三峡水库调蓄作用下荆江三口逆流现象成因解析

冯宝飞 牛文静 许第兵 邹振华 陈力

摘要：荆江三口是长江干流分流至洞庭湖以减轻荆江河段防洪压力的重要洪道。2017年长江1号洪水期间，荆江三口出现历史罕见的江湖逆流现象。为探明三口逆流现象成因并揭示其在江湖防洪中的作用，基于大量原始数据，对比分析了近60 a来尤其是三峡水库蓄水以来主要洪水期间的分流情况，并通过分析2017年三口逆流期间主要口门控制站的来水情况、水位演进过程、洪道沿程比降及同期三峡水库调蓄操作，明确了发生三口逆流的充要条件。研究成果能够为科学调度长江中上游水库群、有效缓解洞庭湖区的防洪压力提供有益借鉴。

关 键 词：逆流现象; 负流量; 荆江三口; 三峡水库

长江枝城至城陵矶河段通称荆江，长约347 km，中部以藕池口为界分为上荆江和下荆江。荆江地处长江冲积平原河流的上段，河道多弯，行洪不畅，超额洪水经年冲刷，在其南岸形成分流入洞庭湖的松滋河、虎渡河、藕池河和调弦河[1-2]，四河分流口分别为松滋口、太平口、藕池口和调弦口[3-4]，自1959年调弦口建闸封堵后，形成荆江三口洪道[5]。长江干流的水沙经三口洪道分入洞庭湖后纳入湖南四水，再经由城陵矶汇入长江干流，江湖关系颇为复杂。荆江三口河网及控制站分布情况如表1和图1所示。

荆江三口洪道的演进情况历来由各分流口控制站及监测断面进行观测，控制站主要包括新江口、沙道观、弥陀寺、康家岗和管家铺，监测断面主要包括陈家湾、太平口、新厂[1，5]。陈家湾站位于长江干流太平口口门上游约5.5 km处，太平口站位于太平口口门内2.3 km处，弥陀寺站位于虎渡河太平口口门下游7.2 km处;陈家湾站距弥陀寺站约12.7 km，太平口站距弥陀寺站约4.9 km。新厂站位于长江干流藕池口口门上游约6.2 km，管家铺站至口门约14.8 km，康家岗站至口门约13.4 km。新厂站至管家铺站距离约21.0 km，新厂站至康家岗站距离约19.6 km，康家岗站至三岔河站（藕池河出口河段）距离约102.7 km。

1 荆江三口分流变化情况

1.1 三口分流变化

自20世纪60年代以来，荆江河段经历了下荆江裁弯、葛洲坝水利枢纽截流、三峡水库蓄水等重要历史变化，三口分流情况随之改变。现有研究成果显示，近60 a来，荆江三口的演变大致可分为5个阶段[3，6-8]，各阶段起止时间及代表事件见表2。

重大水利事件的发生[9-10]和水利工程的实施[11-12]对三口分流变化产生了不同程度的影响[13-14]，例如，下荆江裁弯使荆江三口分流分沙受到不同程度的影响，且对距离裁弯处较近的藕池口影响大于距离较远的松滋口[8，15-17]。葛洲坝水利枢纽和三峡水库的建成投产则不同程度引起荆江河段来沙量减少，河道冲刷下切，流量水位降低，同时加大了口门进口处与干流河底的高程差，对三口分流具有一定阻碍作用，削弱了荆江三口的分流能力，但同时三口洪道口门的冲刷扩展又在一定程度上加强了三口分流能力，前者影响小于后者，从而导致三口分流能力有所加强[18-21]。各阶段长江枝城与荆江三口分流情况如表3所示。

第7期   冯宝飞，等：三峡水库调蓄作用下荆江三口逆流现象成因解析    人 民 长 江2019年 针对三峡蓄水以来的分流情况进行详细分析，表4統计了自2003年以来主要洪水期间的分流情况[5]。可以看出，三峡蓄水以来的三口洪道分流情况展现以下特点：① 三口总分流比随枝城洪峰流量增大而波动增加，但各口门有所差异，藕池口随枝城洪峰流量增大而增大的趋势最为明显，松滋口有所增大，太平口变化不明显;② 三峡水库蓄水运行以来，主要洪水期间三口总分流比有所增加，在洪峰流量基本相同的情况下，三口合计分流比由20%增加到25%左右，各口门增幅1.9%～3.9%，以藕池口增幅最大。

1.2 三口负流量现象统计分析

作为洞庭湖分蓄长江洪水的要塞，三口洪道各口门的分流情况历来备受关注，其出现罕见负流量现象应该引起足够重视。自三峡水库蓄水运行以来，三口洪道累计出现两次负流量现象：一次是2015年应对“东方之星”沉船事件期间;另一次是2017年“长江1号洪水”期间。两次三口负流量现象统计见表5，其中，2015年“东方之星”沉船事件期间，长江防总于6月2日上午启动对三峡水库的连续3次应急调度，将出库流量由17 200 m3/s减小至7 000 m3/s以降低荆江河段水位，为沉船救援创造有利条件，调度影响于6月2日晚间抵达事故地点监利江段，期间累计负流量约为1.27亿m3。2017年“长江1号洪水”期间，为缓解中下游防洪压力，三峡水库出库流量由27 300 m3/s逐渐减至8 000 m3/s，及时有效地控制了长江干流荆江河段及洞庭湖区的水位上涨趋势，期间累计负径流量约为0.56亿m3。

据上述分析可知，荆江三口出现的两次负流量现象均与三峡水库的调蓄操作密切相关，2015年“东方之星”沉船事件期间的负流量现象成因中，人为引导因素占据主导地位;2017年的负流量现象则发生在“长江1号洪水”期间，属于天然洪水作用下，三口洪道因势利导自然出现的罕见现象。显然，后者对于三口洪道在江湖关系中的作用分析更具参考性。

2 荆江三口逆流现象及成因分析

前已述及，三口洪道负流量现象、尤其是丰水期负流量现象历史罕见，其出现对于长江流域的防洪调度及江湖关系演变具有十分重要的意义。但值得注意的是，洪道控制水文站出现负流量仅表示水文站附近河段内流向发生变化，而“三口逆流”现象所表达的含义则为“长江干流分洪入洞庭湖”转变为“洞庭湖分流入长江”，根据水力学概念，其定义应包含口门控制站负流量及倒比降两个层次，仅出现负流量现象尚不足以定义为三口逆流。考虑到2015年“东方之星”沉船事件期间三口负流量现象的特殊背景，本节以2017年“长江1号洪水”为例，结合三口逆流期间长江干流和洞庭湖水系的来水情况，及三口洪道沿程比降分析，探讨逆流现象出现成因，并结合长江中上游水库群联合调度情况、尤其是三峡水库的调度运行提出针对性建议。

2.1 洪水期间江湖来水情况

2017年6月22日至7月2日，长江中下游地区连续出现2次大范围强降雨过程，长江发生中游型大洪水。受连续强降雨影响，洞庭湖水系湘江、资水、沅水水位快速上涨，7月1日“洞庭四水”合成流量涨至50 000 m3/s，湖区水位快速上涨，城陵矶（七）站水位7月1日0：00超警戒水位，向保证水位逼近。长江上中游水库群进行联合防洪调度，三峡水库出库流量自7月1日08：00的27 300 m3/s逐渐减少至7月3日01：00的8 000 m3/s，7月4日6时宜昌站出现7月历史同期最小流量6 570 m3/s，水位累计降幅约7 m，长江干流荆江河段水位也急剧下降。

7月3日后，荆江三口五站中除新江口外，其它各站均观察到负流量现象，松滋口新江口站、沙道观站、太平口弥陀寺站、藕池口康家岗站、管家铺站最小流量分别为317 m3/s（6日12：00）、-16.6 m3/s（5日01：00）、-321 m3/s（5日08：00）、-59.2 m3/s（4日16：00）、-277 m3/s（5日12：00），其中弥陀寺、康家岗、管家铺连续3～4 d观测流量为负值，三口五站流量过程如图2所示。

2.2 口门控制站水位过程演变

受荆江干流来水急剧减小、洞庭湖湖区水位快速上涨影响，荆江干流及三口洪道内的水流流速、流态变得更为复杂，区域内控制站持续数日观测到负流量，初步判断在较大范围河系内出现逆流现象。以下分析分流河道与洞庭湖连接的主要水道水位高低情况（各站水位均转换为黄海基面），以判定是否发生江湖逆流现象。

（1） 澧水尾闾。松滋口分西支、中支与澧水贯通，西支设有官垸水位站、中支设有自治局水位站，交汇后下游（澧水尾闾）设有石龟山水位站，7月上旬3站水位对比见图3。石龟山水位低于自治局、官垸站水位，因此，洞庭湖水不可能由澧水尾闾倒流至松滋西、中支进而流向荆江干流。

（2） 虎淞合流。松滋河东支与虎渡河汇合后，在流向洞庭湖湖区沿途依次设有安乡、肖家湾水位站，7月上旬2站水位对比见图4。肖家湾站水位低于安乡站水位，因此洞庭湖水不可能由虎淞合流倒流至松滋河、虎渡河进而流向荆江干流。

（3） 藕池河。藕池河东支设有管家铺站，西支设有康家岗站，两站与出口控制站三岔河水位站7月上旬水位对比见图5。由图5可见，在7月2～8日，三岔河水位持續高出管家铺站、康家岗站水位，而在此期间管家铺、康家岗站流量持续为负值，即可认为洞庭湖水由此水道倒流至荆江干流。

综上所述，洞庭湖水不可能由松滋河、虎渡河倒流至荆江，新江口没有出现倒流现象，沙道观仅在较短时间内流量为负，更多时候表现为断流状态，而弥陀寺站持续多日出现负流量。总体而言，弥陀寺流量为负期间，新江口流量大于弥陀寺流量绝对值（见图2），因此可认为荆江自新江口分流水量，一部分经弥陀寺流回荆江干流。

2.3 三口洪道沿程比降分析

伴随水位过程的演变，三口洪道可分别观察到倒比降现象。藕池口口门段7月4～7日出现明显的倒比降，太平口口门段7月4～6日出现明显的倒比降（见图6）;太平口至虎渡河弥陀寺站落差过程见图7，太平口及藕池口口门段干支流落差沿时程变化见图8。

康家岗至三岔河段在统计时段内正负落差相差2.52 m，新厂至管家铺段同步最小落差接近为0，两站距离约21 km，长江干流部分未观测到逆流。可以推断，藕池河靠近长江分流口门的局部河段水位应当出现负落差及倒比降。统计时段内，藕池口口门段及虎渡河口门段出现倒比降，与藕池口进口控制站及虎渡河进口站流量观测出现负值的时间基本同步，而各口门控制站沿程比降变化过程与三峡水库调度运行过程基本一致，见图9。

2.4 逆流现象成因分析及建议

综上分析，荆江三口分流情况的变化与长江上中游梯级水库群的建设和运行，尤其是三峡水库的调蓄操作关系密切，现从以下3个方面对三口分流的演进过程，尤其是2017年罕见的逆流现象及其成因进行定性分析。

2.4.1 三口分流比的定性

三峡水库蓄水运行以来，三口年均分流比略有下降，但主要洪水期间明显上升，这意味着在此期间，枝城同流量条件下，由长江干流经荆江三口分入洞庭湖的水量有所增加，无疑加大了洞庭湖区的防洪压力，在发生中游型大洪水时，尤为明显。

2.4.2 2017年大水三口逆流的定性

2017年大水期间，三口口门段发生罕见逆流现象，并同时出现负流量和倒比降现象，构成三口逆流充要条件。其主要原因可归纳为以下两点。

（1） 洪水期间洞庭湖来水多，湖区水位高。2017年6月22至7月2日，受连续出现的2次大范围强降雨过程影响，长江发生中游型大洪水，洞庭湖湘、资、沅水系及湖区支流先后出现特大洪水过程，来水较历史同期明显偏多，造成湖区水位快速上涨。

（2） 三峡水库出库流量骤减，干流水位低。三峡水库自7月1日12：00至7月2日22：00，出库流量由27 300 m3/s逐渐减至8 000 m3/s，荆江河段各站水位快速下降，太平口口门段7月4～6日出现明显的倒比降，藕池口口门段7月4～7日出现明显的倒比降。

2.4.3 水库调度的效益及建议

通常情况下，上中游梯级水库的调节作用，尤其是三峡水库的调蓄操作，将显著改变荆江径流过程，由于荆江流量大时三口分流比也大，如水库汛期调蓄，消减洪水流量，将导致三口分流量减少，进而降低洞庭湖区水位，有效缓解洞庭湖区的防洪压力。

3 结 语

长江发生中游型大洪水时，洞庭湖防洪压力骤增，湖区水位高涨，对于沿湖地区的防洪减灾非常不利。在这种情况下，充分利用上中游水库的调节能力，通过控制其出库流量，尤其是三峡水库的出库流量，以改变干流水位，引导洞庭湖水经三口逆流入江，对于缓解洞庭湖区的防洪压力具有积极作用。针对2017年长江1号洪水进行计算分析，荆江三口负流量过程中累计逆流水量约1.27亿m3。若按多年综合分流比计算，三口合计分流流量将达到4 920 m3/s，分洪量达到25.5亿m3，通过水位蓄量初步估算，可平均降低洞庭湖水位约0.95 m。由此可见，逆流现象的发生对于应对长江中游型大洪水、尤其是降低洞庭湖区的防洪压力是非常有利的。

然而，荆江三口分流流量对于荆南地区工农业生产、水生态环境保护等至关重要，若频繁出现逆流现象、破坏江湖水体连通，对于河道的天然发育和演变极有可能产生不利影响。因此，在实际防洪调度过程中，应根据长江干流和洞庭湖区具体防洪形势，合理安排上中游水库群、尤其是三峡水库的调度运行，充分利用三口洪道实现江湖两利。

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（编辑：胡旭东）