2018, Vol. 30 
长江(图 1)是世界第三大河.从青藏高原到出海，横跨11省区市，干流6300余km、流域180万km2，上游宜昌以上100.6万km2、中游宜昌至湖口68万km2, 1990年前平均径流9600亿m3，其中4510亿m3来自上游[1].流域受季风控制，自然降水与气温过程高度一致.中下游冲积平原河流平缓，1400余km水面落差约40 m.区域地貌环境、生产生活与安全都与河流息息相关，是全球生产力和经济社会最繁荣的大流域，径流是最基本的环境条件.
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图 1 长江流域(浅色部分中下游)主要大坝、观测点和其他相关位置(A)、上游水库数量和库容(2030s库容200 km3是规划资料得到)(B)和宜昌10月平均径流量与上游水库库容的关系(2030年是根据200 km3预测)(C) Fig.1 Sketch of the Yangtze valley with mega dams, gauging stations and important positions (A), the number and capacity of the dams in the upper basin (B) and a relationship between the average runoff in October at Yichang and the storage of impoundment in the upper basin (data 2030 is predicted) (C) |
近年来，流域水利水电工程建设规模巨大，近52000座坝、超过4000亿m3水库库容，19430余座水电站(装机容量超过1.9亿kW)，其中上游建坝13000余座、库容约1590亿m3.这些工程在防洪、发电、航运和供水等方面发挥重要作用的同时，隔断、调节和用水增加等也对河流产生很大影响.大型水库改变上游河川面貌，使中下游河川径流、节律和水位都发生了很大变化，彻底改变了中下游冲积河流泥沙基本属性，河床大幅度冲刷显著改变了干流与通江湖泊相对高差，水库淤积更彻底改变了河流磷等营养/污染循环规律，水库集热、蓄热和滞热严重影响下游水体溶解氧，水热循环、流域生境、河流与气候长期建立的平衡关系都在发生变化[2-4].流域生态环境已经产生了不容忽视的改变和变化，一些改变成为当前长江生态环境主要问题[5].
建坝是一个世纪以来人类对河流的最大作用.全球大河已多数受大坝控制，长江是受大坝影响严重的最大河流[6].大坝和水库调节对流域尺度生态环境影响已有大量实例[7-15].美国建坝与不建坝河流对比研究发现，水坝通过改变河川径流、水位和水文极值频率等均化环境差异、降低生境多样性，影响尺度超过流域[16]，对全球生物多样性也有影响[13, 17-18].河流上游建坝和水库调节首先改变河川径流，这一物质基础变化相应改变河流相关水域生态系统的环境条件[17, 19-24]，造成自然节律退化、河道萎缩和流域地貌单一化，水库拦沙引起下游河道冲刷更加剧水文过程改变[25].特别是长江中下游平原冲积河流，泥沙更是重要属性和环境物质，供给与冲淤平衡是河道与环境稳定的基础.目前全球水库高比例拦沙、下游河流普遍冲刷[26].三峡工程规划依据的“蓄清排浑”作用[27]已经被现实否定，溪洛渡等干支流水库蓄水后(2014—2016年)宜昌平均输沙量已不足1000万t/a，比1990年前多年平均减少98.6 % [3].河床下切改变平原河流水位、河湖关系、洲滩湿地等缓冲区水与环境物质交换[21, 28-30]，入海泥沙大量减少和三角洲沉降[31-32].在最早开发的密西西比流域，半个多世纪水坝拦沙和径流调节使下游冲积河流河型、滩槽关系、河滩、周边湿地及防洪与生态作用都发生巨大改变[33]，人工控制、洪水减少加上沉降使三角洲失去了1/3(3900~5000 km2，2100年预计将再损失10000~13500 km2)[34-37].大坝对河流水情、生境和生态具有深刻影响[20]，在其长期调节下河流将建立与自然格局完全不同的平衡体系[38-39]，这种改变多以失去生物多样性为代价[16].所以，研究认识大坝对河流径流节律和地貌变化影响规律对保护河流生态环境具有重要意义[25].当前长江上游建坝已经改变中下游平原河流径流和节律，当前和2030年规划大坝都完成后，10月宜昌流量比天然分别减少46.8 %和56.5 % (图 1).这样尺度改变对中下游平原河湖和河口环境会造成显著影响，应该作为当前长江生态环境修复重点.
本文依据长期实测水、沙与河道冲淤资料分析近年长江径流、水位及其过程变化及其对中下游河湖环境条件影响和原因，在长期大量研究基础上提出河川径流和湖泊修复对策建议，为长江生态环境修复与河流保护参考.
1 方法和数据本文主要依据实测数据对比分析水库调节影响. 2003年三峡工程初步蓄水(最高水位135~139 m)、2008年接近正常水位(实际172.75 m)，之后按正常水位175 m运行.因此，重点对比2003年以来长江中下游径流、水位及过程变化、泥沙减少与河道冲淤对江湖水情影响，同时以2008年三峡正常蓄水后的资料考察水库调节的影响.水文和泥沙数据是宜昌、沙市、监利、螺山、汉口、大通以及清江、荆南三口(松滋口、太平口和藕池口)、城陵矶、汉江仙桃和湖口等干支流逐日实测平均流量和水位数据.主要断面数据从1952年(宜昌径流量1878年)开始，截至2016年12月31日.受观测建站条件限制，一些支流数据开始较晚但多始于1950s.三峡蓄水以来中下游冲淤分别采用断面法实测和输沙量法推算，输沙量依据逐日数据.资料主要来自长江水利委员会水文局，三峡库区水位来自三峡梯级调度数据库，气温和短波辐射资料来自国家气象局(http://data.cma.cn/data/cdcindex).上游水库群调度研究主要依据作者等为三峡梯级调度中心建立的《长江上游水库群蓄水调度模拟决策支持系统》[40]，其中上游水库按水文方式计算，三峡和葛洲坝梯级水库按不恒定水动力学模型计算[41-42].
2 长江中下游径流与节律变化上游大坝和水库调节主要表现在径流(尤其汛后)减少；泥沙减少和中下游河道冲刷；中下游伏秋季节水位降低、提前干枯、通江湖泊面貌改变，同时沿江同流量洪水位抬高和不利防洪；以及秋季入海流量减小等.
2.1 长江上游径流减少图 2是2003年以来宜昌、汉口和大通等重要断面年、月和10月流量与长系列比较. 1990年前，宜昌多年平均径流量4504亿m3、变差系数Cv=0.107、水量平均递减率2.5亿m3/a，径流缓慢平稳减少.宜昌，1990年后径流加速减少，1991 2016年平均递减率16亿m3/a，2003 2016年均径流量4006亿m3，比1990年前平均减少11 %、变差系数增加(Cv=0.12).同期，汉口和大通水量分别减少4.8 %和5.6 %，绝对量分别为350亿和500亿m3(图 2A).
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图 2 三峡下游年、月径流变化及其季节分布情况 ((A)宜昌、汉口和大通断面年径流量频率分布及变化(历史长系列：宜昌1878—1990年、汉口和大通1950—1990年；Cv是变差系数；Pearson Ⅲ曲线根据历史长系列统计参数确定；97 %干旱情景指历史长系列每百年三次水量最小情景)；(B)宜昌各时段与历史长系列(1878—1990年)逐月平均径流量偏差和变差系数比较(2008—2016年代表三峡按设计正常水位运行后)；(C)宜昌、汉口和大通2003—2016年和1952—2002年逐日平均流量比较(蓝色代表水量减少、粉色代表水量增加，三峡计划蓄水时间从9月10日起、10月31日结束)；(D)宜昌断面140年来10月水量变化趋势(k=-0.053表明水量呈长期减少趋势，每十年减少5.3亿m3；2008—2016年月平均径流比三峡蓄水前(趋势线预计2002年)和长系列平均水量分别减少191亿m3和227亿m3)) Fig.2 Runoff variation and seasonal distribution downstream of TGP |
在平均径流减少同时，1990年前宜昌97 %频率干旱情景(每百年三次)变成了80 %~85 %，极度干旱情景变成常态(图 2A).年内径流减少主要集中在汛后，9—11月(2008 2016年)宜昌流量比1878—1990年平均减少439亿m3，减幅29.6 % (图 2C)，10月流量比三峡蓄水前(1991—2002年)减少40 % (图 2D).有大量上游水库后，宜昌逐月径流量变差系数反而普遍提高(图 2B)，其中9—11月从原来多年平均Cv=0.208增加到0.34.平均值减少条件下，变差系数增加更加剧伏秋季节少水和增加径流干旱风险.预计2030年宜昌10月流量将比1990年前减少56.5 % (图 1).
实际上，当前中下游径流减少并不完全集中在三峡和上游水库蓄水期间.宜昌、汉口和大通7—8月平均流量(2003—2016年)减小也十分显著(数量与蓄水期间相当).这是因为三峡等水库大量拦中小洪水(图 2C)同时也与近十余年未发生特大洪水有关.春季上游水库消落也为下游枯期补水，1—5月(2008—2016年)宜昌平均流量比天然增加230亿m3.水库调蓄后总水量减少，即使不计9月前水库蓄水，9—11月与1—5月增减相抵后水量净减少206亿m3.
长江上游径流减少与降水、气温、太阳辐射和用水增加等复杂因素相关，目前尚难给出定量评价. 2003年后三峡区间(上游朱沱、北碚和武隆断面到下游宜昌，面积7.1万km2)产水量变化可以给出部分解释.本区间除已知流量进出口外，所有支流完全封闭，区间产流可根据进出口流量推算. 2004—2016年区间平均产流比三峡蓄水前(1991—2002年)减少117.5 m3(已扣除三峡蓄水100.8亿m3).根据库区25站实测区间降水资料，1958 1990年平均降水1129 mm(折合水量800亿m3/a)、区间产流496亿m3/a，1991—2002与2004—2016年平均降水基本相当(图 3A)，三个时段月平均降水季节分布没有明显变化(图 3B)，三峡蓄水前后时段降水只差3.6亿m3/a.在蒸散发条件方面，长期以来宜昌和重庆实测短波辐射是递减的(图 3A)，1980年前平均短波辐射高(1104(kW·h)/(m2·a))，1991—2002和2004—2016年分别降低到993.5和991.3(kW·h)/(m2·a)，三峡蓄水后略低；重庆、梁平、万县、奉节、巴东和宜昌六站实测日照时数递减趋势更明显(图 3C)，1991—2002年比1958—1980年降低18 %、2004—2016年比1991—2002年又降低5.8 %.根据蒸散发能力[43]计算结果可见，自然热量变化对区间蒸散发影响不明显.考虑到库区土地少，蓄水前后区间用水不可能大幅增加，而且水库水面蒸发很小[44].上述巨额区间水量缺口显然与自然和社会因素关系不大.但是，库区气温逐年升高(图 3C)，上述三时段六站年平均气温分别为17.3、17.4和18.1℃.蓄水前增幅很小，2004—2016年平均、最大和最小三个月气温比1991—2002年分别上升0.67、0.69和0.4℃，远超近期全球陆面温升(0.38℃)[45].
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图 3 三峡库区区间流域(71000 km2)长系列年降水(P)、区间径流量(R1和R2)、重庆宜昌平均太阳短波辐射强度(Sd)、平均气温和日照时数变化情况 (降水根据江津、北碚、沙坪坝、涪陵、宜昌等25站逐日资料按行政区面积加权平均计算；R1是根据出(宜昌)与入(朱沱、北碚和武隆)库逐日实测流量计算的区间径流量，R2是从R1扣除三峡和葛洲坝水库蓄水量后的区间径流量；Sd根据宜昌和重庆两站逐日实测短波辐射强度计算；气温和日照时数根据重庆、梁平、万县、奉节、巴东和宜昌多站逐日资料计算(2004 2016年与1991—2002年时段年均、最大三个月和最小三个月平均比较，气温分别上升0.67、0.69和0.4℃，日照时数减少5.8 %、4.7 %和6.0 %，2004—2016年日照时数比1958—1980年减少18 %)) Fig.3 Variation of annual precipitation, runoff, solar radiation, annual average air temperature and sunshine hour in a small basin of the Three Gorges reservoir |
综上所述，三峡区间径流减少主要不是因为降水减少，气温升高和蒸散发增加等或是重要原因，而这些因素与水库冬季大量散热的“暖气效应”有关[4].长江上游近期径流减少原因还不完全清楚，还需要深入研究.
2.2 长江中下游河槽冲刷降低长江中下游是冲积河流，天然时期(1955—1990年)进入中下游干流沙量6.34亿t/a，83 %来自上游.宜昌、螺山、汉口和大通断面平均输沙量分别为5.25亿、4.41亿、4.31亿和4.59亿t/a、洞庭湖淤积1.2亿~1.4亿t/a，干流河道冲淤平衡或微淤(图 4A).三峡蓄水后宜昌进入中下游泥沙剧烈减少(图 4B)，2013年后基本无泥沙(2014—2016年平均720万t/a、比天然减少98.6 %).近十年河口(大通)输沙量比1990年前减少72 %，随着河道冲刷还将持续和剧烈减少.
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图 4 三峡(宜昌)下游长江河道泥沙变化及冲淤情况 ((A)历史系列(1955—1990年)、三峡蓄水前系列(1991—2002年)和蓄水后系列(2003—2013年)长江中下游沙量平衡概算(其中蓝色数据是断面时段平均沙量，单位106 t；地名后的数据是到宜昌的距离，单位km；①、②和③分别代表三口中的松滋口、太平口和藕池口；格子中数据是河段年平均冲淤强度，单位Mt/km)；(B)1950—2016年宜昌、螺山、汉口和大通输沙量变化；(C) 2002—2016年长江中游各河段断面法实测的平滩河槽以下平均断面冲淤面积和体积) Fig.4 Long term budgets of sediment, is variation and channel scouring after 2003 downstream of TGP |
输沙量法和断面实测资料都显示中下游河道发生了巨额冲刷，范围超过大通(图 4A和C). 2002—2016年，宜昌至湖口平滩河槽冲刷20.9亿m3，其中荆江、城汉(城陵矶汉口)和汉湖(汉口湖口)分别冲刷9.4亿、4.7亿和5.2亿m3，引起干流河槽剧烈下切.葛洲坝下宜昌枝城、上荆江、下荆江、城汉和汉湖河段河槽分别平均降低逾2.5、3.0、2.0、1.4和1.2 m.输沙量法推算2003—2016年下游(湖口大通)冲刷4.88亿t(约3.3亿m3)、河槽平均降低近1.0 m.
强烈冲刷主要是因为上游水库拦沙，同时三峡水库违背规划调度原则运行也加剧了冲刷.造床流量或平滩流量是冲积河流塑造河槽能力最强流量[46]，汉口以上造床流量大约是22000~36000 m3/s[47]，流量更大后因洪水上滩、流速减小，冲刷能力反而降低(甚至淤积).三峡工程规划确定三峡水库主要按“枝城调度”防洪方式运行[48]，只拦截枝城断面流量大于60600 m3/s(三峡下泄流量不超过56700 m3/s)以上洪水.但是，近10余年三峡汛期在没有大洪水情况下连年降低标准大量拦截中小洪水和超汛限水位运行[62].这种调度确实松弛了一般的防汛压力和大量增加发电.但是，特大洪水出现风险加大，平滩流量洪水持续时间显著增加[49].平滩洪水接近造床流量，冲刷能力最大[46]，汛期拦中小洪水也加强了河道冲刷下切.
目前，中下游实际冲刷量已超过预期三峡蓄水三十年后极限程度和范围[50-51]，实测显示下游冲刷量(图 4B)和河段平均冲刷面积(图 4C)仍呈加速趋势(宜枝段除外)，在相当时期内，中下游冲刷幅度还会很大. 2016年起城陵矶以下开始大幅冲刷更是一个危险信号.荆江是长江最危险河段[52-53]，覆盖层深厚、可冲幅度大、自然弯道多、与洞庭湖水道呈分汊并行格局，干流冲刷具有正反馈效应.城汉河段等大幅下切将进一步加剧荆江冲刷.
水沙变化是大坝对下游河湖最本质的改变.洞庭湖和鄱阳湖(两湖)都是浅水湖泊，是中游重要调蓄、生境和生态单元.洞庭湖主要水资源和生态流量来自荆南三口；两湖尺度、形态和环境容量高度依赖干流水位；沿江滩地、枝汊和湿地的面貌与生境直接与干流水位相关.河槽大幅度下切对河流中枯流量水位影响显著，它将逐步改变湖泊等生态单元与干流相对位置，最严重和需警惕的后果是荆江河型改变、两湖脱离干流控制和江湖格局改变[54-55].
2.3 长江中下游河湖水位变化十余年来中下游河湖一般水位全面降低.三峡正常蓄水后(2008—2016年)逐日平均水位与1952—2002年比较，荆江水位全面显著降低、城陵矶至大通降低主要但不限于三峡水库蓄水时段，汛期开始下半年水位都降低，其他月份降低也明显(图 5A)；1—3月水库补水使城陵矶以下有所抬高(城陵矶较大与城陵矶至螺山段局部淤积有关).三峡蓄水前后时段平均水位比较，沙市、城陵矶、汉口、湖口和大通10月降低最大，平均(最大和最小)降低4.0(4.3~3.0)、2.3(2.9~1.0)、2.9(3.5~1.5)、2.8(3.6~1.5)和2.0(2.6~1.2) m.水位最大降低幅度超过河道下切幅度.
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图 5 中下游干流沙市、城陵矶(洞庭湖口)、汉口、湖口(鄱阳湖口)和大通2008—2016年相对1952—2002年平均水位变化及对洞庭湖和鄱阳湖淹没面积与蓄水量影响 ((A)历史系列(1952—2002年)和三峡蓄水到175 m后(2008—2016年)中下游各站逐日平均水位比较(武汉气温是2000—2013年平均值)；(B)洞庭湖1998年[56](B1)和鄱阳湖[57](B2)通江湖体面积、体积与口门水位的关系) Fig.5 Long-term averaged flood stages in mid-lower Yangtze River before (1952-2002) and after (2008-2016) the TGP, and their impacts on the pool area and storage capacity of Dongting and Poyang Lakes |
城陵矶和湖口是两湖出口控制断面，干流水位降低对湖区面貌和环境状态影响很大(图 5B). 9月初和10月下旬干流水位降低，洞庭湖水面分别缩小400和500 km2、持水量分别提前减少21亿和13亿m3，鄱阳湖分别缩小1000和1300 km2、持水量分别提前减少52亿和25亿m3，两湖合计流失水38亿~73亿m3，10月下旬鄱阳湖干枯.鄱阳湖是长江水位上升形成的年轻碟状湖，其面貌决定于干流水位，汛末水位变化对其水面影响率达600 km2/m.当前湖口水位平均下降了2.8 m，水位偏低和汛期高水时间缩短都在改变湖区面貌和环境条件.洞庭湖水面除受干流水位影响外，荆南三口(松滋、太平和藕池口)是其重要径流来源，三口分流及过程严重影响湖区(特别是西北湖区)面貌和环境条件.资料显示三口入湖水量从1991—2002年平均620亿m3减少到489亿m3(2008—2014年)(图 6A)，9 11月(10月)减少28 % (62.5 %)，枯季断流十分普遍(图 6B)，而三口分流完全决定于干流水位. 10月初、末三口总分流能力已从蓄水前2550、820 m3/s降低到700、100 m3/s.三口分流减少还进一步促荆江冲刷和水位降低，它又进一步减少分流，这是一个正反馈过程.
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图 6 荆南三口年(A)、月(B)分流情况和三峡蓄水前(1991—2002年)(粗线)、后(2008—2014年)(细线)各口门平均逐日水位，以及口门水位流量关系(1998年)[58](C) (根据1998年三口分流量关系，三峡蓄水前后10月松滋口、太平口和藕池口分流量a=420~1500 m3/s (现小于100~400 m3/s)、b=300~600 m3/s(现0~300 m3/s)和c=100~450 m3/s(现几乎断流)) Fig.6 Variation of water diverted from the main channel through the three bypasses (A for yearly and B for monthly), and long-term averaged daily stages of 1991-2002 and 2008-2014, and stage-discharge relationships of the three bypasses (C) |
中下游水位大幅降低的原因是水库调节与河床冲刷.河床降低、中小流量期间干流水位与2003年以来冲刷强度(图 4)完全对应，尤其对荆江和湖口水位降低河床冲刷发挥了重要作用.但是，中下游多站同流量水位变化[62]显示，除沙市和新厂2014年比2003年降低大于1.5 m外，其余都小于1 m.当前，河床冲刷比流量减小作用更小.
三峡规划[48]水库蓄水期每年10月. 1990s以来汛后径流减少[60]，为确保三峡蓄水，试验运行将蓄水时间提前到9月10日.尽管如此，8月起宜昌、汉口和大通流量就大幅降低(图 2)，2008—2016年9—11月宜昌流量平均降低5684 m3/s，水量减少超过三峡调节库容2倍，10月水量减少40 %.沙市、监利、螺山、汉口和九江等断面水位流量关系[58]推算显示上述流量减小引起干流水位降幅2.0~3.0 m.水库调蓄仍是当前干流水位降低主要原因.
为证明上游水库调节对中下游径流节律和水位影响的趋势性，作者根据为三峡梯级调度建立的长江上游水库群模型[40]模拟1992—2005年天然、三峡单独调节、三峡与上游水库群联合调度后宜昌的流量过程[61].计算条件严格按这些工程规划方案，结果揭示出调节改变径流季节现象(图 7).上游水库作用使中游径流季节前移约2月、伏秋季节流量锐减、河流提前进入枯期.由于计算假设水库水量守恒(现实不完全守恒)，春季增加水量比实际多.流域大量季调节水库以发电为主和规划防洪库容很大[52]是改变中下游径流节律和汛后河湖面貌的根本原因.
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图 7 根据上游水库群模型模拟三峡和上游水库调节对宜昌径流过程影响(1998、1999年情景) (计算条件见文献[61]，计算水库调度按规划运行方案；结果同样也揭示水库调节改变径流季节和引起伏秋径流干旱现象；1998年因为汛期防洪蓄水，因此9月流量有一定增加，其中优化调度方案结果是对上游水库群定位和蓄泄方式调整后的结果(见下文)) Fig.7 The model predicted forward-shifting of runoff seasons caused by the TGP and all the planned reservoirs in the upstream with examples of the real processes of 1998 and 1999 |
与此同时，干流一般水位大幅降低并没有提高长江中游河道泄洪能力.实测资料分析[62]显示，洪水期宜昌至湖口同流量水位反而升高，其中宜昌、新厂和汉口最大升幅超过(其余接近)0.5 m.特别值得警惕的是，2016年洪水低于堤防设计流量标准10000 m3/s余，汉口和城陵矶水位已经接近堤防设计洪水位.河槽冲刷下切反而洪水位升高，这是三峡建成后长江中游的“防洪悖论”.初步分析，主要原因是三峡水库长期降低标准拦中小洪水和超汛限水位运行[62].河滩是平原河道行洪主体，滩地长期不过洪水会导致植被等(阻力)增加，全槽泄洪能力降低.三峡水库防洪能力本来小于设计、城陵矶同流量水位在1998年已显著超过设计水位、中游蓄滞洪区长期欠账、分洪困难，三峡建成后长江中游特大洪水仍然存在严重风险[54-55, 62].目前中下游河道的变化对生态和防洪都不利[5].
水量减少，径流季节、水位降低和干枯时间提前是当前中下游河湖面貌的明显变化. 图 5A显示干流水位显著降低主要发生在伏秋高温时段.在变幅之间，大量滩地、水域、湿地和缓冲区提前暴露在高温和高热环境下，植被、连通性、地下水和水、热和环境要素循环会相应改变，这种改变的影响目前很难全面评估.为揭示提前干枯对湖区生态条件影响，作者根据鄱阳湖(南昌)和洞庭湖(荆州)实测气候资料计算比较了降水(P)与蒸散发能力(ET)的关系(图 8).鄱阳湖降水主要集中在上半年，7月后降水低于蒸发(9—10月P显著低于ET)；洞庭湖8—10月降水约等于平均蒸发，很多年9—10月两湖几乎无降水.以月均干旱指数(r=ET/P)计，鄱阳湖区8月进入旱季(r＜1, rmin＜＜1)，洞庭湖伏秋处于临界干旱(r≈1, rmin＜＜1)，降水变差系数都远大于蒸发变差系数，很多年份伏秋季节两湖干旱.干旱年份湖区土壤失水强度W=ET平均-P最小，鄱阳湖W8-10月=270 mm、W11-2月=90 mm；洞庭湖W8-10月=181 mm、W11-2月=108 mm，提前干枯后伏秋土壤失水强度远超过冬季(11—2月)，总失水量显著增加.水位提前降低必然影响次年春季滩区墒情、增加春旱风险.
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图 8 鄱阳湖(南昌)和洞庭湖(荆州)平均蒸发能力(ET)与实测降水(P)比较 (降水和蒸发按逐日计算统计(2001—2016年)，蒸发能力根据气象和辐射等资料按Penman公式计算[43]；Average、Max和Min分别是多年逐月平均、最大和最小值.降水和气象数据来自国家气象局(http://data.cma.cn/data/cdcindex)) Fig.8 Comparisons of predicted potential evaporation with the measured precipitation in Poyang and Dongting Lakes |
长江主要受季风控制，径流过程单一，平原冲积河流水与气温和自然热量高度同步，这是长江流域地理环境独特的先天优势，径流季节改变对中下游冲积平原与河湖生态环境将产生深刻影响.
2.4 长江口流量变化9—10月适逢天文大潮，径流减少也影响长江口咸潮.上海水源70 %依靠长江，主要水库(陈行和青草沙水库)均位于长江口内(图 9).三峡蓄水使大通最枯(1—2月)流量增加，这是有利条件.但是，大通以下区间调水和用水能力也大幅增加[63-64].枯水年10月盐水楔和北支海水倒灌等已经影响上海水源[65].现在，长江口、杭州湾长期劣Ⅴ类水占60 % ~78 %和100 % [66].上游水库调节、调水和用水增加，上海水源不可靠性风险在不断增加[67].
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图 9 大通流量和枯水变化及其与长江口咸潮的关系 (A：长江口位置关系；B：大通10月最小流量和其他枯水流量变化；C:2006年长江口咸潮与大通流量对应关系，其中海门盐度资料来自，春天和秋冬海水倒灌，4月中旬海门氯化物浓度超过1000 mg/L、大通流量17100~21500 m3/s(大通以下引水流量最大超过10000 m3/s)，10月流量平均(最大、最小)14960(17200、12500) m3/s、海门平均(最高、最低)氯化物浓度717(1908、160) mg/L.上海自来水厂和宝钢用水氯化物标准≤100和200 mg/L[70]) Fig.9 Dry season discharge declination at Datong in Oct. and others and the estuarine saltwater intrusion in 2006 |
淡水流量是河口水环境决定要素. 1951—2002年，大通断面径流趋势平稳，平均递减率2.58亿m3/a(0.29 ‰).三峡论证[68]认为大通10月平均流量35700 m3/s，水库蓄水后一般年份平均减少8400 m3/s，流量仍在20000 m3/s以上、能满足吴淞水厂要求.然而实际情况是三峡蓄水前(1991—2002年)大通10月平均流量已经只有30800 m3/s. 2006—2016年10月平均和最小流量平均分别降低到23740和17560 m3/s，7天滑动平均流量低于15000 m3/s出现3次(1951—2002年只有2次)(图 9B)，流量小于15000、18000 m3/s出现35和94天(分别占10.3 %和27.5 %)(1951—2002年共出现11和45天，分别占0.68 %和2.80 %). 10月大通流量小于15000~18000 m3/s出现频率显著增加.
10月大通径流量一般大于最枯1—2月的流量，但考虑到10月易遭遇天文大潮和淡水密度低(10月淡水温度比1—2月高约20℃，泥沙浓度已降低近1.0 g/L，出海淡水密度比1—2月低3.0~3.5 g/L，相当于外海盐度从30提高到34~36)等利于盐水入侵；2006年10月(大通平均流量14960 m3/s)北支海水倒灌严重、海门实测氯化物浓度全月显著超过200 mg/L(图 9C)；大通以下引水、调水工程规模很大(图 9A)，这些工程越干旱年引水越多；上游还有很多待建大型水库、跨流域调水和控江工程等都会减少10月流量，今后河口盐水入侵影响上海水源最严重时期或变成10月.
3 长江径流变化修复对策前面资料分析显示，上游大量调节、泥沙减少和河道冲刷等使近十余年中下游径流减少、节律提前、水位降低和河口流量改变，三峡水库长期拦中小洪水使中游河道萎缩和泄洪能力降低，对中下游河湖面貌和生态环境条件影响很大，旱、洪和咸潮威胁风险增加.这些变化主要与水库调节有关，清水冲刷也有一定关系.当前中下游冲刷已超过预期且仍在加速，上游水库拦沙和清水冲刷至少持续百年以上，中游河道冲刷下切存在改变河湖格局风险.
当前，流域工程管理主要问题是水库群以发电为主，规划防洪库容大而分散，汛后蓄水多而集中，重点防洪水库没有充分发挥作用.同时，三峡工程规划要求的防洪措施——蓄滞洪区建设长期拖延，河道泄洪能力萎缩，湖泊应对冲刷和水情改变能力严重不足.因此，长江径流修复首先要改善流域规划管理，在保证防洪安全前提下，通过调度和辅助工程措施尽量维护河湖汛后流量、水位，抑制河道过度冲刷.建议：1)优化调整流域规划，以“水资源工程”定位上游大型枢纽，以水资源目标统筹统一水库调度，三峡工程切实执行“防洪第一”和加强金沙江下游水库主汛期防洪作用；2)水库科学挖泥修复泥沙通量，尽量增加下游河道造床泥沙和磷等物质通量；3)加强中下游防洪能力建设，弥补防洪体系短板，与全面小康同步建设中下游蓄滞洪区，降低上游防洪水库汛后蓄水压力；4)通过上游水库优化调度尽量维持两湖环境条件，“引清水入洞庭”和“供水设施建设”加强两湖适应能力.
3.1 优化调整流域工程规划《长江流域综合规划》[52]全面布局了防洪减灾、水资源利用和生态环境保护，但目前规划仍然存在一些突出问题.主要是发电、防洪和汛后蓄水与下游生态环境矛盾很大.同时，三峡规划汛限水位汛期偏离发电机组最优条件，防洪发电矛盾也很大，加上中下游防洪能力建设长期滞后，汛期长期拦中小洪水和超汛限水位运行牺牲防洪能力.三峡水库有效防洪能力比预期小很多[62]，特大洪水出现风险很大.作者等对长江上游调度进行过研究[60-61]，建议国家统一调度控制水库，以水资源工程重新定位和以宜昌枯期流量最大目标优化调整调度.具体包括1)金沙江下游梯级按防洪、发电与供水定位，6—7月主汛期汛限水位降低到死水位，8月视中下游汛情提前拦洪蓄水、帮三峡防洪；2)更上游大型龙头水库以蓄水蓄能为主；3)嘉陵江亭子口等定位于供水、防洪与发电，在泥沙较少期间尽量提前蓄水；4)三峡严格坚持防洪第一原则，按动态汛限方式[41-42]增加防洪库容和减少汛后蓄水；5)各枢纽在长江泥沙较少期间适当提前蓄水和消落.
依据《长江上游水库群调度模拟决策支持系统》对长系列径流和上游规划水库情景进行全过程调节计算显示，优化调整后宜昌径流过程和10月流量得到很大改善(图 7).各情景14年(1992—2005年)平均宜昌枯期水量结果(表 1)表明，三峡等水库(2008上游水库情景)没有增加枯期水量、10—11月流量减少很大；规划水库都蓄水后可增加宜昌枯期流量248亿m3, 但9—11月剧烈减少，中游汛后非常困难.按上述原则调整后，9月流量仍减少(主要是按10月1日开始蓄水，没有优化9月)，枯期总水量比天然增加664亿m3，汛后流量减少局面得到很大程度扭转.
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表 1 长江上游水库调节对非汛期宜昌时段平均径流的影响(亿m3) Tab.1 The effect of upstream regulations on dry season flow discharge |
优化调整不但增加枯期水资源，上游总发电效益反而更好[61]. 14年中年/非汛期平均电量从6404/3757亿kW h/a增加到6582/4347亿kW h/a，增幅2.78 % /15.7 %.主要是三峡和金沙江下游梯级枯期发电量大幅增加，这可提高水电竞争力.防洪方面，上述调整减少了雅砻江、大渡河和金沙江中游防洪库容约70亿m3，金沙江下游7月防洪库容增加84亿m3(总防洪库容203亿m3).在几乎不动用三峡防洪库容条件下，优化后可使宜昌洪水基流明显降低(1998年宜昌洪水流量降低到40000 m3/s左右)(图 7)，三峡更有能力防御更大洪水.同时，三峡动态汛限水位调度还可预泄安全的人造洪峰，改善河湖生态.长江全流域洪水主要发生在7月、主汛期洪量大，汛后流量降低很快.用三峡和金沙江下游水库集中防洪效率更高.后者8月蓄水，既发挥防洪作用也直接减少汛后蓄水量，而且金沙江下游是长江主要产沙区，低汛限水位可减少这些水库淤积.三峡是中游关键防洪水库，需要利用其动库容灵敏性按动态汛限调度[41-42]，预泄安全洪水提高防洪库容和提高下游河道泄洪能力，同时动态汛限调度也可适当提高汛期小流量期坝前水位和减少汛后蓄水[71].今后进一步优化方向是研究上游大型龙头水库转为多年调节.
3.2 水库挖泥修复泥沙通量上游大量水电工程改变了中下游冲积河流基本条件和面貌，长远也影响这些工程的可持续性[3, 5, 72].根据上游规划和三峡等水库排沙情况，目前中下游清水情景至少持续百年以上；当前荆江冲刷仍在加速，冲刷规模还可能很大；而且荆江冲刷是不稳定正反馈过程，冲刷越多，洞庭湖分水越少、冲刷越大；同时水库拦沙彻底改变了长江磷等循环机制，这是当前生态环境主要问题之一[3, 5].因此，当前最积极的措施是通过水库科学挖泥功能性修复泥沙通量[3].
天然宜昌输沙量5亿t/a，功能性修复需要造床粗沙和高含磷细泥合计大约5000万t(3000万t/a粗沙和2000万t/a细泥)[3, 47]，若考虑“引清水入洞庭”则需粗沙量更少(后面介绍).在只有三峡水库情景下，河道型水库分选机制[73-74]决定了两部分挖泥分别可在水库变动回水区和近坝段固定河段，操作比商业挖泥简单[3]，现行挖泥技术和水库条件足以支撑，费用在发电收益2.5 %以内(按8~10元/t公益单价).变动回水区挖粗沙对水库减淤还很显著[75].
金沙江下游四大梯级建成后挖粗沙比较复杂.在乌东德或白鹤滩水库挖沙、长距离漂运和多次过坝，需一套挖沙、过坝和长距离运输系统(最上游水库变动回水区固定河段挖粗沙、大坝上下接力转运和用大型泥驳船通过水库下行漂运和抛掷到三峡坝前).然而，建立这套系统也利于上游水库减淤、消除水库底泥污染累积和工程可持续性.长江泥沙主要来自金沙江下游攀枝花至屏山区间，1991—2005年屏山输沙量仍在增加(2.58亿t/a，其中白鹤滩坝址以上2亿t/a)[76].如果任其淤积，乌东德和白鹤滩水库死库容将在30和60年淤满，百余年后上游水库丧失拦沙能力，三峡将暴露在严重泥沙负荷下，对三峡工程寿命、生态环境和长江安全等危害很大.建立一套固定系统，从现在就开始逐步消除淤积后患是保护长江的需要.在成本方面，估算挖泥和运输仍然不会超过梯级总发电收益2.5 %，这是水电开发必须付出的代价和成本.建议尽快在三峡近坝段和变动回水区挖泥修复泥沙通量、尽快开展上游水库挖粗沙转运系统研究规划.
3.3 加强中下游防洪能力建设长江洪水峰高量大，历史灾害严重，防洪是治理重点.在“蓄泄兼筹、以泄为主”方针下，中游防洪体系主要包括堤防、水库和蓄滞洪区.堤防与河道泄洪能力是防洪的根本，水库削峰和蓄滞洪区消纳超额洪量是防洪的重要保障.现在，三峡等上游水库已初具规模、长江堤防明显加强，但河道泄洪能力低、蓄滞洪区建设严重拖延，三峡防洪调度也存在一些严重问题[62].中下游防洪能力严重不足也是三峡背离防洪原则拦中小洪水和过分依赖上游水库防洪的原因之一.长江委认为三峡建成后再遇1954年洪水，按枝城/城陵矶补偿方案调度中游仍然需要398亿/336亿m3分洪量[48]，作者研究显示现实需要分洪515亿/437亿m3[62].目前城陵矶附近目前只落实100亿m3蓄滞洪区[52]且尚不能使用，荆江等分洪区使用也面临严重困难.蓄滞洪区大量缺口决定了中游在特大洪水面前安全保障不足、被动分洪压力很大和防洪形势严峻.
长江防洪与生态环境保护有直接矛盾.三峡工程规划[48]确定只防荆江特大洪水和相应减轻城陵矶以下防洪压力原则是平衡防洪和生态环境保护的基础.然而，因为防洪能力不足，三峡水库过度拦洪严重降低了下游流量变幅(河流健康主要指标之一)、增加了河道冲刷和降低枯期水位和减少了洞庭湖水量；过度依靠上游水库防洪更加大了水库汛后蓄水压力和中下游径流干旱程度.提高中下游河道防洪能力(关键是完成规划确定的蓄滞洪区建设和保证使用)是协调防洪与生态矛盾的关键.
考虑到当前人口和发展压力，分蓄洪区建设已超出单纯水利范畴，涉及分洪、排涝和安全设施建设，生产、生活、区内全面小康建设和可持续生产保障体系等，必须同时抓社会和能力建设.建议：1)将中游蓄滞洪区作为现代农业发展试点，走跨越式发展道路，按现代农业组织方式改造生产方式和提高生产力，以提高应对分洪和御灾能力；2)通过分洪保险和受保护区反补等措施建立风险分担机制；3)通过优惠政策鼓励资本投入、发展规模化农工商联营和农民土地债权企业；4)推动适应大生产方式的新型城镇化(以高楼社区为主)和基础设施建设；5)支持区内利用水、土和环境优势发展生态农业、生产绿色产品和保护环境.
3.4 加强洞庭湖和鄱阳湖生态适应能力建设实际资料表明，汛后螺山和大通流量降低5000 m3/s，城陵矶和湖口水位分别降低1.4和2.0 m.洞庭湖三口分流受干流水位控制(图 5、7)，1950s—1960s三口年分流1220亿m3(占入湖水量40 %)；2008年后只有489亿m3，而且伏秋锐减和冬季断流，荆江冲刷还会加大幅度.鄱阳湖2003—2009年全年和枯季入湖(五河七口)径流比1956—2002年减少22.7 %和17.3 % [57].干流水位降低和入湖径流减少是当前两湖环境面貌变化的主要原因，受干流上游水库调节严重影响.考虑到上游还有更多大型水库蓄水，伏秋流量减少、河道下切和水位降低趋势严重，目前清水冲刷已超过预期，后续冲刷量还很大，若不全力抑制，两湖前景不堪设想.因此，两湖修复首先需定位于缓解变化影响和增强适应能力.上游工程调整定位和统一优化调度后，9—10月宜昌最小流量可提高3800~5000 m3/s(图 7)(城陵矶和湖口水位提高1.0~1.5 m、两湖面积增加显著).将上游大型龙头水库从季调节变成年调节，作用更大.当前，更迫切需要抑制河道冲刷、摒弃三峡等防洪水库超汛限运行和回归三峡规划确定防大洪水原则、努力增加中游安全大洪水[62]和三口分流等.通过流域优化管理维持伏秋流量和控制河道冲刷是保护两湖生态环境的根本.
两湖是长江重要生态单元，三峡建坝后若再推动两湖建闸隔断江湖将彻底破坏长江的完整性和生境系统，并为防洪、水资源和环境管理设置人为障碍.两湖建闸的核心功能与上游水库群9—10月蓄水滞流完全一致.鄱阳湖建闸“调枯不控洪”方案的核心内容是抬高9—10月水位(0.5~1.5 m)缓解湖区过早干枯、维持冬季湖区一定水位[57].现在长江口10月咸潮和上海饮水安全已成严重关切(图 9).以2006年实际情况为限，保证上海引水，大通10月流量大于15000~18000 m3/s应作为流域工程规划和管理的前提.因此，为保大通流量，国家对“两湖建闸”决策必须慎重.作者建议首先考虑流域水库优化管理，考虑受上游工程影响、两湖生态适应能力必须提高，进一步建议扩大“引清水入洞庭”增加湖区环境流量和水资源和加强鄱阳湖区蓄引水和地下水利用设施建设.
扩大“引清水入洞庭”的主要目标是改善荆江和洞庭湖防洪局面，对改善湖区生态环境、减少荆江冲刷和稳定中游格局也有重要作用[77].天然三口分沙(1.45亿t/a)淤积洞庭湖，三峡清水下泄为扩大入湖水量创造了条件.通过挖深松滋口(并建闸控制洪水)和松滋河整治可将入湖流量恢复到1000亿m3/a(主要增加引汛期中等流量、调节洪水和保证枯季生态流量)，洞庭湖环境面貌和水质可得到根本改善，澧水下游防洪局面也可改善.同时，增加入湖清水分散干流冲刷能量也是抑制荆江冲刷最有效途径之一，对维护荆江防洪安全和中游河湖格局非常重要.这是三峡建成后长江中游最值得考虑的综合补救措施.
鄱阳湖是典型丰水地区.湖区多年平均自产/过境水量234亿/1232亿m3，2030年规划用水105.1亿m3，灌溉需水为主(50 %)、集中在7—9月，城乡生活用水只占8.7 %；湖区供水主要依靠地表水(95 %)，近年水质呈下降趋势(枯季尤其更差)[57]，用比例和缺口很小但水质问题较大.另一方面，入湖五河在湖区分布均匀、水量丰沛，计划新增灌溉面积和用水多集中这些河流尾闾下游，湖湾等蓄水条件优良.湖区工程性缺水问题通过中小工程措施解决更合理、影响更小、前景更大.建议国家支持湖区在入湖河流尾闾地区加强小型蓄引水设施建设、在分散地区抽地下水，形成体系和不断完善下去.这才是统筹流域和保障湖区长远水资源安全的可靠途径.
4 结论依据长江干支流长期实测资料，对近年中下游河川径流、泥沙、河道变化及其对河湖水位、水情和环境面貌的影响和原因进行了分析，主要受上游水利水电工程影响，中下游河川径流、节律和环境面貌已经发生了很大变化，对流域生态环境影响较大，这是长江中下游当前生态环境面临的主要问题之一.修复长江生态环境需要把降低水利水电工程影响作为当前的重点.根据作者等长期研究，提出了通过调整上游工程定位、优化管理调度和必要辅助措施等当前修复和长期维护长江健康径流节律的若干建议.
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