淮河與洪澤湖河湖關系研究進展及展望

鄧 恒， 徐國賓， 段 宇， 樊賢璐

(天津大學 水利工程仿真與安全國家重點實驗室， 天津 300350)

1 研究背景

淮河是我國的主要河流之一，起源于河南省桐柏山，自西向東穿過河南、安徽、湖北、江蘇四省[1]。洪澤湖位于淮河中下游，是淮河行水河道的組成部分，又是淮河中下游攔蓄調控洪水的中心樞紐。1128年黃河奪淮之后，自然因素和人類活動共同作用下形成了洪澤湖[2]。洪澤湖的出現對淮河中下游的防洪產生了較大的負面影響。洪澤湖屬于過水性湖泊，水域面積隨水位波動較大[3-4]。洪澤湖壅高了中游的水位，導致洪水不能順利下泄，滯洪時間變長。流域中游河道的比降非常小，甚至有部分河道是倒比降，使得洪水下泄緩慢，這是淮河流域頻繁發生洪水災害的主要原因。自1949年以來，淮河經過將近70年的洪澇治理，已取得重大成就。但目前的工程治理措施并未能完全根除淮河水患，尤其是中下游“關門淹” 問題依然嚴重。淮河中下游地區自然條件特殊，人口、資源、環境壓力大，這決定了淮河中下游地區治理的艱巨性和復雜性。至今，淮河中下游地區仍保持著復雜的河湖連通關系，它們之間相互作用，互相制約(見圖1)。1949年以來的一系列治理工程以及復雜的自然因素的共同影響使得河湖關系經歷了劇烈的調整。河湖關系的演變受自然因素和人類活動的共同影響[5]。河湖關系的演變又會影響流域內防洪、生態環境保護和水資源利用[6]。正確認識和處理淮河中下游河湖關系對淮河中下游流域的治理具有指導性作用。

目前，河湖關系的理論研究仍處于起步階段。基于河湖健康的目標，開展河湖關系內容的研究，已經成為治理淮河的迫切需求。本文探討了河湖關系的概念、影響因素和河湖關系的現狀以及研究趨勢，初步建立河湖關系的概念框架，以期為河湖關系深入研究提供理論基礎。

圖1 淮河中下游河系及湖泊圖

2 河湖關系概念的提出及影響因素分析

2.1 河湖關系概念的提出

河湖關系是當今學術界研究的熱點問題之一。毛世民[7]在研究處理淮河和洪澤湖關系時首先提出河湖關系，并對河湖關系的現狀進行了系統的論述。朱昌雄[8]在探討河湖關系時，提出淮河與洪澤湖關系根本問題是蓄泄矛盾。近年來，有關學者對淮河與洪澤湖河湖關系的研究側重于對淮河和洪澤湖的治理[9-10]。國外學者在河湖關系方面的研究較少，基本側重于對河湖連通生態系統的研究[11-13]。國內學者對河湖關系的研究多集中在長江流域[14-16]。萬榮榮等[17]通過研究長江與洞庭湖、鄱陽湖之間的水沙特性，將江湖關系定義為連通的河湖水系之間的相互作用。趙軍凱等[6]通過定義河湖之間的“量質交換”，認為河湖之間通過“量質交換”進行相互作用。與國內外同類河湖關系相比，淮河中下游河湖關系因其復雜的地理因素構造了具有特色的河湖關系。洪澤湖吸納淮河中游所有來水，并將其泄入淮河下游河道。淮河水情的變化直接影響洪澤湖水量的變化，洪澤湖水位的變化進而影響淮河的徑流過程。洪澤湖與淮河直接進行水沙交換，兩者相互作用，互相反饋。基于此，說明淮河中下游河湖關系是淮河和洪澤湖之間以水沙互饋為媒介，通過物質和能量交換進行的相互作用。河湖關系包括河道演變、湖泊演變、入湖三角洲演變以及洪澤湖的調蓄能力和出湖河道的泄流能力這幾個方面。

2.2 河湖關系影響因素分析

ZHANG等[18]梳理了淮河流域河湖關系的變化并將其變化原因總結為環境變化和人類活動的影響。河湖關系的變化受自然變化和人類活動的雙重影響，早期自然因素對河湖關系的影響發揮著決定性的作用。然而，隨著經濟社會的發展，人類活動對河湖演變的干預和影響正變得越來越顯著。

(1)自然因素。地質構造、地形地貌、氣候氣象、水文泥沙等自然因素對河湖關系的演變起控制性作用[19]。地質構造對河湖關系的演變起決定性作用，其特點是劇烈性和突發性。地形地貌的演變是一個漸變的過程，對河湖關系的演變具有累積效應。氣候氣象變化直接影響河湖水系的水動力變化。水文泥沙的變化對河湖關系的演變起直接作用。

(2)人類因素。阮仁宗等[20]通過比較1979-2002年洪澤湖天然濕地的變化情況，發現2002年洪澤湖濕地面積較1979年減少了64.59 km2，研究分析表明這種損失與湖泊濕地過度開發及不合理利用密切相關。史紅玲等[21]采用Mann-Kendal秩相關檢驗法對50余年淮河流域的實測年徑流量和年輸沙量資料進行了流域水沙年際變化趨勢分析，分析表明淮河年徑流量無明顯的變化趨勢，而淮河流域的來沙量呈現顯著減少的趨勢，提出淮河流域上游山區河流水庫的建設是流域來沙量減少的主要原因。人類活動通過直接或間接改變河流邊界條件和水沙條件，對河湖水系演變的影響越來越顯著。

3 淮河與洪澤湖河湖關系研究進展

3.1 河湖關系的演變過程

3.1.1 河道演變 天然河流總是不斷發展和變化，人類社會的發展與河流的演變密切相關，并對河流的演變的影響越來越大[22]。楊興菊等[23]利用實測資料分析了淮河中游河道的演變，分析表明淮河中游河道的自然演變比較緩慢，人類活動對河道的演變產生較大的影響。毛世民等[24]和何華松[25]根據實測資料分析表明，20世紀50年代隨著大規模的治淮工程以及洪水的雙重作用，淮河中游河床發生了較大調整，出現沖-淤-沖-淤的交替變化。周賀[26]通過對比分析1992、2001和2010年實測河道斷面資料，研究了淮河入湖河道河流的演變，研究表明浮山至洪山頭河道主槽發生了明顯的沖刷，洪山頭以下河道的沖淤速度較緩，河道支汊沒有出現明顯的淤積。

3.1.2 湖泊演變 近800年來，黃河奪淮和歷代治水的共同作用形成了洪澤湖[27-28]。范亞民等[29]利用地形圖和遙感數據對1930-2001年的洪澤湖水域面積變化進行分析，并對1971-2001年的湖泊岸線進行定量分析，分析表明洪澤湖水域面積變化主要集中在湖的西部和東北部，其中1961年洪澤湖面積較1930年較少了130.3 km2，1971年較1961年減少了31.99 km2，2001年較1971年減少了154.93 km2。洪國喜等[30]分析了洪澤湖出入湖水沙特性，分析表明洪澤湖出湖沙量小于入湖沙量，呈淤積趨勢，其中在入湖河流中，淮河水沙占入湖90%以上，對洪澤湖水沙情況起控制作用。

3.1.3 入湖三角洲演變 淮河在洪澤湖盱眙北入湖，湖水的頂托導致入湖水流流速減緩，泥沙沉積在入湖口門處，逐漸形成入湖三角洲[31]。鍋谷淳和宮田一郎根據受水盆地的類型將三角洲劃分為海相三角洲和湖相三角洲，淮河入湖三角洲屬于湖相三角洲。Galloway[32]將塑造三角洲的動力歸納為河流、潮汐和波浪，并根據其動力將三角洲分為河控三角洲，潮控三角洲和浪控三角洲。淮河入湖三角洲的發育受河流與湖泊的共同作用，但由于湖水作用的強度和規模較小，且沒有潮汐和波浪作用。因此，洪澤湖入湖三角洲為典型的河控三角洲。

王慶等[33]根據歷史文獻資料整理了淮河入湖三角洲的形成和演變過程，發現淮河入湖三角洲形成于19世紀50年代。張茂恒等[34]梳理了淮河入湖三角洲的形成、演變以及發展趨勢，確定黃河奪淮為其快速成長的主要原因，現代水利工程的建設將對淮河三角洲的發展趨勢起重要作用。淮河入湖三角洲的演變受人類和自然活動的雙重影響，其演變是河流和湖泊相互作用的直接表現。

3.1.4 出湖河道的演變 淮河下游水分4路，主流通過三河閘匯入長江，第2路出二河閘，經淮沭新河入海州灣，第3路出二河閘經淮河入海水道入黃海，第4路出高良澗閘經蘇北灌溉總渠入黃海。

1851年，黃河和淮河同時發生洪水導致洪澤湖蔣壩大堤決口，最終在三江營流入長江，初步形成淮河入江水道[35]。1949年以后，我國開始了對淮河入江水道的大規模治理，共經歷3個階段。第1階段，20世紀50年代初期，入江水道按設計行洪流量8 000 m3/s、高郵湖設計水位8.50 m、三江營設計水位5.24 m進行整治。1956年以后，又按淮河流域規劃入江行洪11 000 m3/s的規模進行建設。第2階段，1969年冬經國家批準，入江水道按設計行洪流量12 000 m3/s、高郵湖設計水位9.50 m進行整治。第3階段，入江水道的治理按1971年設計水位進行固定，加固了沿線病險涵閘和部分堤防，疏浚了新民灘莊臺河尾端。為了擴大淮河下游洪水出路，1956、1969、1974年多次整治入江水道。蘇北灌溉總渠于1951年11月開工，至1952年5月完工，設計引水流量為500 m3/s，汛期排洪流量800 m3/s[36]。蘇北灌溉總渠建設的完成為廢黃河以南、運河以東、里下河地區農田灌溉提供了保障，解決了淮河入海通道問題。淮沭新河連接洪澤湖和新沂河，是一條人工修建的河流，于1958年9月開工，至1959年6月做完第一期工程。淮沭新河設計行洪流量3 000 m3/s，從洪澤湖二河閘以南入新沂河匯入黃海。淮河入海水道于1999年開工，2003年6月完成主體工程，2006年10月通過竣工驗收。淮河入海水道的設計行洪能力2 270 m3/s，與蘇北灌溉總渠平行，經二河閘至扁擔港匯入黃海[37-38]。

3.1.5 洪澤湖調蓄能力變化 洪澤湖對洪水的調節是淮河中游防洪的保障。由于泥沙淤積和人工圍墾，導致洪澤湖的面積不斷縮小，調蓄能力也在下降[39]。淮河水利委員會和江蘇省水利廳在20世紀80年代和90年代對洪澤湖地區的地形進行了測量，戚曉明等[40]基于洪澤湖區域的遙感數據對洪澤湖的庫容曲線進行了推求，如表1所示。由表1可看出，汛限水位12.5 m時的庫容由20世紀80年代的31.27×108m3減少為22.15×108m3，2017年增加至27.9×108m3。整體而言汛限水位12.5 m時庫容有所減少，但近年來通過一系列的治理工程使得洪澤湖的庫容呈增長狀態。

洪澤湖防洪庫容包括滯洪水位以下的正常調洪庫容和滯洪水位以上的需破圩滯洪的滯蓄庫容這兩部分。滯洪水位14.5 m(未滯洪)時洪澤湖的庫容由20世紀80年代的75.85×108m3減少為55.51×108m3，正常調洪庫容減少了20.34×108m3。滯洪水位14.5m時(已滯洪)的庫容由88.23×108m3減少為74.2×108m3，設計洪水位16.0 m時(已滯洪)的庫容由136.37×108m3減少為123.68×108m3，可以看出滯洪后的滯蓄庫容變化不大。通過遙感數據對洪澤湖庫容進行分析時未考慮洪澤湖滯洪和未滯洪時庫容的區別，故對于14.5 m以上的滯蓄庫容未進行對照分析。

表1 洪澤湖實測水位-容積關系

3.2 河湖關系治理措施

河湖關系的演變是在自然變化和人類活動的共同作用下進行的。然而，近年來人類活動對淮河和洪澤湖的演變產生了越來越大的影響。自然變化對河湖關系的演變是不可控的，具有不確定性。人類通過興建水利工程，可以對自然變化引起的不確定河湖關系進行改善。

1949年以來，淮河流域防洪工程體系和非工程體系的建設使淮河流域防洪能力得到了根本的改善[41]。1950年大水后，掀起了第一輪淮河治理高潮，制定了淮河流域綜合治理規劃，初步形成了淮河流域防洪工程體系；1991年大水后，掀起了第二輪淮河治理高潮，提出“蓄滯兼籌，近期以泄為主”的治理方針，確定建設治淮19項骨干工程；2003年大水后，掀起了第三輪淮河治理高潮，提出2007年全面完成19項治淮骨干工程[42-44]。近期國內學者對河湖關系治理研究主要為河湖分離[45-46]。毛世民等[47]提出保留洪澤湖的蓄水功能，實施河湖分開，將大部分淮河洪水從擴大的入海水道直接入海，利用機械疏浚和溯源沖刷，調整淮河河道縱剖面是改善河湖關系的根本措施。王學功等[48]分析比較了溧河洼方案、老河道開挖方案、老河道分流道方案和溧河洼分流道北移方案，認為進行河湖分離方案不僅能降低小柳巷水位，也會降低蚌埠水位，通過分析比較最大社會經濟效益和最小環境影響，得出老河道分流道方案為最優方案。河湖分離工程的實施能較好地解決當前河湖一體的弊端，但具體的河湖分離工程需要進行更詳細地規劃和調洪演算，進行多種方案的比較和分析，以達到更好的綜合效益。

3.3 河湖關系的現狀

洪澤湖與淮河的河湖關系是研究解決淮河中游洪澇災害和水資源問題的重要方面。洪澤湖承泄淮河上中游所有來水，淮河多年平均來沙量占洪澤湖總來沙量的83.0%，多年平均入湖水量占洪澤湖入湖水量的86.5%，淮河對洪澤湖的水沙情況起控制作用[49]。洪澤湖入湖沙量有逐年減少的趨勢，入湖徑流量基本持平，但入湖沙量大于出湖沙量，湖區呈淤積趨勢[30]。洪澤湖水位變化主要受入湖水量和人工調節的影響，是自然和人工調控相互作用的結果[50]。洪澤湖出湖河道一共有4條，設計泄洪能力如表2所示。

表2下游排洪通道設計泄洪能力[51]

m，m3/s

治淮19項工程的完成提高了淮河流域的防洪能力，但是在防御中等以上洪水時，啟用行蓄洪區需要付出較大的代價[52]。淮河流域的治理不僅在于防洪工程措施的建設，還應加大力量完善淮河流域的非工程措施。陳予倩[53]將淮河流域的防洪非工程措施分為基于科學措施的防洪非工程措施，包括洪水預報，通信與報警功能和防洪抗旱指揮系統；基于洪水管理的防洪非工程措施，包括行蓄洪區管理，防洪預案和洪水風險圖；基于公共服務的防洪非工程措施，包括指揮體系和應急管理。淮河流域的防洪非工程措施在近年來的防洪工作中起到了重要作用，創造了顯著的防洪減災效益。淮河流域防洪非工程措施還應當不斷發展與完善，以適應新型的河湖關系，并與防洪工程措施相配合，在防洪除澇中發揮更大的作用。

4 淮河與洪澤湖河湖關系研究展望

4.1 河湖關系定義的深入研究

國內關于河湖關系的研究尚處于初步階段，有待于進一步研究和完善。河湖關系不僅包含在量質交換上的河流與湖泊之間的相互作用的關系，還應包括對河湖生態系統以及河湖關系演變對人類活動和自然環境的反饋以及河湖生態系統等的關系研究。河湖關系定義的研究為研究河湖關系建立理論基礎，為更深入的研究河流和湖泊以及人類和自然對其作用的關系提供理論依據。

4.2 河湖關系表征指標的具體化

由于河湖關系的復雜性和交叉性，而已有的研究未對河湖關系進行整體性分析，目前尚無一套綜合的河湖關系表征的指標。構造一套具體的系統表征河湖關系及其變化的指標是未來河湖關系研究的重點和難點。河湖關系是建立在人類活動和自然環境變化下的一個動態過程，因此在指標的實際構造中，應依據不同階段的河湖特點對指標進行相應的調整和修改。

4.3 人類與自然對河湖關系影響差異化比較

河湖關系的變化是人類活動和自然環境變化的綜合結果。已有的研究表明人類活動在現代河湖關系的變化中起著主導作用。但如何區分人類活動和自然環境變化對河湖關系影響的程度尚未進行深入的研究。因此，綜合的考慮人類活動和自然環境對河湖關系的影響，并且定性或定量區分其影響程度是河湖關系研究的另一個趨勢。

4.4 河湖關系健康評價體系的建立

河湖關系是河流與湖泊相互作用的表現形式。河流和湖泊的健康反映河湖關系的健康程度。因此建立河湖關系的健康評價體系是河湖關系研究的另一個難點。河流和湖泊生態系統直接和間接地提供給人類諸多生態服務功能[54-55]。河流和湖泊作為與社會發展密切相關的生態系統，不僅僅是自然狀態的生態系統，還有其社會服務功能。因此，在進行河湖健康評價時，應將河湖生態系統健康和河湖社會服務功能相結合。

4.5 河湖關系發展趨勢的研究

河湖關系的演變一直在進行中，對于河湖關系演變的趨勢性研究是一個持續的過程。當前一個強度稍大的人類活動或者一次劇烈的自然環境變化，對河湖關系的變化起到的作用往往是極大的。河湖關系的變化往往會對流域生態系統產生一定的影響。因此，對河湖關系的趨勢研究勢在必行。在對河湖關系進行了定義以及指標化研究的基礎上，尊重河湖關系的演變規律，在確保河湖健康的前提下，進行合理的人工干預，構建符合淮河中下游特點的河湖關系。