長江中下游河段低枯水水位流量關系變化規律分析

吳 瓊，張 莉，曾 雅 立，張 亭

(1.長江水利委員會 水文局，湖北 武漢 430010； 2.長江水利委員會水文局 長江三峽水文水資源勘測局，湖北 宜昌 443000)

0 引 言

水是生命之源、生產之要、生態之基，是人類生存和維系生態系統良性循環的基礎性自然資源，又是經濟社會發展的戰略性資源。隨著社會經濟的迅速發展，水資源問題也日益突出，直接威脅到城鄉的用水安全，已經對經濟社會發展和人民的生活形成了制約。2022年汛期長江發生流域性嚴重枯水，長江中下游地區發生了夏秋連旱，多站出現有實測記錄以來歷史同期最低水位，沙市站水位更是創歷史最低，低枯水水位流量變化引發了生活用水、生產用水、生態用水等系列問題。

三峽工程建成運用后，三峽水庫多次攔蓄洪峰，緩解了長江中下游河段的防洪形勢，中下游地區人民的生命財產安全得到了有效的保護[1-3]。但三峽水庫蓄水運用以來，引起清水下泄，而且隨著上游水庫群陸續建成投運，三峽水庫出庫沙量大幅減小，清水下泄更加顯著，這對水庫下游河道產生了較大影響，部分河段河床出現嚴重沖刷[4]，引起斷面下切，改變了河道的水沙條件，水位流量關系發生不同程度的偏移等情況，可能影響長江中下游河段的河勢穩定、供水安全、通航條件及生態環境等[5-7]。有學者曾預見性地認為，三峽樞紐下游河床沖刷主要發生在主槽，壩下游河道同流量下中枯水水位將大幅度降低[8]。有學者對三峽水庫蓄水前后荊江河段實測資料進行了分析，認為三峽水庫蓄水后荊江河段中低水位較蓄水前明顯降低[5-6，9-10]。也有學者認為，因三峽水庫清水下泄，引起下游河道沖刷，干流的水位降低，同時導致荊江“三口”分流有所減少，從而緩解洞庭湖的萎縮和淤積，有利于擴大河道的行洪能力[11-14]。

多年來，眾多學者對三峽水庫蓄水前后壩下游尤其是荊江河段的水位流量關系變化進行了大量研究，但對荊江以外河段研究較少。三峽水庫自2008年9月進入試驗性蓄水以來，其防洪、發電、供水、航運等功能進一步得到全面實現，社會效益和經濟效益更加顯著[4]。而長江中下游河段受三峽水庫清水下泄、持續沖刷的影響，尤其枯水河槽沖刷明顯，低枯水水位流量關系也持續發生改變，容易引起生態和供水安全問題。尤其2022年汛期受持續高溫少雨和上游來水不多等因素的影響，長江干流及洞庭湖、鄱陽湖部分站點水位出現有實測記錄以來同期最低，長江中下游地區發生了夏秋連旱，沙市站水位創歷史最低，給沿岸城市取水造成困難。

為摸清近些年同流量下的水位變化情況，需要對改變后的低枯水水位流量關系開展分析。本文選取長江中下游宜昌、沙市、螺山、漢口和大通等水文控制站2009～2022年的水位、流量、大斷面等實測成果資料分析沿程各控制站低枯水水位流量關系變化、斷面的變化，研究各站不同流量級下水位的變化，摸清三峽水庫試驗性蓄水后低枯水水位流量關系變化趨勢、河道沖淤情況，為合理調度三峽等上游水庫，保障長江中下游生產、生活、生態用水，落實最嚴格水資源管理、推進水資源開發利用管控、旱情防御提供重要參考。

1 研究區域和數據來源

本文研究區域為三峽工程壩下游長江中下游干流宜昌至大通河段。

三峽水庫于2003年建成并完成135.00 m蓄水，2006年10月蓄水至156.00 m，2008年9月進入175.00 m試驗性蓄水階段，2010年10月26日三峽水庫首次蓄水至175.00 m。2015 年 9 月，三峽水庫進入正常運行期[15]。2009～2022年三峽水庫每月下泄流量變化過程見圖1。本次研究采用宜昌、沙市、螺山、漢口、大通等水文控制站2009～2022年實測水位、流量、大斷面資料，河道沖淤分析選取宜昌至湖口河段。根據測站任務書界定低枯水水位級。

圖1 2009～2022年三峽水庫月平均出庫流量變化過程Fig.1 Change process of average monthly discharge of the Three Gorges Reservoir from 2009 to 2022

2 各站低枯水水位流量關系變化

選取長江中下游宜昌、沙市、螺山、漢口和大通各代表站2009～2022年實測水位、流量資料分別繪制低枯水水位流量關系圖[16-17]，統計低枯水各流量級的水位變化情況，研究各代表站不同流量級水位的變化，摸清三峽水庫試驗性蓄水后低枯水水位流量關系變化規律。

2.1 宜昌站

宜昌站為三峽水庫壩下控制站，測驗斷面上距三峽水庫44.8 km，距葛洲壩水庫6.8 km。影響該站水位流量關系的主要因素為洪水漲落、斷面沖淤、上游葛洲壩調度以及下游清江出流頂托等。低枯水時主要影響因素為上游來水、水利工程聯合調度，低枯水水位流量關系為單一線。

根據宜昌站2009～2022年低枯水期實測水位、流量成果資料繪制低枯水水位流量關系圖(見圖2)，統計了低枯水各流量級的水位變化情況(見表1)。從圖2和表1中可以看出：2009～2022年間，宜昌站低枯水水位流量關系呈右偏趨勢，與2009年相比，其余年份低枯水同流量級相應水位均有不同程度的下降，但下降幅度不大，最大下降0.46 m；在2014年以后下降趨勢不明顯，接近持平。主要原因是該站斷面上下河道比較順直，河床主要是卵石夾沙質組成，受三峽和葛洲壩水庫多年影響，2014年以后斷面已基本穩定。2021年與2009年水位相比，當流量為6 500 m3/s時，水位累積下降0.40 m；當流量為7 000 m3/s時，水位累積下降0.43 m。

表1 宜昌站同流量水位變化Tab.1 Changes of water level under the same flow at Yichang Station m

圖2 宜昌站2009～2022年低枯水水位流量關系Fig.2 Low stage-discharge relations at Yichang Station from 2009 to 2022

根據2022年水位流量關系曲線查得各流量水位，比較不同年份水位可得：2022年水位與2021年相比變化不大；2022年與2009年相比水位下降0.41～0.45 m，不同流量級水位年際間基本維持穩定。

2.2 沙市站

沙市站是長江中游干流的重要控制站，位于上荊江河段，左岸上游約 17 km處有沮漳河入匯，右岸上游約 14 km 有太平口分流。測流斷面位于沙市柳林洲，位于三八灘和金城洲的順直河段中部。影響該站水位流量關系的主要因素為洪水漲落、變動回水、河槽沖淤。低枯水水位流量關系一般為單一關系。

根據沙市站2009～2022年低枯水期實測水位、流量成果資料繪制低枯水水位流量關系圖(見圖3)，并統計了低枯水各流量級的水位變化情況(見表2)。從圖3和表2中可以看出：2009～2022年間，沙市站低枯水水位流量關系呈右偏趨勢，與2009年相比，其余年份低枯水同流量級相應水位逐年下降，2021年與2009年水位相比，當流量為7 000 m3/s時，水位累積下降2.23 m；當流量為10 000 m3/s時，水位累積下降1.58 m；當流量為14 000 m3/s時，水位累積下降1.27 m。隨著流量增大，水位累積降低幅度逐漸收窄。

表2 沙市站同流量水位變化Tab.2 Changes of water level under the same flow at Shashi Station m

圖3 沙市站2009～2022年低枯水水位流量關系Fig.3 Low stage-discharge relations at Shashi Station from 2009 to 2022

根據2022年水位流量關系曲線查得各流量級水位，比較不同年份水位可見：當流量為10 000 m3/s和14 000 m3/s時，2022年水位比2021年下降明顯；2022年與2009年相比同流量級相應水位下降1.72～2.28 m。2022年水位下降幅度未見減弱跡象，仍在繼續下降。主要原因是該站河床主要為沙質黏土，三峽水庫蓄水后，受清水下泄影響，河床持續沖刷，斷面不斷下切。

2.3 螺山站

螺山站是長江荊江與洞庭湖出流匯合后的重要控制站，測驗河段順直長度約4 km，測驗斷面上游約30 km處為長江與洞庭湖的江湖匯合口，下游約47 km處有陸水河入匯，下游209 km處為漢江注入長江入口。該站水位流量關系既受上游荊江及洞庭湖來水漲落的影響，亦受下游漢江等來水頂托的影響。低枯水水位流量關系為單一關系。

根據螺山站2009～2022年低枯水期實測水位、流量成果資料繪制低枯水水位流量關系圖(見圖4)，并統計了低枯水各流量級的水位變化情況(見表3)。從圖4和表3可以看出：2009～2022年期間，螺山站低水水位流量關系線年際間有所擺動，呈右偏趨勢，與2009年相比，其余年份低枯水同流量級相應水位逐年下降，2015年水位略有抬升，2017年水位繼續下降，2019年后水位沒有明顯下降趨勢，低枯水水位流量關系比較穩定。2021年與2009年相比，當流量為10 000 m3/s時，水位累積下降1.31 m；當流量為18 000 m3/s時，水位下降0.89 m，總體變化呈下降趨勢。

圖4 螺山站2009～2022年低枯水水位流量關系Fig.4 Low stage-discharge relations at Luoshan Station from 2009 to 2022

表3 螺山站同流量水位變化Tab.3 Changes of water level under the same flow at Luoshan Station m

根據2022年水位流量關系曲線查得各流量級水位，比較不同年份水位可見：當流量為10 000 m3/s和14 000 m3/s時，2022年水位比2021年略有上升；2022年與2009年相比同流量級相應水位下降0.70～1.28 m。

2.4 漢口站

漢口站是漢江入匯長江后中游干流第一個重要控制站，測驗河段順直，下游呈喇叭型，兩岸均筑有砌石護坡，大堤腳有防浪林。測驗斷面呈單式河床，左淺右深。中高水時主泓居中，枯水期主泓偏右，水位約22.00 m時，左岸開始漫灘，最大漫灘寬度約200 m。斷面下游有天興洲橫亙江心，中、低水位時斷面控制較好。該站主要受上游荊江、洞庭湖及漢江來水和下游鄂東北各支流匯入及鄱陽湖出水的影響，水位流量關系主要受洪水漲落、回水頂托及斷面沖淤變化等綜合因素的影響，對于低水部分主要受本河段斷面沖淤變化的影響。漢口站低水水位流量關系基本為單一關系。

根據漢口站2009～2022年低枯水期實測水位、流量成果資料繪制低枯水水位流量關系圖(見圖5)，并統計了低枯水各流量級的水位變化情況(見表4)。從圖5和表4中可以看出：2009～2022年期間，漢口站水位流量關系呈右偏趨勢，與2009年相比，除2010年和2016年水位部分上升以外，其余年份低枯水同流量級相應水位有所下降。2021年與2009年相比，當流量為10 000 m3/s時，水位累積降低1.01 m；當流量為20 000 m3/s時，水位累積降低0.57 m。隨著流量增大水位累積降低幅度收窄，同流量級水位逐年下降。

表4 漢口站同流量水位變化Tab.4 Changes of water level under the same flow at Hankou Station m

圖5 漢口站2009～2022年低枯水水位流量關系Fig.5 Low stage-discharge relations at Hankou Station from 2009 to 2022

根據2022年水位流量關系曲線查得各流量級水位，比較不同年份水位可見：當流量為10 000 m3/s和15 000 m3/s時，2022年水位與2021年相比略有下降；2022年與2009年相比同流量級相應水位下降0.32～1.23 m。2022年同流量級水位仍呈下降趨勢，水位流量關系繼續右偏。

2.5 大通站

大通站是長江干流的最后一個徑流控制站，控制長江流入感潮河段水量。上距鄱陽湖湖口219 km，再往上游約20 km處有九江水文站，由于九江水文站受下游鄱陽湖出流頂托影響，很難擬定年際間水位流量關系變化。因此，選擇大通站作為下游水位流量關系變化代表站進行分析。大通站距長江入海口624 km，低枯水時感潮顯著，中高水時潮汐影響較小。

根據大通站2009～2022年低枯水期實測水位、流量成果資料繪制低枯水水位流量關系圖(見圖6)。從圖6可以看出：各年水位流量關系較好，基本上為單一曲線，歷年水位流量關系變幅不大，無趨勢性變化，沒有系統偏移，從目前情況看，三峽水庫蓄水后對該站的水位流量關系變化基本無影響。

圖6 大通站2009～2022年低枯水水位流量關系Fig.6 Low stage-discharge relations at Datong Station in 2009～2022

3 各站斷面變化

3.1 宜昌站

宜昌站測驗斷面呈“U”形，最大水面寬約800 m。高程54 m以上為濱江公園，河槽左岸高程41 m以下為卵石及沙質灘地，最大灘寬約100 m，河床在起點距149 m以左為人工混凝土護坡，149～700 m之間主要由卵石夾沙質組成，700 m以右為礁板亂石。右岸易形成局部回流，無岔流、串溝及死水。

根據2009～2022年實測資料繪制了2009～2022年宜昌站多年大斷面對比圖、水位面積對比圖(見圖7～8)，分析了其斷面變化情況。由圖7～8可見：2009～2022年期間宜昌站水位面積關系基本穩定，斷面基本保持穩定，同水位級2009年對應面積最小，2022年對應面積最大，最大變幅約300 m2。水位40.00 m時，2009年面積7 610 m2，2022年面積7 890 m2，面積增大280 m2；水位42.00 m時，2009年面積9 080 m2，2022年面積9 350 m2，面積增大270 m2；水位44.00 m時，2009年面積10 500 m2，2022年面積10 800 m2，面積增大300 m2；水位46.00 m時，2009年面積12 000 m2，2022年面積12 300 m2，面積增大300 m2。總體來看，各級水位對應斷面面積基本穩定，沒有趨勢性變化。

圖7 宜昌站大斷面對比Fig.7 Comparison of sections at Yichang Station

圖8 宜昌站水位面積對比Fig.8 Comparison of stage-area relations at Yichang Station

3.2 沙市站

沙市站測驗斷面形狀呈偏“U”形，主泓偏左，河床由沙質和黏土組成，左岸為沙質河床，右岸為拋石護坡，河道無水生植物生長。

根據2009～2022年實測資料繪制了2009～2022年沙市站多年大斷面對比圖、水位面積對比圖(見圖9～10)，分析了其斷面變化情況。由圖9～10可見：2009～2022年期間，沙市站同水位對應面積有所增加，同水位級2010年對應面積最小，2022年對應面積最大，最大變幅約4 000 m2。水位32.00 m時，2010年面積8 000 m2，2022年面積12 000 m2，面積增大4 000 m2；水位34.00 m時，2010年面積10 200 m2，2022年面積14 200 m2，面積增大4 000 m2；水位36.00 m時，2010年面積12 300 m2，2022年面積16 400 m2，面積增大4 100 m2；水位38.00 m時，2010年面積14 500 m2，2022年面積18 500 m2，面積增大4 000 m2。三峽水庫蓄水后，清水下泄使沙市斷面年際間變化有沖有淤，但總體上，各級水位對應斷面面積逐年增加，從起點距 80～1 180 m斷面變化劇烈、主泓擺動明顯，斷面的深槽持續沖刷，近幾年比較穩定。

圖9 沙市站大斷面對比Fig.9 Comparison of sections at Shashi Station

圖10 沙市站水位面積對比Fig.10 Comparison of stage-area relations at Shashi Station

3.3 螺山站

螺山站測驗斷面呈“W”形，為沙質復式河床，無水生植物，沖淤變化較大，起點距135 m以左為礁板土，起點距1 700 m附近以右為防浪林，植被茂盛。

根據2009～2022年實測資料繪制了2009～2022年螺山站多年大斷面對比圖、水位面積對比圖(見圖11～12)，分析了其斷面變化情況。由圖11～12可見：2009～2022年期間，同水位級2009年對應面積最小，2017年對應面積最大，最大變幅約2 000 m2左右。水位20.00 m時，2009年面積9 260 m2，2017年面積11 200 m2，面積增大1 940 m2；水位23.00 m時，2009年面積13 800 m2，2017年面積15 900 m2，面積增大2 100 m2；水位27.00 m時，2009年面積19 900 m2，2017年面積22 100 m2，面積增大2 200 m2；水位30.00 m時，2009年面積24 500 m2，2017年面積26 700 m2，面積增大2 200 m2。總體來看，除2017年外，各級水位對應斷面面積變化幅度不大，斷面基本保持穩定。

圖11 螺山站大斷面對比Fig.11 Comparison of sections at Luoshan Station

圖12 螺山站水位面積對比Fig.12 Comparison of stage-area relations at Luoshan Station

3.4 漢口站

漢口站測驗斷面呈單式河床，左淺右深。左岸河床由細沙組成，沖淤變化較大，導致左岸斷面形狀變化較大，右岸河床由粗沙組成，河底不平順，主槽偏右較穩定。斷面總體基本穩定，發生大洪水時有一定沖淤變化。

根據2009～2022年實測資料繪制了2009～2022年漢口站多年大斷面對比圖、水位面積對比圖(見圖13～14)，分析了其斷面變化情況。由圖13～14可見：2009～2022年期間，同水位級2012年對應面積最小，2022年對應面積最大，最大變幅約2 700 m2左右。水位15.00 m時，2012年面積11 600 m2，2022年面積14 500 m2，面積增大2 900 m2；水位17.00 m時，2012年面積14 700 m2，2022年面積17 400 m2，面積增大2 700 m2；水位19.00 m時，2012年面積17 700 m2，2022年面積20 300 m2，面積增大2 600 m2；水位21.00 m時，2012年面積20 800 m2，2022年面積23 300 m2，面積增大2 500 m2。總體來看，除2012年外，各級水位對應斷面面積變化幅度不大，斷面基本保持穩定。

圖13 漢口站大斷面對比Fig.13 Comparison of sections at Hankou Station

圖14 漢口站水位面積對比Fig.14 Comparison of stage-area relations at Hankou Station

3.5 大通站

大通站測驗橫斷面呈偏“V”形，主槽緊靠右岸，中高水主槽寬度1 800 m左右，無岔流、串溝、逆流、回水、死水等情況。河槽左岸河床由細沙及淤泥組成，中部由粗砂組成，右岸較陡由巖石組成，斷面左岸及中部略有沖淤。左岸是江堤，右岸是高丘與江堤交替連結。左右岸上游約1 km處，有高程約為12 m(凍結基面)的河灘，其寬度左岸約150 m，右岸約300 m，淹沒前種植農作物，出水時無水生植物。

根據2009～2022年實測資料繪制了2009～2022年大通站多年大斷面對比圖、水位面積對比圖(見圖15～16)，分析了其斷面變化情況。由圖15～16可見：2009～2022年期間，同水位級2009年對應面積最小，2022年對應面積最大，最大變幅約2 800 m2左右。水位5.00 m時，2009年面積21 600 m2，2022年面積24 700 m2，面積增大3 100 m2；水位7.00 m時，2009年面積25 200 m2，2022年面積27 700 m2，面積增大2 500 m2；水位9.00 m時，2009年面積28 600 m2，2022年面積31 400 m2，面積增大2 800 m2。總體來看，各級水位對應斷面面積基本上逐年增加，但變幅不大。

圖15 大通站大斷面對比Fig.15 Comparison of sections at Datong Station

圖16 大通站水位面積對比Fig.16 Comparison of stage-area relations at Datong Station

4 長江中下游河段沖淤情況

根據三峽水庫試驗性蓄水以來長江中下游河段實測地形資料統計了 2008年10月至2021年4月(宜昌至枝城河段到2021年10月)期間宜昌至湖口河段沿程累積沖淤量變化情況(見表5)。由表5可以看出：宜昌至湖口河段平灘河槽總沖刷量為19.99億m3，宜昌至城陵磯河段(9.65億m3)、城陵磯至漢口河段(4.44億m3)、漢口至湖口河段(5.90億m3)沖刷量分別占總沖刷量的48%,22%,30%，由此可見，宜昌至城陵磯段河段沖刷強度最大。由表5還可以看出，宜昌至湖口河段枯水河槽沖刷量較大，為19.40億m3，占總沖刷量的97%，而枯水河槽以上沖刷偏小，僅為0.59億m3，說明三峽水庫試驗性蓄水以來主要沖刷枯水河槽以下，因此，長江中下游河段同流量低枯水位下降幅度遠大于中高水位。三峽水庫試驗性蓄水后引起長江中下游河段水位流量關系變化、水位下降的主要原因是清水下泄，引起河床沖刷，而且枯水河槽比較嚴重。另外，部分河段同時受河道采砂的影響。

表5 2008年10月至2021年4月宜昌至湖口河段沿程累積沖刷量統計Tab.5 Statistics of cumulative scouring amount along the section from Yichang to Hukou in October 2008 to April 2021

5 結 論

(1) 三峽水庫試驗性蓄水后，2009～2022年宜昌、沙市、漢口站低枯水水位流量關系呈右偏趨勢，螺山站年際間有所擺動，但總體呈右偏趨勢，大通站低枯水水位流量關系變幅不大，無趨勢性變化，沒有系統偏移。各站低枯水期同流量下水位有不同程度下降，其中沙市站下降幅度最大。

(2) 三峽水庫試驗性蓄水后，2009～2022年宜昌站低枯水各級水位對應斷面面積基本穩定，螺山、漢口站除個別年份外，低枯水各級水位對應斷面面積變化幅度不大，斷面基本保持穩定。大通站各級水位對應斷面面積基本上逐年增加，但變幅不大。沙市站各級水位對應斷面面積逐年增加，斷面的深槽繼續呈現沖刷。

(3) 三峽水庫試驗性蓄水后，宜昌至湖口河段河床總體上處于沖刷狀態，枯水河槽沖刷量較大，其中宜昌至城陵磯段河道沖刷強度最大。