徐 長 江，劉 冬 英，張 冬 冬，李 妍 清

(長江水利委員會 水文局，湖北 武漢 430010)

1 研究背景

荊江三口由松滋口、太平口和藕池口三口組成(調(diào)弦口于1959年封堵)，是長江干流與洞庭湖的水沙連接通道，洞庭湖又集湘、資、沅、澧四水于城陵磯匯入長江，形成了復(fù)雜的江湖關(guān)系(見圖1)。長江徑流通過荊江三口分泄進(jìn)入洞庭湖，約占城陵磯出湖總水量的38.5%，其水資源量對于保障區(qū)域的工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人民生活供水安全意義重大[1]。20世紀(jì)50年代以來，荊江河段經(jīng)歷了下荊江裁彎、葛洲壩水利樞紐截流、三峽水庫運(yùn)行等重要的歷史變化，荊江河段水沙條件及輸移特征發(fā)生了相應(yīng)變化[2]。針對荊江三口水文情勢變化的問題，眾多學(xué)者從分流分沙變化特征[3-4]、河道沖淤變化[5-6]、江湖關(guān)系演變規(guī)律[7-8]等角度進(jìn)行分析研究，結(jié)論以三口洪道淤積萎縮，三口分流量減少居多。三峽水庫運(yùn)行后，荊南三口分流分沙變化也受到廣泛關(guān)注，王冬等[9]通過分析指出枝城同流量下三口分流比和分流量在三峽水庫蓄水前后變化不大，三口分流量減少與上游來水偏枯有關(guān)。郭小虎等[10]著重分析松滋口的分流分沙年際變化特征，指出影響松滋口分流分沙比變化的最主要的因素為口門附近水位和口門高程的變化。許全喜[11]在分析三口分流分沙變化規(guī)律基礎(chǔ)上，指出了三口洪道泥沙淤積、三口口門河勢變化、荊江河床沖刷、洞庭湖淤積萎縮是影響荊江三口分流分沙變化的主要因素。由于荊江河道泥沙沖淤變化較為明顯，三峽水庫運(yùn)行以后，流域大洪水條件下荊江三口分流分沙能力是否有顯著的變化，是目前研究的熱點(diǎn)。本文在歸納總結(jié)荊江三口長歷時(shí)分流分沙變化規(guī)律的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)分析2020年枝城大流量條件下荊江三口的分流分沙特性，評估荊江分流能力的變化，本研究可以為江湖關(guān)系深入研究提供技術(shù)支撐。

圖1 荊南四河水系區(qū)域以及水文站網(wǎng)分布Fig.1 Location of gauge stations in Jingnan area

2 荊江三口分流分沙特性分析

2.1 年際變化

20世紀(jì)50年代以來，下荊江裁彎、葛洲壩、三峽水庫以及上游水庫群修建，對荊江三口分流分沙產(chǎn)生了一定的影響。荊江三口的演變大致分為5個階段，各個階段起止時(shí)間及代表事件見表1。

表1 荊江三口分流變化過程匯總Tab.1 Changes on diverted flow of the three outlets of Jingjiang River

受下荊江裁彎、葛洲壩水利樞紐、三峽水庫及上游水庫群的興建等多重因素影響，荊江三口分流分沙量一直處于衰減之中(見圖2～3和表2～3)。三口分流量和分流比呈現(xiàn)階段性減小的變化特征。1956～1966年荊江三口分流比基本穩(wěn)定在29%，分流比和枝城來水量呈正相關(guān)關(guān)系；在1967～1972年下荊江系統(tǒng)裁彎期間，荊江河床沖刷，與1966年以前相比，三口分流量和分流比均明顯減少，如1970年和1956年枝城徑流量分別為4 332億m3和4 366億m3，但三口分流比減小幅度達(dá)到6%。裁彎后的1973～1980年，荊江河床繼續(xù)大幅沖刷，三口分流量和分流比衰減速度有所加大，同樣1977年枝城徑流量為4 373億m3，但三口分流比較1970年減小8%；1981年葛洲壩水利樞紐修建后，衰減速率則有所減緩，一期工程運(yùn)用期(1981～1985年)其庫區(qū)淤積量達(dá)1.4 億m3，占淤積平衡時(shí)總淤積量的96%，可知葛洲壩蓄水對荊江三口的主要作用期是1981～1985 年；1985～2002 年，人類活動的擾動強(qiáng)度有所減弱，三口分流比與來流的關(guān)系有一定的恢復(fù)[12]。2003～2019年與1981～2002年相比，在來流相近的情況下，三口分流比未出現(xiàn)明顯的下降趨勢，三口分流比均值偏小的主要原因是來水量偏少，長江干流枝城站水量偏少了308億m3，偏少幅度為7%；三口分流量減小了206.2億m3，減幅為30%，分流比也由15%減小至12%。其中，分流量減幅最大的為藕池口，其分流量減少了77.5億m3，減幅為43%，其分流比則由4.1%減小至2.5%；松滋口分流量減少了76.9億m3，減幅為18.5%，其分流比則由8.4%減小至7.1%；太平口分流量減少了51.8億m3，減幅為39%，其分流比則由3.0%減小至1.9%。

圖2 荊江三口分流分沙量年際變化過程Fig.2 Annual diverted flow and sediment of the three outlets along Jingjiang River

圖3 荊江三口分流分沙比年際變化過程Fig.3 Annual diverted flow and sediment ratio of the three outlets along Jingjiang River

表2 荊江三口分時(shí)段多年平均分流量與分流比Tab.2 Annual flow and flow diversion ratio of the three outlets along Jingjiang River in different periods

表3 荊江三口分時(shí)段多年平均分沙量與分沙比Tab.3 Annual sediment and sediment diversion ratio of the three outlets along Jingjiang River in different periods

三口分沙量和分沙比呈現(xiàn)階段性減小的變化特征。三峽水庫運(yùn)行以后，受到“清水下泄”的影響，壩下游河道輸沙量大幅減少。枝城站2003～2019年年均輸沙量較1981～2002年減少了41 990萬t，減少幅度為90%，三口分沙量減少了7 826萬t，減幅為90%，分沙比變化不大，松滋口、太平口以及藕池口分沙量減少幅度基本相當(dāng)。荊江河床沖刷主要集中在枯水河槽，而三口分流分沙主要集中在汛期，河道洪水位沒有明顯下降，這也是三口分流分沙比在2003～2019年沒有明顯減少的原因之一。

此外，通過分析不同時(shí)段荊江三口年均分流(沙)比與枝城站年徑流量關(guān)系(見圖4)，可以看出：分流比與枝城來水量線性相關(guān)關(guān)系較好，枝城站同流量級條件下分流比持續(xù)下降；分沙比在1967～2002年間相關(guān)關(guān)系較好，2003年以后，受到“清水下泄”的影響，枝城輸沙量與三口分沙比相關(guān)關(guān)系較差。

圖4 不同時(shí)段荊江三口年均分流(沙)比與枝城站年徑流量關(guān)系Fig.4 Relationship between flow (sediment) diversion ratio of the three outlets along Jingjiang River and flow at Zhicheng Station in different periods

從三口分流分沙年際變化規(guī)律來看，三口分流分沙均呈現(xiàn)階段性減少特征，影響不同時(shí)段三口分流分沙變化的原因主要有兩個方面：1980年以前，受到裁彎等工程影響，干流與三口洪道的水位差減小，枝城同流量條件下，長江干流水位下降，三口分流洪道水位抬升，使得三口分流分沙量持續(xù)減少；20世紀(jì)80年代中期至今，分流分沙量減少的原因有所不同，分流量減少的主要原因是干流來水量的偏少，分沙量減少的主要原因是梯級水庫運(yùn)行導(dǎo)致干流來沙量的大幅減少，2003～2019年與1981～2002年相比，三口分流分沙比沒有明顯的變化。

2.2 年內(nèi)變化

1956～2002年，荊江三口分流比的減小主要集中在5～11月(見表4和圖5)。特別是下荊江裁彎后的1973～1980年與1956～1966年相比，一般流量越大，分流比減小幅度越大；如當(dāng)枝城站月均流量分別為10 000，20 000，25 000 m3/s時(shí)，1973～1980年荊江三口月均分流比分別為9.3%，19.6%，23.9%，較1956～1966年分別減小了9.4%，12.0%，12.7%，之后減幅逐漸減小。

表4 不同時(shí)段三口各月平均分流比與枝城站平均流量Tab.4 Monthly flow diversion ratio of the three outlets along Jingjiang River and flow at Zhicheng Station in different periods

2003～2019年與1981～2002年相比，枯水期12月至次年4月三口分流比較小，分流比基本為1.0%～3.1%，變化不大；5月枝城站平均流量略有增加，增幅為15%，三口分流比基本沒有變化；6～9月三口分流比減小2.3%～4.8%；10月則為三峽水庫主要蓄水期，下泄流量有所減小，三口分流比減小了5.6%；11月減小了1.3%。

荊江三口分沙比變化與分流比變化見表5和圖5。在2002年以前，分沙比減少主要集中在5～11月。2003～2019年與1981～2002年相比，枯水期12月至次年3月三口分沙比較小且變化不大；4月枝城輸沙量減少65%，分沙比減少6.9%；5月枝城輸沙量減少90%，分沙比減少4.8%；6～9月三口分沙比變化不大；10月則為三峽水庫主要蓄水期，下泄流量有所減小，三口分沙比減小了2.6%；11月減小了9.8%。

圖5 不同時(shí)段枝城站月均流量(輸沙量)與三口分流(沙)比關(guān)系變化Fig.5 Monthly flow(sediment) diversion ratio of the three outlets along Jingjiang River and flow(sediment) at Zhicheng Station in different periods

表5 不同時(shí)段三口各月平均分沙比與枝城站平均輸沙量Tab.5 Monthly sediment diversion ratio of the three outlets along Jingjiang River and sediment at Zhicheng Station in different periods

3 典型洪水過程對應(yīng)的三口分流分沙變化

鑒于洪水過程受水利工程影響顯著，本次重點(diǎn)統(tǒng)計(jì)葛洲壩修建(1981年)以來枝城站年最大洪峰流量對應(yīng)的荊江三口分流比和分沙比，分析典型洪水過程中三口分流以及分沙的變化，結(jié)果見圖6和圖7。

圖6 枝城站年最大洪峰流量對應(yīng)三口分流比變化Fig.6 The flow diversion ratio for annual maximum peak flow at Zhicheng station

圖7 枝城站年最大洪峰流量對應(yīng)三口分沙比變化Fig.7 The sediment diversion ratio for annual maximum peak flow at Zhicheng station

根據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，2003年以前洪水條件下，荊江三口分流比為19%～31%，其中松滋口分流比為10%～15%，太平口分流比為4%左右，藕池口分流比變化較大，為3%～10%，三口中除太平口以外，其他兩口分流比與干流洪水相關(guān)性較好，一般洪峰量級越大，相應(yīng)分流比越大；2003年以后，受到上游梯級水庫防洪調(diào)度的影響，枝城站實(shí)測洪水量級較2003年以前明顯減少，但三口分流量與枝城來水量相關(guān)關(guān)系沒有發(fā)生明顯變化，受到洪水量級減少的影響，三口分流比小幅減少，其中松滋口變化不明顯，分流比為11%～14%；太平口分流比略有下降，為3.5%左右，藕池口分流比有所下降，為2%～8%。2003年以后，枝城站實(shí)測洪峰流量大于50 000 m3/s的僅有2場，分別為2004年以及2020年，對應(yīng)洪水過程見圖8。2004年枝城站洪水過程為單峰，漲落較快，最大1 d洪量為49億m3，最大3 d洪量為142億m3，最大7 d洪量為289億m3；2020年枝城站洪水起漲點(diǎn)流量較高，洪水過程漲落較為平緩，最大1 d洪量為44億m3，最大3d洪量為132億m3，最大7 d洪量為302億m3；兩場洪水過程對應(yīng)三口的分流比為25%左右，2004年和2020年在大流量情況下分流比與三峽水庫建庫前洪水分流比相比沒有明顯變化。2020年松滋口分流比與往年相比偏大，主要原因是三峽水庫運(yùn)行后松滋口口門河段以沖刷為主，河道的沖刷也使得枝城大流量條件下松滋口洪道過流能力增大[12-13]，從而使得2020年松滋口分流比明顯高于其他大水年分流比。

圖8 2004年和2020年枝城和荊江三口洪水過程Fig.8 The process of flood at Zhicheng station and the three outlets along Jingjiang River in 2004 and 2020

根據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，2003年以前洪水條件下，荊江三口分沙比為15%～45%，其中松滋口分沙比為6%～15%，太平口分沙比為2%～6%，藕池口分沙比變化較大，一般為2%～25%；2003年以后，枝城站來沙量明顯減少，枝城站來沙量與荊江三口分沙比相關(guān)關(guān)系較差。2004年和2020年大水年，枝城站對應(yīng)單日輸沙量分別為714萬t和290萬t，對應(yīng)荊江三口分沙比分別為23%和26%。兩場洪水對應(yīng)枝城站最大1 d 洪量情況下，2020年枝城來沙量較2004年顯著減少，但對應(yīng)荊江三口分沙比沒有發(fā)生較明顯變化。

選取枝城來水較大的典型洪水年，并與2020年進(jìn)行對比，分析枝城不同量級來水條件下三口分流能力的變化(見圖9)?？梢钥闯觯诜至髯兓^為明顯時(shí)期發(fā)生在1998年以前，1998年以后，三口分流變化幅度較小。在枝城不同流量級條件下，2020年三口分流比較1964年銳減了15.2%～19.3%，其中，當(dāng)枝城為30 000 m3/s流量時(shí)，三口分流比減幅最大。2020年與1981年相比，分流比減少3.6%～6%，與1998年相比，分流比減少2.6%～3.9%，與2004年相比，分流比減少了0.6%～2.9%。2003年以后，在枝城50 000 m3/s條件下，三口分流能力基本沒有發(fā)生變化，分流比維持在25%左右。

圖9 典型大水年三口分流能力變化Fig.9 Comparison of the flow diversion under the same condition of flow at Zhicheng Station in flood year

4 結(jié) 論

(1) 受到下荊江裁彎、梯級水庫運(yùn)行等因素影響，荊江三口分流分沙量一直處于衰減之中。2003～2019年與1981～2002年相比，在來流相近的情況下，三口分流比未出現(xiàn)明顯的下降趨勢，三口分流比均值偏小的主要原因是來水量偏少，枝城來沙量減少幅度為90%，三口分沙量減幅為90%，分沙比變化不大。

(2) 年內(nèi)變化上，分流比減少主要集中在5～11月，其中10月減幅最大；分沙比變化較大的是4，5月和11月，其中11月減幅最大。

(3) 在典型洪水過程中，三峽水庫蓄水以后，三口 分流比為15%～28%，其中松滋口變化不明顯，分流比為11%～14%；太平口分流比略有下降，為3.5%左右，藕池口分流比略有下降，為2%～8%。枝城站實(shí)測洪峰大于50 000 m3/s僅有2場，分別為2004年及2020年，對應(yīng)的分流比為25%，在大流量情況下分流比與三峽水庫建庫前洪水分流比相比沒有明顯變化。兩場洪水對應(yīng)枝城站最大日洪量接近情況下，2020年枝城來沙量較2004年顯著減少，但對應(yīng)荊江三口分沙比沒有發(fā)生較明顯變化。

(4) 2003年以后，在枝城50 000 m3/s條件下，三口分流能力基本沒有發(fā)生變化，分流比維持在25%左右。隨著三峽水庫及上游水庫群蓄水后長江中下游干流的沖淤變化，三口分流分沙情況的變化還有待進(jìn)一步觀測和分析。

說 明

本文2020年水文要素的統(tǒng)計(jì)分析源自報(bào)汛數(shù)據(jù)。