鄂州市湖泊調(diào)蓄作用淺析

仇寶瑞，桑學(xué)鋒，周祖昊，劉 俊

(1. 中國(guó)水利水電科學(xué)研究院流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100038；2.華北水利水電大學(xué)，鄭州 450011;3. 陜西省河流工程技術(shù)研究中心，西安 710018)

近年來(lái)，隨著全球氣候變暖和城市化的快速發(fā)展，我國(guó)的水災(zāi)越來(lái)越頻繁，許多地方造成嚴(yán)重的洪澇災(zāi)害。2010年6月13日我國(guó)華南、江南南部出現(xiàn)強(qiáng)降水過(guò)程，造成嚴(yán)重的山洪泥石流滑坡災(zāi)害，強(qiáng)降雨造成福建、廣西、四川、廣東、江西5省區(qū)143.2 萬(wàn)人受災(zāi)；2014年5月8日至5月11日，中國(guó)南方出現(xiàn)大范圍持續(xù)性強(qiáng)降雨過(guò)程，造成江西、湖南、廣東、廣西、貴州5省區(qū)121.6萬(wàn)人受災(zāi)；2017年6月3日至6月7日南方部分地區(qū)遭受的洪澇災(zāi)害，造成江西、湖北、湖南、廣西、重慶、四川、貴州7省區(qū)74.7 萬(wàn)人受災(zāi)。每一次洪澇災(zāi)害對(duì)湖泊的調(diào)蓄作用都是一次大的挑戰(zhàn)，而“湖泊之殤”是擺在眼前的尷尬現(xiàn)實(shí)。湖泊承擔(dān)著匯集雨水徑流、削減洪峰、節(jié)約城市用水、凈化水質(zhì)、補(bǔ)充地下水等作用，同時(shí)它也是改善氣候、調(diào)節(jié)水系平衡和減少城市內(nèi)澇、梳理城市雨洪系統(tǒng)的重要條件。隨著人們對(duì)于生態(tài)保護(hù)認(rèn)識(shí)的逐漸加深，湖泊作為在適應(yīng)環(huán)境變化和應(yīng)對(duì)雨水帶來(lái)的自然災(zāi)害等方面具有良好的“彈性”的巨大海綿，其作為流域洪水調(diào)蓄中心的作用愈發(fā)重要。

隨著海綿城市理念的提出及應(yīng)用，城市湖泊作為統(tǒng)籌發(fā)揮自然生態(tài)功能和人工干預(yù)功能的中心，其調(diào)蓄能力在城市管理中所起的作用將越來(lái)越大。湖泊調(diào)蓄作用主要在削減洪峰的削峰作用與調(diào)節(jié)洪水的調(diào)蓄量，國(guó)外多對(duì)湖泊生態(tài)過(guò)程進(jìn)行研究，美國(guó)是最早開(kāi)始對(duì)雨洪調(diào)蓄進(jìn)行研究的國(guó)家之一，從20世紀(jì)60年代初側(cè)重于對(duì)雨水中非點(diǎn)源污染的研究，到1986年頒布的《國(guó)家城市徑流報(bào)告》法案，再到21世紀(jì)美國(guó)國(guó)會(huì)再次強(qiáng)調(diào)城市雨水管理需遵循環(huán)保署的提議，都標(biāo)志著城市湖泊其功能性作用在城市管理中越來(lái)越大[1]；而國(guó)內(nèi)對(duì)湖泊功能性研究較為關(guān)注，楊桂山[2]等通過(guò)清查我國(guó)面積大于1 km2湖泊的數(shù)量、面積和分布情況，結(jié)合歷史及相關(guān)研究資料，面對(duì)我國(guó)湖泊萎縮與調(diào)蓄能力減少、水質(zhì)下降、生態(tài)退化等等一系列生態(tài)與環(huán)境問(wèn)題，提出了我國(guó)湖泊保護(hù)策略；姜魯光等[3]通過(guò)計(jì)算1998年前后鄱陽(yáng)湖調(diào)蓄能力的變化，確定退田還湖工程的實(shí)施對(duì)鄱陽(yáng)湖區(qū)洪水調(diào)蓄功能具有明顯影響；左曉陽(yáng)[4]通過(guò)對(duì)洞庭湖多年削峰作用的分析，得出洞庭湖調(diào)蓄能力在不斷減弱，并提出洞庭湖防洪策略；章杭惠[5]通過(guò)太湖流域在歷史洪災(zāi)中的巨大的調(diào)蓄和削峰作用，在減輕上下游防洪壓力的同時(shí)把流域洪災(zāi)損失降低到最低程度，進(jìn)一步分析和展望了太湖在未來(lái)流域防洪中的地位與作用；饒恩明[6]等以可調(diào)蓄水量作為湖泊洪水調(diào)蓄能力的評(píng)價(jià)指標(biāo)，基于可調(diào)蓄水量與湖面面積之間的數(shù)量關(guān)系構(gòu)建湖泊洪水調(diào)蓄功能評(píng)價(jià)模型，分別對(duì)我國(guó)湖泊和水庫(kù)的洪水調(diào)蓄能力進(jìn)行了初步評(píng)估，為我國(guó)防洪建設(shè)和洪水管理提供了科學(xué)的指導(dǎo)。

前人對(duì)于湖泊調(diào)蓄能力的研究一般通過(guò)大型湖泊在歷史中所起的調(diào)蓄能力進(jìn)行分析，而缺少對(duì)于湖泊不同重現(xiàn)期其調(diào)蓄能力的系統(tǒng)性分析，而且隨著流域經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展，水資源供需矛盾日益突出，如何發(fā)揮湖泊在集中暴雨期間的調(diào)蓄作用，實(shí)現(xiàn)洪水資源化，發(fā)揮湖泊的綜合作用，將會(huì)是未來(lái)湖泊調(diào)蓄作用的研究目標(biāo)。本文利用1959-2016年鄂州最大日降水量數(shù)據(jù)，通過(guò)皮爾遜Ⅲ分布法計(jì)算鄂州市多年一遇的降雨量來(lái)確定鄂州20年一遇、50年一遇和100年一遇降雨量，通過(guò)分析鄂州梁子湖、鴨兒湖等中型湖泊在不同重現(xiàn)期其削峰和調(diào)蓄洪水作用，對(duì)比鄂州市防洪排澇標(biāo)準(zhǔn)并討論鄂州防洪對(duì)策，對(duì)于指導(dǎo)鄂州湖泊的管理和對(duì)應(yīng)對(duì)未來(lái)雨洪災(zāi)害具有一定的指導(dǎo)意義。

1 研究區(qū)概況

鄂州市位于湖北省東南部，長(zhǎng)江中游南岸。西接“九省通衢”武漢，東連“礦冶之城”黃石，北與黃岡地區(qū)隔江相望，南同咸寧市瀕湖毗鄰。地跨東經(jīng)114°30′～115°05′，北緯30°01′～30°36′。鄂州市以湖而名，依水而興，是湖北省著名的“百湖之市”、“魚(yú)米之鄉(xiāng)”。境內(nèi)河網(wǎng)密布，湖泊眾多，全市納入湖北省第一、第二批湖泊保護(hù)名錄的52個(gè)，現(xiàn)有水系主要為梁子湖、花馬湖、七跡湖及洋瀾湖四個(gè)水系組成。梁子湖水系主要由梁子湖、鴨兒湖、保安湖、三山湖等組成。其中梁子湖匯水面積2 085 km2，鴨兒湖363.2 km2、新港和三山湖153.8 km2。花馬湖水系主要由走馬湖、花家湖、大湖墩、螺絲徑、黃山湖等組成，其中花馬湖匯水面積268.7 km2，現(xiàn)有湖泊面積約15.56 km2，平均水深約為2.5 m，總蓄水量約為4 950 萬(wàn)m3。七跡湖水系主要由七跡湖、南跡湖等組成，整個(gè)湖系匯水面積約63.7 km2，平均水深約為2.7 m，現(xiàn)有湖泊面積約5.53 km2。洋瀾湖古稱南浦，又名南湖，位于鄂州城區(qū)中心，整個(gè)湖系匯水面積約41.7 km2，現(xiàn)有湖泊面積約4.25 km2。鄂州市全域根據(jù)地形地勢(shì)及受納水體的不同劃分為7大排水分區(qū)[7](見(jiàn)圖1)。

圖1 鄂州市排水系統(tǒng)分區(qū)

2 計(jì)算方法

湖泊可通過(guò)自身蓄洪能力在洪水期間暫時(shí)蓄納入湖洪水，消減并滯后洪峰流量，調(diào)蓄洪峰水量，從而減輕區(qū)域防洪壓力。本文采用鄂州市1959-2016年最大日降雨，利用皮爾遜Ⅲ分布法計(jì)算鄂州市不同重現(xiàn)期的降雨量，通過(guò)鄂州市不同重現(xiàn)期的降雨量計(jì)算區(qū)域入湖水量，區(qū)間產(chǎn)流由于沒(méi)有實(shí)測(cè)流量資料，通常采用間接方法計(jì)算，再通過(guò)湖泊水量平衡公式計(jì)算湖泊調(diào)蓄水量，確定重點(diǎn)湖泊在不同重現(xiàn)期暴雨情況下的調(diào)蓄作用和削峰作用。

入湖水量：

W1=1 000F水體I

(1)

W2=1 000αF匯水面積I

(2)

式中：W1為湖面產(chǎn)水量，m3；W2為匯流產(chǎn)水量，m3；α為徑流系數(shù)，魚(yú)塘、溝渠、河道為1.0，建城區(qū)(包括居民區(qū)、道路等)為0.75，其他用地0.6，區(qū)域綜合徑流系數(shù)為0.9 ；F水體為湖面面積，km2；F匯水面積為雨水匯水區(qū)域面積，km2；I為設(shè)計(jì)暴雨量，mm。

湖泊水量平衡：

ΔW=W1+W2-Q

(3)

(4)

式中：ΔW為調(diào)蓄量(若為正表示水面升高，反之降低)；k為調(diào)蓄率；Q為湖泊出湖水量，根據(jù)歷史不同重現(xiàn)期降雨情況下的出湖流量來(lái)確定。

此法相比其他計(jì)算方法，加入了匯流雨量，偏重于湖體與入湖雨量的關(guān)系，相對(duì)于面積較大湖泊對(duì)入湖水量的計(jì)算更為準(zhǔn)確。

3 研究區(qū)降雨特征分析

通過(guò)1959-2016年多年降水量數(shù)據(jù)分析(數(shù)據(jù)來(lái)源于梁子鎮(zhèn)、白龍、天井畈和樊口站1959-2016年水文資料)，全市多年平均年降水量為1 253 mm，年降雨日129 d，年降水總量18.85 億m3。年降水量在地區(qū)分配上，總趨勢(shì)東南大于西北，南部太和、公友一帶年降水量1 500 mm，西北葛店、華容一帶，年均降水量?jī)H1 400 mm。降水量分布不均，主要集中在4-7月，占全年的55.1%；年際變化也較大，梁子湖平原區(qū)天井畈站1969年最大降水深1 904.5 mm，1968年最小降水深740.4 mm，變差率達(dá)4[7]，見(jiàn)圖2。

圖2 鄂州市降水量等值線及水文站點(diǎn)分布圖(單位：mm)

1959-2016年最大日降水量變化趨勢(shì)情況如圖3所示。從圖3可以看出，鄂州年最大日降水量一般在200～300 mm之間，最大在1998年達(dá)到286.2 mm。經(jīng)歷了一個(gè)從少到多的演變過(guò)程，20世紀(jì)六七十年代偏小，20世紀(jì)八九十年代增加顯著，21世紀(jì)有所下降。年最大日降雨量整體呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，變化傾向率為0.44 mm/a，58 a間增加了25.5 mm，但增加并不顯著。

圖3 1959-2016年最大日降雨量趨勢(shì)線

采用鄂州市1959-2016年最大日降雨統(tǒng)計(jì)表，利用皮爾遜Ⅲ分布法計(jì)算鄂州市多年一遇的降雨量，暴雨重現(xiàn)期P為1、3、5、10、20、30、50、100年情況下的降雨量如表1所示。從圖4可以看出以最大日降雨為標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算鄂州多年一遇降雨情況，20年一遇最大日降雨為202.5 mm，50年一遇最大日降雨為240.7 mm，100年一遇最大日降雨為269.1 mm。皮爾遜Ⅲ分布法計(jì)算的鄂州重現(xiàn)期降雨數(shù)據(jù)可代表鄂州多年來(lái)最大日降雨分布情況，其方法較為準(zhǔn)確可靠，對(duì)未來(lái)鄂州計(jì)算其他重現(xiàn)期有一定的參考價(jià)值。

圖4 鄂州市日最大降水量多年一遇極值曲線

重現(xiàn)期/a13510203050100皮爾遜Ⅲ分布法/mm52.5119.0142.5173.0202.5219.5240.7269.1

4 湖泊削峰作用分析與討論

4.1 湖泊最大可調(diào)蓄水量

最大可調(diào)蓄水量是湖泊多年平均水位變幅與湖面面積的乘積，反映了湖泊調(diào)蓄能力的大小。鄂州市內(nèi)調(diào)蓄湖泊共計(jì)52個(gè)，市域內(nèi)湖泊總面積457.84 km2，平均調(diào)蓄水深2.2 m，計(jì)算得出可調(diào)蓄量共計(jì)101 067.7 萬(wàn)m3，可見(jiàn)鄂州可調(diào)蓄水量巨大(湖泊相關(guān)資料來(lái)自《鄂州市市域排水專項(xiàng)規(guī)劃》)?？紤]到梁子湖和上鴨兒湖的面積在鄂州市全市排名前二，且兩湖的面積之和占鄂州市域內(nèi)湖泊總面積的66%，選定這兩個(gè)湖泊為典型，分析鄂州市湖泊對(duì)防洪排澇的調(diào)蓄作用。表2為梁子湖和上鴨兒湖最大可調(diào)蓄水量計(jì)算分析表，可以看出梁子湖和上鴨兒湖最大可調(diào)蓄水量分別為71 814.8和7 645.62 萬(wàn)m3。

表2 湖泊可調(diào)蓄水量

4.2 湖泊調(diào)蓄作用分析

湖泊對(duì)洪水的調(diào)蓄作用主要表現(xiàn)在消減洪峰流量與調(diào)節(jié)洪水的調(diào)蓄量。鄂州作為百湖之市，湖泊控制非常嚴(yán)格，在汛期到來(lái)之際都要對(duì)湖泊進(jìn)行開(kāi)閘放水，以迎接汛期可能帶來(lái)的洪水災(zāi)害，湖泊削峰作用與調(diào)節(jié)洪水的調(diào)蓄量是防洪決策的重要依據(jù)[8,9]。

通過(guò)公式(1)和(2)計(jì)算湖泊入湖水量，其中梁子湖匯水區(qū)域2 085 km2，湖泊面積271 km2，上鴨兒湖匯水區(qū)域312 km2，湖泊面積129 km2，出湖水量根據(jù)歷史不同重現(xiàn)期降雨情況下出湖流量來(lái)確定(100年一遇以1998年日最大出湖流量，50年一遇以1987年日最大出湖流量，20年一遇以1959年日最大出湖流量)[10]，然后根據(jù)式(3)計(jì)算調(diào)蓄量及削峰作用。

表3為在不同重現(xiàn)期最大日降雨情況下湖泊調(diào)蓄作用分析表。根據(jù)水量平衡原理，湖泊調(diào)蓄作用通過(guò)其調(diào)蓄量和調(diào)蓄率來(lái)反映。對(duì)不同重現(xiàn)期湖泊調(diào)蓄作用的分析比較，可以看出梁子湖調(diào)蓄水量平均值3.69 億m3，最大調(diào)蓄量4.04 億m3，調(diào)蓄水量占入湖水量80%；上鴨兒湖調(diào)蓄水量平均值2 800 萬(wàn)m3，最大調(diào)蓄水量3 900 萬(wàn)m3，調(diào)蓄水量占入湖水量30%。面對(duì)不同重現(xiàn)期暴雨，梁子湖及上鴨兒湖的調(diào)蓄作用都很明顯。梁子湖100年一遇入湖流量為5 049 m3/s，相應(yīng)下游出湖流量?jī)H為1 173 m3/s，湖泊削減洪峰流量達(dá)80%；上鴨兒湖100年一遇入湖流量為875 m3/s，相應(yīng)下游出湖流量?jī)H為612 m3/s，湖泊削減洪峰流量達(dá)30%，效果都很顯著。

表3 湖泊調(diào)蓄作用分析表

湖泊的蓄洪能力關(guān)系到湖泊緩和自身流域的洪水水位，通過(guò)公式(2)計(jì)算湖泊存儲(chǔ)水量，根據(jù)湖泊水位—容積曲線推出湖泊水位[11]，不同重現(xiàn)期下湖泊水位上漲情況如表4所示。從表4可知梁子湖在50年一遇日降雨時(shí)，水位超過(guò)設(shè)防水位，說(shuō)明湖泊一日降雨的防洪標(biāo)準(zhǔn)尚達(dá)不到50年一遇；上鴨兒湖在20年一遇日降雨時(shí)，水位超過(guò)設(shè)防水位，說(shuō)明湖泊一日降雨防洪標(biāo)準(zhǔn)尚達(dá)不到20年一遇。計(jì)算結(jié)果與實(shí)際湖泊防洪標(biāo)準(zhǔn)基本一致，間接驗(yàn)證了計(jì)算方法的準(zhǔn)確性。按照城市防洪規(guī)劃標(biāo)準(zhǔn)，鄂州市防洪標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇，目前的湖泊防洪排澇能力嚴(yán)重不足，尚需加大湖泊調(diào)蓄容量，增加排澇能力，提高防洪排澇標(biāo)準(zhǔn)。

表4 不同降水條件下湖泊水位上漲分析

4.3 討 論

鄂州有著巨大的湖泊面積，其調(diào)蓄作用和削峰作用顯著，然而“湖泊之殤”也是擺在眼前的尷尬現(xiàn)實(shí)。隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，人們對(duì)土地的需求越來(lái)越大，鄂州湖泊面積每年都在減少，導(dǎo)致調(diào)蓄能力和削峰作用減弱[12]。為增大鄂州湖泊對(duì)于洪水的調(diào)蓄和削峰能力，降低鄂州洪澇災(zāi)害，保障鄂州人民生命財(cái)產(chǎn)安全，除堤防加高加固外，還應(yīng)采取下列措施。

(1)增加湖泊調(diào)蓄能力。鄂州市漁業(yè)發(fā)達(dá)，存在魚(yú)塘侵占湖泊的現(xiàn)象，導(dǎo)致湖泊蓄水容量減小。需要科學(xué)規(guī)劃養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展，拆除不合理堤防，破堤還湖，對(duì)局部低洼和阻礙行洪的地段采用挖泥船進(jìn)行河湖疏浚，保證湖泊具有充足的調(diào)蓄空間。

(2)加強(qiáng)河湖水系連通。鄂州境內(nèi)湖泊眾多，通過(guò)重塑或新建滿足防洪除澇功能的水流連接通道，使湖泊擁有更大削峰和調(diào)蓄能力，提高區(qū)域的防洪排澇能力，對(duì)減輕區(qū)域防洪排澇壓力具有重要作用。

(3)新建和改建泵站。鄂州處于我國(guó)南方豐水地區(qū)，每年都會(huì)面臨巨大的防洪排澇壓力。加大泵站抽排能力，增加汛期安全指數(shù)。

5 結(jié) 論

綜合而言，鄂州作為百湖之市，其湖泊在歷年抵御洪澇災(zāi)害中起著重要作用。主要表現(xiàn)在有較大的調(diào)蓄水量，承擔(dān)著區(qū)域洪水調(diào)蓄的和削峰作用。

(1)通過(guò)不同重現(xiàn)期區(qū)域洪峰量和湖泊水量平衡計(jì)算，分析了鄂州市最大的兩個(gè)湖泊----梁子湖、上鴨兒湖在不同重現(xiàn)期其調(diào)蓄洪水和削峰作用。梁子湖對(duì)20年一遇、50年一遇、100年一遇洪水的調(diào)蓄水量分別為3.29、3.73和4.04 億m3，調(diào)蓄水量分別占入湖水量的87%、83%和80%；上鴨兒湖對(duì)20年一遇、50年一遇、100年一遇洪水的調(diào)蓄水量分別為0.39、0.22和0.23 億m3，調(diào)蓄水量分別占入湖水量的35%、32%和30%。

(2)本文通過(guò)皮爾遜Ⅲ分布法計(jì)算的鄂州重現(xiàn)期，并采用入湖水量計(jì)算方法及水量平衡計(jì)算方法對(duì)鄂州湖泊進(jìn)行計(jì)算，其方法對(duì)其他湖泊計(jì)算有很大的參考價(jià)值；通過(guò)計(jì)算梁子湖和上鴨兒湖的調(diào)蓄作用，發(fā)現(xiàn)兩個(gè)排水片區(qū)的防洪排澇標(biāo)準(zhǔn)分別接近50年一遇和20年一遇，但是，如要達(dá)到鄂州市防洪排澇標(biāo)準(zhǔn)，尚需進(jìn)一步提高湖泊的調(diào)蓄能力和泵站的外排能力。

(3)隨著全球氣候影響和快速城市化的發(fā)展，鄂州暴雨日降雨量呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，鄂州市防洪壓力將會(huì)加大，可通過(guò)破垸還湖、江湖連通，提高湖泊對(duì)河川徑流的調(diào)節(jié)能力，可進(jìn)一步發(fā)揮湖泊在集中暴雨期間的調(diào)蓄作用，實(shí)現(xiàn)洪水資源化，發(fā)揮鄂州市湖泊的綜合作用，降低鄂州市洪澇災(zāi)害，對(duì)未來(lái)鄂州市防洪具有指導(dǎo)作用。

(4)人類活動(dòng)對(duì)湖泊調(diào)蓄作用干預(yù)很大，尤其是水利工程建筑物(水閘、水利樞紐工程等)，所以在計(jì)算城市湖泊調(diào)蓄能力的時(shí)候，需要考慮人類活動(dòng)對(duì)其的影響效果，現(xiàn)在湖泊出口一般都有泵站在洪水期間進(jìn)行抽排，這樣可加大湖泊調(diào)蓄能力，所以未來(lái)計(jì)算湖泊調(diào)蓄能力時(shí)應(yīng)該在現(xiàn)狀排水能力下考慮水泵抽排能力，或在現(xiàn)狀排水能力上加上一個(gè)系數(shù)來(lái)當(dāng)做實(shí)際排水能力，這樣才能準(zhǔn)確計(jì)算湖泊調(diào)蓄能力。

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