2022, Vol. 34 
(2: 中国水利水电科学研究院, 北京 100038)
(2: China Institute of Water Resources and Hydropower Research, Beijing 100038, P. R. China)
鄱阳湖位于江西省北部，长江中下游南岸，是我国最大的淡水湖泊，在整个长江流域的水资源配置中占有十分重要的地位，并直接控制着鄱阳湖区的工农业生产和城乡居民生活用水. 鄱阳湖区是我国著名的鱼米之乡，也是我国重要的产粮基地之一. 根据本研究对象特点，其范围是直接以鄱阳湖为灌溉水源的区域，主要分布于南昌市、九江市和上饶市[1]，满足环湖农田灌溉需求是保障鄱阳湖区水资源安全、粮食安全的必要条件.
鄱阳湖具有“高水是湖，低水似河，洪水一片，枯水一线”的典型特征，且降雨时空分布不均，湖区水位变幅大，而环湖区农业灌溉设施落后，灌溉取水能力很大程度上取决于湖区水位，当湖区处于低水位时，灌溉取水量小于作物需水量，因而存在枯季缺水的问题. 尤其是自2003年以来，在区域气候变化[2]、土地覆盖变化[3]、长江干流河槽冲刷[4-5]、三峡及长江上游控制性水库群兴利蓄水[6-7]及湖盆形态变化[8]的叠加作用下，湖区枯季水位呈现显著下降的趋势[9-10]，枯水期延长、水位提前消落，这直接导致鄱阳湖环湖灌区枯季缺水日益严重，阻碍当地的经济和社会发展.
为应对当前鄱阳湖枯水形势下产生的一系列生态环境问题和包括灌溉在内的民生问题，国内外专家学者主要提出了以下几条对策：(1)合理规划鄱阳湖流域及长江上游水库群蓄水运行方案，增加汛后下泄水量[11]；(2)严格鄱阳湖区人工采砂管理制度，严禁非法采砂，同时适当填砂进行湖床修复[12]；(3)严格鄱阳湖区水资源管理制度，禁止超采、浪费[13]；(4)加强农业节水灌溉工程建设，提升水源工程取水能力[14]；(5)在鄱阳湖入江水道长岭-屏峰山湖段兴建鄱阳湖水利枢纽工程以抬高枯水期湖泊水位，减少湖口出流，采取“调枯不调洪”的运行调度方案[15]，该方案不仅可以解决环湖灌区缺水问题，而且可以实现生态保护、城乡供水、改善湖区航运条件、枯水期为下游补水等多个目标. 然而，目前国内外对于建设鄱阳湖水利枢纽工程仍然存在较大争议，如Zhang等[16]认为修建鄱阳湖水利枢纽工程需要在更广泛的湖泊监测数据基础上进一步考虑其长远影响；周建军等[17]研究指出建设鄱阳湖水利枢纽工程不仅严重影响鄱阳湖区的生态环境及生物多样性，而且会造成潮流界和潮区界上移，影响下游及长江口供水安全.
因此，本文选择鄱阳湖枯水导致的环湖灌溉缺水问题进行分析，重新评估环湖灌区枯季缺水状况并探究切实可行的解决措施. 评估灌区缺水状况最直接的指标就是灌区缺水量. 灌区缺水量分析的基本原则为水量平衡原理，即缺水量等于供需水量之差，大体上可分为两类：其一是建立灌区水资源配置模型，模型可采用不同算法，如粟晓玲等[18]采用人工鱼群算法和粒子群算法预测了陕西省渠井灌区枯水年的缺水量，陈红光等[19]构建区间两阶段鲁棒优化模型计算了黑龙江省牡丹江灌区不同来水流量下的缺水量，万小庆等[20]基于现有水资源配置方案计算了鄱阳湖环湖灌区缺水量；其二是根据灌区历史资料采用概率分布函数拟合各种来水状况，即可得到不同来水状况下的灌区缺水量，如戴士岚[21]采用P-Ⅲ分布计算了江苏省南京市六合区山湖-河王坝水库灌区的缺水量.
以往研究虽已提出了灌区缺水量的分析方法，但鲜有针对鄱阳湖灌区的缺水量分析，并且将缺水量与应对措施联系起来进行探讨的研究较少. 本文采用水位保证率分析、代表水文年、M-K趋势检验、K-S检验、多元线性回归等方法，推算环湖灌区缺水量，通过建立灌区缺水量变化与长江干流流量变化的量化关系初步探讨其应对措施. 本研究弥补了以往对鄱阳湖环湖灌区枯季缺水状况量化研究的不足，并引入了灌区缺水量变化与长江干流流量变化的量化关系，从定量的角度探讨了相应措施的可行性，研究结果可为长江流域水资源优化配置、相关水利枢纽工程优化调度运行方案等提供参考.
1 研究区域概况鄱阳湖环湖灌区由取水受湖泊水位影响的农田组成，多年平均降雨量为1542 mm，多年平均蒸发量为800~1100 mm，属于江西省降雨低值区和蒸发高值区，年平均风速为2~3 m/s，年平均气温为17.6℃，年均日照时数达2000 h以上，无霜期达275 d，土壤质地松软，有机质含量丰富，农田灌溉水利用系数为0.45~0.50[1, 22]. 环湖灌区有效灌溉面积20.61万hm2，其中包括水田16.56万hm2，水浇地4.05万hm2，主要分布于滨湖平原及“五河”尾闾(图 1). “五河”尾闾范围为“五河”七口控制性水文站(赣江外洲站、抚河李家渡站、信江梅港站、饶河虎山站、修水虬津站、潦河万家埠站、昌江渡峰坑站，图 1)以下至湖盆区，该区域灌区取水受到湖泊水位影响的程度小于滨湖平原区. 对于不同季节，灌区的主要灌溉对象也不同，春季主要灌溉早稻和棉花，夏季主要灌溉花生、芝麻等油料作物，秋季主要灌溉晚稻和油菜，冬季由于气温低，大部分作物不适宜生长，需水较少，但仍有一些豆类及蔬菜大棚需要灌溉. 近年来鄱阳湖湖区枯季水位持续偏低，已导致灌区发生多次秋冬连旱，影响作物产量.
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图 1 鄱阳湖水系及环湖灌区分布 (数据来源于中国科学院计算机网络信息中心地理空间数据云平台http://www.gscloud.cn) Fig.1 Lake Poyang system and the distribution of irrigation areas around the lake (The data set is provided by Geospatial Data Cloud site, Computer Network Information Center, Chinese Academy of Sciences. http://www.gscloud.cn) |
1953—2018年星子水位数据采自江西省水文局星子站实测黄海基面月平均水位资料，将其转换为吴淞基准面(下文中除特殊说明外，水位统一采用此基准面)；湖泊容积选用基于2010年鄱阳湖基础地理测量成果汇编的星子站4~21 m水位对应的数据[24] (1985国家高程基准面)，并将其转换为吴淞基准面水位对应的湖泊容积，用于回归分析获得各水位对应的湖泊容积；2003—2018年湖口站、汉口站月均径流量资料由长江泥沙公报的月径流总量换算获得，用于湖口站及汉口站流量调节分析.
2.2 研究方法本文从湖泊水位入手，采用多种概率分布拟合水位时间序列推求其理论分布，进行水位保证率分析，得到不同保证率下的水位，在此基础上分析灌区缺水量并建立缺水量变化与长江干流流量变化关系，量化相应措施的可行性. 具体步骤为：①利用水位保证率分析结果，采用代表水文年法推算灌区需水量，根据水位-供水能力关系确定灌区可供水量，得到灌区缺水量；②在满足灌区灌溉用水需求的情况下(即某一保证率标准下缺水量为0，供水量等于需水量)，利用水位-湖泊容积关系得到湖泊蓄水量；③湖泊蓄水量变化由“五河”入流和湖口出流引起，采用M-K趋势检验分析二者变化趋势，按最不利原则考虑，可由水量平衡原理得到湖口出流变化；④采用多元线性回归建立“五河”来流和长江来水共同影响下的湖口出流变化关系，得到不同“五河”来流情景下长江干流流量变化.
2.2.1 水位保证率分析由于三峡工程的建设改变了长江流域的天然水文过程及江湖关系[25]，因此以三峡工程2003年一期蓄水为时间节点，对三峡建设前系列(1953—2002年) 及全系列(1953—2018年)星子水位数据分别进行统计分析，以确定三峡工程对湖泊枯季水位的影响. 本文参照闵骞等[26]依据湖泊水位提出的鄱阳湖枯水划分标准对鄱阳湖水文节律进行划分，同时考虑到近年来鄱阳湖枯水期提前，旱情主要发生在9月至翌年2月，故将本次枯季计算时段定为9月至翌年2月.
由于1953—2002年和1953—2018年星子站年均水位序列和枯季9月至翌年2月月均水位序列服从的总体概率分布未知，本研究选取Wakeby、对数正态、Gamma、Gumbel、广义极值(GEV)、Weibull、P-Ⅲ、对数逻辑、广义Pareto、广义逻辑、对数P-Ⅲ分布11种概率分布作为备选线型，分别对星子水位数据进行拟合. 采用线性矩法估计各概率分布线型的参数，再利用假设检验中的K-S检验统计量进行拟合优度评价，选出拟合最优线型[27]，将该线型的拟合结果作为本研究的水位保证率分析结果. 拟合结果中的概率百分数即为本研究中的水位保证率p %，其意义是大于或等于某一水位的情况在长时期内平均100年可能发生p次[28]，因此保证率越高水位越低. 各拟合线型的概率密度函数或概率分布函数表达式见附表Ⅰ.
2.2.2 缺水量分析环湖灌区缺水量分析包括供水量分析和需水量分析. 具体过程如下：
需水量分析可选用代表水文年法[28]，对于给定的保证率p，其相应的年平均水位为Hp，在年均水位时间序列{H1, H2, H3, …，Hn}中选择与Hp最相近的年份作为代表水文年，以该年份的灌溉定额作为需水量计算的基准，则有：
| $ W{D_p} = W{D_r}\frac{{{S_y}}}{{{S_r}}} $ | (1) |
式中，WDp为保证率p下的灌区年需水量(m3)，WDr为代表水文年的灌区年需水量(m3)，Sy为灌区现状有效灌溉面积(hm2)，Sr为代表水文年灌区有效灌溉面积(hm2).
保证率p下的灌区枯季各月需水量可根据多年平均灌溉水量年内分配情况(图 2)[23]按式(2)推算：
| $ W{D_{pm}} = W{D_p} \cdot R $ | (2) |
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图 2 环湖灌区多年平均灌溉水量年内分配[23] Fig.2 The inner year distribution of mean annual irrigation quantity in irrigation area around Lake Poyang[23] |
式中，WDpm为保证率p下的灌区枯季各月需水量(m3)，R为各月灌溉水量占年灌溉水量的比例.
相同水位下，供水量与灌区灌溉设施供水能力息息相关. 对比近年来发表的相关文献[23, 29-30]中环湖灌溉取水设施的底板高程或最低取水位数据，环湖灌溉设施供水能力并无显著变化. 因此，供水量分析可在上文水位保证率分析的基础上采用徐卫红等[31]通过实地调研得出的星子站水位与环湖灌溉设施供水能力关系数据，则有：
| $ W{S_{pm}} = {f_1}\left( {{H_{pm}}} \right) = \left\{ \begin{array}{l} \;\;\;\;10275\;{H_{pm}} - 82221\left( {9{\rm{月}}} \right)\\ \;\;\;6538.5\;{H_{pm}} - 52322\left( {10{\rm{月}}} \right)\\ 186.96\;{H_{pm}} - 1496.6\left( {11-12{\rm{月}}} \right)\\ \;\;140.07\;{H_{pm}} - 1120.9\left( {1-2{\rm{月}}} \right) \end{array} \right. $ | (3) |
式中，WSpm为保证率p下的灌区枯季各月供水量(万m3)，f1为供水能力与星子站水位函数关系，Hpm为保证率p下的枯季各月月均水位(m).
缺水量为供需水量之差：
| $ L{W_{pm}} = \left\{ \begin{array}{l} 0\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\left( {\;W{D_{pm}} - W{S_{pm}}} \right) < 0\\ W{D_{pm}} - W{S_{pm}}\;\;\;\;\left( {W{D_{pm}} - W{S_{pm}}} \right) \ge 0\;{\rm{ }} \end{array} \right. $ | (4) |
式中，LWpm为保证率p下的枯季各月缺水量(m3).
2.2.3 Mann-Kendall方法Mann-Kendall(M-K)趋势检验法是用于检测时间序列中显著性趋势的非参数检验方法之一，目前已广泛用于水文数据的趋势性检验[32]. Mann-Kendall趋势检验不受数据实际分布的影响，与参数检验方法相比不受异常值的干扰，具有适用范围广、人为性少和定量化程度高的优点.
2.2.4 对策研究参考相关文献中的星子站水位-湖泊容积数据[24]，对星子站水位-湖泊容积进行回归分析，得到拟合公式，再根据水量平衡原理定量分析水资源供需平衡时长江干流流量. 具体步骤如下：
利用水位-湖泊容积数据得到拟合公式(5)：
| $ {V_{pm}} = {f_2}\left( {{H_{pm}}} \right) $ | (5) |
式中，Vpm为保证率为p的水位对应的湖泊容积(m3)，f2为水位-湖泊容积函数关系. 定义湖泊调蓄水量为环湖灌区水资源供需达到临界平衡时需要从外界补足的水量，若某一保证率标准下的湖泊容积大于临界平衡时的湖泊容积，则无需从外界补足水量，湖泊调蓄水量为0；反之则为湖泊容积之差，可按式(6)、(7)求得：
| $ {V_{sm}} = {f_2}\left( {f_1^{ - 1}\left( {W{D_{pm}}} \right)} \right) $ | (6) |
| $ {V_w} = \left\{ \begin{array}{l} 0\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\left( {{V_{sm}} - {V_{pm}}} \right) < 0\\ {V_{sm}} - {V_{pm}}\;\;\;\;\left( {{V_{sm}} - {V_{pm}}} \right) \ge 0 \end{array} \right. $ | (7) |
式中，Vsm为灌区水资源供需平衡时对应的湖泊容积(m3)，Vw为湖泊调蓄水量(m3).
根据水量平衡原理，得到式(8)、(9)：
| $ {V_w} = - \left( {\Delta {Q_{湖口}} - \Delta {Q_{五河}}} \right)t $ | (8) |
| $ Q_{湖口}^{'} = {Q_{湖口}} + \Delta {Q_{湖口}} $ | (9) |
式中，ΔQ五河为“五河”入湖月均流量变化量(m3/s)，ΔQ湖口为湖口月均流量变化量(m3/s)，Q湖口′为调节后湖口月均径流(m3/s)，Q湖口为湖口站月均径流量(m3/s)，t为时间(s).
长江干流水文站中九江站最接近鄱阳湖口，但考虑到近年来在海平面上升作用下[33]枯季长江潮区界已上移至九江附近[34]，九江站流量已不能准确反映长江干流水情. 汉口站位于武汉市附近，汉江与长江干流交汇口处，能够较好地反映长江干流水文情势，故以汉口站流量代表长江干流流量，对调节长江干流流量以减少湖口出流进行定量分析. 由于湖口出流量取决于长江和鄱阳湖相互作用的相对强弱程度，可直接以流量变化量表征，则有式(10)、(11)：
| $ \Delta {Q_{湖口}} = {f_3}\left( {\Delta {Q_{汉口}}, \Delta {Q_{五河}}} \right) $ | (10) |
| $ Q_{汉口}^{'} = {Q_{汉口}} + \Delta {Q_{汉口}} $ | (11) |
式中，ΔQ汉口为汉口站流量变化量(m3/s)，f3为函数关系，Q汉口′为调节后汉口站月均径流量(m3/s).
3 结果和讨论 3.1 水位保证率分析结果选取Wakeby、对数正态、Gamma等11种概率分布对星子水位系列进行拟合，并采用K-S检验评价拟合优度，得到各分布线型的参数估计结果(附表Ⅱ、附表Ⅲ)和K-S检验结果(表 1). 将K-S检验统计量按照大小顺序排列，最小值对应的概率分布拟合最优，最大值对应的概率分布拟合最差. 总体而言，拟合数据系列较好的概率分布为Wakeby分布和广义极值分布. 对于年均水位序列，Wakeby分布拟合更优；对于月均水位序列，9、10和1月Wakeby分布拟合更优，11、12和2月广义极值分布拟合更优. 但是，在11、12和2月月均水位序列中，比较Wakeby分布和广义极值分布K-S检验统计量的差值均小于0.01，为保持数据系列拟合概率分布的一致性，可认为月均水位序列整体服从Wakeby分布. 因此，选择Wakeby分布作为拟合最优理论分布进行水位保证率计算，得到不同保证率下的年均水位和枯季月均水位. 显著性水平为0.05，1953—2002年水位系列临界值为0.1884，1953—2018年水位系列临界值为0.1644.
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表 1 各概率分布的K-S检验结果1) Tab. 1 K-S test results for each probability distribution |
根据参数估计结果计算得到各系列的风险函数(Survival Function)，绘于海森概率格纸上，即为1953—2002和1953—2018年两个系列不同保证率下的星子年均水位(图 3)和枯季月均水位(图 4). 相比1953—2002年，1953—2018年水位-保证率关系曲线均出现了不同程度的下移，各个保证率对应的水位总体而言表现出下降的趋势，90 % 保证率下的年均水位和枯季9月至翌年2月月均水位分别下降了0.35、0.69、0.86、0.55、0.14、0、0.09 m，降幅分别为2.8 %、5.2 %、7.0 %、5.4 %、1.7 %、0 %、1.2 %. 由此可见，将三峡运行后时期纳入分析范围后，湖区枯季9—11月水位显著下降，这可能是受到三峡及其上游控制性水库群汛末大量蓄水及人工采砂导致的湖盆形态变化[35-36]的影响. 其他月份虽然下降不显著，但仅增加2003—2018年16年数据相对于整体分布而言样本数较少，其实际变化幅度必然大于该结果，如游中琼等[37]直接比较了1956—2002年与2003—2018年鄱阳湖湖区各站枯水期水位差，发现鄱阳湖枯水期水位显著降低.
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图 3 星子站年均水位拟合效果 Fig.3 Curve fitting of mean annual water level at Xingzi Station |
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图 4 星子站枯季月均水位拟合效果 Fig.4 Curve fitting of mean monthly water level at Xingzi Station in dry season |
显然，2003年后鄱阳湖的水文情势发生了急剧变化，分析环湖灌区缺水现状需考虑2003年三峡运行后对湖区水位的影响，故本文以1953—2018年水位分析结果为基础，计算环湖灌区缺水量.
环湖灌溉缺水的本质在于湖区水位过低致使灌溉工程设施无法按需取水，而水位保证率系指长时期内水位大于等于某个值的概率，那么在某一水位保证率下，使得环湖灌溉水量达到供需平衡临界时，只要水位大于该保证率对应的水位特征值就能保障灌区用水. 因此，上文分析得到的水位保证率即为灌溉设计保证率. 按照《灌溉与排水工程设计标准》(GB 50288—2018)[38]，鄱阳湖环湖灌区位于湿润地区，同时存在地面灌溉和喷微灌等不同灌溉方式，作物种类多样，其灌溉设计保证率应为85 % ~95 %，故本文以90 % 保证率作为设计标准. 将90 % 保证率下的星子站年均水位与2003—2018年星子站实测年均水位进行对比(图 5)，确定2018年为代表水文年，以该年的灌溉定额作为需水量计算依据，则按式(1)、(2)计算得到的环湖灌区枯季9月至翌年2月的需水量分别为6.94亿、4.35亿、0.6亿、0.6亿、0.56亿、0.27亿m3. 根据环湖灌区农业灌溉设施供水能力与星子站水位关系，将90 % 保证率下的枯季各月水位转换为可供水量，按公式(3)计算，得到枯季9月至翌年2月的供水量分别为4.68亿、2.23亿、0.03亿、0.02亿、0.01亿、0.01亿m3，则缺水量分别为2.26亿、2.12亿、0.57亿、0.58亿、0.55亿、0.25亿m3.
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图 5 2003—2018年星子站年均水位 Fig.5 Mean annual water level at Xingzi Station from 2003 to 2018 |
环湖灌区缺水是湖区水位过低所致，故在枯季抬高湖区水位即可满足需求. 然而，湖区水位受到“五河”来流和湖口出流的双重影响，因此有必要对近年来鄱阳湖流域枯季出入湖径流变化进行探讨. 鄱阳湖为一吞吐型湖泊，其湖盆汇集“五河”流域来水和区间来水后由湖口注入长江. 鄱阳湖流域枯季出入湖径流变化特征(图 6)包括入湖径流变化和出湖径流变化. 入湖径流为“五河”七口入湖控制站及未控区间来流之和，出湖径流为湖口站径流量，其中未控区间来流可采用面积比拟法，即以“五河”七口站同期流量为参照，按集水面积之比推算，面积比可取0.19[39]. 考虑到“五河”流域和滨湖未控区间的下垫面条件不同，具体计算时还需要比较二者间径流系数的差异，在面积比的基础上乘以径流系数比. 参考相关研究[40-41]，“五河”流域多年平均径流系数为0.568，未控区间多年平均径流系数为0.4，则径流系数比为0.7.
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图 6 鄱阳湖流域枯季出入湖径流变化特征 Fig.6 Variation of runoff in and out of Lake Poyang Basin in dry season |
总体而言，2003—2018年枯季各月入湖径流量小于湖口出湖径流量，这表明鄱阳湖枯季水资源量处于流失状态，其中9—10月份水资源外流最为严重，出湖流量与入湖流量差9月份最大达到5695 m3/s，10月份最大达到3147 m3/s. 此外，枯季11月至翌年2月的出湖流量变化过程与入湖流量变化过程相近，而9—10月二者具有较大差异，这可能是由于9—10月长江水位较高，长江对鄱阳湖出流的影响在9—10月更加显著.
采用Mann-Kendall法分析枯季入湖径流和出湖径流的变化趋势(图 7)，显著性水平α取0.05. 9—12月入湖径流均呈现上升趋势，1月入湖径流在2003—2011年呈现下降趋势，在2012—2018年呈现上升趋势，2月入湖径流呈现波动稳定的状态. 9月、11月和12月出湖径流均呈现上升趋势，10月和2月出湖径流呈现波动稳定的状态，1月出湖径流在2003—2012年呈现下降趋势，在2013—2018年呈现上升趋势，与入湖径流变化趋势相似. 总体而言，鄱阳湖流域枯季入湖径流与出湖径流均呈现上升趋势.
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图 7 鄱阳湖流域枯季出入湖径流趋势分析 Fig.7 Trend analysis of runoff in and out of Lake Poyang Basin in dry season |
由于鄱阳湖流域枯季入湖径流与出湖径流均呈现上升趋势，假定水下地形条件不变，入湖径流的增加有助于湖泊水位的上涨，而湖口出湖径流的增加则不利于湖泊水量的蓄存，针对本文所研究的问题，只考虑不利于环湖灌区用水的要素，可认为增加的湖泊调蓄水量全部由湖口补给，以满足环湖灌区用水需求，则式(8)变为：
| $ {\mathit{V}_\mathit{w}} = \Delta {Q_{湖口}} \cdot t $ | (12) |
根据2010年鄱阳湖基础地理测量成果汇编的星子站4~21 m水位对应的数据[24] (1985国家高程基准面)，经过基面转换及多项式拟合得到吴淞基准面下水位-湖泊容积关系(图 8). 鉴于鄱阳湖复杂的地形特征及其与长江间特殊的江湖关系，水位-湖容曲线在9—10月和11—2月间表现出不同的特性. 当湖区水位较高时(星子站水位≥15 m)，两个时段对应的水位-湖容关系相近，湖区水位较低时(星子站水位 < 15 m)，两个时段对应的水位-湖容关系有所差异，其原因在于，相比11—2月，9—10月长江水位较高，鄱阳湖湖区受到长江来水顶托的影响较大，湖区将容留更多水量，故同水位时9—10月对应的湖泊容积往往大于11—2月，且低水位时这种差异更加显著. 可见，水位-湖泊容积关系曲线从某种程度上也反映了鄱阳湖与长江间的相互作用状态. 因此，本文按照9—10月、11—2月两个计算时段拟合的不同公式估算90 % 保证率下枯季各月水位相应的湖泊容积.
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图 8 星子站水位与鄱阳湖容积关系 (数据取自文献[24]) Fig.8 The relationship between water level at Xingzi Station and Lake Poyang storage (Data from the literature[24]) |
根据90 % 保证率下的枯季9月至翌年2月水位结果(图 4)、拟合的水位-湖泊容积函数关系(表 2)及公式(6)~(7)计算获得90 % 保证率下的枯季9月至翌年2月湖泊调蓄水量分别为42.09亿、53.27亿、41.53亿、41.85亿、41.88亿、41.82亿m3. 枯季各月中，除10月湖泊调蓄水量偏大外，其他月份湖泊调蓄水量相近.
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表 2 不同时段水位-鄱阳湖容积关系公式* Tab. 2 The regression formula of water level at Xingzi Station and Lake Poyang storage during different periods |
依据长江干流与鄱阳湖相互作用的相对强弱，湖口站径流量分别受到长江干流来水的倒灌、顶托和拉空影响，因此可通过调节长江干流流量来达到减少湖口出流的目的. 为定量分析满足环湖灌区需水时的长江下泄流量，以“五河”入湖流量变化量表征鄱阳湖作用强度[42]，以汉口站流量变化量表征长江作用强度[43]，建立多元线性回归模型[44]分析二者综合作用下的湖口出流规律，并采用2003—2018年枯季“五河”入湖流量、汉口流量和湖口流量数据率定模型参数，得到枯季9—10月、11月至翌年2月两个不同时段的湖口出流量变化与“五河”来水变化、长江来水变化关系(表 3)，复相关系数均在0.9以上，且都通过了0.05水平的F显著性检验，为显著相关.
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表 3 “五河”来水及长江来水变化下的枯季湖口出流变化 Tab. 3 Variation of outflow at Hukou Station in dry season dominated by the change of runoff of the 'Five Rivers' and Changjiang River |
利用90 % 保证率下枯季各月湖泊调蓄水量结果及公式(9)、(12)可得到调节后的湖口枯季各月径流总量及平均径流量(图 9)，这意味着控制枯季各月湖口出流总量或平均流量不超过图 9中的流量值即可满足环湖灌区的水资源需求. 因此，湖口站枯季9月至翌年2月的月均流量上限分别为2030.14、1129.62、1069.54、1058.3、912.83和1147.69 m3/s.
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图 9 调节后鄱阳湖湖口站枯季径流量 Fig.9 Dry season runoff at Hukou Station of Lake Poyang after regulation |
湖口出流受到“五河”来水和长江来水的双重影响，要得到灌区水量供需平衡时长江干流流量，需假定“五河”来水增加20 %、增加10 %、不变、减少10 % 和减少20 % 的5种不同情景，根据调节后湖口枯季各月径流总量及平均径流量(图 9)、湖口枯季出流变化规律(表 3)及公式(11)可模拟得到5种情景下的汉口站枯季各月月均径流调节分析结果(表 4). 各情景中，将模拟所得结果与汉口站实测2003—2019年枯季各月平均流量相比，排除模型无解和流量值为负的情况，只有情景4下的9月和情景5下的9—10月存在合理的汉口流量调节结果，这表明枯季9月至翌年2月中，只有9—10月可通过三峡及其上游控制性水库群调节长江干流流量抑制湖口出流以满足环湖灌区水资源需求，11月至翌年2月无论在何种情景下均无法通过调节长江干流流量使湖盆蓄存足够的水量. 关于这一点，许继军等[11]研究认为三峡工程汛末蓄水期10—11月减泄流量对鄱阳湖的影响最大，其他时期影响较小；丁惠君等[14]认为三峡工程运行对环湖灌溉影响期主要为10月份；吴培军等[15]认为三峡及长江上游干支流水库群9—11月蓄水加剧了鄱阳湖枯季缺水状况，而1—3月补水作用较小；要威等[45]认为通过改变长江上游水库群调度运行方式无法缓解鄱阳湖枯水情势. 上述研究均表明通过人工调节长江干流流量只能在汛末蓄水期对鄱阳湖起到一定作用，其他时期基本没有影响，与本研究结果相似，不同之处在于本研究通过计算量化了调节长江干流流量的可行性. 此外，本研究得到的可调节时段为9—10月，这可能是因为计入了“五河”来水变化对湖口出流变化的影响，且三峡水库汛末蓄水时间也发生了变化(之前为10—11月).
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表 4 5种不同情景下汉口站径流调节分析结果* Tab. 4 Analysis on runoff regulation at Hankou Station under five different scenarios |
然而，即使在汛末蓄水期，若通过三峡及其上游控制性水库群调节长江干流流量以满足环湖灌区缺水，要考虑其对于整个长江中下游及长江河口的影响；若考虑鄱阳湖流域上游水库调度运行方案，以9月为例，仅从水资源量角度来看，鄱阳湖流域主要7座大型水库(江口水库、万安水库、峡江水库、廖坊水库、洪门水库、大坳水库、柘林水库)的总增泄水量[46]可达42.55亿m3，已经超过了9月湖泊调蓄水量，无需再调节长江干流流量. 然而，如此大的“五河”增泄水量势必导致湖口出流加快，实际上增泄的水量无法全部蓄存于湖盆中，这将削弱鄱阳湖流域上游水库的水量调节作用，况且该举措会对水库的正常运用产生不利影响. 因此，要从根本上解决环湖灌区枯季缺水问题，需在合理规划相协调的长江及鄱阳湖流域上游水库联合调度运行方案的基础上进行进一步论证. 目前，由众多学者提出的建设鄱阳湖水利枢纽工程能在枯季显著抬高湖泊水位[47]，虽然或许会引起一些生态环境方面的不利影响[17]，但仍不失为行之有效的解决措施.
本研究基于一些假定和简化条件，存在一定的不确定性，主要包括以下几点：(1)鉴于三峡工程于2003年蓄水运行，相对于整个1953—2018年实测水文数据系列较晚，故本文水位保证率分析结果可能受到气候周期性变化的影响[48]；(2)在分析鄱阳湖流域枯季出入湖径流变化特征时，对湖区未控区间径流采用面积比拟法处理，该方法假定流域降雨均匀分布；(3) 在分析通过调节长江干流流量给环湖灌区补水的可行性时，由于枯季入湖径流呈增加趋势，按最不利原则考虑，忽略了该部分，认为湖泊水位容积变化全部由出湖径流引起，且未考虑湖床冲淤和人工采砂导致的湖盆形态变化的影响. 在今后的研究中，应进一步考虑这些影响，以期为鄱阳湖区水资源优化调度、水资源管理等提供参考.
4 结论近年来，鄱阳湖枯水位下降导致了一系列生态环境和民生问题，本文在诸多问题中选择环湖灌溉缺水进行分析，重新评估环湖灌区枯季缺水状况，并初步探讨其应对方案，主要得到如下结论：
1) 自2003年以来，鄱阳湖枯季9月至翌年2月湖区水位发生不同程度下降，尤以9—11月最为显著，90 % 保证率下水位降幅分别为5.2 %、7.0 %、5.4 %.
2) 采用代表水文年法估算90 % 保证率下鄱阳湖环湖灌区枯季9月至翌年2月的缺水量分别为2.26亿、2.12亿、0.57亿、0.58亿、0.55亿、0.25亿m3.
3) 环湖灌区水资源供需临界平衡时，湖口枯季9月至翌年2月月均流量分别为2030.14、1129.62、1069.54、1058.3、912.83、1147.69 m3/s.
4) 讨论长江中上游水利工程优化调度等方案，发现只有9—10月可通过调节长江干流流量满足灌区用水需求，且必须是在“五河”来水减少的情况下. 受限于这些条件，调节长江来水并非治本之策，目前仍需采取其他更为有效的手段以恢复鄱阳湖的水位及其过程.
5 附录附表Ⅰ~Ⅲ见电子版(DOI: 10.18307/2022.0220).
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附表Ⅰ 各拟合线型的概率密度函数或概率分布函数 Attached Tab.Ⅰ The distribution (or density) function of each probability distribution |
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附表Ⅱ 1953-2002系列各概率分布拟合的参数估计结果 Attached Tab.Ⅱ Parameter estimation results for each probability distribution fitted to the 1953-2002 series |
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附表Ⅲ 1953-2018系列各概率分布拟合的参数估计结果 Attached Tab.Ⅲ Parameter estimation results for each probability distribution fitted to the 1953-2018 series |
致谢: 感谢胡浩博士在论文修改方面提供的帮助.
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