荊江三口分流變化貢獻率及其對三峽水庫調度響應

陳莫非，要 威，李義天，孫昭華，巴宇奇

(1.長江勘測規(guī)劃設計研究有限責任公司，武漢 430010；2.武漢大學 水資源與水電工程國家重點實驗室，武漢 430072；3.青海省引大濟湟工程建設管理局，西寧 810000)

0 引 言

長江水沙通過松滋口、太平口、藕池口分泄進入洞庭湖，江湖關系十分復雜[1,2]。水交換是河湖關系演變的核心和載體[3-5]，荊江三口分流變化與河湖系統(tǒng)的洪澇災害防治、水資源利用、生態(tài)環(huán)境保護息息相關。三口分流變化及其驅動機制一直都是科學界的熱點問題[6-8]。

20世紀50-90年代，伴隨調弦口建閘、下荊江裁彎、葛洲壩修建等大型水利工程的運行，長江干流沖刷加劇，三口分流洪道淤積，江湖關系發(fā)生了多次調整[9, 10]。三口分流比由1956-1966年的29%減小至1999-2002年的14%[11]，湖區(qū)斷流天數(shù)增加，干流洪量增大[12]。三峽水庫于2003年蓄水，水文過程展現(xiàn)出明顯的削峰補枯的特點。近期長江流域干旱問題日益突顯，特別是2006與2011年，洞庭湖發(fā)生了極端干旱事件，三口分流再次成為社會關注熱點。已有研究指出，2003-2008年，三口年均分流比相較蓄水前減少2.33%，湖區(qū)汛期水量較多年平均值減少20.2%[13]。受氣候影響，2006年長江汛期流量較往年偏低20%～30%，洞庭湖一度成為“草原”[14, 15]。朱玲玲[16]指出三口分流趨勢性調整多由重大人類活動和特大洪水年誘發(fā)，三峽水庫對三口分流的影響主要體現(xiàn)在年內流量的重新分配上。李景保[17, 18]研究了江湖水位與三口分流能力關系，并利用1951-2010年水文數(shù)據(jù)分析了洪、中、枯不同典型年三口分流量的差異。還有許多學者通過數(shù)學模型對江湖關系調整趨勢進行了模擬預測[19, 20]。已有研究重點關注水庫運行前后分流比變化及其驅動因素[21, 22]，并取得了豐碩的成果[23-26]。然而，三峽水庫運行以來，尤其是2009年優(yōu)化調度后，汛期削峰、汛后蓄水以及枯期補水方案的調整，使三口分流量在年內不同季節(jié)發(fā)生了較大變化。加上湖南四水和三口分流在汛枯時機存在一定錯位，洞庭湖區(qū)汛期防洪及枯期干旱問題仍然十分嚴重。因此，分析水庫運行后，三口分流量在年內不同月份的變化，并系統(tǒng)研究天然來流、河床沖刷、水庫調蓄等各單一因子在三口分流變化過程中的貢獻率具有重要意義。本文基于大量實測數(shù)據(jù)，定量分析水庫運行各階段三口分流過程變化，綜合評估各單一因子在分流變化過程中的貢獻率?？蓪﹂L江洞庭湖關系調整及流域規(guī)劃治理提供技術支持。

1 研究區(qū)域

長江全長約6 300 km，干流枝城至城陵磯河段稱為荊江，以藕池口為界，分為上下荊江，荊江歷史上曾發(fā)生兩次自然裁彎及一次人工裁彎。上荊江由松滋口、太平口分流入洞庭湖，下荊江由藕池口分流入洞庭湖。洞庭湖是中國第二大淡水湖，坐落于湖南省，地處北緯28°～30°，東經(jīng)110°～113°之間。湘江、資水、沅江、澧水與三口分泄的長江水沙，經(jīng)調蓄后于城陵磯附近再次注入長江(圖1)?？梢娗G江三口是連接長江與洞庭湖的紐帶，三口分流可表征江湖水交換能力。

圖1 本文研究區(qū)域Fig.1 The study area

2 研究數(shù)據(jù)及研究方法

2.1 研究數(shù)據(jù)

本文水文資料來源于長江水利委員會與長江三峽集團公司，包括枝城站、新江口、沙道觀、彌陀寺、康家崗、管家鋪、三峽水庫入庫與出庫月均流量。其中新江口及沙道觀代表松滋口，彌陀寺代表太平口，康家崗及管家鋪代表藕池口。松滋口、太平口、藕池口俗稱荊江三口。

根據(jù)已有研究，三口分流趨勢性變化往往由重大人類活動與特大洪水引起[27]，1956-1966年荊江三口分流比基本穩(wěn)定在29.5%左右；在1967-1972年下荊江發(fā)生系統(tǒng)裁彎期間，河床沖刷、三口分流比減??；裁彎后的1973-1980年，荊江河床繼續(xù)大幅沖刷，三口分流能力衰減速度有所加大；1981年葛洲壩水利樞紐修建后，三口分流比繼續(xù)減小，但衰減速率有所減緩直到1999-2002年三口分流比衰減速率大幅降低，僅由1981-1998年的15.74%下降至14.04%，相對穩(wěn)定(圖2)。故在研究水庫運行后2003-2008年、2009-2015年三口分流量變化時，均以1999-2002年作為基準。

圖2 歷年三口分流量與分流比變化Fig.2 Runoff and flow diversion ratio of the three outlets

2.2 研究方法

天然來流差異(NF)與水庫運行(HA)都會對三口分流能力產生影響，其中水庫運行(HA)主要包括水庫對徑流過程的調蓄作用(TGPO)及對泥沙的攔截作用(RLR)。實測資料與已有研究均表明[16, 21]，三口分流比與枝城流量具有良好的相關關系(圖3)。

圖3 三口分流比與枝城流量相關關系Fig.3 Correlation between diversion ratio and flow of Zhicheng Station

經(jīng)過統(tǒng)計，可以通過冪函數(shù)與正二次多項式模型對“三口分流流量～枝城流量”相關關系進行擬合。

1999-2002年：

(1)

2003-2008年：

(2)

2009-2015年：

(3)

式中：q為枝城流量，f(q)為通過對應時段相關關系推求的三口分流流量。

在枝城流量相同的情況下，三口分流能力主要由河床與分流洪道的相對高程決定[28]。而水庫修建攔蓄大量泥沙，壩下游發(fā)生長歷時、大范圍沖刷。

ΔQRLR=∑[fpost(qz)-fpre(qz)]

(4)

式中：ΔQRLR代表水庫攔沙造成的分流量變化；qz代表蓄水后枝城月均流量過程。

(5)

(6)

式中：qin為三峽水庫入庫流量，qout為三峽水庫出庫流量。通過公式(6)，即可研究年內水庫調度的不同時期，對分流量影響的整個過程。

ΔQall=Qpost-Qpre

(7)

式中：ΔQall為蓄水前后不同時段的年均分流總量差值。

因此，

ΔQHA=ΔQRLR+ΔRTGPO

(8)

ΔQNF=ΔQall-ΔQHA

(9)

γQRLR=ΔQRLR/ΔQall×100%

(10)

γQTGPO=ΔQTGPO/ΔQall×100%

(11)

γQNF=ΔQNF/ΔQall×100%

(12)

通過公式(4)～(9)，可計算出不同調度方式下水庫攔沙、水庫調蓄以及天然來流差異對三口分流量的影響，公式(10)～(12)可計算各單一影響因子在三口分流量變化過程中所占貢獻率。

3 結果分析

3.1 水庫調蓄對洞庭湖分流過程的影響

三峽水庫運行初期(2003-2008年)，水庫調節(jié)對年內徑流過程的“坦化”效應相對較弱(圖4)。優(yōu)化調度后(2009-2015年)，年內流量過程變化顯著。將實測與還原的枝城月均流量分別代入公式(5)、(6)，可得到水庫調蓄對整個分流過程的改變。

圖4 枝城站月均流量實測值與還原值對比Fig.4 Monthly averaged values for measured and reduced flow at Zhicheng station

3.1.1 汛期削峰調度

三峽水庫自進入175 m試驗性蓄水期以來，陸續(xù)開展削峰調度試驗。受氣候影響，2010年三峽水庫迎來運行后的首次大洪水，7月20日，瞬時入庫流量高達70 000 m3/s。通過汛期的7次調度，最終成功將出庫流量限制在40 000 m3/s以內，削峰流量最高達到30 000 m3/s。由于采取峰前預泄和峰后加大下泄流量的方式，因此6-8月總水量基本保持相對平衡，水庫調度后6月份和8月份的流量較還原值略偏大，7月份偏小，說明實際削峰調度基本發(fā)生在7月份。汛期不同調度方式三口分流量變化計算結果如表1。計算結果表明，由于7月份三峽水庫攔蓄洪峰，該時段三口分流量也有所減少。受三峽水庫影響，2003-2008年，三口分流量在汛期年均減少2.23 億m3；2009-2015年，三口分流量在汛期年均減少4.81 億m3。

3.1.2 汛后蓄水期蓄水

為了確保汛后三峽水庫能夠順利達成175 m蓄滿的目標。

表1 汛期削峰調度對三口分流的影響Tab.1 Influence of reservoir operation in flood season on the runoff of the three outlets

根據(jù)2008-2009年的調度實踐經(jīng)驗，三峽水庫將汛后的起蓄時間調整至每年9月10日，從而達到利用汛后洪水資源的效果。起蓄時間的提前與起蓄水位的提高，致使蓄水期出庫流量顯著減小，沿程各水文站均受到影響。

9～11月實測流量與還原流量相比顯著減小，分入洞庭湖水量也隨之變化(見表2)。從計算結果可以看出，在2003-2008年期間，三峽水庫按照139 m或156 m蓄水運行(2008年175 m試驗性蓄水)，因此，受三峽水庫影響，三口分流量在汛后蓄水期年均減少10.52 億m3；2009-2015年，三峽水庫均按照175 m蓄水運行，該時期三口分流量減少更多，年均減少35.45 億m3。

表2 汛后蓄水對三口分流的影響Tab.2 Influence of reservoir operation after flood season on the runoff of the three outlets

3.1.3 消落期補水調度

為了滿足下游通航及用水需求，三峽水庫于每年12月至次年5月對下游水量進行補償。因此，枝城站的流量還原值均比實測值要偏小，與實際情況相符。通過對比發(fā)現(xiàn)，12-4月，荊江三口(新江口除外)的通流臨界流量遠高于長江干流流量，三峽水庫枯期所補充的水量并不足以使其從斷流狀態(tài)轉變?yōu)橥鳡顟B(tài)，因此三口分流量增大并不明顯(見表3)。

表3 消落期補水調度對三口分流的影響Tab.3 Influence of reservoir operation in dry season on the runoff of the three outlets

每年5月，三峽水庫往往增大下泄流量，以盡快騰空庫容以應對將要到來的洪水，并盡可能排除水庫淤積的泥沙。該措施致使水庫調度后的枝城站5月份流量較還原值偏大1 000 m3/s以上，加上該時期干流流量都在11 000 m3/s以上，超過了三口開始通流的臨界流量，因此2009-2015年5月分流量實測值較還原值多分流5.88 億m3。各站斷流時相應枝城流量變化見表4。

3.2 分流量變化貢獻率計算

三峽水庫運行后，水庫攔截大量泥沙，壩下游中枯水河槽發(fā)生劇烈沖刷。枝城同流量下水位不斷下降。從2003-2015年，15 000 m3/s的條件下，枝城水位已經(jīng)下降了1.09 m。而上述變化最直接的影響則是同流量下三口分流比發(fā)生了變化(表5)。

表4 各站斷流時相應枝城流量變化 m3/s

表5 枝城站同流量水位變化 m

注：“-”表示降低。

將蓄水后枝城實測流量過程代入公式(1)～(4)，定量計算得到運行初期及175 m蓄水后，由于河床下切引起的分流量減少分別為17與23 億m3。

水庫運行HA對三口分流量的影響，既包含水庫對徑流過程的調蓄作用TGPO，也包括對泥沙的攔截作用RLR對江湖分流能力產生影響。利用公式(7)～(12)，即可定量計算江湖系統(tǒng)中不同因素各自在分流量變化過程中所占貢獻率(表6)。

表6 三口分流變化不同影響因素貢獻率計算Tab.6 The contribution rate of various factors that impact three outlets diversion

計算結果表明，三峽水庫蓄水后，江湖分流量減少，最主要原因是三峽水庫運行以來，天然來水量遠小于蓄水前，枝城站2003-2008年與2009-2015年平均徑流量分別為4 064、4 128 億m3，遠低于水庫運行前的4 453 億m3。與之對應，NF所占比重分別為76.19%與66.05%。而水庫自2009年優(yōu)化調度后，由于調度方式的大幅調整，水庫調蓄影響所占比重有所增加，由運行初期的10.32%增高至19.75%，說明175 m蓄水對三口分流量的減少產生了一定的影響。水庫攔沙影響所占比重基本保持穩(wěn)定，僅由13.49%變?yōu)?4.20%。

4 結 語

利用三峽工程運行以來的實測水文數(shù)據(jù)，采用對比分析及流量還原等方法，分析了三峽水庫運行后，全年不同季節(jié)分流量的改變過程，在此基礎上，定量計算了各單一影響因子在分流變化過程中的貢獻率。得到以下結論。

(1)天然來流差異是造成三口分流量變化的最主要原因，其貢獻率高達60%以上。近年來三口分流量減少，主要就是因為近期長江流域處于偏枯水年份。

(2)三峽水庫調蓄改變了三口分流的年內過程，其中汛后蓄水期對分流量的減少最為顯著。2009年后由于蓄水時間的提前與起蓄水位的抬高，水庫調度造成的分流量變化貢獻率由10.32%(2003-2008年)上升至19.75%(2009-2015年)。汛后蓄水將增加三口洪道斷流天數(shù)，對居民及生產用水產生了一定影響。

(3)三峽水庫自2003年運行后，壩下游河道枯水河槽大量沖刷，枝城站中枯水流量水位降幅明顯。河床沖刷在三口分流變化中的貢獻率為13.49%(2003-2008年)與14.20%(2009-2015年)。

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