2020年汛期荊江三口分洪能力及洞庭湖出流變化

朱 勇 輝，郭 小 虎，李 凌 云

(長江科學院 河流研究所，湖北 武漢 430010)

荊江南岸沿程有松滋口、太平口、藕池口和調(diào)弦口(已于1959年建閘控制)分流入洞庭湖[1-3]，洞庭湖又集湘、資、沅、澧四水于城陵磯匯入長江，形成了復雜的江湖關(guān)系[4-6]。荊江三口是連接荊江河段與洞庭湖區(qū)的紐帶，其分洪能力的變化對荊江和洞庭湖區(qū)的防洪安全有著重要影響[7-9]；在汛期，洞庭湖出流變化對江湖關(guān)系、長江中游防洪等也有較大影響[10-12]。因此，研究荊江三口分洪能力與洞庭湖出流變化規(guī)律對于深入研究荊江與洞庭湖關(guān)系調(diào)整規(guī)律和預測江湖變化趨勢等均具有十分重要的意義。眾多學者針對上述問題開展了大量的實測資料分析，取得了豐富的成果[13-15]。但關(guān)于三峽工程蓄水運用后荊江三口分流分沙比將如何變化目前還存在較大爭議[16-19]：如已有研究成果[20-22]預測三峽工程蓄水后荊江三口分流比將會減?。坏硪恍┭芯砍晒鸞5-7]則認為荊江三口分流比將不會減?。皇聦嵣先龒{工程蓄水運用以來的實測資料表明荊江三口分流比尚無明顯變化趨勢。有關(guān)三峽工程蓄水運用后城陵磯水位變化的認識也存在一定的爭議，例如有關(guān)成果[17-19]預測隨著河床沖刷下切，城陵磯站洪水位將明顯下降；但另外一些研究成果[23]則認為三峽工程蓄水后城陵磯洪水未出現(xiàn)明顯下降，甚至出現(xiàn)抬高。

受厄爾尼諾現(xiàn)象影響，2020年長江流域出現(xiàn)了歷時長、范圍廣的強降雨，長江從7月3日至8月17日持續(xù)出現(xiàn)了5次編號洪水。由于荊江三口分洪能力及洞庭湖出流變化直接關(guān)系到長江中游防洪安全，本文根據(jù)最新實測資料分析了2020年汛期荊江三口分洪能力及洞庭湖出流變化，取得了一些新的初步認識，可為江湖防洪的進一步深入研究提供基礎(chǔ)和參考依據(jù)。

1 荊江三口分洪能力變化分析

1.1 分流分沙變化

根據(jù)實測資料統(tǒng)計分析60多a來荊江三口年分流量、年分沙量與年分流比、年分沙比的變化，統(tǒng)計結(jié)果如圖1所示。

圖1 60多a來荊江三口分流分沙量與分流分沙比變化Fig.1 Changes of flow and sediment distribution at the three outlets of the Jingjiang River in the past 60 years

圖1(a)顯示：在1955～1989年期間荊江三口分流分沙量呈遞減趨勢；受長江上游干支流水庫建設和水土保持工程的陸續(xù)實施影響，在1990～2002年期間進入荊江河段的沙量呈遞減趨勢，相應的三口分沙量也呈遞減趨勢，但三口分流量無明顯變化趨勢；2003年三峽工程蓄水后，荊江三口分流量除2006，2011年特枯年減少幅度較大之外，其它年份三口分流量略有減小或基本不變，未出現(xiàn)趨勢性的變化；而荊江三口分沙量進一步大幅度地減少，進入三口的水流基本接近于“清水”，2013～2018年期間荊江三口年均分沙量僅為434萬t，為1999～2002期間三口年均分沙量的7.6%。圖1(b)表明：受下荊江3次裁彎和洞庭湖區(qū)淤積等影響，在1955～1989年期間荊江三口分流分沙比均呈遞減趨勢，而在1990～2002年期間荊江三口分流分沙比變化不大，三峽水庫蓄水運用后除2006，2011年為特殊的枯水年，三口分流比減小幅度較大外，其它年份三口分流比略有減小。由于受河道沿程泥沙沖刷補給的影響，荊江三口分沙比呈增加趨勢。

下面進一步統(tǒng)計荊江三口累積年分流量、年分沙量變化，并對出現(xiàn)明顯偏轉(zhuǎn)的時間序列進行階段性劃分，見圖2。

圖2 60多a來荊江三口累積分流量與累積分沙量變化Fig.2 Changes in cumulative discharge and cumulative sediment distribution of the three Jingjiang outlets in the past 60 years

圖2(a)表明：荊江三口累積年分流量分別在1972，1990年后向右發(fā)生偏轉(zhuǎn)，年分流量呈遞減趨勢，但1990年以來未見明顯偏轉(zhuǎn)趨勢；圖2(b)表明：荊江三口累積年分沙量分別在1972，1990年和2003年后向右發(fā)生偏轉(zhuǎn)，年分沙量均呈遞減趨勢，前2次偏轉(zhuǎn)的主要原因與荊江三口分流減少有關(guān)，而2003年三峽工程運用后向右顯著偏轉(zhuǎn)的主要原因與長江干流輸沙量大幅減小有關(guān)。

1.2 汛期荊江徑流過程變化對三口分流的影響

受三峽及上游梯級水庫群聯(lián)合調(diào)度的影響，三峽水庫下游徑流過程特別是汛期徑流過程發(fā)生了較大變化，而汛期荊江三口分洪量與荊江河段干流流量息息相關(guān)。下面以荊江河段起始站枝城為例，分1990～2002年、2003～2012年、2013～2018年及2020年4個階段，分別分析7，8月份月均流量變化，如圖3所示。

由圖3分析可知，與蓄水前(1990～2002年)7，8月份月均流量相比，三峽工程蓄水后2003～2018年7，8月份月均流量均有不同程度的減小，其中2013～2018年分別減少了4 106 m3/s和6 012 m3/s。2020年7，8月份長江先后發(fā)生5次編號洪水，月均流量均顯著增加，較之2013～2018年期間分別增加了9 547 m3/s和18 778 m3/s。汛期長江干流流量增加，必然導致荊江三口分洪量增加，下面分析了1990年以來荊江三口7，8月份月均分流量變化(見圖4)。

圖3 不同階段枝城站7，8月份月均流量變化Fig.3 Changes in monthly average flow of Zhicheng Station in July and August at different stages

圖4 不同階段荊江三口7，8月份月均分流量變化Fig.4 Changes in monthly average flood diversion of the three outlets of the Jingjiang River in July and August at different stages

圖4表明：與蓄水前(1990～2002年)7，8月份荊江三口月均分流量相比，三峽工程蓄水后2003～2018年期間7，8月份月均分流量均有不同程度的減小，其中2013～2018年7，8月份分別減少了1 690 m3/s和2 570 m3/s。與2013～2018年期間相比，2020年汛期7，8月份長江干流月均徑流量增大明顯，相應的荊江三口分流量分別增加了3 150 m3/s和6 040 m3/s，增加幅度分別為59.5%和178.8%。

綜上所述，三峽工程蓄水運用后，受水庫調(diào)蓄作用的影響，汛期進入荊江河段的徑流量過程發(fā)生一定的調(diào)整，7，8月份長江干流月均流量一般以減小為主，相應荊江三口分流量也有所減少；但2020年汛期受洪水的影響，進入荊江河段月均流量顯著增加，相應的荊江三口分流量大幅增加。

1.3 荊江三口各口門分流量與長江干流流量關(guān)系

下面分析60多a來不同階段枝城流量在30 000 m3/s以上時荊江三口分流量與枝城站流量之間的相關(guān)關(guān)系(見圖5)。

圖5顯示：從不同階段擬合直線來看，較之1955～1989年期間，1990～2002年期間在枝城同流量下荊江三口分流量大幅減小，其中枝城流量為50 000 m3/s時荊江三口分流量減少約3 700 m3/s；較之1990～2002年期間，2003～2018年期間在枝城同流量下荊江三口分流量有一定程度減小，其中枝城流量為50 000 m3/s時荊江三口分流量減少約1 700 m3/s；而較之2003～2018年期間，2020年在枝城同流量下荊江三口分流量有一定程度增大，其中枝城流量為50 000 m3/s時荊江三口分流量增加約1 000 m3/s。

圖5 荊江三口分流量與枝城流量相關(guān)關(guān)系變化(枝城流量30 000 m3/s以上)Fig.5 Changes in the correlation between the flood diversion volume of the three outlets of the Jingjiang River and the flow of Zhicheng (the flow of Zhicheng is more than 30 000 m3/s)

下面進一步分析枝城流量在30 000 m3/s以上時荊江三口各個口門分流量與枝城站流量之間的相關(guān)關(guān)系(見圖6)。

從不同階段松滋口分流量與枝城流量擬合直線來看(見圖6(a))，1955～1989年、1990～2002年及2003～2018年期間在枝城同流量下該口門分流量略有減小，但2020年在枝城同流量下松滋口分流量大于前3個階段；較之2003～2018年期間，枝城流量為50 000 m3/s時2020年松滋口分流量增加約1 000 m3/s，太平口分流量減小約200 m3/s，藕池口分流量增加約200 m3/s。

1.4 2020年汛期荊江三口分流比變化分析

下面分析2020年5～9月荊江三口分流比與相應長江干流枝城站流量變化過程(見圖7)。

圖7表明：荊江三口分流比與枝城流量密切相關(guān)，長江干流流量越大，三口分流比越大。在2020年5月31日之前，枝城站流量不大且變化幅度較小，荊江三口分流比一般為3.4%左右；6月16日至7月2日，隨著枝城站流量持續(xù)增加，三口分流比不斷增大，其數(shù)值增至21%；7月3日至8月25日期間，枝城站流量表現(xiàn)為波動性變化，三口分流比也呈現(xiàn)類似變化規(guī)律，但變化幅度相對較小，且呈現(xiàn)約2 d左右的滯后性，其中7月24日枝城站最大流量為47 500 m3/s，相應的7月25日三口分流比為26.1%，分流量高達11 300 m3/s；8月26日至9月25日，枝城站流量先快速減小后呈波動性變化，荊江三口分流比呈現(xiàn)類似的變化規(guī)律。

圖6 荊江三口各口門分流量與枝城流量相關(guān)關(guān)系變化(枝城流量30 000 m3/s以上)Fig.6 Changes in the correlation between the flood diversion volume of each of the three outlets of the Jingjiang River and the flow of Zhicheng (the flow of Zhicheng is more than 30 000 m3/s)

圖7 2020年5～9月荊江三口分流比變化Fig.7 Changes in the diversion ratio of the three outlets of Jingjiang from May to September，2020

總體而言，荊江三口分流比與枝城站流量呈正相關(guān)關(guān)系，2020年汛期枝城站流量增至38 000 m3/s以上時，三口分流比基本在20%以上。在洪峰過程中即使枝城站流量出現(xiàn)明顯驟減的情況，但三口分流比數(shù)值仍明顯大于非洪峰過程的數(shù)值。例如在洪峰過程中7月13日枝城站流量為20 500 m3/s時，三口分流比高達20.7%，而在非洪峰過程中6月19日枝城站流量為20 900 m3/s時，三口分流比僅為14.6%。

2 洞庭湖出流變化

2.1 三峽工程蓄水后螺山站同流量下水位變化

洞庭湖出口處城陵磯站水位受到長江干流、洞庭湖出流的相互頂托作用，水位和流量關(guān)系數(shù)據(jù)點較為散亂，而距城陵磯下游僅30 km的螺山站水位流量關(guān)系相對較好，下面以螺山站為例，分析三峽工程蓄水后螺山站水位流量關(guān)系的變化。由于枯水流量下水位變化已有研究成果頗多，本次研究主要關(guān)注汛期，側(cè)重分析中大流量下水位變化，統(tǒng)計成果如圖8～9所示。

圖8 三峽水庫蓄水運用后螺山站水位流量關(guān)系變化Fig.8 Changes in the relationship between water level and flow at Luoshan Station after the operation of the Three Gorges Reservoir

圖9 三峽工程蓄水運用后螺山站同流量下水位變化Fig.9 Water level change of Luoshan Station under the same flow after the operation of the Three Gorges Project

由圖8與圖9螺山站水位流量關(guān)系和同流量下水位變化過程可以看出：在2003～2018年期間，30 000 m3/s流量下，與2003年相比，2018年水位下降0.65 m；2016年主要受該站下游區(qū)間入?yún)R流量偏大等因素影響，35 000，40 000 m3/s和50 000 m3/s流量下水位明顯抬高，而2017，2018年水位有所下降。整體來看，大流量下水位未發(fā)生明顯的趨勢性變化。2020年汛期，在典型中大流量下水位也均出現(xiàn)不同程度抬高的跡象，在同流量下水位值基本與2016年相當或略低，說明在汛期水量偏豐的年份，同流量水位明顯高于一般的年份，可能與該站下游區(qū)間入?yún)R流量明顯偏大等因素有關(guān)。

2.2 2020年汛期洞庭湖出流變化分析

下面分析2020年5～9月洞庭湖出口城陵磯站與匯流后螺山站流量的比值，同時相應地統(tǒng)計監(jiān)利站流量變化過程(見圖10)。

圖10 2020年5月至9月洞庭湖出流歷時變化規(guī)律Fig.10 Changes in the outflow of Dongting Lake with time from May to September 2020

由圖10分析可知：在2020年6月13日之前，監(jiān)利站流量基本穩(wěn)定在11 000 m3/s左右，變化幅度不大，在該期間城陵磯站與螺山站流量比值呈先增再減再增的趨勢，其中在5月初該比值為0.3，在5月17日比值增加至0.5，至5月底比值數(shù)值減少至0.35，至6月13日，比值恢復至0.60左右，初步分析估計該數(shù)值的變化主要與洞庭湖四水來流變化相關(guān)。6月14日至7月1日，隨著監(jiān)利站流量持續(xù)增加，相應的城陵磯站與螺山站流量比值不斷減小。7月2～20日，監(jiān)利站流量表現(xiàn)先驟減后陡增，而城陵磯站與螺山站流量比值則呈現(xiàn)完全相反的變化；7月21日至8月22日，監(jiān)利站流量呈先緩慢減小后快速增加的規(guī)律，城陵磯站與螺山站流量比值則先表現(xiàn)為波動變化，后呈現(xiàn)快速減小的規(guī)律；8月23日至9月25日，監(jiān)利站流量呈現(xiàn)先快速減小后呈波動變化，城陵磯站與螺山站流量比值則表現(xiàn)為先快速增加后波動變化。

由上面分析可知，在6月13日之前，監(jiān)利站流量變化幅度不大，城陵磯站與螺山站流量比值變化主要受到洞庭湖四水來流的影響；6月14日至9月25日，隨著監(jiān)利站流量增加，其比值變化主要受長江干流流量變化的影響。一般而言，監(jiān)利站流量快速增加或減小，則相應的城陵磯站與螺山站流量比值呈現(xiàn)相反變化規(guī)律；監(jiān)利站流量緩慢變化，則該比值變化規(guī)律不明顯。

3 結(jié) 論

本文利用最新實測資料分析了2020年汛期荊江三口分洪能力變化及洞庭湖出湖流量變化特征，得到以下主要結(jié)論。

(1) 三峽水庫蓄水運用以來，荊江三口分流量略有減小或基本不變，分流比減小幅度不大，三口分沙量則大幅度地減少。三峽水庫調(diào)蓄引起徑流量過程改變導致7，8月份荊江三口分流量均有不同程度的減小，但2020年汛期受洪水的影響，進入荊江河段月均流量顯著增加，相應的荊江三口分流量大幅增加。

(2) 與1990～2002年期間相比，2003～2018年期間在枝城站同大流量下荊江三口分洪量有一定程度減??；但2020年汛期荊江三口分流量有一定程度增大：其中在枝城站同大流量下松滋口分洪量明顯增大，太平口分流量進一步減小，而藕池口分流量則略有增大。

(3) 荊江三口分流比與枝城站流量呈正相關(guān)關(guān)系，2020年汛期枝城站流量增至38 000 m3/s以上時，三口分流比基本在20%以上，在洪峰過程中即使枝城站流量出現(xiàn)明顯驟減，枝城同流量下三口分流比數(shù)值仍明顯大于非洪峰過程中的數(shù)值，其中7月25日三口分流比最大，其數(shù)值為26.1%，分洪量高達11 300 m3/s。

(4) 與2003年相比，2020年汛期在螺山站同大流量下水位出現(xiàn)不同程度抬高的跡象，同流量下水位值基本與2016年相當或略低。在汛期水量偏豐的年份洪水位明顯高于一般的年份，可能與該站下游區(qū)間入?yún)R流量明顯偏大等因素有關(guān)。

(5) 2020年6月13日之前，監(jiān)利站流量變化幅度不大，城陵磯站與螺山站流量比值變化主要受到洞庭湖四水來流的影響；6月14日至9月25日，隨著監(jiān)利站流量增加，其比值變化主要受長江干流流量變化的影響。監(jiān)利站流量快速增加或減小，城陵磯站與螺山站流量比值呈現(xiàn)相反變化規(guī)律；若監(jiān)利站流量緩慢變化，則該比值變化規(guī)律不明顯。

說 明

本文2020年水文要素的統(tǒng)計分析源自報汛數(shù)據(jù)。