張冬冬，戴明龍，李妍清，王 含

(長(zhǎng)江水利委員會(huì)水文局，武漢 430010)

荊江三口是連接荊江與洞庭湖區(qū)的紐帶(圖1)，包括松滋、太平、藕池三口(調(diào)弦口1958年封堵)，荊江三口的水文情勢(shì)變化對(duì)長(zhǎng)江與洞庭湖江湖關(guān)系影響重大. 根據(jù)實(shí)測(cè)資料統(tǒng)計(jì)，1956-2020年荊江三口多年平均徑流量約占城陵磯出湖總水量的29%，荊南四河區(qū)域過境水資源量對(duì)于保障區(qū)域的人民生活供水安全、促進(jìn)當(dāng)?shù)毓まr(nóng)業(yè)生產(chǎn)以及維持洞庭湖區(qū)生態(tài)水位意義重大[1-2]. 然而，該區(qū)域枯水期受到荊江三口洪道斷流影響，輸水、引水、提水等工程難以發(fā)揮作用，區(qū)域內(nèi)存在資源性和工程性缺水的問題[3]，如何通過工程手段解決以上問題，已成為目前研究的熱點(diǎn).

圖1 荊南四河水系區(qū)域以及水文站網(wǎng)分布Fig.1 Distribution of the four rivers system in Jingnan area and gauge stations

1950s以來，荊江河段經(jīng)歷了下荊江裁彎、葛洲壩水利樞紐截流、三峽水庫(kù)蓄水等重要人類活動(dòng)影響，原有的水沙平衡發(fā)生擾動(dòng)，江湖關(guān)系隨之進(jìn)一步調(diào)整[4-5]. 在荊江三口徑流演變規(guī)律及影響因素方面，許全喜等[6]、朱玲玲等[7]、徐長(zhǎng)江等[8]以實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)分析了荊江三口分流量年際以及年內(nèi)多時(shí)段變化規(guī)律，研究表明三口分流量和分流比均呈現(xiàn)減少特征，但不同時(shí)段的影響因子有所不同. 三峽水庫(kù)蓄水后，荊江三口枯水期徑流特征以及斷流天數(shù)變化也受到廣泛關(guān)注，李景保等[9]采用M-K檢驗(yàn)以及數(shù)理統(tǒng)計(jì)模型，指出三峽水庫(kù)蓄水后荊江三口斷流天數(shù)增加但趨勢(shì)不明顯；徐照明等[10]分析了不同典型年三峽水庫(kù)調(diào)度對(duì)荊江三口分流的影響，指出不同典型年8-11月三口分流受上游水庫(kù)調(diào)蓄影響減少了約40億～85億m3；趙秋湘等[11]評(píng)估了三峽水庫(kù)運(yùn)行對(duì)荊江三口斷流的影響，指出枯水期松滋口和藕池口在無三峽水庫(kù)情況下每年分別平均少斷流30.4、6.8 d，太平口每年平均多斷流30.9 d. 王冬等[12]通過分析枝城同流量下荊江三口分流比和分流量的特征，結(jié)論認(rèn)為三口分流比和分流量在三峽水庫(kù)蓄水前后變化不大，三口分流量減少與上游來水偏枯有關(guān). 以上研究主要集中在對(duì)荊江三口徑流以及斷流時(shí)間變化特征分析方面，而對(duì)于長(zhǎng)江上游梯級(jí)水庫(kù)不同波動(dòng)下泄方案增加三口枯水期流量以及緩解三口斷流效果的研究較少.

本文首先基于實(shí)測(cè)資料分析荊江三口徑流的年際與年內(nèi)變化特征，并在此基礎(chǔ)上，通過多情景數(shù)值模擬的方法，定量評(píng)估了三峽水庫(kù)短時(shí)間波動(dòng)下泄調(diào)度對(duì)于荊江三口補(bǔ)充水量的效果，研究成果可以為三峽水庫(kù)群科學(xué)制定蓄水、供水等聯(lián)合調(diào)度方案提供技術(shù)參考.

1 數(shù)據(jù)與方法

本次研究首先以荊江三口主要控制站沙道觀、新江口、彌陀寺、康家崗和管家鋪站的1956-2020年實(shí)測(cè)水文數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過趨勢(shì)分析以及M-K突變檢驗(yàn)[13]，分析荊江三口徑流年際以及年內(nèi)變化特征；其次，構(gòu)建長(zhǎng)江與洞庭湖一、二維耦合水動(dòng)力學(xué)模型，采用多情景數(shù)值模擬方法，分析三峽水庫(kù)下泄補(bǔ)水效果.

1.1 Mann-Kendall突變檢驗(yàn)

對(duì)于具有n個(gè)樣本量的時(shí)間序列X，構(gòu)造一秩序列如下：

(1)

式中，xj、xj分別為第i、j時(shí)刻的時(shí)間序列，sk為第i時(shí)刻數(shù)值大于j時(shí)刻數(shù)值個(gè)數(shù)的累積數(shù).

假設(shè)序列隨機(jī)獨(dú)立條件下，定義統(tǒng)計(jì)量：

(2)

式中，UF1=0，E(sk)、var(sk)分別為累積數(shù)sk的均值和方差，計(jì)算公式為：

(3)

UF和UB分別是按照時(shí)間序列x正序和逆序計(jì)算出來的值，如果兩者出現(xiàn)交點(diǎn)，且交點(diǎn)在臨界線之間，那么交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的時(shí)刻為突變開始時(shí)間.

1.2 一、二維耦合水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型

Mike模型是丹麥水利研究所開發(fā)并用于河流、湖泊等模擬研究的水動(dòng)力演算模型[14]，本研究基于Mike模型構(gòu)建長(zhǎng)江與洞庭湖一、二維耦合水動(dòng)力學(xué)模型，其中長(zhǎng)江干流、荊江三口洪道以及洞庭湖尾閭均采用一維模型構(gòu)建，洞庭湖湖區(qū)采用二維模型構(gòu)建，耦合模式采用標(biāo)準(zhǔn)連接形式，圖2為模型示意圖.

圖2 長(zhǎng)江與洞庭湖一、二維耦合水動(dòng)力模型示意圖Fig.2 Sketch map of the coupling hydrodynamics model of Yangtze River and Lake Dongting

模型上邊界為宜昌站流量，下邊界為根據(jù)2008-2018年螺山站實(shí)測(cè)流量成果點(diǎn)匯的水位流量關(guān)系綜合線，洞庭四水、汨羅江及清江主要控制水文站的流量作為點(diǎn)源匯入模型[15-16]. 湖區(qū)內(nèi)的降雨徑流過程，采用降雨產(chǎn)流模塊進(jìn)行模擬. 模塊中降水輸入數(shù)據(jù)為湖區(qū)鹿角、南咀、小河咀、營(yíng)田以及自治局5個(gè)雨量站的逐日降水?dāng)?shù)據(jù)，采用泰森多邊形的方法插值形成湖面的逐日降水，蒸發(fā)采用湖區(qū)的逐月潛在蒸散發(fā)資料. 地形資料為2011年長(zhǎng)江干流河道和洞庭湖區(qū)實(shí)測(cè)地形. 以上數(shù)據(jù)均由長(zhǎng)江水利委員會(huì)水文局提供.

1.3 模型率定與驗(yàn)證

對(duì)于長(zhǎng)江中游荊江和洞庭湖區(qū)，不同的來水組成、量級(jí)及水位漲落率均會(huì)對(duì)水流阻力產(chǎn)生影響，因此進(jìn)行糙率率定時(shí)必須選擇具有一定代表性的典型來水過程. 對(duì)宜昌站1956-2020年的年徑流量進(jìn)行排頻計(jì)算，分別選取2012、2014和2011年作為豐水典型年(P=20%)、平水典型年(P=50%)和枯水典型年(P=97%)，根據(jù)不同來水年對(duì)模型進(jìn)行率定，其中，2011年屬于該區(qū)域典型的枯水年份，洪水主要出現(xiàn)在長(zhǎng)江干流區(qū)域，年最大流量也僅有28100 m3/s，三口分流量急劇降低，同時(shí)四水來流量也比同期偏少，洪水過程具有歷時(shí)短、洪量小、水位低的特點(diǎn). 2012年洪水為長(zhǎng)江中游區(qū)域性洪水，特點(diǎn)是洪水漲勢(shì)迅猛、消退亦快，長(zhǎng)江干流宜昌洪水與洞庭湖四水合成洪水多次發(fā)生洪水過程遭遇，致使螺山水位持續(xù)走高. 2014年為平水年，長(zhǎng)江干流宜昌站徑流量與多年均值接近，洞庭四水來水量較多年均值偏豐7%. 在對(duì)河道及湖泊特性分析的基礎(chǔ)上，將長(zhǎng)江中游干流河段、洞庭湖區(qū)、三口洪道及四水尾閭河段3個(gè)部分分別按照河道高程進(jìn)行糙率率定(表1).

根據(jù)率定期選擇的參數(shù)，選擇荊江三口各站點(diǎn)2015-2018年的流量過程作為驗(yàn)證(圖3)，為量化評(píng)估模型的模擬精度，采用Nash-Sutcliffe系數(shù)ENS和相對(duì)誤差ER兩個(gè)指標(biāo)評(píng)價(jià)流量過程的模擬精度[17]，參考Moriasi等[18]研究中采用的模型精度評(píng)價(jià)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(表2)，定量評(píng)價(jià)本模型的模擬精度. 模型模擬評(píng)價(jià)成果見表3，除管家鋪站為良好外，其他各個(gè)站點(diǎn)模擬流量過程與實(shí)測(cè)過程擬合程度均為優(yōu)秀，滿足模型模擬精度要求.

表1 模型糙率率定成果

表2 模型模擬效果評(píng)價(jià)指標(biāo)等級(jí)

表3 各站點(diǎn)模擬效果評(píng)價(jià)

圖3 荊江三口各站實(shí)測(cè)與模擬流量過程對(duì)比Fig.3 Comparison of measured and simulated discharge in three outlets of Jingjiang River

2 荊江三口徑流變化特征

2.1 荊江三口徑流年際變化特征

1950s以來，受到荊江河床沖刷下切、同流量下水位下降、三口分流道河床淤積以及三口口門段河勢(shì)調(diào)整等因素影響，荊江三口分流能力一直處于衰減狀態(tài)，分流量呈顯著減少的趨勢(shì)[19]. 由表4可以看出，1956-1966年荊江三口年均分流量為1331.6億m3；1967-1972年下荊江裁彎期間，年均分流量為1021.4億m3；1973-1980年為下荊江裁彎后期間，年均分流量為834.3億m3；1981-2002年葛洲壩水利樞紐修建后到三峽水庫(kù)蓄水前，年均分流量為685.3億m3；三峽工程蓄水后的2003-2020年，年均分流量為497.8億m3.

表4 荊江三口不同時(shí)段分流量和分流比變化特征

2003-2020年與1981-2002年相比，長(zhǎng)江干流枝城站來水量減少了164億m3，減幅為3.7%；三口分流量減小了187.5億m3，減幅為27.4%，分流比也由15%減小至11.7%. 其中，分流量減幅最大的為藕池口，其分流量減少了71.4億m3，減幅為40%，其分流比則由4.1%減小至2.6%；松滋口分流量減少了65.1億m3，減幅為17.6%，其分流比則由8.4%減小至7.2%；太平口分流量減少了51億m3，減幅為38.6%，其分流比則由3.0%減小至1.9%.

荊江三口分流量和分流比年際變化見圖4，受下荊江裁彎和洞庭湖區(qū)淤積等多重因素的影響，在1956-2020年期間荊江三口分流量和分流比均呈遞減趨勢(shì)，分流量變化速度最大的時(shí)段發(fā)生在1967-1972年，三峽水庫(kù)蓄水運(yùn)用以后，盡管三口分流量進(jìn)一步減少，但減少速率明顯較之前階段放緩，除枝城站2006、2011年為來水偏枯導(dǎo)致三口分流比減小幅度較大外，其他年份三口分流比略有減小，但未出現(xiàn)趨勢(shì)性的變化.

圖4 荊江三口分流量和分流比年際變化Fig.4 Annual flow andflow ratio of the three outlets along Jingjiang River

采用M-K突變檢驗(yàn)對(duì)荊江三口主要控制站點(diǎn)年徑流量進(jìn)行分析，結(jié)果見圖5. 由松滋口和太平口1956-2020年歷年年平均流量序列M-K檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)變化可知，兩者年平均流量只有一個(gè)交叉點(diǎn)，出現(xiàn)在1986年左右. 藕池口也僅有一個(gè)交叉點(diǎn)，出現(xiàn)在1978年左右，荊江三口合成流量也僅有一個(gè)交叉點(diǎn)，出現(xiàn)在1978年左右. 除松滋口以外，其他交叉點(diǎn)均在臨界線之外，因此本次交叉點(diǎn)出現(xiàn)年份僅作為突變分析的參考.

圖5 荊江三口實(shí)測(cè)年平均流量M-K檢驗(yàn)Fig.5 M-K checkout of the annual runoff of the three outlets along Jingjiang River

誘發(fā)荊江三口分流量突變的因素主要是以水利工程為代表的人類活動(dòng)，文獻(xiàn)[20]指出人類活動(dòng)影響多存在4～6年的趨勢(shì)性調(diào)整期，如1972年荊江裁彎后的6年，藕池口分流量發(fā)生變化，且這種變化對(duì)整個(gè)三口分流量也產(chǎn)生影響. 1981年葛洲壩建成對(duì)松滋口和太平口也有所影響，影響的過渡期為5年，因此松滋口和太平口分流量出現(xiàn)變化. 本結(jié)果基本可以反映不同人類活動(dòng)對(duì)荊江三口年徑流影響的程度以及突變的年份.

2.2 荊江三口徑流年內(nèi)變化特征

圖6分析了荊江三口徑流不同時(shí)段的年內(nèi)分布特性，包括1956年以來枯水期(12月至次年3月)、漲水期(4-5月)、汛期(6-9月)和退水期(10-11月)共4個(gè)階段分流量的變化過程. 可以看出，各站汛期、枯水期的流量變幅較大，與1981-2002年相比，2003-2020年汛期荊江三口徑流量減少了26%；在枯水期和漲水期，三峽水庫(kù)向下游補(bǔ)水，一定程度上增加了荊江三口的徑流量，與1981-2002年相比，2003-2020年枯水期和漲水期荊江三口徑流量分別增加了194%和17%；退水期水庫(kù)蓄水導(dǎo)致下游徑流量減少，與1981-2002年相比，2003-2020年退水期荊江三口徑流量減少了40%.

圖6 荊江三口不同時(shí)段逐月徑流分配特征Fig.6 Monthly flow of the three outlets along Jingjiang River

2.3 荊江三口枯水期斷流特征

受三口洪道淤積、長(zhǎng)江干流來水豐枯波動(dòng)變化影響，1956年以來，荊江三口洪道出現(xiàn)洪道斷流，其中：藕池河西支每年均有斷流；藕池河?xùn)|支1960s出現(xiàn)間歇性年份斷流，1960s末開始每年有斷流；虎渡河自1970s中期開始出現(xiàn)斷流；松滋口東支自1974年出現(xiàn)斷流，且此后每年均有斷流，三口通流對(duì)應(yīng)枝城來水流量變大. 考慮水文觀測(cè)資料的統(tǒng)一性和觀測(cè)成果的同步性，本文采用荊江三口口門段斷流發(fā)生時(shí)同日枝城站日平均流量(下文簡(jiǎn)稱斷流流量)以及通流發(fā)生時(shí)同日枝城站日平均流量(下文簡(jiǎn)稱通流流量)作為評(píng)價(jià)參數(shù)來分析荊江三口斷流時(shí)間的變化.

三口五站中，除了新江口站外，均有斷流發(fā)生，且斷流時(shí)間長(zhǎng)短不同. 以往研究多以整體進(jìn)行研究[21]，由于長(zhǎng)、短斷流發(fā)生特征以及影響因素不同，本次根據(jù)沙道觀、彌陀寺、康家崗、管家鋪的1956-2020年歷年各次斷流對(duì)應(yīng)的天數(shù)進(jìn)行了經(jīng)驗(yàn)頻率計(jì)算，選取4個(gè)站50%頻率斷流時(shí)間平均值60 d為分界點(diǎn)，即長(zhǎng)斷流(>60 d)和短斷流(≤60 d)，分析荊江三口4個(gè)水文站不同時(shí)段出現(xiàn)長(zhǎng)、短斷流時(shí)間的年均累積天數(shù)以及對(duì)應(yīng)的枝城站流量特征.

2.2.1 長(zhǎng)斷流特征分析 根據(jù)歷年觀測(cè)資料統(tǒng)計(jì)，三口各站1981-2002年以及2003-2020年2個(gè)時(shí)間段長(zhǎng)斷流天數(shù)變化情況見圖7. 由圖7可以看出，沙道觀站1981-2002年斷流平均開始日期為11月20日，對(duì)應(yīng)枝城站平均斷流流量為8210 m3/s，斷流平均結(jié)束日期為4月30日，對(duì)應(yīng)枝城站通流流量為9920 m3/s，平均斷流時(shí)間為162 d；2003年以后，斷流平均開始日期進(jìn)一步提前，為11月5日，對(duì)應(yīng)枝城站平均斷流流量為9510 m3/s，斷流平均結(jié)束日期也有一定提前，為4月18日，對(duì)應(yīng)枝城站平均通流流量為11700 m3/s，平均斷流時(shí)間為165 d，斷流時(shí)間略有增加.

彌陀寺站1981-2002年斷流平均開始日期為11月20日，對(duì)應(yīng)枝城站平均斷流流量為7400 m3/s，斷流平均結(jié)束日期為4月12日，對(duì)應(yīng)枝城站通流流量為7780 m3/s，平均斷流時(shí)間為147 d；2003年以后，斷流平均開始日期進(jìn)一步提前，為11月16日，對(duì)應(yīng)枝城站平均斷流流量為7020 m3/s，斷流平均結(jié)束日期也有一定提前，為3月12日，對(duì)應(yīng)枝城站平均通流流量為8400 m3/s，平均斷流時(shí)間為120 d，斷流天數(shù)明顯減少.

康家崗站1981-2002年斷流平均開始日期為10月19日，對(duì)應(yīng)枝城站平均斷流流量為15900 m3/s，斷流平均結(jié)束日期為6月16日，對(duì)應(yīng)枝城站通流流量為20200 m3/s，平均斷流時(shí)間為240 d；2003年以后，斷流平均開始日期進(jìn)一步提前，為9月28日，對(duì)應(yīng)枝城站平均斷流流量為15500 m3/s，斷流平均結(jié)束日期也有一定提前，為6月6日，對(duì)應(yīng)枝城站平均通流流量為18100 m3/s，平均斷流時(shí)間為251 d，斷流時(shí)間略有增加，通流對(duì)應(yīng)枝城流量明顯減少.

管家鋪站1981-2002年斷流平均開始日期為11月22日，對(duì)應(yīng)枝城站平均斷流流量為8450 m3/s，斷流平均結(jié)束日期為4月29日，對(duì)應(yīng)枝城站通流流量為7780 m3/s，平均斷流時(shí)間為158 d；2003年以后，斷流平均開始日期進(jìn)一步提前，為11月12日，對(duì)應(yīng)枝城站平均斷流流量為8860 m3/s，斷流平均結(jié)束日期有一定延后，為5月1日，對(duì)應(yīng)枝城站平均通流流量為11600 m3/s，平均斷流時(shí)間為170 d，斷流天數(shù)明顯增加.

總體而言，2003-2020年相比1981-2002年，四站中除彌陀寺斷流持續(xù)時(shí)間呈現(xiàn)減少變化特征外，其他三站斷流持續(xù)時(shí)間均呈現(xiàn)增加的變化特征，其中管家鋪站斷流天數(shù)增加明顯；從通流條件下的枝城流量變化來看，管家鋪站的通流條件有所改善，對(duì)應(yīng)枝城站的通流流量有所降低，其他三站通流時(shí)對(duì)應(yīng)枝城站流量均有增加.

2.2.2 短斷流特征分析 三峽水庫(kù)運(yùn)行后，沙道觀小于60 d的斷流時(shí)間基本沒有變化，其他3個(gè)站點(diǎn)小于60 d的斷流時(shí)間略有增加(表5). 短斷流對(duì)應(yīng)的枝城斷流和通流流量基本呈現(xiàn)增加的特征，由于短斷流量出現(xiàn)時(shí)間較為零散，受到影響因素較為復(fù)雜，規(guī)律性不強(qiáng)，因此本次研究并未對(duì)短斷流出現(xiàn)時(shí)間進(jìn)行統(tǒng)計(jì)規(guī)律分析.

圖8 2011年1月份情景模擬設(shè)置Fig.8 Scenario simulation for January, 2011

3 補(bǔ)水效果分析

3.1 三峽水庫(kù)不同時(shí)段恒定增加下泄效果分析

為了進(jìn)一步分析三峽水庫(kù)波動(dòng)下泄調(diào)度對(duì)于荊江三口補(bǔ)充水量的效果，本次基于構(gòu)建的長(zhǎng)江與洞庭湖一、二維水動(dòng)力學(xué)模型，選取三峽蓄水后來水偏枯的2011年作為典型年，假定每個(gè)月(不含汛期)上旬三峽水庫(kù)在實(shí)測(cè)流量的基礎(chǔ)上每日多下泄1000 m3/s的情況(以1月份為例，情景設(shè)置見圖8)，分析荊江三口各個(gè)站點(diǎn)可以額外補(bǔ)充的水量.

表6 三峽水庫(kù)不同月份補(bǔ)水效果分析

三峽水庫(kù)不同時(shí)段恒定增加下泄計(jì)算成果見表6. 由表可以看出，在假定三峽水庫(kù)各個(gè)月上旬(1-10日)均增加86400萬m3下泄水量情況下，受到干流水位以及三口口門水位的影響，各個(gè)月份的荊江三口各站補(bǔ)水效果是不同的. 增加下泄流量后，相應(yīng)的三口增加水量與三峽下泄水量的比例(以下簡(jiǎn)稱補(bǔ)水比例)范圍為2.96%～54.69%，其中11月上旬三峽水庫(kù)下泄補(bǔ)水，實(shí)測(cè)平均流量較大，河道底水較高，補(bǔ)水效果優(yōu)于其他月份，而1月份補(bǔ)水效果最差. 對(duì)于枯水期1-3月，補(bǔ)水比例僅為2.96%～3.16%，并且水量?jī)H能補(bǔ)充到松滋河，對(duì)虎渡河和藕池河基本沒有效果. 需要指出的是，本次采用的是典型年情況分析，由于不同年份來水情況存在差別，補(bǔ)水比例可能會(huì)有一定的差別.

3.2 水庫(kù)增加下泄流量推遲彌陀寺站斷流效果分析

通過3.1節(jié)分析，三峽水庫(kù)增加下泄水量對(duì)于康家崗站影響不大，而沙道觀站斷流時(shí)間相對(duì)其他3個(gè)站短，本次分析推遲三口斷流的方案將重點(diǎn)分析彌陀寺和管家鋪站.

本次選取三峽水庫(kù)運(yùn)行后彌陀寺站長(zhǎng)斷流出現(xiàn)最早的時(shí)間(2013年10月12日)對(duì)應(yīng)的流量過程，分析三峽增加下泄流量對(duì)推遲彌陀寺站斷流的效果. 2013年10月6日-2013年10月21日宜昌和彌陀寺站實(shí)測(cè)流量過程見圖9. 本次根據(jù)下泄量大小設(shè)計(jì)了2種增加下泄流量的方案，各個(gè)方案增加下泄時(shí)間均一致，增加下泄量不同，維持下泄的流量分別參考彌陀寺站斷流前1天和前2天對(duì)應(yīng)的宜昌站的日平均流量，分別設(shè)定為8000和8500 m3/s，維持下泄流量的時(shí)間均為10 d，兩種方案分別向下游增加水量為6億和10億m3.

從補(bǔ)水效果(表7)來看，方案1中維持宜昌下泄流量為8000 m3/s條件下，彌陀寺站斷流時(shí)間沒有變化，補(bǔ)充水量為0；方案2中維持宜昌下泄流量為8500 m3/s條件下，彌陀寺站斷流推遲時(shí)間跟水庫(kù)增加下泄時(shí)間一致，均為10 d，補(bǔ)充水量為0.028億m3.

從可行性角度來講，可以在彌陀寺站斷流時(shí)將宜昌站流量增加到斷流前2天時(shí)的流量，通過以上方法可以推遲彌陀寺站的斷流時(shí)間，推遲斷流時(shí)間與水庫(kù)增加下泄時(shí)間一致. 然而以上方法補(bǔ)水效果較差，補(bǔ)水率僅為0.28%，在非必要條件下，不推薦通過水庫(kù)增加下泄流量方法推遲彌陀寺站的斷流時(shí)間.

圖9 宜昌和彌陀寺站流量過程及補(bǔ)水效果Fig.9 Flow for Yichang and Mituosi stations and effect of delaying the cut-off for Mituosi station

表7 彌陀寺站不同補(bǔ)水方案及效果統(tǒng)計(jì)

3.3 水庫(kù)增加下泄流量推遲管家鋪站斷流效果分析

本次選取管家鋪站長(zhǎng)斷流出現(xiàn)最早的時(shí)間(2009年10月5日)對(duì)應(yīng)的流量過程，分析三峽增加下泄流量對(duì)推遲管家鋪站斷流的效果. 2009年9月30日-10月24日宜昌和管家鋪站實(shí)測(cè)流量過程見圖10.

本次根據(jù)下泄量大小設(shè)計(jì)了2種增加下泄流量的方案(表8)，維持下泄的流量分別參考管家鋪站斷流前1天和前2天對(duì)應(yīng)的宜昌站的日平均流量，分別為8600和9040 m3/s，維持下泄流量的時(shí)間為10 d，兩種方案分別向下游增加水量4億和8億m3.

由表8可以看出，在宜昌站不同量級(jí)條件下進(jìn)行補(bǔ)水，效果也有不同. 方案1中維持宜昌下泄流量為8600 m3/s的條件下，管家鋪站斷流推遲了12 d，補(bǔ)充水量為0.072億m3；方案2中維持宜昌下泄流量為9040 m3/s的條件下，管家鋪站斷流推遲了12 d，補(bǔ)充水量為0.14億m3.

從可行性角度來講，可以在管家鋪站斷流時(shí)將宜昌站流量增加到斷流前1天時(shí)的流量，通過以上方法可以推遲管家鋪站的斷流，推遲斷流時(shí)間約為水庫(kù)增加下泄時(shí)間的1.2倍. 然而以上方法補(bǔ)水效果較差，補(bǔ)水率僅為0.18%，在非必要條件下，不推薦通過水庫(kù)增加下泄流量方法推遲管家鋪站斷流.

圖10 宜昌和管家鋪站流量過程及補(bǔ)水效果Fig.10 Flow for Yichang and Guanjiapu stations and effect of delaying the cut-off for Guanjiapu station

表8 管家鋪站不同補(bǔ)水方案及效果統(tǒng)計(jì)

4 結(jié)論

1)受人類活動(dòng)以及天然來水減少的雙重影響，荊江三口年均徑流量和分流比持續(xù)減少，三峽水庫(kù)運(yùn)行后荊江三口分流量和分流比沒有趨勢(shì)性變化. 相比1981-2002年，2003-2020年荊江三口汛期和退水期徑流分別減少26%和40%，枯水期和漲水期徑流分別增加了194%和17%. 三口年均徑流量在1978年發(fā)生突變，主要誘發(fā)因素是人類活動(dòng).

2)三峽蓄水以后，彌陀寺站斷流持續(xù)時(shí)間有一定減少，其他三站斷流持續(xù)時(shí)間均呈現(xiàn)增加的變化特征，其中管家鋪站斷流時(shí)間增加明顯；管家鋪站的通流條件有所改善，對(duì)應(yīng)枝城站的通流流量均有所降低，其他三站通流時(shí)對(duì)應(yīng)枝城站流量均有增加.

3)在假定三峽水庫(kù)各個(gè)月上旬均增加8640萬m3下泄水量情況下，相應(yīng)的三口增加水量與三峽下泄水量的比例范圍在2.96%～54.7%，其中11月補(bǔ)水效果優(yōu)于其他月份，而1月份補(bǔ)水效果最差. 對(duì)于枯水期1-3月，補(bǔ)水比例僅為2.96%～3.16%，并且補(bǔ)充的水量?jī)H能補(bǔ)充到松滋河，對(duì)虎渡河和藕池河基本沒有效果.

4)在枯水年情況下，水庫(kù)將流量保持在彌陀寺站斷流前2天對(duì)應(yīng)宜昌站的流量，可推遲彌陀寺站斷流時(shí)間與水庫(kù)維持增加下泄時(shí)間一致；水庫(kù)將流量保持在管家鋪站斷流前1天對(duì)應(yīng)宜昌站的流量，可推遲管家鋪斷流時(shí)間約為水庫(kù)增加下泄時(shí)間的1.2倍. 以上補(bǔ)水效果均較差，在非必要條件下，不推薦通過水庫(kù)增加下泄流量方法推遲彌陀寺和管家鋪站斷流. 本次通過數(shù)值模擬手段量化水庫(kù)下泄補(bǔ)水的效果，對(duì)梯級(jí)水庫(kù)科學(xué)制定蓄水、供水等聯(lián)合調(diào)度方案提供科學(xué)參考.