長(zhǎng)江干流監(jiān)利站水沙特性分析

黃莉，藺秋生

長(zhǎng)江干流監(jiān)利站水沙特性分析

黃莉，藺秋生

（長(zhǎng)江科學(xué)院河流研究所，武漢430010）

監(jiān)利河段位于長(zhǎng)江中下游14個(gè)重點(diǎn)河段之一荊江河段的下段。根據(jù)對(duì)該河段代表水文站——監(jiān)利水文站多年統(tǒng)計(jì)資料分析，監(jiān)利站年徑流量變化過(guò)程與年輸沙量變化過(guò)程均呈不規(guī)則周期性變化，且以20世紀(jì)80年代末期為界，明顯地分為2個(gè)階段，2006年為長(zhǎng)江枯水少沙年份，徑流量、輸沙量均為歷年來(lái)最低值。監(jiān)利站徑流量年內(nèi)分配與輸沙量基本一致，均集中于汛期5-10月，且輸沙量更為集中。水沙關(guān)聯(lián)性分析結(jié)果表明，監(jiān)利站來(lái)水來(lái)沙總體呈正相關(guān)性，即徑流量越大，輸沙量也就越大。監(jiān)利站的水沙變化除了受長(zhǎng)江上游來(lái)水來(lái)沙變化的影響外，下荊江裁彎工程、荊江三口分流分沙變化及三峽工程等水利樞紐建設(shè)，均是主要影響因素。

監(jiān)利站；水沙變化；相關(guān)分析；影響因素

監(jiān)利河段位于長(zhǎng)江中下游14個(gè)重點(diǎn)河段之一荊江河段的下段，該河段歷史上洪災(zāi)頻繁，河段防洪形勢(shì)嚴(yán)峻，尤其是在河段左岸地勢(shì)較低，素有“水袋子”之稱(chēng)的監(jiān)利縣境內(nèi)，幾乎是“三年兩水”［1］。建國(guó)后，尤其是1998年長(zhǎng)江大水后，雖然河段兩岸防洪工程建設(shè)大大加快，防洪能力逐漸提高，但監(jiān)利河段仍然時(shí)刻受到洪水威脅，防洪形勢(shì)依然十分嚴(yán)峻。監(jiān)利水文站為本河段水沙特征的代表站，監(jiān)利站的來(lái)水來(lái)沙變化規(guī)律在很大程度上反映了該河段的水沙特性。

1 水沙變化特點(diǎn)

1．1水沙地區(qū)組成

監(jiān)利站的水沙主要來(lái)自長(zhǎng)江宜昌上游，區(qū)間來(lái)水來(lái)沙主要是清江支流和沮漳河支流以及荊江三口分流分沙。根據(jù)1950-2006年統(tǒng)計(jì)資料：監(jiān)利站多年平均年徑流量為3 536億m3，多年平均年輸沙量為3．40億t；宜昌站分別為4 332億m3，4．63億t；宜昌站多年平均年徑流量、多年平均年輸沙量分別占監(jiān)利站的122．5%和136．2%，這說(shuō)明宜昌-監(jiān)利之間盡管有支流水沙入?yún)R，但由于有三口分流分沙及河道調(diào)蓄作用，使得位于下游的監(jiān)利站徑流、輸沙量小于上游的宜昌站。根據(jù)多年統(tǒng)計(jì)資料，清江入?yún)R水沙不及長(zhǎng)江干流的3%，沮漳河所占比例更小，而三口多年分流分沙量約占長(zhǎng)江干流枝城站的9．3%，說(shuō)明荊江三口分流分沙對(duì)監(jiān)利河段來(lái)水來(lái)沙影響較大。

1．2水沙年際變化

據(jù)1951-2006年統(tǒng)計(jì)資料可知，監(jiān)利站年徑流量變化過(guò)程與年輸沙量變化過(guò)程均呈不規(guī)則周期性變化（見(jiàn)圖1）。監(jiān)利站歷年最大年徑流量為1998年的4 413億m3，最小年徑流量為2006年的2 718億m3，歷年最大年輸沙量為1981年的5．49億t，最小年輸沙量為2006年的0．389億t。通常采用變差系數(shù)來(lái)反映一個(gè)時(shí)間序列相對(duì)其平均值的離散程度。由計(jì)算可知，歷年徑流量的變差系數(shù)為0．119，輸沙量的變差系數(shù)為0．225，輸沙量的年際變化比徑流量大。

圖1 監(jiān)利站年徑流量、年輸沙量歷年變化圖Fig．1 Variation of the annual runoff and sediment load at Jianli Hydrological Station

為分析監(jiān)利站水沙的年代變化特點(diǎn)，對(duì)統(tǒng)計(jì)時(shí)段（1951-2006年）進(jìn)行了劃分：20世紀(jì)60年代以前（1951-1959年）、60年代（1960-1969年）、70年代（1970-1979年）、80年代（1980-1989年）、90年代（1990-1999年）、21世紀(jì)三峽工程蓄水運(yùn)用以前（2000-2002年）、三峽工程蓄水運(yùn)用以后一段時(shí)間（2003-2006年），各時(shí)段的水沙特征值見(jiàn)表1。

表1 監(jiān)利站水沙年代變化特征值Table 1 Water and sediment characteristics atJianli Hydrological Station

由表1可看出，監(jiān)利站水沙變化過(guò)程明顯地分為2個(gè)階段：20世紀(jì)80年代末期以前和20世紀(jì)80年代末期以后。20世紀(jì)80年代末期以前，監(jiān)利站徑流量、輸沙量均呈緩慢增加趨勢(shì)，80年代末期以后，徑流量變化不明顯，而輸沙量則明顯減少。2006年為長(zhǎng)江枯水少沙年份，監(jiān)利站徑流量、輸沙量均為歷年來(lái)最低值。

1．3水沙年內(nèi)變化［2］

根據(jù)多年統(tǒng)計(jì)資料，監(jiān)利站徑流量年內(nèi)分配與輸沙量基本一致，即均集中于汛期（5-10月），且輸沙量更為集中。三峽工程蓄水運(yùn)用之前，多年（1981-2002年）汛期徑流量占全年的75．4%，輸沙量占全年的92．8%。三峽工程蓄水運(yùn)用初期，受水庫(kù)的調(diào)節(jié)作用，洪峰流量削減，枯期流量增加，監(jiān)利站水沙年內(nèi)分配規(guī)律有一定的變化，具體表現(xiàn)為：汛期徑流量占全年的72．9%，輸沙量占全年的89．0%，即三峽工程蓄水運(yùn)用初期，監(jiān)利站汛期來(lái)水來(lái)沙比例有所減小，非汛期來(lái)水來(lái)沙比例有所增加，見(jiàn)表2及表3。

1．4水沙關(guān)聯(lián)性分析［2］

1．4．1水沙自相關(guān)性分析

水文時(shí)間序列自相關(guān)性分析可以用來(lái)分析該序列是否具有隨機(jī)性或具有趨勢(shì)性。自相關(guān)系數(shù)rk反映自相關(guān)性的好壞。當(dāng)只考慮水文序列為線性相關(guān)且為小樣本時(shí)，采用修正自相關(guān)系數(shù)r′k。監(jiān)利站年徑流量、年輸沙量的自相關(guān)系數(shù)計(jì)算值見(jiàn)表4。

表2 監(jiān)利站多年平均徑流量年內(nèi)分配表Table 2 Distribution of mean annual runoff at Jianli Hydrological Station within a year

表3 監(jiān)利站多年平均輸沙量年內(nèi)分配表Table 3 Distribution of mean annual sediment load at Jianli Hydrological Station within a year

表4 監(jiān)利站年徑流量、年輸沙量自相關(guān)系數(shù)Table 4 Autocorrelation coefficient betweenannual runoff and sediment load

監(jiān)利站年徑流量、年輸沙量時(shí)間系列自相關(guān)性結(jié)果表明（表4），年徑流量、年輸沙量時(shí)間序列在長(zhǎng)期的變化中均存在一定程度的自相關(guān)性，年徑流量序列t年和t＋i（i＝1，2，…，7）年均呈現(xiàn)相關(guān)性，且以t年和t＋1年的相關(guān)性最強(qiáng)，而與t＋8年相互獨(dú)立；年輸沙量序列影響期則相對(duì)較短，序列t年僅與t＋i（i＝1，2，…4）年呈現(xiàn)相關(guān)性，但其影響程度更強(qiáng)。因此，監(jiān)利站年徑流量、年輸沙量時(shí)間序列在較長(zhǎng)時(shí)期的變化中不具有隨機(jī)性特征，而是表現(xiàn)出一定的周期性和趨勢(shì)性。

1．4．2水沙互相關(guān)性分析

本文根據(jù)年代對(duì)統(tǒng)計(jì)時(shí)段進(jìn)行了劃分，具體劃分與1．2節(jié)基本類(lèi)似，僅2000年以來(lái)的時(shí)段劃分有所不同，本文將2000-2006年劃分為1個(gè)時(shí)段。運(yùn)用線性回歸模型分析監(jiān)利站統(tǒng)計(jì)年份內(nèi)年徑流量與年輸沙量之間的互相關(guān)性。

從統(tǒng)計(jì)結(jié)果看（表5），監(jiān)利河段來(lái)水來(lái)沙總體呈正相關(guān)性，即徑流量越大，輸沙量也就越大。根據(jù)劃分時(shí)段內(nèi)相關(guān)性檢驗(yàn)結(jié)果，6個(gè)劃分時(shí)段內(nèi)有3個(gè)時(shí)段序列相關(guān)，3個(gè)時(shí)段序列獨(dú)立；年徑流量序列與年輸沙量序列獨(dú)立，說(shuō)明在該時(shí)段內(nèi)存在較強(qiáng)的非自然干擾因素，導(dǎo)致水、沙來(lái)量的不匹配。上述3個(gè)序列獨(dú)立的時(shí)段分別為20世紀(jì)70年代、80年代及2000年以來(lái)這3個(gè)序列獨(dú)立的時(shí)段可能與這3個(gè)時(shí)段期間發(fā)生的下荊江裁彎、葛洲壩修建及三峽工程蓄水運(yùn)用等事件有關(guān)。

1．5洪水特性分析

監(jiān)利（城南）水文站反映長(zhǎng)江監(jiān)利河段洪水特性。根據(jù)多年統(tǒng)計(jì)資料（1950-2000年），監(jiān)利站歷年最大流量、最高水位主要集中出現(xiàn)在6-9月，這一時(shí)期基本上與夏季風(fēng)進(jìn)退長(zhǎng)江流域的起止日期相一致，具有明顯的梅汛特征。

根據(jù)歷年（1950-2000年）變化圖（圖2），監(jiān)利河段歷年最大流量、最高水位總體呈緩慢上升趨勢(shì)，河段警戒設(shè)防水位也不斷提高，說(shuō)明河段防洪形勢(shì)越來(lái)越嚴(yán)峻，防洪壓力增大。按河段安全泄量40 000 m3／s、警戒水位35．00 m（凍結(jié)）統(tǒng)計(jì)，超過(guò)河段安全泄量的有8年，占14．3%，超警戒水位的有31年，占55．3%；從時(shí)段分布上看，超高水位、超大流量出現(xiàn)的年份主要集中在20世紀(jì)80年代以來(lái)，出現(xiàn)年份數(shù)分別占總數(shù)的71%和100%。

圖2 監(jiān)利站年最大流量、最高水位歷年變化圖Fig．2 Variation of maximum discharge and maximum flood level in one year at Jianli Hydrological Station

監(jiān)利站的洪水具有“小洪水、高水位”的特性，造成這一現(xiàn)象的主要原因是20世紀(jì)后半葉以來(lái)洞庭湖的不斷萎縮和下荊江裁彎取直工程的實(shí)施。洞庭湖的不斷萎縮導(dǎo)致荊江三口分泄洪量的減少和洞庭湖水位的抬高，相應(yīng)地抬高監(jiān)利水位。下荊江裁彎工程實(shí)施后，縮短河道長(zhǎng)度，洞庭湖同流量水位不斷抬高，出流頂托作用增強(qiáng)，據(jù)實(shí)測(cè)資料，裁彎前回水頂托最大影響可使監(jiān)利站流量減少41%，裁彎后，

回水頂托影響使流量減少53%。因此，同流量情況下，監(jiān)利站水位呈抬高的趨勢(shì)。

2 影響因素分析

監(jiān)利站水沙變化影響因素眾多，有自然因素也有人為干擾因素，本文主要從以下幾個(gè)方面來(lái)分析。

2．1長(zhǎng)江上游來(lái)水來(lái)沙

監(jiān)利站水沙主要來(lái)自長(zhǎng)江宜昌上游。本文以寸灘站的水沙情況來(lái)反映宜昌上游來(lái)水來(lái)沙的變化特征。由圖3可以看出，宜昌上游寸灘站年徑流量整體略呈減少的趨勢(shì)，但幅度不大。寸灘站年輸沙量以20世紀(jì)80年代初期為界分為2段：20世紀(jì)80年代初期以前，該站年輸沙量變化不明顯；20世紀(jì)80年代初期以后，該站年輸沙量急劇減少，上游水土保持的實(shí)施是產(chǎn)生該現(xiàn)象的可能原因。從監(jiān)利站與寸灘站的水沙對(duì)應(yīng)關(guān)系來(lái)看（圖3），2站的水沙變化基本是同步的，即監(jiān)利站的水沙隨寸灘站的增大而增大，隨之減小而減小。2站年徑流量、年輸沙量的絕對(duì)大小表明：20世紀(jì)70年代以前，荊江三口分流分沙比例較大，導(dǎo)致監(jiān)利站的來(lái)水來(lái)沙均小于寸灘站；20世紀(jì)70年代以后，隨著2站間水利工程的興建及一系列河道整治工程的實(shí)施，如葛洲壩水利樞紐工程1981年開(kāi)始蓄水運(yùn)用、下荊江裁彎工程等等，壩下游來(lái)水來(lái)沙產(chǎn)生了一定的調(diào)整，來(lái)沙量有所減少，荊江三口分流分沙比例有所減小，因此，20世紀(jì)70年代以來(lái)，監(jiān)利站年徑流量較寸灘站有所增大，年輸沙量則變化不大。

表5 監(jiān)利站年徑流量、年輸沙量互相關(guān)系數(shù)Table 5 Cross correlation coefficient between annual runoff and sediment load

圖3 監(jiān)利站與寸灘站水沙對(duì)應(yīng)關(guān)系圖Fig．3 The relationship of water and sediment load between Jianli and Cuntan Hydrological Station

2．2下荊江裁彎工程

下荊江1966、1969年系統(tǒng)地實(shí)施了中洲子、上車(chē)灣人工裁彎工程，1972年沙灘子發(fā)生了自然裁彎。這些裁彎工程實(shí)施后縮短了下荊江河道近80 km，使上荊江河段同流量水位降低，減輕了上游河段的防洪壓力，但也對(duì)下荊江監(jiān)利河段產(chǎn)生了一定影響。如裁彎后，上荊江河道比降加大，河床發(fā)生沖刷，上游相同流量下沿程水位有不同程度的降低，使得在一定時(shí)期內(nèi)荊江三口分流分沙減少，進(jìn)入下游河段的水沙增加。實(shí)測(cè)資料表明，這種影響以裁彎期間最大。

2．3荊江三口分流分沙變化

由于荊江三口位于上荊江河段，因此，荊江三口總體分流、分沙變化比較明顯地影響到下荊江河段的來(lái)水來(lái)沙，監(jiān)利河段受其影響。

荊江四口分流的態(tài)勢(shì)在17世紀(jì)60-70年代形成之后，使得長(zhǎng)江大量泥沙進(jìn)入洞庭湖，湖底抬高，面積萎縮。河流開(kāi)始淤積分流河道來(lái)進(jìn)行自我調(diào)整，但這種淤積在分流河道形成之初并不明顯，但是到了20世紀(jì)30-50年代，淤積的作用顯著增加，以至于50年代以后河道發(fā)生嚴(yán)重的淤積，分流分沙顯著減少。因此，在自然狀態(tài)下荊江三口分流分沙就開(kāi)始減少，是河流自我調(diào)整的結(jié)果，而近期由于人類(lèi)活動(dòng)的干預(yù)，更加劇了這種減少的趨勢(shì)。

2．4水利樞紐工程建設(shè)

目前，長(zhǎng)江干流監(jiān)利站以上的水利樞紐工程主要有三峽水利樞紐工程和葛洲壩水利樞紐工程。在河流上修建水庫(kù)大壩工程以后，改變了原有河道的水文特性，攔蓄了洪水，調(diào)節(jié)了下泄流量，給工程上下游河道帶來(lái)一定的影響：工程下游斷面來(lái)水總量不一定改變，但來(lái)水過(guò)程受水庫(kù)調(diào)節(jié)會(huì)發(fā)生一定的變化；庫(kù)區(qū)泥沙淤積，下泄沙量減少，而清水下泄造成下游河道沖刷，河勢(shì)重新調(diào)整。

根據(jù)三峽水庫(kù)蓄水運(yùn)用以來(lái)下游河道觀測(cè)資料分析，三峽水庫(kù)蓄水運(yùn)用初期，上游來(lái)沙的60%被攔在庫(kù)內(nèi)，出庫(kù)及壩下游水流含沙量大幅減小，水流明顯變清，監(jiān)利站同流量下含沙量明顯減小，并且低含沙水流下泄，壩下游河床沿程沖刷，各站懸沙均有所粗化，監(jiān)利站2006年粗化最為明顯，由蓄水前（1986-2002年）的0．009 mm變?yōu)?006年的0．150 mm。另外，三峽工程蓄水運(yùn)用初期，受水庫(kù)的調(diào)節(jié)作用，洪峰流量削減，枯期流量增加，監(jiān)利站水沙年內(nèi)分配規(guī)律有一定的變化，汛期來(lái)水來(lái)沙比例有所減小，非汛期來(lái)水來(lái)沙比例有所增加。

3 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)監(jiān)利站歷年的水沙特性進(jìn)行了初步概括，主要得出以下幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)：

（1）根據(jù)多年統(tǒng)計(jì)資料分析，監(jiān)利站年徑流量變化過(guò)程與年輸沙量變化過(guò)程均呈不規(guī)則周期性變化，且以20世紀(jì)80年代末期為界，明顯地分為2個(gè)階段。2006年為長(zhǎng)江枯水少沙年份，監(jiān)利站徑流量、輸沙量均為歷年來(lái)最低值。

（2）監(jiān)利站徑流量年內(nèi)分配與輸沙量基本一致，均集中于汛期5-10月，且輸沙量更為集中。三峽工程運(yùn)用初期，監(jiān)利站汛期來(lái)水來(lái)沙比例有所減小，非汛期來(lái)水來(lái)沙比例有所增加。

（3）水沙關(guān)聯(lián)性分析結(jié)果表明，監(jiān)利站年徑流量、年輸沙量時(shí)間序列在較長(zhǎng)時(shí)期的變化中不具有隨機(jī)性特征，而是表現(xiàn)出一定的周期性和趨勢(shì)性；監(jiān)利河段來(lái)水來(lái)沙總體呈正相關(guān)性，即徑流量越大，輸沙量也就越大。

（4）監(jiān)利站水沙主要來(lái)自長(zhǎng)江宜昌上游，因此，監(jiān)利站的水沙變化首先受長(zhǎng)江上游來(lái)水來(lái)沙變化的影響。另外，下荊江裁彎工程、荊江三口分流分沙變化及三峽工程等水利樞紐建設(shè)，均是監(jiān)利站水沙變化的主要影響因素。

［1］監(jiān)利水利志編輯室．監(jiān)利水利志［M］．北京：中國(guó)水利水電出版社，2005．

［2］黃莉．監(jiān)利河段水沙變化及其對(duì)該河段河床橫斷面形態(tài)影響機(jī)理研究［D］．武漢：長(zhǎng)江科學(xué)學(xué)院，2008．

［3］彭玉明，高志斌．長(zhǎng)江監(jiān)利河段近期河道演變分析［J］．人民長(zhǎng)江，2006，（12）：78-81．

（編輯：劉運(yùn)飛）

Characteristics Analysis of Water-sediment Load at Jianli Hydrological Station on Changjiang River Main Stream

HUANG Li，LIN Qiu-sheng
（Yangtze River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China）

The Jianli river reach is located in the lower part of Jingjiang river reach which is one of the 14 key reaches in the middle and lower reaches of Changjiang River．By analyzing the 1950-2006 prototype data of Jianli Station in Jianli river reach，a representative hydrological station，some conclusions indicate as follows：The annual runoff and sediment load of Jianli river reach all changed irregularly and periodically，and were divided into two phases clearly by late 1980s．In 2006，the annual runoff and sediment load of Jianli river were the lowest in the past years．The distribution of runoff and sediment load in one year was uneven，mainly concentrated in flood season from May to October，especially for sediment load．The runoff and sediment load had direct correlation on the whole，that is，the more the runoff，the more the sediment load．Besides the incoming water and sediment from the upstream river reach，the cut-off works in lower Jingjiang river reach，the variation of the silt-carrying flow division through three branches in Jingjiang River，and the construction of large-scale water conservancy projects，such as TGP，are all the main influencing factors of water and sediment load variation in Jianli river reach．

Jianli hydrological station；water and sediment load variation；correlation analysis；influencing factor

TV141

A

1001-5485（2009）03-0005-04

2008-03-18

“十一五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（2006BAB05B03）

黃莉（1981-），女，湖北鐘祥人，工程師，碩士，主要從事河流模擬與河道整治研究，（電話）027-82829870（電子信箱）hl hls＠163．com。