陳莫非，要 威，李義天，孫昭華，巴宇奇

(1.長(zhǎng)江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，武漢 430010；2.武漢大學(xué) 水資源與水電工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430072；3.青海省引大濟(jì)湟工程建設(shè)管理局，西寧 810000)

0 引 言

長(zhǎng)江水沙通過松滋口、太平口、藕池口分泄進(jìn)入洞庭湖，江湖關(guān)系十分復(fù)雜[1,2]。水交換是河湖關(guān)系演變的核心和載體[3-5]，荊江三口分流變化與河湖系統(tǒng)的洪澇災(zāi)害防治、水資源利用、生態(tài)環(huán)境保護(hù)息息相關(guān)。三口分流變化及其驅(qū)動(dòng)機(jī)制一直都是科學(xué)界的熱點(diǎn)問題[6-8]。

20世紀(jì)50-90年代，伴隨調(diào)弦口建閘、下荊江裁彎、葛洲壩修建等大型水利工程的運(yùn)行，長(zhǎng)江干流沖刷加劇，三口分流洪道淤積，江湖關(guān)系發(fā)生了多次調(diào)整[9, 10]。三口分流比由1956-1966年的29%減小至1999-2002年的14%[11]，湖區(qū)斷流天數(shù)增加，干流洪量增大[12]。三峽水庫于2003年蓄水，水文過程展現(xiàn)出明顯的削峰補(bǔ)枯的特點(diǎn)。近期長(zhǎng)江流域干旱問題日益突顯，特別是2006與2011年，洞庭湖發(fā)生了極端干旱事件，三口分流再次成為社會(huì)關(guān)注熱點(diǎn)。已有研究指出，2003-2008年，三口年均分流比相較蓄水前減少2.33%，湖區(qū)汛期水量較多年平均值減少20.2%[13]。受氣候影響，2006年長(zhǎng)江汛期流量較往年偏低20%～30%，洞庭湖一度成為“草原”[14, 15]。朱玲玲[16]指出三口分流趨勢(shì)性調(diào)整多由重大人類活動(dòng)和特大洪水年誘發(fā)，三峽水庫對(duì)三口分流的影響主要體現(xiàn)在年內(nèi)流量的重新分配上。李景保[17, 18]研究了江湖水位與三口分流能力關(guān)系，并利用1951-2010年水文數(shù)據(jù)分析了洪、中、枯不同典型年三口分流量的差異。還有許多學(xué)者通過數(shù)學(xué)模型對(duì)江湖關(guān)系調(diào)整趨勢(shì)進(jìn)行了模擬預(yù)測(cè)[19, 20]。已有研究重點(diǎn)關(guān)注水庫運(yùn)行前后分流比變化及其驅(qū)動(dòng)因素[21, 22]，并取得了豐碩的成果[23-26]。然而，三峽水庫運(yùn)行以來，尤其是2009年優(yōu)化調(diào)度后，汛期削峰、汛后蓄水以及枯期補(bǔ)水方案的調(diào)整，使三口分流量在年內(nèi)不同季節(jié)發(fā)生了較大變化。加上湖南四水和三口分流在汛枯時(shí)機(jī)存在一定錯(cuò)位，洞庭湖區(qū)汛期防洪及枯期干旱問題仍然十分嚴(yán)重。因此，分析水庫運(yùn)行后，三口分流量在年內(nèi)不同月份的變化，并系統(tǒng)研究天然來流、河床沖刷、水庫調(diào)蓄等各單一因子在三口分流變化過程中的貢獻(xiàn)率具有重要意義。本文基于大量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，定量分析水庫運(yùn)行各階段三口分流過程變化，綜合評(píng)估各單一因子在分流變化過程中的貢獻(xiàn)率?？蓪?duì)長(zhǎng)江洞庭湖關(guān)系調(diào)整及流域規(guī)劃治理提供技術(shù)支持。

1 研究區(qū)域

長(zhǎng)江全長(zhǎng)約6 300 km，干流枝城至城陵磯河段稱為荊江，以藕池口為界，分為上下荊江，荊江歷史上曾發(fā)生兩次自然裁彎及一次人工裁彎。上荊江由松滋口、太平口分流入洞庭湖，下荊江由藕池口分流入洞庭湖。洞庭湖是中國(guó)第二大淡水湖，坐落于湖南省，地處北緯28°～30°，東經(jīng)110°～113°之間。湘江、資水、沅江、澧水與三口分泄的長(zhǎng)江水沙，經(jīng)調(diào)蓄后于城陵磯附近再次注入長(zhǎng)江(圖1)?？梢娗G江三口是連接長(zhǎng)江與洞庭湖的紐帶，三口分流可表征江湖水交換能力。

圖1 本文研究區(qū)域Fig.1 The study area

2 研究數(shù)據(jù)及研究方法

2.1 研究數(shù)據(jù)

本文水文資料來源于長(zhǎng)江水利委員會(huì)與長(zhǎng)江三峽集團(tuán)公司，包括枝城站、新江口、沙道觀、彌陀寺、康家崗、管家鋪、三峽水庫入庫與出庫月均流量。其中新江口及沙道觀代表松滋口，彌陀寺代表太平口，康家崗及管家鋪代表藕池口。松滋口、太平口、藕池口俗稱荊江三口。

根據(jù)已有研究，三口分流趨勢(shì)性變化往往由重大人類活動(dòng)與特大洪水引起[27]，1956-1966年荊江三口分流比基本穩(wěn)定在29.5%左右；在1967-1972年下荊江發(fā)生系統(tǒng)裁彎期間，河床沖刷、三口分流比減??；裁彎后的1973-1980年，荊江河床繼續(xù)大幅沖刷，三口分流能力衰減速度有所加大；1981年葛洲壩水利樞紐修建后，三口分流比繼續(xù)減小，但衰減速率有所減緩直到1999-2002年三口分流比衰減速率大幅降低，僅由1981-1998年的15.74%下降至14.04%，相對(duì)穩(wěn)定(圖2)。故在研究水庫運(yùn)行后2003-2008年、2009-2015年三口分流量變化時(shí)，均以1999-2002年作為基準(zhǔn)。

圖2 歷年三口分流量與分流比變化Fig.2 Runoff and flow diversion ratio of the three outlets

2.2 研究方法

天然來流差異(NF)與水庫運(yùn)行(HA)都會(huì)對(duì)三口分流能力產(chǎn)生影響，其中水庫運(yùn)行(HA)主要包括水庫對(duì)徑流過程的調(diào)蓄作用(TGPO)及對(duì)泥沙的攔截作用(RLR)。實(shí)測(cè)資料與已有研究均表明[16, 21]，三口分流比與枝城流量具有良好的相關(guān)關(guān)系(圖3)。

圖3 三口分流比與枝城流量相關(guān)關(guān)系Fig.3 Correlation between diversion ratio and flow of Zhicheng Station

經(jīng)過統(tǒng)計(jì)，可以通過冪函數(shù)與正二次多項(xiàng)式模型對(duì)“三口分流流量～枝城流量”相關(guān)關(guān)系進(jìn)行擬合。

1999-2002年：

(1)

2003-2008年：

(2)

2009-2015年：

(3)

式中：q為枝城流量，f(q)為通過對(duì)應(yīng)時(shí)段相關(guān)關(guān)系推求的三口分流流量。

在枝城流量相同的情況下，三口分流能力主要由河床與分流洪道的相對(duì)高程決定[28]。而水庫修建攔蓄大量泥沙，壩下游發(fā)生長(zhǎng)歷時(shí)、大范圍沖刷。

ΔQRLR=∑[fpost(qz)-fpre(qz)]

(4)

式中：ΔQRLR代表水庫攔沙造成的分流量變化；qz代表蓄水后枝城月均流量過程。

(5)

(6)

式中：qin為三峽水庫入庫流量，qout為三峽水庫出庫流量。通過公式(6)，即可研究年內(nèi)水庫調(diào)度的不同時(shí)期，對(duì)分流量影響的整個(gè)過程。

ΔQall=Qpost-Qpre

(7)

式中：ΔQall為蓄水前后不同時(shí)段的年均分流總量差值。

因此，

ΔQHA=ΔQRLR+ΔRTGPO

(8)

ΔQNF=ΔQall-ΔQHA

(9)

γQRLR=ΔQRLR/ΔQall×100%

(10)

γQTGPO=ΔQTGPO/ΔQall×100%

(11)

γQNF=ΔQNF/ΔQall×100%

(12)

通過公式(4)～(9)，可計(jì)算出不同調(diào)度方式下水庫攔沙、水庫調(diào)蓄以及天然來流差異對(duì)三口分流量的影響，公式(10)～(12)可計(jì)算各單一影響因子在三口分流量變化過程中所占貢獻(xiàn)率。

3 結(jié)果分析

3.1 水庫調(diào)蓄對(duì)洞庭湖分流過程的影響

三峽水庫運(yùn)行初期(2003-2008年)，水庫調(diào)節(jié)對(duì)年內(nèi)徑流過程的“坦化”效應(yīng)相對(duì)較弱(圖4)。優(yōu)化調(diào)度后(2009-2015年)，年內(nèi)流量過程變化顯著。將實(shí)測(cè)與還原的枝城月均流量分別代入公式(5)、(6)，可得到水庫調(diào)蓄對(duì)整個(gè)分流過程的改變。

圖4 枝城站月均流量實(shí)測(cè)值與還原值對(duì)比Fig.4 Monthly averaged values for measured and reduced flow at Zhicheng station

3.1.1 汛期削峰調(diào)度

三峽水庫自進(jìn)入175 m試驗(yàn)性蓄水期以來，陸續(xù)開展削峰調(diào)度試驗(yàn)。受氣候影響，2010年三峽水庫迎來運(yùn)行后的首次大洪水，7月20日，瞬時(shí)入庫流量高達(dá)70 000 m3/s。通過汛期的7次調(diào)度，最終成功將出庫流量限制在40 000 m3/s以內(nèi)，削峰流量最高達(dá)到30 000 m3/s。由于采取峰前預(yù)泄和峰后加大下泄流量的方式，因此6-8月總水量基本保持相對(duì)平衡，水庫調(diào)度后6月份和8月份的流量較還原值略偏大，7月份偏小，說明實(shí)際削峰調(diào)度基本發(fā)生在7月份。汛期不同調(diào)度方式三口分流量變化計(jì)算結(jié)果如表1。計(jì)算結(jié)果表明，由于7月份三峽水庫攔蓄洪峰，該時(shí)段三口分流量也有所減少。受三峽水庫影響，2003-2008年，三口分流量在汛期年均減少2.23 億m3；2009-2015年，三口分流量在汛期年均減少4.81 億m3。

3.1.2 汛后蓄水期蓄水

為了確保汛后三峽水庫能夠順利達(dá)成175 m蓄滿的目標(biāo)。

表1 汛期削峰調(diào)度對(duì)三口分流的影響Tab.1 Influence of reservoir operation in flood season on the runoff of the three outlets

根據(jù)2008-2009年的調(diào)度實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，三峽水庫將汛后的起蓄時(shí)間調(diào)整至每年9月10日，從而達(dá)到利用汛后洪水資源的效果。起蓄時(shí)間的提前與起蓄水位的提高，致使蓄水期出庫流量顯著減小，沿程各水文站均受到影響。

9～11月實(shí)測(cè)流量與還原流量相比顯著減小，分入洞庭湖水量也隨之變化(見表2)。從計(jì)算結(jié)果可以看出，在2003-2008年期間，三峽水庫按照139 m或156 m蓄水運(yùn)行(2008年175 m試驗(yàn)性蓄水)，因此，受三峽水庫影響，三口分流量在汛后蓄水期年均減少10.52 億m3；2009-2015年，三峽水庫均按照175 m蓄水運(yùn)行，該時(shí)期三口分流量減少更多，年均減少35.45 億m3。

表2 汛后蓄水對(duì)三口分流的影響Tab.2 Influence of reservoir operation after flood season on the runoff of the three outlets

3.1.3 消落期補(bǔ)水調(diào)度

為了滿足下游通航及用水需求，三峽水庫于每年12月至次年5月對(duì)下游水量進(jìn)行補(bǔ)償。因此，枝城站的流量還原值均比實(shí)測(cè)值要偏小，與實(shí)際情況相符。通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)，12-4月，荊江三口(新江口除外)的通流臨界流量遠(yuǎn)高于長(zhǎng)江干流流量，三峽水庫枯期所補(bǔ)充的水量并不足以使其從斷流狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橥鳡顟B(tài)，因此三口分流量增大并不明顯(見表3)。

表3 消落期補(bǔ)水調(diào)度對(duì)三口分流的影響Tab.3 Influence of reservoir operation in dry season on the runoff of the three outlets

每年5月，三峽水庫往往增大下泄流量，以盡快騰空庫容以應(yīng)對(duì)將要到來的洪水，并盡可能排除水庫淤積的泥沙。該措施致使水庫調(diào)度后的枝城站5月份流量較還原值偏大1 000 m3/s以上，加上該時(shí)期干流流量都在11 000 m3/s以上，超過了三口開始通流的臨界流量，因此2009-2015年5月分流量實(shí)測(cè)值較還原值多分流5.88 億m3。各站斷流時(shí)相應(yīng)枝城流量變化見表4。

3.2 分流量變化貢獻(xiàn)率計(jì)算

三峽水庫運(yùn)行后，水庫攔截大量泥沙，壩下游中枯水河槽發(fā)生劇烈沖刷。枝城同流量下水位不斷下降。從2003-2015年，15 000 m3/s的條件下，枝城水位已經(jīng)下降了1.09 m。而上述變化最直接的影響則是同流量下三口分流比發(fā)生了變化(表5)。

表4 各站斷流時(shí)相應(yīng)枝城流量變化 m3/s

表5 枝城站同流量水位變化 m

注：“-”表示降低。

將蓄水后枝城實(shí)測(cè)流量過程代入公式(1)～(4)，定量計(jì)算得到運(yùn)行初期及175 m蓄水后，由于河床下切引起的分流量減少分別為17與23 億m3。

水庫運(yùn)行HA對(duì)三口分流量的影響，既包含水庫對(duì)徑流過程的調(diào)蓄作用TGPO，也包括對(duì)泥沙的攔截作用RLR對(duì)江湖分流能力產(chǎn)生影響。利用公式(7)～(12)，即可定量計(jì)算江湖系統(tǒng)中不同因素各自在分流量變化過程中所占貢獻(xiàn)率(表6)。

表6 三口分流變化不同影響因素貢獻(xiàn)率計(jì)算Tab.6 The contribution rate of various factors that impact three outlets diversion

計(jì)算結(jié)果表明，三峽水庫蓄水后，江湖分流量減少，最主要原因是三峽水庫運(yùn)行以來，天然來水量遠(yuǎn)小于蓄水前，枝城站2003-2008年與2009-2015年平均徑流量分別為4 064、4 128 億m3，遠(yuǎn)低于水庫運(yùn)行前的4 453 億m3。與之對(duì)應(yīng)，NF所占比重分別為76.19%與66.05%。而水庫自2009年優(yōu)化調(diào)度后，由于調(diào)度方式的大幅調(diào)整，水庫調(diào)蓄影響所占比重有所增加，由運(yùn)行初期的10.32%增高至19.75%，說明175 m蓄水對(duì)三口分流量的減少產(chǎn)生了一定的影響。水庫攔沙影響所占比重基本保持穩(wěn)定，僅由13.49%變?yōu)?4.20%。

4 結(jié) 語

利用三峽工程運(yùn)行以來的實(shí)測(cè)水文數(shù)據(jù)，采用對(duì)比分析及流量還原等方法，分析了三峽水庫運(yùn)行后，全年不同季節(jié)分流量的改變過程，在此基礎(chǔ)上，定量計(jì)算了各單一影響因子在分流變化過程中的貢獻(xiàn)率。得到以下結(jié)論。

(1)天然來流差異是造成三口分流量變化的最主要原因，其貢獻(xiàn)率高達(dá)60%以上。近年來三口分流量減少，主要就是因?yàn)榻陂L(zhǎng)江流域處于偏枯水年份。

(2)三峽水庫調(diào)蓄改變了三口分流的年內(nèi)過程，其中汛后蓄水期對(duì)分流量的減少最為顯著。2009年后由于蓄水時(shí)間的提前與起蓄水位的抬高，水庫調(diào)度造成的分流量變化貢獻(xiàn)率由10.32%(2003-2008年)上升至19.75%(2009-2015年)。汛后蓄水將增加三口洪道斷流天數(shù)，對(duì)居民及生產(chǎn)用水產(chǎn)生了一定影響。

(3)三峽水庫自2003年運(yùn)行后，壩下游河道枯水河槽大量沖刷，枝城站中枯水流量水位降幅明顯。河床沖刷在三口分流變化中的貢獻(xiàn)率為13.49%(2003-2008年)與14.20%(2009-2015年)。

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