三峽工程運(yùn)行前后荊江三口分流能力變化

高 耶

（湖南省水文水資源勘測中心，湖南 長沙 410007）

荊江三口是溝通洞庭湖與長江的聯(lián)系紐帶，是洞庭湖和荊江河道歷史變遷的關(guān)鍵驅(qū)動因素，三口河道沖淤演變和分水分沙直接影響著長江中游和洞庭湖區(qū)的防洪安全、水資源安全和水生態(tài)安全。20 世紀(jì)80 年代以來，葛洲壩和三峽大壩運(yùn)行導(dǎo)致上荊江干流河道出現(xiàn)自上而下的沿程沖刷，在干流泥沙持續(xù)減少的背景下，三口河道逐漸由淤積過渡為沖刷，深刻影響著三口分流能力。

在洞庭湖北部地區(qū)季節(jié)性水資源短缺成為常態(tài)的背景下，三口分流能力正成為普遍關(guān)注的熱點(diǎn)研究問題。穆錦斌等構(gòu)建河網(wǎng)水流數(shù)學(xué)模型研究了枝城流量分別為20 000 m3/s、30 000 m3/s 和40 000 m3/s 情況下荊江三口分流變化[1]。李義天分析認(rèn)為1955～1990 年間，荊江河段水位下降、三口分流洪道淤積導(dǎo)致三口分流比急劇遞減；1990 年至蓄水前，三口分流比基本變化不大；三峽建庫20 年后，荊江河段中、高水位下降幅度有限，三口分流洪道河床高程下降幅度較大，三口分流比將不會減少[2]。方春明等研究三峽水庫運(yùn)行對荊江三口分流的影響，認(rèn)為荊江河段沖刷已呈減緩趨勢，荊江河段小流量時水位有所下降，但下降速度減緩，大流量時變化不大，干流不同流量下三口分流能力尚未有明顯變化，但徑流調(diào)節(jié)導(dǎo)致三口分流量減小[3]。但上述研究是將各口門看作整體進(jìn)行分析研究，沒有具體考慮不同河道的沖淤變化和分流變化。隨著三峽工程運(yùn)行時間的延長，三口不同河道實際的水文情勢發(fā)生了較為明顯的變化，有必要基于實測水文資料具體分析荊江干流不同流量情況下三口各河道的分流能力變化，為優(yōu)化三峽工程運(yùn)行調(diào)度提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究數(shù)據(jù)和研究方法

研究數(shù)據(jù)主要是收集的典型水文站歷史長系列資料，以新江口和沙道觀水文站（松滋口）、彌陀市水文站（太平口）、康家崗和管家鋪水文站（藕池口）20 世紀(jì)90年代～2015 年逐日流量數(shù)據(jù)代表荊江三口；以枝城站和沙市水文站20 世紀(jì)90 年代～2015 年逐日流量數(shù)據(jù)代表荊江干流，數(shù)據(jù)來源于長江水利委員會。

統(tǒng)計分析三峽工程運(yùn)行前后荊江干流典型流量條件下，各口門站點(diǎn)在三峽工程運(yùn)行前后的分流流量變化，考慮到不同站點(diǎn)間的可比性，分別選擇荊江干流流量10 000 m3/s、20 000 m3/s 和40 000 m3/s 作為低水、中水和高水條件。時間序列趨勢性采用Mann-Kendall 非參數(shù)秩次相關(guān)檢驗法進(jìn)行檢驗。Mann-Kendall 趨勢檢驗由R 軟件“Kendall”包Mann-Kendall 函數(shù)完成，Mann-Kendall 函數(shù)基于變量與時間之間的Kendall 秩相關(guān)進(jìn)行單變量時間序列的趨勢檢驗。對于趨勢不顯著的變量，再基于SPSS19.0 軟件對變量進(jìn)行Mann-Whitney 非參數(shù)檢驗，比較1991～2002 年和2003～2015年2 個時期的差異顯著性。

通過解譯不同時期的遙感圖像（如表1），獲取不同水位條件下三口口門整個河段的平面形態(tài)，分析說明近40 年來口門河段河道的沖淤變化情況。遙感影像分析主要基于地物的光譜特征，在大部分遙感傳感器的波長范圍內(nèi)，水體總體呈現(xiàn)出較弱的反射率，尤其是在波長大于740 nm 的近紅外及中紅外波段（相當(dāng)于TM/ETM+的Band4、Band5 和Band7）幾乎所有入射能量均被水體吸收，與其它地物類別形成明顯反差。本研究在統(tǒng)一投影和坐標(biāo)系下，按照常規(guī)的人機(jī)交互解譯方式解譯研究區(qū)域不同時期的遙感影像。

表1 荊江三口遙感數(shù)據(jù)的接收日期及其水位

2 荊江三口分流能力的變化

2.1 松滋口

如圖1、圖2 和表2 所示，近30 年來，松滋口新江口站和沙道觀站流量在干流枝城站流量為10 000 m3/s時沒有顯著變化（P>0.05），而且1991～2002 年和2003～2015 年2 個時段的平均流量值沒有顯著差異。荊江干流枝城站流量為20 000 m3/s 條件下，新江口站分流流量顯著上升（P=0.005），2 個時段平均流量值由1 480 m3/s 增至1 612 m3/s，增幅8.92%；枝城站流量為40 000 m3/s 條件下，新江口站分流流量沒有明顯變化（P>0.05），2 個時段平均流量值由3 527 m3/s 增至3 684 m3/s，增幅4.45%。荊江干流枝城站流量為20 000 m3/s 和40 000 m3/s 條件下，沙道觀站分流沒有顯著變化（P>0.05）。在干流流量為20 000 m3/s 時，沙道觀站平均流量值由318 m3/s 增至371 m3/s，增幅16.67%。

圖1 干流不同流量條件下新江口站流量的時間變化

圖2 干流不同流量條件下沙道觀站流量的時間變化

2.2 太平口

由圖3 和表2 可見，荊江干流沙市站流量為10 000 m3/s 時，太平口彌陀寺站流量沒有明顯變化趨勢（P>0.05），并且2 個時段沒有顯著差異；干流中高流量情況下，太平口彌陀寺站流量出現(xiàn)明顯的下降趨勢（P=0.037，0.013）。沙市站流量為20 000 m3/s 時，彌陀寺站在1991～2002 年和2003～2015 年2 個時段平均流量值分別為906 m3/s 和772 m3/s，下降14.79%；沙市站流量為40 000 m3/s 時，彌陀寺站2 個時段的平均流量值由1 950 m3/s 降至1 674 m3/s，降幅達(dá)14.15%。

圖3 干流不同流量條件下彌陀寺站流量的時間變化

表2 干流不同流量條件下荊江三口分流流量統(tǒng)計表

2.3 藕池口

如圖4 所示，在干流沙市站流量為10 000 m3/s 時，管家鋪分流顯著下降（P=0.007），在1981～2002 年和2003～2015 年2 個時段的平均流量分別為29 m3/s 和9 m3/s；沙市站流量為20 000 m3/s 時，管家鋪分流流量沒有明顯趨勢性變化（P>0.05）；沙市站流量為40 000 m3/s時，管家鋪流量值明顯下降（P=0.002），2 個時段的平均流量值分別為3 760 m3/s 和2 617 m3/s，降幅高達(dá)30.4%。

圖4 干流不同流量條件下管家鋪站流量的時間變化

由圖5 和表2 可見，在干流沙市站流量為20 000 m3/s 時，藕池口康家崗站分流流量沒有顯著趨勢性變化（P>0.05），在1991～2002 年和2003～2015 年2 個時段的多年平均流量值由48 m3/s 緩慢下降至33 m3/s。干流沙市站流量為40 000 m3/s 時，藕池口康家崗站流量在2003 年后顯著下降（P=0.001），2 個時段的多年平均流量值分別為303 m3/s 和161 m3/s，下降46.86%。

圖5 干流不同流量條件下康家崗站流量的時間變化

3 三口分流能力變化的原因分析

3.1 松滋口

通過解譯1988 年、2000 年和2014 年3 個時期的枯水期遙感影像，得到如圖6 所示的松滋口低水位河道平面形態(tài)對比圖。荊江干流河段河床平面形態(tài)和河勢相對穩(wěn)定，松滋口口門發(fā)生顯著形態(tài)變化，口門右岸除二口邊灘略有淤積，寬度近200 m，但總體相對穩(wěn)定；口門左岸羊角洲由于長江干流來水頂沖影響，持續(xù)沖刷崩退，2000 年較1988 年后退450 m，2014 年又向后退900 m，崩退速度明顯加快，導(dǎo)致口門處河寬在2000 年后大幅展寬，有利于進(jìn)流。口門下游的心灘處于動態(tài)平衡狀態(tài)。口門河段在1988 年、2000 年和2014年三個時期的平均河寬分別為290 m、270 m 和377 m，表明松滋口口門河段在20 世紀(jì)80 年代～21 世紀(jì)00年代間先淤后沖，結(jié)果與新江口和沙道觀水文站河道斷面低水河槽的變化過程一致。

通過解譯1987 年、2000 年和2011 年3 個時期的豐水期遙感影像，得到如圖7 所示的松滋口高水位平面形態(tài)對比圖。過去30 年間，高水時期松滋口口門河段形態(tài)保持相對穩(wěn)定，僅口門左岸河段出現(xiàn)近200 m的輕微沖刷崩退，相對于枯水期明顯的沖淤變化，高水河槽保持穩(wěn)定。

圖6 不同時期松滋口低水位平面形態(tài)對比圖

圖7 不同時期松滋口高水位平面形態(tài)對比圖

3.2 太平口

太平口口門附近沙市河段外形較順直，太平口河段與主流流向幾乎垂直。通過解譯1988 年、1999 年和2014 年3 個時期的枯水期遙感影像，過去30 年間，低水時期太平口口門河段總體呈現(xiàn)持續(xù)沖刷的態(tài)勢。相對于1988 年影像，1999 年影像中口門臘林洲邊灘灘頭沖刷后退，邊灘下段淤積下延，但2000 年后邊灘保持穩(wěn)定。2000 年后太平口心灘灘頭淤積，尾部沖刷分成兩個獨(dú)立心灘。1999 年口門河段的平均河寬為95 m，比1988 年展寬3 m，表明太平口口門河段在20 世紀(jì)90 年代間僅發(fā)生輕微的河床沖刷。2000 年后，太平口口門河段枯水河槽出現(xiàn)較強(qiáng)沖刷，導(dǎo)致枯水河槽平均河寬增至120 m，相對于1988 年增長30%。見圖8。

圖8 不同時期太平口低水位的平面形態(tài)對比圖

由于缺乏2000 年左右高水位遙感影像資料，這里僅對比1984 年7 月30 日影像與2010 年7 月30 影像，如圖9 所示。近30 年間，高水時期太平口口門河段平均河寬由310 m 縮窄至249 m，河漫灘河槽出現(xiàn)淤積，河道平面形態(tài)更加順直均勻。

3.3 藕池口

圖9 不同時期太平口高水位的平面形態(tài)對比圖

相對于松滋口門和太平口門，藕池口門河段發(fā)生尤為劇烈的河道形態(tài)變化（如圖10 和11 所示）。藕池口口門河段主流偏左岸，大量底沙進(jìn)入口門，形成嚴(yán)重的口門沙?？陂T處天星洲洲頭不斷淤積上延，洲尾在20 世紀(jì)90 年代淤積后與荊江河岸連成整體。由于天星洲淤積, 藕池口分流口門不斷上移，2013 年藕池口口門位置分別較2000 年和1984 年向上游移動約3 km 和8 km。2000 年后，天星洲中部迎流沖刷，洲體右緣中部出現(xiàn)大幅度的崩退。低水位條件下，1984 年4 月25 日影像與2000 年4 月13 日影像中藕池口口門河段均出現(xiàn)斷流情況，2013 年10 月10 日影像中新廠水位比前2 個時期低0.3 m，但河道并沒有發(fā)生斷流，說明藕池口口門河段枯水河槽存在沖刷。藕池口口門河段3 個時期的平均河寬分別為177 m、182 m 和180 m，表明過去30 多年藕池口枯水河槽沒有刷寬，主要表現(xiàn)為沖深。

高水位條件下，藕池口門處天星洲洲頭同樣淤積上延，2000 年口門處淤積2.5 km，面積擴(kuò)大約7.4 km2，2000 年后天星洲洲頭向上游淤積800 m，面積增加1 km2，淤積速率明顯減緩。高水時期，藕池口口門河段3 個時期的平均河寬分別為467 m、307 m 和278 m，表明過去30 多年藕池口河漫灘河槽處于持續(xù)淤積狀態(tài)，但由于長江干流來沙持續(xù)減少，藕池口口門河段淤積速率在2000 年后明顯減弱（見圖12、圖13）。

圖10 不同時期藕池口低水位的遙感影像對比圖

圖11 藕池口低水位的的河道平面對比圖

綜上所述，可以發(fā)現(xiàn)2003 年三峽工程正式運(yùn)行后，三口口門河段枯水河槽均處于沖刷狀態(tài)；松滋口口門河段河漫灘河槽狀態(tài)較為穩(wěn)定，但太平口和藕池口口門河段河漫灘河槽處于持續(xù)淤積狀態(tài)，由于長江干流來沙減少，淤積速率減緩。

三口分流能力主要取決于三口河道沖淤變化與荊江河道不同步[6]。三峽水庫初期蓄水運(yùn)行后，荊江來水量有所減小，來沙量大幅度減小[5～6]。壩下游水流挾沙處于不飽和狀態(tài)，河床發(fā)生長距離沖刷，含沙量沿程增加，沖刷強(qiáng)度加大。三峽水庫初期蓄水運(yùn)用后的前3 年最為劇烈，河床斷面灘槽均沖深，以枯水河槽沖刷為主，枯水沖刷量占平灘河槽沖刷量的72%，尤其是彎道凹岸中下段的近岸河床沖刷幅度相對較大[6～9]。除枝城站在枯水流量下水位略有下降外，上荊江在中、枯流量下水位均有一定程度的下降，其中沙市站枯水位下降最大，但中高水位各站下降幅度較小[6]。與蓄水前的2002 年相比，流量在20 000 m3/s 時，枝城水位下降僅0.02 m，沙市水位下降0.20 m；流量在40 000 m3/s 時，枝城、沙市水位基本變化不大，說明三峽工程運(yùn)行后荊江河段中、高水位相對穩(wěn)定[2]。

圖12 不同時期藕池口高水位的遙感影像對比圖

圖13 藕池口高水位的的河道平面對比圖

三峽工程正式運(yùn)行后，三口口門河段低水河槽均出現(xiàn)一定沖刷，同期2002～2009 年間枝城和沙市河道低水河槽沖深分別為0.2 m 和0.75 m[5]，上荊江干流河道低水河槽的沖刷程度基本相當(dāng)于荊南三口河道，干流低水時期三口河道分流能力尚未造成明顯影響。松滋口口門河段河漫灘河槽狀態(tài)較為穩(wěn)定，太平口和藕池口口門河段河漫灘河槽處于持續(xù)淤積狀態(tài)，因此干流高水時期，太平口和藕池口分流衰減明顯，導(dǎo)致三口分流能力明顯減弱。

4 結(jié) 論

2003 年三峽工程運(yùn)行后，荊江三口口門河段低水河槽均出現(xiàn)一定沖刷，與上荊江干流河道低水河槽的沖刷程度基本相當(dāng)，干流低水時期三口河道分流能力尚未造成明顯影響。在荊江干流流量為10 000 m3/s 條件下，藕池口康家崗站處于斷流狀態(tài)，管家鋪站分流流量趨勢下降，其余三站分流在三峽工程運(yùn)行前后并沒有明顯變化。

在干流流量為20 000 m3/s 條件下，新江口站在三峽工程運(yùn)行前后的平均流量值由1 480 m3/s 增至1 612 m3/s，沙道觀站平均流量值由318 m3/s 增至371 m3/s，增幅達(dá)16.67%；彌陀寺站多年平均流量值由906 m3/s 降至772 m3/s，下降14.79%；藕池口管家鋪站和康家崗站流量基本保持穩(wěn)定，三口分流能力沒有明顯變化。

松滋口口門河段河漫灘河槽狀態(tài)較為穩(wěn)定，太平口和藕池口口門河段河漫灘河槽處于持續(xù)淤積狀態(tài)，但太平口和藕池口口門河段河漫灘河槽淤積速率減緩明顯。在干流流量為40 000 m3/s 條件下，新江口站在三峽工程運(yùn)行前后的多年平均流量值由3 527 m3/s 輕微上升至3 684 m3/s；沙道觀站平均流量值保持不變，多年平均流量值均為1 267 m3/s；彌陀寺站多年平均流量值由1 950 m3/s 降至1 674 m3/s，降幅達(dá)14.15%；藕池口兩站流量值明顯下降，管家鋪站多年平均流量值分別為3 760 m3/s 和2 617m3/s，降幅高達(dá)30.4%，康家崗站多年平均流量值分別為303 m3/s和161 m3/s，下降46.86%。綜上所述，干流流量10 000 m3/s 和20 000 m3/s 條件下，荊江三口在三峽工程正式運(yùn)行前后分流能力總體沒有明顯變化；在干流流量和40 000 m3/s 高水條件下，三口分流能力總體呈現(xiàn)減少。