三峽工程蓄水后長江干流水位變化及頂托效應(yīng)分析

0江湖匯流區(qū)與長江與東南角的關(guān)系經(jīng)過松滋口、太平口、歐池口、調(diào)水口（1958年封鎖），以及湘江、資水、沅水和沂水的進(jìn)出口，通過湖泊調(diào)整后，轉(zhuǎn)移到湖南省南部的陽城嶺、長江支流。長江通過四口分流和匯流區(qū)對湖泊出口頂托兩個(gè)方面對湖泊水情施加影響,形成相當(dāng)復(fù)雜的江湖關(guān)系。匯流區(qū)(本文指長江干流監(jiān)利至螺山以及洞庭湖出口鹿角至蓮花塘的區(qū)域,見圖1)水文情勢復(fù)雜,其水沙過程以及長江與洞庭湖相互影響、相互制約的關(guān)系構(gòu)成了江湖匯流的重要組成部分。多年來,不少學(xué)者對長江與洞庭湖的關(guān)系進(jìn)行了研究。其中對三峽工程蓄水前長江經(jīng)四口分流水沙量的變化以及江湖匯流區(qū)的變化研究成果相對較多[1~4],在這些成果中對城陵磯(七里山)水位抬高認(rèn)識基本一致,但對城陵磯(七里山)水位的原因存在不同認(rèn)識;對于長江與洞庭湖匯流區(qū)的水面比降變化也有幾種不同看法;部分成果對三峽工程蓄水后江湖匯流區(qū)同流量的水位變化以及洞庭湖對長江的分流分沙比也有不同的認(rèn)識,甚至相差較大,對三峽工程蓄水后壩下游水沙關(guān)系調(diào)整引起的江湖匯流關(guān)系變化研究不足。因此,長江與洞庭湖關(guān)系的研究不僅需要最新的水文資料進(jìn)行驗(yàn)證,也需要最新的分析成果進(jìn)行補(bǔ)充完善。江湖匯流區(qū)長江干流有監(jiān)利水文站(匯流點(diǎn)上游約80km)、螺山水文站(匯流點(diǎn)下游約30km)和蓮花塘水位站(位于江湖匯流處),洞庭湖出口有城陵磯水文站(匯流點(diǎn)上游約5km)控制,洞庭湖匯流區(qū)有鹿角水位站(匯流點(diǎn)上游約38km)。本文根據(jù)三峽工程蓄水前(1981-2002年)后(2003-2011年)江湖匯流區(qū)上述水文站水文資料從水沙變化特征、水位變化、江湖頂托機(jī)理、水沙組成變化及其影響、比降變化等方面對長江與洞庭湖的匯流關(guān)系進(jìn)行了初步研究。1變化水沙的特征1.1泥沙分布的變化監(jiān)利、城陵磯、螺山站多年平均徑流量分別為3594億m3、2858億m3、6352億m3。上世紀(jì)六、七十年代長江干流下荊江三次裁彎后,監(jiān)利站年徑流量增加,總量大于城陵磯站徑流量,使其占螺山徑流量的比例大于50%,但自此之后監(jiān)利站徑流量無明顯的減小或增加的趨勢,城陵磯站徑流量呈緩慢減小趨勢(圖2)。三峽工程蓄水后的2006年,由于長江上游降水偏少,監(jiān)利、螺山站徑流量較多年平均減小27%。監(jiān)利、城陵磯、螺山站多年平均輸沙量分別為3.05億t,0.39億t、3.60億t。長江干流監(jiān)利、螺山站輸沙量在上世紀(jì)八十年代后減小,三峽工程蓄水后持續(xù)減小且幅度較大。以螺山站為例,1981-2002年平均輸沙量為1981年前均值的91.5%,而2003-2011年平均輸沙量僅為1981年前均值的22.6%。歷年來,洞庭湖出口城陵磯站輸沙量總體呈逐漸減小趨勢,1981-2002年、2003-2011年平均輸沙量分別為1981年前均值的51.9%、31.5%,三峽工程蓄水后洞庭湖出口站輸沙量減小速度小于長江干流監(jiān)利站和螺山站,尤其是2008-2011年城陵磯站輸沙量較前幾年有所增加(圖3)。1.2水位流量關(guān)系近60年來,監(jiān)利、城陵磯、螺山站年均水位均未出現(xiàn)明顯的降低或抬高的變化趨勢。但年最低水位的變化則表現(xiàn)為逐漸抬高(圖4)。其中:監(jiān)利站1981年前最低水位均值為23.92m,1981-2002年、2003-2011年均值分別較1981年前抬高0.14m、0.70m;城陵磯站1981年前最低水位均值為18.35m,1981-2002年、2003-2011年均值分別較1981年前抬高1.45m、1.85m;螺山站1981年前最低水位均值為16.94m,1981-2002年、2003-2011年均值分別較1981年前抬高1.59m、1.97m?？梢姵橇甏壖奥萆秸灸曜畹退惶Ц叻让黠@大于監(jiān)利站。年最低水位抬高的原因?yàn)閮蓚€(gè)方面,其一為受水利工程影響枯季流量增加,其二為河道沖淤變化。顯然,不同的測站各因素的影響程度是不同的。對于監(jiān)利站,1981年前,監(jiān)利站歷年最小流量為3357m3/s,2003-2011年均值增加了1447m3/s,粗略以水位流量關(guān)系曲線中心線推算,由于流量增加引起的抬升值為1.4m左右,而實(shí)際上僅抬升0.7m,說明河床沖刷引起了水位下降約0.7m(本文表5列出了三峽工程蓄水初期、試驗(yàn)性蓄水間斷監(jiān)利站同流量下水位分別降低0.4m、1.0m,與此處結(jié)論基本相應(yīng))。對于城陵磯、螺山站,1981年前歷年最小流量均值分別為1337m3/s、5259m3/s,2003-2011年期間,兩站最小流量均值分別增加了110m3/s、1418m3/s,由此引起的水位抬升分別為0.2m、0.8m。根據(jù)前述成果,說明城陵磯、螺山站由于泥沙淤積引起的水位抬升是主要因素(城陵磯至螺山河段枯水河槽2003-2011年略有沖刷,但1981-2002年期間淤積相對較大)。1.3沙量的全年分配長江及洞庭湖徑流量主要集中在汛期,一般汛期(5-10月)徑流量占全年的比例達(dá)到70%以上。三峽工程蓄水后(2003-2011年),江湖匯流區(qū)汛期水量和沙量占全年的比例均有不同程度的減小(表1、表2)。如:監(jiān)利、城陵磯、螺山站汛期水量占全年的比例分別由75.2%、71.3%、73.4%減小為71.1%、70.4%、71.2%,從減小的幅度來看,長江干流監(jiān)利站減小幅度最大,而洞庭湖出口城陵磯站減小幅度最小。長江干流輸沙量年內(nèi)分配比水量更為不均,監(jiān)利、螺山站輸沙量汛期占全年的比例達(dá)到90%左右,而洞庭湖沙量年內(nèi)分配相對均勻,出口城陵磯站汛期輸沙量占全年的比例在50~60%之間。與水量年內(nèi)分配變化相似,三峽工程蓄水后,匯流區(qū)沙量年內(nèi)分配汛期略有減小,枯季(1-4月及11-12月)略有增加。如監(jiān)利、城陵磯、螺山站汛期輸沙量占全年的比例分別由92.4%、57.1%、88.1%減小為86.5%、55.4%、81.4%。1.4第三，實(shí)際運(yùn)行站最小流量和最小流量均值的比較自上世紀(jì)50年代以來,洞庭湖出口城陵磯站最小流量沒有明顯的增大或減小趨勢,歷年最小流量圍繞均值上下波動(dòng),但長江干流監(jiān)利、螺山站歷年最小流量自上世紀(jì)80年代開始呈逐漸加大趨勢,尤其是監(jiān)利站自2003年三峽工程蓄水以后增加較為明顯(圖5)。如:三峽工程蓄水前(1981-2002年,下同)監(jiān)利站、螺山站最小流量均值分別為3790m3/s、5941m3/s,三峽工程蓄水后(2003-2011年,下同)分別增加為4804m3/s、6677m3/s,分別增加26.8%、12.4%,而城陵磯站蓄水前、后最小流量均值分別為1474m3/s、1447m3/s,蓄水后減小1.9%(表3)。以枯季(每年12月至次年2月)平均流量統(tǒng)計(jì),三峽工程蓄水后洞庭湖出口城陵磯站減小16.3%,而匯流區(qū)長江干流監(jiān)利站增加13.0%,螺山站減小1.0%。2三峽蓄水后，長江與湖泊的水位變化2.1流量比對頂托關(guān)系的影響江湖匯流區(qū)各站水位流量關(guān)曲線系呈復(fù)雜的繩套,除了受到洪水漲落、斷面沖淤等因素影響之外,匯流區(qū)洪水相互頂托也是其主要影響因素之一。洞庭湖每年一般出現(xiàn)兩個(gè)洪水漲落過程,第一個(gè)過程出現(xiàn)在4-6月份,第二個(gè)過程出現(xiàn)在7-9月份。第一個(gè)洪水過程主要是湖南四水來水疊加形成,洞庭湖出口流量大,而長江干流上游來流較小,此時(shí)監(jiān)利站受洞庭湖頂托,水位抬升;第二個(gè)洪水過程主要是以長江中上游來水為主,長江干流上游來流較大,對洞庭湖出口形成頂托,城陵磯站出流減小,甚至出現(xiàn)“憩流”現(xiàn)象,反映在水位流量關(guān)系上,水位迅速上升而流量快速變小。而當(dāng)長江干流洪峰通過城陵磯河段后,出湖流量逐漸加大,形成了湖口水道的水位滯漲或下降而流量反增的現(xiàn)象。長江和洞庭湖出流之間的頂托關(guān)系與兩者來流大小的相對關(guān)系密不可分。以螺山站不同流量分組,分別點(diǎn)繪城陵磯、監(jiān)利站水位偏離同流量下均值的大小與流量比(城陵磯站流量除以監(jiān)利站流量,下同)關(guān)系圖(圖6、圖7),并統(tǒng)計(jì)不同流量比情況下的水位抬高值(表4),結(jié)果表明:(1)相同總流量下,流量比越小(大),對洞庭湖出流(長江干流)的頂托越大,長江干流(洞庭湖)越順暢;(2)同樣的流量比情況下,總流量(以螺山站位參考站)越大,頂托越明顯,監(jiān)利、城陵磯站水位偏離同流量下平均水位的值越大;(3)洞庭湖與長江相互頂托是比較嚴(yán)重的,如:總流量在15000~30000m3/s時(shí),當(dāng)流量比為0.3時(shí),城陵磯水位可以抬高3m左右;(4)小流量時(shí)可能存在均不頂托的情況;如:總流量小于15000m3/s時(shí),流量比為0.55時(shí),則相互不頂托;但在中、大流量時(shí)相互頂托總是存在的,如:當(dāng)總流量大于30000m3/s時(shí),流量比為0.67時(shí),長江干流順暢,此時(shí)洞庭湖出流頂托水位抬高0.80m左右,而當(dāng)流量比達(dá)到0.85時(shí),洞庭湖出流順暢,長江干流監(jiān)利站頂托水位抬高0.6m左右;(5)長江與洞庭湖頂托最小的最優(yōu)流量比在0.55~0.85之間,平均為0.7左右,一般總流量越小,最優(yōu)流量比越小,如:當(dāng)螺山流量小于15000m3/s時(shí),最優(yōu)流量比為0.55左右;螺山流量大于30000m3/s時(shí),最優(yōu)流量比為0.67~0.85左右。2.2城陵灘站流量動(dòng)態(tài)變化長江干流監(jiān)利、螺山站同一水位下的流量一般差20~40%,最大可達(dá)50%以上;洞庭湖出流城陵磯站同一水位下的流量變幅比長江干流更大,尤其在中、高水時(shí)期同水位對應(yīng)的流量變幅最大可達(dá)70%以上。三峽工程蓄水后,長江干流監(jiān)利站同流量下的水位有一定降低、洞庭湖出口城陵磯站有一定抬高(表5)。以1981年以后月平均水位~月平均流量關(guān)系點(diǎn)群軸線為分析對象,與蓄水前(1981年1月-2003年5月)比較,三峽工程蓄水初期(2003年6月-2008年9月)、試驗(yàn)性蓄水期(2008年10月-2011年12月)監(jiān)利站流量為5000m3/s時(shí)水位分別下降0.4m、1.0m,流量為10000m3/s時(shí)水位分別下降0.2m、0.6m,流量大于15000m3/s時(shí)無顯著變化;城陵磯站流量為2500m3/s時(shí)水位均抬高0.4m,流量為5000m3/s時(shí)水位均抬高0.3m,流量大于10000m3/s時(shí)暫無顯著變化(表5)。螺山站低水(流量小于15000m3/s時(shí))暫未出現(xiàn)明顯變化,但高水期同流量下水位有所抬高(圖8、表6),當(dāng)流量達(dá)到35000~45000m3/s時(shí),蓄水后同流量下水位抬高約0.6m。2.3螺山流量下城陵灘水位特征三峽工程蓄水后螺山站逐月平均流量與城陵磯站平均水位仍保持了較好的相關(guān)關(guān)系(圖9)。盡管城陵磯站中、低水時(shí)同流量下水位有所抬高(見本文2.2節(jié)),但此時(shí)同螺山流量下,城陵磯水位基本未發(fā)生變化。在高水(螺山流量大于等于25000m3/s)時(shí)期,螺山同流量下,城陵磯水位有所抬高,基本規(guī)律是流量越大,抬高相對較大,三峽試驗(yàn)性蓄水階段較蓄水初期抬高略大,在螺山流量40000m3/s時(shí),蓄水初期、試驗(yàn)性蓄水后城陵磯水位分別較蓄水前抬高0.2m、0.4m(表7)。2.4監(jiān)利-蓮子塘及蓮子塘至螺山水面比降洞庭湖區(qū)水面比降較小,以東洞庭湖鹿角和江湖匯流點(diǎn)蓮花塘兩處水位站(相距38.38km)1991-2011年資料計(jì)算,一般在萬分之0.06~萬分之0.5之間,汛期小,枯季大?？傮w上來看,三峽工程蓄水后,長江干流監(jiān)利至蓮花塘以及蓮花塘至螺山之間水面比降均有不同程度增加,其中汛期高水時(shí)期增加幅度較大,如:三峽工程蓄水前,監(jiān)利-蓮花塘年均比降萬分之0.404,而三峽蓄水之后為萬分之0.432,增加幅度7%;7月份平均比降由萬分之0.343增加為萬分之0.385,增加幅度12.1%(圖10,表8)。由于同流量下城陵磯、螺山站水位抬高,洞庭湖出流段水面比降呈逐漸減小趨勢,2003-2011年期間,鹿角-蓮花塘平均水面比降萬分之0.167,較1991-2002年平均值減小22.8%,高水期間(7月份)和枯水期間(12月份至次年2月)減小幅度更大,達(dá)到30%左右(表9)。2.5城陵灘來水總量長江與洞庭湖匯流區(qū)長江干流徑流量大于洞庭湖出流徑流量,監(jiān)利、城陵磯站多年平均徑流量分別為3594億m3、2858億m3,兩站分別占來水總量的58%、42%左右,在不同的來水總量下,來水組成略有不同。以螺山站月平均流量大小分三組(小于15000m3/s、15000~30000m3/s、大于30000m3/s)按三峽工程蓄水前、后分別統(tǒng)計(jì)監(jiān)利、城陵磯徑流量各占總量的比例見表9。統(tǒng)計(jì)成果表明,三峽工程蓄水后,各流量級下洞庭湖出口城陵磯來水量占匯流區(qū)來水總量的比例均有所減小,而監(jiān)利站增加,且低水變化較大,中水變化較小。如:來水總流量小于15000m3/s時(shí),蓄水前城陵磯站徑流量占總量的比例為43.8%,蓄水后減小為34.3%,相應(yīng)地,城陵磯站與監(jiān)利站流量比由0.78減小為0.52。2水面比降變化三峽工程蓄水后長江與洞庭湖匯流區(qū)來水組成中監(jiān)利流量加大導(dǎo)致城陵磯與監(jiān)利站流量比值減小,長江干流對洞庭湖頂托影響加劇,使得洞庭湖出口城陵磯站同流量下水位抬高。由于小流量時(shí)城陵磯站來水占總量的比例減小幅度較大,因此該站低水時(shí)同流量下水位抬升相對明顯,本文3.2節(jié)分析成果表明城陵磯站流量2500m3/s時(shí)同流量對應(yīng)的水位抬高0.4m,流量50003/s時(shí)同流量對應(yīng)的水位抬高0.3m。由于長江對洞庭湖的頂托加劇,導(dǎo)致匯流區(qū)洞庭湖水面比降減小。比降減小的趨勢與流量比變化相應(yīng),如:城陵磯站與監(jiān)利站的流量之比低水(總流量小于15000m3/s)和高水(來水總量大于30000m3/s)的減小幅度大于中水(來水總量15000~30000m3/s),與此相應(yīng),鹿角-蓮花塘水面比降枯水期間(12月份至次年2月)和高水期間(7月份)的減小幅度較大,達(dá)到30%左右(本文2.4節(jié),表8)。盡管流量比減小導(dǎo)致長江對洞庭湖的頂托加劇,抬高了城陵磯同流量相應(yīng)水位,但另一方面由于城陵磯流量減小,降低了水位,兩者可以部分甚至全部抵消,因此在中、低水時(shí)總流量(以螺山站位參證站)不變的情況下,城陵磯站水位變化不大。例如:當(dāng)螺山流量小于15000m3/s時(shí),由于監(jiān)利流量加大,城陵磯與監(jiān)利流量比值由0.78減小為0.52,由此引起水位抬升為0.87m,而城陵磯流量由6570m3/s減小為5150m3/s,引起水位降低約0.9m,兩者基本抵消,因此三峽工程蓄水后,當(dāng)螺山流量小于15000m3/s時(shí),城陵磯水位變化不大。當(dāng)螺山流量為350000m3/s時(shí),由于監(jiān)利流量加大,城陵磯與監(jiān)利流量比值由0.70減小到0.58,由此引起水位抬升為0.68m,而城陵磯流量由14500m3/s減小為12800m3/s,引起水位降低約0.50m,由城陵磯流量比減小引起的水位抬升大于流量減小引起的水位降低,兩者相抵城陵磯水位仍抬高0.18m,與本文表7中成果定性基本一致。3討論3.1水徑流來量減少受三峽水庫調(diào)節(jié)影響,壩下游非汛期徑流量占全年比例有所增加,但城陵磯站12月份至次年2月份平均流量較蓄水前減小564m3/s,相對比例達(dá)16.3%,換算成徑流量約為44.83億m3。這究竟是由于三峽工程蓄水后長江三口分流減小所致還是由于流域本身來水減小所致?統(tǒng)計(jì)顯示,1981-2002年期間,12月份~次年2月份的徑流量(3個(gè)月累計(jì))均值,長江三口為2.12億m3,洞庭湖四水為229.01億m3;而2003-2011年,長江三口和洞庭湖四水同期徑流量分別減少了0.27億m3、41.52億m3,相對比例分別為12.7%、18.1%。四水徑流來量減少占了城陵磯減少量的92.6%。以上說明,洞庭湖枯季來水以四水占絕大部分,近段時(shí)期以來,四水枯季來水較正常偏小顯著,導(dǎo)致了城陵磯枯季流量減小。3.2城陵灘至赤河段三峽工程蓄水后壩下游河道總體發(fā)生較大沖刷,但其過程是逐漸向下游發(fā)展,在蓄水初期主要為荊江河段沖刷;另外,在長距離河段沖刷的情況下,局部河段仍有可能發(fā)生一定程度的淤積,如2003-2011年期間,城陵磯至武漢河段平灘河槽總體沖刷5431萬m3,但城陵磯至赤壁(螺山以下約37km)河段卻發(fā)生了較大淤積且沖淤分布表現(xiàn)為沖槽淤灘,其中枯水河槽略有沖刷,枯水位以上河床則淤積了3189萬m3,平灘水位以下河床總體淤積2479萬m3。由于淤積主要發(fā)生在中、高水河床,因此螺山站水位流量關(guān)系主要表現(xiàn)為中、高水同流量下水位抬高。螺山站高水時(shí)期水位抬高,將對長江中游的防洪格局產(chǎn)生不利影響。但這種影響是否是長期的呢?筆者認(rèn)為隨著三峽清水下泄導(dǎo)致的沖刷逐漸向下游發(fā)展,螺山水文站所在河段淤積的狀態(tài)將會(huì)發(fā)生變化,在一定時(shí)期內(nèi)河床將表現(xiàn)為沖刷。實(shí)際上,2008-2011年,城陵磯至赤壁河段平灘水位以下河床已經(jīng)沖刷1291萬m3。隨著沖刷的加劇,螺山站同流量下水位抬高的趨勢將會(huì)得到緩解,甚至轉(zhuǎn)變?yōu)橥髁肯滤唤档汀?.3荊江沖刷的分布。在枯水河槽內(nèi),其更根據(jù)本文2.1節(jié)和2.5節(jié)的結(jié)論,由于洞庭湖出流對監(jiān)利的頂托減小,加之河床沖刷,高水時(shí)期監(jiān)利站同流量下的水位也應(yīng)下降,但實(shí)際上并非如此。究其原因,應(yīng)與螺山站高水時(shí)期同流量上游水位抬高有一定關(guān)系(參見本文2.3節(jié)),除此之外也與下荊江的沖刷分布有關(guān)。三峽蓄水后,下荊江發(fā)生了較大沖刷,但主要發(fā)生在枯水河槽,根據(jù)長江委水文局計(jì)算的成果,2002-2011年下荊江平灘水位以下河床累計(jì)沖刷2.83億m3,其中枯水河槽沖刷量為2.30億m3,占81%。枝城同流量下,三口分流的減少使得監(jiān)利站的流量增加,但高水時(shí)期監(jiān)利同流量下水位又沒有降低,這將對下荊江的防洪產(chǎn)生影響。本文2.5節(jié)統(tǒng)計(jì)顯示,高水時(shí)期監(jiān)利徑流量占江湖匯流總量的比例增加了4.6%,如以此比例推斷螺山總流量60000m3/s時(shí),監(jiān)利流量約增加2780m3/s,相應(yīng)水位抬高約0.7m。如前所述,高水時(shí)期監(jiān)利站同流量下的水位未降低與螺山水位抬高有關(guān),隨著河床沖刷,螺山同流量下水位下降后,監(jiān)利站水位亦會(huì)發(fā)生相應(yīng)變化,這需要今后的資料來驗(yàn)證。4大計(jì)算水位對比本文通過大量最新數(shù)據(jù)分析給出了長江與洞庭湖相互頂托影響的機(jī)理,并對長江與洞庭湖匯流區(qū)水沙變化特征及三峽工程蓄水后江湖頂托關(guān)系、來水組成變化等方面的最新變化進(jìn)行了分析,對三峽工程蓄水后長江與洞庭湖匯流關(guān)系的變化有如下認(rèn)識:1)三峽工程蓄水后,長江干流監(jiān)利、螺山站輸沙量持續(xù)減小且幅度較大。長江干流螺山站2003-2011年平均輸沙量僅為1981年前均值的22.6%。洞庭湖出口輸沙量減小速度小于長江干流。2)長江與洞庭湖頂托最小的最優(yōu)流量比在0.55~0.85之間,平均為0.7左右,一般總流量越小,最優(yōu)流量比越小,如當(dāng)螺山流量小于15000m3/s時(shí),最優(yōu)流量比為0.55左右;螺山流量大于30000m3/s時(shí),最優(yōu)流量比為0.67~0.85左右。3)由于受水庫調(diào)節(jié)和河道沖淤等因素影響,三峽工程蓄水后匯流區(qū)年最低水位的變化表現(xiàn)為逐漸抬高。長江干流監(jiān)利站、螺山站及洞庭湖出口城陵磯站2003-2011年最低水位均值分別較1981年前抬高0.70m、1.85m、1.97m。