1955年以来入洞庭湖的荆江三口分流变化*

朱博渊,徐 琪,朱玲玲,李义天

(1:长沙理工大学水利与环境工程学院,长沙 410114) (2:水沙科学与水灾害防治湖南省重点实验室,长沙 410114) (3:长江水利委员会水文局,武汉 430010) (4:武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室,武汉 430072)

荆江三口包括长江荆江河段南岸松滋口、太平口和藕池口,是连接长江与洞庭湖的纽带[1-4](图1)。历史上还有调弦口分荆江干流水沙入洞庭湖,但该口门于1958年冬建闸控制[5]。受自然条件和人类活动影响,近70年来荆江三口分流持续减少,对江湖关系调整产生直接作用[2-4,6-8]。

图1 荆江-洞庭湖分汇关系与水利工程、水文站位置Fig.1 Connection between Jingjiang River and Lake Dongting, and locations of water conservancy projects and hydrological stations

1950s开始,长江上游降雨偏少[9-10],使得长江中游干流年径流量减小,荆江三口分流相应减少。1960s以后,下荆江裁弯增大河道水面比降、葛洲坝拦沙和长江上游水土保持工程减少荆江河段来沙量,荆江河段总体冲刷[11-15],至三峡水库蓄水前10年左右,冲刷趋势已明显减弱;三峡水库蓄水后,下泄水流含沙量大幅减小,下游河道再次出现显著冲刷[15-20]。三峡水库蓄水前,荆江干流与三口洪道冲淤性质相反,干流冲刷、三口洪道淤积,干流与三口口门水位差减小,导致三口分流持续减少[11-15,19-23];三峡水库蓄水后,三口分流变化不大,原因为荆江干流与三口洪道均表现为冲刷,干支流水位均下降,缓解了分流减少趋势,但三口分流年内过程受三峡水库调蓄径流的影响重新分配[19-20,24-29]。关于三口分流变化趋势,现有认识为分流年均值取决于干流来水量,但干流同流量下分流变化不大[19-22,25]。

基于控制变量法,现有研究重点识别了三峡水库运用对荆江三口分流变化的影响。如2003-2014年三峡水库汛前枯水补偿调度使得三口分流量年均增加8×108m3,汛后蓄水使得三口分流量年均减小29×108m3,对三口分流量综合影响为年均减小21×108m3,占同期三口年均分流量的4.29%[20];降雨、水库调度和河道调整在水库运行初期(2003-2008年)和优化调度后(2009-2015年)对三口分流量减小的贡献比例分别为76.19%、10.32%、13.49%和66.05%、19.75%、14.20%[26];三峡水库优化调度后(2008-2017年),水库调度在汛前消落期、汛期、汛末蓄水期和枯水期分别使得三口多年平均分流量变化23.94%、-3.54%、-37.18%和5.61%,河道调整在以上4个时期分别使得三口多年平均分流量变化-15.37%、2.32%、-2.92%和-20.24%[27]。

当前,关于三口分流减少过程、机制和变化趋势的研究成果已较为丰富,其中对于驱动因素贡献比例的定量识别集中于三峡水库不同调度期。而三口分流变化的历史过程受降雨变化、调弦口堵口、下荆江裁弯、葛洲坝运用和三峡水库运用等多因素驱动作用,目前对各因素影响的系统性研究尚显不足,特别是对各因素贡献比例的量化,据此开展相关研究工作将有助于实时确定江湖关系演变的控导因素,科学调整治理对策。本文根据长江干流和三口洪道1955-2021年实测水文、地形资料分析三口分流变化过程和原因,采用控制变量法量化不同历史阶段各驱动因素贡献,为三口分流变化趋势和荆江-洞庭湖区规划整治提供参考。

1 三口分流时序变化特点

1.1 各阶段年均变化特点

如图1所示,松滋口分流量以新江口站和沙道观站代表,太平口分流量以弥陀寺站代表,藕池口分流量以康家岗站和管家铺站代表,各口门分流比则是对应分流量在枝城站来流量中的占比。

三口分流变化分为6个阶段(图2):调弦口堵口前(1955-1958年),三口分流量和分流比年均值分别为1348×108m3和31%;调弦口堵口至下荆江裁弯前(1959-1966年),三口分流量和分流比年均值分别为1298×108m3和29%,较上一阶段分别减小50×108m3和2%;下荆江裁弯至葛洲坝运用前(1967-1980年),三口分流量和分流比年均值分别为880×108m3和20%,较上一阶段分别减小418×108m3和9%;葛洲坝运用至三峡水库初期蓄水前(1981-2002年),三口分流量和分流比年均值分别为664×108m3和15%,较上一阶段分别减小216×108m3和5%;三峡水库初期蓄水至试验性蓄水前(2003-2008年),三口分流量和分流比年均值分别为475×108m3和12%,较上一阶段分别减小189×108m3和3%;三峡水库试验性蓄水后(2009-2021年),三口分流量年均值为493×108m3,较上一阶段略有增大,增大值为18×108m3,三口分流比年均值与上一阶段相同。

图2 三口分流量(a)和分流比(b)各阶段变化Fig.2 Stage change in water diversion volume (a) and ratio (b) at the three outlets

1.2 各阶段5-11月变化特点

荆江三口分流减少集中在5-11月(表1)。1959-1966年与1955-1958年相比,5-11月三口分流量减小41×108m3,三口分流比减小3%;1967-1980年与1959-1966年相比,5-11月三口分流量减小386×108m3,三口分流比减小9%;1981-2002年与1967-1980年相比,5-11月三口分流量减小210×108m3,三口分流比减小7%;2003-2008年与1981-2002年相比,5-11月三口分流量减小178×108m3,三口分流比减小2%,其中10月为蓄水期,分流比减小幅度最大,减小值为4.7%;2009-2021年与2003-2008年相比,5-11月三口分流量和分流比均略有增大,增大值分别为7.2×108m3和0.2%。以上各阶段5-11月三口分流量减小值的平均值为169×108m3、占年均减小值的98%,分流比减小值的平均值为4%。12月至次年4月,三口分流量和分流比减小值均很小,各阶段减小值的平均值分别为4×108m3和1%。

表1 各阶段三口月均分流量与分流比Tab.1 Monthly water diversion volume and ratio at the three outlets for each stage

2 三口分流变化驱动因素

2.1 各阶段年均变化及原因

导致荆江三口分流年均值持续减少的自然因素主要为降雨减少引发的干流来流偏枯。如图3所示,长江上游降雨量在1970年以后多数低于多年平均值,且枝城站年径流量随上游年降雨量同步减小关系较好,使得三口年分流量相应减小。统计结果表明,1955-1958、1959-1966、1967-1980、1981-2002、2003-2008和2009-2021年6个阶段长江上游降雨量多年平均值分别为981、933、820、808、801和841 mm。

图3 长江上游年降雨量、枝城站年径流量和三口年分流量变化Fig.3 Variation in yearly precipitation of upper Yangtze, yearly water discharge at Zhicheng station and yearly water diversion volume at the three outlets

人类活动影响主要体现在三口分流阶段性变化上:

1)调弦口堵口前(1955-1958年):枝城站同水位下流量变化不大(图4a1),说明荆江河段冲淤平衡。以图1中枝城站、沙市站、新厂站水位近似代表三口口门水位,松滋口、太平口口门同水位下分流流量变化不大(图4b1),说明口门冲淤变化不大;藕池口口门35 和37 m水位下分流流量略有减小(图4b1),说明口门略有淤积。以上对干支流水位差影响不大,该阶段三口分流随降雨减少(图3)。

图4 荆江干流及三口口门冲淤变化Fig.4 Erosion-deposition at Jingjiang River and the three outlets

2)调弦口堵口至下荆江裁弯前(1959-1966年):枝城站同水位下流量变化不大、略有增加(图4a1),说明荆江河段基本冲淤平衡、略有冲刷。松滋口、太平口口门同水位下分流流量变化不大(图4b1),说明口门冲淤变化不大;藕池口口门同水位下分流流量减小较上一阶段明显(图4b1),说明口门淤积。以上使得干支流水位差变小,促进该阶段三口分流减少。调弦口堵口应利于三口分流增加,但由于调弦口堵口前年均分流量仅120×108m3[30],占枝城站年径流量3%,因而对三口分流促进作用不明显。

3)下荆江裁弯至葛洲坝运用前(1967-1980年):干流河道缩短,水面比降和河道流速明显增大,河床下切,枝城站38.00、42.00 和46.00 m水位下流量平均值分别较裁弯前增大148、1399和1732 m3/s(图4a1)。松滋口、太平口和藕池口口门相同水位下分流流量均减小(图4b1),说明口门均表现为淤积,其中藕池口口门淤积幅度最大。具体而言,松滋口口门39.00、43.00和47.00 m水位下分流流量平均值分别较裁弯前减小62、94和217 m3/s,太平口口门35.00、37.00 和40.00 m水位下分流流量平均值分别较裁弯前减小10、6和44 m3/s,藕池口口门33.00、35.00 和37.00 m水位下分流流量平均值分别较裁弯前减小207、721和1218 m3/s。以上使得干支流水位差相比于上一阶段减小幅度显著增加,导致三口分流明显少于上一阶段。

4)葛洲坝运用至三峡水库运用前(1981-2002年):干流河床继续下切,枝城站以上各水位对应流量平均值分别较上一阶段增大1019、1972和1063 m3/s(图4a1)。松滋口、太平口、藕池口口门同水位下分流流量均减小(图4b1),说明口门仍整体表现为淤积,但松滋口、藕池口口门在1998年洪水后由淤转冲(图4b1),太平口口门中枯水河槽1990年以后由淤转冲(图4b1)。具体而言,松滋口口门39.00、43.00和47.00 m水位下分流流量平均值分别较裁弯期减小51、136和267 m3/s;太平口口门35.00、37.00和40.00 m水位下分流流量平均值分别较裁弯期减小81、61和144 m3/s;藕池口口门33.00、35.00和37.00 m水位下分流流量平均值分别较裁弯期减小125、452和1510 m3/s。以上使得干支流水位差相比于上一阶段进一步减小,导致该阶段三口分流继续减少,但1998年以后同水位下分流减少速率趋缓。

5)三峡水库运用后(2003-2021年):三口附近干流河床冲淤并存、以冲刷为主,深泓最大下切幅度在2.6～8.2 m之间(图4a2～a7)。松滋口、太平口、藕池口口门也表现为冲刷,其中松滋口口门冲刷幅度最大,藕池口口门次之,太平口口门冲刷幅度最小,深泓最大下切幅度在0.8～8.7 m之间(图4b2～b4)。干流河床与三口口门断面同步冲刷,水位差相比于上一阶段增大,有助于缓解三口分流减少趋势。故该阶段三口分流相比于上一阶段减幅变小,且阶段内无明显变化。2003-2008年至2009-2021年三口分流略有增大的原因为后一阶段长江上游降雨量偏大,导致枝城站年径流量偏大(图3)。

2.2 各阶段5-11月变化及原因

长江上游降雨减少主要集中在汛期,枯期减少不显著[10,31],故汛期降雨减少对各阶段5-11月三口分流持续减少作用明显。各阶段人类活动对5-11月三口分流减少的影响分析如下:

1)调弦口堵口前(1955-1958年):人类活动不显著,5-11月三口分流减少主要受降雨减少影响。

2)调弦口堵口至下荆江裁弯前(1959-1966年): 根据调弦口闸运行方式[32],5-11月基本不开闸,故对该时期三口分流应是促进作用,遇长江干流发生大洪水需要承担分洪任务时,最大分洪流量应控制在华容河泄流能力980 m3/s以内[5],仅占枝城站同期流量5%,故对5-11月三口分流减少的影响很小。

3)下荆江裁弯至葛洲坝运用前(1967-1980年): 裁弯造成干流河道大幅下切,由于三口分流主要与干流中洪水位有关[19-20],故汛期5-11月河床下切造成的三口分流减少幅度更大[20,23]。前文统计结果显示,三口年均分流量该阶段相比上一阶段减小418×108m3,其中5-11月减小386×108m3,占比92%,且该阶段相比上一阶段年均分流比与5-11月分流比的减小值相同。

水库蓄水后,为分析水库调度对三口分流月均值的影响,对无水库调度时枝城站月均流量按下式还原:

Q还原=Q实测+Q入库-Q出库

(1)

式中,Q还原为枝城站还原月均流量(m3/s);Q实测为枝城站实测月均流量(m3/s);Q入库、Q出库分别代表水库入、出库月均流量(m3/s)。三峡水库入库流量为干流寸滩站与支流武隆站流量之和,出库流量代表站为黄陵庙站,葛洲坝入、出库流量代表站分别为黄陵庙站和宜昌站,各水文站位置见图1。

4)葛洲坝运用至三峡水库运用前(1981-2002年)、三峡水库初期蓄水期(2003-2008年)和三峡水库试验性蓄水以来(2009-2021)的Q还原分别见附表Ⅰ、附表Ⅱ和附表Ⅲ。

干流向三口口门分流的过程类比堰流模式[33],分流流量大小主要取决于荆江干流与三口洪道水位(或三口口门河底高程)差[19-20,22,34],通常可借助多项式或幂函数建立分流流量与该差值或与干流流量(水位)较好的相关关系[22,26-27,29]。经统计,本文各历史阶段采用一元二次多项式拟合荆江三口与枝城站实测月均流量关系的相关系数整体最大,故应用于定量研究中。各水库调度阶段的拟合关系见图5。

图5 各水库调度阶段荆江三口与枝城站实测月均流量拟合关系Fig.5 Fitting curve of monthly discharges between the three outlets and Zhicheng station at each stage of reservoir operation

5)葛洲坝运用至三峡水库运用前(1981-2002年):图5(a)中三口与枝城站实测月均流量拟合关系式为:

(2)

式中,q实测为三口实测月均流量(m3/s);R为相关系数。

将附表Ⅰ中Q实测和Q还原代入式(2),得到三口实测和还原月均流量q′实测和q还原的计算值,进一步比较q′实测与q还原,可得到葛洲坝调度造成的三口各月分流流量变化。根据附表Ⅰ中q′实测-q还原结果可知,葛洲坝调度使得5-11月三口分流量减小0.4×108m3,12月至次年4月分流量减小0.2×108m3,年均分流量整体减小0.6×108m3。

6)三峡水库初期蓄水期(2003-2008年): 三口与枝城站实测月均流量拟合关系式(图5(b))为:

(3)

将附表Ⅱ中Q实测和Q还原代入式(3),同理得到三峡水库初期蓄水期调度造成的三口各月分流流量变化。根据附表Ⅱ中q′实测和-q还原结果可知,三峡水库初期蓄水期调度使得5-11月三口分流量减小12.5×108m3,12月至次年4月分流量增大0.1×108m3,年均分流量整体减小12.4×108m3。

7)三峡水库试验性蓄水以来(2009-2021年),三口与枝城站实测月均流量拟合(图5(c))关系式为:

(4)

将附表Ⅲ中Q实测和Q还原代入式(4),同理得到三峡水库试验性蓄水期调度造成的三口各月分流流量变化。根据附表Ⅲ中q′实测-q还原结果可知,三峡水库试验性蓄水期调度使得5-11月三口分流量减小38.6×108m3,12月至次年4月分流量增大1.3×108m3,年均分流量整体减小37.3×108m3。

因此,葛洲坝和三峡水库调度造成的季节和年均三口分流减小量中,5-11月减小量占主要部分,对表1中对应阶段的5-11月三口分流减少具有促进作用。此外,5-11月是水库拦蓄泥沙的主要时期,拦沙造成干流河床冲刷,也利于该时期三口分流减少。

3 多驱动因素对三口分流时序变化的各自贡献比例

葛洲坝运用至三峡水库运用前(1981-2002年)、三峡水库初期蓄水期(2003-2008年)和三峡水库试验性蓄水期(2009-2021年)荆江三口月均分流流量与枝城站月均流量的拟合关系见图5和式(2)～(4),调弦口堵口前(1955-1958年)、调弦口堵口至下荆江裁弯前(1959-1966年)和下荆江裁弯至葛洲坝运用前(1967-1980年)各阶段拟合关系见图6和式(5)～(7)。

图6 水库调度前各阶段荆江三口与枝城站实测月均流量拟合关系Fig.6 Fitting curve of monthly discharges between the three outlets and Zhicheng station at each stage before reservoir operation

(5)

(6)

(7)

3.1 调弦口堵口和下荆江裁弯

调弦口堵口和下荆江裁弯对三口分流变化的贡献计算如下:

(8)

式中,Δq年均-工程代表堵口或裁弯造成的三口年均分流流量变化(m3/s);f工程前代表堵口或裁弯前三口月均分流流量与枝城站月均流量的拟合关系,即式(5)或式(6);f工程后代表堵口或裁弯后的拟合关系,即式(6)或式(7);Q实测-工程后代表堵口或裁弯后的枝城站实测月均流量(m3/s)。

调弦口堵口或下荆江裁弯前后三口分流流量总变化为:

Δq年均-全=q年均-工程后-q年均-工程前

(9)

式中,q年均-工程后代表堵口或裁弯后三口实测年均分流流量(m3/s);q年均-工程前代表堵口或裁弯前三口实测年均分流流量(m3/s)。

则调弦口堵口或下荆江裁弯前后降雨变化引起的三口年均分流流量变化为:

Δq年均-降雨=Δq年均-全-Δq年均-工程

(10)

因此,调弦口堵口/下荆江裁弯和降雨变化对三口分流变化的贡献比例分别为:

(11)

(12)

3.2 水库运用

葛洲坝和三峡水库运用后,水库调度和水库下游河道调整均引起三口分流变化,对三口分流的影响可分别计算如下:

(13)

(14)

式中,Δq年均-河道调整代表水库下游河道调整造成的三口年均分流流量变化(m3/s);f蓄水前、f蓄水后分别代表蓄水前和蓄水后三口月均分流流量和枝城站月均流量的拟合关系,葛洲坝运用前后分别为式(7)和式(2),三峡水库初期蓄水运用前后分别为式(2)和式(3),三峡水库试验性蓄水运用前后分别为式(3)和式(4);Q实测-蓄水后代表蓄水后枝城站实测月均流量(m3/s)。

水库运用前后,三口分流流量总变化为:

Δq′年均-全=q年均-蓄水后-q年均-蓄水前

(15)

式中,q年均-蓄水后、q年均-蓄水前分别代表蓄水后和蓄水前三口实测年均分流流量(m3/s)。

则水库运用前后降雨变化引起的分流流量变化为:

Δq′年均-降雨=Δq′年均-全-Δq年均-调度-Δq年均-河道调整

(16)

因此,水库调度、下游河道调整和降雨变化对三口分流变化的贡献比例分别为:

(17)

(18)

(19)

根据式(8)～(19)计算得到各驱动因素贡献比例(表2),可以看出:调弦口堵口促使三口分流增大,贡献比例为35%,但在降雨减少背景下,无法遏制三口分流减少趋势。下荆江裁弯对三口分流贡献比例很大,远超该时期降雨减少的影响。葛洲坝和三峡水库蓄水以来,降雨减少的影响最为显著,贡献比例大于50%,水库调度和下游河道调整的影响居于次要地位:葛洲坝为低水头径流式电站,对径流过程的调蓄能力很小,基本不影响三口分流,但该时期下游河道延续了下荆江裁弯期的冲刷过程,利于三口分流减少;三峡水库初期蓄水与葛洲坝相比,对径流过程的调蓄能力明显增大,对三口分流减少产生一定贡献,但略小于该阶段下游河道调整的影响;三峡水库试验性蓄水以来,对径流过程的调蓄能力进一步增大,相比于葛洲坝调度,对三口分流减少的贡献明显高于初期蓄水期(由7%上升至23%),且超过该时期下游河道调整的影响,说明试验性蓄水期水库的调蓄能力显著增强;三峡水库试验性蓄水期与初期蓄水期相比,降雨增大使得三口分流略有增大,其影响超过了水库调度和下游河道调整对三口分流减少的促进,故后两种驱动因素的贡献比例为负值。这些结果与已有研究[20,26-27]对应时段的成果基本吻合。

表2 各驱动因素对三口分流贡献比例*Tab.2 Contribution ratios of the driving factors on water diversion at the three outlets

根据表2计算结果,后三峡时期降雨变化是三口分流变化的控导因素。现有研究成果表明,长江上游降雨减少趋势将至少持续到本世纪末[35-36],导致天然来流偏枯,因此,三口分流年均值将长期呈减少趋势。而荆江干流与三口口门近期均处于冲刷状态,且冲刷速率相当(图4),且对三口分流影响较大的干流中洪水位变化不大[19-22,37],使得干流与三口水位差基本稳定,干流同流量下三口分流仍将维持当前水平。

4 结论

本文采用1955-2021年长系列水文、地形实测资料和控制变量法,系统分析了各驱动因素对荆江三口分流变化的影响,并识别了贡献比例,是对现有研究成果的重要补充,主要结论如下:

1)调弦口堵口、下荆江裁弯、葛洲坝运用和三峡水库初期蓄水前后,荆江三口年均分流量分别减小50×108、418×108、216×108和189×108m3,年均分流比分别减小2%、9%、5%和3%,三峡水库试验性蓄水前后三口年均分流量增大18×108m3,与长江上游降雨增多有关,年均分流比不变。三口分流减少集中在5-11月,占年均减少值的98%。

2)长江上游降雨减少导致三口分流长期减少,调弦口堵口对三口分流促进作用不明显,未改变三口分流减少过程,下荆江裁弯和葛洲坝拦沙造成的干流河床冲刷及三口口门淤积加速三口分流减少态势,三峡水库蓄水以来干流和三口口门同步冲刷,三口分流变化不大。

3)调弦口堵口和葛洲坝调度对三口分流年均和5-11月变化影响均很小,下荆江裁弯造成干流河床大幅下切,使得三口分流年均和5-11月显著减少,贡献比例达85%,其余时段长江上游降雨减少为控导因素,贡献比例在58%以上,三峡水库初期蓄水和试验性蓄水调度贡献比例分别为7%和23%,葛洲坝调度和三峡水库上述两个调度期下游河道调整贡献比例分别为21%、10%和19%。未来长江上游降雨持续减少和荆江干流与三口洪道同步冲刷条件下,三口分流年均值将继续减小,同干流流量下三口分流能力变化不大。

洞庭湖环境与生态问题突出,近期正在实施北部供水工程和规划湖区生态疏浚,后期还将开展四口水系综合整治,本文研究成果可为湖区工程治理提供参考。长江与洞庭湖关系处于动态调整中,建议开展长期跟踪研究。

5 附录

附表Ⅰ～Ⅲ见电子版(DOI: 10.18307/2023.0545)。