長(zhǎng)江中游荊江水沙過(guò)程變異與三口洪道通流能力響應(yīng)分析

2024-03-26 04:40:36沈健原松

人民珠江 2024年2期

沈健原松

摘要：長(zhǎng)江中游荊江河段通過(guò)三口洪道與洞庭湖連通，形成了極其復(fù)雜而又影響深遠(yuǎn)的江湖關(guān)系。長(zhǎng)江三峽工程的調(diào)度運(yùn)行改變了壩下游荊江河道天然水沙過(guò)程，引起干流洪水過(guò)程“坦化”，中水時(shí)期延長(zhǎng)，枯水流量增加，促發(fā)了三口洪道對(duì)上述新水沙條件的持續(xù)響應(yīng)。采用近70 a長(zhǎng)系列實(shí)測(cè)水文整編數(shù)據(jù)及河道地形觀測(cè)成果，分析了三口洪道對(duì)荊江水沙變異過(guò)程的響應(yīng)特點(diǎn)，總結(jié)了口門段分流分沙、河勢(shì)及洪道沖淤演變規(guī)律。結(jié)果表明：三峽工程運(yùn)行前后同等來(lái)水條件下三口分流比有所減小，分沙量與上游枝城來(lái)沙相應(yīng)，分沙比延續(xù)其逐漸增大的特征；三峽水庫(kù)蓄水運(yùn)用后，三口洪道河床總體呈沖刷狀態(tài)，2003—2011年總沖刷量為0.514 7億m³，2011—2016年為0.99億m³，洪道口門均有所擴(kuò)展，但實(shí)際通流能力尚未得到顯著改善。

關(guān)鍵詞：三口洪道；河道演變；通流能力；荊江

中圖分類號(hào)：TV651.1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1001-9235（2024）02-0053-07

Water and Sediment Process Variation in Jingjiang River in the Middle Reaches of the Yangtze River and Response Analysis of Flow Capacity of Three Outlets

SHEN Jian¹，YUAN Song²

（1.Jingjiang Bureau of Hydrology and Water Resources Survey，Changjiang Water Resources Commission，Jingzhou 434000，China;2.Bureau of Hydrology，Changjiang Water Resources Commission，Wuhan 430010，China）

Abstract：The Jingjiang reach of the middle reaches of the Yangtze River is connected to Dongting Lake through three outlets，forming an extremely complex and far-reaching relationship between the rivers and lakes.The operation of the Three Gorges Project has changed the natural water and sediment process in the Jingjiang River downstream of the dam.This leads to “flattening” flood processes in the main stream，extended middle water period，and an increase in low flow，which has promoted the continuous response of the three outlets to the above water and sediment conditions.Meanwhile，this paper employs a series of long-term measured hydrological consolidation data and river channel terrain observation results from nearly 70 years.Based on this，the response characteristics of the three outlets to the water and sediment variation process of the Jingjiang River are analyzed，and the flow and sediment diversion，river regime，and erosion and sedimentation evolution laws in the entrance area are summarized.The results show that in the same inflow conditions before and after the operation of the Three Gorges Project，the diversion ratio of three outlets decreases，and the sediment diversion corresponds to the sediment from the upstream branch city.Additionally，the sediment diversion ratio continues its gradually increasing trend.After the impoundment and operation of the Three Gorges Reservoir，the riverbed of three outlets is generally in a state of erosion，with a total erosion amount of 51.47 million m³from 2003 to 2011 and 99 million m³from 2011 to 2016.The entrance areas have been expanded，but the actual flow capacity has not been significantly improved.

Keywords：three outlets;channel evolution;flow capacity;Jingjiang River

長(zhǎng)江中游荊江河段蜿蜒曲折，行洪不暢，有“萬(wàn)里長(zhǎng)江，險(xiǎn)在荊江”^［1^］之說(shuō)，超額洪水為尋找宣泄途徑，在南岸沖刷形成了松滋河、虎渡河、藕池河和華容河（統(tǒng)稱四口洪道）分流至洞庭湖的局面。歷史上四口分流分沙占比曾達(dá)60%～70%，直至中華人民共和國(guó)成立初期仍占30%左右，四口的存在和演變是江湖息息相連、相互影響的一個(gè)最活躍的因素，不僅對(duì)荊江產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響，也對(duì)洞庭湖的調(diào)蓄能力及湖區(qū)匯流、出流過(guò)程的變化起著決定性的作用^［2^］，余文疇^［³^］傾向認(rèn)為下荊江蜿蜒河型的形成是由于兩岸分流減少、下游河道流量增大的結(jié)果。近70 a來(lái)，受系列人類活動(dòng)及上游水沙變化等綜合影響，江湖關(guān)系不斷調(diào)整，三口（華容河口門于1958年建閘封堵）年分流量總體遞減，斷流天數(shù)持續(xù)增加，湖區(qū)出現(xiàn)“汛期防洪、枯季抗旱”現(xiàn)象^［4^］，亟需開展綜合整治。許全喜等^［5^］研究表明三口洪道泥沙淤積、口門河勢(shì)變化、干流河床沖刷及洞庭湖淤積萎縮是三口分流分沙衰減的主要影響因素；朱玲玲等^［⁶^］分析指出大規(guī)模人類活動(dòng)和以大洪水為代表的特殊水文條件是三口分流變化的關(guān)鍵誘發(fā)因素；鄧命華等^［⁷^］認(rèn)為松滋口建閘對(duì)洞庭湖區(qū)防洪作用明顯；張有興等^［⁸^］認(rèn)為松滋河堵支并流、疏浚整治措施基本可行。本文在已有研究的基礎(chǔ)上，采用三峽水庫(kù)運(yùn)用后實(shí)測(cè)水文及河道觀測(cè)成果，進(jìn)一步分析了三口分流分沙變化、洪道沖淤特性及通流能力響應(yīng)等方面，研究成果對(duì)三峽水庫(kù)優(yōu)化調(diào)度及江湖關(guān)系調(diào)整恢復(fù)提供支撐。

1 區(qū)域概況及數(shù)據(jù)源

荊江河段起于長(zhǎng)江三峽工程壩下游約60余km的湖北枝城，止于洞庭湖出口的湖南城陵磯，全長(zhǎng)347.2 km。上荊江左岸有瑪瑙河、沮漳河入?yún)R及江漢運(yùn)河分流，右岸沿程有松滋口（松滋河）、太平口（虎渡河）、藕池口（藕池河）及調(diào)弦口（華容河）分流入洞庭湖^［9^］（圖1），洞庭湖集湖南湘、資、沅、澧四水后又于城陵磯匯入長(zhǎng)江，形成變化復(fù)雜而又影響深遠(yuǎn)的江湖關(guān)系。

荊江干流主要水沙監(jiān)測(cè)站為枝城、沙市和監(jiān)利水文站；三口洪道松滋河為新江口（西支）與沙道觀站（東支）；虎渡河為彌陀寺站；藕池口為藕池（康）站（西支）與藕池（管）站（東支）。

研究區(qū)域水文數(shù)據(jù)主要來(lái)源于長(zhǎng)江水利委員會(huì)水文局1956—2020年各控制站整編數(shù)據(jù)，河道觀測(cè)資料為長(zhǎng)江水利委員會(huì)水文局1995、2003、2011、2016年的1∶5 000地形成果。

2 三口洪道分水分沙過(guò)程響應(yīng)

分水分沙過(guò)程是三口水系河道演變的重要驅(qū)動(dòng)因子，不僅受干流來(lái)水影響，也與人類活動(dòng)聯(lián)系緊密。有水文資料以來(lái)長(zhǎng)江荊江河段先后經(jīng)歷了下荊江系列裁彎、葛洲壩水利樞紐興建、三峽工程修建及運(yùn)行等重大水利過(guò)程，引發(fā)了三口洪道分水分沙的調(diào)整響應(yīng)，根據(jù)觀測(cè)資料系列及人類重大活動(dòng)時(shí)序，劃分為以下5個(gè)時(shí)段：第一時(shí)段（下荊江系列裁彎前）為1956—1966年；第二時(shí)段（下荊江系列裁彎期間）為1967—1972年；第三時(shí)段（下荊江系列裁彎后至葛洲壩工程截流前）為1973—1980年；第四時(shí)段（葛洲壩工程截流后至三峽水庫(kù)蓄水運(yùn)用前）為1981—2002年；第五時(shí)段（三峽水庫(kù)蓄水運(yùn)用后）為2003—2020年。

圖2給出了1956年有實(shí)測(cè)資料以來(lái)荊江三口分流分沙量的年際變化過(guò)程，1956—2020年，三口分流量、分沙量總體呈衰減狀態(tài)。分流量由第一時(shí)段的1 332×10⁸m³減至第五時(shí)段的497.8×10⁸m³，分流最大衰減速率集中在第二時(shí)段與第三時(shí)段，其中藕池口減幅最大，松滋口、太平口緩慢萎縮，分流比由29.4%減小到11.6%。三峽工程運(yùn)行前后同等來(lái)水條件下三口分流比有所減小，例如1991、2019年枝城站年徑流量均為4 473億m³，松滋口、太平口、藕池口分流比則分別由8.1%、2.8%、4.1%減至6.7%、1.1%、2.1%。

分沙量由第一時(shí)段的19 600×10⁴t銳減至第五時(shí)段的870×10⁴t，減幅達(dá)95.6%，三峽水庫(kù)蓄水運(yùn)行以前，三口分沙比均表現(xiàn)為沿時(shí)程減小，主要集中在第二時(shí)段與第三時(shí)段，藕池口減幅較大。三峽水庫(kù)蓄水運(yùn)行后，除太平口分沙比繼續(xù)減小外，松滋口、藕池口分沙比相比第四時(shí)段均有所增大。三口分沙量總體與上游枝城來(lái)沙相應(yīng)，三口分沙比則延續(xù)其逐漸增大的表現(xiàn)，2017年枝城來(lái)沙量最小為550萬(wàn)t，三口分沙量同步最小為180萬(wàn)t。

3 三口洪道沖淤響應(yīng)

河道沖淤響應(yīng)是來(lái)水來(lái)沙與河床相互作用的體現(xiàn)^［10-11^］，沖淤量計(jì)算方法主要有斷面法、地形法或輸沙量法。根據(jù)河道觀測(cè)成果，本次沿用固定斷面法計(jì)算了三口洪道的總沖淤量，劃分為1995—2003、2003—2011、2011—2016年3個(gè)時(shí)段。為了解沖淤量沿高程的分布特性，選取了高、中、低3條水面線，其中高水水面線為控制站歷史最高洪水位減1 m，中水水面線為高水水面線減3～4 m，低水水面線為中水水面線減3 m，各斷面水位按平均比降0.15×10^-4～0.3×10^-4推算。

圖3給出了不同時(shí)段三口洪道河床沖淤量變化過(guò)程。可見三峽水庫(kù)蓄水運(yùn)用以前的1995—2003年，三口洪道總體呈淤積狀態(tài)，總淤積量為0.467 6億m³，淤積部位主要集中在中、高水河槽，其中藕池河淤積量最大，為0.310 6億m³，占總量的66%，強(qiáng)度達(dá)9.1萬(wàn)m³/km；虎渡河淤積量為0.131 7億m³，占總量的28%，強(qiáng)度為9.8萬(wàn)m³/km；松滋河淤積量為0.034 8億m³，占總量的7%，強(qiáng)度為1.1萬(wàn)m³/km；枯水河槽沖淤交替，基本平衡，除松虎洪道（松滋河與虎渡河匯合段）沖刷約0.009 5億m³外，其余均呈小幅淤積。

三峽水庫(kù)蓄水運(yùn)用后的2003—2011年，三口洪道呈沖刷狀態(tài)，總沖刷量為0.514 7億m³，其中松滋河略有沖刷，沖刷量為0.009 2億m³，占三口洪道總沖刷量1.7%，虎渡河沖刷量為0.041 0億m³，占總量的8%，松虎洪道沖刷量為0.146 6億m³，占總量的28%，藕池河總沖刷量為0.317 9億m³，占總量的62%。2011—2016年三口洪道持續(xù)沖刷，總沖刷量為0.99億m³，其中松滋河沖刷量為6 763萬(wàn)m³，約占三口洪道總沖刷量的67%；藕池河沖刷次之，沖刷量為1 886萬(wàn)m³，占總量的19%；虎渡河的沖刷量較小，為546萬(wàn)m³，占總量的6%；松虎洪道沖刷量為762萬(wàn)m³，占總量的8%。

4 三口洪道通流能力響應(yīng)

4.1 口門附近干流水位變化

三口口門分別位于枝江河段中部、沙市河段上部及石首河段上部。三峽工程運(yùn)用前，上述河段受葛洲壩水利樞紐修建等影響，河床沖刷下切^［12-13^］，同流量下中低水位下降，但三口口門以淤積為主，導(dǎo)致三口口門段入流條件提高。

表1給出三口口門附近干流不同河段沖刷厚度成果，表2給出了不同時(shí)段三口口門段水位變化。結(jié)果表明，下荊江系列裁彎（第二時(shí)段）對(duì)10 000 m³/s流量級(jí)三口口門水位影響較為明顯，三口口門處同流量下干流水位下降較為明顯，30 000 m³/s流量級(jí)三口口門水位也有一定程度下降。三峽工程運(yùn)行后（第五時(shí)段），10 000 m³/s流量級(jí)三口口門水位再次出現(xiàn)較大幅度的下降，而30 000 m³/s流量級(jí)三口口門水位有所升高。

4.2 口門附近干流河勢(shì)變化

三峽工程運(yùn)用后，三口口門沖刷擴(kuò)展，對(duì)三口分流能力的增大起到了一定促進(jìn)作用^［14-15^］。

荊江枝城—松滋口段受邊界條件控制，河勢(shì)基本穩(wěn)定，主流線貼右岸深泓而下，高水期，干流主泓沿關(guān)洲以下長(zhǎng)江右岸深泓出陳二口順流直下，加上蘆家河淺灘的束水作用，有利于松滋口的分流。1998年大洪水后沖刷較為明顯，口門橫向擴(kuò)大，口門干流段深泓往進(jìn)口方向移動(dòng)，口門左岸邊灘崩退，有利于分流。

虎渡河進(jìn)口段與長(zhǎng)江干流幾乎垂直。太平口心灘位于口門干流附近，在中低水時(shí)出露，隨著沮漳河改道，便持續(xù)出現(xiàn)右（南）沖左（北）淤的現(xiàn)象，發(fā)展到1997年時(shí)，右泓成為涴市與沙市河彎過(guò)渡段的主泓。由于太平口口門外長(zhǎng)江干流河道主泓由太平口心灘左泓轉(zhuǎn)到心灘右泓，加大了干流河道太平口一側(cè)的流量，對(duì)于維持太平口分流能力的穩(wěn)定具有一定的意義。

藕池口口門形態(tài)變化較大，心灘及邊灘此消彼長(zhǎng)，變化較劇烈。三峽工程運(yùn)用后，心灘向近岸方向移動(dòng)，進(jìn)口段30 m等高線形成的河槽有所展寬。

4.3 口門通流能力分析

干流最枯水位時(shí)，通過(guò)對(duì)比口門處相應(yīng)水位與河底高程可以反映該處的通流情況，選取三口2003、2011、2016年沿程最枯水面線與深泓縱剖面高程進(jìn)行對(duì)比，見圖4。

圖4結(jié)果顯示，2003、2011年口門松03斷面附近、楊家洲汊附近及分流段松西進(jìn)口等位置深泓高程相對(duì)較高，2003年對(duì)應(yīng)水面線水位均高于該年度深泓縱剖面高程，2011年在楊家洲附近深泓高程高出水面約0.3 m。口門段在2003年后有所沖刷，尤其是2011年后受采砂影響，口門大幅下切，但由于長(zhǎng)江干流沖刷下切，進(jìn)口段枯水水面比降有所降低，2016年松滋河深泓線高程較高部位處于楊家洲汊到段及分流段松西進(jìn)口，兩處深泓高程略低于最枯水位，口門至松西河進(jìn)口未斷流。但低水同流量條件下，松滋口通流能力并未增強(qiáng)。

2003年沙市站枯水流量7 410 m³/s時(shí)，虎渡河進(jìn)口水面線高于深泓高程，說(shuō)明該流量下虎渡河沒(méi)有斷流，2011年虎2斷面附近及三場(chǎng)上游深泓高程較高，兩處深泓高程均高出水面線0.2 m，該流量條件下虎渡河已經(jīng)斷流，2016年深泓高程較高部位虎2斷面附近基本與水位持平。而隨著干流河道及口門段沖刷下切，虎渡河進(jìn)口段水面比降明顯降低，可見進(jìn)口段在干流枯水條件下通流條件并未得到改善。

2003年沙市站枯水流量8 920 m³/s時(shí)，藕池河進(jìn)口處深泓高出枯水位約2 m，該流量條件下口門斷流，2011年在藕03斷面下游深泓高程高出枯水位約0.6 m，該流量條件下口門斷流，2016年藕池河西支分流段附近深泓高程比枯水位略高出0.1 m。從三峽工程運(yùn)用后年深泓高程變化來(lái)看，雖然深泓高程有所降低，但干流河道沖刷下切，通斷流對(duì)應(yīng)沙市的流量并未減小，說(shuō)明藕池口通流能力并未明顯改善。

5 結(jié)論

a）1956—2020年，三口分流量、分沙量總體呈衰減狀態(tài)，最大衰減速率集中在下荊江裁彎期與葛洲壩工程截流前，其中藕池口減幅最大。三峽工程運(yùn)行前后同等來(lái)水條件下三口分流比有所減小，分沙量總體與上游枝城來(lái)沙相應(yīng)，三口分沙比則延續(xù)其逐漸增大的表現(xiàn)。

b）三峽水庫(kù)蓄水運(yùn)用后的2003—2011年，三口洪道呈沖刷狀態(tài)，總沖刷量為0.514 7億m³，以藕池河沖刷為主；2011—2016年三口洪道持續(xù)沖刷，總沖刷量為0.99億m³，以松滋河河沖刷量為主。

c）2003—2016年三口洪道口門有所擴(kuò)展，其中松滋河口門處岸線持續(xù)崩退，深泓線擺動(dòng)較大；虎渡河口門處岸線、深泓走向基本穩(wěn)定，藕池河口門處岸線變化、深泓擺動(dòng)相對(duì)較大。口門河段深泓縱剖面均有所沖刷，均發(fā)生在上游河段。三峽工程運(yùn)用后，三口實(shí)際通流能力尚未得到顯著改善。

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