韓劍橋，孫昭華，楊云平

(1:西北農(nóng)林科技大學(xué)，楊凌 712100)(2:武漢大學(xué)水資源與水電工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430072)(3:交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究院，天津 300456)

三峽水庫(kù)運(yùn)行后長(zhǎng)江中游洪、枯水位變化特征

韓劍橋1，2，孫昭華2，楊云平3

(1:西北農(nóng)林科技大學(xué)，楊凌 712100)(2:武漢大學(xué)水資源與水電工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430072)(3:交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究院，天津 300456)

流域大型水庫(kù)蓄水后，壩下游河道調(diào)整過(guò)程中的洪、枯水位變化，對(duì)下游水安全、水生態(tài)和水資源利用影響甚大. 利用1955-2012年長(zhǎng)江中游各水文站水位、流量等資料，采用改進(jìn)的時(shí)間序列分析方法，對(duì)三峽水庫(kù)運(yùn)行前后長(zhǎng)江中游洪、枯水位變化特征進(jìn)行了研究，結(jié)果表明：三峽水庫(kù)蓄水前長(zhǎng)江中游洪、枯水位變化的周期長(zhǎng)度分別為9～14、11～15 a，在假設(shè)三峽水庫(kù)運(yùn)行后水位無(wú)趨勢(shì)性變化的前提下，估算得到的水位變化周期長(zhǎng)度基本在20 a以上，蓄水前的自然周期性已被打破，枯水位發(fā)生趨勢(shì)性下降且無(wú)復(fù)歸跡象，而洪水位波動(dòng)周期雖有所延長(zhǎng)，但上升幅度未超過(guò)歷史波動(dòng)變幅，僅可確定洪水位沒(méi)有明顯的下降趨勢(shì). 三峽水庫(kù)蓄水后壩下游長(zhǎng)距離沖刷，枯水河槽沖刷量占平灘河槽的比例逐年增加，累計(jì)至2013年已達(dá)91.5%，是枯水位下降的主控因素. 河槽沖刷導(dǎo)致的床沙粗化增加了河道床面阻力，高程在平灘水位附近的灘體上覆蓋的大量植被增加了水流流動(dòng)阻力，同時(shí)大量航道整治、護(hù)岸、碼頭等工程主體部分布設(shè)在枯水位以上，綜合因素作用使得洪水河槽阻力增加. 三峽水庫(kù)蓄水后，雖然枯水期流量補(bǔ)償作用顯著削弱了枯水位下降的效應(yīng)，但枯水位下降事實(shí)已經(jīng)形成，不利于航道水深的提高及通江湖泊枯水期的水量存蓄，洪水位未明顯下降，同級(jí)流量下的江湖槽蓄量不會(huì)明顯調(diào)整.

三峽水庫(kù)；水位變化；時(shí)間序列分析方法；防洪效益；長(zhǎng)江中游

流域大型水庫(kù)蓄水后，蓄洪補(bǔ)枯作用改變了水庫(kù)下游的流量過(guò)程，在清水下泄導(dǎo)致的沖刷過(guò)程疊加作用下，河道灘槽沖刷不均，洪水位和枯水位可能出現(xiàn)階段性或趨勢(shì)性的變化[1-2]. 尼羅河阿斯旺大壩修建后，壩下游河床平均下切0.45 m，水位下降0.8 m，水面比降減小[3]；科羅拉多河哥倫峽大壩、密蘇里河福特佩克大壩等水壩的下游河道也出現(xiàn)了水位下降，水流縱比降變緩的現(xiàn)象[4-5]；中國(guó)漢江丹江口水庫(kù)修建后，下游黃家港、襄陽(yáng)水文站流量小于5000 m3/s時(shí)，水位下降1.5～1.7 m，流量大于10000 m3/s時(shí)，水位無(wú)明顯降低趨勢(shì)[6]；美國(guó)密蘇里河建庫(kù)后，在枯水位下降超過(guò)2.5 m的同時(shí)，壩下游堪薩斯城洪水位抬高近1 m[7]. 綜上，水庫(kù)下游河道枯水位下降，而洪水位降幅相對(duì)較小甚至有所抬升的水位變化特點(diǎn)，在國(guó)內(nèi)外多條河流上得到了證實(shí). 枯水位下降與河床下切幅度的大小關(guān)系，決定著航道條件的優(yōu)劣[8]，也控制著枯水期通江湖泊出口的侵蝕基準(zhǔn)面，洪水位變化則是防洪[9-10]、江湖關(guān)系調(diào)整[11]等更為關(guān)注的內(nèi)容，因此開(kāi)展水庫(kù)下游洪、枯水位變化的研究具有重要意義.

三峽水庫(kù)是世界上規(guī)模最大的水利樞紐，在其下游的水沙輸移、河床調(diào)整、床沙粗化等方面，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量研究. 針對(duì)枯水位變化，三峽水庫(kù)蓄水前眾多研究單位預(yù)測(cè)成果一致認(rèn)為長(zhǎng)江中游枯水位將大幅下降，水庫(kù)蓄水后，航道治理研究人員考慮水庫(kù)不同運(yùn)行階段對(duì)枯水流量的補(bǔ)償作用，對(duì)枯水位與航道水深的關(guān)系開(kāi)展了大量研究[12-13]. 但對(duì)于洪水位的變化，則一直都存在爭(zhēng)議，部分研究[14-15]認(rèn)為洪水位將會(huì)下降，由此增加的防洪效益巨大，另外一部分研究[16]則認(rèn)為洪水位變幅不大，防洪效益有限. 三峽水庫(kù)蓄水后原型觀測(cè)資料顯示，雖然各站最低水位明顯升高，但長(zhǎng)江中游同流量下枯水位下降比較明顯，與預(yù)測(cè)結(jié)果基本一致[17]，最高水位有所降低，但同流量下洪水位并未明顯下降. 三峽水庫(kù)運(yùn)行后壩下游的同流量下洪水位是否存在下降趨勢(shì)，即使結(jié)合蓄水后觀測(cè)資料也難以做出判斷，其主要原因有兩個(gè)：一方面是由于年內(nèi)水位流量關(guān)系的不恒定性，即使采用校正因素法、落差指數(shù)擬合法等單值化處理方法也難以形成穩(wěn)定的水位流量關(guān)系曲線(xiàn)，并且以此為據(jù)生成的水位時(shí)間序列難以具有統(tǒng)一的誤差標(biāo)準(zhǔn)[18]；另一方面，年際之間水位波動(dòng)性強(qiáng)，同流量下水位在大水年抬升、小水年回落等非工程因素影響下的波動(dòng)特性在天然情況下也普遍存在[19-20]，三峽水庫(kù)蓄水后的短期時(shí)間內(nèi)，水位變化是趨勢(shì)性調(diào)整，還是正常的周期性波動(dòng)，很難在水位時(shí)間序列中加以識(shí)別.

鑒于以上問(wèn)題，本文利用長(zhǎng)江中游各水文站1955-2012年水位、流量等資料，采用改進(jìn)的時(shí)間序列分析方法以分離提取水位變化的周期性、趨勢(shì)性、隨機(jī)性特征，由此判斷水位是否發(fā)生趨勢(shì)性調(diào)整；結(jié)合河床形態(tài)、床面阻力、水流阻力及重點(diǎn)人類(lèi)活動(dòng)等要素，分析長(zhǎng)江中游洪、枯水位變化的成因，并探討水位變化對(duì)通江湖泊出流、航道條件等的影響.

1 研究區(qū)域

長(zhǎng)江中游自宜昌至湖口約955 km，其中宜昌至枝城河段長(zhǎng)61 km，是山區(qū)河流向平原河流的過(guò)渡河段，河床為卵石夾砂組成；枝城至城陵磯河段習(xí)稱(chēng)荊江，南岸自上而下分別有松滋、太平、藕池“三口”分流入洞庭湖，集納湘、資、沅、醴“四水”的洞庭湖出流在城陵磯附近匯入長(zhǎng)江干流[17]. 城陵磯至湖口河段河床組成為細(xì)砂及極細(xì)砂，其間有漢江、鄱陽(yáng)湖水系分別在漢口、湖口入?yún)R(圖1).

長(zhǎng)江中游一直是水利、航道部門(mén)治理、開(kāi)發(fā)的重點(diǎn)河段，自1950s以來(lái)，以穩(wěn)定河道、開(kāi)發(fā)河流資源為目的，修建了眾多水庫(kù)，實(shí)施了堤防加固、護(hù)岸工程、航道整治、岸線(xiàn)利用等工程. 大型人類(lèi)活動(dòng)有：1968-1972年下荊江實(shí)施的系統(tǒng)裁彎工程，主要對(duì)中洲子、上車(chē)灣河段進(jìn)行了人工裁彎，沙灘子河段發(fā)生自然裁彎；1981年建成的葛洲壩水利樞紐工程，導(dǎo)致壩下游河道發(fā)生沖刷[6]；2003年6月三峽水利樞紐蓄水運(yùn)用，在蓄水初期壩前蓄水位為135 m，在2006年汛末實(shí)現(xiàn)了156 m蓄水，在2008年汛末蓄水水位達(dá)到172.8 m，2009年以后為175 m正常蓄水位，水庫(kù)運(yùn)行以來(lái)削減來(lái)沙量達(dá)80%以上[17].

圖1 三峽水庫(kù)下游河段概略圖Fig.1 The downstream reach of the Three Gorges Reservoir

2 數(shù)據(jù)來(lái)源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

收集了宜昌、枝城、沙市、螺山、漢口站的水位、流量資料，時(shí)段為1955-2012年，跨度為58 a. 其中沙市站1991年建站，之前僅測(cè)驗(yàn)水位，下游65 km處設(shè)有新廠(chǎng)站，兩站之間無(wú)分匯流，因此1991年之前沙市站流量資料直接引用新廠(chǎng)站實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)補(bǔ)齊. 監(jiān)利站受洞庭湖出流隨機(jī)成分的影響，水位-流量關(guān)系散亂[17]，本文暫不涉及其水位變化. 數(shù)據(jù)來(lái)自于長(zhǎng)江水利委員會(huì)水文局，高程基準(zhǔn)均為黃海高程.

2.2 研究方法

2.2.1 水位趨勢(shì)性調(diào)整判別指標(biāo)的選取 對(duì)水位趨勢(shì)性的判別，一般是從水位時(shí)間序列中提取趨勢(shì)成分進(jìn)行研究，但蓄水后周期成分與趨勢(shì)成分可能相互摻雜，在2003年至今短時(shí)間尺度上難以分離. 由于趨勢(shì)成分可以看作是周期長(zhǎng)度比實(shí)測(cè)序列長(zhǎng)得多的長(zhǎng)周期成分，如存在趨勢(shì)性變化，摻雜趨勢(shì)成分的時(shí)間序列周期時(shí)間必然延長(zhǎng)[21]，因此本文采用比較三峽工程影響前后水位變化周期特征的方法，以此判斷蓄水后水位是否發(fā)生趨勢(shì)性調(diào)整. 其具體過(guò)程是基于反證法的思路：首先從水位數(shù)據(jù)中識(shí)別出歷史水位波動(dòng)特征，包括周期、振幅等；其次，假設(shè)三峽水庫(kù)蓄水對(duì)長(zhǎng)江中游水位無(wú)趨勢(shì)性影響，即水庫(kù)蓄水前后長(zhǎng)江中游水位一直處于同種變化狀態(tài)，由此得到最近一個(gè)周期的變化特征；最后，將最近一個(gè)變化周期與歷史周期的特征值進(jìn)行比較，若二者差異巨大，則說(shuō)明假設(shè)不成立，即水庫(kù)蓄水前水位變化的歷史規(guī)律已被打破. 其判別指標(biāo)如下：

(1)

式中，SP為三峽水庫(kù)蓄水后的水位周期，SN為三峽水庫(kù)蓄水前的水位周期.

從三峽水庫(kù)蓄水前、后水位周期波動(dòng)特性的差別來(lái)考察水位變化特點(diǎn)，需首先生成水位時(shí)間序列、消除水位時(shí)間序列中重要人類(lèi)活動(dòng)引起的趨勢(shì)成分，進(jìn)而濾除隨機(jī)成分，提取周期性特征進(jìn)行對(duì)比分析.

2.2.2 水位時(shí)間序列的生成方法 選取連續(xù)的3日水位和流量數(shù)據(jù)取平均值，以消除水流漲落、測(cè)量等水位流量關(guān)系不恒定引起的隨機(jī)誤差. 針對(duì)水位-流量關(guān)系誤差在時(shí)間序列上的不一致問(wèn)題，將多年水位-流量關(guān)系做二次多項(xiàng)式回歸曲線(xiàn)，以同一特征流量下，特定年份水位相對(duì)多年平均回歸曲線(xiàn)的殘差平均值形成水文殘差時(shí)間序列來(lái)反映水位的時(shí)間變化特點(diǎn)，殘差平均值計(jì)算依據(jù)公式(2)，水位殘差時(shí)間序列可描述為公式(3)[22]：

(2)

(3)

考慮到特定特征流量所對(duì)應(yīng)的水位、流量數(shù)據(jù)點(diǎn)相對(duì)較少，因此將確定水位的特征流量擴(kuò)展為以特征流量為中心，特征流量±5%范圍的流量區(qū)間，5%的數(shù)值為隨機(jī)選取. 對(duì)于少數(shù)在特征流量區(qū)間內(nèi)無(wú)流量數(shù)據(jù)的年份，水位殘差依據(jù)前后年份數(shù)據(jù)線(xiàn)性插值取得. 特征流量的選取既要反映出洪、枯水位特性，又要保證較長(zhǎng)時(shí)期的一致性，結(jié)合實(shí)測(cè)資料分析，宜昌、枝城、沙市、螺山、漢口水文站的枯水特征流量分別取6000、6000、6000、7500和12000 m3/s，接近多年平均流量的一半，水流未充滿(mǎn)河槽，洪水特征流量分別取40000、40000、35000、40000和40000 m3/s，水流淹沒(méi)河漫灘，可反映出洪水特性.

2.2.3 基于人類(lèi)活動(dòng)的水位殘差時(shí)間序列趨勢(shì)性成分消除方法 研究河段內(nèi)曾發(fā)生過(guò)多次影響重大的人類(lèi)活動(dòng)，所以采用傳統(tǒng)水文時(shí)間序列趨勢(shì)線(xiàn)消除趨勢(shì)性成分的方法并不適用. 本文采用按人類(lèi)活動(dòng)年代為分界分時(shí)段取波動(dòng)中心值計(jì)算距平的方法，將趨勢(shì)性成分濾除. 其中距平是指原始信號(hào)與平均值(波動(dòng)中心)的差值，更易凸顯時(shí)間序列中的實(shí)際波動(dòng)特性. 根據(jù)工程強(qiáng)度的影響，以下荊江裁彎、葛洲壩水利工程運(yùn)用、三峽水庫(kù)運(yùn)用為界分為4個(gè)時(shí)段，其中葛洲壩水利工程運(yùn)用后的階段3與階段4統(tǒng)一計(jì)算波動(dòng)中心線(xiàn)數(shù)值.

2.2.4 隨機(jī)成分濾除與周期性特征提取方法 對(duì)于水位時(shí)間序列中隨機(jī)成分的濾除問(wèn)題，主要應(yīng)用小波分析方法. 基于人類(lèi)活動(dòng)的水位殘差距平時(shí)間序列消除高頻成分后的低頻成分即為水位殘差序列的周期波動(dòng)成分. 采用Mallat快速算法，小波函數(shù)采用Daubecheis 4正交小波，小波母函數(shù)ψ(t)時(shí)間序列f(kΔt)(k=1、2、…、N)的離散小波的基本計(jì)算公式為：

(4)

周期性特征以周期長(zhǎng)度來(lái)衡量. 蓄水前周期長(zhǎng)度的統(tǒng)計(jì)以?xún)蓚€(gè)波峰之間的時(shí)距為準(zhǔn)，并將各個(gè)周期長(zhǎng)度算術(shù)平均值作為平均周期長(zhǎng)度，蓄水后沒(méi)有完整周期，且大多數(shù)站點(diǎn)水位殘差在蓄水后處于單向變化狀態(tài)，因此可將其考慮為1/2周期，進(jìn)而推算整個(gè)周期時(shí)間，需要說(shuō)明的是當(dāng)前水位波動(dòng)并未完成1/2個(gè)周期，以此推算的周期長(zhǎng)度只是為了對(duì)比蓄水前后的變化，不能用以估算調(diào)整達(dá)到新平衡點(diǎn)的時(shí)間.

3 結(jié)果分析

3.1 水位殘差時(shí)間序列

宜昌、枝城、沙市站的枯水位殘差、整體下降特點(diǎn)較為明顯，而洪水位殘差在葛洲壩水庫(kù)蓄水前一直處于波動(dòng)狀態(tài)，2003年后未出現(xiàn)明顯下降趨勢(shì). 螺山站枯水位殘差在葛洲壩蓄水前基本為負(fù)值，之后有增大特點(diǎn)，在1998年達(dá)到峰值(1.27 m)，2003年后有所下降，洪水位殘差則一直存在較大的波動(dòng)，2003年前后未出現(xiàn)明顯區(qū)別. 漢口站枯水位殘差一直存在波動(dòng)，洪水位與螺山站較為一致(圖2). 洪、枯水位在一直波動(dòng)的長(zhǎng)時(shí)間水位殘差序列里是否有趨勢(shì)性變化難以判別.

圖2 長(zhǎng)江中游各水文站水位殘差的時(shí)間序列Fig.2 Time series of stage residuals at the main gauging stations along the middle Yangtze River

3.2 基于人類(lèi)活動(dòng)的水位殘差距平時(shí)間序列

對(duì)人類(lèi)活動(dòng)引起的趨勢(shì)因素進(jìn)行消除，得到基于人類(lèi)活動(dòng)的水位殘差距平時(shí)間序列(圖3)，下荊江裁彎后，上游宜昌、枝城、沙市水文站枯水位波動(dòng)中心線(xiàn)分別下降0.44、0.29和1.00 m，洪水降幅小于枯水降幅；葛洲壩蓄水后，宜昌水文站枯水位、洪水位波動(dòng)中心線(xiàn)分別下降0.94和0.42 m，沙市水文站枯水位波動(dòng)中心線(xiàn)繼續(xù)下降了1.53 m，洪水位由于1996-1998年的特高水位而抬高0.27 m，這些變化特點(diǎn)與荊江裁彎、葛洲壩水庫(kù)蓄水后水位變化的已有研究成果[23]在趨勢(shì)上基本一致. 在去除人類(lèi)影響分段求距平值后，水位殘差的波動(dòng)相比原始序列更加規(guī)則，但受隨機(jī)因素的干擾，波動(dòng)幅度及周期特征仍然難以提取.

圖3 主要水文站基于人類(lèi)活動(dòng)的水位殘差距平時(shí)間序列Fig.3 Time series of stage residuals anomaly according for human activity at the main gauging stations

3.3 隨機(jī)成分濾除及水位趨勢(shì)性的調(diào)整判別

采用小波分析方法濾除隨機(jī)成分，水位殘差序列的波動(dòng)特性較為清晰，且不與原始序列失真(圖4). 統(tǒng)計(jì)三峽水庫(kù)蓄水前的平均水位周期、最大水位周期及蓄水后的水位變化周期(圖5)，其中枯水位殘差蓄水后處于單向下降階段，洪水位殘差處于單向抬升階段，因此估算得到的蓄水后水位周期是遠(yuǎn)遠(yuǎn)偏小的.

1)枯水位變化. 宜昌、枝城、沙市水文站在蓄水前基本以11 a左右作周期波動(dòng)變化，波峰均在1964、1977、1990、1998年左右出現(xiàn)，僅波幅有所差異，蓄水后水位殘差持續(xù)降低，周期均已超過(guò)20 a；螺山、漢口水文站蓄水前以15 a左右的周期波動(dòng)變化，波峰均出現(xiàn)在1968、1982、1998年左右，蓄水后的2003-2012年，水位單向下降，因此各站周期均大于20 a，超過(guò)蓄水前的最大周期. 從殘差變幅來(lái)看，除了枝城、螺山兩站，其他站點(diǎn)在蓄水后的變幅均超過(guò)了歷史最大變幅.

2)洪水位變化. 宜昌、枝城、沙市水文站蓄水前以11 a左右的周期波動(dòng)變化，波峰均在1967、1979、1989、1998年附近出現(xiàn)，蓄水后水位殘差均處于相對(duì)升高狀態(tài)，周期大于16 a，超過(guò)了蓄水前的周期；螺山站蓄水前水位波動(dòng)的平均周期為14 a，蓄水后水位殘差處于階段性增大狀態(tài)，波動(dòng)周期延長(zhǎng)為20 a以上；漢口水文站洪水位在2002-2006年略有下降，而2006-2012年持續(xù)抬升，因此估算的蓄水后周期在14 a以上，大于蓄水前的周期. 但是需要指出的是，三峽水庫(kù)蓄水后，除宜昌站外，各站洪水位殘差的變幅均未能超過(guò)蓄水前的歷史波動(dòng)最大幅度.

綜上，三峽水庫(kù)蓄水后各水文站特征水位變化的估算周期長(zhǎng)度相比自然周期均有所延長(zhǎng)，說(shuō)明蓄水后水位殘差的時(shí)間序列確實(shí)存在較多的趨勢(shì)性成分，枯水位表現(xiàn)為趨勢(shì)性下降，而洪水位由于殘差幅度未能超過(guò)歷史最大波幅，僅可判斷其沒(méi)有明顯下降趨勢(shì)，即洪、枯水位變化存在明顯的調(diào)整分異規(guī)律.

圖4 水位殘差的2次分解重構(gòu)系列Fig.4 Time series of stage residuals with two order decomposition and reconstruction

圖5 三峽水庫(kù)蓄水前后水位變化周期對(duì)比Fig.5 Periodic time variation of water stage before and after the impoundment of the Three Gorges Reservoir

4 長(zhǎng)江中游洪、枯水位調(diào)整的成因與意義

4.1 三峽水庫(kù)蓄水前水位變化因素分析

長(zhǎng)江中游水位受來(lái)流過(guò)程與河道沖淤的直接影響，上游來(lái)流漲落率、下游干支流水流遭遇或流域極端水沙條件均能引起水位隨機(jī)性變動(dòng)，水沙過(guò)程、人類(lèi)工程引起的河道適應(yīng)性調(diào)整、河床阻力變化等河床邊界條件改變，是同流量下水位調(diào)整的主要因素[6,24-25].

天然來(lái)水來(lái)沙條件下，長(zhǎng)江干流年際間沖淤交替等現(xiàn)象被已有研究成果所證實(shí)[26]，宜昌至大通河段泥沙沖淤存在7～8 a的高-低回旋變化，由此引起河道形態(tài)、河床阻力、河床組成等水流邊界的復(fù)歸性調(diào)整，水沙過(guò)程的波動(dòng)特性就決定了水位時(shí)間序列圍繞某一中心線(xiàn)波動(dòng)的周期特征[21].

對(duì)于人類(lèi)活動(dòng)的影響，在三峽水庫(kù)蓄水前主要考慮荊江裁彎工程、葛洲壩工程. 荊江裁彎工程主要通過(guò)改變下荊江的河道邊界，降低侵蝕基準(zhǔn)面導(dǎo)致荊江發(fā)生溯源沖刷；采用地形法計(jì)算1966-1980年荊江河段共沖刷7.146×108m3，不同流量下水位均有所降低，且洪水降幅小于枯水；荊江沖刷的泥沙在城陵磯-漢口河段落淤，造成了洪水位的抬高，至1978年才基本穩(wěn)定. 葛洲壩工程攔截了大量推移質(zhì)泥沙，導(dǎo)致其下游河道沿程沖刷，宜昌水文站至1991年,當(dāng)流量為4000 m3/s時(shí)，水位較建庫(kù)前降低約1.10 m；當(dāng)流量為20000 m3/s時(shí)，水位降低約1.00 m，壩下游水位至1991年左右重新處于相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài). 這說(shuō)明人類(lèi)活動(dòng)影響下，河流系統(tǒng)經(jīng)過(guò)自調(diào)整后能達(dá)到新的相對(duì)平衡狀態(tài)，適應(yīng)于新的水沙條件[27-28].

以上各種因素影響下的水位變化說(shuō)明，水文測(cè)驗(yàn)獲得的水位時(shí)間序列，實(shí)際上是河道系統(tǒng)在流域來(lái)水來(lái)沙因素作用下的輸出信號(hào)，其具有周期成分、隨機(jī)成分、趨勢(shì)成分等信號(hào)組成特征. 本文的分析表明，長(zhǎng)江中游各站洪、枯水位在三峽水庫(kù)蓄水前的波動(dòng)周期為11 a左右，與已有成果[21]基本相符，說(shuō)明本文采用的研究方法是合理的.

4.2 三峽水庫(kù)運(yùn)行對(duì)洪、枯水位的影響

4.2.1 壩下游河道形態(tài)變化的影響 三峽水庫(kù)蓄水以來(lái)，長(zhǎng)江中游河床大幅沖刷，且多集中于枯水河槽，2003-2013年期間宜昌至湖口河段平灘河槽沖刷11.9×108m3，枯水河槽占91.5%(圖6). 在河道斷面上也可以看出，斷面擴(kuò)大范圍主要集中于枯水位以下，枯水位以上變化不大(圖7)，河床沖刷引起枯水過(guò)水面積增大的比例大于洪水，即河床變形對(duì)于枯水的下降影響作用也遠(yuǎn)大于洪水.

圖6 長(zhǎng)江中游河槽沖淤量變化Fig.6 The channel erosion amount in the middle Yangtze River

圖7 荊江河段典型斷面變化(烏龜洲)Fig.7 Changes of cross section profile in the middle of Wuguizhou low bench

4.2.2 壩下游河道阻力調(diào)整的影響 引起壩下游河道阻力調(diào)整的因素主要有床沙粗化、洲灘植被覆蓋、整治工程修建等，下面從這幾個(gè)方面分別進(jìn)行闡述：

1)河床粗化引起的床面阻力變化. 三峽水庫(kù)蓄水后，在壩下游河道沖刷的同時(shí)，河床表層床沙也表現(xiàn)為粗化趨勢(shì)[29-30]. 宜昌至枝城河段床沙平均中值粒徑由2003年11月的0.638 mm增大到2010年10月的30.4 mm，增幅達(dá)48倍；枝城至楊家垴河段的床沙中值粒徑相比蓄水前增大20倍左右. 依照長(zhǎng)江科學(xué)院提出的糙率估算公式進(jìn)行計(jì)算[31]，引起河床糙率增大1.65倍左右, 而荊江沙質(zhì)河段的糙率增大1.03倍左右，城陵磯-湖口河段的糙率增大1.01～1.03倍，與沙質(zhì)河床粒徑粗化程度不大相對(duì)應(yīng).

2)灘地植被覆蓋對(duì)水流行進(jìn)的阻滯作用. 長(zhǎng)江中下游為沖積型河流特性，發(fā)育有大量的江心洲和河漫灘，在三峽水庫(kù)蓄水后大流量被削減，水流漫灘時(shí)間明顯減少，洲灘表面長(zhǎng)期裸露使得以往高水位淹沒(méi)的灘體被植被覆蓋. 如長(zhǎng)江中游的天興洲灘體，高程在平灘水位附近的灘體上生長(zhǎng)大量植物，當(dāng)洪水漫灘時(shí)，阻滯了水流行進(jìn)[32].

3)河道與航道治理工程對(duì)邊界阻力的影響. 2003年以來(lái)，長(zhǎng)江中游實(shí)施了大量的航道整治工程，沙卵石河段主要是采取護(hù)底工程，直接增加了河床阻力；沙質(zhì)河段對(duì)邊灘和心灘進(jìn)行守護(hù)，在江心洲頭實(shí)施守護(hù)和調(diào)整型工程. 這些工程主要作用在枯水河槽以上，一定程度上增大了河道阻力. 水利部門(mén)也實(shí)施了大量的岸線(xiàn)加固與守護(hù)工程，在提高長(zhǎng)江堤防岸線(xiàn)防洪能力的同時(shí)，也增加了水流的岸壁阻力. 中游河段分布有大量的碼頭、景觀等工程，對(duì)河道洪水位形成疊加影響，是增加邊界阻力的因素之一[33].

圖8 不同流量下荊江沙質(zhì)河段糙率系數(shù)變化Fig.8 Roughness coefficient variation of Jingjiang reach at different discharges

4)河道綜合阻力變化. 根據(jù)2002和2012年實(shí)測(cè)水面線(xiàn)，采用曼寧公式反算了荊江沙質(zhì)河段的糙率系數(shù). 由圖8可知，各流量下的糙率系數(shù)均呈增大趨勢(shì)，說(shuō)明蓄水后的河床綜合阻力有所增大，以糙率系數(shù)增大值/絕對(duì)值作為增大比例，可見(jiàn)糙率系數(shù)增大比例隨流量增大而增大，流量小于20000 m3/s時(shí)，增大比例在14.9% 左右，流量大于30000 m3/s時(shí)，增大比例超過(guò)了20.0%，最大可達(dá)26.6%，說(shuō)明中枯水流量下的河床阻力增大值小于洪水流量級(jí). 因此，蓄水后河道綜合阻力增大，且枯水時(shí)期阻力增大幅度小于洪水時(shí)期.

綜上，在枯水流量下，河床阻力增大對(duì)于水位抬升效應(yīng)難以抵消河床下切造成的下降效應(yīng)，使得枯水位趨勢(shì)性降低；在洪水流量下，河床阻力增大效應(yīng)與河道主槽沖刷效應(yīng)接近，使得洪水位并未明顯下降.

4.3 水位變化對(duì)通江湖泊、航道條件的影響

三峽水庫(kù)蓄水后長(zhǎng)江中游河道枯水位趨勢(shì)性下降，但最低水位均存在抬升趨勢(shì)，如枝城水文站、螺山站最低水位升高1 m左右(圖5)，這顯然是由于三峽水庫(kù)的枯水期補(bǔ)水作用大于同流量水位降幅所致. 2008年以來(lái)，宜昌站下泄流量均大于5000 m3/s，相比于蓄水前3300 m3/s的最枯流量平均值增加了近2000 m3/s，但在汛后三峽水庫(kù)蓄水的9-11月份，宜昌來(lái)流被削減，同流量下水位下降會(huì)降低湖泊底水位. 而洪水位未明顯下降，說(shuō)明同流量下干流河道槽蓄量和通江湖泊調(diào)蓄湖容并不會(huì)明顯增大.

5 結(jié)論

1)三峽水庫(kù)蓄水前，長(zhǎng)江中游各水文站同流量下水位波動(dòng)周期長(zhǎng)度在9～15 a之間，而在假設(shè)三峽水庫(kù)運(yùn)行后長(zhǎng)江中游水位無(wú)趨勢(shì)性變化的前提下，估算的各站水位變化周期基本都超過(guò)20 a；枯水位單向下降，多站變幅超過(guò)歷史最大波幅，存在明顯下降趨勢(shì)，洪水位階段性單向抬升，但變幅未超過(guò)歷史最大波幅，僅可判斷其未明顯趨勢(shì)性下降，即存在在洪、枯水位變化不一致的調(diào)整分異規(guī)律.

2)河床沖刷與河床阻力增大的綜合作用，是造成洪、枯水位調(diào)整分異規(guī)律的主要原因. 不同流量下河槽變形幅度不一致，泥沙沖刷集中于枯水位河槽；而床沙粗化、洲灘為植被覆蓋、人類(lèi)涉水工程等引起河床阻力普遍增大，在洪水河槽體現(xiàn)更為明顯.

3)在三峽水庫(kù)的滯洪補(bǔ)枯作用下，枯水位下降不致對(duì)長(zhǎng)江中游的航道、取水等問(wèn)題產(chǎn)生重大不利影響，但在汛后蓄水階段可能會(huì)增加兩湖的出流量，洪水位未明顯下降，同流量下江湖槽蓄能力變化有限.

需要指出的是，文中結(jié)果均是在現(xiàn)有資料長(zhǎng)度上得到的，三峽水庫(kù)蓄水時(shí)間尚短，隨著河床進(jìn)一步?jīng)_刷，高洪水位變化趨勢(shì)還需進(jìn)一步跟蹤觀測(cè). 此外，文中對(duì)河道阻力方面的成因分析較為宏觀，更為細(xì)致的工作尚有待開(kāi)展.

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Flood and low stage adjustment in the middle Yangtze River after impoundment of the Three Gorges Reservoir (TGR)

HAN Jianqiao1,2, SUN Zhaohua2**& YANG Yunping3

(1:NorthwestA&FUniversity,Yangling712100,P.R.China)(2:StateKeyLaboratoryofWaterResourcesandHydropowerEngineeringScience,WuhanUniversity,Wuhan430072,P.R.China)(3:TianjinResearchInstituteofWaterTransportEngineering,Tianjin300456,P.R.China)

The flood and low stage adjustments in downstream reach of reservoir projects have an important effect on water security, water ecology and water resource utilization. The variation features of the water stages are studied in the middle Yangtze River after impoundment of the TGR, based on the hydrological data via one improved method of the time series analysis. The results and conclusions are as follows: The low water stage exhibited a decreasing trend due to its periodic time increased from 9-14 years to more than 20 years, while the flood stage had no decreasing trend because its change amplitude was less than the max value in history. The main reason for low stage decline is that the erosion amounts in low flow channel increased year by year, when its proportion accounted for the proportion of bank-full channel even reached at 91.5% in 2013. The river resistance has led to flood stage rising which increased by sand coarsening, vegetation coverage in beach above bank-full stage, and other projects such as navigation regulation, revetment, and wharf etc. Change in the water stages is harmful to the improvement of channel depth and the water storage in the reservoir, although the flow discharge compensation of reservoir improves the low flow stage. The water-storage capacities of lakes have no change because the flood stage is not significantly decreased.

Three Gorges Reservoir; stage adjustment; times series analysis method; flood control benefit; middle Yangtze River

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51579185，51339001)、西北農(nóng)林科技大學(xué)博士科研啟動(dòng)基金項(xiàng)目(2452015337)和國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2016YFC0402303,2016YFC0402106) 聯(lián)合資助. 2016-11-06收稿； 2016-12-28收修改稿. 韓劍橋(1987～)，男，博士，助理研究員； E-mail: hjq13@163.com.

; E-mail: Lnszh@126.com.

DOI 10.18307/2017.0520