湘江下游水位變化趨勢與河床演變關(guān)系研究

閆世雄， 隆院男， 蔣昌波， 吳長山， 凌 尚

(1.長沙理工大學(xué) 水利工程學(xué)院， 湖南 長沙 410114；2.洞庭湖水環(huán)境治理與生態(tài)修復(fù)湖南省重點實驗室， 湖南 長沙 410114； 3.Wisconsin-Milwaukee大學(xué) 地理系， 威斯康星州密爾沃基 WI 53211；4.湖南省水利水電勘察設(shè)計研究總院， 湖南 長沙 410007)

1 研究背景

水位是河流生態(tài)系統(tǒng)中的一個重要指標(biāo)，其變化可能會影響到河流廊道生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能。河床演變即在自然因素和人為因素影響下的河床沖淤變化過程。河床形態(tài)改變，反過來引起水位的變化[1-3]。水位下降和河床沖刷是全世界范圍內(nèi)沖積河流受到上游水利水電工程影響的最顯著特征之一[4-5]。近年來，我國大中型河流上游修建梯級水庫和水利樞紐工程，同樣面臨下游河道水位下降和清水沖刷河床的問題[6-7]。

針對水位變化趨勢與河床演變的關(guān)系，國內(nèi)外學(xué)者分別從來水來沙[8]、河床沖刷[9-10]、懸移質(zhì)挾沙和推移質(zhì)輸沙[11-12]、橫縱剖面演變[13]及裁彎等河型變化[14]進(jìn)行研究。近年來，湘江流域枯水期水位持續(xù)下降，對湘江周邊人們的生活生產(chǎn)用水安全造成不利影響[15-16]。同時，針對湘江河道演變的研究，蔣昌波等[17]、隆院男等[18]通過分析江心洲的沖淤變化，發(fā)現(xiàn)河床演變已對湘江航道產(chǎn)生較大影響。

盡管已有學(xué)者分別對湘江水位變化和河道沖淤規(guī)律進(jìn)行分析，但針對水位變化與河床沖淤演變規(guī)律之間的關(guān)系，仍有待深入研究。本文基于湘江下游河段1990-2014年水沙數(shù)據(jù)、水位以及河道地形數(shù)據(jù)等資料，在對年際年內(nèi)以及最高水位、最低水位、同流量水位分析的基礎(chǔ)上，研究河道縱剖面以及典型斷面的河床演變規(guī)律，明確水位變化與河床演變之間的關(guān)系，進(jìn)一步闡述湘江下游人類活動特別是水利工程等對水位變化的影響，為湘江下游河道整治、航道安全運行和管理提供依據(jù)。

2 資料與方法

2.1 研究區(qū)概況及資料來源

研究區(qū)為湘江下游部分河段，上起湘潭站，下至營田站，該河段建有湘江長沙綜合樞紐，在防洪及航運方面發(fā)揮重要作用。收集湘江下游湘潭站實測水沙數(shù)據(jù)(1990-2014年)、長沙站、湘陰站和營田站實測水位數(shù)據(jù)( 1990-2014年)以及湘江下游河道1988、2008、2015年實測地形資料，研究湘江下游水位變化趨勢與河床演變關(guān)系。

2.2 分析方法

本文基于Mann-Kendall (M-K) 方法，結(jié)合長系列水沙數(shù)據(jù)分析湘江下游水文要素變化規(guī)律，M-K非參數(shù)秩次相關(guān)檢驗法可分析變量隨時間的變化趨勢，也可檢測時間序列中變量突變點并明確突變發(fā)生時間，在水文要素的時間序列分析中得到廣泛應(yīng)用[19-20]。

圖1 研究河段示意圖

3 結(jié)果分析與討論

3.1 湘江下游河道來水來沙變化分析

本文基于湘潭站實測水沙數(shù)據(jù)分析湘江下游河道來水來沙情況，圖2為1990-2014年湘潭站輸沙量與徑流量的年際變化過程以及平均年內(nèi)水沙變化過程。分析圖2可知，1990-2014年湘潭站年均徑流量為688.9×108m3, 年均輸沙量為627.9×104t。年徑流量變化幅度先增加后減小，年輸沙量變化總體呈下降的趨勢；4-9月為汛期，最高月均徑流量出現(xiàn)在5月，為116.28×108m3，最高輸沙量出現(xiàn)在6月，為263.54×104t；1-3月、10-12月為非汛期，最低月均徑流量為22.19×108m3，出現(xiàn)在12月，最低月均輸沙量為6.6×104t，出現(xiàn)在1月。汛期徑流總量占年總徑流量約70%，非汛期占約30%；汛期輸沙量占年輸沙總量約90%，非汛期占約10%[21]。

3.2 湘江下游水位變化分析

3.2.1 年際水位變化趨勢分析 圖3為長沙站、湘陰站和營田站水位年際變化過程以及M-K法突變檢驗。由圖3可知，1990-2014年，長沙站、湘陰站和營田站年均水位總體呈下降趨勢，于2011年下降到最低點，分別為26.62、24.69和24.42 m，2012年后有回升趨勢；1990-2014年間，長沙站水位先呈波動狀態(tài)后呈下降趨勢，UF和UB線交于2003年，未突破95%置信水平，發(fā)生不顯著突變；湘陰站水位處于持續(xù)下降狀態(tài)，UF和UB線相交于2001年，且突破95%置信水平，發(fā)生顯著突變；營田站水位在1990-2002年呈波動變化，2002年后呈下降趨勢，UF和UB線交于2003年，未達(dá)到95%的置信水平，表明營田站水位呈不顯著減少趨勢。結(jié)合上述結(jié)論以及湘江流域的實際情況(水利樞紐工程的建成與運行)，長沙站、湘陰站及營田站的水位變化可分為3個階段，分別為1990-2002年(三峽樞紐運行前)、2003-2011年(三峽樞紐運行后)和2012-2014年(湘江長沙綜合樞紐運行后)。

3.2.2 年內(nèi)水位變化趨勢分析 湘江下游年內(nèi)水位變化過程大致可分為3個水文季節(jié)：1-3月為枯水期、4-9月為豐水期、10-12月為平水期，圖4為長沙站、湘陰站和營田站分階段水位年內(nèi)變化。其中，長沙站枯水期3個階段的平均水位分別為28.3、26.93和27.44m，枯水期水位先下降后上升，說明湘江長沙樞紐的運行對樞紐以上河段具有枯水期保水的功能。

湘陰站及營田站枯水期3個階段的平均水位呈下降趨勢，且下降幅度逐階段增大，其中湘陰站第1階段平均水位為25.69 m，至第3階段為22.50 m，下降3.19 m；營田站的水位由第1階段25.38 m下降到第3階段22.30 m，下降3.08 m。

圖2 1990-2014年湘潭站徑流量與輸沙量的年際變化過程以及平均年內(nèi)水沙變化過程

圖3 長沙站、湘陰站和營田站水位年際變化過程以及M-K法突變檢驗

圖4 長沙站、湘陰站和營田站分階段水位年內(nèi)變化

近年來，湘江流域徑流量并無明顯下降趨勢，反而呈波動上升狀態(tài)，說明湘江流域枯水期水位下降主要受人類活動的影響。各站點3個階段豐水期和平水期的水位總體上呈現(xiàn)先下降后增加的趨勢，第3階段湘江長沙樞紐運行，可能對豐水期和平水期的水位具有一定的調(diào)蓄作用，使得呈增加趨勢。

3.2.3 汛期水位變化趨勢分析 采用年最高水位及汛期同流量下水位分析河段汛期水位變化趨勢。圖5(a)為1990-2014年長沙站、湘陰站和營田站最高水位的變化過程。由圖5(a)可看出，1990-1994年長沙站的最高水位呈上升趨勢，1995-2011年處于大幅度波動狀態(tài)。對比圖2(a)徑流量年際變化過程，可得長沙站最高水位變化趨勢與湘江下游來水變化趨勢基本相同，可能與氣候因素有關(guān)。2012-2014年，最高水位呈緩慢下降趨勢，說明汛期湘江長沙綜合樞紐的運行對樞紐上游站點水位有調(diào)蓄作用。汛期湘陰站和營田站最高水位變化趨勢基本上一致，1990-1994年最高水位持續(xù)下降，1995-2002年處于大幅度波動狀態(tài) ；2003-2011年最高水位繼續(xù)下降，波動幅度變小，說明三峽樞紐工程的運行對水位降低有一定影響；2012-2014年仍呈現(xiàn)波動狀態(tài)。

同流量水位升降反映河底平均高程變化，也能反映河床沖淤變化，即當(dāng)同流量水位下降時，河床發(fā)生沖刷[22]。圖5(b)為3 000 m3/s流量時3個站點水位變化趨勢，其中，湘陰站與營田站同流量下的水位變化趨勢基本一致，均呈現(xiàn)小幅波動，這與洞庭湖汛期回水頂托效應(yīng)有關(guān)。

3.2.4 枯水期水位變化趨勢分析 采用年最低水位及枯水期同流量下水位分析河段枯水期水位變化趨勢。

圖6(a)為1990-2014年長沙站、湘陰站和營田站最低水位的變化過程。由圖6(a)可知，1990-2003年枯水期長沙站最低水位處于波動狀態(tài)，2004-2011年水位逐漸下降并趨向平緩，2012-2014年水位直線上升，說明湘江長沙綜合樞紐對樞紐上游河段枯水期的保水作用明顯。枯水期湘陰站和營田站二者年際變化趨勢一致，2011年之前最低水位表現(xiàn)出較弱的波動變化，2011年之后兩站最低水位均出現(xiàn)明顯的下降趨勢。

圖5 最高水位變化趨勢以及3 000 m3/s流量下水位變化趨勢

圖6 最低水位變化趨勢以及800 m3/s流量下水位變化趨勢

圖6(b)為800 m3/s流量時3個站點水位變化趨勢。由圖6(b)可知，1995-2011年，同流量下水位基本呈下降趨勢，說明河床發(fā)生沖刷。1995-2011年，長沙站下降幅度為0.10 m，湘陰站下降0.23 m，營田站下降0.55 m，說明站點位置越靠近湖口，水位下降幅度越大。2012年后，枯水期同流量下，長沙站水位上升，而湘陰站與營田站水位下降，是由于湘江長沙綜合樞紐運行后，會攔蓄部分泥沙，導(dǎo)致樞紐下游輸沙量減少，清水下泄，使得湘陰站和營田站沖刷嚴(yán)重。長沙站水位每年上升約1.06 m，湘陰站下降約0.77 m，營田站下降約0.21 m。

3.3 湘江下游河床演變分析及對水位變化的影響

3.3.1 河道縱剖面變化 深泓線是河道斷面水深最大點的連線，可用來表征河道沖淤深度和河形擺動情況。選取湘江長沙綜合樞紐到濠河口段作為典型河段，圖7為該河段1983-2015年深泓高程變化情況。由圖7可看出，沿水流方向，1983-2015年河床高程變化總體呈先增大后減小的趨勢，河床有沖有淤，且以沖刷為主；1983-2008年，二圣寺灘至濠河口段深泓線呈交叉變化，河床沖淤也呈交替狀態(tài)，深泓最大淤深為3.1 m，最大的下切深度為3.7 m；2008-2015年，沿湘江長沙樞紐到濠河口，除了局部河段呈淤積狀態(tài)外，河床整體呈沖刷狀態(tài)，深泓最大淤深為2.6 m，最大下切深度為7.5 m。由高程變化圖可知，1983-2015年，銅關(guān)灘河段下切嚴(yán)重，下切深度達(dá)到15.7 m。

3.3.2 典型斷面變化 圖8為4個典型斷面(黃泥寺灘、魚尾灘、文經(jīng)灘和濠河口)1983、2008和2015年橫斷面變化圖。由圖8(a)～8(d)可知，河道地形變化主要有兩種形式：第一種為圖8(a)黃泥寺灘斷面和圖8(d)濠河口斷面，呈現(xiàn)明顯的橫向展寬。另一種為圖8(b)魚尾灘斷面和圖8(c)文經(jīng)灘斷面，呈現(xiàn)縱向大幅刷深。

1983-2008年，黃泥寺灘斷面右岸呈淤積狀態(tài)，左岸呈下切狀態(tài)；2008-2015年，橫斷面出現(xiàn)明顯的橫向展寬，這與自然狀態(tài)下的沖淤演變表現(xiàn)形式不同，其原因主要是河床的大規(guī)模采砂。1983-2008年，在起點距為2 000和2 500 m的位置，魚尾灘斷面出現(xiàn)2個將近9 m的洼地， 2015年整個斷面出現(xiàn)大范圍的鋸齒狀下切，明顯是由于人類活動導(dǎo)致的。1983-2008年，文經(jīng)灘斷面在起點距為3 200 m之前河道地形基本穩(wěn)定，3 200 m之后出現(xiàn)明顯的橫向展寬；2008-2015年文經(jīng)灘前半部分也出現(xiàn)明顯的鋸齒狀下切，后半部分橫向展寬逐漸減緩甚至出現(xiàn)回淤現(xiàn)象。1983-2015年，濠河口斷面整體呈下切趨勢。

綜上所述，湘江下游河道總體呈下切狀態(tài)，1983-2008年河道采砂等活動對河床影響最大，但由于人類活動在河床局部位置，且伴隨著淤積現(xiàn)象，河床過水?dāng)嗝婷娣e變化不大；2008-2015年河床下切嚴(yán)重，且呈大面積沖刷狀態(tài)，與大型水利樞紐的建立有關(guān)，清水下泄導(dǎo)致樞紐下游河道下切。

圖7 1983-2015年湘江長沙綜合樞紐-濠河口河段深泓變化

圖8 1983-2015年湘江下游4個典型斷面形狀變化

3.3.3 汛期水位變化的影響因素 圖9為湘江下游汛期輸沙量變化圖。從來水來沙的角度分析，1990-2002年，湘江下游汛期輸沙量呈現(xiàn)大幅降-升-降-升的變化過程，2003-2014年,降-升過程幅度逐漸減小，整體來說，汛期輸沙量呈下降趨勢，與圖5(a)湘陰站和營田站最高水位的變化趨勢一致。2011年前，最高水位變化趨勢與上游徑流變化趨勢基本一致，2012年后，受長沙樞紐運行的影響，最高水位有所下降。從河道演變的角度分析，河床沖刷嚴(yán)重，導(dǎo)致汛期最高水位呈下降趨勢，長沙站、湘陰站和營田站在2011年之前，均符合此規(guī)律。而2012年后湘陰站和營田站最高水位有小幅度的提高，引起最高水位變化的因素有：當(dāng)?shù)亟邓?、上游來水等，且每年最高水位的出現(xiàn)，是由于某一因素影響或是幾個因素的共同影響[23]。

根據(jù)張歡[24]對長沙站降雨的年變化分析，長沙站在2011年發(fā)生不顯著突變，且降雨量呈上升趨勢。湘陰站和營田站2012年后出現(xiàn)的小幅抬升可能與降雨有關(guān)，同時，長沙樞紐運行中對汛期洪峰的調(diào)蓄也會影響下游湘陰站和營田站的最高水位。

3.3.4 枯水期水位變化的影響因素 根據(jù)河床沖淤變化和水文情勢發(fā)展規(guī)律，導(dǎo)致河道水位下降的原因主要有2個：(1)河道上游來流量減少；(2)河床下切。根據(jù)前文分析結(jié)論，近年來湘江下游河段徑流量沒有出現(xiàn)明顯減少，還略有增大的趨勢，可以判斷湘江下游枯水期徑流量變化對最低水位的影響不大。由湘江下游河床演變分析結(jié)論可知，河床整體呈下降趨勢，下切幅度在10～24 m之間，下切趨勢非常明顯?？梢姡哟舱w下切使得河道過水?dāng)嗝嬖龃蟛攀菍?dǎo)致水位下降的主要原因。根據(jù)枯水期流量800 m3/s下水位分析可知，河床的自然沖淤變化呈現(xiàn)為沖刷狀態(tài)，湘江下游河床近年來一直呈下切趨勢且呈不規(guī)則鋸齒狀，主要是受采砂及水利樞紐運行等人類活動影響。

圖91990-2015年湘江下游汛期輸沙量變化 圖101990-2015年洞庭湖泥沙淤積情況

由圖6(a)最低水位變化情況分析，2003年前，湘江下游最低水位呈現(xiàn)波動狀態(tài)；2003年后，三峽水庫的運行使得洞庭湖來水量減少，洞庭湖對湘江的水位頂托作用減弱，導(dǎo)致湘江靠近洞庭湖區(qū)的河段枯水期水位下降[25-26]。

圖10為洞庭湖1990-2015年泥沙沖淤情況。由圖10可看出，1990-2006年洞庭湖湖區(qū)泥沙呈淤積狀態(tài)，2007-2015年為沖刷趨勢，與圖6(b)湘江同流量下水位變化趨勢基本一致，湘陰站、營田站于2007年后，均持續(xù)保持沖刷狀態(tài)。2012年后，最低水位仍呈下降趨勢，河床發(fā)生沖刷。2012年湘江長沙綜合樞紐的運行，擋住了部分泥沙，使得輸沙量占比減小，枯水期的泥沙含量更低，從而形成清水下切，枯水期水位下降明顯。

4 結(jié) 論

(1)1990-2014年，湘江下游河段水位下降明顯，且湘陰站水位于2001年發(fā)生顯著性突變，長沙站、營田站水位于2003年發(fā)生不顯著性突變?？菟谒恢痣A段下降，且下降幅度大。長沙站、湘陰站和營田站汛期的最高水位總體上呈緩慢下降趨勢。在相同流量3 000 m3/s時水位變化不明顯。在枯水期，長沙站最低水位先呈波動變化后直線上升，而湘陰站、營田站最低水位先呈波動變化后持續(xù)下降。在相同流量800 m3/s時， 2011年前3個站點的水位呈下降趨勢，且越靠近湖口站點下降幅度越大，這與河床下切有關(guān)，2012年后長沙站水位呈上升趨勢。湘陰站和營田站受到清水下泄的影響，河床發(fā)生沖刷。

(2)湘江下游河段河床下切嚴(yán)重，其中銅關(guān)灘下切深度達(dá)到15.7 m。黃泥寺灘斷面和濠河口斷面呈現(xiàn)明顯的橫向展寬，魚尾灘斷面和文經(jīng)灘斷面為縱向上大幅刷深。河道總體呈下切狀態(tài)，且逐年沖刷力度增大。

(3)2011年前湘江下游河段汛期水位的變化，主要與來水來沙以及河床演變有關(guān)，而2012年后，降雨等因素對最高水位的變化影響大?？菟谒幌陆蹬c湘江長沙樞紐的運行和人類無序采砂等密切相關(guān)。而且，三峽水庫蓄水導(dǎo)致洞庭湖來水量下降，湘江匯入洞庭湖河段水位頂托作用減弱，也是水位下降的一個重要原因。