1950年以來松滋河水沙與河道沖淤變化

陳 幫，李志威,2，胡旭躍,2，鐘一丹，譚 嵐

(1.長沙理工大學(xué)水利工程學(xué)院，湖南 長沙 410114； 2.水沙科學(xué)與水災(zāi)害防治湖南省重點實驗室，湖南 長沙 410114；3.水利部節(jié)約用水中心，北京 100038； 4.湖南百舸水利建設(shè)股份有限公司，湖南 長沙 410007)

長江中游的三口河道(松滋河、虎渡河和藕池河)共同組成的平原河網(wǎng)連通荊江與洞庭湖，其中松滋河是連通長江與洞庭湖的主要水流通道之一，位于湖北省南部與湖南省北部，北連長江，東鄰虎渡河，南入澧水尾閭。1870年松滋縣黃家鋪、龐家灣等干堤潰口形成松滋口，堵口后修筑不牢，1873年長江中游發(fā)生極端洪水，強(qiáng)烈沖刷導(dǎo)致江堤復(fù)潰，形成松滋河水系[1]。松滋河于大口處分為東西兩支，西支為主流，東西兩支分別南下匯入澧水。松滋河歷史演變經(jīng)歷發(fā)展、穩(wěn)定、衰退3個階段[2]。1950年之后松滋河進(jìn)入全面衰退期，1958年華容河的調(diào)弦口堵口、下荊江系統(tǒng)裁彎、葛洲壩樞紐建成和三峽水庫蓄水等大型水利工程的建設(shè)，加速其分水比減少、河道淤塞和河槽萎縮[3-6]。

國內(nèi)外對三口河道分水分沙的變化特征及水沙變化的驅(qū)動力分析已有較多研究報道，關(guān)于荊江三口分流分沙比變化的原因，至今還存在著較大爭議。早期，單劍武[7]指出影響荊江四口分流分沙主要是口門河勢變化，而盧金友[8]認(rèn)為分流口門與干流的相對位置、口門附近干流河勢變化、分流道的沖淤變化為主要影響因素，下荊江裁彎工程只加速三口分流遞減的進(jìn)程。方春明等[9]分析表明，三口河道淤積萎縮、分流分沙急劇減小的主要驅(qū)動力是下荊江裁彎后水位的下降。隨后，李景保等[10-11]指出長江中游調(diào)弦口堵口、下荊江系統(tǒng)裁彎、葛洲壩截流是導(dǎo)致洞庭湖來水來沙緩減的主動因子。三峽工程蓄水是加速分流分沙比下降還是減緩水沙變化趨勢目前還存在一定爭議[12-19]，荊江三口水沙演變主要驅(qū)動原因和未來演變趨勢需進(jìn)一步研究。

荊江三口水沙交換是荊江-洞庭湖關(guān)系(簡稱江湖關(guān)系)演變的主要驅(qū)動力，而松滋河與荊江的紐帶關(guān)系是江湖關(guān)系的重要組成部分之一[20-23]。下荊江裁彎前1956—1966年松滋河、藕池河和虎渡河多年平均徑流量占三口徑流總量的百分比分別為36.4%、47.8%和15.8%，葛洲壩截流前1973—1980年分別為51.2%、29.6%和19.2%，三峽水庫蓄水后2003—2008年分別變化為59.0%、22.1%和18.9%?？梢?，松滋河在三口分水的比重愈加凸顯，未來一定時期內(nèi)其分水分沙在三口河道中將處于主導(dǎo)地位[24]。因此研究松滋河分水分沙和沖淤變化，對揭示江湖關(guān)系的新變化、洞庭湖區(qū)北部防洪安全及水資源綜合利用等具有重要的科學(xué)與實踐意義。本文基于新江口與沙道觀水文站的水文數(shù)據(jù)，分析多年平均輸沙量、多年平均徑流量、分水分沙比及斷流天數(shù)。利用Landsat系列遙感影像與Google Earth影像分析松滋河口門區(qū)及其沙洲平面形態(tài)。采用網(wǎng)格分析法與斷面分析法，計算松滋河2003—2011年各河段沖淤量，以此揭示松滋河1950年以來河道演變規(guī)律。

1 研究河段與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究河段

松滋河是長江中游向南分水的一個重要泄洪通道(圖1)，松滋口至大口為松滋河主流，長25.0 km。松滋河至大口后分為東西兩支，東支自大口經(jīng)沙道觀、中河口，與中支于小望角匯合，全長120.0 km。西支自大口經(jīng)新江口、蘇支河出口、青龍窯于張九臺和中支匯合，西支全長118.5 km。西支在青龍窯處分水，右側(cè)一支為松滋河中支全長34.5 km，自青龍窯經(jīng)張九臺于小望角和東支匯合。松滋洪道從小望角于松滋河與虎渡河交匯處全長21.5 km，松虎洪道接松滋洪道繼續(xù)南下與澧水匯合，全長30.0 km。采穴河連通松滋河主支與荊江，全長20.0 km，2018年12月測量平均水面河寬為85 m。松滋河?xùn)|西兩支由蓮支河、蘇支河、瓦窯河相連通，分別長6.5 km、10.0 km和7.0 km。從Google Earth 觀察蓮支河已進(jìn)行人工封堵，其他兩支處于自然連通狀態(tài)。蓮支河入口經(jīng)東支南下7.0 km，分為兩支，左側(cè)一分支為官支河全長24.0 km。

圖1 長江中游松滋河位置及其水系分布

松滋河有2個主要的分水點和3個匯流點(圖1)，D1位于大口為東支與西支的分水點，距松滋口25.0 km。瓦窯河與西支交匯處往南4.5 km為松滋河西支與中支分水點D2。C1、C2分別位于張九臺和小望角，為西支與中支、中支與東支的交匯點，相距7.6 km。小望角沿松滋洪道往南21.5 km即是松滋河與虎渡河的匯流點C3。松滋河設(shè)有新江口與沙道觀兩個水文站，新江口布置于松滋河西支，沙道觀布置在松滋河?xùn)|支。

1.2 地形、水文數(shù)據(jù)和計算方法

松滋河的河道地形采用長江水文局2003、2006、2009和2011年4年實測數(shù)據(jù)。沖淤量計算同時采用網(wǎng)格地形法與斷面地形法[25]。根據(jù)獲取的地形數(shù)據(jù)特點，利用Surfer 11創(chuàng)建松滋河2003年、2011年局部河段數(shù)字高程模型(DEM)，根據(jù)Trapezoidal Rule、Simpson’s Rule、Simpson’s 3/8 Rule分別計算平均高程在40 m下分水、匯流河段的沖淤量。測量2006年和2009年松滋河相鄰沖淤斷面面積以及間距，采用梯形規(guī)則計算相鄰斷面沖淤量，累計疊加得到河段沖淤量。

采用新江口和沙道觀水文測站1951—2003年多年平均實測徑流數(shù)據(jù)和輸沙量數(shù)據(jù)，2003—2016年為逐日平均含沙量、流量及水位，取自于長江水文局。

1.3 遙感數(shù)據(jù)和處理方法

從1984—2018年選取7幅遙感影像作為分析對象。其中1987年遙感影像資料來自美國NASA的陸地衛(wèi)星Landsat 8，2014年、2018年選用Landsat 4-5 TM遙感影像，1984年、1994年、2004年、2014年選用Google Earth遙感影像。Landsat 4-5 TM影像共包含7個波段，波段6的空間分辨率為120 m，為熱紅外波段，其他波段為30 m。Landsat 8共有11個波段，波段8空間分辨率為15 m，為全色波段，其余波段的空間分辨率為30 m，Landsat遙感影像在地理空間數(shù)據(jù)云網(wǎng)站下載。

松滋河口門區(qū)水體信息利用改進(jìn)的歸一化差異水體指數(shù)I進(jìn)行提取，I=(G-M) /(G+M)，其中G為綠光波段，M為中紅外波段[26]。運用ArcGIS融合Landsat 4-5 TM第2、5波段及Landsat 8第3、6波段提取目標(biāo)水體。利用Google Erath將戥盤洲及松虎洪道近期平面演變生成kmz數(shù)據(jù)文件，導(dǎo)入ArcGIS中經(jīng)過投影變換后計算相應(yīng)的平面幾何尺寸。

不同的氣象和水文條件在較大程度上影響遙感影像的質(zhì)量，尤其水位的變動對分析平面形態(tài)特征影響較大。從湖南水文信息網(wǎng)中得到2004年12月4日松滋河沙道觀水位為34.8 m，2018年1月9日為34.4 m，枯水期水位變動較小。在分析松滋河口門區(qū)的形態(tài)變化時，選用枯水季節(jié)的遙感影像，相對汛期而言，枯水期分析年際變化時一定程度上能夠減小因為水位變動對測量造成的誤差。對比2003與2011年地形數(shù)據(jù)可知，松滋河口門區(qū)與戥盤洲河岸坡度較大。綜上所述，選用的遙感影像在分析松滋河平面形態(tài)變化的年際變化時，具有可比性。

2 研究結(jié)果與分析

2.1 水文數(shù)據(jù)分析

圖2為松滋河新江口站與沙道觀站的多年平均與年徑流量W與輸沙量Ws時程。圖2(a)表明松滋河新江口站與沙道觀站的多年平均徑流量與輸沙量，整體呈現(xiàn)遞減趨勢。1981年之前松滋口新江口站多年平均徑流量與多年平均輸沙量有增有減，多年平均徑流量在整體上維持300.0億m3以上，多年平均輸沙量平均為3500.0萬t。1961—1970年至1971—1980年新江口與沙道觀多年平均徑流量分別從353.0億m3、159.0億m3降至311.0億m3、102.0億m3，減幅分別為11.9%、35.8%。多年平均輸沙量分別從3 721.0萬t、1 891.0萬t降至3 249.0萬t、1 232.0萬t，減幅分別為12.7%、34.8%。

圖2 松滋河新江口站與沙道觀站的水文數(shù)據(jù)

1981年葛洲壩截流之后，松滋口兩水文站多年平均徑流量與輸沙量均大幅度遞減，1981—1990年至2006—2010年新江口輸沙量呈現(xiàn)斷崖式遞減，從3 838.0萬t降至264.0萬t，減幅達(dá)到93.1%。多年平均徑流量從319.0億m3降至218.0億m3，減幅比例為31.7%，新江口站多年平均徑流量的遞減幅度小于多年平均輸沙量。同期沙道觀多年平均徑流量與多年平均輸沙量分別從91億m3、1 260萬t降至47億m3、60萬t，減幅比例分別達(dá)到48.4%、95.2%。這2個水文站多年平均徑流量與輸沙量減幅比例拉大，兩站輸沙量減幅比例大于徑流量減幅比例。

圖2(b)表明三峽水庫蓄水后松滋河兩個水文站年徑流量和年輸沙量的變化趨勢。分別對兩站相關(guān)數(shù)據(jù)變化趨勢進(jìn)行函數(shù)線性擬合，得到2003—2016年新江口水文站年徑流量與年輸沙量線性擬合斜率分別為-0.35億m3/a與-29.45萬t/a，沙道觀分別為-0.80億m3/a與-7.49萬t/a。兩水文站年輸沙量遞減趨勢大于年徑流量，新江口年徑流量遞減速率低于沙道觀，而年均輸沙量要遠(yuǎn)大于沙道觀。三峽蓄水?dāng)r截上游大量泥沙，清水下泄導(dǎo)致新江口輸沙量遞減幅度持續(xù)下降，枯水期三峽水庫下泄補(bǔ)水量對維持松滋河徑流量的穩(wěn)定起到積極作用。

以一系列重大水利工程(如調(diào)弦口堵口、下荊江系統(tǒng)裁彎、葛洲壩和三峽水庫工程)為時間節(jié)點統(tǒng)計松滋口水文站(新江口、沙道觀)與枝城站的分水比、分沙比(圖3)。對比下荊江系統(tǒng)裁彎前后時間段三口河道分水比、分沙比的變化，1956—1966年至1973—1980年新江口水文站分水比與分沙比分別從7.1%、6.2%增加至7.3%、6.7%，同期沙道觀水文站分水比與分沙比分別減少1.2%、0.9%。1999—2002年至2003—2016年新江口水文站分水比從6.2%降至5.8%，分沙比從6.6%降至2.4%，同期沙道觀水文站分水比與分沙比分別從1.5%、1.6%降至1.3%、0.6%。

圖3 新江口站與沙道觀站的分水、分沙比

1956—1966年至1999—2002年松滋口分水比、分沙比呈現(xiàn)緩慢遞減趨勢，分別從10.7%、9.7%降至7.7%、8.2%，分別縮小3.0%、1.5%。1999—2002年至2003—2016年松滋口分沙比從8.2%降至3.0%，分水比從7.7%降至7.0%，分沙比的遞減速率遠(yuǎn)高于分水比。三峽水庫蓄水后，較大的影響松滋河兩水文站的分沙比，對于分水比的影響較小。

圖4(a)統(tǒng)計了沙道觀水文站1951—2015年多年平均斷流天數(shù)。水位在35 m時新江口水文站由于地下水與小溪匯流因素未出現(xiàn)斷流現(xiàn)象，而松滋口門處基本斷流。1951—1970年沙道觀未出現(xiàn)斷流現(xiàn)象，1961—1970年至1981—1990年多年平均斷流天數(shù)增長至155 d。1991—2000年、2001—2005年、2006—2010年斷流時間分別為160 d、190 d、209 d，斷流天數(shù)持續(xù)增加，2010—2015年下降至190 d。圖4(b)為三峽蓄水后2003—2016年沙道觀年均斷流天數(shù)線性擬合，斜率為-2.8 d/a，表明三峽水庫蓄水后，沙道觀水文站斷流天數(shù)整體呈現(xiàn)遞減趨勢。

圖4 松滋河的沙道觀水文站斷流天數(shù)

統(tǒng)計2003—2018年松滋河兩水文站不同流量級別水位的變化。新江口水文站分0～100 m3/s、100～500 m3/s、500～1 000 m3/s、1 000～2 000 m3/s、2 000～3 000 m3/s、3 000～4 000 m3/s 共6個流量級別，沙道觀水文站因過流能力較小，分為0～100 m3/s、100～500 m3/s、500～1 000 m3/s、1 000～2 000 m3/s共4個流量級(圖5)。流量在0～100 m3/s時，新江口站水位呈現(xiàn)上升趨勢，線性擬合之后斜率為0.03 m/a。其他流量級別下水位都呈遞減趨勢，其中流量區(qū)間在3 000～4 000 m3/s時，斜率最小為-0.06 m/a。沙道觀站4個不同流量級別，水位都呈現(xiàn)遞減趨勢，2003—2018年水位斜率分別為-0.01 m/a、-0.06 m/a、-0.003 m/a與-0.03 m/a。

圖5 2003—2018年松滋河不同流量級別水位變化

2.2 松滋河平面形態(tài)變化

2.2.1口門區(qū)

經(jīng)過波段融合后，松滋口3期Landsat遙感影像提取的平面形態(tài)如圖6所示。1987—2004年松滋河口門區(qū)平面形態(tài)變化較小，2004—2018年口門區(qū)有局部沖刷。利用ArcGIS經(jīng)投影坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后測量松滋口楊各洲1987—2004年面積減小0.3 km2，減幅3%，2004—2018年面積減少0.1 km2。測量松滋口至戥盤洲洲頭共計6.1 km松滋河主流河段的平均河寬，3年平均河寬分別為572 m、560 m和568 m，整體河寬變化幅度不大。

圖6 基于Landsat遙感影像的松滋河口1987—2018年平面形態(tài)變化

松滋河口門區(qū)右側(cè)為山區(qū)，左側(cè)為平原，地處山區(qū)與平原的過渡段，特殊的地理位置使松滋河口門區(qū)平面形態(tài)變化相對較小。而其他兩口河道(虎渡河、藕池河)位于平原區(qū)，口門區(qū)泥沙淤積嚴(yán)重，口門區(qū)河道縮減較快。在三口分水整體呈現(xiàn)下降趨勢的前提下，松滋河分水量減少的速率低于藕池河，已逐漸成為三口分水的主要通道。

松滋河主流距河口6.0 km處分布一個穩(wěn)定的江心洲(戥盤洲)，統(tǒng)計1984—2014年戥盤洲每隔10 a平面形態(tài)變化。2004利用ArcGIS測量得到1984年平面形態(tài)面積為3.99 km2，1994面積增加至4.13 km2，增幅3.51%。2004年與2014年平面形態(tài)面積分別為4.44 km2和4.60 km2，與1984年相比增幅分別為11.3%和15.3%，戥盤洲洲頭逐年向前淤積發(fā)展。

2.2.2松虎洪道

松滋河與虎渡河匯流之后，松虎洪道沿程長度共計約20 km，匯入澧水洪道如圖7所示。1984年統(tǒng)計松虎洪道共分布7個沙洲，自上而下將沙洲編號為1～7。1984年1號沙洲面積為0.08 km2，2001年增加至0.19 km2，面積增幅達(dá)到137.5%，2016年增加至0.26 km2，相比2001年增幅36.8%。1984年2、3號沙洲相互獨立，2001年形成整體，面積從2.17 km2增加至2.34 km2，2016年面積達(dá)到2.58 km2。1號沙洲與2、3號沙洲之間淤積嚴(yán)重，由于河道內(nèi)淤積抬高，部分段沙洲已經(jīng)與右岸連接，右汊河道淤積廢退，分水能力下降。2001—2016年4號沙洲洲頭淤積向前發(fā)育，其面積由0.79 km2增加至1.08 km2，增幅達(dá)到36.7%。1984—2016年5、6號沙洲平面形態(tài)面積變化較小，32年內(nèi)增幅分別為2.5%和5.6%，其變化相對較為穩(wěn)定。

圖7 基于Google Earth 遙感影像的松虎洪道1984—2016年平面形態(tài)變化

2.3 松滋河河道沖淤變化

2.3.12003—2011年局部河道沖淤變化

a. 松滋河分水河段局部沖淤變化。采用Surfer 11創(chuàng)建2003和2011年松滋河中支-西支、東支-西支(圖8)分水段局部河段的數(shù)字高程模型(DEM)，利用Trapezoidal Rule、Simpson’s Rule和Simpson’s 3/8 Rule 3種方法分別計算2003和2011年中支-西支分水局部河段體積，2003年體積分別為9 170萬m3、9 180萬m3和9 190萬m3，2011年體積分別為9 610萬m3、9 630萬m3和9 610萬m3；2003—2011年沖淤變化分別為440萬m3、450萬m3和420萬m3，平均淤積437萬m3；松滋河?xùn)|支-西支分水2003—2011年局部河段沖淤量分別為92萬m3、74萬m3和108萬m3，平均淤積91萬m3。

圖8 松滋河?xùn)|支-西支分水局部河段的數(shù)字高程模型

b. 松滋河匯流河段局部沖淤變化。表1(表中“+”為淤積，“-”為沖刷，下同)為采用3種計算方法計算得到的2003—2011年松滋河匯流河段局部沖淤變化。松滋-虎渡河匯流局部河段沖淤變化分別為-157萬m3、-174萬m3和-163萬m3，平均沖刷165萬m3；中支-西支匯流局部河段沖淤變化分別為-215萬m3、-210萬m3、-217萬m3，平均沖刷214萬m3；中支-東支匯流段局部河段沖淤變化分別為1.96萬m3、4.03萬m3、10.8萬m3，平均淤積5.61萬m3。2003—2011年松滋-虎渡河、中支-西支匯流局部河段沖刷，中支-東支匯流局部河段淤積。

表1 松滋河2003—2011年局部河道沖淤變化 萬m3

2.3.22006—2009年松滋河各河段沖淤變化

圖9分別為松滋河主支、采穴河、西支、東支、中支、松滋與松虎洪道的各測量典型斷面2006—2009年沖淤變化。松滋河主支段共分布10個斷面，斷面間距平均為2.5 km，松滋口至15 km處，除第2個斷面其余都以沖刷為主，15 km后3個斷面淤積。采穴河分布8個斷面，全部為淤積斷面。松滋河西支與東支分別分布45和40個斷面，斷面平均間距分別為3 km和2.6 km。西支有10個沖刷斷面，35個淤積斷面，沖刷斷面主要分布上游段。東支分布17個沖刷斷面，23個淤積斷面，沖刷斷面與淤積斷面相互交替。中支河段10個斷面中，第2、10個斷面為沖刷斷面，其余為淤積斷面。松滋洪道與松虎洪道共分布24個斷面，其中9個為淤積斷面，15個為沖刷斷面，最大淤積面積為524.8 m2。

圖9 松滋河典型斷面年內(nèi)沖淤變化

利用斷面地形法計算2006—2009年松滋河各河段的沖淤變化。以瓦窯河為界限將東支、西支分為兩段進(jìn)行沖淤量計算，以北河段記為西支1、東支1，以南記為西支2、東支2。西支1與西支2分別淤積448.8萬m3、159.1萬m3，東支1河段淤積49.4萬m3，而東支2河段沖刷79.6萬m3。采穴河、官支河、蘇支河及瓦窯河2006—2009年分別淤積32.6萬m3、9.0萬m3、10.7萬m3、17.8萬m3，中支河段與松滋洪道3年內(nèi)分別淤積33.9萬m3、56.5萬m3，主支河段與松虎洪道則分別沖刷43.7萬m3和7.7萬m3。2006—2009年松滋河共淤積682.7萬m3，西支河段淤積量最大，淤積量達(dá)607.9萬m3，占總淤積量的89%。

根據(jù)竇身堂等[27]、彭玉明等[28]研究1952—1995年松滋河各河段沖淤量(表2)，淤積最多的是松滋河西支的蘇支河上口—匯口，東支的大口—蘇支河下口，小望角—新開口，沖刷段主要發(fā)生在松滋河?xùn)|支的蘇支河下口—小望角。1952—1995年松滋河總淤積(不含主支段陳二口—大口與支汊)5 874萬m3，平均每年淤積136.6萬m3。2006—2009年斷面分析法計算得到總淤積682.7萬m3，平均每年淤積227.5萬m3，1952—1995年與2006—2009年的淤積河段都為西支，中支與東支北段，沖刷河段主要集中在東支南段，沖淤規(guī)律較為一致。

表2 松滋河1952—1995年沖淤量計算成果

3 結(jié) 論

a. 1951—1980年，松滋河徑流量和輸沙量變化趨勢維持相對穩(wěn)定狀態(tài)，1981年葛洲壩截流之后，輸沙量遞減幅度加大，2003年三峽水庫蓄水后輸沙量持續(xù)降低，1981—1990年至2006—2010年新江口輸沙量遞減幅度達(dá)到93.1%，徑流量變化趨勢較為穩(wěn)定。1961—1970年至1981—1990年多年平均斷流時間增長最快到達(dá)155 d，三峽水庫蓄水后，緩解沙道觀水文站斷流天數(shù)遞增趨勢。

b. 松滋河口門區(qū)位于山區(qū)、平原地區(qū)的過渡段，右岸岸線較為穩(wěn)定，1987—2018年松滋河口門區(qū)平面形態(tài)變化相對較小。1984—2016年松滋河與虎渡河匯流處沙洲淤積嚴(yán)重，3個獨立沙洲逐漸淤積為整體，右岸河道淤積廢退。

c. 三峽水庫蓄水后，2003—2011年松滋河中支-西支、東支-西支分水局部河段以淤積為主，匯流河段除中支-東支局部河段淤積外，松滋-虎渡河、中支-西支匯流河段分別沖刷165萬m3、214萬m3。2006—2009年松滋河整體淤積682.7萬m3，西支河段淤積量較大，達(dá)到總淤積量的89%。

本研究受地形數(shù)據(jù)系列的局限，無法對比三峽工程蓄水前后沖淤變化，只能反映2003—2011年與2006—2009年三峽蓄水后松滋河短期的沖淤變化，因三峽蓄水后對松滋河的綜合影響尚未完全揭示，下一步需要加強(qiáng)對松滋河的水流-泥沙-地形的連續(xù)監(jiān)測、數(shù)據(jù)挖掘與理論分析。