對通江湖泊水文特征的影響，為研究不同水位波動下河湖水質(zhì)遷移、土壤地貌特征提供參考，也可以為河湖水系連通戰(zhàn)略實(shí)施，提高水資源統(tǒng)籌配置能力，加強(qiáng)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量和防洪保安能力提供理論基礎(chǔ)。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 研究區(qū)概況

升金湖位于安徽省池州市貴池區(qū)和東至兩縣交界處，地處東經(jīng)116°55′至117°15′，北緯30°15′至30°30′，自西向北自然分成3個相連的水面(上、中、下湖)，以黃湓河為中心擴(kuò)展成湖。上、下兩湖床略高于中湖，平均海拔11 m，湖周海拔平均25 m。上湖與中湖、下湖人為筑壩分開，上游來水較大時(shí)可以通過攔壩，水量減少時(shí)則起到保留上湖水量的作用。中湖、下湖與長江之間由黃湓河連接。每年5-8月為豐水期，平均水位12.5 m(吳淞高程)，11月-次年4月為枯水期，平均水位8.9 m，其他時(shí)期為平水期，平均水位11.3 m[15]。年平均降水量約1600 mm,且受亞熱帶季風(fēng)影響，降水主要集中在夏季，約占全年降水量的50%。為控制升金湖水位，于1960年在黃湓河修建黃湓閘，1965年正式投入使用，該閘汛期拒江水倒灌入湖，汛后排泄升金湖漬水，干旱年份引江水入湖或關(guān)閘蓄水，在一定程度上維持升金湖水位，減少干旱年份湖泊過度萎縮的風(fēng)險(xiǎn)，但在很大程度上改變了河湖的自然連通狀態(tài)，從而造成河湖水沙輸移、污染物運(yùn)移和降解、魚類巡回等方面的生態(tài)環(huán)境問題。

2.2 數(shù)據(jù)來源及處理

收集整理了2015-2017年的升金湖姜壩站，黃湓閘閘上、閘下水位，長江安慶站水位實(shí)地觀測數(shù)據(jù)，以及黃湓閘逐日降水?dāng)?shù)據(jù)(站點(diǎn)分布見圖1)。2016年夏長江中下游發(fā)生持續(xù)洪水，升金湖水位(姜壩站)最高達(dá)17.45 m，超過警戒水位15 m歷時(shí)40 d，長江安慶站最高水位達(dá)17.68 m，超過長江警戒水位16.7 m歷時(shí)23 d，期間江湖水位不受閘控影響，處于完全連通狀態(tài)。

本文分別分析以上4個水位站在枯水期、漲水期、豐水期和退水期水位波動差異及其相關(guān)性，以及黃湓閘汛期拒江水倒灌入湖，汛后排泄升金湖漬水，干旱年份引江水入湖或關(guān)閘蓄水的運(yùn)作方式，分析控水閘的運(yùn)作對河湖水位波動的影響。并根據(jù)2016年特大洪水年份河湖水位豐水期的特殊連通關(guān)系，參照已有研究中升金湖水位-湖泊面積的關(guān)系[16]，定量分析不受閘控影響下，在正常年份湖泊水位與面積變化過程。

3 控水閘對湖泊水位波動的影響

3.1 水位年內(nèi)波動特征

姜壩水位站水位反映升金湖上湖水位波動，上湖和中下湖之間有人為筑壩，壩高約11 m。中下湖與長江由黃湓河相連，水位受黃湓閘控制，因此黃湓閘閘上水位可反映中下湖的水位波動，安慶水位站的水位代表長江的水位波動。閘上、閘下、姜壩和安慶水位站2015年1月1日-2017年11月30日水位波動見圖2所示。從圖2可以看出，姜壩站水位波動與其他水位站差異較大，由于人為筑壩的攔截作用，枯水期維持11 m左右的水位，遠(yuǎn)高于其他水位站水位，豐水期除了2016年特大洪水與其他水位波動保持一致以外，其它年份均維持在15 m的警戒水位以內(nèi)，與閘上水位波動一致，由于黃湓閘汛期關(guān)閘拒江水倒灌，該站點(diǎn)高水位遠(yuǎn)低于閘下和安慶站水位，且水位波動存在較大差異。

閘上水位在枯水期介于姜壩和閘下水位之間，水位高于11 m的平水期和豐水期，水位波動基本與姜壩水位一致，原因在于升金湖在低水位時(shí)向長江泄流，當(dāng)湖水位低11 m時(shí)，升金湖上湖和中、下湖水體被攔截壩分開，持續(xù)泄流導(dǎo)致中、下湖水位不斷降低；閘下水位受黃湓閘泄水和長江水位波動共同影響，在枯水期湖水向長江泄流，閘下水位介于閘上和安慶水位之間，在平水期和豐水期與長江水位波動一致；安慶水位反映長江水位的波動特征，全年受降水影響較大，枯水期降水減少，水位在7 m左右波動，春夏季降水增加，水位加速上漲，豐水期洪峰尖瘦。

圖1 研究區(qū)水位站與控水閘空間分布圖

圖2 2015-2017年不同水位站水位年內(nèi)波動

3.2 不同水文時(shí)期水位分布特征

不同水文階段水位的箱式分布圖，可反映水位在各階段間波動的趨勢以及波動范圍。本文根據(jù)姜壩、閘上、閘下和安慶4個水位站的實(shí)測水位數(shù)據(jù)生成箱式分布圖(圖3)，并比較在枯水期、漲水期、豐水期和退水期4個階段水位的相關(guān)關(guān)系(表1)。綜合分析水位箱式分布(圖3)和不同水位站之間的相關(guān)系數(shù)(表1)，得出如下結(jié)論：

(1)枯水期：枯水期姜壩站水位較為穩(wěn)定，中位數(shù)偏向下四分位數(shù)，分布集中在10.44～11.46m之間，平均水位10.95 m，水位歷時(shí)大約為12月-次年4月底；閘上水位近似正態(tài)分布，中位數(shù)處于上下四分位數(shù)中間位置，分布范圍在7.86～10.96 m之間，平均水位9.18 m，水位歷時(shí)大約為12月-次年3月底，頻繁的開閘放水，使水位存在明顯鋸齒狀波動；閘下和安慶站水位波動較為一致，變化范圍分別為7.05～10.39 m和5.57～10.64 m，平均水位分別為8.06和7.45 m，水位歷時(shí)大約為12月-次年2月底，但從箱式圖圖3看，閘下的水位分布較安慶站集中，且由于枯水期開閘放水導(dǎo)致存在異常值。

4個水位站水位相關(guān)性在不同年份差異較大，可能與枯水期降水量有關(guān)。2015年枯水期幾乎無降水，水位站水位相關(guān)系數(shù)均在0.65以上，閘下-安慶、閘下-姜壩和安慶-姜壩相關(guān)系數(shù)均在0.94以上，2016年除了閘下-安慶和安慶-姜壩相關(guān)系數(shù)大于0.6，其余均在0.5以下，2017年除了閘上-閘下和閘下-姜壩相關(guān)性較差，其余均在0.5以上。

(2)漲水期：姜壩站水位分布較為集中，但高低水位均出現(xiàn)異常值，2015年大約5月初水位開始持續(xù)上漲，至6月初達(dá)到大于12 m的高水位，2016年4月初開始上漲，4、5月降水持續(xù)增加，至4月底已達(dá)到高水位，2017年6月初水位才開始上漲，至6月底達(dá)高水位；閘上水位在3月底開始上漲，在6月初達(dá)到高水位；閘下和安慶水位在3月初開始上漲，在6月初至6月底達(dá)到高水位；閘上、閘下和安慶站水位分布較離散，且尾長較長，中位數(shù)居中偏上，在4月份有1次小洪峰(2015和2017年)，2016年3月開始持續(xù)降水，水位急劇抬升至高水位，且在水位上漲之初，姜壩站水位高于其他站水位，但隨著春季降水的增加，其他3站水位急速增加，很快超過了姜壩站水位。

4個水位站水位相關(guān)性均較大，相關(guān)系數(shù)在0.695～0.998之間，姜壩站與其他3個水位站水位相關(guān)性(相關(guān)系數(shù)在0.695～0.831之間)相對低于其他3個站之間的相關(guān)性(相關(guān)系數(shù)大于0.932)。

(3)豐水期：6～8月份為4個水位站的豐水期，2015和2017年正常水文年份，豐水期黃湓閘關(guān)閘拒江水倒灌，控水閘兩側(cè)水位有較大差異，姜壩站和閘上站水位變化過程基本一致，安慶站在洪峰處水位高于閘下水位，兩者亦有近似的水位波動過程，2016年洪水年份，洪水位接近14 m之后，河湖水位不受控水閘作用，河湖水體連成一體，4個水位站有近似的水位波動過程。閘下站和安慶站水位近似正態(tài)分布，但分布較為離散；閘上站和姜壩站水位中位數(shù)偏向上四分位數(shù)處，分布較為集中。

為便于比較，分別生成了2016年和2015、2017年豐水期水位分布箱圖(見圖4)。2015、2017年豐水期閘上和姜壩水位分布較為集中，中位數(shù)居中，水位呈正態(tài)分布，閘下和安慶水位分布較離散，中位數(shù)居中偏下，而2016年豐水期4個水位站水位分布近似，中位數(shù)偏向下四分位處。從相關(guān)性比較看，4個水位站水位在不同年份相關(guān)性存在差異，2016年洪水作用下，河湖持續(xù)高水位，河湖連接成片，各站點(diǎn)水位相關(guān)系數(shù)均在0.99以上，在2015和2017年閘下-安慶和閘上-姜壩相關(guān)系數(shù)均在0.99以上，其余均在0.674～0.719之間。

(4)退水期 8月份以后，4個水位站開始進(jìn)入退水期，退水初期，姜壩和閘上站水位變化過程基本一致，水位分布較為集中，閘下和安慶水位變化過程基本一致，水位分布較離散，且中位數(shù)偏向上四分位處。大約在10月份之后黃湓閘開始集中泄洪，閘上水位出現(xiàn)較大鋸齒狀波動，且閘下水位出現(xiàn)與閘上相反的波動，11月以后，閘上、閘下和安慶水位出現(xiàn)隨降水波動的態(tài)勢，由于攔截壩的作用，姜壩站水位降至11m左右開始平穩(wěn)變化。4個水位站水位相關(guān)性均較大，相關(guān)系數(shù)在0.533～0.998之間，姜壩-閘上和閘下-安慶水位相關(guān)性(相關(guān)系數(shù)在0.746～0.998之間)高于其他站之間的相關(guān)性。

總體來說，4個水位站可大致分為兩組，閘上和姜壩站有近似的水位變化過程，閘下和安慶站具有近似的水位變化過程(除枯水期，閘下受上游放水影響明顯，和安慶站水位分布差異較大)。由此可見，通江河道控水閘改變了長江-湖泊的河湖自然連通性，對通江湖泊-升金湖的水位變化規(guī)律產(chǎn)生重要影響。

圖3 2015-2017年不同水位站在各水文階段的水位分布

表1 2015-2017年不同水位站在各水文階段的相關(guān)系數(shù)

注：*表示顯著性水平達(dá)0.1；**表示顯著性水平達(dá)0.05；***表示顯著性水平達(dá)0.01。

圖4 洪水年份(2016年)與其他年份(2015、2017年)水位分布的差異

4 控水閘對湖泊面積的影響

李皖彤等[16]通過遙感監(jiān)測技術(shù)建立升金湖水位-面積關(guān)系：S湖=9.94H+9.10，R2=0.958。參考處于河湖自然連通狀態(tài)的鄱陽湖水位-面積呈現(xiàn)對數(shù)關(guān)系[17]，本文假設(shè)升金湖與長江自然連通時(shí)其水位-面積關(guān)系亦為對數(shù)關(guān)系，并重新擬合為：S湖=106.76 lnH-136.39，R2=0.960。升金湖水位-面積關(guān)系見圖5所示。

假設(shè)沒有黃湓閘的控水作用與攔水壩的攔截，長江與升金湖呈現(xiàn)自然連通狀態(tài)，則在整個水文周期內(nèi)，湖泊水位和長江水位呈現(xiàn)相同變化過程，在枯水期湖泊水位維持在8 m左右(黃湓河近湖段河面高程約8 m，低于8 m時(shí)，河湖不連通)，在豐水期湖泊水位波動與長江水位一致，安慶到升金湖入河口水位落差大約為0.21 m(2016年7月安慶與姜壩水位落差計(jì)算得出)。據(jù)此推斷，本文重新估算在河湖連通條件下2015年升金湖月平均水位，根據(jù)上述湖泊水位-面積的對數(shù)關(guān)系，推算湖泊面積，并與根據(jù)實(shí)測水位計(jì)算的湖泊面積比較，結(jié)果見表2。由表2可以看出，在現(xiàn)有閘控條件下，在枯水期升金湖面積有所增大，最大增幅可達(dá)30.98 km2，而在高水位時(shí)升金湖面積有所減小，最大減幅約10 km2。

圖5 升金湖水位-面積關(guān)系(數(shù)據(jù)參考文獻(xiàn)[16])

表2 控水閘運(yùn)行、河湖自然連通條件下升金湖面積的定量估算

續(xù)表2

5 結(jié) 論

通過分析近3年來升金湖姜壩、黃湓閘閘上和閘下以及長江安慶水位站逐日水位變化過程及各站點(diǎn)水位波動的相關(guān)關(guān)系，分析黃湓閘控水對升金湖水位波動的影響，并根據(jù)特大洪水年份(2016年)豐水期的自然河湖連通關(guān)系，結(jié)合已建立的湖泊水位-面積的關(guān)系，定量估算不受閘控影響情況下通江湖泊水位、面積變化的過程，探究控水閘運(yùn)行對通江湖泊水位及面積的影響，得出以下結(jié)論：

(1)在人為筑壩攔截和黃湓閘控水作用的共同影響下，姜壩站水位與其他站水位差異較大，枯水期水位維持在11 m左右，遠(yuǎn)高于其他水位站，在河湖連通時(shí)豐水期水位不受控水閘影響，其他年份維持在15 m的警戒水位以內(nèi)，與閘上水位波動一致。

(2)閘上水位在枯水期介于姜壩站和閘下水位之間，在水位高于11 m的平水期和豐水期，水位波動基本與姜壩站水位一致；閘下水位在枯水期介于閘上和安慶站水位之間，在平水期和豐水期與長江水位波動一致；安慶水位反映長江水位的波動特征，全年受降水影響較大，枯水期水位最低，在7 m左右波動，春夏季降水增加，水位加速上漲，豐水期洪峰尖瘦。

(3)在現(xiàn)有建閘控水條件下，相比于自然河湖連通狀態(tài)，升金湖在枯水期面積有所增大，最大增幅可達(dá)30.98 km2，而在豐水期湖泊面積有所減小，最大減幅約10 km2。

目前在長江流域內(nèi)建設(shè)水閘數(shù)量已超過5×104個，改變了原有的河湖體系自然連通關(guān)系[18]。受區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造、地形、河道形態(tài)等影響，不同集水流域的控水閘對通江河流(湖泊)水文特征的影響可能會存在著一定差異[19]。受水文站實(shí)測資料的限制，本文分析了控水閘運(yùn)行對安徽省升金湖水位及面積變化的影響，在今后研究中選取其它類型通江湖泊為研究對象，進(jìn)一步探究控水閘運(yùn)行對通江湖泊水文規(guī)律的影響機(jī)制。