三峽水庫調(diào)蓄作用下荊江三口逆流現(xiàn)象成因解析

馮寶飛 牛文靜 許第兵 鄒振華 陳力

摘要：荊江三口是長江干流分流至洞庭湖以減輕荊江河段防洪壓力的重要洪道。2017年長江1號洪水期間，荊江三口出現(xiàn)歷史罕見的江湖逆流現(xiàn)象。為探明三口逆流現(xiàn)象成因并揭示其在江湖防洪中的作用，基于大量原始數(shù)據(jù)，對比分析了近60 a來尤其是三峽水庫蓄水以來主要洪水期間的分流情況，并通過分析2017年三口逆流期間主要口門控制站的來水情況、水位演進過程、洪道沿程比降及同期三峽水庫調(diào)蓄操作，明確了發(fā)生三口逆流的充要條件。研究成果能夠為科學(xué)調(diào)度長江中上游水庫群、有效緩解洞庭湖區(qū)的防洪壓力提供有益借鑒。

關(guān) 鍵 詞：逆流現(xiàn)象; 負流量; 荊江三口; 三峽水庫

長江枝城至城陵磯河段通稱荊江，長約347 km，中部以藕池口為界分為上荊江和下荊江。荊江地處長江沖積平原河流的上段，河道多彎，行洪不暢，超額洪水經(jīng)年沖刷，在其南岸形成分流入洞庭湖的松滋河、虎渡河、藕池河和調(diào)弦河[1-2]，四河分流口分別為松滋口、太平口、藕池口和調(diào)弦口[3-4]，自1959年調(diào)弦口建閘封堵后，形成荊江三口洪道[5]。長江干流的水沙經(jīng)三口洪道分入洞庭湖后納入湖南四水，再經(jīng)由城陵磯匯入長江干流，江湖關(guān)系頗為復(fù)雜。荊江三口河網(wǎng)及控制站分布情況如表1和圖1所示。

荊江三口洪道的演進情況歷來由各分流口控制站及監(jiān)測斷面進行觀測，控制站主要包括新江口、沙道觀、彌陀寺、康家崗和管家鋪，監(jiān)測斷面主要包括陳家灣、太平口、新廠[1，5]。陳家灣站位于長江干流太平口口門上游約5.5 km處，太平口站位于太平口口門內(nèi)2.3 km處，彌陀寺站位于虎渡河太平口口門下游7.2 km處;陳家灣站距彌陀寺站約12.7 km，太平口站距彌陀寺站約4.9 km。新廠站位于長江干流藕池口口門上游約6.2 km，管家鋪站至口門約14.8 km，康家崗站至口門約13.4 km。新廠站至管家鋪站距離約21.0 km，新廠站至康家崗站距離約19.6 km，康家崗站至三岔河站（藕池河出口河段）距離約102.7 km。

1 荊江三口分流變化情況

1.1 三口分流變化

自20世紀60年代以來，荊江河段經(jīng)歷了下荊江裁彎、葛洲壩水利樞紐截流、三峽水庫蓄水等重要歷史變化，三口分流情況隨之改變?，F(xiàn)有研究成果顯示，近60 a來，荊江三口的演變大致可分為5個階段[3，6-8]，各階段起止時間及代表事件見表2。

重大水利事件的發(fā)生[9-10]和水利工程的實施[11-12]對三口分流變化產(chǎn)生了不同程度的影響[13-14]，例如，下荊江裁彎使荊江三口分流分沙受到不同程度的影響，且對距離裁彎處較近的藕池口影響大于距離較遠的松滋口[8，15-17]。葛洲壩水利樞紐和三峽水庫的建成投產(chǎn)則不同程度引起荊江河段來沙量減少，河道沖刷下切，流量水位降低，同時加大了口門進口處與干流河底的高程差，對三口分流具有一定阻礙作用，削弱了荊江三口的分流能力，但同時三口洪道口門的沖刷擴展又在一定程度上加強了三口分流能力，前者影響小于后者，從而導(dǎo)致三口分流能力有所加強[18-21]。各階段長江枝城與荊江三口分流情況如表3所示。

第7期? ?馮寶飛，等：三峽水庫調(diào)蓄作用下荊江三口逆流現(xiàn)象成因解析? ? 人 民 長 江2019年 針對三峽蓄水以來的分流情況進行詳細分析，表4統(tǒng)計了自2003年以來主要洪水期間的分流情況[5]?？梢钥闯?，三峽蓄水以來的三口洪道分流情況展現(xiàn)以下特點：① 三口總分流比隨枝城洪峰流量增大而波動增加，但各口門有所差異，藕池口隨枝城洪峰流量增大而增大的趨勢最為明顯，松滋口有所增大，太平口變化不明顯;② 三峽水庫蓄水運行以來，主要洪水期間三口總分流比有所增加，在洪峰流量基本相同的情況下，三口合計分流比由20%增加到25%左右，各口門增幅1.9%～3.9%，以藕池口增幅最大。

1.2 三口負流量現(xiàn)象統(tǒng)計分析

作為洞庭湖分蓄長江洪水的要塞，三口洪道各口門的分流情況歷來備受關(guān)注，其出現(xiàn)罕見負流量現(xiàn)象應(yīng)該引起足夠重視。自三峽水庫蓄水運行以來，三口洪道累計出現(xiàn)兩次負流量現(xiàn)象：一次是2015年應(yīng)對“東方之星”沉船事件期間;另一次是2017年“長江1號洪水”期間。兩次三口負流量現(xiàn)象統(tǒng)計見表5，其中，2015年“東方之星”沉船事件期間，長江防總于6月2日上午啟動對三峽水庫的連續(xù)3次應(yīng)急調(diào)度，將出庫流量由17 200 m3/s減小至7 000 m3/s以降低荊江河段水位，為沉船救援創(chuàng)造有利條件，調(diào)度影響于6月2日晚間抵達事故地點監(jiān)利江段，期間累計負流量約為1.27億m3。2017年“長江1號洪水”期間，為緩解中下游防洪壓力，三峽水庫出庫流量由27 300 m3/s逐漸減至8 000 m3/s，及時有效地控制了長江干流荊江河段及洞庭湖區(qū)的水位上漲趨勢，期間累計負徑流量約為0.56億m3。

據(jù)上述分析可知，荊江三口出現(xiàn)的兩次負流量現(xiàn)象均與三峽水庫的調(diào)蓄操作密切相關(guān)，2015年“東方之星”沉船事件期間的負流量現(xiàn)象成因中，人為引導(dǎo)因素占據(jù)主導(dǎo)地位;2017年的負流量現(xiàn)象則發(fā)生在“長江1號洪水”期間，屬于天然洪水作用下，三口洪道因勢利導(dǎo)自然出現(xiàn)的罕見現(xiàn)象。顯然，后者對于三口洪道在江湖關(guān)系中的作用分析更具參考性。

2 荊江三口逆流現(xiàn)象及成因分析

前已述及，三口洪道負流量現(xiàn)象、尤其是豐水期負流量現(xiàn)象歷史罕見，其出現(xiàn)對于長江流域的防洪調(diào)度及江湖關(guān)系演變具有十分重要的意義。但值得注意的是，洪道控制水文站出現(xiàn)負流量僅表示水文站附近河段內(nèi)流向發(fā)生變化，而“三口逆流”現(xiàn)象所表達的含義則為“長江干流分洪入洞庭湖”轉(zhuǎn)變?yōu)椤岸赐ズ至魅腴L江”，根據(jù)水力學(xué)概念，其定義應(yīng)包含口門控制站負流量及倒比降兩個層次，僅出現(xiàn)負流量現(xiàn)象尚不足以定義為三口逆流?？紤]到2015年“東方之星”沉船事件期間三口負流量現(xiàn)象的特殊背景，本節(jié)以2017年“長江1號洪水”為例，結(jié)合三口逆流期間長江干流和洞庭湖水系的來水情況，及三口洪道沿程比降分析，探討逆流現(xiàn)象出現(xiàn)成因，并結(jié)合長江中上游水庫群聯(lián)合調(diào)度情況、尤其是三峽水庫的調(diào)度運行提出針對性建議。

2.1 洪水期間江湖來水情況

2017年6月22日至7月2日，長江中下游地區(qū)連續(xù)出現(xiàn)2次大范圍強降雨過程，長江發(fā)生中游型大洪水。受連續(xù)強降雨影響，洞庭湖水系湘江、資水、沅水水位快速上漲，7月1日“洞庭四水”合成流量漲至50 000 m3/s，湖區(qū)水位快速上漲，城陵磯（七）站水位7月1日0：00超警戒水位，向保證水位逼近。長江上中游水庫群進行聯(lián)合防洪調(diào)度，三峽水庫出庫流量自7月1日08：00的27 300 m3/s逐漸減少至7月3日01：00的8 000 m3/s，7月4日6時宜昌站出現(xiàn)7月歷史同期最小流量6 570 m3/s，水位累計降幅約7 m，長江干流荊江河段水位也急劇下降。

7月3日后，荊江三口五站中除新江口外，其它各站均觀察到負流量現(xiàn)象，松滋口新江口站、沙道觀站、太平口彌陀寺站、藕池口康家崗站、管家鋪站最小流量分別為317 m3/s（6日12：00）、-16.6 m3/s（5日01：00）、-321 m3/s（5日08：00）、-59.2 m3/s（4日16：00）、-277 m3/s（5日12：00），其中彌陀寺、康家崗、管家鋪連續(xù)3～4 d觀測流量為負值，三口五站流量過程如圖2所示。

2.2 口門控制站水位過程演變

受荊江干流來水急劇減小、洞庭湖湖區(qū)水位快速上漲影響，荊江干流及三口洪道內(nèi)的水流流速、流態(tài)變得更為復(fù)雜，區(qū)域內(nèi)控制站持續(xù)數(shù)日觀測到負流量，初步判斷在較大范圍河系內(nèi)出現(xiàn)逆流現(xiàn)象。以下分析分流河道與洞庭湖連接的主要水道水位高低情況（各站水位均轉(zhuǎn)換為黃?；妫?，以判定是否發(fā)生江湖逆流現(xiàn)象。

（1） 澧水尾閭。松滋口分西支、中支與澧水貫通，西支設(shè)有官垸水位站、中支設(shè)有自治局水位站，交匯后下游（澧水尾閭）設(shè)有石龜山水位站，7月上旬3站水位對比見圖3。石龜山水位低于自治局、官垸站水位，因此，洞庭湖水不可能由澧水尾閭倒流至松滋西、中支進而流向荊江干流。

（2） 虎淞合流。松滋河?xùn)|支與虎渡河匯合后，在流向洞庭湖湖區(qū)沿途依次設(shè)有安鄉(xiāng)、肖家灣水位站，7月上旬2站水位對比見圖4。肖家灣站水位低于安鄉(xiāng)站水位，因此洞庭湖水不可能由虎淞合流倒流至松滋河、虎渡河進而流向荊江干流。

（3） 藕池河。藕池河?xùn)|支設(shè)有管家鋪站，西支設(shè)有康家崗站，兩站與出口控制站三岔河水位站7月上旬水位對比見圖5。由圖5可見，在7月2～8日，三岔河水位持續(xù)高出管家鋪站、康家崗站水位，而在此期間管家鋪、康家崗站流量持續(xù)為負值，即可認為洞庭湖水由此水道倒流至荊江干流。

綜上所述，洞庭湖水不可能由松滋河、虎渡河倒流至荊江，新江口沒有出現(xiàn)倒流現(xiàn)象，沙道觀僅在較短時間內(nèi)流量為負，更多時候表現(xiàn)為斷流狀態(tài)，而彌陀寺站持續(xù)多日出現(xiàn)負流量。總體而言，彌陀寺流量為負期間，新江口流量大于彌陀寺流量絕對值（見圖2），因此可認為荊江自新江口分流水量，一部分經(jīng)彌陀寺流回荊江干流。

2.3 三口洪道沿程比降分析

伴隨水位過程的演變，三口洪道可分別觀察到倒比降現(xiàn)象。藕池口口門段7月4～7日出現(xiàn)明顯的倒比降，太平口口門段7月4～6日出現(xiàn)明顯的倒比降（見圖6）;太平口至虎渡河彌陀寺站落差過程見圖7，太平口及藕池口口門段干支流落差沿時程變化見圖8。

康家崗至三岔河段在統(tǒng)計時段內(nèi)正負落差相差2.52 m，新廠至管家鋪段同步最小落差接近為0，兩站距離約21 km，長江干流部分未觀測到逆流?？梢酝茢啵撼睾涌拷L江分流口門的局部河段水位應(yīng)當出現(xiàn)負落差及倒比降。統(tǒng)計時段內(nèi)，藕池口口門段及虎渡河口門段出現(xiàn)倒比降，與藕池口進口控制站及虎渡河進口站流量觀測出現(xiàn)負值的時間基本同步，而各口門控制站沿程比降變化過程與三峽水庫調(diào)度運行過程基本一致，見圖9。

2.4 逆流現(xiàn)象成因分析及建議

綜上分析，荊江三口分流情況的變化與長江上中游梯級水庫群的建設(shè)和運行，尤其是三峽水庫的調(diào)蓄操作關(guān)系密切，現(xiàn)從以下3個方面對三口分流的演進過程，尤其是2017年罕見的逆流現(xiàn)象及其成因進行定性分析。

2.4.1 三口分流比的定性

三峽水庫蓄水運行以來，三口年均分流比略有下降，但主要洪水期間明顯上升，這意味著在此期間，枝城同流量條件下，由長江干流經(jīng)荊江三口分入洞庭湖的水量有所增加，無疑加大了洞庭湖區(qū)的防洪壓力，在發(fā)生中游型大洪水時，尤為明顯。

2.4.2 2017年大水三口逆流的定性

2017年大水期間，三口口門段發(fā)生罕見逆流現(xiàn)象，并同時出現(xiàn)負流量和倒比降現(xiàn)象，構(gòu)成三口逆流充要條件。其主要原因可歸納為以下兩點。

（1） 洪水期間洞庭湖來水多，湖區(qū)水位高。2017年6月22至7月2日，受連續(xù)出現(xiàn)的2次大范圍強降雨過程影響，長江發(fā)生中游型大洪水，洞庭湖湘、資、沅水系及湖區(qū)支流先后出現(xiàn)特大洪水過程，來水較歷史同期明顯偏多，造成湖區(qū)水位快速上漲。

（2） 三峽水庫出庫流量驟減，干流水位低。三峽水庫自7月1日12：00至7月2日22：00，出庫流量由27 300 m3/s逐漸減至8 000 m3/s，荊江河段各站水位快速下降，太平口口門段7月4～6日出現(xiàn)明顯的倒比降，藕池口口門段7月4～7日出現(xiàn)明顯的倒比降。

2.4.3 水庫調(diào)度的效益及建議

通常情況下，上中游梯級水庫的調(diào)節(jié)作用，尤其是三峽水庫的調(diào)蓄操作，將顯著改變荊江徑流過程，由于荊江流量大時三口分流比也大，如水庫汛期調(diào)蓄，消減洪水流量，將導(dǎo)致三口分流量減少，進而降低洞庭湖區(qū)水位，有效緩解洞庭湖區(qū)的防洪壓力。

3 結(jié) 語

長江發(fā)生中游型大洪水時，洞庭湖防洪壓力驟增，湖區(qū)水位高漲，對于沿湖地區(qū)的防洪減災(zāi)非常不利。在這種情況下，充分利用上中游水庫的調(diào)節(jié)能力，通過控制其出庫流量，尤其是三峽水庫的出庫流量，以改變干流水位，引導(dǎo)洞庭湖水經(jīng)三口逆流入江，對于緩解洞庭湖區(qū)的防洪壓力具有積極作用。針對2017年長江1號洪水進行計算分析，荊江三口負流量過程中累計逆流水量約1.27億m3。若按多年綜合分流比計算，三口合計分流流量將達到4 920 m3/s，分洪量達到25.5億m3，通過水位蓄量初步估算，可平均降低洞庭湖水位約0.95 m。由此可見，逆流現(xiàn)象的發(fā)生對于應(yīng)對長江中游型大洪水、尤其是降低洞庭湖區(qū)的防洪壓力是非常有利的。

然而，荊江三口分流流量對于荊南地區(qū)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、水生態(tài)環(huán)境保護等至關(guān)重要，若頻繁出現(xiàn)逆流現(xiàn)象、破壞江湖水體連通，對于河道的天然發(fā)育和演變極有可能產(chǎn)生不利影響。因此，在實際防洪調(diào)度過程中，應(yīng)根據(jù)長江干流和洞庭湖區(qū)具體防洪形勢，合理安排上中游水庫群、尤其是三峽水庫的調(diào)度運行，充分利用三口洪道實現(xiàn)江湖兩利。

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（編輯：胡旭東）