1999年以來洞庭湖城陵磯水沙變化及成因分析

余 果

（湖南師范大學資源與環(huán)境科學學院 長沙市 410081）

何林福

（岳陽市人民政府 岳陽市 414000）

洞庭湖出口城陵磯是聯(lián)系長江與洞庭湖的水流通道，對江湖水沙關(guān)系有巨大影響，許多學者就城陵磯水位、水位流量及水沙關(guān)系進行了研究[1-5]。2003年6月三峽水庫的正式蓄水運用，給江湖關(guān)系帶來新的變化。本文采用城陵磯（七里山）站1999～2009年的水沙數(shù)據(jù)，分析洞庭湖這段時間水沙的變化規(guī)律及影響因素，有利于更好的掌握洞庭湖水文情勢，應對江湖關(guān)系的新變化。

1 徑流、泥沙年際變化

從圖1中看出，出湖徑流量、輸沙量的變化基本同步，均在2002～2003年出現(xiàn)較大變化，兩者在此時間段之前呈上升趨勢，而此時間段之后呈現(xiàn)緩慢波動下降趨勢。為了反映徑流、泥沙年際變化幅度的大小，通過計算絕對變化比率K：

圖1 洞庭湖城陵磯1999～2009年徑流量、輸沙量過程線

式中Qmax——年徑流（泥沙）最大值；

Qmin——年徑流（泥沙）最小值；

K——徑流（泥沙）的年際絕對變化值，K值越大，年際變化幅度越大。

1955～2008 年城陵磯多年平均徑流量 2 898億m3，1999～2009年平均徑流量為2 462億m3，比多年平均值偏少15%。1999～2009年間徑流量最大值為3 393億m3，最小值為1 990億m3，兩者比值K=1.7，徑流年際絕對變化率大。年徑流量在2003年前后出現(xiàn)較大轉(zhuǎn)折，2003年以前，年徑流量均值2 825億m3，比多年平均值偏少2.5%，相差不大，K值1.46，年際變化較大；2003以后，年徑流量均值2 255億m3，比2003年以前減少了20.1%，差異明顯，K值1.35，年際變化減小。說明三峽運行以前，城陵磯年徑流量總體較大，年際變化波動明顯。三峽運行以后，洞庭湖總體出湖徑流量減少，但年際變化趨緩。

由于徑流是泥沙的輸送載體，所以城陵磯站輸沙量的變化類似于徑流量的年際變化。城陵磯多年平均輸沙量3 680萬t，就1999～2009年總體而言，輸沙量年平均值1 722萬t，比多年平均值偏少53.2%，K值2.13，比徑流量年際變化劇烈。2003年前，年均輸沙量2030萬t，K值1.35；2003年后，年均輸沙量1 546萬t，K值1.56。據(jù)數(shù)據(jù)分析，2003年前輸沙量多，且年際變化波動較小，比較穩(wěn)定；2003年后出湖年輸沙量較之前減少了31.3%。三峽水庫運行以來，洞庭湖的泥沙量減少明顯而且年際變化劇烈，湖區(qū)泥沙沉積逐漸減少，水流沖刷作用明顯，對于城陵磯泥沙變化的影響將慢慢顯現(xiàn)，進而影響城陵磯站水位、洞庭湖調(diào)蓄量。

2 徑流量、輸沙量年內(nèi)變化

洞庭湖出口控制站城陵磯站的徑流量、輸沙量受氣候、三口及四水等因素的影響，徑流、泥沙年內(nèi)分配并不均勻，并呈現(xiàn)一定的波動性，本文采用變差系數(shù)Cv來反映兩者年內(nèi)分配不均的狀況，計算方法如下：

式中S——徑流（泥沙）年內(nèi)分配標準差；

Σ——徑流（泥沙）年內(nèi)變差系數(shù)；

Xi——各月徑流量（輸沙量）與年徑流量（輸沙量）的比值；

X——各月平均占全年百分比，即X=100%/12=8.33%；n=12。標準差與變差系數(shù)的值越大，表明各月徑流量（輸沙量）相差越懸殊，即年內(nèi)分配越不均勻。

根據(jù)城陵磯站1999～2009年各月實測水沙，按此公式分別計算出水沙的Cv值（表1）。

表1 城陵磯1999～2009年徑流、泥沙年內(nèi)分布特征值

從表1可看出，徑流年內(nèi)變差系數(shù)為2.92～1.56，波動幅度較大，而2003年以前波動更加劇烈，Cv均值2.1，2003年以后Cv均值2.0，略呈下降趨勢，也說明三峽水庫的運行對于洞庭湖的調(diào)蓄量起到了很好的作用，徑流年內(nèi)穩(wěn)定程度上升。洞庭湖流域處于中北亞熱帶濕潤氣候區(qū)，降水集中在雨季，受此氣候影響，徑流量也集中在汛期。汛期多年平均出湖水量2 120億m3，占全年比重為73.3%；1999～2009年汛期平均出湖水量1 782億m3，比多年平均值偏少16%，占全年比重為72.2%；1999～2002年汛期平均出湖水量2 073億m3，比多年平均值偏少2.2%，占全年比重為72.7%；2003～2009年汛期平均出湖水量1 615億m3，比多年平均值偏少23.8%，占全年比重為71.6%。說明三峽水庫運行后，城陵磯站汛期出湖水量占全年比重有所降低，全年徑流分配趨于平衡穩(wěn)定，水庫對于徑流的時間分布具有調(diào)節(jié)作用。在各月分配上，多年出湖平均流量7月最大，占全年16.4%，1月最小，占全年2.5%。從1999～2009年實測資料看，11年平均流量7月最大，占全年15.5%，12月最小，占全年3.0%。2003年以前平均流量7月最大，占全年17.4%，1月最小，占全年2.5%；2003年以后平均流量6、7月最大，同占全年14.4%，12月最小，占全年2.65%。在多種因素的影響下，城陵磯站出湖流量占全年最小月由1月變?yōu)?2月，最大月份不變但水量小了，且持續(xù)時間加長，徑流穩(wěn)定性增加。

從表1結(jié)果可看出，泥沙Cv值比徑流變化幅度大，波動更加明顯。1999～2009年變差系數(shù)為1.64～2.80，均值2.14，1999～2002年Cv均值1.89，2003年以后Cv均值 2.28，前后差異明顯，輸沙量年內(nèi)變化加劇，分配不均勻。汛期多年平均輸沙量2 487萬t，占全年比重為67.4%；1999～2009年汛期平均輸沙量1 099萬t，比多年平均值偏少55.8%，占全年比重為63.8%；1999～2002年汛期平均輸沙量1321萬t，比多年平均值偏少46.9%，占全年比重65.1%；2003～2009年汛期平均輸沙量973萬t，比多年平均值偏少61%，占全年比重62.9%。由以上數(shù)據(jù)可以看出泥沙集中在汛期，與徑流量的年內(nèi)分配一致，且汛期輸沙量減少明顯，直接影響到全年泥沙的變化。從各月分配來看：1999～2009年5月最大、占全年13.3%，12月最小、占全年3.8%；1999～2002年4月最大、占全年15.8%，1月最小、占全年3.1%；2003年以后5月最大、占全年13.3%，12月最小、占全年3.7%。這與月平均流量占全年比例的最大、最小月份一致，體現(xiàn)了徑流、泥沙變化的相應性。而與徑流的年內(nèi)變化不同，輸沙量的Cv值朝著增加的方向發(fā)展，特別是在2003年三峽工程運行以后這個加大的趨勢愈發(fā)明顯，說明泥沙的年內(nèi)波動將更加劇烈，這與三峽水庫蓄水運用、荊江三口斷流等因素有極大關(guān)系。

3 水沙變化影響因素

影響城陵磯水沙變化的因素多且其關(guān)系復雜，總體來說有氣候變化和人類活動等，如土地利用、水庫、河道裁彎工程等均可改變流域沖淤及水沙時空分布。洞庭湖流域廣闊，三口、四水以及區(qū)間來水來沙對城陵磯出湖徑流量、輸沙量的演變產(chǎn)生影響。

3.1 降水量變化

受亞熱帶季風氣候的影響，洞庭湖流域降水年際年內(nèi)變化大 （圖2），1970～2009年平均年降水量1 373 mm，總體比較穩(wěn)定，而在1999～2009年這一段時間內(nèi)年降水波動明顯，降水量呈現(xiàn)下降的趨勢，特別是2003～2009年，平均年降水量只有1 237 mm，較總體偏少9.9%，其變化與圖1徑流泥沙的年際變化趨勢基本一致。從圖2中可知，枯水期降水量比較穩(wěn)定，在500 mm上下波動不大，而豐水期降水波動幅度較大，最大值1 433 mm，最小值493 mm，且變化頻繁，2002年以后卻呈現(xiàn)穩(wěn)定的下降趨勢，這也直接影響年降水量的減少。由于降水量的60%以上集中在豐水期，特別是4～6月，且多為大雨和暴雨，形成徑流后攜帶大量懸移質(zhì)泥沙進入洞庭湖，影響城陵磯輸沙量的年內(nèi)變化。由前面分析可知，泥沙的年內(nèi)分配與降雨的年內(nèi)分配基本一致。由此可以認為降雨量的年內(nèi)年際變化是城陵磯徑流泥沙年內(nèi)年際變化的主要影響因子。

圖2 洞庭湖1970～2009年降水量年際年內(nèi)變化過程線

3.2 三峽水庫運行

三峽水庫運行初期蓄水位156 m，取得良好效果，2010年蓄水位達175 m，正式承擔綜合利用任務。三峽水庫的運行對長江流域各水系產(chǎn)生的影響是巨大的，洞庭湖是長江中游重要的吞吐型湖泊，三峽帶來的變化顯而易見。表2為三峽水庫運行后荊江三口汛入湖水量變化情況。

表2 三峽水庫運行后荊江三口汛期(4～9月)入湖水量變化 億m3

對徑流量而言，洞庭湖入湖徑流來源分為三部分，多年平均入湖徑流量四水占57.2%、三口占30.1%、區(qū)間占12.7%，三峽工程影響的是三口入湖徑流量。因為三峽自每年9月中旬開始進入蓄水階段，下泄量銳減，長江干流上游來水減少，水位降低，長江水無法進入洞庭湖，導致三口斷流時間提前、持續(xù)時間延長，入湖水量相應減少。個別站點甚至在汛期末即斷流，斷流時間持續(xù)大半年，如2006年康家崗站斷流336天，幾乎全年無水。這種表現(xiàn)在枯水期尤其明顯，此時洞庭湖湖口比降加大，受長江頂托作用減小，水位較長江高，城陵磯流向長江的流速加快，徑流加大，出流量相應增加。而每到汛期，三峽為防洪考慮騰空庫容，加上上游來水量大，庫區(qū)下泄洪量增加，干流水位上漲，三口入湖水量基本集中于汛期。表2說明三峽運行后三口入湖水量汛期占全年比重明顯上升，由76.5%上升到87.0%，距平值也大幅度下降，由-12.4%降為-33.5%，說明汛期三口入湖總水量較多年平均大副減少。對輸沙量而言，三峽的蓄水運用，使得占洞庭湖泥沙來源80.5%的三口入湖泥沙大幅度減少，三峽工程蓄水運用前，三口多年平均輸沙量為12 000萬t，而三峽工程蓄水運用后，2003～2008年三口平均年輸沙量降為1 352萬t，減少了10 600萬t。這也直接影響城陵磯輸沙量的年際變化（圖1）。

三峽工程蓄水使泥沙在庫區(qū)淤積，清水下泄，下游河道沖刷作用加強，河床下切，河道縱比降加大，荊江在三口的分水分沙比降低，入湖徑流輸沙量減少，影響到城陵磯出湖徑流泥沙的變化。由此可以判斷三峽水庫的蓄水運用是城陵磯出湖徑流泥沙減少的主要動因。

3.3 四水水庫運行

到2009年，四水流域建成的大中小型水庫13 000多座，其中大型水庫21座、總庫容266.29億m3，占四水多年平均徑流量的16%，控制面積161 897 km2，占四水流域總面積的70%。大型水利工程的建設(shè)運用，使四水流域入湖徑流量歷年一直比較穩(wěn)定，也未對城陵磯歷年出湖徑流產(chǎn)生深刻影響。而四水入湖泥沙卻呈現(xiàn)減少趨勢，根據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計，1989～1995年四水年均入湖沙量2 330萬t，1996～2002年減少到1 584萬 t，2003～2008年只有986萬t，可見水庫截留了大量泥沙，以及流域各種水土保持措施的貫徹實施，對于城陵磯出湖泥沙量的減少有一定的影響。所以可以認為水利工程和水土保持措施是四水流域入湖泥沙減少的主要原因。

4 結(jié) 論

（1）徑流、泥沙表現(xiàn)出水多沙多、水少沙少的特點，年際變化基本同步，都在2003年發(fā)生較明顯的變化，呈現(xiàn)減少趨勢：2003年以后徑流量減少了20.1%，輸沙量減少了31.3%，城陵磯站輸沙量的減少比徑流量減少的幅度更大、更明顯。

（2）徑流年內(nèi)變化趨于穩(wěn)定，汛期比重降低，枯水期比重上升，年內(nèi)分配各月趨于平均；泥沙的年內(nèi)變化加大，年內(nèi)分配各月差異較大。

（3）三峽水利工程的蓄水運用、四水流域興建的水利工程以及近幾年洞庭湖流域降水量的偏低，是城陵磯徑流量、輸沙量發(fā)生上述變化的主要原因。在2003年發(fā)生明顯突變，是由于三峽工程蓄水運用對洞庭湖影響巨大。

1 李義天，鄧金運，孫昭華，等.泥沙淤積與洞庭湖調(diào)蓄量變化[J].水利學報，2000，(12)：48-52.

2 李學山，王翠平.荊江與洞庭湖水沙關(guān)系演變及對城螺河段水情影響分析[J].人民長江，1997，28（8）：6-8.

3 徐貴，黃云仙，黎昔春，等.城陵磯洪水位抬高原因分析[J].水利學報，2004，（8）：33-37.

4 施修端，夏薇，楊彬.城陵磯站水沙及水位流量關(guān)系變化分析[J].人民長江，2000，31（3）：35-36，47.

5 段文忠，鄭亞慧，劉建軍.長江城陵磯-螺山河段水位抬高及原因分析[J].2001，（2）：29-34.