何康潔 鄧鵬鑫 劉昕 李威

摘要：為了研究三峽水庫調(diào)度引起的荊江河段河道沖刷，以及松滋口、太平口、藕池口三口分流分沙條件變化對沙市水文站水位流量關(guān)系的影響，利用校正因素法和落差法分別對沙市水文站受到的洪水漲落影響和下游回水頂托影響等因素進(jìn)行改正，分析了沙市水文站不同流量級下的水位降低情況，復(fù)核了三峽水庫建庫后沙市水文站的水位流量關(guān)系曲線。結(jié)果表明：當(dāng)蓮花塘水位在28 m以下時，在6 000～10 000 m3/s的過水流量條件下，與20世紀(jì)90年代水位流量關(guān)系線成果相比，2003～2021年沙市水文站水位降低了2.32～3.59 m；蓮花塘水位越低，斷面過水流量越小，沙市水文站水位降低越多；高水部分總體無趨勢性變化。

關(guān)鍵詞：水位流量關(guān)系； 校正因素法； 落差法； 沙市水文站； 長江中游

中圖法分類號：TV122

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2023.S2.003

文章編號：1006-0081（2023）S2-0011-04

0 引 言

長江流域防洪體系正逐步完善，社會發(fā)展對防洪保障能力、防洪區(qū)劃布局以及防洪管理建設(shè)需求等方面提出了更高的要求。到2021年，已有107座（處）水工程納入了長江流域聯(lián)合調(diào)度范圍［1-2］。受氣候變化、大規(guī)模工程建設(shè)和運(yùn)行的影響，流域水雨情以及江湖關(guān)系發(fā)生了新變化，需要盡快明晰以三峽水庫為核心的流域防洪工程體系建成后的江湖關(guān)系特征，進(jìn)而對防洪總體布局進(jìn)行優(yōu)化，進(jìn)一步提升流域防洪安全保障能力，推動新時期水利高質(zhì)量發(fā)展。

三峽水利樞紐工程與荊江分洪工程防洪調(diào)度決策運(yùn)行控制均以沙市（二郎磯）水文站水情為重要依據(jù)。三峽水庫的建成運(yùn)行改變了天然來水過程，也改變了下游水沙特性，荊江河段水沙特性的變化尤為明顯。上游水庫群的建設(shè)導(dǎo)致泥沙多被攔截在壩上，荊江河段受清水下泄影響，河道出現(xiàn)大幅沖刷，使得該段的洪水特性發(fā)生改變［3］。河道沖刷造成干流水位降低，松滋口、太平口、藕池口三口分流均有不同程度的減少［4-5］。部分河段河床出現(xiàn)嚴(yán)重沖刷，水位流量關(guān)系發(fā)生了較為明顯的變化，這些將對下游河段的河勢穩(wěn)定、通航條件、供水安全及生態(tài)環(huán)境等方面產(chǎn)生不利影響［6-8］。河道形態(tài)的改變對荊江河段中高水位影響不大，中低水位有一定程度的降低［9-10］。三峽水庫試驗性蓄水后，長江中下游干流各代表站低枯水同流量下水位有不同程度下降，其中沙市水文站下降幅度最大［11］。

本文利用三峽水庫蓄水以來的水文資料，運(yùn)用洪水漲落及下游支流回水頂托改正的計算方法，復(fù)核沙市水文站水位流量關(guān)系曲線。研究成果可為合理調(diào)度三峽工程等長江上游水庫、洪水預(yù)報以及洪水防御和《長江流域防洪規(guī)劃》的修編等提供重要參考。

1 研究區(qū)域概況

1.1 沙市水文站概況

沙市水文站位于湖北省荊州市沙市區(qū)二郎磯，是國家基本水文站、長江中游干流控制站［12］、中央報汛站、一類精度流量站、一類泥沙站，現(xiàn)監(jiān)測項目有水位、流量、降水量、懸移質(zhì)含沙量、懸移質(zhì)顆粒級配、沙質(zhì)推移質(zhì)、床沙、水質(zhì)。沙市水位站設(shè)立于1933年1月，水位觀測曾于1938年10月至1939年5月、1940年6月至1946年3月經(jīng)歷過兩次中斷，于1946年4月恢復(fù)。1991年1月增加了流量監(jiān)測項目，調(diào)整為水文站［13］。沙市水文站基本水尺位于測流斷面上游3.92 km的二郎磯，左岸上游1 km系學(xué)堂洲（古時為江干洲），原沮漳河于此匯入長江。沙市水文站所在長江流域水系水文站分布見圖1。

1.2 測驗河段及斷面概況

沙市水文站測流斷面位于柳林洲，測驗河段上游寬，下游窄，上下游約有4 km順直段，測流斷面與下游藕池口、城陵磯水文站距離分別為76.1，241.9 km。斷面呈“U”形，漫灘水位約42.4 m（使用凍結(jié)基面）。當(dāng)水位在41.0 m（使用凍結(jié)基面）以下時，江心洲露出水面，江水分為兩股；水位在44.2 m（使用凍結(jié)基面）以上時，右岸小堤淹沒與主河連成一片。上、下游洲灘變化及左右汊道的變動對沙市水文站河段主流擺動和斷面沖淤影響較大。

1981年葛洲壩水利樞紐大江截流開始蓄水和2003年三峽水庫蓄水之后，宜昌-沙市河段以及上荊江河段出現(xiàn)沖刷。

1.3 沙市水文站測驗方式

沙市水文站于2000年12月投產(chǎn)使用水文303輪，并配備了微機(jī)測流系統(tǒng)；2002年4月配備了全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（GPS）及數(shù)字測深儀。2005年7月1日，水位和雨量實現(xiàn)報汛自動化；2006年可視會商系統(tǒng)投入使用。2009年走航式聲學(xué)多普勒流速剖面儀（ADCP）投產(chǎn)測流；2010年水位流量關(guān)系單值化應(yīng)用于實際生產(chǎn)；2011年以來多型號激光粒度分析儀投產(chǎn)。2022年安裝了H-ADCP和V-ADCP，采用兩者相結(jié)合的方式開展流量在線監(jiān)測試驗研究，多種在線測沙儀、快速測沙儀已進(jìn)行比測試驗。

2 沙市水文站水位流量關(guān)系影響因素

沙市水文站水位流量關(guān)系的影響因素較多，主要因素為受河段沖淤影響引起的斷面變化、洞庭湖來水小而長江來水大造成的洪水漲落與下游蓮花塘回水頂托［14-16］。除此之外，還有洪水來水組成、洪水間隔時間、起漲水位、洪峰形狀等［17-18］。20世紀(jì)60～70年代下荊江裁彎系統(tǒng)性改變了沙市水文站水位流量關(guān)系，使得該河段水面比降有所增加，并引起河道內(nèi)長時期沖刷，河道過流能力增加，直至20世紀(jì)90年代前才達(dá)到?jīng)_淤平衡。裁彎縮短了沙市至城陵磯間的距離，增加了蓮花塘的頂托影響。

2.1 過流斷面變化

根據(jù)沙市水文站實測資料分析，在三峽水庫建庫前，1991～2002年斷面呈現(xiàn)汛期沖、汛后淤的規(guī)律性變化，年內(nèi)汛前汛后沖淤大致平衡。以水位41 m 的斷面面積為例，面積變化一般相差不超過4%。年際斷面沖淤交替變化。沙市水文站高水水位40 m時斷面面積基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，變化幅度較小，無趨勢性變化。三峽水庫建庫1991～2002年沙市水文站實測斷面見圖2。

沙市水文站測驗斷面在三峽水庫運(yùn)行后變化較大（圖3）。當(dāng)水位41 m時，2003年斷面過水面積為17 224 m2，與1991年的過水面積17 231 m2相差無幾；2007～2017年，斷面基本呈現(xiàn)出沖刷-回淤-沖刷的態(tài)勢，隔年略有回淤；2018～2021年為持續(xù)性沖刷，不同水位級斷面過流面積均增大。當(dāng)水位為45 m時，2021年過水?dāng)嗝婷娣e比2003年增大22.2%。

2.2 三口分流分沙條件變化

多年來，洞庭湖區(qū)及松滋口、太平口、藕池口三口分洪道呈逐步淤積的態(tài)勢，抬高了臨界過流水位，使得洞庭湖入湖水量、沙量減少。20世紀(jì)50～90年代，三口年分流、分沙量分別減少了15%和17%。

2003年三峽水庫運(yùn)行后，三口分流量繼續(xù)保持衰減的變化趨勢。與1981～2002年相比，三峽水庫建庫后三口分流量減小了189億m3，減幅為27.6%；分流比減小了3.4%；分沙量減少了7 810萬t，減幅為90%；分沙比略有增加。

3 沙市水文站水位流量關(guān)系影響因素改正

3.1 洪水漲落影響改正

當(dāng)洞庭湖來水小、長江來水較大時，沙市水文站水位流量關(guān)系受到洪水漲落影響較為明顯。選取此類年份資料進(jìn)行分析，修正方法采用校正因素法，計算公式如下：

式中：Qc為校正后的穩(wěn)定流量，m3/s；Qn為實測流量，m3/s；ΔZ為洪水1 d內(nèi)的漲落值，m；Δt為時段，s；1/（UIc）為校正因子。

3.2 蓮花塘頂托水位分析

當(dāng)洞庭湖來水大、蓮花塘水位較高、長江來水較小時，沙市水文站水位流量關(guān)系受到回水頂托影響較為明顯。水位越高，繩套曲線越明顯，點(diǎn)群越分散。

以沙市-蓮花塘的水位落差為參數(shù)繪制沙市水文站水位流量關(guān)系曲線，發(fā)現(xiàn)點(diǎn)據(jù)分布存在一定規(guī)律，從上至下、從左至右的分布位置為：蓮花塘高水位點(diǎn)據(jù)、蓮花塘低水位點(diǎn)據(jù)、落差小的點(diǎn)據(jù)、落差大的點(diǎn)據(jù)。沙市-蓮花塘落差一般為7～13 m，以1 m落差為一級，同時以正常落差定線分析水位流量關(guān)系的年際變化。落差指數(shù)法計算公式如下：

式中：Q1，Q2分別為洪水漲落影響改正后同水位不同落差的流量，m3/s；

ΔZ1，ΔZ2為Q1，Q2相應(yīng)的沙市-蓮花塘水位落差，

m； β為落差指數(shù)。

3.3 其他影響因素

沙市水文站水位流量關(guān)系還受起漲水位、一段時間內(nèi)的洪水個數(shù)、洪峰形狀等因素影響。其中，高起漲水位、多峰連續(xù)洪水、偏胖的洪水峰型均可能導(dǎo)致沙市水文站水位偏高。

4 沙市水文站水位流量關(guān)系變化分析

4.1 水位流量關(guān)系擬定

將2003～2021年沙市水文站的實測流量資料按來水組成進(jìn)行分析，分別按校正因素法和落差指數(shù)法對洪水漲落、回水頂托進(jìn)行改正，按蓮花塘不同水位進(jìn)行分級，每1 m為一個分級，得到沙市水文站水位流量關(guān)系線簇。同一蓮花塘水位下，沙市水位流量關(guān)系為單一曲線；同一沙市水位下，蓮花塘水位越低，沙市流量越大；同一沙市流量下，蓮花塘水位越高，對應(yīng)的沙市水位越高。沙市水文站水位流量關(guān)系線如圖4所示。

4.2 水位流量關(guān)系變化分析

本次采用三峽水庫建庫后2003～2021年的資料對沙市水文站水位流量關(guān)系線進(jìn)行復(fù)核，尤其是2016，2020年等大水年資料可較準(zhǔn)確地體現(xiàn)沙市水文站水位流量關(guān)系現(xiàn)狀。與20世紀(jì)90年代水位流量關(guān)系綜合線成果對比可發(fā)現(xiàn)：由于大水年份較少，流量大于35 000 m3/s時，高水點(diǎn)據(jù)與原20世紀(jì)90年代大水綜合線擬合較好；流量小于35 000 m3/s時，相同流量下2003～2021年水位降低（表1）。在6 000～10 000 m3/s的過水流量條件下，沙市水文站水位降低了2.32～3.59 m；蓮花塘水位越低，斷面過水流量越小，沙市水文站水位降低越多。

沙市水文站水位流量關(guān)系線低水部分線較為集中，高水部分為繩套曲線，總體呈掃把狀的形態(tài)。三峽水庫建庫后低水位下斷面沖刷較多，斷面形態(tài)變化大，河段沖淤變化對該站低水部分水位流量關(guān)系影響較大，因此沙市水文站的水位流量變化主要體現(xiàn)在低水部分，2003～2021年水位流量關(guān)系線較20世紀(jì)90年代下移，流量越小，下移幅度越大；高水部分無明顯的變化趨勢。

5 結(jié) 論

通過對沙市水文站2003～2021年水位、流量資料的研究分析，結(jié)合斷面沖淤變化及三口分流分沙的影響，得出如下結(jié)論。

（1）沙市水文站上游水庫群及三峽水庫的建成造成出庫沙量大幅減小，引起下游河道沖刷，沙市水文站過水?dāng)嗝婷娣e在三峽水庫運(yùn)行后有較大增加。

（2）三口分流、分沙量的持續(xù)衰減導(dǎo)致荊江水量不斷增大，增加了對洞庭湖的頂托作用。

（3）三峽工程運(yùn)行后，沙市水文站河段沖淤變化對該站低水部分水位流量關(guān)系影響較大，流量越小，水位流量關(guān)系線下移幅度越大；高水部分總體無趨勢性變化。

參考文獻(xiàn)：

［1］ 長江水利委員會.2021年長江流域水工程聯(lián)合調(diào)度運(yùn)用計劃［R］.武漢：長江水利委員會，2021.

［2］ 戴明龍，王立海，李立平，等.2020年長江螺山站水位流量關(guān)系分析［J］.人民長江，2022，53（5）：118-122.

［3］ 程海云，陳力.三峽水庫泄水波與沙市站水位流量響應(yīng)關(guān)系研究［J］.人民長江，2017，48（19）：29-34，41.

［4］ 韓其為，楊克誠.三峽水庫建成后下荊江河型變化趨勢的研究［J］.泥沙研究，2000（3）：1-11.

［5］ 韓其為，何明民.三峽水庫修建后下游長江沖刷及其對防洪的影響［J］.水力發(fā)電學(xué)報，1995（3）：34-46.

［6］ 李玉榮，葛松華，儲蓓.三峽水庫建庫前后荊江低水水位流量關(guān)系分析［J］.人民長江，2011，42（6）：75-79.

［7］ 郭小虎，渠庚，朱勇輝.三峽工程蓄水運(yùn)用以來荊江水位流量關(guān)系變化分析［J］.長江科學(xué)院院報，2011，28（7）：82-86.

［8］ 秦智偉，陳璽.三峽水庫蓄水后壩下游干流枯水期水位變化研究［J］.人民長江，2018，49（23）：10-15.

［9］ 程偉，陳立，許文盛，等.三峽水庫蓄水后下游近壩段水位流量關(guān)系［J］.武漢大學(xué)學(xué)報（工學(xué)版），2011，44（4）：434-438.

［10］ 黃悅，姚仕明，盧金友.三峽水庫運(yùn)用對壩下游干流河道水文情勢的影響研究［J］.長江科學(xué)院院報，2011，28（7）：76-81.

［11］ 吳瓊，張莉，曾雅立，等.長江中下游河段低枯水水位流量關(guān)系變化規(guī)律分析［J］.人民長江，2023，54（2）：48-55.

［12］ 賀延虎.荊江河段沙市（二郎磯）站水位流量關(guān)系單值化方案優(yōu)化分析［J］.水利水電快報，2023，44（1）：23-27.

［13］ 陳吉琴，王艷，肖博文.長江干流沙市水文站汛期流量變化趨勢分析［J］.黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報，2020，32（1）：1-4.

［14］ 張旭臣，盧全海.基于分段二次樣條函數(shù)的水位流量關(guān)系曲線擬合方法研究［J］.水文，2010，30（4）：59-62.

［15］ 高兵役，李正最.洪水期水位流量關(guān)系繩套曲線的直接擬合［J］.水文，1998，18（5）：27-30.

［16］ 門玉麗，夏軍，葉愛中.水位流量關(guān)系曲線的理論求解研究［J］.水文，2009，29（1）：1-3.

［17］ 巢中根，李正最.水位流量關(guān)系分析中落差指數(shù)的直接解算［J］.水文，2000，20（3）：18-20.

［18］ 郭希望，陳劍池，鄒寧，等.長江中下游主要水文站水位流量關(guān)系研究［J］.人民長江，2006，37（9）：68-71.