长江中游通江湖泊江湖关系演变及其效应与调控

第1章 江湖关系格局与现状态势 1.1 江湖关系内涵与表征 1.1.1 江湖关系内涵 “江湖关系”一词由来已久，但迄今尚无公认的科学定义，通常指江 (河)湖之间的水量蓄泄关系及引起的江河水道与湖盆冲淤演变。长江中下游地区湖泊众多，与长江之间存在着各式水力联系，包括网状和单通道自然连通、闸坝控制的半阻隔连通等。网状连通是指湖泊有多条水道与长江直接连通，*典型的是荆江与洞庭湖、太湖与长江的关系，前者仍主要保持自然连通，后者为闸坝控制的半阻隔连通；单通道连通指湖泊仅有一条水道与长江直接连通，*典型的为鄱阳湖和巢湖与长江的关系，鄱阳湖仍维持与长江的自然连通，巢湖与长江之间则建有闸坝控制，呈半阻隔连通。千百年来，由于人类防洪除涝和围湖造田等大量修建圩堤，数以千计的湖泊与长江的直接水力联系被完全阻隔，导致大量湖泊萎缩消亡，如古彭蠡泽。 20世纪有关江湖关系的研究主要侧重于荆江与洞庭湖的关系 (卢金友和罗恒凯， 1999)，由于荆江与洞庭湖在长江流域治理尤其是防洪治理中具有显著地位，江湖关系成为水利行业的专有名词。近年来，鄱阳湖与历史通江的洪湖等与长江水沙交换研究中也越来越多涉及江湖关系的概念(Hu et al.， 2007;尹发能， 2008)，尤其是三峡工程引起的江湖关系改变对长江中游洞庭湖、鄱阳湖的影响越来越受到学术界的关注，从而大大提升了“江湖关系”这一概念的关注度，也大大拓展了江湖关系的概念内涵。国外有关河湖关系的研究较少，仅有零星的关于河-湖水量交换变化特征研究 (Bonnet et al.， 2008; Lesack and Melack， 1995)。 与国内外同类河-湖关系相比，自然通江的洞庭湖、鄱阳湖与长江之间形成的江湖水力联系及水沙交换关系较为复杂。洞庭湖接纳长江荆江三口(调弦口 1958年建闸堵闭，现为三口)分流及湘、资、沅、澧四水来水，调蓄后在城陵矶与长江汇流，形成吞吐长江之势；鄱阳湖承接上游赣、抚、信、饶、修五河来水，由湖口北注长江，与长江相互顶托(长江间或倒灌入湖 )，长江水情变化直接影响鄱阳湖的水量变化。长江与洞庭湖、鄱阳湖之间不同的水沙交换特性，形成了各具特色的江湖关系，其复杂性与重要性在世界上独一无二。 综合已有的相关研究，江湖关系可以定义为江 (河)湖水系之间的水力连通和水沙营养盐等物质与能量交互作用关系，广义的江湖关系还包括江湖水沙营养盐等物质和能量交互作用引起的水系结构与功能变化及河湖生态系统的响应。而长江中游江湖关系特指长江与洞庭湖、鄱阳湖两个大型通江湖泊的交互作用关系。 因此，广义江湖关系内涵主要包含以下三个方面。 一是江湖连通性。江湖连通状况决定水沙交换、河湖演变、水质净化、洄游性生物的洄游通道。除中游的洞庭湖、鄱阳湖和下游的石臼湖三个湖泊与长江仍保持自然连通外，长江中下游包括太湖、巢湖、洪湖、梁子湖等大多数湖泊与长江之间均建有闸坝控制，失去了与长江的自然连通，呈半阻隔连通状态，从而导致湖泊水动力条件显著改变，成为这些湖泊富营养化加重和蓝藻水华灾害频发的重要原因。 二是水沙交换关系及其所引起的江、湖冲淤变化。水沙变化是江湖关系演化*根本的动力，引起河流、湖泊的冲淤变化并导致河湖形态、水文情势等变化。长江中下游江、湖冲淤演变频繁且剧烈，荆江三口河道淤积导致长江入洞庭湖径流分流比逐渐下降，历史上中下游不少湖泊因长年淤积而消亡。 三是氮磷等营养物质交换关系与生态环境变化。包括河湖形态与水、沙改变造成的氮磷等营养物质、水环境、水生生物多样性，以及水生生态系统的结构与功能等变化。长江中下游洪泛平原上的淡水沼泽、湖泊、洲滩湿地等与长江形成密切的水力联系，形成江湖一体的水域生境，如洪水上涨使作为索饵场和繁殖场的水塘、沼泽、湖泊与河流连通，在这些地方繁殖索饵的鱼类进入河流生长，秋冬季节洪水退落后，滞留于洪泛平原沼泽或水塘中的成鱼在来年繁殖重新进入河流系统，维系着河湖的生物多样性。 江湖关系是一个复合现象，长江与洞庭湖、鄱阳湖的江湖关系具有不同的内涵。洞庭湖作为过水型的湖泊，与长江关系通过荆江三口分流入流和城陵矶出流，构成江湖分合、相互影响、相互制约的复杂关系，其内涵不仅包括传统防洪意义上的蓄泄关系，即荆江河段的泄流能力、荆江三口分流分沙能力、洞庭湖调蓄洪水能力及城汉河段的泄流能力四个方面(李义天等， 2000; 蔡其华， 2007)，而且还包括荆江与洞庭湖因水量、物质能量交换而导致的江、湖冲淤演变与水文情势变化及引起的水资源、水环境和水生态效应。长江和鄱阳湖以湖口为汇合口，构成湖水下泄入江和江水倒灌入湖的复杂关系，水量交换受到鄱阳湖上游五河来水和长江水量的双重影响，其内涵不仅包括鄱阳湖调蓄长江洪水的能力，还包括长江和鄱阳湖因水量、物质能量交换而导致的江、湖冲淤演变与水文情势变化及引起的水资源、水环境和水生态效应。 1.1.2 长江中游江湖关系系统表征 长江中游通江湖泊江湖关系的核心是长江和湖泊之间的水沙交换，由于江湖关系的复杂性，如何表征这种水沙交换关系，成为学界关注的重点。对于鄱阳湖与长江水量交换，除考虑湖口出流量外，还应考虑长江对鄱阳湖的倒灌作用对江湖水交换产生的影响。 Hu等(2007)、Guo等(2012)和郭华等( 2012)用鄱阳湖水量净变化量(湖口出流量与流域五河来水量之差)与湖口出流量的比例关系定义长江-鄱阳湖相互作用指数，以评价长江 -鄱阳湖相互作用的强度。方春明等 (2012)从长江干流来水对湖口出流的顶托作用、湖口倒灌出现的条件、鄱阳湖对洪水的调节系数等定量分析鄱阳湖与长江干流径流相互作用。赵军凯等(2011)通过构建年尺度江湖水量交换的经验公式来量化长江与鄱阳湖、洞庭湖江湖水交换作用的强度。 对于洞庭湖与长江水量交换，荆江三口分流比、城陵矶水位、螺山水位流量关系是关注的焦点。不少学者认为，荆江三口作为联系长江干流与洞庭湖的水沙通道，是长江与洞庭湖关系调整变化的纽带 (卢金友和罗恒凯， 1999; 李学山和王翠平， 1997; 许全喜等， 2009)；另外一些学者又从洞庭湖城陵矶出口水力坡降的变化，论证了长江水位的顶托作用(卢承志， 2005;赖锡军等， 2012a;胡旭跃等， 2011; Dai et al.， 2015)。 从江湖水系统角度来看，江湖关系系统包含系统结构指标和系统功能指标两部分，一定的系统结构表现出相应的系统功能。相应地，江湖关系表征也应包含系统结构指标和系统功能指标两个部分。系统结构指标包括江湖连通性、水沙交换、水动力、冲淤与形态、水质与水生生物等；系统功能指标包括防洪与供水、生物多样性维持和生产服务等。和谐的江湖关系是以江湖两利为判别，因此这些江湖关系系统指标理论上必须包括江河和湖泊两个方面，但在实际研究和应用中，往往着重关注受江湖关系影响变化大的水体，而把作用强的水体视为影响因素，如在中游洞庭湖、鄱阳湖与长江的江湖关系中，除连通性和水沙相互作用，两湖对长江干流下游河段有较大影响外，江湖关系变化对长江干流冲淤、形态以及水质和水生生物的影响都远远小于其对两湖的影响，因而相关指标更多侧重于表征湖泊的变化。表征江湖关系系统的主要指标见表 1.1。 表1.1 江湖关系系统主要指标体系 1. 江湖关系系统结构指标 1)江湖连通性 江湖连通是江湖关系存在的前提，是指江 (河)与湖泊之间水力联系的连接和通畅状况，可用三个指标来表征：①水流连续性，为江湖水系之间保持流动的水量和流速大小，一般地，流速小和水量小意味着江湖水流连续性差；流速大和水量大意味着江湖水流连续性好，水流连续性可用日均流量与年均流量的比例或低流量持续时间来表征； ②通道畅通性，表征通道是否受人工建筑物阻隔，包括水流通道、生物通道、航运通道等是否自然和畅通；长江流域湖泊面积广大，对防洪和湿地生态环境等具有重要影响，河流与湖泊连接通道的通畅性十分重要，尤其是生物通道的畅通，可保障洄游、半洄游性鱼类等水生动物的自然繁殖和生长，闸坝修建将阻断生物洄游通道，使生境破碎化； ③*大泄流能力，指江 (河)与湖泊水体相互排泄的*大过水能力，以*大出湖流量 /*大入湖流量比值表示。 2)水沙交换 水沙交换量是江湖关系变化的关键指标，河湖水沙变化及交换是江湖相互作用的直接动力，是实现江湖相互作用的途径，包括分流分沙比、水沙汇合比、水沙交换强度、湖泊换水周期等表征指标。 ①分流分沙比，就洞庭湖与长江江湖关系，包括荆江三口分流分沙比和城陵矶倒灌水沙的比例；鄱阳湖则为湖口水沙倒灌的比例，表明江河对湖泊的作用强度； ②水沙汇合比，指湖泊进入长江干流的水沙占汇合后的干流水沙的比例，表明湖泊对江河的影响程度； ③水沙交换强度，交换强度越大，表明江湖联系越紧密，有利于防洪、生态及服务效益的发挥； ④湖泊换水周期，是判断湖泊水资源能否持续利用和保持良好水质的一项重要指标，通常是以多年平均水位下湖泊容积除以多年平均出湖流量来计算，出湖流量越大，换水周期越短，说明湖水一经利用，其补充恢复也越快，从而对水资源的持续利用越有利；出湖流量小，则换水周期长，如果湖水被大量引用，水量又难以得到补充时，湖面就会明显缩小，湖泊的生态环境也会发生一系列变化。 3)水动力 水沙交换需要一定的水流动力，水流动力强，江湖水沙交换强度也强，表征水动力变化的指标较多，根据对江湖关系的影响程度，可用三个指标来表达：①水面比降，是与江河水位和湖泊水位差和水流流速相关的一项重要指标，一般用沿水流方向单位水平距离的水面差，以千分率或万分率表示； ②水流顶托，主要指湖泊出口处江河水流对湖泊出流的顶托作用，江河水位越高，则对湖泊出流的顶托作用强，江河水位低，对湖泊出流顶托强度弱；③排沙能力，可用排沙比来表示，即年出湖沙量 /年入湖沙量比值，排沙比大于 1表明湖泊冲刷，排沙比小于 1表明湖泊淤积，反映水动力条件的变化。 4)冲淤与形态 江(河)湖床和岸滩冲淤是水沙交换强度与水动力条件强弱的直接反映，冲淤变化受水沙、边界条件、新构造运动、人类活动等多种因素的影响，合理的水沙配比可以使湖盆不冲不淤或者在一定时段内达到冲淤相对平衡。包括干流河段的冲淤变化、入湖通道的冲淤变化和湖泊的冲淤变化。对于洞庭湖与长江江湖关系，长江干流河段冲淤变化包含荆江河段和城汉河段，入湖通道的冲淤变化主要指三口河道，由于江水倒灌的关系，同时也包含洞庭湖出城陵矶进入长江河段的冲淤变化。鄱阳湖与长江江湖关系，长江干流河段冲淤变化一般指湖口附近河段的冲淤变化，入湖通道的冲淤变化指鄱阳湖入江水道。 江(河)湖形态是冲淤变化结果的表现形式，湖泊形态一般以某一水位条件下相应的面积、容积、长度、宽度、岸线周长、河 /湖深和岸线占用系数等指标表征；河道形态一般以某一水位条件下相应的河宽、水深、宽深比、湿周、弯曲系数等指标表征。洞庭湖区河道形态包括荆江干流、三口及三口河道和城汉 (城陵矶-汉口)河段形态，湖泊形态指东洞庭、南洞庭和西洞庭的湖盆形状；鄱阳湖区河道形态主要指湖口附近长江干流河道，湖泊形态指湖口入江水道及以上湖泊形状。 5)水质 水质是江 (河)湖泊水体物理、化学和生物特性的重要表征，长江中游江湖关系水质指标着重强调伴随水沙和营养盐等交换而发生变化的湖泊理化和生物学指标，包括常用的：①物理性指标，如温度、色度、嗅和味、浑浊度、透明度、悬浮物、电导率等；②化学性指标，包含一般化学性指标，如 pH、碱度、硬度、各种阳离子、阴离子、总含盐量和溶解氧 (DO)、化学需氧量(COD)、生化需氧量(BOD)、总需氧量(TOC)等氧平衡指标，氨氮、亚硝酸盐氮、硝酸盐氮、总氮、磷酸盐和总磷等有机污染指标，以及有毒化学性指标，如各种重金属、氰化物、多环芳烃、各种农药等； ③生物性指标，如叶绿素 a、细菌总数、总大肠菌数等。