三峽水庫調洪調度對江湖匯流區洪水相互頂托的影響

劉 玉,李景保,李 歡,楊 波，劉 雯

(湖南師范大學 資源與環境科學學院，湖南 長沙 410081)

1 研究背景

長江水與洞庭湖水互相干擾、相互制約,使匯流區水情特別復雜。下荊江三處裁彎以及葛洲壩截流后，使原來的江湖相互制約關系進入了一個新的調整階段;三峽水庫運行后，江湖水情制約關系又發生了新的變化[1]。國內眾多相關學者圍繞三峽水庫對江湖關系的影響這一重大課題，用不同研究方法，從不同視角對長江中游河段水位、荊江三口分流分沙、河道沖刷、城陵磯水位以及洞庭湖水情等方面展開了較深入的研究[2-8]。結果表明，以三峽水庫全程調度而言，長江干流監利站同流量下水位降低，城陵磯站同流量下水位有所抬升[9-12]；長江上游來沙量大幅度減少，引起長江中游河道全線沖刷，導致三口分流分沙減少以及洞庭湖淤積減少[13-15]；受其綜合影響，長江枝城站同流量下監利站泄流量受洞庭湖口出流頂托強度有所減弱，洞庭湖出流受荊江下泄水量的頂托強度也有所減弱[16-18]。眾所周知，三峽水庫最主要的功能之一是調洪削峰，那么在三峽水庫調洪削峰調度期，江湖匯流區的水文情勢如何？江湖洪水相互頂托作用是增強還是削弱了呢？鑒于此，本文基于匯流區監利、城陵磯、螺山控制站的水文關系，從平均流量、平均水位，最大流量、最高水位，最小流量、最低水位的視角，探究三峽水庫調洪期(7-8月份)對江湖匯流區水情的影響程度，為江湖地區防洪減災、河湖水系連通工程建設以及優化三峽水庫調度方案等方面提供理論參考。

2 研究區域及數據處理

2.1 研究區域概況

2.2 數據來源與研究方法

水位是流量大小的反映,流量是河道泄水輸沙能力大小的體現,兩者從本質上可表征水文情勢。本文用水位、流量表征江湖匯流區的水文情勢。基于江湖匯流區的水文關系,分別采集匯流區監利、城陵磯、螺山3個水文站1990 - 2002年 (三峽水庫調洪前)和2003 -2017年(三峽水庫調洪后)與三峽水庫調洪削峰調度時段(7-8月)相對應的平均流量、平均水位；最大流量、最高水位；最小流量、最低水位。其數據來源于湖南省水文水資源勘測局、湖南省水情綜合日報表和湖南省水利水電勘測設計研究總院。

圖1 荊江與洞庭湖關系及江湖匯流區水文控制站

研究方法為:相關分析、對比分析、匯流比等方法。其中，匯流比計算公式為：

R=Q1/Q2

(1)

式中：R為匯流比，不考慮河斷面沖淤、附加比降等因素,主要考慮來水量；Q1、Q2為兩個不同水文站在同一時刻的流量，m3/s。

3 三峽水庫調洪調度對江湖匯流區水情的影響

3.1 三峽水庫調洪調度運行后江湖匯流區來水組成變化

江湖匯流區的來水組成包括長江干流(荊江)下泄流量與洞庭湖出湖流量。據統計分析1990-2017年7-8月平均流量表明：三峽水庫調洪前(1990 - 2002年)江湖匯流區多年平均來水總量為36 510.51 m3/s，其中監利站21 700.07 m3/s,城陵磯站為14 810.44 m3/s，分別占匯流區來水總量的59.44%、40.56%左右。

三峽水庫調洪調度后(2003 -2017年)，匯流區來水組成有所變化(表1)。其中荊江監利站下泄流量占來水總量的比重由58.81%增加到60.53%，即增加了1.72%。而洞庭湖湖口城陵磯站出流的比重由43.19%減少至37.68%,即減少了5.51%。監利與城陵磯的匯流比由1.36增加到1.61。導致江湖匯流區來水組成變化的主要原因是三峽水庫蓄水后大壩“清水”下泄,長江中游河道全線沖刷,河床下切，水位下降,荊江三口(松池、虎度、耦池)分泄長江入湖水量有所減少,而長江監利下泄水量有所增大。

表1 三峽水庫調洪調度(7-8月)運行前后匯流區來水組成變化

3.2 三峽水庫調洪調度運行后匯流區多年平均水位流量變化

三峽水庫調洪調度運行前后監利、城陵磯和螺山站水情變化見表2～4。通過對比分析表2～4得到如下幾點認識:(1)三峽水庫調洪期荊江監利站不同流量、不同水位均有所減少或下降(表2)。其中，監利站平均流量減小3 195.01 m3/s，平均水位下降1.07 m;最大流量減小8 213.00 m3/s,最高水位下降2.51 m;最小流量減小1 905.00 m3/s,最低水位下降1.01 m。比較而言，三峽水庫調洪期(7-8月)監利站的最大流量和最高水位減少或下降幅度最大,這正是2003年以來江湖地區未發生大或特大洪澇災害的原因，顯然是三峽水庫調洪削峰的最大貢獻之一。

這種“共享墳墓”的理念，在我國臺灣地區也出現了兆頭。2011年初，50多歲的臺灣牙醫李偉文發起了一個“夏瓣生”（即“下半生”諧音）俱樂部，其成員多為50歲上下的“準老人”，12個沒有任何血緣關系的不同家庭共同集資，在臺南市選了一塊地，自建一棟老人公寓，取名為“蝸居”。在有生之年，他們相約居住在一起，盡情享受愉悅生活，一同交流、學習、旅游。生前，一起結伴老去，死后，還要一起埋葬。他們的宣言是：“未來選擇樹葬，將骨灰回歸于大自然。”

(2)三峽水庫調洪調度期,由于荊江三口入湖洪量減少,洞庭湖出口城陵磯不同流量與不同水位均有所減少或下降(表3)。其中平均流量減小4 594.74 m3/s，平均水位下降1.13 m;最大流量減小3 519.00 m3/s,最高水位下降1.79 m;最小流量減少96.00 m3/s,最低水位下降1.42 m。值得指出的是城陵磯的這種水情變化除了受三峽水庫調洪削峰影響外,還與湖南四水及區間入湖水量減少(三峽水庫調洪期湖南四水主汛期5-6月已過)有關。

(3)三峽水庫調洪調度期,長江干流螺山站不同量級流量與不同水位均有所減少或下降(表4)。其中平均流量減少6401.39 m3/s，平均水位下降1.32 m;最大流量減小15 796.00 m3/s,最高水位下降2.36 m;最小流量減小7 790.00 m3/s,最低水位下降2.05 m，其主要原因是三峽水庫調洪運行后，調節了洪峰流量,城陵磯出流對監利泄流的頂托作用有所減弱。

表2 三峽水庫調洪調度(7-8月)運行前后監利站水情變化

表3 三峽水庫調洪調度(7-8月)運行前后城陵磯站水情變化

表4 三峽水庫調洪調度(7-8月)運行前后螺山站水情變化

3.3 三峽水庫調洪調度運行后匯流區逐年水位和流量的變化

為揭示三峽水庫調洪調度期，江湖匯流區逐年來水量變化特征，分別繪制監利、城陵磯、螺山3站1990-2017年(7-8月)平均流量、平均水位；最大流量、最高水位；最小流量、最低水位變化過程，見圖2～7。

通過對比分析圖2～7表明，江湖匯流區監利、城陵磯、螺山3個水文站平均水位、最高水位、最低水位；平均流量、最大流量、最小流量雖均呈波動性變化,但從整體上看不同量級水位和流量均呈同步下降或減少趨勢,其中以三峽水庫調洪調度后的下降或減少幅度最大,與監利、城陵磯、螺山多年(7-8月)平均來水量變化規律完全一致。這一水情態勢對削弱主汛期江湖洪水相互頂托強度和減輕洪澇災害風險具有重大的實際意義。

圖2監利、城陵磯、螺山站1990-2017年平均流量變化過程 圖3監利、城陵磯、螺山站1990-2017年平均水位變化過程

圖4監利、城陵磯、螺山站1990-2017年最大流量變化過程 圖5監利、城陵磯、螺山站1990-2017年最高水位變化過程

圖6監利、城陵磯、螺山站1990-2017年最小流量變化過程 圖7監利、城陵磯、螺山站1990-2017年最低水位變化過程

4 三峽水庫調洪調度對江湖洪水相互頂托的影響

長江與洞庭湖匯流區之所以水情特別復雜是由于江、湖水存在相互影響、相互頂托的關系。當荊江三口入湖水量減少，下荊江監利站泄流量加大,則對洞庭湖口城陵磯出流頂托作用增強；當洞庭湖出流增加,對下荊江出流頂托作用加強；當螺山水位抬高則對下荊江出流和洞庭湖口泄流同時產生疊加頂托作用,導致監利站和城陵磯站水位抬高,洪峰流量相應增加，進而增大江湖地區的洪災風險。

4.1 三峽水庫調洪期長江監利站流量對洞庭湖出流的頂托影響

為系統分析三峽水庫調洪期(7-8月),長江對湖口泄流頂托的影響程度，首先繪制三峽水庫調洪前后監利站流量與城陵磯站水位的散點圖，見圖8。通過分析圖8可知，三峽水庫調洪前監利站流量與城陵磯站水位之間的相關性較為顯著，其相關系數達0.7192，調洪后相關系數只有0.4916。這說明三峽水庫運行前，長江監利站流量對湖口泄流的頂托作用很強，導致湖口城陵磯出流減慢且水位迅速上升，增大了江湖地區的洪災風險。三峽水庫調洪調度后，由于三峽水庫調節了下泄洪峰流量，削弱了長江監利泄流對湖口出流的頂托強度，因而監利流量與城陵磯水位的相關程度有所變小。

為了驗證三峽水庫調洪長江對洞庭湖出流頂托強度的減弱程度：(1)基于前述的匯流比公式,分別計算三峽水庫調洪前后7-8月監利站不同級流量下監利與城陵磯的匯流比(表5)。由表5分析可知，在平均流量下監利站平均洪峰流量與城陵磯站平均洪峰流量的匯流比由0.73減小到0.62，這說明監利出流對城陵磯泄流的影響程度削弱了，也只是在主汛期7-8月監利出流對城陵磯泄流的頂托強度有所削弱，而在最大流量與最小流量下的匯流比卻有所增大，這意味著即便是三峽水庫具有調洪削峰作用，但長江出流對洞庭湖泄流的頂托作用仍然存在，只是頂托強度有所減弱，其主要是三峽水庫運行以來，三口分流量減少,大壩下游河道全線沖刷，河床比降增大，下泄流量加快的緣故。

(2)監利站在不同流量下城陵磯流量-水位關系程度并不一致(圖9)。當監利站流量為20 000、30 000 m3/s時，城陵磯站水位隨流量增大而上升；當監利站流量為25 000 m3/s時，城陵磯站水位隨流量增大而下降。監利站流量每增加約5 000 m3/s，城陵磯站水位上升2.00 m。

(3)監利站在不同水位下城陵磯站流量-水位關系程度差異不大(圖10)。當監利站水位為33.00、35.00 m時，城陵磯站的水位隨流量增大而上升。城陵磯在同一流量下，監利站水位越高，城陵磯的水位也越高。由此認為，三峽水庫調洪以來長江洪水對洞庭湖泄量仍然產生了不同程度的頂托作用，但其頂托強度有所減弱。

表5 三峽水庫調洪前后監利在不同量級流量下監利與城陵磯匯流比

4.2 三峽水庫調洪期洞庭湖城陵磯站流量對長江泄流的頂托影響

洞庭湖口城陵磯站流量與長江監利站水位之間的相關性較為顯著(圖11)，三峽水庫調洪前兩者的相關系數為0.795，調洪后的相關系數只有0.398。這說明三峽水庫調洪前，城陵磯站流量對監利站的水位影響較大，隨著城陵磯流量的增加，其對長江干流泄流的頂托作用加強，從而減小了監利的出流量，導致監利的水位隨之上升。而三峽水庫調洪后，因調節了監利站洪峰流量，削弱了長江干流監利站對洞庭湖湖口出流的頂托作用，進而加大了湖口出流量，反過來由于湖口出流量加大，對長江監利出流產生頂托作用。與此同時,監利出流還受到螺山高水位的頂托影響。因而，三峽水庫調洪后城陵磯流量與長江監利水位關系顯得較為復雜(相關程度減弱)，但總體上看，由于水庫調節了下泄洪量，荊江三口入湖洪量減少，洞庭湖泄洪對長江泄洪的頂托強度有所減弱。

為進一步驗證三峽水庫調洪削峰期，洞庭湖出流對長江洪水頂托強度的減弱程度：(1)分析三峽水庫調洪前后城陵磯不同量級流量下城陵磯站與監利站匯流比(表6)的變化特點,結果表明，城陵磯與監利的匯流比在三峽水庫調洪后發生了一定的變化,即在平均流量下匯流比從1.36增大到1.61，而在最大流量與最小流量下兩匯流比均有所減小,說明三峽水庫調洪后，監利對城陵磯的頂托強度要比城陵磯對監利的頂托強度降低得更多。從總體上看，自三峽水庫調洪調度以來，湖口城陵磯出流對長江監利站泄流的影響程度有所削弱，也只是在主汛期城陵磯出流對監利站泄流的頂托強度有所減弱。(2)城陵磯在不同流量下監利站的流量-水位關系程度存在一定的差異(圖12)。根據圖12分析可知，城陵磯在不同流量下監利站的水位隨流量增大而上升,城陵磯站的流量越大，導致監利站的水位越高,下泄流量減小,這正是城陵磯泄流對監利泄流頂托作用的結果。(3)城陵磯在不同水位下監利的流量-水位關系程度差異不大(圖13)。當城陵磯水位為28.00、30.00、32.00、34.00 m時，監利的水位隨流量的增大而上升。監利站在同一流量下，城陵磯水位越高，監利站的水位也越高。由此表明，三峽水庫調洪以來洞庭湖對長江洪水泄量仍然產生了不同程度的頂托作用，但其頂托強度有所減弱。

表6 三峽水庫調洪前后城陵磯不同量級流量下城陵磯與監利匯流比

4.3 長江螺山站流量對湖口城陵磯站出流的影響

長江螺山站流量與洞庭湖口城陵磯站水位之間的相關性非常顯著(圖14)，根據圖14分析可知，三峽水庫調洪前兩者的相關系數高達0.9561，調洪后雖稍有下降，但仍為0.8944。這表明三峽水庫調洪前后螺山站洪水位對城陵磯泄洪的頂托作用均較強,三峽水庫調洪后長江螺山只有在大洪峰流量或高洪水位時才會對洞庭湖湖口泄洪產生頂托作用，顯然，這是三峽水庫調洪作用的結果。

為驗證三峽水庫調洪后螺山洪水位對洞庭湖湖口泄洪的頂托強度稍有減弱的趨勢；(1)分別計算螺山站不同流量下螺山站與城陵磯站的匯流比(表7),通過分析表7可知，平均流量下的匯流比在調洪后有所減小，即從0.43減小到0.38，這說明三峽水庫調洪調度削弱了螺山洪峰流量對城陵磯泄流的頂托強度。在最大流量與最小流量下的匯流比調洪后有所增大，這就從另一方面表明，即便是三峽水庫具有調洪削峰作用，但螺山洪峰流量對城陵磯泄流的頂托作用仍然存在，只是頂托強度有所減弱。(2)螺山站在不同流量下城陵磯流量-水位關系程度存在一定差異性(圖15),當螺山站流量為30 000、40 000、45 000 m3/s時，城陵磯站水位隨流量增大而上升；當螺山流量為35 000 m3/s時，城陵磯水位隨流量增大而稍有下降。其中,水位上升幅度最大的是當螺山流量為40 000、45 000 m3/s時，城陵磯流量每增加5 000 m3/s，水位上升1.50 m。由此表明，三峽水庫調洪后螺山站在大流量情況下對洞庭湖泄洪的頂托作用仍然較強。(3)螺山不同水位下城陵磯流量-水位關系程度也有所差異(圖16)，根據圖16分析可知，當螺山水位為28.00、30.00、32.00 m時，城陵磯水位隨流量的增大而上升,這一水情態勢與螺山站不同流量下城陵磯流量-水位關系程度完全一致。

表7 螺山不同流量下螺山站與城陵磯站的匯流比

圖8監利站流量與城陵磯站水位關系 圖9監利站在不同流量下城陵磯站流量與水位關系

圖10監利站在不同水位下城陵磯站的流量與水位關系 圖11城陵磯站流量與監利站水位關系

4.4 長江螺山站流量對長江監利站出流的影響

江湖匯流區螺山站流量與監利站水位之間的相關性非常顯著(圖17),由圖17分析發現,三峽水庫調洪調度前后螺山站流量與監利站水位的相關系值分別為0.9683、0.9219，在江湖匯流區的3個水文控制站中其相關系數是最大的，這意味著在三峽水庫調洪調度前后螺山洪峰水位對監利洪峰水位的頂托作用相對最強。也就是說三峽水庫調洪前，隨著螺山洪峰流量的增多，監利出流量減小，導致監利洪水位隨之上升；而三峽水庫調洪后，盡管調節了長江中游監利站的洪峰流量，但因受湖口城陵磯匯流的直接影響，使螺山段洪峰流量較大，進而對監利泄流仍然產生頂托作用，但主汛期洪水位頂托強度稍有減弱。

圖12城陵磯站不同流量下的監利站流量與水位關系 圖13城陵磯站不同水位下監利站流量與水位關系

圖14螺山站流量與城陵磯水位關系 圖15螺山站不同流量下城陵磯站流量與水位關系

圖16螺山站不同水位下城陵磯站流量與水位關系 圖17螺山流量與監利水位關系

為進一步驗證三峽水庫調洪后螺山洪水對監利泄洪的頂托強度稍有減弱的結論：

(1)對比分析螺山站不同流量下螺山站與監利站的匯流比(表8)，由表8可知,三峽水庫調洪調度期，在平均流量下匯流比從0.59增大到0.61；在最大流量下匯流比由0.62增大至0.66；在螺山最小流量下匯流比從0.46增大到0.56，這意味著螺山對監利的頂托強度是隨匯流比的增大而有所增強。在螺山不同流量下螺山與監利的匯流比均有所增大，這表明三峽水庫調洪調度期螺山洪峰水位對監利泄流的頂托強度有所增強。

(2)三峽水庫調洪期,螺山站不同流量下監利流量-水位關系存在一定的差異(圖18)。當螺山站洪峰流量為30 000、35 000、40 000、45 000 m3/s時，監利站水位隨流量增大而上升。其中，上升幅度最大的是螺山站流量為30 000、45 000 m3/s，其對應的監利流量每增加5 000 m3/s，水位上升約1.00 m，當螺山站洪峰流量越小，監利的水位越低，表明螺山洪峰流量對監利站泄洪的頂托強度就較弱。

表8 螺山站不同流量下螺山站與監利站的匯流比

(3)螺山站在不同水位下監利站流量-水位關系程度也不一樣(圖19)，但不論螺山站的水位是升高還是下降，監利站的水位隨流量的增大而上升,隨流量減少而降低，這與螺山站不同流量下監利站流量-水位關系程度差異完全相同，表明三峽水庫調洪調度運行在一定程度上削弱了螺山洪峰水位對監利泄流的頂托強度。

圖18螺山站在不同流量下監利站流量與水位關系 圖19螺山站在不同水位下監利站流量與水位關系

綜上所述，三峽水庫調洪調度期(7-8月)，江湖匯流區的水文情勢及江湖洪水相互頂托強度均發生了不同程度的改變。具體表現在兩個方面：一方面監利、城陵磯、螺山3站的洪峰流量、洪峰水位均有所減少或下降，不同水位不同流量下的流量與水位關系程度均有所降低，江湖洪水相互頂托強度均有所減弱。這一水文情勢對減輕江湖地區主汛期的洪水壓力以及減少洪澇災害風險和發生頻率具有重大意義；另一方面盡管在主汛期三峽水庫調節了長江干流洪峰流量，削弱了江湖洪水相互頂托強度，但由于江湖關系調整過程的動力因素諸多，匯流區的水情態勢較為復雜，江湖洪水相互影響、相互頂托的水情態勢仍然存在,只是其頂托強度有所減弱，由此認為，在主汛期仍然需要加大匯流區防洪減災的管理力度。

5 結論與討論

(1)三峽水庫調洪調度期，匯流區來水組成發生變化。監利與城陵磯的匯流比增大，由1.36增加到1.61。監利的流量比重從58.81% 增加到60.53% 。而城陵磯站的比重從43.19%減少為37.68%,其主要是由三口入湖水量減少,監利站下泄水量增加所致 。

(2)三峽水庫調洪調度期，監利、城陵磯、螺山3站的流量、水位均有所減少或下降，其中下降幅度最大的是螺山站，其平均流量減少了6 401.39 m3/s，平均水位下降了1.32 m，這一水文情勢有利于削弱螺山洪峰水位對湖口及監利泄洪的頂托作用。

(3)三峽水庫調洪調度期，監利、城陵磯、螺山3個水文站之間有較強的相關性，其中螺山站流量與監利站水位相關性最強，調洪前后兩者相關系數分別為0.9683、0.9219，表明監利站高洪水位、最大洪峰流量的變化直接受到螺山站水情的影響。

(4)三峽水庫調洪調度運行在一定程度上削弱了江湖洪水相互頂托強度，但其頂托作用仍然存在，其中以螺山高洪水位對城陵磯和監利泄洪的頂托作用較強，這是城陵磯泄洪和監利泄洪在匯流區疊加作用的結果。

(5)本文對江湖匯流區水文情勢的研究，只考慮了三峽水庫調洪對匯流區水情的影響，并未探討氣候因素(降水、蒸發等)，特別是河斷面沖淤、比降等因素的影響，這些均有待于作進一步的探討。