閘控通江淺水湖泊水位變化特征及影響因素研究

丁 云 陽，楊 忠 勇，范中 亞，王 文 才，王 鐘，曾 凡 棠

(1.三峽大學 水利與環境學院，湖北 宜昌 443002； 2.生態環境部 華南環境科學研究所，廣東 廣州 510655)

1 研究背景

湖泊水位特征是反映湖泊水文情勢的主要指標，也是影響湖泊生態系統健康的關鍵因素之一[1]。近年來，在全球氣候異常和高強度人類活動影響下，許多湖泊的水位都發生了顯著變化[2]，這種變化反過來對自然地理環境也產生了顯著影響。因此，湖泊的水位變化特征備受學者關注，對湖泊水位變化規律及其影響因素開展研究具有重要的理論價值和現實意義。

湖泊水位變化特征的影響因素主要包括自然因素和人為因素兩大類。李林等[3]通過建立青海湖水位模型，模擬、預測了自然因素和人類活動對水位的影響，發現青海湖1961～2002年的42 a間水位持續下降，其主要原因為自然演變過程。黃群和姜加虎[4]通過分析岱海的湖區氣候、湖泊水域的入湖徑流特征，以及計算湖泊的水量平衡，結果發現在1955～1995年間，水位下降了3.85 m，其中人為影響的貢獻率高達82%。在經濟發達的長江中下游地區，人類活動的影響尤為顯著，王秀英等[5]通過分析洞庭湖的演變過程及生態環境現狀，發現人類活動嚴重影響了泥沙運動規律，最終導致湖泊面積減小、調蓄能力下降，引起生態環境進一步惡化。金衛斌和劉章勇[6]通過對四湖流域18個湖泊的圍墾強度與容量損失情況的分析，發現圍湖墾殖對湖泊調蓄功能的影響具有明顯的累加效應。黃穎等[7]利用實測資料，借助于水量平衡方法，估算了洞庭湖的調蓄量，結果發現，圍墾和淤積導致了洞庭湖的調蓄量減少，而且圍墾作用大于淤積作用。閔騫[8]利用水文學方法，計算出了鄱陽湖典型年洪水位在不同圍墾背景下的變化情況，并建立了洪水位圍墾效應與圍墾面積的關系，通過計算發現：圍墾不僅使洪峰水位升高，而且還使高水位持續時間增長，甚至對高水位的影響要大于對低水位的影響。

長江中下游的大型湖泊，比如洞庭湖、鄱陽湖等，關于其水位變化特征方面已有較多研究成果[9-11]，但這些湖泊的江湖關系相對直接，未受通江閘站的控制，而且缺乏多因素的綜合考慮。本次研究中的菜子湖屬于長江中下游閘控型通江淺水湖泊，是越冬候鳥在遷徙路線上重要的越冬地和停歇地，也是引江濟淮工程的重要輸水通道。目前，關于菜子湖已有的研究主要聚焦于對其生物多樣性及其結構特征方面的分析[12-16]，而對其水位變化方面的研究卻極少。本文首先基于多個水位站點的水情資料，系統分析菜子湖水位波動情況，建立菜子湖水位-面積變化的關系，并進一步討論入湖河流徑流、水閘調控、江湖水位關系以及湖區圍墾對菜子湖水位波動的影響，旨在揭示菜子湖水位變化的特征及成因，從而為科學認識菜子湖水情和防控湖泊生態風險、了解閘控型通湖泊江湖關系提供依據。研究結果可為“引江濟淮”重要輸水通道菜子湖的水閘調度、水資源利用和管理以及湖泊濕地生態環境保護提供重要技術支撐。

2 材料和方法

2.1 研究區概況

菜子湖地處安徽省安慶市，位于東經117°01′-117°09′，北緯30°43′-30°58′之間(見圖1)；南臨長江、北接巢湖水系、西連皖河流域、東與白蕩湖流域毗鄰，其西部和北部區域又稱為嬉子湖和白兔湖。湖泊上承大沙河、掛車河、龍眠河、孔城河四河及區間來水，經菜子湖調蓄后，由樅陽長河向南注入長江。菜子湖處于北亞熱帶濕潤季風氣候區，四季分明、光照充足、氣候溫和、雨量適中、多年平均氣溫16.50 ℃，多年平均降雨量為1 389.10 mm，多年平均蒸發量1 611.40 mm。湖泊年平均水位9.10 m，平均水深1.67 m，屬淺水型漫灘湖泊。湖區受季風氣候影響，菜子湖年內湖泊面積變化極大，枯水期水域面積為145.20 km2(相應水位為8.10 m)，總容積為2.87億m3；豐水期水域面積為242.90 km2(相應水位為15.10 m)，總容積為16.10億m3[17]。1959年樅陽閘修建后，菜子湖變成了閘控型通江湖泊，菜子湖區與長江干流的水文交互過程受樅陽閘調控。

圖1 菜子湖位置及水文觀測點分布Fig.1 Location of Caizi Lake and the observation sites

菜子湖是“引江濟淮”工程重要的輸水通道，在保障工程安全運行維護中扮演著重要角色。長江水通過樅陽閘貫穿菜子湖，經孔城河輸入巢湖，最終匯入淮河。菜子湖現狀水質為Ⅲ～Ⅳ類，水環境狀況較好，生物資源豐富，是一些候鳥重要的越冬地和停歇地，其中包含有10種國家重點保護水鳥，比如白頭鶴、白鶴、黑鶴等[15]。但是，近幾十年開展的大規模圍墾造田工程在一定程度上破壞了菜子湖的濕地生態；湖區水域的圍湖養殖阻礙了洄游魚類的繁衍，導致魚類資源減少；菜子湖面臨生物多樣性降低及水生生態系統服務功能衰退的風險。“引江濟淮”工程將改變菜子湖水文過程，候鳥越冬期(12月至次年的3月)水位將由現狀的6.89 m上升到7.50～8.10 m，候鳥越冬的棲息環境和生態系統會隨之受到影響[15]。

2.2 數據來源和研究方法

為了分析菜子湖近年來水位變化特征，本次研究整理了菜子湖區2002～2016年多個水位站的實測水文資料，包括車富嶺水位站(CFL)、樅陽閘上水位站(ZS)、樅陽閘下水位站(ZX)和長江干流安慶水位站(AQ)的逐日水位數據，以及沙河埠站的逐日流量數據(見圖1)。入湖流量資料僅獲得了部分沙河埠站的數據，包括2002～2006年和2016年的數據。此外，還調查了菜子湖沿湖圩口的基本情況，包括圩口面積、個數等，詳情如表1所列。

表1 菜子湖沿湖圩口基本情況Tab.1 Basic information of embankments along the Caizi lake

為了研究湖泊水位-面積關系，文中收集了湖區部分遙感影像數據資料，主要來自美國陸地衛星(Landsat 5、Landsat 7和Landsat 8系列)在2002，2009年和2016年的遙感影像數據，并對不同時期的菜子湖水域分布情況進行圖像判讀與動態變化分析。數據處理方法及步驟如下：

(1) 在地理空間數據云網站(http：//www.gscloud.cn/)下載2002,2009年和2016年3 a期間所有云層較少、清晰度較高的Landsat影像(共計25幅)。

(2) 進行影像的大氣校正和幾何校正等，因為相較于土壤、植被、建筑物來說水體在光譜的范圍內呈現為較弱的反射率，所以利用NDWI(歸一化水體指數)[18]，對遙感影像的特定波段進行歸一化差值處理；通過設置不同的閾值區分水體與其他物質，以提取水體信息。

(3) 進行水域面積計算，并統計水位-面積的關系。

文中所采用的遙感影像的日期、類型以及湖泊水域面積和菜子湖車富嶺站水位相對應的數據等詳情，如表2所列。

表2 影像成像日期、類型、湖泊面積及對應車富嶺水文站的水位特征Tab.2 Date，type of remote images and the area and water level of Caizi Lake

3 研究結果

3.1 不同水文站水位變化特征分析

3.1.1年際水位變化特征

圖2反映了2002～2016年菜子湖區4個水位站的年際水位變化特征。CFL站年最高水位值最小，其變化范圍為12.17～17.29 m(見圖2(a))；年均水位最高，基本維持在9.77～11.32 m，且整體呈上升趨勢(見圖2(c))；年最低水位值相對較高，水位變幅最小(見圖2(d))。通江閘對湖區水位控制作用明顯，豐水期湖區水位低于長江水位，樅陽閘被關閉以防止江水倒灌；湖區水位高于長江水位時，樅陽閘被開啟以排湖水入江。枯水期湖區水位較低，一般會關閉樅陽閘以滿足湖區生產用水的需要。在樅陽閘的控制下，位于菜子湖一側的ZS站水位波動特征與CFL站最為接近，ZS站水位的年最大值、年平均值和年標準差變化趨勢與CFL基本一致。長江干流安慶站(AQ)和樅陽閘下站(ZX)水位變化過程一致性較高，年最高水位、平均水位與閘上水位接近。總體來說，樅陽閘對湖泊水位的控制作用是菜子湖區域水位保持穩定的重要因素。

圖2 2002～2016年菜子湖區4個水位站年際水位變化特征Fig.2 Annual water level variation of four stations around Caizi Lake during 2002 to 2016

3.1.2年內水位變化特征

圖3中各月水位的箱線可以反映出各站點水位在月際間的波動趨勢和變化范圍等特征。由圖3可以看出：各水位站年內數據存在明顯的洪、枯水位變化，年內水位呈現單峰型變化特征。從圖3(a)可以看出：每年4月開始，隨著湖區降水和入湖水量的增加，CFL站水位逐漸上升；7～9月CFL站水位達到最高，基本維持在12.50 m左右；10月開始，隨著湖區降水和入湖水量的減少以及開啟樅陽閘泄水入江，CFL站水位顯著下降；12月至次年3月，CFL站水位降至最低且比較穩定。各月年際間水位比較集中，波動范圍較小，平均水位基本維持在9.00 m左右。位于菜子湖一側的ZS與CFL站存在直接水文聯系，故ZS站月際水位分布特征與CFL站比較類似；位于長江一側的ZX與AQ站也存在類似的水位變化特征(見圖3)。ZX與AQ站水位每年1～7月呈顯著上升趨勢，8～12月呈快速下降趨勢，枯水期水位低于ZS與CFL站水位，豐水期水位高于ZS與CFL站水位，水位變幅大于ZS與CFL站。CFL站水位達到最高值的時間相對于AQ站較晚，且高水位持續時間長。

圖3 菜子湖區4個水文站月際水位分布特征Fig.3 Monthly water level variation of four stations in Caizi Lake

圖4反映了2002～2016年菜子湖區4個水位站之間的水位差值的月變化特征，其中(CFL-ZS)表示CFL站與ZS站之間的水位差值，其余以此類推。在豐水期(5～9月)，CFL站水位低于ZS站水位(見圖4(a))，ZS站水位低于ZX站水位(見圖4(b))，ZX站水位低于AQ站水位(見圖4(c))，即4個水位站在豐水期的水位高低依次為AQ>ZX>ZS>CFL。其原因可能在于豐水期降水豐富，長江上游來水量比較充足，代表長江水位的AQ站的水位高于CFL站的水位(見圖4(d))，此間，樅陽閘通常會開啟引江水入湖，可以消納長江洪水。但是當菜子湖水位達到一定值時，為防止江水繼續倒灌入菜子湖而引起洪澇災害，一般會關閉樅陽閘。在枯水期(12月至次年3月)，CFL站的水位高于ZS站的水位(見圖4(a))，ZS站的水位高于ZX站水位(見圖2(b))，ZX站的水位與AQ站的水位基本一致(見圖4(c))。即枯水期CFL站的水位在4個水位站中最高，原因是枯水期為滿足生態和生產用水的需要，通常會關閉樅陽閘蓄水。受上下游關系影響，AQ站的水位通常略高于ZX站的水位(見圖4(c))；受開閘泄水影響，AQ站的水位偶爾低于ZX站的水位。

圖4 2002～2016年各站水位差值變化特征Fig.4 Water level difference between stations from 2002 to 2016

3.2 入湖河流徑流與湖區水位變化過程

菜子湖入湖水系主要由大沙河、掛車河、龍眠河、孔城河4條河流組成，其中，前3條河流發源于大別山區，孔城河發源于安徽省巢湖市廬江縣。由于掛車河、龍眠河和孔城河未設置長周期觀測水文站點，缺少相應的徑流量數據，因此本文選取大沙河的沙河埠站徑流量數據作為分析資料。大沙河是菜子湖的最大入湖河流，入湖流量占菜子湖入湖總流量的47.3%[19]，因而，大沙河也是菜子湖最具代表性的入湖河流。

圖5反映了入湖河流大沙河徑流量和車富嶺水位站水位的變化過程。夏季沙河埠站徑流量較大，豐水期洪峰尖瘦，CFL站的水位隨著入湖河流徑流量增大迅速升高，在洪峰后一段時間達到最高水位(見圖5)。冬季隨著湖區降水量減少，沙河埠站徑流量降低，CFL站的水位隨著入湖河流徑流量減小而逐步降低，并維持在8.50～9.00 m之間。事實上，由于水體輸移需要一段時間，菜子湖水位變化過程在入湖徑流的影響下，其水位的波動過程會滯后于流量波動過程。實測數據表明：2016年沙河埠站洪峰于7月1日達到，7月2日洪峰匯入菜子湖，菜子湖水位為15.70 m；7月7日，菜子湖達到最高水位17.29 m。舒州和鄧瑞祥[20]研究認為，菜子湖水位波動過程滯后于沙河埠流量過程的時間大約為5～7 d。

圖5 沙河埠站徑流量和車富嶺站水位變化特征對比Fig.5 Comparison between Shahebu runoff and Chefuling water level

3.3 湖區水位-湖面面積關系

表2對菜子湖水位-面積進行了二次擬合分析，由分析結果可知(見圖6)：菜子湖水位越高，湖泊面積就越大，二者呈正相關。當湖區枯水期水位較低(小于12 m)時，湖區單位水位上升期間的湖面面積增量較大，即湖區水位每升高1 m，相應的湖面面積平均增加28.46 km2；當湖區豐水期水位較高(大于或等于12 m)時，湖區單位水位上升期間的湖面面積增量較小，即湖區水位每升高1 m，相應的湖面面積平均增加12.50 km2。

綜上表明：湖區枯水期低水位期間湖泊水域面積對水位變化的敏感性顯著高于豐水期高水位，其主要原因在于湖區的自然淤積過程導致湖底不斷淤高，湖盆底部變得平緩，進而使得湖區低水位時湖面面積變化對水位變化的響應相對敏感；而圍湖墾殖直接改變了菜子湖的形態，天然湖岸因人工修筑圩堤而變陡，地勢升高，使得湖盆邊緣趨于桶狀，導致高水位時湖面面積變化過程對水位變化的響應不甚敏感。

圖6 2002～2016年菜子湖水位-面積關系Fig.6 Water level-area relationship of Caizi Lake from 2002 to 2016

4 討論分析

4.1 長江干流水位漲落與閘站調度對湖區水位變化的影響

通江湖泊在江湖關系中具有“連接器”“轉換器”和“蓄水器”的作用[21]，其與長江之間的互動改變了湖泊的水文水質以及物質交換能力，對長江中下游防洪策略的制定產生一定的影響。自然通江的鄱陽湖和洞庭湖與長江之間形成了復雜的江湖水力聯系和水沙交換關系，鄱陽湖接納其上游五河來水，經湖泊調蓄后，由北部湖口匯入長江。長江水情對鄱陽湖的水文變化的影響主要在7～8月的“長江與鄱陽湖耦合作用”和9～10月的“弱長江作用”期[22]，而且對湖口具有頂托作用[23]；洞庭湖承接上游三口四水的來水，經湖泊調蓄后與長江在城陵磯匯流，形成吞吐長江之勢。長江干流水位的快速消落，加速了洞庭湖水體下泄以及削減長江三口分流補給湖泊的水量[24]；三峽工程使洞庭湖年內水位變化趨緩，枯水期水位明顯提升，豐水期水位有所下降[25]。與鄱陽湖和洞庭湖相比，菜子湖作為長江中下游典型的閘控型通江湖泊，其作用是汛期拒絕江水倒灌，汛后排泄內水，以減輕湖區洪澇災害；干旱季節通過開啟樅陽閘，引江水入湖，以滿足湖區生態需水的要求。

樅陽閘的調控是菜子湖水位保持穩定的重要因素，每年4月隨著降水增多，湖區水位呈上升趨勢，為防止菜子湖水位過高，一般需開啟樅陽閘，將湖水排入長江，以便為即將到來的汛期騰出庫容。汛期，當長江水位高于菜子湖水位一定值時，一般需關閉樅陽閘，防止江水倒灌。樅陽閘關閉后，湖區因上游入湖的河流來水量較大，水位持續上升，并于8月份達到最高水位(見圖3(a))；汛后，隨著長江干流水位降低，當其水位低于湖區水位時，將開啟樅陽閘排湖水入長江，為湖區泄洪排澇，以減輕湖區的洪澇災害。此時樅陽閘雖然開啟，但由于湖區內外水位差較小，加之長江頂托的作用導致閘門排水能力降低，所以湖區水位下降速率緩慢，月均水位在豐水期久高不下(見圖3(a))。當湖區在枯水期水位較低時，為滿足湖區生產生活、生態用水的需求，一般會關閉樅陽閘進行蓄水，湖區水位波動幅度減小(見圖3(a))。“引江濟淮”工程建成后，為滿足其需求，樅陽閘調控方式會發生改變。候鳥越冬期(12月至次年3月)，湖內水位高于長江水位時，關閘蓄水；湖內水位低于長江水位時，開閘引江水入湖；同時，為滿足越冬候鳥的生存需求，菜子湖最高控制水位為7.5～8.1 m[26]。非候鳥越冬期，當湖內水位低于9.6 m、湖內水位高于長江水位時，關閘蓄水；湖內水位低于長江水位時，開閘引江水入湖[26]。當湖內汛期水位高于10.6 m、湖內水位低于長江水位時，開閘泄洪；湖內水位低于長江水位時，關閉閘門擋洪，防止江水倒灌[26]。

樅陽閘調控雖然減少了湖區旱澇災害的發生，但在一定程度上阻隔了菜子湖與長江直接的水文聯系，阻斷了洄游性和半洄游性魚類的通道，致使全湖魚類的數量和產量迅速下降[13，27]；同時，湖泊也喪失了自然吞吐江河的功能，加速了泥沙在湖盆的淤積，抬升湖床高程，進而影響到湖泊的水位變化和調蓄能力。

4.2 圍湖墾殖和湖泊自然淤積對湖區水位變化的影響

湖盆形態的改變對菜子湖水位變化過程具有重要影響，而圍湖墾殖和自然淤積是影響菜子湖湖盆形態變化的2個主要因素。菜子湖屬淺水型湖泊，具有湖底平坦、灘涂沼澤廣袤等特點，同時也有諸多湖區被人工圍湖墾殖。20世紀50年代中后期開始，菜子湖區大規模開展圍湖造田，一直持續到70年代末、80年代初，80年代中期開始逐步退耕還湖[27]。菜子湖沿湖圩口基本情況如表1所列，湖區現有圩口96個，其中面積在6.67 km2以上的有6個，耕地面積122.60 km2，臨近菜子湖一側堤防總長193.78 km，非臨湖側堤防總長94.93 km。菜子湖淤積和圍墾面積共73.60 km2[28]，導致湖泊面積減小了24.5%左右，這也表明圍湖墾殖是引起菜子湖水域減小的主要因素。圍湖墾殖直接改變了菜子湖的形態，使得菜子湖濕地受到了一定程度的破壞，導致菜子湖面臨生物多樣性降低和水生生態系統服務功能衰退的風險。天然湖岸因人工修筑圩堤，使其湖岸變陡，地勢升高，湖盆過水斷面減小，垸內不再承受上游來沙的淤積，而已縮小的湖盆承受著同等數量的入湖泥沙，進而加快了泥沙淤積速率。研究表明：圍湖墾殖使得湖泊的泥沙淤積速率提高50%以上[28-29]，菜子湖每年淤積量介于100萬～120萬m3之間。菜子湖的自然淤積導致湖床不斷抬高，湖泊水位也隨之上升；加之汛期時受長江洪水頂托影響，湖泊岀水量減小，湖泊洪水位被迫抬升，湖區高水位持續時間較長(見圖3(a))。

5 結 論

(1) 從時間尺度分析可知，菜子湖年均水位最高，且逐年呈上升的趨勢，水位年內存在明顯的單峰型洪、枯水位變化，具有典型的季節變化特征；從空間尺度分析可知，研究區內4個水位站呈兩類分布格局，其中CFL站和ZS站水位變化特征一致，視為一類；而ZX站和AQ站水位變化特征一致，視為另一類。

(2) 菜子湖洪枯季水位漲落過程主控于入湖河流徑流量，但湖區水位對來流量過程的響應存在一定的滯后性，滯后時間約為5～7 d；菜子湖受樅陽閘調控與長江水位漲落影響，湖區水位變化過程相對平穩，豐水期湖區水位低于長江干流，枯水期水位相對穩定且高于長江干流；自然淤積和圍湖墾殖的雙重影響下，菜子湖湖盆形態發生了變化，導致湖區枯水期低水位期間湖泊水域面積對水位變化的敏感性要顯著高于豐水期的高水位。

(3) 加強對菜子湖水位變化特征及影響因素研究，將有助于科學認識菜子湖水情和防控湖泊生態風險，了解長江中下游江湖關系的演變關系，以便為閘控通江淺水湖泊的閘站調度、水資源利用和管理、湖泊濕地生態環境保護提供科學依據。