荆江河段地形变化对洞庭湖水文情势的影响

张冬冬，戴明龙，陈 玺，邓鹏鑫，章晓梦

(1.长江水利委员会水文局，湖北 武汉 430010； 2.中国长江电力股份有限公司智慧长江与水电科学湖北省重点实验室,湖北 宜昌 443000； 3.河海大学水文水资源学院，江苏 南京 210098)

荆江河段作为长江流域最为重要的险工河段，其冲淤变化特征对于江湖关系的影响显著。三峡水库建库前，荆江河段受调弦口封堵、下荆江裁弯、葛洲坝水利枢纽截流等影响，江湖关系经历多次变化与调整，宜昌—湖口河段1975—1998年总体表现为淤积，1998—2002年表现为冲刷[1]。三峡水库建库后，长江中游水文泥沙情势显著调整，坝下游宜昌—湖口河段总体冲刷，其中枯水河槽冲刷量约占91%[2]。干流径流的年内分配改变以及沙量的大幅减少导致洞庭湖入出湖水沙发生一定变化，进而使得荆江河段与洞庭湖的江湖关系进入新一轮变化与调整过程[3-4]。

众多学者从不同角度探讨了三峡水库建库后荆江河段地形变化及其引起江湖关系的变化，韩其为等[5-6]等通过数学模型预测了荆江河段冲刷深度为2.0～5.3 m；董炳江等[7-8]基于实测水沙资料指出，宜昌—湖口河段2012—2016年平均冲刷量比2002—2012年增长了1倍；宫平等[9]通过水沙模型预测了2032年宜昌—沙市河段槽蓄量将增加10亿～14亿m3。清水下泄导致同流量下干流河道水位下降，同时天然来水偏少以及蓄水期水库蓄水进一步导致下游水沙减少，多重因素影响导致三峡水库蓄水期荆江入洞庭湖水沙减少[10]，湖区泥沙淤积减缓以及水位降低[11]，江湖关系变化对洞庭湖防洪和水资源保护产生了新的影响。针对水库蓄水对洞庭湖水文情势影响，孙思瑞等[12-14]等采用数理统计方法分析了三峡水库不同调度方式对洞庭湖区典型年水文情势的影响，徐长江等[15-16]通过数值模拟分析了三峡水库不同调度方式对洞庭湖水文情势的影响。以上研究对三峡水库蓄水导致荆江三口分流减少以及洞庭湖区水位下降的结论基本一致，而对于荆江河道地形变化对江湖关系影响的研究偏少，且多集中于入湖水沙变化特性分析[17-18]，如何定量评估三峡水库建库前后荆江河段地形变化对洞庭湖水文情势的影响目前还处于探索阶段。

本文在已有研究基础上，分别构建三峡水库建库前后两套地形条件下长江干流与洞庭湖一、二维耦合水动力学模型，通过固定来水条件，模拟不同地形条件下洞庭湖区水位以及入出湖水量并进行对比分析，从而定量评估荆江河段地形变化对洞庭湖水文情势的影响，为三峡水库优化调度提供参考。

1 研究区概况与计算方法

1.1 研究区概况

研究区域为长江干流枝城—螺山河段以及洞庭湖区。荆江三口由松滋口、太平口与藕池口组成，荆江自松滋河、虎渡河与藕池河分流汇入洞庭湖。洞庭湖是吞吐长江的通江湖泊，南纳湘、资、沅、澧四水来水，北承荆江松滋、太平、藕池三口分流，入湖径流通过湖区调蓄后，由城陵矶注入长江，构成复杂的江湖系统。研究区域见图1。

1.2 水动力学模型

本文构建了三峡水库建库前后两套地形条件下长江干流与洞庭湖一、二维耦合水动力学模型，其中，长江干流、荆江三口洪道及洞庭四水尾闾均采用一维水动力学模型，洞庭湖区采用二维水动力学模型，耦合模型涉及的一维河道和二维湖区采用标准连接形式，建库前后模型概化如图2所示。

图1 研究区概况Fig.1 Sketch of study area

(a) 建库后

本文采用的水文数据包括长江干流和洞庭湖主要控制站水位和流量数据，建库前后长江干流和荆江三口洪道地形分别采用1996年和2012年地形数据，考虑到洞庭湖数据限制，洞庭湖和四水尾闾地形采用2012年地形，以上数据由长江水利委员会水文局提供。选择1996年建库前地形的主要原因是1996年荆江河段断面冲淤变化不大，年内汛前以及汛后冲淤基本平衡，可以较好地反映建库前荆江河道地形特征；选择2012年建库后地形的主要原因是三峡水库建库后10年内长江中游河道冲淤变化较为显著，可以反映三峡水库建库后的荆江河道变化特征。

模型上边界为宜昌站逐日实测或还原流量，下边界分别为三峡建库前后螺山站水位流量关系综合线，并将洞庭四水、汨罗江及清江主要控制站的逐日流量作为模型的入汇点源。湖区内的降雨径流过程采用降雨产流模块进行模拟，蒸发量采用湖区逐月潜在蒸散发资料。为准确模拟洞庭湖区的水动力变化过程，模型采用三角形网格对湖区进行网格划分，网格总数为23 436个，重要地区、河道及其他地形变化剧烈区域，如荆江三口洪道、草尾河和洞庭湖出口区域，计算网格适当加密。

1.3 模型率定

本文构建的地形模型中仅建库后的地形与实际情况相符，建库前模型属假设情景。模型率定的思路是以建库后地形参数为准，假定建库前模型中不同高程对应的糙率没有发生重大改变，与建库后地形参数基本保持一致。

对于长江中游荆江河段和洞庭湖区，不同的来水组成、量级及水位涨落率均会对水流阻力产生影响，因此进行糙率率定时必须选择具有一定代表性的典型来水过程。本文以干流来水量作为典型年选取的依据，通过对宜昌站1950—2018年年径流量的排频计算，在2008—2018年中选取2012年作为丰水典型年，2014年作为平水典型年，2011年作为枯水典型年，根据不同来水年对模型进行了率定。

由于计算区域内河道和湖区的河床边界组成差异较大，在对河道及湖泊特性分析的基础上，对长江中游干流河段、洞庭湖区、荆江三口洪道及四水尾闾河段3个部分，按照模拟与实际水深差的相对误差进行糙率率定，结果见表1。

1.4 精度评价

为量化评估模型的模拟精度，采用纳什系数ENS[19]和相对误差ER两个指标评价流量过程的模拟精度。参考Moriasi等[20]研究中采用的模型精度评价等级标准(表2)，定量评价本文模型的模拟精度。

表1 模型糙率率定结果Table 1 Manning roughness coefficients in coupled model

表2 模型模拟效果评价指标等级Table 2 Classification of evaluation indices for model simulation effect

根据率定的参数，模拟2015—2018年荆江河段、洞庭湖区及出口各站点的逐月流量和水位过程，并与实测流量和水位过程进行对比，模拟结果见图3和表3。由表3可以看出，除管家铺站为良好外，其他各水文站模拟流量过程与实测过程拟合等级均为优秀，满足模型模拟精度要求。鹿角、荷叶湖和南咀站平均水位模拟误差分别为0.06 m、0.03 m和 0.03 m，最高水位模拟误差分别为0.57 m、0.39 m和0.45 m，最低水位模拟误差分别为-0.51 m、-0.68 m和 -0.27 m。

表3 各水文站流量模拟效果评价Table 3 Evaluation of simulation results of discharge at different hydrological stations

1.5 径流还原方法

采用径流还原方法，将宜昌站实测流量还原至三峡水库建库前的状态。还原计算中主要根据三峡水库坝前水位、水库库容曲线以及出库流量，采用水量平衡法反推入库流量，并采用马斯京根法将入库流量过程由清溪场演算到宜昌站，得到宜昌站还原流量过程，如图4所示。三峡水库调度一定程度改变了宜昌站径流的年内分配，其中，9—11月为水库蓄水期，实测月平均流量较还原情况减小 0.4%～25%，10月变化幅度最大；12月至次年3月为枯水期，实测月平均流量较还原情况增大9%～26%，枯水期三峡水库加大了下泄流量，减缓了河道冲刷对枯水位的影响。

(a) 鹿角站水位过程

图4 宜昌站2008—2018年实测与还原月平均流量Fig.4 Measured and restored average monthly discharges at Yichang station from 2008 to 2018

2 三峡水库建库后荆江河段冲淤变化特征

2.1 荆江河段

三峡水库建库后宜昌—城陵矶河段河道泥沙冲刷情况如表4所示。2003—2018年荆江河段平滩河槽冲刷11.38亿m3，年均冲刷强度为20.0万m3/km。从冲淤量时间分布来看，荆江河段河道冲刷主要集中在三峡水库建库后的前3年，2003—2005年平滩河槽冲刷量为3.02亿m3，年均冲刷强度为29.0万m3/km，占建库以来该河段平滩河槽总冲刷量的27%；2008—2018年平滩河槽冲刷量为7.05亿m3，年均冲刷强度为18.5万m3/km，占建库以来该河段平滩河槽总冲刷量的62%。从河道冲刷沿程分布来看，上荆江和下荆江河段冲刷量分别为6.79亿m3和4.59亿m3，分别占荆江河段冲刷量的60%和40%，年均冲刷强度分别为24.0万m3/km和16.3万m3/km。

表4 三峡水库建库后宜昌—城陵矶河段河道泥沙冲刷量 单位：万m3Table 4 Sediment erosion in river channel from Yichang to Chenglingji after construction of Three Gorges Reservoir unit: 104 m3

2.2 荆江三口洪道

三峡水库建库后，荆江三口洪道表现为冲刷，2013—2018年洪水河槽总冲刷量为17 845万m3，其中，松滋河、虎渡河、松虎洪道、藕池河冲刷量分别占三口洪道总冲刷量59%、12%、9%和20%，如表5所示。相同水位条件下，荆江三口洪道4个控制断面过水面积变化如表6所示，相较建库前，建库后新江口、沙道观和康家岗站在相同水位下过水面积有一定减小；管家铺站在低水位情况下过水面积有一定增大，中高水位情况下过水面积减小。

表5 三峡水库建库后荆江三口洪道泥沙冲刷量 单位：万m3Table 5 Sediment erosion in flood diversion channels of three outlets of Jingjiang reach after construction of Three Gorges Reservoir unit: 104 m3

表6 三峡水库建库前后荆江三口洪道不同水位过水面积Table 6 Discharge areas of different cross-sections in flood diversion channels of three outlets of Jingjiang reach under different water levels before and after construction of Three Gorges Reservoir

3 荆江河段地形变化对洞庭湖水文情势的影响

以宜昌站实测或还原流量过程作为模型上边界条件，在其他边界条件一致的情况下，分别模拟三峡水库建库前(1996年)和建库后(2012年)两套地形条件下洞庭湖区水位、入出湖水量的变化特征。本次模拟涉及4种情景(表7)。为了与《三峡(正常运行期)—葛洲坝水利枢纽梯级调度规程》(2019年修订版)中提出的中小洪水调度方式相协调，本次模拟在蓄水期9—11月的基础上将研究时段扩展至8—11月各旬。

3.1 洞庭湖区水位

将4种模拟情景下洞庭湖区水位数据进行对比，分析2008—2018年洞庭湖区鹿角、荷叶湖及南咀站8—11月逐旬水位以及水位受地形影响的变化特征，结果如图5和图6所示。

三峡水库建库后，荆江河段河床持续冲刷，同流量条件下河道水位下降，进而导致荆江三口分流进一步减少，洞庭湖区水位进一步下降。从图5可以看出，在宜昌站实测来水条件下，地形变化导致鹿角站8—11月水位降低，荷叶湖站水位变化幅度略小于鹿角站，南咀站水位变化幅度最小。从各旬水位变化幅度来看，鹿角站、荷叶湖站9月下旬变化幅度最大，11月中旬变化幅度最小；南咀站变化幅度总体趋势与其他两站大致相同。图6为宜昌站还原来水条件下的计算结果，地形变化导致湖区水位下降0.45～0.74 m，下降幅度在实测来水条件范围内，且8月上旬下降幅度最大，11月下旬下降幅度最小。从空间变化特征来看，靠近洞庭湖出湖的站点变化幅度大于湖区内的站点，可以认为荆江河段地形变化对洞庭湖区水位的影响程度随着与城陵矶距离增加而减弱。

表7 情景设置Table 7 Scenario design

(a) 水位

(a) 水位

为了进一步验证计算结果的合理性，选取鹿角站、南咀站(荷叶湖站水位系列较短，不纳入统计)1981—2002年和2008—2018年8—11月实测水位数据，分析两个时段的水位变化特征，结果如表8所示。与1981—2002年相比，2008—2018年8—11月鹿角站各月实测平均水位分别降低0.78 m、1.73 m、2.11 m和0.45 m，地形变化引起鹿角站各月平均水位分别降低0.65 m、0.75 m、0.69 m和0.32 m；南咀站各月实测平均水位分别降低0.87 m、1.13 m、1.10 m和0.30 m，地形变化引起南咀站各月平均水位分别降低0.56 m、0.55 m、0.53 m和0.16 m。两站实测水位变化由水库调蓄、天然来水变化、干流和湖区地形变化以及当地取用水等多种要素引起，从模型计算结果可以得出，鹿角站和南咀站干流地形变化引起的各月水位变化占总水位变化的比例分别为0.33～0.83和0.48～0.64，两站地形变化引起的水位变化均小于两站实测水位变化，计算结果基本合理，可以认为荆江河段地形变化是导致洞庭湖区两个水位站8—11月水位下降的主要因素。

表8 鹿角和南咀站计算与实测水位变化比较Table 8 Comparison of calculated and measured water level variations at Lujiao and Nanzui stations

3.2 洞庭湖入出湖水量

4种模拟情景下洞庭四水入湖水量一致，因此，荆江河段地形变化仅对荆南四河入湖水量和城陵矶出湖水量有影响，以松滋河新江口站和沙道观站、虎渡河弥陀寺站、藕池河康家岗站和管家铺站合成流量代表荆南四河入湖水量，荆南四河和城陵矶8—11月逐旬流量及其受地形影响的变化特征如图7和图8所示。

三峡水库建库后，荆江河段河床持续冲刷，荆南四河入湖水量持续减少。从图7可以看出，在宜昌站实测来水条件下，荆南四河8—11月多年旬平均入湖流量减小249～1 660 m3/s；受湖区调蓄作用影响，出湖流量减小幅度小于入湖流量，出湖流量减少90～920 m3/s。从各旬变幅来看，荆南四河入湖流量变幅较大的时段集中在8月上旬，而11月中下旬变化幅度较小；出湖流量变幅较大的时段集中9月下旬，而11月中下旬变化幅度较小。从图8可以看出，在宜昌站还原来水条件下，荆南四河8—11月多年旬平均入湖流量减小457～1 630 m3/s；受湖区调蓄作用影响，出湖流量减小幅度小于入湖流量，出湖流量减小360～440 m3/s。从各旬变幅来看，建库前后荆南四河入湖、城陵矶出湖流量变幅较大的时段集中在8月上旬，而11月中下旬变化幅度较小。

(a) 流量

(a) 流量

3.3 枝城—螺山河段水文情势变化特征

表9统计了宜昌站实测和还原来水情景下，2008—2018年地形变化引起的枝城—螺山河段各关键控制节点8—11月平均水位和流量变化特征。实测来水条件下，受荆江河道冲刷下切的影响，在来水一定的情况下，荆江干流河道水位进一步下降，枝城站受河道冲刷影响最为明显，8—11月平均水位下降了1.22 m。荆江三口分流减少导致干流的沙市和监利站流量分别增加570 m3/s和980 m3/s，但由于流量增加导致的水位抬升值小于河道冲刷导致的水位下降值，综合影响下沙市和监利两站平均水位分别下降了1.54 m和0.82 m。荆江三口洪道入湖水量减少导致洞庭湖区各站平均水位下降0.53～0.62 m，且距离城陵矶越近，下降幅度越大，但下降幅度小于干流各控制站。受到洞庭湖调蓄的影响，城陵矶出湖流量减小值小于荆南四河入湖流量减小值，螺山站在干流来水增加和洞庭湖出水减少的综合影响下，流量增加了560 m3/s，水位略有下降，变化不明显。还原来水条件下，由于没有受到水库蓄水影响，来水量较实测情况增加，因而各控制站水文情势变化幅度小于实测来水情况，空间变化规律与实测来水情况基本一致。

表9 枝城—螺山河段8—11月平均水位和流量受地形影响变化模拟结果Table 9 Variations of water level and discharge for reach from Zhicheng to Luoshan from August to November under topographical influence

在枝城站来水一定的条件下，地形变化对荆江三口分流量的影响见表10。可以看出，枝城站在流量为1万～4万m3/s时，2012年地形条件下荆江三口分流比相较1996年地形条件下减小了5.8%～6.3%，且流量越大，变化幅度越大。从各口门变化幅度来看，藕池口变化幅度最大，太平口次之，松滋口变化幅度最小。

表10 地形变化前后荆江三口分流能力变化Table 10 Distributary capacity of three outlets of Jingjiang reach before and after topographical change

4 讨 论

本文分析了荆江河段河道地形改变后洞庭湖水文情势的变化及其对荆江河段的反馈作用，结果表明，在假定来水一定的条件下，对于中低水情况下，地形变化导致荆江三口分流量进一步减少，枝城站流量与荆江三口分流量减少量存在显著相关关系(图9)，两者在枝城站流量约为1.1万m3/s时有过渡区，且流量越小分流量减少幅度越大。洞庭湖分泄长江干流水量减少，降低了洞庭湖的调蓄能力，使得同样来水条件下长江干流沙市—螺山河段的流量增加。研究表明，河道地形改变条件下，沙市、监利以及螺山站的水位受流量增加和河道冲刷减少的综合影响，对于沙市和监利站，流量增加导致的水位抬升值小于河道冲刷导致的水位下降值，因此河道冲刷对于以上河段防洪形势有利。螺山站由于河道冲刷不明显，还原来水条件下流量增加导致的水位抬升值略大于河道冲刷导致的水位下降值，同流量下螺山站中低水水位有一定的抬高，当来水量较大时螺山站的防洪形势值得关注。李世强等[21]基于螺山站实测水位和流量分析指出，三峡水库运行后，螺山站在同流量下中低水水位抬高较多，高水水位抬高减少，与本文研究的结果基本一致，可以认为河道地形改变是造成以上变化的原因之一。需要指出的是，洞庭湖的调蓄能力不仅与荆江三口分流量有关，还与自身的湖泊面积、洞庭四水来水以及出湖段长江干流顶托影响关系密切，未来研究中需要结合各要素变化与洞庭湖调蓄间的响应关系，进一步分析洞庭湖调蓄对长江中下游防洪总体布局的影响。

图9 地形影响下枝城站流量与荆江三口分流量变化的相关关系Fig.9 Relationship between discharge at Zhicheng station and water diversion change of three outlets of Jingjiang reach under topographical influence

本文计算采用不同地形作为模型输入，分析不同地形变化对长江中下游以及洞庭湖水文情势影响，仅改变了长江干流的地形，而没有反映洞庭湖以及四水尾闾地形变化对湖区水位的影响。朱玲玲等[22]研究表明，洞庭湖区1995—2003年以淤积为主，平均淤积厚度约为3.7 cm； 2003—2011年由淤转冲，湖区平均冲刷深度约为10.9 cm；近年洞庭湖冲淤基本平衡，湖区冲淤变化对水位影响不大。未来工作中将进一步完善湖区地形变化对洞庭湖水文情势影响的研究。

5 结 论

a.三峡水库建库以来，荆江干流和三口洪道均处于冲刷状态，干流河道冲刷主要集中在建库后的前3年，该时段年平均冲刷强度为建库后的1.45倍；三口洪道冲刷主要集中在松滋河和藕池河，分别占总冲刷量的59%和20%。

b.受地形变化影响，在实测和还原来水条件下，洞庭湖区8—11月多年平均水位分别下降0.09～0.83 m和 0.45～0.74 m，两种来水条件下水位变幅最大分别在9月下旬和8月上旬，地形变化对洞庭湖区水位的影响程度随着与城陵矶距离增加而减弱。

c.受地形变化影响，荆南四河和城陵矶8—11月多年旬平均流量分别减少249～1 660 m3/s和 90～920 m3/s，地形变化削弱了长江干流与洞庭湖的水力联系，导致同样来水条件下荆南四河入湖水量减少，进而间接削弱了洞庭湖调蓄能力。地形变化导致荆江三口分流减少了5.8%～6.3%，且干流流量越大，变化幅度越大。

d.在枝城站来水一定的条件下，地形变化导致荆江三口分流量减少，且来水越少分流量减少幅度越大，进而导致沙市—螺山河段的流量增加，同流量下螺山站中低水水位有一定的抬高。