唐昌新，張曉航，鄔年華，黃志文，鄒文楠

（1.南昌大學(xué) 光伏研究院，江南 南昌 330031；2.南昌工程學(xué)院 理學(xué)院，江南 南昌 330099；3.江西省水利科學(xué)研究院，江南 南昌 330029；4.南昌大學(xué) 工程力學(xué)研究所/高等研究院，江南 南昌 330031）

1 研究背景

近年來，鄱陽(yáng)湖受湖區(qū)上游水庫(kù)蓄水、流域氣候變化和長(zhǎng)江水資源形勢(shì)變化等多種因素影響，面臨的生態(tài)壓力不斷增大，出現(xiàn)了一系列的生態(tài)問題，生態(tài)系統(tǒng)呈現(xiàn)出退化的趨勢(shì)[1-3]。同時(shí)，鄱陽(yáng)湖的枯水期出現(xiàn)了起始時(shí)間提前、水位偏低和持續(xù)時(shí)間延長(zhǎng)等現(xiàn)象，湖區(qū)面積也在不斷縮小[4]。因此，江西政府從保護(hù)“一湖清水”出發(fā)，堅(jiān)持“江湖兩利”和“保護(hù)濕地，堅(jiān)持人與鳥和諧相處”為出發(fā)點(diǎn)，對(duì)鄱陽(yáng)湖水利樞紐工程進(jìn)行了重新定位，將建“壩”改為建“閘”，采用“調(diào)枯不調(diào)洪原則”的運(yùn)行方式[5]。2009年，由江西省政府提出的《鄱陽(yáng)湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)規(guī)劃》獲得國(guó)務(wù)院批準(zhǔn)，規(guī)劃中明確提出近期要“重點(diǎn)研究、適時(shí)推進(jìn)鄱陽(yáng)湖水利樞紐工程建設(shè)”[6]。

然而，在自然江湖水系中修建水利樞紐工程必然會(huì)影響江湖生態(tài)系統(tǒng)的連續(xù)性和流動(dòng)性，改變水流情勢(shì)，從而引發(fā)不同的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)[7]。對(duì)新的規(guī)劃設(shè)計(jì)方案和運(yùn)行思路，國(guó)內(nèi)專家學(xué)者也從江湖關(guān)系、生態(tài)環(huán)境與經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益等方面進(jìn)行了大量研究和論證[8-16]：胡春宏等[15]在研究中提到，即使在調(diào)枯不調(diào)洪的方案下，鄱陽(yáng)湖水利樞紐工程建成后，每年仍有一半時(shí)間造成江湖阻隔，改變了江湖水情，而江湖關(guān)系的后續(xù)演化仍需要開展深入的研究。洪峰等[16]的研究認(rèn)為由于工程的季節(jié)性阻隔，水位提升，將影響產(chǎn)漂流性卵的魚類和長(zhǎng)江江豚遷移及遺傳交流，其累積或?qū)⒏淖兒^(qū)生物物種組成和豐度等。胡春華等[17]應(yīng)用EFDC（The Environmental Fluid Dynamics Code，環(huán)境流體動(dòng)力學(xué)程序包[18-19]）模擬發(fā)現(xiàn)水利樞紐工程建成后湖區(qū)氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽水平均有所提升，且對(duì)氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽的分布具有較大影響。杜彥良等[20]采用水深平均的二維水動(dòng)力-水質(zhì)模型，綜合分析了水利樞紐工程對(duì)鄱陽(yáng)湖水動(dòng)力特性和水質(zhì)濃度的改變，發(fā)現(xiàn)工程增加了湖區(qū)局部水體的富營(yíng)養(yǎng)化風(fēng)險(xiǎn)。湖泊水動(dòng)力學(xué)模型的建立和水文模擬對(duì)湖泊水資源的管理具有非常重要的理論和實(shí)踐意義。余啟輝等[21]通過考慮鄱陽(yáng)湖與長(zhǎng)江之間的相互作用、湖區(qū)區(qū)間匯流對(duì)水動(dòng)力的作用以及湖區(qū)復(fù)雜的河湖交替形態(tài)等多種特征，采用江湖連通一、二維耦合水文水動(dòng)力模型，研究了鄱陽(yáng)湖水利樞紐調(diào)度對(duì)湖區(qū)枯期水位與流速的影響；賴格英研究組[22-25]利用EFDC模擬了鄱陽(yáng)湖水利樞紐工程對(duì)主湖區(qū)及濕地保護(hù)區(qū)水位的影響、長(zhǎng)江干流流量、換水周期及對(duì)整個(gè)湖區(qū)水文水動(dòng)力影響。

鄱陽(yáng)湖水利樞紐的建設(shè)運(yùn)行和調(diào)控方案的選擇，要綜合考慮促進(jìn)江湖交換、保障糧食安全、保護(hù)濕地和魚類資源、維系生態(tài)系統(tǒng)良性循環(huán)等因素，因此相關(guān)問題需不斷深入的研究。為了定量認(rèn)識(shí)流場(chǎng)在物質(zhì)輸運(yùn)中的作用，有必要研究與流場(chǎng)密切相關(guān)又能反映其本質(zhì)的輔助變量，比如水齡，進(jìn)而通過研究這些輔助變量，有助于人們更好地理解湖泊水動(dòng)力過程的環(huán)境效應(yīng)[26]。水齡[27-30]定義為水質(zhì)點(diǎn)自進(jìn)入控制體以來到流經(jīng)該點(diǎn)所需的時(shí)間（在控制體入口處，水齡為零），它可以定量反映水體的運(yùn)動(dòng)和交換程度以及滯留情況，對(duì)評(píng)估水質(zhì)的變化具有重要意義。以太湖為例，李一平[31]、郝文彬等[32]和黃春琳等[33]分析了“引江濟(jì)太”工程對(duì)太湖湖區(qū)水齡分布的影響，為客觀的評(píng)估工程對(duì)太湖水質(zhì)的改善情況提供了可靠依據(jù)，并考慮到投入產(chǎn)出比得到了最優(yōu)的引水流量。最近，李云良等[34]模擬發(fā)現(xiàn)鄱陽(yáng)湖換水周期的空間分布具有較高的空間異質(zhì)性，并提到鄱陽(yáng)湖是一個(gè)快速換水和慢速換水同時(shí)共存的湖泊系統(tǒng)。張素香等[35]利用EFDC分季節(jié)模擬了鄱陽(yáng)湖的水齡，發(fā)現(xiàn)鄱陽(yáng)湖水體交換受季節(jié)性來水的影響明顯，并發(fā)現(xiàn)水齡的計(jì)算很適合研究鄱陽(yáng)湖水體交換。

目前，利用EFDC等數(shù)值模擬手段來研究鄱陽(yáng)湖已經(jīng)非常成熟，但是已有模型中對(duì)鄱陽(yáng)湖樞紐工程的概化方法較為單一，并且沒有模型是基于水齡來分析樞紐工程的影響。因此，本文結(jié)合前期已有模型[36]，采用新的方案概化鄱陽(yáng)湖樞紐工程，研究在預(yù)期調(diào)度方案下鄱陽(yáng)湖水利樞紐工程對(duì)湖泊水齡的影響，為分析鄱陽(yáng)湖水利樞紐工程對(duì)湖區(qū)水質(zhì)的影響提供一定的依據(jù)。

2 研究方法

EFDC模型最早是由美國(guó)弗吉尼亞州海洋研究所Hamrick教授等集成多個(gè)數(shù)學(xué)模型開發(fā)研制的綜合模型，其中的水齡模型在本文起關(guān)鍵作用[27-30]。通常水體的運(yùn)動(dòng)過程非常復(fù)雜，現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬常規(guī)的狀態(tài)變量通常無法直接反映水環(huán)境演化的內(nèi)在機(jī)理，因此需要引入一些特定的輔助性變量來解讀說明，水齡就是這一類的輔助變量，它可以進(jìn)一步理解模型計(jì)算的結(jié)果。在水環(huán)境中，

絕大多數(shù)生物、溶解性營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、污染物和懸浮顆粒隨水體運(yùn)動(dòng)，所以水齡越大，表示水體對(duì)這些物質(zhì)的輸運(yùn)速度慢，水體被交換程度弱，反之，水齡越小，水體輸運(yùn)速度快，水體的交換程度就強(qiáng)，水的活性越高。因此通過水齡模擬，可以估算湖泊水體的凈化速率，以及計(jì)算污染物在湖區(qū)的輸運(yùn)時(shí)間。對(duì)于水團(tuán)水齡的定義，由于水的擴(kuò)散和混合過程，水團(tuán)中的水質(zhì)點(diǎn)將和周圍的環(huán)境不斷的進(jìn)行交換，進(jìn)入水團(tuán)的水質(zhì)點(diǎn)與原有的水質(zhì)點(diǎn)有著不同的水齡，所以Deleersnijder等[28]假定水齡滿足質(zhì)量加權(quán)平均，即水團(tuán)的平均水齡等于各質(zhì)點(diǎn)水齡質(zhì)量加權(quán)的代數(shù)平均，詳細(xì)計(jì)算過程參考文獻(xiàn)[28]。

2.1 模型建立和率定鄱陽(yáng)湖位于長(zhǎng)江中下游南岸，江西省北部，上乘贛江、撫河、信江、修河和饒河（以下簡(jiǎn)稱“五河”），其水域的成因主要是“五河”來水與下泄長(zhǎng)江水量吞吐動(dòng)態(tài)平衡的結(jié)果。鄱陽(yáng)湖湖區(qū)以松門山為界，分為南北兩部分，北面為通江河道，長(zhǎng)40 km，寬3～5 km，最窄處約2.8 km；南面為主湖體，長(zhǎng)133 km。模擬區(qū)域?yàn)檎麄€(gè)鄱陽(yáng)湖湖域，如圖1（a）所示，面積為3143 km2，模型采用二維單層網(wǎng)格（圖1（b）），總計(jì)78 477網(wǎng)格單元。模型采用鄱陽(yáng)湖1998年的邊界和地形數(shù)據(jù)，其中地形數(shù)據(jù)的測(cè)量點(diǎn)為215 774個(gè)，平均點(diǎn)距為120 m，并結(jié)合圩堤數(shù)據(jù)，確定模型邊界。模型采用南昌站的氣象數(shù)據(jù)。鄱陽(yáng)湖的入流主要是“五河”，分為多條支流進(jìn)入鄱陽(yáng)湖，在模型中設(shè)定為流量邊界條件（見圖1（b））。各入湖處流量的測(cè)量站點(diǎn)為：修水為虬津和萬家埠，贛江為外洲，撫河為李家渡，信江為梅港，樂安河為虎山，昌江為渡峰坑。水文站以下集水面積產(chǎn)生的入湖流量，利用平均降雨乘以降雨徑流系數(shù)得到。鄱陽(yáng)湖出流是通過湖口進(jìn)入長(zhǎng)江，模型以開邊界、給定水位時(shí)間序列的方式設(shè)定。模型以2007年作為率定期確定相關(guān)水動(dòng)力參數(shù)，同時(shí)也為2008年模型的運(yùn)行提供水位、水齡的初始條件。通過率定，確定模型的底部粗糙高度在湖區(qū)多水生植物區(qū)域設(shè)為0.05 m，多泥沙區(qū)域設(shè)為0.01 m；模型的干網(wǎng)格水深設(shè)為0.07 m，濕網(wǎng)格臨界水深設(shè)為0.08 m。模型豐水期的運(yùn)行時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)為5 s，枯水期設(shè)為1s，并通過熱啟動(dòng)的方式使模擬連續(xù)。

圖1 鄱陽(yáng)湖模型

表1 水位和湖口水文站泄量模擬誤差分析

在模擬區(qū)域內(nèi)選擇屏峰、星子、都昌和棠蔭等4個(gè)水文站點(diǎn)的測(cè)量水位以及湖口水文站的測(cè)量泄量與模擬值進(jìn)行誤差分析（表1），在驗(yàn)證期發(fā)現(xiàn)：位于北部入江水道的屏峰站和星子站的水位誤差較小，位于湖區(qū)的棠蔭站的水位誤差較大，但4個(gè)站點(diǎn)的Nash有效系數(shù)都在0.937～0.993之間。從時(shí)間段來看（圖2（a）～（d）），水位模擬值在枯水期的誤差較大，其原因是枯水期鄱陽(yáng)湖處于河相，對(duì)地形的精度要求較高。湖口泄量（表1，圖2（e））的模擬相對(duì)均方根誤差為4.8%，Nash有效系數(shù)為0.927，模擬誤差來源有：（1）地下水不能準(zhǔn)確考慮；（2）周邊分蓄洪區(qū)因獨(dú)立于鄱陽(yáng)湖自由水面，其與湖區(qū)的水量交換無法考慮。本文的驗(yàn)證結(jié)果顯示模擬誤差在一個(gè)可接受范圍內(nèi)，表明建立的鄱陽(yáng)湖EFDC水動(dòng)力模型較好地模擬了鄱陽(yáng)湖的水位、泄量變化。

2.2 鄱陽(yáng)湖水利樞紐工程在模型中的概化擬建的鄱陽(yáng)湖水利樞紐基于滾水壩的原理建造、位于湖區(qū)北部的狹長(zhǎng)入江水道長(zhǎng)嶺－屏峰山湖段（圖1（b）），閘址湖面寬約3 km，湖床底部高程一般7～9 m，其具體規(guī)劃設(shè)計(jì)參見文獻(xiàn)[5]。鄱陽(yáng)湖樞紐工程采用閘門的方式，并基于“調(diào)枯不調(diào)洪”原則進(jìn)行調(diào)度，在不同的時(shí)期控制水位不同，在豐水期為自由連通狀態(tài)。這種“階梯式水位，適應(yīng)性調(diào)度，動(dòng)態(tài)化管理”的工程調(diào)度方案設(shè)想分為5個(gè)時(shí)段，具體見表2。

圖2 參數(shù)率定期和驗(yàn)證期水文站水位和湖口水文站泄量的測(cè)量值與模擬值對(duì)比

表2 鄱陽(yáng)湖水利樞紐工程規(guī)劃調(diào)度方案

在EFDC模型中對(duì)鄱陽(yáng)湖水利樞紐工程進(jìn)行合理概化，是數(shù)值模擬結(jié)果能否有效評(píng)估鄱陽(yáng)湖水利樞紐影響的關(guān)鍵。本文通過改變水利樞紐工程位址處的底部高程，即人為設(shè)定出具有一定高度的壩體來概化鄱陽(yáng)湖樞紐工程（如圖3所示），具體做法是：（1）在自由連通期雖然無需控制水位，但考慮到工程建立也會(huì)改變?cè)撎幍牡撞康匦?，所以參考工程的設(shè)計(jì)圖紙，設(shè)定4.5m高的平頂壩體；（2）在枯水期根據(jù)調(diào)控水位設(shè)定一定高度的壩體，其高度由調(diào)控水位減去涌水高度得到；（3）“五河”的流量邊界和湖口的開邊界繼續(xù)采用原值。關(guān)于該方案的有效性，后面還將詳細(xì)論證。

3 模擬結(jié)果分析

圖3 鄱陽(yáng)湖樞紐工程概化方案和控制上游11m水位效果

3.1 2008年鄱陽(yáng)湖無樞紐工程時(shí)的水齡時(shí)空分布在圖4中，湖口水齡和鄱陽(yáng)湖的水力停留時(shí)間具有等效意義，文獻(xiàn)[35]對(duì)此有較為詳細(xì)的說明。根據(jù)水位、流量和泄量等信息，鄱陽(yáng)湖2008年的水動(dòng)力過程可以依次概括為枯水期、漲水期、洪水期、頂托倒灌期、消退期、短時(shí)間強(qiáng)倒灌期、消退期和枯水期等過程。通過分析圖4中2008年的湖區(qū)平均水齡變化過程，發(fā)現(xiàn)對(duì)應(yīng)每個(gè)水動(dòng)力時(shí)期，湖體水齡都有明顯的特征，可以概括為如下內(nèi)容：（1）鄱陽(yáng)湖水齡的變化主要受“五河”來流流量的影響，當(dāng)來流較大時(shí)湖區(qū)平均水齡降低，反之，水齡增加；（2）鄱陽(yáng)湖的水齡受江湖作用的影響，在頂托倒灌期湖區(qū)水齡呈上升趨勢(shì)，但是在較大倒灌來流的補(bǔ)充作用下能明顯降低水齡；（3）在各個(gè)水動(dòng)力階段，枯水期和頂托倒灌期水齡較大，漲水期和洪水期水齡較??；（4）鄱陽(yáng)湖平均水齡的年平均值為47.8 d，湖口水齡的年平均值為20.5 d，說明鄱陽(yáng)湖水體具有較強(qiáng)輸運(yùn)能力。從圖4中選擇8個(gè)具有代表性的時(shí)間點(diǎn)（即圖中所標(biāo)注的A-H點(diǎn)），給出湖區(qū)水齡的空間分布，見圖5（（a）—（h））所示，分析如下：（1）枯水期（圖5（a）和（h）），鄱陽(yáng)湖呈現(xiàn)“河相”，由于水位較低，各湖灣處的水體滯留而水齡較大，尤其是東北湖灣。（2）漲水期，隨著“五河”來流增大，湖區(qū)水位上升，動(dòng)態(tài)性增強(qiáng)，水齡降低，同時(shí)新鮮水體注入東北湖灣，把水齡較大的原水體推向了湖灣內(nèi)部（見圖5（b））；當(dāng)“五河”來流短時(shí)變小而水位下降時(shí)，由于“五河”入湖口大多分布在湖區(qū)的西側(cè)，湖區(qū)東側(cè)水體水齡增加明顯（見圖5（c））。（3）洪水期（圖5（d）），整個(gè)湖區(qū)的水齡年內(nèi)最低，呈現(xiàn)出較好的交換性；（4）頂托倒灌期，從圖5（e）可知，在通江河道和中央水道區(qū)域的水體受到頂托而不能順利下泄，水齡較大。在發(fā)生較強(qiáng)的倒灌作用時(shí)（見圖5（g）），湖流逆向，湖體在較大來流的補(bǔ)充下水齡快速降低；（5）消退期（圖5（f）），湖區(qū)水齡呈現(xiàn)東部大于西部的分布特點(diǎn)。湖口瀉出的水體經(jīng)歷前期較長(zhǎng)時(shí)間的頂托從而水齡較大，同時(shí)湖區(qū)的平均水齡也隨水位的迅速下降而快速增加。

圖4 2008年鄱陽(yáng)湖水齡、來流流量、泄量和星子水位時(shí)間序列

圖5 2008年鄱陽(yáng)湖湖區(qū)的水齡分布

同時(shí)，通過對(duì)圖5的仔細(xì)觀察可以發(fā)現(xiàn)來自不同入口的水體水齡云圖在湖區(qū)常常有明顯的分界線，說明水體在中心湖區(qū)并沒有充分混合，再次體現(xiàn)了鄱陽(yáng)湖水體動(dòng)態(tài)較強(qiáng)、整體水齡較小的特點(diǎn)。綜合來說，鄱陽(yáng)湖的水齡分布正如李云良等[34]描述的具有較高的空間異質(zhì)性，因此本文選擇了3個(gè)重點(diǎn)區(qū)域，分別是：中心湖區(qū)，包括西南的河口三角洲和中央水道；東北湖灣區(qū)，包括中央水道以東的湖灣；入江水道區(qū)，指都昌水文站直到湖口的狹長(zhǎng)水道區(qū)域。不同區(qū)域的水齡時(shí)間分布見圖6。從圖6可知，2008年3個(gè)區(qū)域的水齡演變特點(diǎn)是：（1）東北湖灣的水齡遠(yuǎn)大于湖區(qū)平均水齡，其年平均值達(dá)到119.4 d；（2）中心湖區(qū)水齡小于通江河道的水齡，但差別不大，年平均分別是16.6 d和23.2 d。

綜上可知，在鄱陽(yáng)湖的河口三角洲、中心湖區(qū)和入江水道等區(qū)域，湖水的動(dòng)態(tài)性較強(qiáng)，年平均水齡在25 d以下，水體具有較好的交換性，屬于快換水系統(tǒng)；而東北湖灣的水體由于湖盆形態(tài)和缺少驅(qū)動(dòng)力，年平均水齡達(dá)到了119.4 d，容易滯留，交換性差，屬于慢換水系統(tǒng)。鄱陽(yáng)湖的水齡時(shí)空分布反映了它作為重力驅(qū)動(dòng)、過水性和吞吐型湖泊的特點(diǎn)。重力驅(qū)動(dòng)使鄱陽(yáng)湖水體具有較強(qiáng)輸運(yùn)能力，水齡相對(duì)較??；過水性和吞吐型反映出鄱陽(yáng)湖的水齡時(shí)空分布受到五河入口的位置及長(zhǎng)江湖口水位的頂托倒灌作用的影響。

圖6 2008年鄱陽(yáng)湖不同區(qū)域的水齡時(shí)間序列

3.2 鄱陽(yáng)湖水利樞紐工程概化方案的有效性分析圖7表明模擬得到的水位變化完全符合預(yù)定的鄱陽(yáng)湖水利樞紐工程水位調(diào)度方案，且在調(diào)控的不同階段，水位以一種自然、平滑的方式過渡，比如水位控制期和自由連通期之間；另外，規(guī)劃的鄱陽(yáng)湖樞紐工程是基于滾水壩的原理、通過閘門來控制水位，本文將它處理成平頂壩符合其設(shè)計(jì)原理。值得注意的是，在湖口的開邊界條件上，考慮樞紐工程的模型繼續(xù)采用原水位。由于樞紐工程建立后，必然會(huì)改變湖口的泄量，從而影響湖口的水位，所以采用原測(cè)量水位將帶來一定的誤差，但該誤差較小，因?yàn)椋海?）模擬結(jié)果顯示樞紐工程的存在并沒有對(duì)湖口泄量帶來較大的改變；（2）鄱陽(yáng)湖湖口的水位主要受長(zhǎng)江干流流量的影響[3]。目前已有的鄱陽(yáng)湖樞紐工程的概化方案[22-25]是把工程處理為開邊界，基于調(diào)控方案給定水位的方式設(shè)定，這種方案的主要問題是工程位址下游區(qū)域不會(huì)出現(xiàn)在數(shù)值模型中，而本文的概化方案克服了這個(gè)問題，從而可以更好地模擬在樞紐工程影響下的江湖作用。

圖7 2008年有無水利樞紐工程時(shí)水位模擬對(duì)比

3.3 2008年有無水利樞紐工程情景的模擬結(jié)果對(duì)比分析鄱陽(yáng)湖水利樞紐工程會(huì)升高枯水期水位，降低湖區(qū)流速，從而可能使水體水齡增加，對(duì)湖區(qū)的水質(zhì)帶來影響。圖8分別顯示了當(dāng)控制水位為10 m和11 m時(shí)，鄱陽(yáng)湖水齡分布的變化，對(duì)比發(fā)現(xiàn)：在樞紐工程以上的通江河道區(qū)域，水齡增加，且可以明顯觀測(cè)到在11 m控制水位時(shí)河道東側(cè)的水齡增加明顯，即發(fā)生滯留。為了得到入江河道東側(cè)水體滯留的詳細(xì)信息，本文在河道中選擇兩個(gè)橫截面（位置見圖8（d）所示），并提取這兩個(gè)橫截面處水齡、流速和高程等信息，如圖9所示：在橫截面Ⅰ處，水位10 m時(shí)，水齡在14.5～30.1 d之間，而水位在11 m時(shí)，為19.3～66.4 d之間；在橫截面Ⅱ處，水位10 m時(shí)，水齡在7.0～56.5 d之間，而水位在11 m時(shí)，為9.4～94.1 d之間。而且，明顯可以發(fā)現(xiàn)中央河道東側(cè)的水齡快速增加。根據(jù)入江河道地形，主河道在西側(cè)，所以可以解釋水齡西小東大的規(guī)律，而且與橫截面Ⅰ和橫截面Ⅱ的速度分布對(duì)應(yīng)。另外，“五河”中的修水、贛江和撫河等主要入湖口都分布在湖體西側(cè)，使鄱陽(yáng)湖水體的驅(qū)動(dòng)力有西強(qiáng)于東。因此，鄱陽(yáng)湖樞紐工程在枯水期蓄水使入江河道水位上升時(shí)，引起河道東側(cè)水體較長(zhǎng)時(shí)間滯留，而且此效應(yīng)與水位相關(guān)，控制水位越高越明顯。

圖8 2008年有無水利樞紐的水齡分布對(duì)比((b)對(duì)應(yīng)的控制水位為10m，(d)對(duì)應(yīng)的控制水位為11m)

圖9 2008年入江河道橫截面水齡分布

圖10 2008年鄱陽(yáng)湖各區(qū)域水齡變化

下面再分區(qū)考慮鄱陽(yáng)湖樞紐工程建立后對(duì)水齡的影響，分區(qū)情況如圖8（d）所示：樞紐工程至松門山之間的區(qū)域?yàn)锳區(qū)；東北湖灣為全湖域水齡最大的區(qū)域，所以單獨(dú)劃分為B區(qū)；中心湖區(qū)以西，主要包括贛江入湖三角洲區(qū)域劃分為C區(qū)。2008年，3個(gè)區(qū)域水齡的變化過程如圖10所示，可見：（1）從補(bǔ)償調(diào)節(jié)期過渡到低枯水期進(jìn)行開閘泄水時(shí)，A、B、C等2個(gè)區(qū)域的水齡都發(fā)生了增加，最大幅度分別為11.8、8.1和5.3 d，但低枯水期的后兩個(gè)月時(shí)間，3個(gè)區(qū)的水齡都變化不大；（2）從4月初直到10月中旬，鄱陽(yáng)湖實(shí)際為江湖自由連通狀態(tài)，A區(qū)和C區(qū)的水齡基本相同，B區(qū)的水齡在有樞紐工程時(shí)發(fā)生了一定的增加，但增幅不大；（3）在三峽水庫(kù)蓄水期的后期，有樞紐工程時(shí)會(huì)增加湖區(qū)水位，從而使A區(qū)和C區(qū)的水齡都發(fā)生增加，最大幅度分別為6.9 d和6.3 d，而B區(qū)的水齡變化不大；（4）在補(bǔ)償調(diào)節(jié)期控制水位為11 m時(shí)，A區(qū)和C區(qū)的水齡都發(fā)生增加，最大幅度分別為7.6 d和4.5 d。

由此可知，鄱陽(yáng)湖水利樞紐工程對(duì)水齡影響較大的區(qū)域主要是過江水道區(qū)，以及中心湖區(qū)西側(cè)的贛江入湖三角洲等區(qū)域，尤其是工程位址以上的過江水道東側(cè)，水體有明顯滯留，而且與控制水位相關(guān)，如在控制水位為11 m時(shí)水齡達(dá)到了94.1 d。這些區(qū)域水齡原本較小，但水利樞紐工程使水齡有較大增加，從而減慢了水體的更換周期和輸運(yùn)條件，降低自凈能力和納污能力，從而可能對(duì)水質(zhì)帶來影響。東北湖灣水齡相對(duì)較大，換水時(shí)間較長(zhǎng)，容易發(fā)生水質(zhì)問題，但水利樞紐工程的建立運(yùn)行只使該區(qū)域水齡的年平均值增加了2.8%，影響較小。

3.4 其它典型年份鄱陽(yáng)湖有無水利樞紐工程的模擬結(jié)果對(duì)比分析以上分析是基于2008年的測(cè)量數(shù)據(jù)，該年鄱陽(yáng)湖的平均流量為4087 m3/s，屬于“平”水年。為了更好地分析鄱陽(yáng)湖樞紐工程對(duì)湖區(qū)水齡的影響，以下以相同方法模擬鄱陽(yáng)湖水利樞紐工程對(duì)1986年和1998年水齡的影響，其中1986年平均流量為3131 m3/s，屬于“枯”水年，1998年平均流量為8389 m3/s，屬于“豐”水年，見圖11。從圖11可知，在1986年從補(bǔ)償調(diào)節(jié)期到低枯水期，進(jìn)行開閘泄水時(shí)，B區(qū)和C區(qū)水齡也發(fā)生了增加，雖然1998年同期沒有觀測(cè)到該現(xiàn)象，是因?yàn)橥谯蛾?yáng)湖湖區(qū)的水位已經(jīng)高于調(diào)控水位。當(dāng)江湖連通時(shí)，兩個(gè)年份鄱陽(yáng)湖各個(gè)區(qū)域的水齡都無明顯變化。在下半年的枯水期，鄱陽(yáng)湖樞紐工程控制水位后，1986年和1998年的A、B和C區(qū)的水齡都發(fā)生了增加，且枯水年1986年較為明顯。

圖11 鄱陽(yáng)湖各區(qū)域水齡變化

3.5 鄱陽(yáng)湖湖口水齡的模擬結(jié)果對(duì)比分析鄱陽(yáng)湖湖口的水齡可以很好地反映湖體的水力更換時(shí)間，是湖泊重要的一個(gè)水動(dòng)力參數(shù)。同時(shí)，湖口水齡可以直接體現(xiàn)鄱陽(yáng)湖和長(zhǎng)江之間的江湖作用，如水齡為零時(shí)表明發(fā)生了倒灌。圖12給出了3個(gè)年份在有無樞紐工程時(shí)湖口水齡的對(duì)比，由圖12可見：3個(gè)典型年份在枯水期控水時(shí)湖口水齡都發(fā)生了增加，而當(dāng)江湖連通時(shí)湖口水齡變化很小。另外，從1986年的結(jié)果發(fā)現(xiàn)，湖口的倒灌發(fā)生了變化，即在有樞紐工程時(shí)倒灌發(fā)生的時(shí)間點(diǎn)比原來提前，且倒灌的天數(shù)縮短。該現(xiàn)象發(fā)生在調(diào)控方案的樞紐蓄水期，控制水位為15～16 m之間，控水增加了湖區(qū)水容量，降低了下泄流量，使湖口水位降低，從而提前引發(fā)了倒灌。同時(shí)，湖區(qū)較大的容量又會(huì)阻止倒灌的繼續(xù)發(fā)生，縮短了倒灌的持續(xù)時(shí)間和強(qiáng)度。由此表明，鄱陽(yáng)湖水利樞紐工程會(huì)影響江湖關(guān)系，但影響程度與控制水位相關(guān)，在控制水位10 m和11 m時(shí)影響較小。

圖12 鄱陽(yáng)湖湖口水齡變化

表3 鄱陽(yáng)湖湖口水齡統(tǒng)計(jì)分析

表3統(tǒng)計(jì)結(jié)果更加具體表明鄱陽(yáng)湖水利樞紐工程增加了湖口水齡，即延長(zhǎng)水力更換時(shí)間，其中調(diào)控方案的補(bǔ)償調(diào)節(jié)期和低枯水期幅度較大，增加了20%左右，且三種不同水力年份的整體增加幅度大小排序?yàn)椋嚎菟辏?986）＞平水年（2008）＞豐水年（1998）。

4 結(jié)論

本文利用EFDC模擬了鄱陽(yáng)湖的水齡時(shí)空分布，在無樞紐工程情況下，發(fā)現(xiàn)“平”水年2008年鄱陽(yáng)湖水齡的平均值為47.8 d，相對(duì)國(guó)內(nèi)其它大型湖泊較小，反映了鄱陽(yáng)湖水體具有較強(qiáng)輸運(yùn)能力。鄱陽(yáng)湖整體水齡的年內(nèi)變化主要受“五河”來流流量和長(zhǎng)江頂托倒灌作用的影響，在頂托倒灌期和枯水期水齡相對(duì)較大。鄱陽(yáng)湖水齡的空間分布會(huì)受到“五河”入口的位置和湖底地形的影響，河口三角洲和入江水道等區(qū)域水齡較小，平均水齡分別是16.6和23.2 d，東北湖灣水齡較大，平均水齡為119.4 d。另外，本文對(duì)比了有無樞紐工程兩種情景下的水齡變化，從而分析了鄱陽(yáng)湖樞紐工程帶來的影響，得到如下結(jié)論：（1）鄱陽(yáng)湖水利樞紐工程使枯水期湖區(qū)的流速減小，增大了水齡，影響較大的是過江水道區(qū)域，以及中心湖區(qū)西側(cè)的贛江入湖三角洲等區(qū)域。在枯水期，鄱陽(yáng)湖樞紐工程調(diào)控水位時(shí)，入江河道東側(cè)的水體發(fā)生了較長(zhǎng)時(shí)間的滯留，而且此效應(yīng)和控制水位相關(guān)。樞紐工程的建立運(yùn)行對(duì)全湖水齡最大的東北湖灣的水齡影響較小，如2008年的對(duì)比結(jié)果顯示該區(qū)域水齡在有樞紐工程的情況下年平均值只增加了2.8%。（2）鄱陽(yáng)湖樞紐工程增加了湖體在枯水期的水力更換時(shí)間，在調(diào)控方案的補(bǔ)償調(diào)節(jié)期和低枯水期有20%左右的增加率。（3）樞紐工程的控水和蓄水會(huì)影響江湖作用，具體體現(xiàn)為倒灌的發(fā)生時(shí)間和持續(xù)時(shí)間的改變，其影響程度和控制水位的高度有關(guān)。