烏倫古湖咸水倒灌原因及緩解條件分析

趙 沖，李國強，諸葛亦斯，余 曉

(1.三峽大學水利與環境學院，湖北 宜昌 443002 ；2，華東勘測設計研究院，杭州 310014；3.中國水利水電科學研究院，北京 100048)

0 引 言

湖泊倒灌是發生在湖泊與周圍水體交匯處的一種物理過程，多指湖泊水體從歷史水位較低的區域流向水位較高的區域，會對湖泊水動力和水環境帶來嚴重影響或干擾[1,2]。目前國內研究長江倒灌鄱陽湖的有很多，唐昌新[3]提出用零界流量來識別湖泊倒灌；胡春華[4]研究了長江倒灌鄱陽湖的強度的三個階段, 在江湖泊倒灌問題上取得了不錯成果。烏倫古湖位于新疆福海縣境內，分為大小不等的兩個湖泊，小湖水位較高且礦化度較大湖低很多。正常情況下，小湖湖水流向大湖，兩湖生境能夠維持健康。湖泊修建了補水和攔河閘工程后，在湖區出現了逆向湖流，大湖高礦化度的湖水開始不斷倒灌流入小湖，使得小湖礦化度劇增，湖水迅速從淡水湖轉變為咸水湖。這種湖泊內部倒灌與江湖間倒灌的機制不盡相同，對湖泊健康危害較大且研究相對較少，需要更多的研究。因此，以烏倫古湖倒灌問題為研究背景，從湖泊水動力角度解釋湖泊倒灌的成因，依靠數值模擬的手段探究倒灌發生的條件和特點，并對烏倫古湖的攔河閘和補水工程提出一些優化建議。

1 湖泊概況及問題描述

1.1 湖泊概況

烏倫古湖位于新疆西北部，是兩組斷層塌陷后形成的湖泊，也是烏倫古河的尾閭湖泊。目前，湖泊面積約1 000 km2，主要由吉利湖(小湖)和布倫托海(大湖)兩個水域組成。吉利湖位于湖泊東南部，平均水深9.9 m，最大水深14.7 m，面積約167 km2；布倫托海位于湖泊西北部，平均水深8 m，最大水深12.8 m，面積約830 km2。天然狀況下，烏倫古河來流進入吉利湖，經過長約7 km的庫依爾尕河(近似為NW走向，以下簡稱庫河)，匯入布倫托海，見圖1。

圖1 烏倫古湖示意圖Fig.1 Schematic view of Wulungu Lake

湖區水質清澈，面積廣闊，湖周蘆葦叢生，濕地遍布，是良好的棲息場所。據統計，湖區生活著天鵝、黑頸鶴、鷺鷥、海鷗等47種名貴鳥類和東方歐鳊、梭鱸銀鯽、丁鱸、貝加爾雅羅魚等29種稀有魚類，是新疆重要的漁業基地，具有十分重要的生態保護意義。

1.2 咸水倒灌問題描述及危害

大型湖泊由于空間分布廣闊，水環境質量在空間上分布差異很大[5]。烏倫古湖兩湖的礦化度差異很大，布倫托海礦化度為2～3 g/L，屬于微咸水湖泊，吉利湖礦化度小于0.5 g/L，為淡水湖泊。1970以后，為了緩解氣候變暖和人類活動造成烏倫古河入湖水量銳減、湖泊萎縮等問題[6]，分別在布倫托海和庫河建造了補水工程、攔河工程。由于缺乏科學的管理方案，湖泊面積恢復的同時布倫托海的咸水也開始倒灌吉利湖。多年來，吉力湖礦化度一直呈上升趨勢(見表1)，但根據程艷的研究，繼1987年以后，在水量不足和咸水倒灌的雙重作用下，吉湖礦化度快速升高[7]；2000年以后，吉力湖水位穩定在482 m左右，但倒灌仍然使吉力湖礦化度保持很高的增長水平。

表1 不同年份吉力湖礦化度Tab.1 Mineralization degree of Jili Lake in different years

在水體礦化度為2～3 g/L時，家魚性腺成熟、宇卵受精率和孵化率都較差，淡水魚難以自然繁殖[8,9]。目前，烏倫古湖僅吉力湖礦化度在2 g/L以下，能為湖區淡水魚類提供良好的繁衍和棲息場所。而布倫托海咸水倒灌，加速了吉力湖的咸化進程，會使湖區銀鯉魚和白斑狗魚數量減少，東方真鳊魚的繁殖能力下降[8]，對湖泊的優勢魚種形成一定選擇性，破壞湖泊的原有生物結構。

1.3 湖泊咸水倒灌成因分析

湖泊的水動力決定了湖泊物質遷移轉化和生境演變[10,11]，主導著湖泊的水體運動。水位、風和徑流能為湖泊水體運動提供主要的驅動力。不同區域間的水位差異會引起湖泊水面的傾斜，驅使水體流動；在大型寬淺湖泊，風是湖泊水體流動的主要驅動力[12],決定了湖泊的湖流形態、環流結構以及流速大小[12,13]；徑流入湖會產生吞吐流，在出入流量較大的湖口地區影響明顯[11]。

烏倫古湖主導風向為NW，多年平均風速大小為2.58 m/s，在風驅動力作用下，會推動湖泊大部分水體向東南方流動，在庫河形成與正常流向(吉力湖流向布倫托海)方向完全相反的倒灌湖流。而在1950-1969年間，吉利湖湖區水位比布倫托海高出2～4 m(見圖2)，這種天然水位差會使庫河水面向布倫托海傾斜，在水體重力作用下，庫河會形成從吉利湖流向托海的正常湖流。當兩湖水位差較大時，重力作用產生的正常湖流能夠有效壓制風生流產生的倒灌湖流，庫河水體呈現正常流向，湖泊不會出現倒灌。

根據程艷的研究，自1957年后，湖區上游用水量急劇增加，使得烏倫古河補給湖區的吞吐流量銳減，甚至出現斷流現象，湖泊水位不斷降低[14]。補水工程的修建，在烏倫古湖開辟了新的入湖徑流，導致湖泊產生吞吐流的位置從一處變為兩處；攔河閘則切斷了大部分時段兩湖的水動力聯系，縮小了吞吐流的影響范圍，烏倫古河與補水入湖產生的吞吐流分別只能對吉力湖、布倫托海起作用。湖區吞吐流的這些變化，使得兩湖的天然水位關系不斷變化。1970年后(圖2)，兩湖水位差(吉力湖減布倫托海)經歷了一個先增加后減小最終布倫托海水位反超吉力湖的過程。隨著兩湖水位差不斷縮小，庫河水面傾斜程度會逐漸降低，水體重力產生的順流效果會削弱，對風生流壓制作用削弱甚至消失，在兩湖連通的時段，風生流就會引發湖泊倒灌。在2005年前后，布倫托海水位徹底超過吉力湖，此時布倫托海流向吉力湖會成為庫河的常態流向，嚴格意義上講，此階段布倫托海咸水流向吉力湖已不屬于倒灌范疇。

圖2 兩湖近60年來水位Fig.2 Water level of the two lakes for nearly 60 years

2 湖泊倒灌的特點及條件分析

要進一步剖析湖泊倒灌產生所滿足定量條件，需要對湖泊倒灌的水動力進行更加精細深入的研究。目前，數值模擬在湖泊水動力研究運用廣泛，借助數值模擬的手段,分風生流、吞吐流以及二者并存三種情況來探究烏倫古湖倒灌的水動力特點。烏倫古湖屬于淺水湖泊，水體無分層，采用二維水動力模型即可很好的模擬湖泊水動力特性。

2.1 風生流下倒灌的研究

在湖泊沒有水量出入時，湖泊屬于純風生流狀態。西北風形成的風生流會在布倫托海形成3個大的環流，吉力湖形成2個大的環流，局部區域形成若干小型環流，整個湖泊呈現西北低東南高、布倫托海低吉力湖高的水位分布(圖3)。

圖3 風生流下湖泊水位、流場Fig.3 The water level and flow field of the Lake under the wind-driven current

在吉力湖水位比布倫托海水位高出一定值后，庫河水面將擁有很大的傾斜，傾斜水體水平方向作用效果與風驅動力達到平衡，風生流就不能引起的倒灌。本文統計倒灌剛好被壓制時庫河與兩湖連接點[位置如圖4(a)所示]的上斷面與下斷面的水位差值，結果如圖4(b)。風速從0 m/s增加到22 m/s，抑制倒灌所需要的湖泊水位差也會相應增加。在風速為22 m/s時，水位差值達到最大，為0.17～0.3 m，才能遏制倒灌。而隨著湖泊整體水位升高，需要的水位差會減小，以22 m/s風速為例，湖泊水位從481.5 m上升為483 m，水位差從0.3 m下降為0.17 m。因此，保持吉力湖水位比布倫托海高0.3 m，是風生流不會引起湖泊倒灌的閾值條件。

圖4 斷面位置和水位差值Fig.4 Section position and water level difference

2.2 吞吐流下倒灌的研究

當湖泊無風時，湖泊處于烏倫古河來流qW和補水工程輸入流量qB形成純吞吐流狀態。吞吐流會在兩湖間形成一個順時針的環流。整個湖泊水位分布基本相同，并無明顯水位差存在(圖5)。

吞吐流對布倫托海和吉力湖的作用效果基本相同，但不同qW、qB組合情境下，在庫河會有不同的水流流向。對任意qW，隨著qB不斷增大，庫河的水流流向都會從吉力湖流向布倫托海逐漸轉變為布倫托海流向吉力湖(圖6)，本文統計了庫河流向剛好變為布倫托海流向吉力湖時的qB大小，計為qL。隨著qW增加時，qL的值也會增加，二者之間存在良好的一階線性關系。湖泊水位分別為481.5、482、482.5、483 m時，qL/qW(以下簡稱大、小湖補水比例)比值差異很小，均在4.6～4.8左右。庫河的水流流向反映了大、小湖的補水關系，當流向為布倫托海流向吉力湖時，布倫托海咸水會不斷補給吉力湖，即發生倒灌。

圖5 吞吐流下湖泊的水位、流場Fig.5 The water level and flow field of the lake under the influent-effluent current

圖6 庫河流向變化情況Fig.6 Changes in the Ku river flow direction

因此，大、小湖補水比例qL/qW大于4.6～4.8，吞吐流會引起湖泊倒灌。

2.3 復合驅動下倒灌的研究

當湖泊處于風生流和吞吐流的復合驅動時，風生流占主導地位，整個湖泊表現為生流情況下的水動力特性(對比圖4、圖7和圖8)。會在布倫托海形成3個大的環流，吉力湖形成2個環流，湖泊水位呈現西北高東南低、吉力湖高布倫托海低的特點(圖7)。

圖7 風聲流和吞吐流復合驅動下下湖泊水位、流場Fig.7 Water level and flow field under Composite driver

和風生流下湖泊情況基本一樣，吉力湖和布倫托海水位差小于0.3 m時，風生流會引起湖泊倒灌。大、小湖補水比例變化并不能阻止倒灌發生，但比例增大會延長倒灌的持續時間。大、小湖補水比例從3增加到4，倒灌的持續時間會被延長2.5 h，大、小補水比例從3增加到5，倒灌時長會延長6 h。當風場風速為5 m/s，大、小湖補水比例為3時，倒灌的持續時間就能被控制在1 d以內。而兩湖水位差(吉力湖減布倫托海)大于0.3 m時，風生流的倒灌作用被水位差壓制，吞吐流會表現出更大影響。在大、小湖補水比例大于4.7～7.0時，盡管吉力湖水位比布倫托海高，庫河也會出現布倫托海流向吉力湖的水流流向，湖泊也會發生倒灌。因此，復合驅動下，湖泊發生倒灌的條件是湖泊水位差低于0.3 m或水位差高于0.3 m，大、小湖補水比例大于4.7。

2.4 討 論

根據三種情景下烏倫古湖水動力特點模擬的結果，在風生流和風生流與吞吐流復合驅動下湖泊倒灌情況、水位分布以及流場分布的規律基本相同，沒有表現出吞吐流作用下的特點。可見，湖泊吞吐流的對湖泊倒灌、水位分布和流場分布的影響要比風生流小得多，這與上文引用其他學者對風生流和吞吐流水動力特性的描述基本一致。

在只有吞吐流作用時，庫河水流流向始終為高水位流向低水位。當庫河流向剛好處于大湖流向小湖的臨界狀態時，大、小湖間水量交換很弱，烏倫古河的吞吐流量只作用在小湖，而補水工程的補水流量也近乎只對大湖起作用。此時吞吐流對兩湖水位的瞬時影響，可用各吞吐流量值與湖面積的比值來估算。當湖泊水位為481.5～483 m時，小湖面積為160.2～178.5 km2，大湖為815.7～837 km2，大湖與小湖面積之比在4.7～5.0變動。在兩湖初始水位相同狀態下，要維持大湖水位不超過小湖，補水流量與烏倫古河來流比值應小于二者面積比4.7～5.0，這與模型模擬的比例4.6～4.8十分接近。分析差異的原因可能是湖泊的動態面積與靜止時會有些許差異。而復合驅動下，風生流作用比吞吐流作用大得多。風生流的驅動力主要是與水面間的摩擦力，只要與水面有接觸，就會產生驅力，因此，在忽略湖面各處表面摩擦系數差異的情況下，風生流的驅動力是均勻作用于湖泊各點的，會始終使湖面各處存在西北向水位梯度，這種梯度，會削弱大湖流向庫河(與梯度方向相反)的吞吐流的作用，使補水流量作用降低，因此表現出復合驅動下的比例比只有吞吐流作用下的大。

3 結 語

(1) 本文通過對烏倫古湖水動力的分析和模擬，找出了湖泊倒灌的原因；工程建設改變了湖泊吞吐流分布，引發了風生流和吞吐流復合驅動的倒灌問題。

(2)根據烏倫古湖水動力的研究結果，當吉力湖水位高出布倫托海0.3 m且補水流量與烏倫古湖入湖流量比例低于4.6，湖泊才不會發生倒灌。

(3)將補水流量和烏倫古湖入湖流量比例控制在4.6以下，同時,在4、5月份關閉庫依爾尕河上的攔河閘，能夠很大程度的緩解烏倫古湖生境破碎化、湖泊水位分布人工化和湖泊倒灌問題。

本文未將水質模塊納入研究范疇，忽略了水中溶質對水動力的影響，尚存在不夠嚴謹之處。

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