长江中游江-河-湖泥沙输移及其对人类活动的响应

第1章 绪 论 1.1 研究背景及现状 1.1.1 研究背景及必要性 历史上，长江沿江两岸通江湖泊星罗棋布，形成了自然的江、河、湖复合水生态系统。长期演变形成的江湖水沙关系错综复杂，其变化历经沧桑，一方面，随着泥沙的逐年淤积，入湖水道淤塞、湖盆逐渐淤高，湖泊调蓄洪水的能力逐渐降低；另一方面，随着沿江两岸人口的快速增长和社会经济的发展，湖泊蓄洪垦殖和围垦活动增多，洞庭湖、鄱阳湖湖面日益分割缩小，洪水溃垸、湖垸互换现象频繁，部分蓄洪垦殖区、围垦区均已发展成为我国重要的商品粮、棉、油、麻基地，仅在江堤内的低洼地区保留着一些内湖作为蓄渍区。至1984年年底，长江中游尚存的大型通江湖泊仅有洞庭湖和鄱阳湖，其他通江湖泊均已建闸控制或垦殖。因此，当前长江中游江湖关系实际是指长江与洞庭湖和鄱阳湖的关系。 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极为复杂。洞庭湖接纳长江松滋口、太平口和藕池口(调弦口1958年建闸，以下简称荆江三口)分流及湘江、资水、沅江、澧水(以下简称湖南四水)来水来沙，调蓄后在城陵矶与长江汇流，形成吞吐长江之势；鄱阳湖承接上游赣江、抚河、信江、饶河、修水来水来沙，由湖口北注入长江，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，其规模、复杂性及重要性独一无二。近百年来，在一系列江湖整治工程、水土保持工程、水利枢纽工程等的影响下，江湖关系发生了剧烈调整，与长江中游江湖水系愈演愈烈的洪旱灾害之间的互馈作用备受关注。特别是近年来，三峡工程等上游控制性水利枢纽相继建成运行，强力驱动着江湖关系进入新一轮的调整，三峡工程运用引起的江湖关系改变及其对洞庭湖、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，也极大地拓展了江湖关系概念的内涵。因此，从宏观层面了解江湖关系的概念、内涵及其表征，剖析江湖关系变化与水资源季节性短缺、湖泊局部水质下降与富营养化加重以及湖泊和洲滩湿地生态退化等一系列水问题之间错综复杂的关系，客观评价三峡工程蓄水运行的影响，成为政府、社会和学术界共同关注的焦点。 水沙交换关系是江湖关系的核心，也是江湖关系变化的纽带。其变化影响着区域的洪水灾害防治、水资源利用、水环境保护和水生态安全，是长江中游水问题的重要内容。水交换是江湖关系演变的驱动力，泥沙交换是江湖关系演变的物质基础。同时，水和沙均是营养物质、微量元素、污染物等的载体。江湖之间水沙交换关系变化一方面会带来河湖水资源量和泥沙总量的重分配、河道形态及湖盆形态的冲淤调整等直接效应；另一方面会对河湖调蓄能力、生态环境变化等产生间接效应，这些效应反过来又会影响水沙交换的强度。可见，水沙交换贯穿江湖关系变化的始终，是研究江湖关系的前提和基础。 影响江湖水沙交换关系的驱动因子及其作用机制均十分复杂。国内外有关江湖关系的研究并不少见，但近60年以来的系统研究较少，仅有零星的关于河-湖水量交换变化特征的研究，对于江湖水沙交换的驱动研究也往往是单因子的研究，缺乏多因子的系统集成。纵观长期以来江湖水沙交换格局的演变过程，其驱动因子主要包括以气候变化、湖泊淤积、河床自适应调整为主的自然因子，以及水利枢纽工程、水土保持工程、湖区围垦、河道(航道)整治工程、采砂活动等高强度的人类活动。 在不同时期，不同驱动因子对江湖关系演变过程的作用程度存在差异，特别是近年来以三峡水库为代表的上游大型控制性水利工程建成运用后，江湖关系发生了一些新变化，这些变化带来的影响成为社会各界高度关注的焦点问题。三峡工程对长江中游江湖关系变化的影响不是一个独立的过程，而是在此前下荆江系统裁弯、葛洲坝水库枢纽运行、水土保持工程实施等人类活动影响的基础上的延展或叠加效应，且带来的影响将更加深远。因此，通过对荆江三口及江湖交汇河段水文资料和河道地形资料的整理分析及观测试验研究，探讨近60年来长江中游鄱阳湖和洞庭湖与长江江湖水沙分流与顶托(倒灌)关系形成机制、现状特征、作用强度与范围，以及典型水文年江湖水沙交换通量的时空分布格局，对于深刻认识长江中游江湖水沙交换关系现状及形成机制，科学评估不同驱动因子，特别是三峡工程等重大水利枢纽工程对江湖水沙交换关系的影响，都是十分必要的，也可为提出当前面临的或将来可预见的主要问题的解决方案奠定基础，是实现长江大保护的重要前提，意义非凡。 1.1.2 国内外研究现状 江湖关系集复杂性、多变性、重要性于一体，历来是国内外相关专业研究的重点领域，积累了大量的研究成果。水沙作为江湖连通的主要媒介，在江、湖之间的输移交换中是河湖关系调整的动力条件和物质基础。单就水沙交换现状及驱动机制看，围绕江湖水沙交换特征与规律、江湖水沙交换的宏观效应、江湖水沙交换驱动机制及评估等方面的研究成果颇丰。 1. 江湖水沙输移特征与规律 水沙输移特征与规律是研究江湖关系的基础。关于长江中游近几十年河湖水沙输移特征的研究主要可以分为三类：一是河湖来水来沙条件变化；二是江分入湖的水沙变化，通常是指荆江三口分流分沙变化；三是湖泊入汇水沙变化。 1)河湖来水来沙条件变化 长江中游干流河道的水沙大部分来自宜昌以上的干支流，区间还有较大的支流、湖泊入汇的水沙，因此，其变化特征有一定的区域性，并且水流和泥沙的变化规律近几十年存在明显的差异。Chen等(2001)根据宜昌、汉口、大通水文站1950～1980年资料分析长江径流量和水沙量，认为径流量变化不大，上中游输沙量减少，但大通以下干流输沙量稳定；将资料序列进一步延长至近期，可以发现近50年来长江入海输沙量呈减少趋势(刘成等，2007)，且宜昌站、汉口站、大通站年平均输沙量都有明显的减少趋势，各主要支流水文站减沙趋势也较为明显(府仁寿等，2003)。可见，早在三峡水库蓄水前，长江干流沙量减少的现象就已经显现。三峡水库蓄水后，长江中游水沙来量及过程均发生了变化，径流总量略偏枯，宜昌站年径流量略有减少，由2003年前的3828亿m3减少到2003年后的3607亿m3，汉口站和大通站年径流量长期以来没有明显的变化趋势，在多年平均值上下波动(王延贵等，2014)；中下游年内分配发生改变，包括中枯水期延长、*小流量增加(胡向阳等，2010)，汛期水库削峰防洪调度减小了坝下游洪峰流量(许全喜和童辉，2012)。与径流变化相比，长江中下游干流泥沙输移的变化基本达到变异的程度，Yang等(2005)研究表明，2003年三峡水库的运行拦截了其下游长江干流河道和通江湖泊泥沙来源的88%，宜昌站、汉口站和大通站年输沙量具有显著的减少趋势(王延贵等，2014)，水流明显变清，三峡出库悬移质泥沙粒径明显变细，坝下游河床冲刷导致悬移质泥沙粗颗粒含量沿程增多，粒径变粗，监利站粗沙量已基本恢复到蓄水前的水平，长江上游与中下游泥沙输移的格局发生了变化，大通站泥沙来源和地区组成发生新变化(许全喜和童辉，2012)。因此，关于长江中游干流水沙条件的变化，已有研究在定性的认识上基本一致：径流总量变化较小，年内过程在三峡水库的调蓄作用下发生了改变，输沙量的减少在三峡水库蓄水前就已经出现，影响因素主要有流域水库拦沙、流域水土保持、河道采砂等人类活动(王延贵等，2014)，三峡水库拦沙作用进一步加大了泥沙的减幅。 近60年洞庭湖水沙主要来自荆江三口和湖南四水，其中荆江三口既是洞庭湖水沙的重要来源，也是连接长江和洞庭湖的主要纽带，关于荆江三口分流分沙变化的相关研究在后续章节详细展开，本节侧重于已有湖南四水来水来沙条件研究的阐述。与长江干流相似，湖南四水流域的水沙变化也集中体现在输沙方面，并且影响因素也主要为水利枢纽工程和水土流失治理工程两类。早期对洞庭湖水沙条件的关注大部分是基于湖区泥沙大量沉积和洪水调节效应，同步计算裁弯前后四水多年平均入湖径流量、泥沙量，发现年径流量减少2.3%，年输沙量减少14.3%(张祥志，1996)。伴随四水流域大量水利工程的修建和水土保持工程的实施，李景保等(2005)研究1951～1998年四水水沙变化规律发现，其径流在时间序列上呈缓减缓增趋势，且波动幅度很小，以致四水入湖径流变化对洞庭湖径流演变未造成深刻影响，但四水入湖输沙量在时间序列上呈减缓趋势(共减少约2030万t)，分析其主要原因：一是水库截留了泥沙，全流域12825座大中小型水库在20世纪60～80年代共持留泥沙9.549亿t；二是水土流失综合治理减少了河道泥沙来源。关于水库拦沙的影响，林承坤和高锡珍(1994)研究认为资水和沅江上建成的柘溪、凤滩两座大型水库的拦沙作用，不仅使得四水输沙量减少，而且改变了四水的输沙过程。 鄱阳湖与长江干流呈单连通关系，湖区的水沙主要来自江西五河流域，受多种自然因素和人为因素的综合作用，流域水沙条件不断变化。郭鹏等(2006)研究鄱阳湖湖口、外洲、梅港站1995～2001年水沙变化及趋势发现，外洲站径流量无趋势性变化，沙量减少明显，梅港站径流增加而沙量无趋势变化；鄱阳湖20世纪90年代入江水通量具有明显的递增趋势，21世纪初则呈递减趋势，而沙通量在20世纪50～90年代间有明显的递减趋势，2000年以来呈明显递增趋势(罗小平等，2008)。五河径流变化过程存在相似性，但输沙量变化比较复杂，外洲、李家渡、梅港和虎山站的输沙量在1985年以后减少趋势显著，万家埠站直到1999年才开始减少，水利设施(尤其是水库)对五河的水沙变化影响很大(孙鹏等，2010)。五河流域内人类活动引起水土流失*为严重的阶段为20世纪70年代中期到80年代末，同时大量的水利工程建设也会影响流域的水沙状况，尤其是对输沙量的影响较大。鄱阳湖入湖水沙变化仍然是以输沙量减少为*显著的特征。长江水沙倒灌鄱阳湖，部分年份对入湖水沙有一定影响，如1963年倒灌沙量达到372万t，占该年五河入湖泥沙总量的83.8%，倒灌的泥沙多淤积于湖口至星子之间的水道上(朱宏富，1982)。一般当长江上、中游来水增加，九江水位高于星子水位0.6 m，且湖口水位高于星子水位0.1 m时，江水倒灌入湖或阻碍湖水出湖，调蓄长江洪水。倒灌多发生在7～9月长江中上游主汛期(孙晓山，2009)。 纵观已有关于长江中游河湖来水来沙条件的论述，其大体的结论认识存在相似性。无论是干流还是湖区的主要支流，近几十年径流变化的程度相对较小，诸如三峡水库蓄水也是更多地改变了径流的年内过程，对径流总量的影响较小；输沙量则不然，以水利枢纽工程和水土保持工程为代表的人类活动长期作用于输沙量的变化，使得进入长江中游河湖系统的沙量均呈减少的趋势，尤其是三峡水库蓄水，更使得干流输入长江中游的泥沙被大量截留，由此导致洞庭湖入湖泥沙减少。长江中游近60年的水沙变化过程更确切地说是径流量波动性变化和输沙量阶段性减少的过程，水沙自身的变化必然引起河湖交换通量的改变。 2)荆江三口分流分沙变化 20世纪50年代以来，受高强度人类活动及自然条件变化的影响，荆江河段河势、河床形态、水力因素、水沙条件均发生了较大的变化。下荆江人工裁弯、自然裁弯显著改变了所在河段的河势，引起本河段及上游一定范围河段内水位、比降、流速等水力因素的剧烈变化，溯源冲刷现象明显，上游葛洲坝水利枢纽运行后，1981～2002年平均每年有830万t泥沙被拦截在库内(Yang et al.，2007)，使得荆江河段河床冲刷继续发展，干流水位进一步下降。21世纪初，葛洲坝上游的三峡水库蓄水后，进入长江中游的水流含沙量急剧减小(Dai et al.，2009；Dai and Liu，2013)，荆江河段河床冲刷强度再次加大(Maren et al.，2013；Hu et al.，2015)，与此同时，长江干流遭遇枯水水文周期，干旱频发(Xu et al.，2008；Zhang et al.，