环境科学学报  2015, Vol. 35 Issue (5): 1274-1284
近10年流域江湖关系变化作用下鄱阳湖水动力及水质特征模拟    [PDF全文]
杜彦良 , 周怀东, 彭文启, 刘晓波, 王世岩, 殷淑华    
中国水利水电科学研究院, 北京 100038
摘要:鄱阳湖水文情势受流域来水及长江共同影响,近10年流域、长江和鄱阳湖间关系发生了较大变化,导致了新的水文节律调整,进一步使得湖区水质环境发生变化.对近10年序列(2003—2012年)和1956—2002年序列的多年平均的日水文过程进行对比,分析了鄱阳湖的流域入流、湖口出流及湖区水位的年内变化过程;近10年鄱阳湖最高水位降低,湖相时间变短,河相时间增长;通过构建鄱阳湖的二维水动力水质模型,并采用实测2010年湖区水动力及水质数据对模型进行率定验证,在此基础上着重研究流域、江湖水文情势变化条件下,湖区的水动力和水质发生的变化.模拟结果显示,由于4—6月间湖区丰水期滞后13 d,8—10月间枯水期提前21 d,导致TN浓度在两个时间段内分别上升10.6%和12.4%,TP浓度在两期间内分别升高11.7%和13.6%.在8—10月期间,湖区水位下降速率增加,南部与西部的碟型湖提前与主湖区分离,形成相对静水的水塘,加剧了碟型湖的富营养化风险.
关键词鄱阳湖    流域江湖关系变化    二维水动力水质模型    水动力水质影响模拟    TN和TP    
Modeling the impacts of the change of river-lake relationship on the hydrodynamic and water quality revolution in Poyang Lake
DU Yanliang , ZHOU Huaidong, PENG Wenqi, LIU Xiaobo, WANG Shiyan, YIN Shuhua    
China Institute of Water Resources and Hydropower Research, Beijing 100038
Abstract: The hydrological regime condition of Poyang Lake was mainly influenced by watershed runoff and the Yangtze River. In recent 10 years, the relationship of basin, Yangtze river and Poyang lake had been changed greatly. This change not only caused an altered hydrological rhythm, but also affected the water environment in the Lake. The average daily hydrological processes in the period of 2003—2012 had been compared with those in 1956—2002. Results show that seasonal allocations of basin inflow and lake outflow were altered, the highest water level were decreased, and the time of limnetic facies of Poyang Lake were shortened. Furthermore, a 2 dimensional numerical model of hydrodynamic and water quality was applied to study the impacts of the changing river-lake relationship, and the model was validated by the measured data in 2010. The results reveal that water quality became worse due to the drought season coming earlier 21 days during Aug to Nov, and 13 days lagging of flood season during Apr to Jun. The concentration of TN in Poyang lake increased by 10.6% and 12.4% during the periods of Apr to Jun, and Aug to Oct, respectively. TP concentration increased by 11.7% and 13.6% during the above two respective periods. In the recent 10 years, the separation of dish-shaped lakes at south and west of Poyang Lake from the main lake occurred earlier in the period of Aug to Oct than that in 1956—2002. which increased the risk of eutrophication.
Key words: Poyang Lake    the change of river-lake relationship    depth-averaged 2D numerical model    the simulation of the impacts on hydrodynamics and water quality    TN and TP    
1 引言(Introduction)

鄱阳湖是我国第一大淡水湖泊,处于典型的中亚热带季风区,四季分明,雨量丰沛,水资源量丰富.鄱阳湖主要入湖河流有赣江、抚河、信江、饶河、修水,分别从南、东、西3面汇入,经鄱阳湖调蓄后,北部由湖口进入长江.鄱阳湖湖口注入长江的年均水量为1427亿m3,大于黄河、淮河、海河三大河流入海水量的总和,占长江平均年径流量的15.5%.鄱阳湖对长江及国家的生态安全、防洪调蓄、水资源管理、河口演化等有极大的意义.

鄱阳湖湖区水文过程外受长江及流域来水控制,内受湖盆地形作用,呈现以年为周期的变化.在全球气候变化的大背景下,随着社会经济的快速发展等,长江及鄱阳湖流域上水利工程的建设运行,区域水资源时空分配的变化,流域江湖间相互作用的动态平衡关系不断进行调整和演变.进入21世纪以来,鄱阳湖流域“旱涝”和“涝旱”转换越来越频繁,间隔年份不断缩短,鄱阳湖区低水位提前且持续时间延长(罗蔚,2013).与20世纪60年代鄱阳湖流域水文特性相比,气候变化导致流域1970—2000年间年均产流增加105.0%~212.1%,而人类活动的影响导致流域年均产流变化-5.0%~-112.1%(Ye et al., 2013).鄱阳湖流域1956—2009年的水文资料分析显示,流域径流年际变化在20世纪较长时段呈增长趋势,1998年出现转折之后递减,下降速度略低于前期增长速度(胡春华,2010刘健等,2009Dai et al., 2008郑海金等,2012).罗蔚等(2013)分析鄱阳湖年入湖总水量在1959—2009年中无明显趋势性变化,年入湖总水量存在19年的主周期,在4—5月与6—7月之间,鄱阳湖在长时期内存在旱涝转化的交替循环.

除了受流域来水来沙的作用外,鄱阳湖同时受到长江的影响.长江一定程度上能控制鄱阳湖湖口的出流,水位高情况下能阻止鄱阳湖向长江的出流,在一定时间段内长江流量的减小,削弱了长江对鄱阳湖湖口出流的作用,进而影响了湖区水位、湖容和季节性变化(Hu et al., 2007).三峡水库建设运行后,7月下旬到10月长江对鄱阳湖的作用减弱,降低了长江中下游防洪的风险,同时使得鄱阳湖的蓄水量减小(Feng et al., 2011Hua et al., 2012).2003—2008年的6年间,7—9月期间,年均湖口出流流量大于等于3000 m3 · s-1的次数增加了74次(Guo et al., 2012).鄱阳湖湖口站2000s的9—10月径流年内分配比例较1990s有所增加,2000s与同样枯水年组1980s和1960s相比,长江倒灌鄱阳湖的年数、总天数和总水量都减少(赵军凯,2011).

鄱阳湖区水位受上游来水,下游出流以及人类活动作用,也发生变化.1962—1999年间,鄱阳湖水位以0.708 m/10a的速率上升,同时大洪水年(水位在19.5 m以上)出现的频率以5.98%/10a的速率增大.进入20世纪末,特别是长江三峡开始截流蓄水之后,鄱阳湖水位明显呈下降趋势,速率达到0.117 m · a-1,1998年之后水位呈现直线下降趋势,连续6年最高水位低于19 m,且逐年降低(胡春华,2010罗蔚等,2013万荣荣,2014Hui et al., 2008).

湖区的水环境状况对鄱阳湖生态安全有着极为重要的意义(Xie et al., 2013),鄱阳湖的水质环境演变,除了受天然湖泊的演替过程作用,水文节律的变化影响,还受人类活动下诸多因素的影响,如水利设施建设、城市化进程、产业结构调整、土地利用格局等.总体而言鄱阳湖水质丰水期较好,枯水期较差,入湖河流段水质较差,湖区中部水质较好(丁惠君等,2012陈巍, 2010姜哲,2007李媛媛,2007).2003—2008年期间表明鄱阳湖区现状水质较好,全年、汛期、非汛期的Ⅰ~Ⅲ类水面积比例分别为63.9%、99.3%、40.8%,水体处于中营养-轻度富营养化状态,Ⅰ~Ⅱ类水面积比例呈下降趋势(毛战坡等,2011).2005—2009年,鄱阳湖TN、TP呈明显增长的趋势,尤其是TN.从2006年开始,TN增长速率大幅增加,2006—2007年间的增幅为39.80%,2007—2008年间的增幅高达50.20%,2008—2009年间的增幅为23.10%.而TP含量从2005年的0.082 mg · L-1增长到0.238 mg · L-1(胡春华,2010),赖锡军等(2011)王鹏等(2014)杜彦良等(2011)采用数值模型手段对鄱阳湖水动力水质进行研究.

鄱阳湖和长江在水资源总量受多年丰枯周期的影响,从长时间序列看变化不显著,但是由于人类活动的影响,江河的水资源量的在年内的分配过程发生了变化,并相互作用影响.本文利用1956—2012年长序列鄱阳湖水文数据,将三峡水库建设后的2003—2012年来鄱阳湖多年平均水文与1956—2002年多年平均日数据进行比较,定量分析近10年来水文过程在年内发生的变化.构建鄱阳湖二维水动力水质模型,采用2010年水质数据对模型进行率定验证,在此基础上通过模型情景计算,分析现状鄱阳湖入湖污染格局下,江湖关系变化作为湖区水环境演变的驱动因子之一,对湖区水质的变化所起的作用,为湖区水污染治理和水质改善提出技术支持.本文中采用的水文及水质数据均来自鄱阳湖枢纽工程建设办公室.

2 鄱阳湖江湖变化(Changing river-lake interaction) 2.1 与长江关系变化

鄱阳湖上游承接流域五河及周边来流,下游与长江相通.因同时受五河及长江的作用鄱阳湖湖口的水位及流量相关性差(胡春华,2010赵军凯,2011).通过湖口水位流量与入湖流量的对比,鄱阳湖区水动力特性在3—6月主要受流域来水流量控制,而7—11月受长江水位作用强.这两个时间段的流域及长江两个作用同时发生变化时,系统的平衡改变,使得鄱阳湖处于新的调整状态.首先,流域上随着大中型水利工程的建设,鄱阳湖流域入湖流量过程自20世纪90年代中后期发生变化,尤其是汛期入湖流量减小.其次,长江三峡水库2002年蓄水运行后,8—11月长江水位流量较三峡建设前偏低.最后,由于鄱阳湖流域的来水来沙条件的改变,同时人为采砂活动频繁,环湖周边经济发展,五河控制站点及鄱阳湖水位都出现不同程度的下降趋势.

鄱阳湖湖口水位反映长江水位的变动,星子站处于入江水道的上游区域,同时受长江及湖区出流的影响作用,有河道水流的部分特性,与水位、流量及湖区的蓄水相关(方春明等,2012).1956—2012年水文序列中,星子站9—12月的月均最低水位,均发生在2003年之后,分别为2006、2009及2007年.

本文重点关注三峡水库建设后的10年中水文情势的变化过程,采用2个多年平均的水文序列1956—2002年(序列一)及2003—2012年(序列二),比较这两个序列的多年平均水文变化规律.对鄱阳湖湖口和星子站的水位进行不同序列的比较,见图 1.

图 1 1956—2002及2003—2012多年平均湖口及星子站水位过程 Fig. 1 Comparison of averaged water level at Hukou and Xingzi between 1956—2002 and 2003—2012

图 1可见,两个不同序列的湖口站的水位与星子站水位过程相似,低水时段有1 m左右的落差,高水时段几乎相同.湖口水位2003—2012年多年平均值在1月至3月末水位高于1956—2002年多年平均,其余月份均偏低.最高水位明显发生变化,长江汛期7—8月水位降低,最大降低为7月10日1.52 m,水位变化最大的月份为10月,平均水位下降2.2 m,最大下降2.77 m,对应10月29—30日.4—6月湖口水位平均下降0.83 m.枯水期水位略有抬升.湖口水位同长江水位,因此在枯水期略有提升,而由于鄱阳湖湖底地形的变化,星子站枯水期水位下降.

2.2 流域水文情势变化

鄱阳湖年径流量以赣江所占比重最大,占鄱阳湖水系年径流量的45.87%,其次为湖区区间占15.63%.流域水系径流年内分配规律表现为,连续最大4个月径流占全年径流百分比大部份地区在60%以上,最大的饶河上游支流昌江渡峰坑站达71.3%,最小的修水虬津站为54.7%,其它均在60%~70%.序列一1956—2002年与序列2的多年平均的湖口站和五河入湖流量的出流过程见图 23.

图 2 1956—2002及2003—2012多年平均湖口出湖流量过程及月均过程 Fig. 2 Comparison of averaged discharge at Hukou between 1956—2002 and 2003—2012

图 3 1956—2002及2003—2012多年平均五河入湖流量过程及月均过程 Fig. 3 Comparison of averaged discharge of 5 Rivers between 1956—2002 and 2003—2012

图 2和3可见,鄱阳湖出入湖水量各月分配发生了变化.鄱阳湖湖口站的枯水期和五河汛期的出湖流量与五河的入湖流量相关性强,长江汛期和退水期,长江对鄱阳湖的作用力加强,出入湖流量有偏差.受气候变化及人为活动的影响,湖口及五河入湖的流量过程均有变化.五河汛期4—5月和8月流量变化稍大,可以认为是一些水利工程影响较大的时间段.其他月份,考虑水文年不确定性,流量的变化不大.

采用以上分析的序列的水文变化情况作为模型的输入边界条件,进行分析近10年水动力及水质变化.

3 模型率定验证(Model calibration and validation) 3.1 基本方程及模型构建

鄱阳湖水域宽阔,湖区水体交换频繁掺混均匀,其水平尺度远大于垂向尺度,水动力参数,如水深、流速等,在垂直方向上的变化要小于水平方向的变化,其水体的特征指标可用水深的平均值来表示,为研究鄱阳湖的水动力与水质特性,及其演变规律,采用平面二维水动力水质模型,对湖区进行研究.

模型采用的基本方程为:

式中,z为水位(m),t为时间(s),i,j=1,2为水平上的两个方向,d为水深(m),U为流速(m · s-1),g为重力加速度(m · s-2),ν为水体动力粘滞系数(m2 · s-1),ρ为水体密度(kg · m-3),S为水或污染物的源项(kg),τ为水面及水底的切应力(N),f为柯氏作用,C为水质指标的浓度(mg · L-1),E为水质指标在水体中的紊动混合系数(m2 · s-1),F(C)为浓度指标的生化反应项.

鄱阳湖在年内水位变幅大,大部分区域干湿交替频繁,在干湿边界的处理上才用动边界的处理方法,考虑到计算网格的干湿交替界面上的水量和动量守恒(Castro et al., 2005),对方程离散的源项作出修正.模型计算网格尺寸250 m×250 m,区域为98 km×124.25 km的范围(图 4),北到湖口,南至金溪湖,西部到蚌湖,东部至昌江、饶河的入湖口,同时考虑湖区周边的4个蓄滞洪区.

图 4 鄱阳湖计算区域及地形图 Fig. 4 Computed domain and map of Poyang lake

鄱阳湖现状水动力水质模型进行率定验证年份为2010年,实测的水文、降雨、风速、风向等资料作为水动力边界输入条件.鄱阳湖2010年湖口水位及五河控制站点的流量过程见图 5.模型水质计算采用了鄱阳湖现状污染负荷估算的研究成果,作为水质计算的边界条件输入,负荷量分区分月进入湖区,本文略去其详细的计算过程.采用2010年江西省水文局10月的湖区水动力测验成果进行水动力模型的率定及验证,以及2010年省环境监测站和水文局监测水质数据对水质模型进行率定和验证.

图 5 鄱阳湖2010年湖口水位及五河控制站点的流量过程 Fig. 5 Water level at Hukou and discharge of 5 rivers in 2010
3.2 模型率定验证

模型计算鄱阳湖2010年10月10—12日星子站水位14.44~14.02 m,呈下降趋势.五河入湖流量合计1454 m3 · s-1,湖口站出湖流量 5860 m3 · s-1.实测流速在水深较深的区域,如通江水道分别测量表、中、底3个不同深度的流速,结果表明表层流速和平均流速的方向基本一致,湖区表层流速大于垂向平均流速.垂向平均流速最大流速0.586 m · s-1,发生在湖口附近处,通江水道平均流速0.22 m · s-1.都昌附近的湖区中水面宽广的区域的平均流速0.17 m · s-1,湖区从康山-棠荫-都昌段的主槽内流速偏大0.32~0.58 m · s-1,湖区东部区域水深和流速都不大,平均流速为0.13 m · s-1.通过比较,计算结果符合实测流场大小分布,方向基本一致,见图 6.

图 6 鄱阳湖湖区实测及计算流速分布比较 Fig. 6 Velocity map of computed results against measurements

选择湖区星子、都昌及康山站的水位过程做对比,结果见图 7.

图 7 计算鄱阳湖星子、都昌、康山站2010年水位过程与实测值比较 Fig. 7 Comparison of computed water level with measurements at Xingzi,Duchang and Kangshan in 2010

分别选取鄱阳湖南部、中部及北部的3个站点,作出2010年少流速大小过程线,见图 8.枯水期康山及星子站流速大于丰水期.五河汛期初期流速较大,主要是受流域洪水的影响,随着水位的升高,各站 流速渐渐变小,秋季受长江水位回落,星子及康山 站受湖泊归槽作用影响,流速增大的时间有差异.鄱阳湖区符合鄱阳湖“涨冲落淤”的特性.

图 8 计算鄱阳湖星子、都昌、棠荫站2010年流速过程 Fig. 8 Computed velocities at Xingzi,Duchang and Tangyin in 2010

通过与实测资料的对比(图 6~8),模型计算的水动力过程可信.耦合水动力过程,输入鄱阳湖流域的入湖污染负荷量,计算鄱阳湖全年的水质变化过程.

采用高锰酸盐指数(CODMn)、氨氮(NH3-N)、总氮(TN)、总磷(TP)等水质指标进行模型校验和水质环境特性分析.模型起始计算时段自9月,水质计算初始条件采用2009年12月实测水质浓度,边界条件为2010年主要入湖河流污染物负荷,包括:主要入湖河流污染负荷通量,湖区非点源污染负荷,湖区点源污染负荷等.为体现湖区的区域及时间上的水质变化特性,鄱阳湖的入湖污染负荷量分两大部分计算得到,五河流域的入湖负荷量分别由水文控制站点的水量水质数据得到,控制站点以下的湖周边区域划分为26个区域,分别计算得到.周边分区的原则概况为:①重要生态环境目标重点保护原则;②生态系统完整性原则;③区别发展原则;④遵从环境功能分区的原则;⑤可操作性原则.湖区周边区域分区的结果见图 9.对26个区域的负荷特性进行分析后进行估算,结果得到各区的月均负荷量表.本文由于篇幅所限,对分区负荷量数值未能展示.分区分月负荷量表为模型的水质计算模块的输入.

图 9 鄱阳湖五河控制站以下周边区域面源入湖分区及点位 Fig. 9 The subzones and inlet postions of the region around Poyang Lake

水质模型采用的各水质指标参数,根据大量的野外实测和实验室分析数据得到.各水质指标的降解参数采取江西水文局多组同步水质水流现场野外监测结果,以及综合文献和实验室分析得到.同时在鄱阳湖布设的17个沉积物点位,在不同水期下进行采样.鄱阳湖底泥释放参数由实验室采样进行静水及动水分析得到,用于模型计算.

实测和计算鄱阳湖区月均的CODMn和NH3-N的浓度,满足II类水和III类水水质标准,基本达到水功能区要求,受文字篇幅所限,本文显示计算鄱阳湖星子及都昌站TN及TP的浓度变化.本文同时采用江西省环境监测站(EMS_JX)江西省水文局(BH_JX)及定点常规监测数据和计算数据进行比较,结果见图 10.

图 10 计算鄱阳湖星子、都昌、康山站2010年水质过程与实测值比较 Fig. 10 Comparison of computed water quality with measurements at Xingzi,Duchang and Kangshan in 2010

通过鄱阳湖水质监测数据以及模拟结果(图 10)的分析,其规律大致为枯水期水质较差,丰水期水质较好.评价鄱阳湖的4个指标中,CODMn和NH3-N浓度较低,全年基本满足各水功能区划的II类和III类水的要求.近3年的监测表明,鄱阳湖TN和TP在某些点位的一些时间段超标.TN和TP是鄱阳湖水质超标的主要指标之一.

鄱阳湖枯水期(12—3月),湖区水位低,河道流速较大,水流在湖体滞留时间较短,反映为湖容小、自净能力低,湖区水质受入湖负荷影响大,在此期间入湖河流流量小浓度高,湖体整体水质较差.进入五河汛期,入湖流量增大,增加的水量一部分增加湖体体积,另一部分出湖,春季初期洪水期间湖区流速大于枯水期,随着水位抬升,虽然入湖水量增加但湖区流速呈减小趋势,鄱阳湖恢复湖泊的形态及功能.CODMn、NH3-N、TN和TP在3—6月的入湖负荷分别占全年总负荷的57.8%、60.2%、57.3%和57.6%.该时期内湖区各指标浓度偏高,但是TP受鄱阳湖水位影响较大,浓度下降明显.进入长江汛期7—8月,鄱阳湖水位较高,CODMn、NH3-N、TN年内的浓度变动,湖区中TP浓度受水期影响明显,而TP是影响鄱阳湖水质的关键指标之一,TP浓度的下降,使湖区水质达标率升高,水质总体评价良好.9—11月,长江水位回落,鄱阳湖逐渐恢复河相水平.12月份后,鄱阳湖再次进入枯水期.

湖区水质空间分布和湖区水动力条件关系为,湖区流速较大时,空间分布为南部及东部水质浓度高,湖心区(都昌)和北部出湖区(星子)较小;当湖区流速很小时(7、8和9月),南部及东部水质浓度高,北部出湖区(星子)次之,湖心区(都昌)最小.总体来说,鄱阳湖东部和南部水质较差,中部及北部水体水质较好.

4 江湖关系变化下水环境变化 (Impacts on water quality of changing river-lake interaction) 4.1 湖河相转化节律变化

采用1956—2002年以及2003—2012年多年平均的水文日过程作为模型的水文输入边界条件,分析计算鄱阳湖水动力及水质环境发生的变化.由于资料等局限性,模型计算比较两个水文序列下的水动力水质的变化,未考虑该湖底地形的变化.

鄱阳湖和湖相的转换时间上发生变化,湖泊的水面面积年内发生较大的变化,尤其是平水期和丰水期.鄱阳湖3—6月份五河进入汛期时,1956—2002年水文情势下,4月21日水面面积增加至1500 km2,而近10年水文情势下,5月15日水面才增加为1500 km2.统计两种条件下,对应不同的水面面积的天数见表 1.

表1 不同情景下鄱阳湖对应不同水面面积的天数比较 Table 1 Computed number of days related to several lake water area in two serial

表 1可见,近10年来鄱阳湖的湖相时间变短,当鄱阳湖湖面面积大于1500 km2的天数减少了47 d,有一个半月之长.近10年平均湖面面积大于3000 km2的天数和1956—2002年情景下,减少了46 d.

湖区东北河湖相转换的站点棠荫站的流速发生变化,涨水期间其流速受南部赣江南支、信江和东部各河流的入湖水量的影响,同时受湖区水位的抬升作用,流速减小,但是流速减小的时间滞后于星子站.近10年水文情景相比1956—2002年情景,棠荫站流速大幅减小的时间推迟21 d.进入秋季,受长江水位回落,鄱阳湖由湖相转换为河相,棠荫站流速早于星子站开始增加,近10年水文情景相比1956—2002年情景,棠荫站流速增加的时间提前17 d.

4.2 湖区水质变化

由于受江湖关系变化的影响,年内鄱阳湖部分区域的裸露时间变长,根据实验室的采样分析结果表明,当鄱阳湖进入汛期后露出水面的区域重新被水淹没后,根据鄱阳湖室内试验数据,两个序列的底质的氮、磷的释放量呈现差别,由于氧化作用2003—2012年序列对比1956—2002年序列的释放量要小.污染负荷条件的输入同现状的污染负荷量,模型考虑内源释放的变化,计算鄱阳湖特征站点的水动力及水质改变.由于采用多年平均的水文日过程,坦化了部分急涨急落的洪水过程,水质变化也趋缓.鄱阳湖区星子、都昌和康山站的TN和TP的浓度变化过程见图 11.

图 11 不同水文序列条件下鄱阳湖星子、都昌及康山站的TN及TP的变化比较 Fig. 11 Comparison of TN and TP at Xingzi,Duchang and Kangshan of 1956—2002 and 2003—2012

从受水文情势变化的影响各站点的水质浓度的比较可以看出,近10年序列(2003—2012年)与1956—2003年序列的水质相比,星子站的TN浓度在枯水期12—2月略有下降,下降幅度最大为4.8%,但在其他月份星子站TN浓度略有升高,尤其是五河汛期和秋季的退水期,五河汛期的上升幅度为10.6%,退水期的上升幅度为12.4%,丰水期上升不明显升幅为2.8%左右.同样,TP浓度在枯水期变化不明显,在丰水期有升高,升高幅度最大的月份为4—5月和10—11月,上升幅度分别为11.7%和13.6%.都昌站TN和TP发生变化,五河汛期3—6月份TN和TP的浓度均有升高.最大上升幅度分别为12.7%和14.2%.在枯水期12月—来年2月,水质浓度略微有些下降.康山站TN和TP受流域来水影响,五河汛期3—6月份TN和TP的浓度均有升高,上升幅度为9.2%和11.3%,9—11月份 TN和TP的浓度上升幅度为10.5%和12.7%.

两种情景下的各类水的面积的年内变化过程,见图 12.

图 12 不同水文序列条件下计算湖区水面及各类水面积的变化比较 Fig. 12 Comparison of area of different grades water under the serial of 1956—2002 and 2003—2012

图 12可看出,近10年序列(2003—2012)鄱阳湖水面面积在丰水期和平水期均有一定幅度的减小,尤其是10月下旬,和1956—2002年序列相比,面积减小了一半多,提前进入枯水期.水面的面积大幅减小,III类及IV类水的面积均减少,V类及 劣V类水的面积有增加.变化较大的季节分别为五河汛期4—6月、秋季退水期9—11月和丰水期7月.丰水期湖面面积的减小,主要是III类水面积变小.近十年来五河汛期和退水期,IV类、V类和劣V类水体水质的比例有上升,III类水比例下降.枯水期12月—来年3月水质未有明显变化.

鄱阳湖江湖关系变化两个序列水文情景下,10月15日对应的鄱阳湖星子站水位分别为14.65 m和12.27 m时,星子站水位相差2.38 m.从图 13可以 看出,随着长江水位的回落,五河来水量的减小,鄱阳湖区水位从南至北下降,南部的诸多的碟型湖开始出露,和全年相比主湖区的入湖负荷量不大,8—11月期间,各指标的负荷量占全年的16.9%~20.0%,主湖区水体水质较好.由湖区TP的空间分布可以看出,1956—2002年情景下,10月中旬鄱阳湖呈湖相,水面宽广,湖区大部分水体TP浓度为III类水,只是在局部近湖岸及五河入流处TP浓度偏高,都昌及星子等地城市排放口的污染带影响范围小.近10年情景下,鄱阳湖呈现明显的枯水期形态,西部和南部的碟型湖和主湖区分离.在湖区周边城镇附近水域TP浓度升高明显,尤其是在莲湖、棠荫、都昌、星子及下游入江水道部分,情景一条件下III类水区域均变为IV类及V类水体,且面积变大.经分析显示,由于江湖关系变化,鄱阳湖8—10月提前进入枯水期后,湖区各水质指标浓度都均呈上升趋势.局部区域水质类别发生改变,威胁敏感水域的水功能达标.此时碟型湖的出露和湖区的水体的水力联系中断,局部区域的碟型湖水体水质浓度升高,尤其是南矶山附近.因此,江湖关系变化后,秋季鄱阳湖区水位下降加速,导致碟型湖提前出露,使部分碟型湖富营养化风险加剧.

图 13 10月中1956—2002年(a)与2003—2012年(b)情景下TP的分布 Fig. 13 Distribution of TP in the middle of Oct under the serial of 1956—2002(a) and 2003—2012(b)

鄱阳湖水文情势主要受控时间段分为3段,春季五河汛期为流域主导作用期,夏秋季长江汛期为长江主导作用期,枯水期受流域、长江及鄱阳湖湖盆地形同时作用.未来流域春季的水量大情景下,会使鄱阳湖提前进入丰水期,湖区水质有所改善,反之湖区水质略有下降.长江汛期时,长江水位和流量的增大,湖区丰水期延长,对水质有一定改善作用.

研究对不同的发展模式下的不同入湖污染负荷情景对湖区水质的影响也做了计算,受篇幅所限,未在本文中显示,结果表明,污染负荷量的增加对水质的恶化有直接关系.

5 结论(Conclusions)

1)鄱阳湖江湖关系不仅体现在长序列年均水文特征值的变化,更表现在以年为周期的湖泊的丰枯交替过程的改变.本研究以多年平均的日均过程作为研究对象,分析鄱阳湖出入湖径流,水位及湖区内站点的特征性水文指标的变化,通过构建鄱阳湖的二维水动力水质耦合模型,细化江湖关系的改变对水动力及水质的影响.通过数据分析,确立1956—2002年(情景一)和2003—2012年多年平均过程的两个情景进行比较分析,定量变化的程度及范围.

2)鄱阳湖近10年来,湖区水位过程发生变化,最高水位降低,星子站水位大于15 m的天数减小,最低水位值未有明显变化,但星子站水位低于13.0 m的天数增加,在五河汛期和秋季的退水期都有体现,春季湖区水位抬升滞后1956—2002年情景约13 d,秋季鄱阳湖提前进入枯水期,提前天数平均达21d之久.

3)鄱阳湖水质环境变化受多因素影响,本文通过数值模型手段,重点分析水文情势变化对湖区水环境影响.在入湖污染负荷量不发生改变的情况下,鄱阳湖水体水质受水动力变化的影响.与1956—2002年的水位序列相比,鄱阳湖流域春汛期受入湖河流上游水库的调节影响,4—6月入湖量略有减小,湖区水位抬升较慢,但湖内的流动较快,换水周期快,但是通过湖泊自净作用的时间周期也变短.通过模型模拟,近10年情景下五河汛期及秋季退水期水质变差趋势明显.TN浓度在这两个时间段内分别上升10.6%和12.4%,TP浓度在两期间内分别升高11.7%和13.6%.尤其鄱阳湖秋季提前进入枯水期时间段,在湖区周边城镇附近水域水质指标浓度升高显著,例如莲湖、棠荫、都昌、星子附近湖区,以及入江水道部分区域,污染带形成明显,不少区域的III类水区域变为IV类及V类水体,IV类及V类水体面积增大,威胁敏感水域的水功能达标.在五河汛期的时段内有类似的结果.鄱阳湖江湖关系的变化在特定时间段内,导致湖区水质浓度的升高.

4)鄱阳湖未来水文情势变化受流域、长江及鄱阳湖地形等的影响,湖区水质的改善是个系统性工程,考虑江湖关系变化会对水质产生影响的同时也必须加强入湖污染控制.

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