荊江河段地形變化對洞庭湖水文情勢的影響

張冬冬，戴明龍，陳 璽，鄧鵬鑫，章曉夢

(1.長江水利委員會水文局，湖北 武漢 430010； 2.中國長江電力股份有限公司智慧長江與水電科學湖北省重點實驗室,湖北 宜昌 443000； 3.河海大學水文水資源學院，江蘇 南京 210098)

荊江河段作為長江流域最為重要的險工河段，其沖淤變化特征對于江湖關系的影響顯著。三峽水庫建庫前，荊江河段受調弦口封堵、下荊江裁彎、葛洲壩水利樞紐截流等影響，江湖關系經歷多次變化與調整，宜昌—湖口河段1975—1998年總體表現為淤積，1998—2002年表現為沖刷[1]。三峽水庫建庫后，長江中游水文泥沙情勢顯著調整，壩下游宜昌—湖口河段總體沖刷，其中枯水河槽沖刷量約占91%[2]。干流徑流的年內分配改變以及沙量的大幅減少導致洞庭湖入出湖水沙發生一定變化，進而使得荊江河段與洞庭湖的江湖關系進入新一輪變化與調整過程[3-4]。

眾多學者從不同角度探討了三峽水庫建庫后荊江河段地形變化及其引起江湖關系的變化，韓其為等[5-6]等通過數學模型預測了荊江河段沖刷深度為2.0～5.3 m；董炳江等[7-8]基于實測水沙資料指出，宜昌—湖口河段2012—2016年平均沖刷量比2002—2012年增長了1倍；宮平等[9]通過水沙模型預測了2032年宜昌—沙市河段槽蓄量將增加10億～14億m3。清水下泄導致同流量下干流河道水位下降，同時天然來水偏少以及蓄水期水庫蓄水進一步導致下游水沙減少，多重因素影響導致三峽水庫蓄水期荊江入洞庭湖水沙減少[10]，湖區泥沙淤積減緩以及水位降低[11]，江湖關系變化對洞庭湖防洪和水資源保護產生了新的影響。針對水庫蓄水對洞庭湖水文情勢影響，孫思瑞等[12-14]等采用數理統計方法分析了三峽水庫不同調度方式對洞庭湖區典型年水文情勢的影響，徐長江等[15-16]通過數值模擬分析了三峽水庫不同調度方式對洞庭湖水文情勢的影響。以上研究對三峽水庫蓄水導致荊江三口分流減少以及洞庭湖區水位下降的結論基本一致，而對于荊江河道地形變化對江湖關系影響的研究偏少，且多集中于入湖水沙變化特性分析[17-18]，如何定量評估三峽水庫建庫前后荊江河段地形變化對洞庭湖水文情勢的影響目前還處于探索階段。

本文在已有研究基礎上，分別構建三峽水庫建庫前后兩套地形條件下長江干流與洞庭湖一、二維耦合水動力學模型，通過固定來水條件，模擬不同地形條件下洞庭湖區水位以及入出湖水量并進行對比分析，從而定量評估荊江河段地形變化對洞庭湖水文情勢的影響，為三峽水庫優化調度提供參考。

1 研究區概況與計算方法

1.1 研究區概況

研究區域為長江干流枝城—螺山河段以及洞庭湖區。荊江三口由松滋口、太平口與藕池口組成，荊江自松滋河、虎渡河與藕池河分流匯入洞庭湖。洞庭湖是吞吐長江的通江湖泊，南納湘、資、沅、澧四水來水，北承荊江松滋、太平、藕池三口分流，入湖徑流通過湖區調蓄后，由城陵磯注入長江，構成復雜的江湖系統。研究區域見圖1。

1.2 水動力學模型

本文構建了三峽水庫建庫前后兩套地形條件下長江干流與洞庭湖一、二維耦合水動力學模型，其中，長江干流、荊江三口洪道及洞庭四水尾閭均采用一維水動力學模型，洞庭湖區采用二維水動力學模型，耦合模型涉及的一維河道和二維湖區采用標準連接形式，建庫前后模型概化如圖2所示。

圖1 研究區概況Fig.1 Sketch of study area

(a) 建庫后

本文采用的水文數據包括長江干流和洞庭湖主要控制站水位和流量數據，建庫前后長江干流和荊江三口洪道地形分別采用1996年和2012年地形數據，考慮到洞庭湖數據限制，洞庭湖和四水尾閭地形采用2012年地形，以上數據由長江水利委員會水文局提供。選擇1996年建庫前地形的主要原因是1996年荊江河段斷面沖淤變化不大，年內汛前以及汛后沖淤基本平衡，可以較好地反映建庫前荊江河道地形特征；選擇2012年建庫后地形的主要原因是三峽水庫建庫后10年內長江中游河道沖淤變化較為顯著，可以反映三峽水庫建庫后的荊江河道變化特征。

模型上邊界為宜昌站逐日實測或還原流量，下邊界分別為三峽建庫前后螺山站水位流量關系綜合線，并將洞庭四水、汨羅江及清江主要控制站的逐日流量作為模型的入匯點源。湖區內的降雨徑流過程采用降雨產流模塊進行模擬，蒸發量采用湖區逐月潛在蒸散發資料。為準確模擬洞庭湖區的水動力變化過程，模型采用三角形網格對湖區進行網格劃分，網格總數為23 436個，重要地區、河道及其他地形變化劇烈區域，如荊江三口洪道、草尾河和洞庭湖出口區域，計算網格適當加密。

1.3 模型率定

本文構建的地形模型中僅建庫后的地形與實際情況相符，建庫前模型屬假設情景。模型率定的思路是以建庫后地形參數為準，假定建庫前模型中不同高程對應的糙率沒有發生重大改變，與建庫后地形參數基本保持一致。

對于長江中游荊江河段和洞庭湖區，不同的來水組成、量級及水位漲落率均會對水流阻力產生影響，因此進行糙率率定時必須選擇具有一定代表性的典型來水過程。本文以干流來水量作為典型年選取的依據，通過對宜昌站1950—2018年年徑流量的排頻計算，在2008—2018年中選取2012年作為豐水典型年，2014年作為平水典型年，2011年作為枯水典型年，根據不同來水年對模型進行了率定。

由于計算區域內河道和湖區的河床邊界組成差異較大，在對河道及湖泊特性分析的基礎上，對長江中游干流河段、洞庭湖區、荊江三口洪道及四水尾閭河段3個部分，按照模擬與實際水深差的相對誤差進行糙率率定，結果見表1。

1.4 精度評價

為量化評估模型的模擬精度，采用納什系數ENS[19]和相對誤差ER兩個指標評價流量過程的模擬精度。參考Moriasi等[20]研究中采用的模型精度評價等級標準(表2)，定量評價本文模型的模擬精度。

表1 模型糙率率定結果Table 1 Manning roughness coefficients in coupled model

表2 模型模擬效果評價指標等級Table 2 Classification of evaluation indices for model simulation effect

根據率定的參數，模擬2015—2018年荊江河段、洞庭湖區及出口各站點的逐月流量和水位過程，并與實測流量和水位過程進行對比，模擬結果見圖3和表3。由表3可以看出，除管家鋪站為良好外，其他各水文站模擬流量過程與實測過程擬合等級均為優秀，滿足模型模擬精度要求。鹿角、荷葉湖和南咀站平均水位模擬誤差分別為0.06 m、0.03 m和 0.03 m，最高水位模擬誤差分別為0.57 m、0.39 m和0.45 m，最低水位模擬誤差分別為-0.51 m、-0.68 m和 -0.27 m。

表3 各水文站流量模擬效果評價Table 3 Evaluation of simulation results of discharge at different hydrological stations

1.5 徑流還原方法

采用徑流還原方法，將宜昌站實測流量還原至三峽水庫建庫前的狀態。還原計算中主要根據三峽水庫壩前水位、水庫庫容曲線以及出庫流量，采用水量平衡法反推入庫流量，并采用馬斯京根法將入庫流量過程由清溪場演算到宜昌站，得到宜昌站還原流量過程，如圖4所示。三峽水庫調度一定程度改變了宜昌站徑流的年內分配，其中，9—11月為水庫蓄水期，實測月平均流量較還原情況減小 0.4%～25%，10月變化幅度最大；12月至次年3月為枯水期，實測月平均流量較還原情況增大9%～26%，枯水期三峽水庫加大了下泄流量，減緩了河道沖刷對枯水位的影響。

(a) 鹿角站水位過程

圖4 宜昌站2008—2018年實測與還原月平均流量Fig.4 Measured and restored average monthly discharges at Yichang station from 2008 to 2018

2 三峽水庫建庫后荊江河段沖淤變化特征

2.1 荊江河段

三峽水庫建庫后宜昌—城陵磯河段河道泥沙沖刷情況如表4所示。2003—2018年荊江河段平灘河槽沖刷11.38億m3，年均沖刷強度為20.0萬m3/km。從沖淤量時間分布來看，荊江河段河道沖刷主要集中在三峽水庫建庫后的前3年，2003—2005年平灘河槽沖刷量為3.02億m3，年均沖刷強度為29.0萬m3/km，占建庫以來該河段平灘河槽總沖刷量的27%；2008—2018年平灘河槽沖刷量為7.05億m3，年均沖刷強度為18.5萬m3/km，占建庫以來該河段平灘河槽總沖刷量的62%。從河道沖刷沿程分布來看，上荊江和下荊江河段沖刷量分別為6.79億m3和4.59億m3，分別占荊江河段沖刷量的60%和40%，年均沖刷強度分別為24.0萬m3/km和16.3萬m3/km。

表4 三峽水庫建庫后宜昌—城陵磯河段河道泥沙沖刷量 單位：萬m3Table 4 Sediment erosion in river channel from Yichang to Chenglingji after construction of Three Gorges Reservoir unit: 104 m3

2.2 荊江三口洪道

三峽水庫建庫后，荊江三口洪道表現為沖刷，2013—2018年洪水河槽總沖刷量為17 845萬m3，其中，松滋河、虎渡河、松虎洪道、藕池河沖刷量分別占三口洪道總沖刷量59%、12%、9%和20%，如表5所示。相同水位條件下，荊江三口洪道4個控制斷面過水面積變化如表6所示，相較建庫前，建庫后新江口、沙道觀和康家崗站在相同水位下過水面積有一定減小；管家鋪站在低水位情況下過水面積有一定增大，中高水位情況下過水面積減小。

表5 三峽水庫建庫后荊江三口洪道泥沙沖刷量 單位：萬m3Table 5 Sediment erosion in flood diversion channels of three outlets of Jingjiang reach after construction of Three Gorges Reservoir unit: 104 m3

表6 三峽水庫建庫前后荊江三口洪道不同水位過水面積Table 6 Discharge areas of different cross-sections in flood diversion channels of three outlets of Jingjiang reach under different water levels before and after construction of Three Gorges Reservoir

3 荊江河段地形變化對洞庭湖水文情勢的影響

以宜昌站實測或還原流量過程作為模型上邊界條件，在其他邊界條件一致的情況下，分別模擬三峽水庫建庫前(1996年)和建庫后(2012年)兩套地形條件下洞庭湖區水位、入出湖水量的變化特征。本次模擬涉及4種情景(表7)。為了與《三峽(正常運行期)—葛洲壩水利樞紐梯級調度規程》(2019年修訂版)中提出的中小洪水調度方式相協調，本次模擬在蓄水期9—11月的基礎上將研究時段擴展至8—11月各旬。

3.1 洞庭湖區水位

將4種模擬情景下洞庭湖區水位數據進行對比，分析2008—2018年洞庭湖區鹿角、荷葉湖及南咀站8—11月逐旬水位以及水位受地形影響的變化特征，結果如圖5和圖6所示。

三峽水庫建庫后，荊江河段河床持續沖刷，同流量條件下河道水位下降，進而導致荊江三口分流進一步減少，洞庭湖區水位進一步下降。從圖5可以看出，在宜昌站實測來水條件下，地形變化導致鹿角站8—11月水位降低，荷葉湖站水位變化幅度略小于鹿角站，南咀站水位變化幅度最小。從各旬水位變化幅度來看，鹿角站、荷葉湖站9月下旬變化幅度最大，11月中旬變化幅度最小；南咀站變化幅度總體趨勢與其他兩站大致相同。圖6為宜昌站還原來水條件下的計算結果，地形變化導致湖區水位下降0.45～0.74 m，下降幅度在實測來水條件范圍內，且8月上旬下降幅度最大，11月下旬下降幅度最小。從空間變化特征來看，靠近洞庭湖出湖的站點變化幅度大于湖區內的站點，可以認為荊江河段地形變化對洞庭湖區水位的影響程度隨著與城陵磯距離增加而減弱。

表7 情景設置Table 7 Scenario design

(a) 水位

(a) 水位

為了進一步驗證計算結果的合理性，選取鹿角站、南咀站(荷葉湖站水位系列較短，不納入統計)1981—2002年和2008—2018年8—11月實測水位數據，分析兩個時段的水位變化特征，結果如表8所示。與1981—2002年相比，2008—2018年8—11月鹿角站各月實測平均水位分別降低0.78 m、1.73 m、2.11 m和0.45 m，地形變化引起鹿角站各月平均水位分別降低0.65 m、0.75 m、0.69 m和0.32 m；南咀站各月實測平均水位分別降低0.87 m、1.13 m、1.10 m和0.30 m，地形變化引起南咀站各月平均水位分別降低0.56 m、0.55 m、0.53 m和0.16 m。兩站實測水位變化由水庫調蓄、天然來水變化、干流和湖區地形變化以及當地取用水等多種要素引起，從模型計算結果可以得出，鹿角站和南咀站干流地形變化引起的各月水位變化占總水位變化的比例分別為0.33～0.83和0.48～0.64，兩站地形變化引起的水位變化均小于兩站實測水位變化，計算結果基本合理，可以認為荊江河段地形變化是導致洞庭湖區兩個水位站8—11月水位下降的主要因素。

表8 鹿角和南咀站計算與實測水位變化比較Table 8 Comparison of calculated and measured water level variations at Lujiao and Nanzui stations

3.2 洞庭湖入出湖水量

4種模擬情景下洞庭四水入湖水量一致，因此，荊江河段地形變化僅對荊南四河入湖水量和城陵磯出湖水量有影響，以松滋河新江口站和沙道觀站、虎渡河彌陀寺站、藕池河康家崗站和管家鋪站合成流量代表荊南四河入湖水量，荊南四河和城陵磯8—11月逐旬流量及其受地形影響的變化特征如圖7和圖8所示。

三峽水庫建庫后，荊江河段河床持續沖刷，荊南四河入湖水量持續減少。從圖7可以看出，在宜昌站實測來水條件下，荊南四河8—11月多年旬平均入湖流量減小249～1 660 m3/s；受湖區調蓄作用影響，出湖流量減小幅度小于入湖流量，出湖流量減少90～920 m3/s。從各旬變幅來看，荊南四河入湖流量變幅較大的時段集中在8月上旬，而11月中下旬變化幅度較小；出湖流量變幅較大的時段集中9月下旬，而11月中下旬變化幅度較小。從圖8可以看出，在宜昌站還原來水條件下，荊南四河8—11月多年旬平均入湖流量減小457～1 630 m3/s；受湖區調蓄作用影響，出湖流量減小幅度小于入湖流量，出湖流量減小360～440 m3/s。從各旬變幅來看，建庫前后荊南四河入湖、城陵磯出湖流量變幅較大的時段集中在8月上旬，而11月中下旬變化幅度較小。

(a) 流量

(a) 流量

3.3 枝城—螺山河段水文情勢變化特征

表9統計了宜昌站實測和還原來水情景下，2008—2018年地形變化引起的枝城—螺山河段各關鍵控制節點8—11月平均水位和流量變化特征。實測來水條件下，受荊江河道沖刷下切的影響，在來水一定的情況下，荊江干流河道水位進一步下降，枝城站受河道沖刷影響最為明顯，8—11月平均水位下降了1.22 m。荊江三口分流減少導致干流的沙市和監利站流量分別增加570 m3/s和980 m3/s，但由于流量增加導致的水位抬升值小于河道沖刷導致的水位下降值，綜合影響下沙市和監利兩站平均水位分別下降了1.54 m和0.82 m。荊江三口洪道入湖水量減少導致洞庭湖區各站平均水位下降0.53～0.62 m，且距離城陵磯越近，下降幅度越大，但下降幅度小于干流各控制站。受到洞庭湖調蓄的影響，城陵磯出湖流量減小值小于荊南四河入湖流量減小值，螺山站在干流來水增加和洞庭湖出水減少的綜合影響下，流量增加了560 m3/s，水位略有下降，變化不明顯。還原來水條件下，由于沒有受到水庫蓄水影響，來水量較實測情況增加，因而各控制站水文情勢變化幅度小于實測來水情況，空間變化規律與實測來水情況基本一致。

表9 枝城—螺山河段8—11月平均水位和流量受地形影響變化模擬結果Table 9 Variations of water level and discharge for reach from Zhicheng to Luoshan from August to November under topographical influence

在枝城站來水一定的條件下，地形變化對荊江三口分流量的影響見表10。可以看出，枝城站在流量為1萬～4萬m3/s時，2012年地形條件下荊江三口分流比相較1996年地形條件下減小了5.8%～6.3%，且流量越大，變化幅度越大。從各口門變化幅度來看，藕池口變化幅度最大，太平口次之，松滋口變化幅度最小。

表10 地形變化前后荊江三口分流能力變化Table 10 Distributary capacity of three outlets of Jingjiang reach before and after topographical change

4 討 論

本文分析了荊江河段河道地形改變后洞庭湖水文情勢的變化及其對荊江河段的反饋作用，結果表明，在假定來水一定的條件下，對于中低水情況下，地形變化導致荊江三口分流量進一步減少，枝城站流量與荊江三口分流量減少量存在顯著相關關系(圖9)，兩者在枝城站流量約為1.1萬m3/s時有過渡區，且流量越小分流量減少幅度越大。洞庭湖分泄長江干流水量減少，降低了洞庭湖的調蓄能力，使得同樣來水條件下長江干流沙市—螺山河段的流量增加。研究表明，河道地形改變條件下，沙市、監利以及螺山站的水位受流量增加和河道沖刷減少的綜合影響，對于沙市和監利站，流量增加導致的水位抬升值小于河道沖刷導致的水位下降值，因此河道沖刷對于以上河段防洪形勢有利。螺山站由于河道沖刷不明顯，還原來水條件下流量增加導致的水位抬升值略大于河道沖刷導致的水位下降值，同流量下螺山站中低水水位有一定的抬高，當來水量較大時螺山站的防洪形勢值得關注。李世強等[21]基于螺山站實測水位和流量分析指出，三峽水庫運行后，螺山站在同流量下中低水水位抬高較多，高水水位抬高減少，與本文研究的結果基本一致，可以認為河道地形改變是造成以上變化的原因之一。需要指出的是，洞庭湖的調蓄能力不僅與荊江三口分流量有關，還與自身的湖泊面積、洞庭四水來水以及出湖段長江干流頂托影響關系密切，未來研究中需要結合各要素變化與洞庭湖調蓄間的響應關系，進一步分析洞庭湖調蓄對長江中下游防洪總體布局的影響。

圖9 地形影響下枝城站流量與荊江三口分流量變化的相關關系Fig.9 Relationship between discharge at Zhicheng station and water diversion change of three outlets of Jingjiang reach under topographical influence

本文計算采用不同地形作為模型輸入，分析不同地形變化對長江中下游以及洞庭湖水文情勢影響，僅改變了長江干流的地形，而沒有反映洞庭湖以及四水尾閭地形變化對湖區水位的影響。朱玲玲等[22]研究表明，洞庭湖區1995—2003年以淤積為主，平均淤積厚度約為3.7 cm； 2003—2011年由淤轉沖，湖區平均沖刷深度約為10.9 cm；近年洞庭湖沖淤基本平衡，湖區沖淤變化對水位影響不大。未來工作中將進一步完善湖區地形變化對洞庭湖水文情勢影響的研究。

5 結 論

a.三峽水庫建庫以來，荊江干流和三口洪道均處于沖刷狀態，干流河道沖刷主要集中在建庫后的前3年，該時段年平均沖刷強度為建庫后的1.45倍；三口洪道沖刷主要集中在松滋河和藕池河，分別占總沖刷量的59%和20%。

b.受地形變化影響，在實測和還原來水條件下，洞庭湖區8—11月多年平均水位分別下降0.09～0.83 m和 0.45～0.74 m，兩種來水條件下水位變幅最大分別在9月下旬和8月上旬，地形變化對洞庭湖區水位的影響程度隨著與城陵磯距離增加而減弱。

c.受地形變化影響，荊南四河和城陵磯8—11月多年旬平均流量分別減少249～1 660 m3/s和 90～920 m3/s，地形變化削弱了長江干流與洞庭湖的水力聯系，導致同樣來水條件下荊南四河入湖水量減少，進而間接削弱了洞庭湖調蓄能力。地形變化導致荊江三口分流減少了5.8%～6.3%，且干流流量越大，變化幅度越大。

d.在枝城站來水一定的條件下，地形變化導致荊江三口分流量減少，且來水越少分流量減少幅度越大，進而導致沙市—螺山河段的流量增加，同流量下螺山站中低水水位有一定的抬高。