三峽水庫(kù)蓄水后湘江長(zhǎng)沙段低水位變化規(guī)律研究

許足懷，陳長(zhǎng)英，張幸農(nóng)，葛 瑤

(1. 湖南省水運(yùn)管理局，湖南長(zhǎng)沙 410076； 2. 南京水利科學(xué)研究院，江蘇南京 210029)

湘江株洲以下河段處于湘江尾閭(圖1)，受湘江來(lái)水、長(zhǎng)江來(lái)水以及洞庭湖區(qū)頂托多重影響，該河段水文特征與一般的天然河流有較大區(qū)別[1]。自2003年三峽水庫(kù)蓄水以來(lái)，湘江流域一直處于枯水周期，降雨量總體偏少，長(zhǎng)沙河段連續(xù)9年出現(xiàn)26 m以下低水位，并且不斷刷新歷史最低值。為了解決日益嚴(yán)重的干旱問(wèn)題，國(guó)家防總采取緊急調(diào)度措施，三峽水庫(kù)3次加大下泄流量[2]，受三峽水庫(kù)持續(xù)加大下泄的影響，洞庭湖城陵磯水位上漲明顯，但湘江干流的水位仍連創(chuàng)新低。

本文主要根據(jù)近20年來(lái)的水文資料，從不同方面對(duì)湘江下游長(zhǎng)沙段水位變化特征以及與城陵磯站水位的相關(guān)關(guān)系進(jìn)行研究，以期為深入研究三峽水庫(kù)蓄水后湘江河湖兩相河段水位變化特征和三峽水庫(kù)的運(yùn)行調(diào)度奠定基礎(chǔ)。

圖1 湘江下游河勢(shì)Fig.1 Downstream regime of the Xiangjiang River

1 河道自然條件

湘江是長(zhǎng)江一級(jí)支流，也是洞庭湖水系最大支流[3]，發(fā)源于廣西臨桂縣海洋坪的龍門(mén)界[4-5]，流經(jīng)永州、衡陽(yáng)、株洲、湘潭、長(zhǎng)沙至湘陰的濠河口注入洞庭湖，與資、沅、澧水相匯，沿東洞庭湖湘江洪道經(jīng)岳陽(yáng)至城陵磯入長(zhǎng)江。近年來(lái)習(xí)慣將濠河口至城陵磯113 km湘江洪道歸于湘江干流[6-7]，則湘江全長(zhǎng)969 km。湘江干流在零陵縣蘋(píng)島以上為上游，長(zhǎng)252 km，河床平均比降0.607‰；蘋(píng)島至衡陽(yáng)市為中游，長(zhǎng)278 km，河床平均比降0.129‰；衡陽(yáng)以下為下游，至城陵磯長(zhǎng)439 km，平均坡降0.082 4‰。湘江干流按9個(gè)梯級(jí)規(guī)劃進(jìn)行開(kāi)發(fā)，下游4個(gè)梯級(jí)依次為土谷塘、大源渡、株洲及長(zhǎng)沙樞紐[8-9]，其中大源渡、株洲樞紐分別于2000年、2006年建成，長(zhǎng)沙樞紐已于2009年底開(kāi)工，計(jì)劃2015年底竣工，土谷塘樞紐于2012年開(kāi)工，2016年竣工。

湘江水量充沛，流域內(nèi)多年平均降水量一般為1 300～1 500 mm，徑流與降水關(guān)系極為密切，年際變化大，年內(nèi)分布不均。湘潭水文站多年平均流量為2 110 m3/s，最大流量20 600 m3/s，最小流量100 m3/s。每年4—9月為汛期，10月至次年3月為枯水期。年內(nèi)水位變幅較大，達(dá)9.5～13 m。湘江是少沙河流，湘潭水文站多年平均懸移質(zhì)含沙量為0.16 kg/m3。

湘江下游長(zhǎng)沙以下河段為沙性土，近年來(lái)河床變化見(jiàn)圖2。從湘江下游魚(yú)尾灘和營(yíng)田灘典型斷面歷年變化圖可見(jiàn)，總體變化以河床下切為主，局部區(qū)域出現(xiàn)大幅度下切，如魚(yú)尾灘斷面出現(xiàn)2個(gè)深槽，主槽向右側(cè)移動(dòng)，最大下切處達(dá)17 m，主槽左側(cè)出現(xiàn)了1個(gè)二級(jí)深槽，最大下切處達(dá)10 m；2008年?duì)I田灘段面主槽靠近右側(cè)，左側(cè)為灘地，2011年右側(cè)河床沖刷不大，左側(cè)邊灘下切形成深槽，最大下切達(dá)11 m，出現(xiàn)灘槽易位的現(xiàn)象。湘江上樞紐建成運(yùn)行會(huì)使壩下河床形成一定沖刷，但斷面局部區(qū)域出現(xiàn)驟然大幅下切的現(xiàn)象，主要受人為采沙影響。由于城區(qū)開(kāi)發(fā)建設(shè)，沙石用量大量增加，僅湘江河段長(zhǎng)沙段年采沙量達(dá)1 500 萬(wàn)t[4]。因此，湘江下游長(zhǎng)沙以下河段受人為采沙以及湘江上樞紐建成運(yùn)行影響，河床以大幅度下切為主。

(a) 魚(yú)尾灘 (b) 營(yíng)田灘圖2 湘江下游典型斷面變化Fig.2 Cross-section of the Xiangjiang River in different years

2 水位流量關(guān)系

圖3 湘江下游水位流量過(guò)程Fig.3 Stage-discharge hydrograph of the Xiangjiang River

洞庭湖區(qū)湘江航道水文特征與一般的天然河流有較大區(qū)別。受湘江來(lái)水、長(zhǎng)江來(lái)水以及洞庭湖區(qū)頂托多重影響，且洪季、枯季影響程度有很大差別(圖3)。長(zhǎng)江枯季時(shí)，洞庭湖區(qū)湘江航道水位過(guò)程與湘江湘潭站流量過(guò)程走勢(shì)基本一致，說(shuō)明枯季時(shí)湖區(qū)湘江航道水位主要與湘江來(lái)水相呼應(yīng)；洪季時(shí)，受長(zhǎng)江來(lái)水頂托影響，洞庭湖湖區(qū)處于高水位，湘江株洲以下河道具有明顯滯流現(xiàn)象，水面比降平緩，湘江下游各站水位主要與長(zhǎng)江來(lái)水過(guò)程相呼應(yīng)，而與湘江來(lái)水相關(guān)性很差或者基本不相關(guān)。

從湘江下游湘潭站水位流量關(guān)系變化規(guī)律看，同流量下水位呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，枯水期水位下降較汛期明顯。株洲至濠河口段受湘江上樞紐修建運(yùn)行以及近年來(lái)大規(guī)模人工采沙的影響，河床大幅下切，枯水期同流量下水位下降嚴(yán)重。汛期時(shí)，受長(zhǎng)江頂托的影響，洞庭湖水位抬高，汛期同一流量下水位的變化對(duì)河床變化情況的反應(yīng)相對(duì)較弱，因此，汛期同流量下水位下降不及枯水期明顯。

3 月均水位變化規(guī)律

隨著湘江下游大源渡、株洲樞紐的建成運(yùn)用，湘江株洲以下河段河道徑流的年內(nèi)分配發(fā)生變化，并且湘江出口城陵磯水位受三峽水庫(kù)的調(diào)蓄作用影響[10-12]，使得長(zhǎng)沙段的月均水位變化特征非常復(fù)雜，見(jiàn)圖4。

(a) 城陵磯站

(b) 長(zhǎng) 沙 站圖4 城陵磯站和長(zhǎng)沙站月均水位變化規(guī)律Fig.4 Variation of monthly mean water level in Chenglingji and Changsha stations

從城陵磯月均水位變化特征看，三峽水庫(kù)蓄水前后枯季月均水位變化較小，蓄水后1—3月月均水位略呈抬高趨勢(shì)，4—6月，11—12月無(wú)明顯變化，汛期月均水位變化明顯，三峽水庫(kù)蓄水前年際間沒(méi)有明顯的變化規(guī)律，三峽水庫(kù)蓄水后7—10月月均水位呈明顯降低趨勢(shì)。從長(zhǎng)沙站月均水位變化特征看，三峽水庫(kù)蓄水前后月均水位變化規(guī)律一致，總體呈降低趨勢(shì)，其中1—4月月均水位下降明顯，5—6月月均水位下降趨緩，7—10月起月均水位下降加劇，11—12月月均水位下降趨緩。總體上，長(zhǎng)沙站汛期月均水位下降較枯水期明顯。

長(zhǎng)沙站月均水位汛期下降與枯水期下降形成原因不盡相同，枯水期月均水位下降主要是由近年來(lái)河床地形下切引起，而汛期月均水位大幅度下降主要與湘江長(zhǎng)沙上游樞紐以及長(zhǎng)江三峽水庫(kù)的影響，湘江長(zhǎng)沙上游樞紐的運(yùn)行減小了汛期來(lái)流量，而三峽水庫(kù)運(yùn)行使城陵磯汛期水位大幅度下降，在上游來(lái)流量減小和湘江出口水位降低共同作用下，使得長(zhǎng)沙站汛期月均水位大幅度下降。

4 最低水位變化規(guī)律

自2003年三峽水庫(kù)蓄水以來(lái)，湘江流域一直處于枯水周期，長(zhǎng)沙站不斷刷新歷史最低值。為深入分析長(zhǎng)沙站歷年最低水位變化規(guī)律以及與城陵磯站水文條件的關(guān)系，統(tǒng)計(jì)了長(zhǎng)沙站和城陵磯站歷年最低水位以及長(zhǎng)沙站出現(xiàn)最低水位時(shí)相關(guān)的水文情勢(shì)(表1)。

表1 長(zhǎng)沙站年最低水位以及相關(guān)水文情勢(shì)統(tǒng)計(jì)Tab.1 Hydrological regime of the Xiangjiang River at the lowest water level

從表1可見(jiàn)，長(zhǎng)沙站和城陵磯站歷年最低水位均出現(xiàn)在枯水期，這與三峽水庫(kù)蓄水前后最低水位變化規(guī)律一致。其中湖區(qū)出口城陵磯站最低水位略呈抬高趨勢(shì)；而長(zhǎng)沙站最低水位呈下降趨勢(shì)，尤其是2003年后，歷年最低水位均在25.5 m以下，2009—2011年長(zhǎng)沙站最低水位甚至低于25 m，一再創(chuàng)下新低。

從長(zhǎng)沙站年最低水位出現(xiàn)時(shí)相關(guān)水文情勢(shì)看，僅2002年和2012年長(zhǎng)沙站和城陵磯站最低水位出現(xiàn)時(shí)間基本一致，而長(zhǎng)沙站最低水位與湘潭站最小流量出現(xiàn)時(shí)間有65%一致。當(dāng)湘潭站年最小流量遭遇城陵磯站水位低于23.0 m時(shí)，長(zhǎng)沙站出現(xiàn)年最低水位；當(dāng)湘潭站年最小流量遭遇城陵磯水位高于23.0 m時(shí)，受洞庭湖區(qū)水位頂托的影響，長(zhǎng)沙站不會(huì)出現(xiàn)年最低水位。說(shuō)明長(zhǎng)沙站最低水位主要受上游湘潭站來(lái)流控制，但也受城陵磯水位的影響。

三峽水庫(kù)蓄水后城陵磯站最低水位和枯季水位均略呈抬高趨勢(shì)，在相同河床以及湘潭來(lái)流條件下，其水位抬高對(duì)緩解長(zhǎng)沙段的旱情是有利的，而不會(huì)降低長(zhǎng)沙站的水位。因此，三峽水庫(kù)蓄水以來(lái)，長(zhǎng)沙站水位連創(chuàng)新低與三峽水庫(kù)蓄水運(yùn)行無(wú)直接關(guān)系，湘江干流樞紐運(yùn)行以及長(zhǎng)沙段人為采沙引起河床下切才是長(zhǎng)沙站最低水位連創(chuàng)新低的主要原因。

5 結(jié) 語(yǔ)

(1)湘江株洲以下河段處于湘江尾閭，受湘江來(lái)水、長(zhǎng)江來(lái)水以及洞庭湖區(qū)水位頂托多重影響，洞庭湖區(qū)湘江航道水文特征與一般的天然河流有較大區(qū)別?？菁竞^(qū)湘江航道水位主要與湘江來(lái)水相呼應(yīng)，洪季洞庭湖區(qū)湘江航道具有明顯滯流現(xiàn)象，水面比降平緩，水位過(guò)程形態(tài)主要與長(zhǎng)江來(lái)水過(guò)程相呼應(yīng)。

(2)三峽水庫(kù)蓄水后，城陵磯枯季月均水位略呈抬高趨勢(shì)，洪季月均水位呈明顯降低趨勢(shì)。長(zhǎng)沙站洪枯季均呈降低趨勢(shì)，枯季月均水位下降主要是由河床地形下切引起，而洪季月均水位下降則主要與湘江長(zhǎng)沙上游樞紐以及長(zhǎng)江三峽水庫(kù)蓄水運(yùn)行有關(guān)。

(3)三峽水庫(kù)蓄水后城陵磯站最低水位和枯季水位均略呈抬高趨勢(shì)，湖區(qū)出口水位抬高有利于緩解長(zhǎng)沙段的旱情。因此，三峽水庫(kù)蓄水以來(lái)，長(zhǎng)沙站水位連創(chuàng)新低與三峽水庫(kù)蓄水運(yùn)行無(wú)直接關(guān)系，湘江干流樞紐運(yùn)行以及長(zhǎng)沙段人為采沙引起河床下切才是長(zhǎng)沙站最低水位連創(chuàng)新低的主要原因。

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