长江倒灌对鄱阳湖水文水动力影响的数值模拟

长江倒灌对鄱阳湖水文水动力影响的数值模拟

李云良1，姚 静1，张 奇1,2

【摘 要】倒灌是发生在湖泊与周围水体交汇处的一个重要物理过程，对湖泊水文水动力与水环境带来严重影响或干扰，进而对湖泊水质产生重要的影响或控制作用. 本文采用统计方法和二维水动力-粒子示踪耦合模型来分析倒灌物理成因、倒灌发生判别与指示以及倒灌对鄱阳湖水文水动力的影响. 统计表明，流域“五河”入湖径流、长江干流径流情势以及两者叠加作用均是倒灌的影响因素，但长江干流径流情势是影响或者控制倒灌频次与倒灌强度的主要因素. “五河”来水与长江干流的流量比可用来判别与指示倒灌发生与否. 当流量比低于约5%时，倒灌可能发生且最大发生概率可达25%；当流量比高于10%时，倒灌发生概率则低于2%. 水动力模拟结果表明，倒灌对湖区水位与流速的影响向湖区中上游逐渐减弱，湖泊水位和流速受影响最为显著的区域主要分布在贯穿整个湖区的主河道，而浅水洪泛区的水位和流速则受倒灌影响相对较小. 倒灌使得湖泊空间水位提高约0.2～1.5 m，湖泊主河道的流速增加幅度可达0.3 m/s. 粒子示踪结果表明，倒灌导致湖区水流流向转变约90°～180°，倒灌导致的水流流向变化能够使湖区大部分粒子或物质向上游迁移约几千米至20 km，且粒子在下游主河道的迁移距离要明显大于中上游洪泛区. 【期刊名称】湖泊科学 【年(卷),期】2017(029)005 【总页数】11

【关键词】倒灌；水动力-粒子示踪模型；流量比；水文水动力；鄱阳湖；长江 湖泊是全球陆地水系统中极为重要的组分，因其具有丰富的地表水资源和高度

的生态价值，湖泊是人们休闲娱乐、工农业用水和发展渔业的重要场所，也是众多生物群赖以生存的必需环境[1]. 世界上很多大型湖泊通过自然或者人工连通与其周围水体(例如河流、海洋等)存在复杂的水力联系[2]. 其中，倒灌通常是发生在湖泊与周围水体交汇处的一种逆向水流，是影响湖泊诸多功能的一个重要物理过程[3]. 伴随着湖泊外部环境、气候以及人类活动等多因素的复合作用，倒灌将会对湖泊水文水动力特征的时空变化以及湖泊水环境带来严重影响或干扰，进而对湖泊水质产生重要的影响或控制作用[4].

文献调研发现，国内外诸多学者已经针对不同复杂程度、不同尺度的湖泊系统，主要采用了湖泊水文要素原位观测、湖泊水量平衡模型以及水文水动力模型等研究方法，开展了大量工作来探究湖泊倒灌现象的发生及成因，但多数集中在对国外湖泊倒灌的研究(表1). 总结得出，湖泊倒灌的发生呈明显的季节性变化，通常发生在湖泊周围水体的高洪水位时期，加之强风等气象因素的叠加影响，使得倒灌成为影响湖泊水文水动力条件的一个重要因素. 尽管如此，先前关于倒灌对湖泊水文水动力要素的时空影响研究仍涉及较少，缺乏对倒灌影响机制的深入认识.

鄱阳湖是我国最大的淡水湖泊，也是长江中下游极具代表性的大型通江湖泊，在优质淡水供给、洪水调控和生物多样性保护等方面起着重要作用. 鄱阳湖水位季节性高度动态变化，导致湖泊水体面积呈年内明显的萎缩与扩张，进而使得湖区洪旱灾害频发[13]. 流域“五河”入湖径流对湖泊水位起着主控作用，而鄱阳湖与长江的水量交换也对湖泊水位造成季节性的顶托和拉空作用[14-15]. 大多数年份里，长江均会以持续或者间断发生的形式倒灌鄱阳湖，且倒灌发生天数约几天至几十天[14]. 先前很多研究均明确指出了长江倒灌会对鄱阳湖空间水

文水动力以及水环境问题等带来不容忽视的影响，具体表现为倒灌将会增加湖区空间水位与水面积，增强鄱阳湖洪水发生风险与强度[16-17]. 此外，倒灌会延长湖区的换水周期，进而导致湖区水环境状况恶化等[18-21]. 然而，上述这些关于倒灌所导致的可能影响并没有得到具体研究工作的证实. 鄱阳湖倒灌的主要影响因素是什么？倒灌发生如何判别和指示？倒灌究竟给鄱阳湖水文水动力的时空变化特征带来哪些影响？影响程度与范围有多大？空间尺度上，不同湖区对倒灌是否存在不同的响应？这些重要科学问题的解决和回答可为鄱阳湖水文水动力与水质水环境模拟及其对江湖关系变化的响应研究提供参考，对保障长江中下游水安全具有重要现实意义.

本文首次聚焦鄱阳湖倒灌事件及其影响，期望能对鄱阳湖复杂的河湖系统有更加清晰和深入的认识，从而为科学有效调控近年来江湖关系改变对鄱阳湖的影响提供科学依据. 本文主要解决以下几个问题或研究目标：(1)基于历史长序列观测数据，采用统计学方法来辨析倒灌的主要影响因素，寻求倒灌发生的判别依据与指示；(2)选取历史典型倒灌事件，基于二维水动力模型定量评估倒灌对湖区水文水动力要素的时空影响；(3)基于耦合粒子示踪模型来进一步研究倒灌对湖区水流与物质输移的影响范围与程度.

1 材料与方法

1.1 研究区概述

鄱阳湖位于江西省北部及长江中下游南岸，南北长约173 km，东西最大宽度约74 km，北部入江水道最窄处的宽度约2.8 km，湖岸线总长约1200 km(图1). 湖盆高程呈南高北低的趋势，最大高程差约13 m，南、北部平均高程相差约6.5 m(图1). 鄱阳湖湖盆主要由主河道、岛屿、洪泛洲滩等典型地貌构成. 研