朱博淵,徐 琪,朱玲玲,李義天
(1:長沙理工大學(xué)水利與環(huán)境工程學(xué)院,長沙 410114) (2:水沙科學(xué)與水災(zāi)害防治湖南省重點實驗室,長沙 410114) (3:長江水利委員會水文局,武漢 430010) (4:武漢大學(xué)水資源與水電工程科學(xué)國家重點實驗室,武漢 430072)
荊江三口包括長江荊江河段南岸松滋口、太平口和藕池口,是連接長江與洞庭湖的紐帶[1-4](圖1)。歷史上還有調(diào)弦口分荊江干流水沙入洞庭湖,但該口門于1958年冬建閘控制[5]。受自然條件和人類活動影響,近70年來荊江三口分流持續(xù)減少,對江湖關(guān)系調(diào)整產(chǎn)生直接作用[2-4,6-8]。
圖1 荊江-洞庭湖分匯關(guān)系與水利工程、水文站位置Fig.1 Connection between Jingjiang River and Lake Dongting, and locations of water conservancy projects and hydrological stations
1950s開始,長江上游降雨偏少[9-10],使得長江中游干流年徑流量減小,荊江三口分流相應(yīng)減少。1960s以后,下荊江裁彎增大河道水面比降、葛洲壩攔沙和長江上游水土保持工程減少荊江河段來沙量,荊江河段總體沖刷[11-15],至三峽水庫蓄水前10年左右,沖刷趨勢已明顯減弱;三峽水庫蓄水后,下泄水流含沙量大幅減小,下游河道再次出現(xiàn)顯著沖刷[15-20]。三峽水庫蓄水前,荊江干流與三口洪道沖淤性質(zhì)相反,干流沖刷、三口洪道淤積,干流與三口口門水位差減小,導(dǎo)致三口分流持續(xù)減少[11-15,19-23];三峽水庫蓄水后,三口分流變化不大,原因為荊江干流與三口洪道均表現(xiàn)為沖刷,干支流水位均下降,緩解了分流減少趨勢,但三口分流年內(nèi)過程受三峽水庫調(diào)蓄徑流的影響重新分配[19-20,24-29]。關(guān)于三口分流變化趨勢,現(xiàn)有認識為分流年均值取決于干流來水量,但干流同流量下分流變化不大[19-22,25]。
基于控制變量法,現(xiàn)有研究重點識別了三峽水庫運用對荊江三口分流變化的影響。如2003-2014年三峽水庫汛前枯水補償調(diào)度使得三口分流量年均增加8×108m3,汛后蓄水使得三口分流量年均減小29×108m3,對三口分流量綜合影響為年均減小21×108m3,占同期三口年均分流量的4.29%[20];降雨、水庫調(diào)度和河道調(diào)整在水庫運行初期(2003-2008年)和優(yōu)化調(diào)度后(2009-2015年)對三口分流量減小的貢獻比例分別為76.19%、10.32%、13.49%和66.05%、19.75%、14.20%[26];三峽水庫優(yōu)化調(diào)度后(2008-2017年),水庫調(diào)度在汛前消落期、汛期、汛末蓄水期和枯水期分別使得三口多年平均分流量變化23.94%、-3.54%、-37.18%和5.61%,河道調(diào)整在以上4個時期分別使得三口多年平均分流量變化-15.37%、2.32%、-2.92%和-20.24%[27]。
當前,關(guān)于三口分流減少過程、機制和變化趨勢的研究成果已較為豐富,其中對于驅(qū)動因素貢獻比例的定量識別集中于三峽水庫不同調(diào)度期。而三口分流變化的歷史過程受降雨變化、調(diào)弦口堵口、下荊江裁彎、葛洲壩運用和三峽水庫運用等多因素驅(qū)動作用,目前對各因素影響的系統(tǒng)性研究尚顯不足,特別是對各因素貢獻比例的量化,據(jù)此開展相關(guān)研究工作將有助于實時確定江湖關(guān)系演變的控導(dǎo)因素,科學(xué)調(diào)整治理對策。本文根據(jù)長江干流和三口洪道1955-2021年實測水文、地形資料分析三口分流變化過程和原因,采用控制變量法量化不同歷史階段各驅(qū)動因素貢獻,為三口分流變化趨勢和荊江-洞庭湖區(qū)規(guī)劃整治提供參考。
如圖1所示,松滋口分流量以新江口站和沙道觀站代表,太平口分流量以彌陀寺站代表,藕池口分流量以康家崗站和管家鋪站代表,各口門分流比則是對應(yīng)分流量在枝城站來流量中的占比。
三口分流變化分為6個階段(圖2):調(diào)弦口堵口前(1955-1958年),三口分流量和分流比年均值分別為1348×108m3和31%;調(diào)弦口堵口至下荊江裁彎前(1959-1966年),三口分流量和分流比年均值分別為1298×108m3和29%,較上一階段分別減小50×108m3和2%;下荊江裁彎至葛洲壩運用前(1967-1980年),三口分流量和分流比年均值分別為880×108m3和20%,較上一階段分別減小418×108m3和9%;葛洲壩運用至三峽水庫初期蓄水前(1981-2002年),三口分流量和分流比年均值分別為664×108m3和15%,較上一階段分別減小216×108m3和5%;三峽水庫初期蓄水至試驗性蓄水前(2003-2008年),三口分流量和分流比年均值分別為475×108m3和12%,較上一階段分別減小189×108m3和3%;三峽水庫試驗性蓄水后(2009-2021年),三口分流量年均值為493×108m3,較上一階段略有增大,增大值為18×108m3,三口分流比年均值與上一階段相同。
圖2 三口分流量(a)和分流比(b)各階段變化Fig.2 Stage change in water diversion volume (a) and ratio (b) at the three outlets
荊江三口分流減少集中在5-11月(表1)。1959-1966年與1955-1958年相比,5-11月三口分流量減小41×108m3,三口分流比減小3%;1967-1980年與1959-1966年相比,5-11月三口分流量減小386×108m3,三口分流比減小9%;1981-2002年與1967-1980年相比,5-11月三口分流量減小210×108m3,三口分流比減小7%;2003-2008年與1981-2002年相比,5-11月三口分流量減小178×108m3,三口分流比減小2%,其中10月為蓄水期,分流比減小幅度最大,減小值為4.7%;2009-2021年與2003-2008年相比,5-11月三口分流量和分流比均略有增大,增大值分別為7.2×108m3和0.2%。以上各階段5-11月三口分流量減小值的平均值為169×108m3、占年均減小值的98%,分流比減小值的平均值為4%。12月至次年4月,三口分流量和分流比減小值均很小,各階段減小值的平均值分別為4×108m3和1%。
表1 各階段三口月均分流量與分流比Tab.1 Monthly water diversion volume and ratio at the three outlets for each stage
導(dǎo)致荊江三口分流年均值持續(xù)減少的自然因素主要為降雨減少引發(fā)的干流來流偏枯。如圖3所示,長江上游降雨量在1970年以后多數(shù)低于多年平均值,且枝城站年徑流量隨上游年降雨量同步減小關(guān)系較好,使得三口年分流量相應(yīng)減小。統(tǒng)計結(jié)果表明,1955-1958、1959-1966、1967-1980、1981-2002、2003-2008和2009-2021年6個階段長江上游降雨量多年平均值分別為981、933、820、808、801和841 mm。
圖3 長江上游年降雨量、枝城站年徑流量和三口年分流量變化Fig.3 Variation in yearly precipitation of upper Yangtze, yearly water discharge at Zhicheng station and yearly water diversion volume at the three outlets
人類活動影響主要體現(xiàn)在三口分流階段性變化上:
1)調(diào)弦口堵口前(1955-1958年):枝城站同水位下流量變化不大(圖4a1),說明荊江河段沖淤平衡。以圖1中枝城站、沙市站、新廠站水位近似代表三口口門水位,松滋口、太平口口門同水位下分流流量變化不大(圖4b1),說明口門沖淤變化不大;藕池口口門35 和37 m水位下分流流量略有減小(圖4b1),說明口門略有淤積。以上對干支流水位差影響不大,該階段三口分流隨降雨減少(圖3)。
圖4 荊江干流及三口口門沖淤變化Fig.4 Erosion-deposition at Jingjiang River and the three outlets
2)調(diào)弦口堵口至下荊江裁彎前(1959-1966年):枝城站同水位下流量變化不大、略有增加(圖4a1),說明荊江河段基本沖淤平衡、略有沖刷。松滋口、太平口口門同水位下分流流量變化不大(圖4b1),說明口門沖淤變化不大;藕池口口門同水位下分流流量減小較上一階段明顯(圖4b1),說明口門淤積。以上使得干支流水位差變小,促進該階段三口分流減少。調(diào)弦口堵口應(yīng)利于三口分流增加,但由于調(diào)弦口堵口前年均分流量僅120×108m3[30],占枝城站年徑流量3%,因而對三口分流促進作用不明顯。
3)下荊江裁彎至葛洲壩運用前(1967-1980年):干流河道縮短,水面比降和河道流速明顯增大,河床下切,枝城站38.00、42.00 和46.00 m水位下流量平均值分別較裁彎前增大148、1399和1732 m3/s(圖4a1)。松滋口、太平口和藕池口口門相同水位下分流流量均減小(圖4b1),說明口門均表現(xiàn)為淤積,其中藕池口口門淤積幅度最大。具體而言,松滋口口門39.00、43.00和47.00 m水位下分流流量平均值分別較裁彎前減小62、94和217 m3/s,太平口口門35.00、37.00 和40.00 m水位下分流流量平均值分別較裁彎前減小10、6和44 m3/s,藕池口口門33.00、35.00 和37.00 m水位下分流流量平均值分別較裁彎前減小207、721和1218 m3/s。以上使得干支流水位差相比于上一階段減小幅度顯著增加,導(dǎo)致三口分流明顯少于上一階段。
4)葛洲壩運用至三峽水庫運用前(1981-2002年):干流河床繼續(xù)下切,枝城站以上各水位對應(yīng)流量平均值分別較上一階段增大1019、1972和1063 m3/s(圖4a1)。松滋口、太平口、藕池口口門同水位下分流流量均減小(圖4b1),說明口門仍整體表現(xiàn)為淤積,但松滋口、藕池口口門在1998年洪水后由淤轉(zhuǎn)沖(圖4b1),太平口口門中枯水河槽1990年以后由淤轉(zhuǎn)沖(圖4b1)。具體而言,松滋口口門39.00、43.00和47.00 m水位下分流流量平均值分別較裁彎期減小51、136和267 m3/s;太平口口門35.00、37.00和40.00 m水位下分流流量平均值分別較裁彎期減小81、61和144 m3/s;藕池口口門33.00、35.00和37.00 m水位下分流流量平均值分別較裁彎期減小125、452和1510 m3/s。以上使得干支流水位差相比于上一階段進一步減小,導(dǎo)致該階段三口分流繼續(xù)減少,但1998年以后同水位下分流減少速率趨緩。
5)三峽水庫運用后(2003-2021年):三口附近干流河床沖淤并存、以沖刷為主,深泓最大下切幅度在2.6~8.2 m之間(圖4a2~a7)。松滋口、太平口、藕池口口門也表現(xiàn)為沖刷,其中松滋口口門沖刷幅度最大,藕池口口門次之,太平口口門沖刷幅度最小,深泓最大下切幅度在0.8~8.7 m之間(圖4b2~b4)。干流河床與三口口門斷面同步?jīng)_刷,水位差相比于上一階段增大,有助于緩解三口分流減少趨勢。故該階段三口分流相比于上一階段減幅變小,且階段內(nèi)無明顯變化。2003-2008年至2009-2021年三口分流略有增大的原因為后一階段長江上游降雨量偏大,導(dǎo)致枝城站年徑流量偏大(圖3)。
長江上游降雨減少主要集中在汛期,枯期減少不顯著[10,31],故汛期降雨減少對各階段5-11月三口分流持續(xù)減少作用明顯。各階段人類活動對5-11月三口分流減少的影響分析如下:
1)調(diào)弦口堵口前(1955-1958年):人類活動不顯著,5-11月三口分流減少主要受降雨減少影響。
2)調(diào)弦口堵口至下荊江裁彎前(1959-1966年): 根據(jù)調(diào)弦口閘運行方式[32],5-11月基本不開閘,故對該時期三口分流應(yīng)是促進作用,遇長江干流發(fā)生大洪水需要承擔(dān)分洪任務(wù)時,最大分洪流量應(yīng)控制在華容河泄流能力980 m3/s以內(nèi)[5],僅占枝城站同期流量5%,故對5-11月三口分流減少的影響很小。
3)下荊江裁彎至葛洲壩運用前(1967-1980年): 裁彎造成干流河道大幅下切,由于三口分流主要與干流中洪水位有關(guān)[19-20],故汛期5-11月河床下切造成的三口分流減少幅度更大[20,23]。前文統(tǒng)計結(jié)果顯示,三口年均分流量該階段相比上一階段減小418×108m3,其中5-11月減小386×108m3,占比92%,且該階段相比上一階段年均分流比與5-11月分流比的減小值相同。
水庫蓄水后,為分析水庫調(diào)度對三口分流月均值的影響,對無水庫調(diào)度時枝城站月均流量按下式還原:
Q還原=Q實測+Q入庫-Q出庫
(1)
式中,Q還原為枝城站還原月均流量(m3/s);Q實測為枝城站實測月均流量(m3/s);Q入庫、Q出庫分別代表水庫入、出庫月均流量(m3/s)。三峽水庫入庫流量為干流寸灘站與支流武隆站流量之和,出庫流量代表站為黃陵廟站,葛洲壩入、出庫流量代表站分別為黃陵廟站和宜昌站,各水文站位置見圖1。
4)葛洲壩運用至三峽水庫運用前(1981-2002年)、三峽水庫初期蓄水期(2003-2008年)和三峽水庫試驗性蓄水以來(2009-2021)的Q還原分別見附表Ⅰ、附表Ⅱ和附表Ⅲ。
干流向三口口門分流的過程類比堰流模式[33],分流流量大小主要取決于荊江干流與三口洪道水位(或三口口門河底高程)差[19-20,22,34],通??山柚囗検交騼绾瘮?shù)建立分流流量與該差值或與干流流量(水位)較好的相關(guān)關(guān)系[22,26-27,29]。經(jīng)統(tǒng)計,本文各歷史階段采用一元二次多項式擬合荊江三口與枝城站實測月均流量關(guān)系的相關(guān)系數(shù)整體最大,故應(yīng)用于定量研究中。各水庫調(diào)度階段的擬合關(guān)系見圖5。
圖5 各水庫調(diào)度階段荊江三口與枝城站實測月均流量擬合關(guān)系Fig.5 Fitting curve of monthly discharges between the three outlets and Zhicheng station at each stage of reservoir operation
5)葛洲壩運用至三峽水庫運用前(1981-2002年):圖5(a)中三口與枝城站實測月均流量擬合關(guān)系式為:
(2)
式中,q實測為三口實測月均流量(m3/s);R為相關(guān)系數(shù)。
將附表Ⅰ中Q實測和Q還原代入式(2),得到三口實測和還原月均流量q′實測和q還原的計算值,進一步比較q′實測與q還原,可得到葛洲壩調(diào)度造成的三口各月分流流量變化。根據(jù)附表Ⅰ中q′實測-q還原結(jié)果可知,葛洲壩調(diào)度使得5-11月三口分流量減小0.4×108m3,12月至次年4月分流量減小0.2×108m3,年均分流量整體減小0.6×108m3。
6)三峽水庫初期蓄水期(2003-2008年): 三口與枝城站實測月均流量擬合關(guān)系式(圖5(b))為:
(3)
將附表Ⅱ中Q實測和Q還原代入式(3),同理得到三峽水庫初期蓄水期調(diào)度造成的三口各月分流流量變化。根據(jù)附表Ⅱ中q′實測和-q還原結(jié)果可知,三峽水庫初期蓄水期調(diào)度使得5-11月三口分流量減小12.5×108m3,12月至次年4月分流量增大0.1×108m3,年均分流量整體減小12.4×108m3。
7)三峽水庫試驗性蓄水以來(2009-2021年),三口與枝城站實測月均流量擬合(圖5(c))關(guān)系式為:
(4)
將附表Ⅲ中Q實測和Q還原代入式(4),同理得到三峽水庫試驗性蓄水期調(diào)度造成的三口各月分流流量變化。根據(jù)附表Ⅲ中q′實測-q還原結(jié)果可知,三峽水庫試驗性蓄水期調(diào)度使得5-11月三口分流量減小38.6×108m3,12月至次年4月分流量增大1.3×108m3,年均分流量整體減小37.3×108m3。
因此,葛洲壩和三峽水庫調(diào)度造成的季節(jié)和年均三口分流減小量中,5-11月減小量占主要部分,對表1中對應(yīng)階段的5-11月三口分流減少具有促進作用。此外,5-11月是水庫攔蓄泥沙的主要時期,攔沙造成干流河床沖刷,也利于該時期三口分流減少。
葛洲壩運用至三峽水庫運用前(1981-2002年)、三峽水庫初期蓄水期(2003-2008年)和三峽水庫試驗性蓄水期(2009-2021年)荊江三口月均分流流量與枝城站月均流量的擬合關(guān)系見圖5和式(2)~(4),調(diào)弦口堵口前(1955-1958年)、調(diào)弦口堵口至下荊江裁彎前(1959-1966年)和下荊江裁彎至葛洲壩運用前(1967-1980年)各階段擬合關(guān)系見圖6和式(5)~(7)。
圖6 水庫調(diào)度前各階段荊江三口與枝城站實測月均流量擬合關(guān)系Fig.6 Fitting curve of monthly discharges between the three outlets and Zhicheng station at each stage before reservoir operation
(5)
(6)
(7)
調(diào)弦口堵口和下荊江裁彎對三口分流變化的貢獻計算如下:
(8)
式中,Δq年均-工程代表堵口或裁彎造成的三口年均分流流量變化(m3/s);f工程前代表堵口或裁彎前三口月均分流流量與枝城站月均流量的擬合關(guān)系,即式(5)或式(6);f工程后代表堵口或裁彎后的擬合關(guān)系,即式(6)或式(7);Q實測-工程后代表堵口或裁彎后的枝城站實測月均流量(m3/s)。
調(diào)弦口堵口或下荊江裁彎前后三口分流流量總變化為:
Δq年均-全=q年均-工程后-q年均-工程前
(9)
式中,q年均-工程后代表堵口或裁彎后三口實測年均分流流量(m3/s);q年均-工程前代表堵口或裁彎前三口實測年均分流流量(m3/s)。
則調(diào)弦口堵口或下荊江裁彎前后降雨變化引起的三口年均分流流量變化為:
Δq年均-降雨=Δq年均-全-Δq年均-工程
(10)
因此,調(diào)弦口堵口/下荊江裁彎和降雨變化對三口分流變化的貢獻比例分別為:
(11)
(12)
葛洲壩和三峽水庫運用后,水庫調(diào)度和水庫下游河道調(diào)整均引起三口分流變化,對三口分流的影響可分別計算如下:
(13)
(14)
式中,Δq年均-河道調(diào)整代表水庫下游河道調(diào)整造成的三口年均分流流量變化(m3/s);f蓄水前、f蓄水后分別代表蓄水前和蓄水后三口月均分流流量和枝城站月均流量的擬合關(guān)系,葛洲壩運用前后分別為式(7)和式(2),三峽水庫初期蓄水運用前后分別為式(2)和式(3),三峽水庫試驗性蓄水運用前后分別為式(3)和式(4);Q實測-蓄水后代表蓄水后枝城站實測月均流量(m3/s)。
水庫運用前后,三口分流流量總變化為:
Δq′年均-全=q年均-蓄水后-q年均-蓄水前
(15)
式中,q年均-蓄水后、q年均-蓄水前分別代表蓄水后和蓄水前三口實測年均分流流量(m3/s)。
則水庫運用前后降雨變化引起的分流流量變化為:
Δq′年均-降雨=Δq′年均-全-Δq年均-調(diào)度-Δq年均-河道調(diào)整
(16)
因此,水庫調(diào)度、下游河道調(diào)整和降雨變化對三口分流變化的貢獻比例分別為:
(17)
(18)
(19)
根據(jù)式(8)~(19)計算得到各驅(qū)動因素貢獻比例(表2),可以看出:調(diào)弦口堵口促使三口分流增大,貢獻比例為35%,但在降雨減少背景下,無法遏制三口分流減少趨勢。下荊江裁彎對三口分流貢獻比例很大,遠超該時期降雨減少的影響。葛洲壩和三峽水庫蓄水以來,降雨減少的影響最為顯著,貢獻比例大于50%,水庫調(diào)度和下游河道調(diào)整的影響居于次要地位:葛洲壩為低水頭徑流式電站,對徑流過程的調(diào)蓄能力很小,基本不影響三口分流,但該時期下游河道延續(xù)了下荊江裁彎期的沖刷過程,利于三口分流減少;三峽水庫初期蓄水與葛洲壩相比,對徑流過程的調(diào)蓄能力明顯增大,對三口分流減少產(chǎn)生一定貢獻,但略小于該階段下游河道調(diào)整的影響;三峽水庫試驗性蓄水以來,對徑流過程的調(diào)蓄能力進一步增大,相比于葛洲壩調(diào)度,對三口分流減少的貢獻明顯高于初期蓄水期(由7%上升至23%),且超過該時期下游河道調(diào)整的影響,說明試驗性蓄水期水庫的調(diào)蓄能力顯著增強;三峽水庫試驗性蓄水期與初期蓄水期相比,降雨增大使得三口分流略有增大,其影響超過了水庫調(diào)度和下游河道調(diào)整對三口分流減少的促進,故后兩種驅(qū)動因素的貢獻比例為負值。這些結(jié)果與已有研究[20,26-27]對應(yīng)時段的成果基本吻合。
表2 各驅(qū)動因素對三口分流貢獻比例*Tab.2 Contribution ratios of the driving factors on water diversion at the three outlets
根據(jù)表2計算結(jié)果,后三峽時期降雨變化是三口分流變化的控導(dǎo)因素。現(xiàn)有研究成果表明,長江上游降雨減少趨勢將至少持續(xù)到本世紀末[35-36],導(dǎo)致天然來流偏枯,因此,三口分流年均值將長期呈減少趨勢。而荊江干流與三口口門近期均處于沖刷狀態(tài),且沖刷速率相當(圖4),且對三口分流影響較大的干流中洪水位變化不大[19-22,37],使得干流與三口水位差基本穩(wěn)定,干流同流量下三口分流仍將維持當前水平。
本文采用1955-2021年長系列水文、地形實測資料和控制變量法,系統(tǒng)分析了各驅(qū)動因素對荊江三口分流變化的影響,并識別了貢獻比例,是對現(xiàn)有研究成果的重要補充,主要結(jié)論如下:
1)調(diào)弦口堵口、下荊江裁彎、葛洲壩運用和三峽水庫初期蓄水前后,荊江三口年均分流量分別減小50×108、418×108、216×108和189×108m3,年均分流比分別減小2%、9%、5%和3%,三峽水庫試驗性蓄水前后三口年均分流量增大18×108m3,與長江上游降雨增多有關(guān),年均分流比不變。三口分流減少集中在5-11月,占年均減少值的98%。
2)長江上游降雨減少導(dǎo)致三口分流長期減少,調(diào)弦口堵口對三口分流促進作用不明顯,未改變?nèi)诜至鳒p少過程,下荊江裁彎和葛洲壩攔沙造成的干流河床沖刷及三口口門淤積加速三口分流減少態(tài)勢,三峽水庫蓄水以來干流和三口口門同步?jīng)_刷,三口分流變化不大。
3)調(diào)弦口堵口和葛洲壩調(diào)度對三口分流年均和5-11月變化影響均很小,下荊江裁彎造成干流河床大幅下切,使得三口分流年均和5-11月顯著減少,貢獻比例達85%,其余時段長江上游降雨減少為控導(dǎo)因素,貢獻比例在58%以上,三峽水庫初期蓄水和試驗性蓄水調(diào)度貢獻比例分別為7%和23%,葛洲壩調(diào)度和三峽水庫上述兩個調(diào)度期下游河道調(diào)整貢獻比例分別為21%、10%和19%。未來長江上游降雨持續(xù)減少和荊江干流與三口洪道同步?jīng)_刷條件下,三口分流年均值將繼續(xù)減小,同干流流量下三口分流能力變化不大。
洞庭湖環(huán)境與生態(tài)問題突出,近期正在實施北部供水工程和規(guī)劃湖區(qū)生態(tài)疏浚,后期還將開展四口水系綜合整治,本文研究成果可為湖區(qū)工程治理提供參考。長江與洞庭湖關(guān)系處于動態(tài)調(diào)整中,建議開展長期跟蹤研究。
附表Ⅰ~Ⅲ見電子版(DOI: 10.18307/2023.0545)。