1956-2020年荊江三口徑流變化特征及水庫補水效果*

張冬冬，戴明龍，李妍清，王 含

(長江水利委員會水文局，武漢 430010)

荊江三口是連接荊江與洞庭湖區(qū)的紐帶(圖1)，包括松滋、太平、藕池三口(調(diào)弦口1958年封堵)，荊江三口的水文情勢變化對長江與洞庭湖江湖關(guān)系影響重大. 根據(jù)實測資料統(tǒng)計，1956-2020年荊江三口多年平均徑流量約占城陵磯出湖總水量的29%，荊南四河區(qū)域過境水資源量對于保障區(qū)域的人民生活供水安全、促進當?shù)毓まr(nóng)業(yè)生產(chǎn)以及維持洞庭湖區(qū)生態(tài)水位意義重大[1-2]. 然而，該區(qū)域枯水期受到荊江三口洪道斷流影響，輸水、引水、提水等工程難以發(fā)揮作用，區(qū)域內(nèi)存在資源性和工程性缺水的問題[3]，如何通過工程手段解決以上問題，已成為目前研究的熱點.

圖1 荊南四河水系區(qū)域以及水文站網(wǎng)分布Fig.1 Distribution of the four rivers system in Jingnan area and gauge stations

1950s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人類活動影響，原有的水沙平衡發(fā)生擾動，江湖關(guān)系隨之進一步調(diào)整[4-5]. 在荊江三口徑流演變規(guī)律及影響因素方面，許全喜等[6]、朱玲玲等[7]、徐長江等[8]以實測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)分析了荊江三口分流量年際以及年內(nèi)多時段變化規(guī)律，研究表明三口分流量和分流比均呈現(xiàn)減少特征，但不同時段的影響因子有所不同. 三峽水庫蓄水后，荊江三口枯水期徑流特征以及斷流天數(shù)變化也受到廣泛關(guān)注，李景保等[9]采用M-K檢驗以及數(shù)理統(tǒng)計模型，指出三峽水庫蓄水后荊江三口斷流天數(shù)增加但趨勢不明顯；徐照明等[10]分析了不同典型年三峽水庫調(diào)度對荊江三口分流的影響，指出不同典型年8-11月三口分流受上游水庫調(diào)蓄影響減少了約40億～85億m3；趙秋湘等[11]評估了三峽水庫運行對荊江三口斷流的影響，指出枯水期松滋口和藕池口在無三峽水庫情況下每年分別平均少斷流30.4、6.8 d，太平口每年平均多斷流30.9 d. 王冬等[12]通過分析枝城同流量下荊江三口分流比和分流量的特征，結(jié)論認為三口分流比和分流量在三峽水庫蓄水前后變化不大，三口分流量減少與上游來水偏枯有關(guān). 以上研究主要集中在對荊江三口徑流以及斷流時間變化特征分析方面，而對于長江上游梯級水庫不同波動下泄方案增加三口枯水期流量以及緩解三口斷流效果的研究較少.

本文首先基于實測資料分析荊江三口徑流的年際與年內(nèi)變化特征，并在此基礎(chǔ)上，通過多情景數(shù)值模擬的方法，定量評估了三峽水庫短時間波動下泄調(diào)度對于荊江三口補充水量的效果，研究成果可以為三峽水庫群科學制定蓄水、供水等聯(lián)合調(diào)度方案提供技術(shù)參考.

1 數(shù)據(jù)與方法

本次研究首先以荊江三口主要控制站沙道觀、新江口、彌陀寺、康家崗和管家鋪站的1956-2020年實測水文數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過趨勢分析以及M-K突變檢驗[13]，分析荊江三口徑流年際以及年內(nèi)變化特征；其次，構(gòu)建長江與洞庭湖一、二維耦合水動力學模型，采用多情景數(shù)值模擬方法，分析三峽水庫下泄補水效果.

1.1 Mann-Kendall突變檢驗

對于具有n個樣本量的時間序列X，構(gòu)造一秩序列如下：

(1)

式中，xj、xj分別為第i、j時刻的時間序列，sk為第i時刻數(shù)值大于j時刻數(shù)值個數(shù)的累積數(shù).

假設(shè)序列隨機獨立條件下，定義統(tǒng)計量：

(2)

式中，UF1=0，E(sk)、var(sk)分別為累積數(shù)sk的均值和方差，計算公式為：

(3)

UF和UB分別是按照時間序列x正序和逆序計算出來的值，如果兩者出現(xiàn)交點，且交點在臨界線之間，那么交點對應(yīng)的時刻為突變開始時間.

1.2 一、二維耦合水動力數(shù)學模型

Mike模型是丹麥水利研究所開發(fā)并用于河流、湖泊等模擬研究的水動力演算模型[14]，本研究基于Mike模型構(gòu)建長江與洞庭湖一、二維耦合水動力學模型，其中長江干流、荊江三口洪道以及洞庭湖尾閭均采用一維模型構(gòu)建，洞庭湖湖區(qū)采用二維模型構(gòu)建，耦合模式采用標準連接形式，圖2為模型示意圖.

圖2 長江與洞庭湖一、二維耦合水動力模型示意圖Fig.2 Sketch map of the coupling hydrodynamics model of Yangtze River and Lake Dongting

模型上邊界為宜昌站流量，下邊界為根據(jù)2008-2018年螺山站實測流量成果點匯的水位流量關(guān)系綜合線，洞庭四水、汨羅江及清江主要控制水文站的流量作為點源匯入模型[15-16]. 湖區(qū)內(nèi)的降雨徑流過程，采用降雨產(chǎn)流模塊進行模擬. 模塊中降水輸入數(shù)據(jù)為湖區(qū)鹿角、南咀、小河咀、營田以及自治局5個雨量站的逐日降水數(shù)據(jù)，采用泰森多邊形的方法插值形成湖面的逐日降水，蒸發(fā)采用湖區(qū)的逐月潛在蒸散發(fā)資料. 地形資料為2011年長江干流河道和洞庭湖區(qū)實測地形. 以上數(shù)據(jù)均由長江水利委員會水文局提供.

1.3 模型率定與驗證

對于長江中游荊江和洞庭湖區(qū)，不同的來水組成、量級及水位漲落率均會對水流阻力產(chǎn)生影響，因此進行糙率率定時必須選擇具有一定代表性的典型來水過程. 對宜昌站1956-2020年的年徑流量進行排頻計算，分別選取2012、2014和2011年作為豐水典型年(P=20%)、平水典型年(P=50%)和枯水典型年(P=97%)，根據(jù)不同來水年對模型進行率定，其中，2011年屬于該區(qū)域典型的枯水年份，洪水主要出現(xiàn)在長江干流區(qū)域，年最大流量也僅有28100 m3/s，三口分流量急劇降低，同時四水來流量也比同期偏少，洪水過程具有歷時短、洪量小、水位低的特點. 2012年洪水為長江中游區(qū)域性洪水，特點是洪水漲勢迅猛、消退亦快，長江干流宜昌洪水與洞庭湖四水合成洪水多次發(fā)生洪水過程遭遇，致使螺山水位持續(xù)走高. 2014年為平水年，長江干流宜昌站徑流量與多年均值接近，洞庭四水來水量較多年均值偏豐7%. 在對河道及湖泊特性分析的基礎(chǔ)上，將長江中游干流河段、洞庭湖區(qū)、三口洪道及四水尾閭河段3個部分分別按照河道高程進行糙率率定(表1).

根據(jù)率定期選擇的參數(shù)，選擇荊江三口各站點2015-2018年的流量過程作為驗證(圖3)，為量化評估模型的模擬精度，采用Nash-Sutcliffe系數(shù)ENS和相對誤差ER兩個指標評價流量過程的模擬精度[17]，參考Moriasi等[18]研究中采用的模型精度評價等級標準(表2)，定量評價本模型的模擬精度. 模型模擬評價成果見表3，除管家鋪站為良好外，其他各個站點模擬流量過程與實測過程擬合程度均為優(yōu)秀，滿足模型模擬精度要求.

表1 模型糙率率定成果

表2 模型模擬效果評價指標等級

表3 各站點模擬效果評價

圖3 荊江三口各站實測與模擬流量過程對比Fig.3 Comparison of measured and simulated discharge in three outlets of Jingjiang River

2 荊江三口徑流變化特征

2.1 荊江三口徑流年際變化特征

1950s以來，受到荊江河床沖刷下切、同流量下水位下降、三口分流道河床淤積以及三口口門段河勢調(diào)整等因素影響，荊江三口分流能力一直處于衰減狀態(tài)，分流量呈顯著減少的趨勢[19]. 由表4可以看出，1956-1966年荊江三口年均分流量為1331.6億m3；1967-1972年下荊江裁彎期間，年均分流量為1021.4億m3；1973-1980年為下荊江裁彎后期間，年均分流量為834.3億m3；1981-2002年葛洲壩水利樞紐修建后到三峽水庫蓄水前，年均分流量為685.3億m3；三峽工程蓄水后的2003-2020年，年均分流量為497.8億m3.

表4 荊江三口不同時段分流量和分流比變化特征

2003-2020年與1981-2002年相比，長江干流枝城站來水量減少了164億m3，減幅為3.7%；三口分流量減小了187.5億m3，減幅為27.4%，分流比也由15%減小至11.7%. 其中，分流量減幅最大的為藕池口，其分流量減少了71.4億m3，減幅為40%，其分流比則由4.1%減小至2.6%；松滋口分流量減少了65.1億m3，減幅為17.6%，其分流比則由8.4%減小至7.2%；太平口分流量減少了51億m3，減幅為38.6%，其分流比則由3.0%減小至1.9%.

荊江三口分流量和分流比年際變化見圖4，受下荊江裁彎和洞庭湖區(qū)淤積等多重因素的影響，在1956-2020年期間荊江三口分流量和分流比均呈遞減趨勢，分流量變化速度最大的時段發(fā)生在1967-1972年，三峽水庫蓄水運用以后，盡管三口分流量進一步減少，但減少速率明顯較之前階段放緩，除枝城站2006、2011年為來水偏枯導致三口分流比減小幅度較大外，其他年份三口分流比略有減小，但未出現(xiàn)趨勢性的變化.

圖4 荊江三口分流量和分流比年際變化Fig.4 Annual flow andflow ratio of the three outlets along Jingjiang River

采用M-K突變檢驗對荊江三口主要控制站點年徑流量進行分析，結(jié)果見圖5. 由松滋口和太平口1956-2020年歷年年平均流量序列M-K檢驗統(tǒng)計變化可知，兩者年平均流量只有一個交叉點，出現(xiàn)在1986年左右. 藕池口也僅有一個交叉點，出現(xiàn)在1978年左右，荊江三口合成流量也僅有一個交叉點，出現(xiàn)在1978年左右. 除松滋口以外，其他交叉點均在臨界線之外，因此本次交叉點出現(xiàn)年份僅作為突變分析的參考.

圖5 荊江三口實測年平均流量M-K檢驗Fig.5 M-K checkout of the annual runoff of the three outlets along Jingjiang River

誘發(fā)荊江三口分流量突變的因素主要是以水利工程為代表的人類活動，文獻[20]指出人類活動影響多存在4～6年的趨勢性調(diào)整期，如1972年荊江裁彎后的6年，藕池口分流量發(fā)生變化，且這種變化對整個三口分流量也產(chǎn)生影響. 1981年葛洲壩建成對松滋口和太平口也有所影響，影響的過渡期為5年，因此松滋口和太平口分流量出現(xiàn)變化. 本結(jié)果基本可以反映不同人類活動對荊江三口年徑流影響的程度以及突變的年份.

2.2 荊江三口徑流年內(nèi)變化特征

圖6分析了荊江三口徑流不同時段的年內(nèi)分布特性，包括1956年以來枯水期(12月至次年3月)、漲水期(4-5月)、汛期(6-9月)和退水期(10-11月)共4個階段分流量的變化過程. 可以看出，各站汛期、枯水期的流量變幅較大，與1981-2002年相比，2003-2020年汛期荊江三口徑流量減少了26%；在枯水期和漲水期，三峽水庫向下游補水，一定程度上增加了荊江三口的徑流量，與1981-2002年相比，2003-2020年枯水期和漲水期荊江三口徑流量分別增加了194%和17%；退水期水庫蓄水導致下游徑流量減少，與1981-2002年相比，2003-2020年退水期荊江三口徑流量減少了40%.

圖6 荊江三口不同時段逐月徑流分配特征Fig.6 Monthly flow of the three outlets along Jingjiang River

2.3 荊江三口枯水期斷流特征

受三口洪道淤積、長江干流來水豐枯波動變化影響，1956年以來，荊江三口洪道出現(xiàn)洪道斷流，其中：藕池河西支每年均有斷流；藕池河東支1960s出現(xiàn)間歇性年份斷流，1960s末開始每年有斷流；虎渡河自1970s中期開始出現(xiàn)斷流；松滋口東支自1974年出現(xiàn)斷流，且此后每年均有斷流，三口通流對應(yīng)枝城來水流量變大. 考慮水文觀測資料的統(tǒng)一性和觀測成果的同步性，本文采用荊江三口口門段斷流發(fā)生時同日枝城站日平均流量(下文簡稱斷流流量)以及通流發(fā)生時同日枝城站日平均流量(下文簡稱通流流量)作為評價參數(shù)來分析荊江三口斷流時間的變化.

三口五站中，除了新江口站外，均有斷流發(fā)生，且斷流時間長短不同. 以往研究多以整體進行研究[21]，由于長、短斷流發(fā)生特征以及影響因素不同，本次根據(jù)沙道觀、彌陀寺、康家崗、管家鋪的1956-2020年歷年各次斷流對應(yīng)的天數(shù)進行了經(jīng)驗頻率計算，選取4個站50%頻率斷流時間平均值60 d為分界點，即長斷流(>60 d)和短斷流(≤60 d)，分析荊江三口4個水文站不同時段出現(xiàn)長、短斷流時間的年均累積天數(shù)以及對應(yīng)的枝城站流量特征.

2.2.1 長斷流特征分析 根據(jù)歷年觀測資料統(tǒng)計，三口各站1981-2002年以及2003-2020年2個時間段長斷流天數(shù)變化情況見圖7. 由圖7可以看出，沙道觀站1981-2002年斷流平均開始日期為11月20日，對應(yīng)枝城站平均斷流流量為8210 m3/s，斷流平均結(jié)束日期為4月30日，對應(yīng)枝城站通流流量為9920 m3/s，平均斷流時間為162 d；2003年以后，斷流平均開始日期進一步提前，為11月5日，對應(yīng)枝城站平均斷流流量為9510 m3/s，斷流平均結(jié)束日期也有一定提前，為4月18日，對應(yīng)枝城站平均通流流量為11700 m3/s，平均斷流時間為165 d，斷流時間略有增加.

彌陀寺站1981-2002年斷流平均開始日期為11月20日，對應(yīng)枝城站平均斷流流量為7400 m3/s，斷流平均結(jié)束日期為4月12日，對應(yīng)枝城站通流流量為7780 m3/s，平均斷流時間為147 d；2003年以后，斷流平均開始日期進一步提前，為11月16日，對應(yīng)枝城站平均斷流流量為7020 m3/s，斷流平均結(jié)束日期也有一定提前，為3月12日，對應(yīng)枝城站平均通流流量為8400 m3/s，平均斷流時間為120 d，斷流天數(shù)明顯減少.

康家崗站1981-2002年斷流平均開始日期為10月19日，對應(yīng)枝城站平均斷流流量為15900 m3/s，斷流平均結(jié)束日期為6月16日，對應(yīng)枝城站通流流量為20200 m3/s，平均斷流時間為240 d；2003年以后，斷流平均開始日期進一步提前，為9月28日，對應(yīng)枝城站平均斷流流量為15500 m3/s，斷流平均結(jié)束日期也有一定提前，為6月6日，對應(yīng)枝城站平均通流流量為18100 m3/s，平均斷流時間為251 d，斷流時間略有增加，通流對應(yīng)枝城流量明顯減少.

管家鋪站1981-2002年斷流平均開始日期為11月22日，對應(yīng)枝城站平均斷流流量為8450 m3/s，斷流平均結(jié)束日期為4月29日，對應(yīng)枝城站通流流量為7780 m3/s，平均斷流時間為158 d；2003年以后，斷流平均開始日期進一步提前，為11月12日，對應(yīng)枝城站平均斷流流量為8860 m3/s，斷流平均結(jié)束日期有一定延后，為5月1日，對應(yīng)枝城站平均通流流量為11600 m3/s，平均斷流時間為170 d，斷流天數(shù)明顯增加.

總體而言，2003-2020年相比1981-2002年，四站中除彌陀寺斷流持續(xù)時間呈現(xiàn)減少變化特征外，其他三站斷流持續(xù)時間均呈現(xiàn)增加的變化特征，其中管家鋪站斷流天數(shù)增加明顯；從通流條件下的枝城流量變化來看，管家鋪站的通流條件有所改善，對應(yīng)枝城站的通流流量有所降低，其他三站通流時對應(yīng)枝城站流量均有增加.

2.2.2 短斷流特征分析 三峽水庫運行后，沙道觀小于60 d的斷流時間基本沒有變化，其他3個站點小于60 d的斷流時間略有增加(表5). 短斷流對應(yīng)的枝城斷流和通流流量基本呈現(xiàn)增加的特征，由于短斷流量出現(xiàn)時間較為零散，受到影響因素較為復雜，規(guī)律性不強，因此本次研究并未對短斷流出現(xiàn)時間進行統(tǒng)計規(guī)律分析.

圖8 2011年1月份情景模擬設(shè)置Fig.8 Scenario simulation for January, 2011

3 補水效果分析

3.1 三峽水庫不同時段恒定增加下泄效果分析

為了進一步分析三峽水庫波動下泄調(diào)度對于荊江三口補充水量的效果，本次基于構(gòu)建的長江與洞庭湖一、二維水動力學模型，選取三峽蓄水后來水偏枯的2011年作為典型年，假定每個月(不含汛期)上旬三峽水庫在實測流量的基礎(chǔ)上每日多下泄1000 m3/s的情況(以1月份為例，情景設(shè)置見圖8)，分析荊江三口各個站點可以額外補充的水量.

表6 三峽水庫不同月份補水效果分析

三峽水庫不同時段恒定增加下泄計算成果見表6. 由表可以看出，在假定三峽水庫各個月上旬(1-10日)均增加86400萬m3下泄水量情況下，受到干流水位以及三口口門水位的影響，各個月份的荊江三口各站補水效果是不同的. 增加下泄流量后，相應(yīng)的三口增加水量與三峽下泄水量的比例(以下簡稱補水比例)范圍為2.96%～54.69%，其中11月上旬三峽水庫下泄補水，實測平均流量較大，河道底水較高，補水效果優(yōu)于其他月份，而1月份補水效果最差. 對于枯水期1-3月，補水比例僅為2.96%～3.16%，并且水量僅能補充到松滋河，對虎渡河和藕池河基本沒有效果. 需要指出的是，本次采用的是典型年情況分析，由于不同年份來水情況存在差別，補水比例可能會有一定的差別.

3.2 水庫增加下泄流量推遲彌陀寺站斷流效果分析

通過3.1節(jié)分析，三峽水庫增加下泄水量對于康家崗站影響不大，而沙道觀站斷流時間相對其他3個站短，本次分析推遲三口斷流的方案將重點分析彌陀寺和管家鋪站.

本次選取三峽水庫運行后彌陀寺站長斷流出現(xiàn)最早的時間(2013年10月12日)對應(yīng)的流量過程，分析三峽增加下泄流量對推遲彌陀寺站斷流的效果. 2013年10月6日-2013年10月21日宜昌和彌陀寺站實測流量過程見圖9. 本次根據(jù)下泄量大小設(shè)計了2種增加下泄流量的方案，各個方案增加下泄時間均一致，增加下泄量不同，維持下泄的流量分別參考彌陀寺站斷流前1天和前2天對應(yīng)的宜昌站的日平均流量，分別設(shè)定為8000和8500 m3/s，維持下泄流量的時間均為10 d，兩種方案分別向下游增加水量為6億和10億m3.

從補水效果(表7)來看，方案1中維持宜昌下泄流量為8000 m3/s條件下，彌陀寺站斷流時間沒有變化，補充水量為0；方案2中維持宜昌下泄流量為8500 m3/s條件下，彌陀寺站斷流推遲時間跟水庫增加下泄時間一致，均為10 d，補充水量為0.028億m3.

從可行性角度來講，可以在彌陀寺站斷流時將宜昌站流量增加到斷流前2天時的流量，通過以上方法可以推遲彌陀寺站的斷流時間，推遲斷流時間與水庫增加下泄時間一致. 然而以上方法補水效果較差，補水率僅為0.28%，在非必要條件下，不推薦通過水庫增加下泄流量方法推遲彌陀寺站的斷流時間.

圖9 宜昌和彌陀寺站流量過程及補水效果Fig.9 Flow for Yichang and Mituosi stations and effect of delaying the cut-off for Mituosi station

表7 彌陀寺站不同補水方案及效果統(tǒng)計

3.3 水庫增加下泄流量推遲管家鋪站斷流效果分析

本次選取管家鋪站長斷流出現(xiàn)最早的時間(2009年10月5日)對應(yīng)的流量過程，分析三峽增加下泄流量對推遲管家鋪站斷流的效果. 2009年9月30日-10月24日宜昌和管家鋪站實測流量過程見圖10.

本次根據(jù)下泄量大小設(shè)計了2種增加下泄流量的方案(表8)，維持下泄的流量分別參考管家鋪站斷流前1天和前2天對應(yīng)的宜昌站的日平均流量，分別為8600和9040 m3/s，維持下泄流量的時間為10 d，兩種方案分別向下游增加水量4億和8億m3.

由表8可以看出，在宜昌站不同量級條件下進行補水，效果也有不同. 方案1中維持宜昌下泄流量為8600 m3/s的條件下，管家鋪站斷流推遲了12 d，補充水量為0.072億m3；方案2中維持宜昌下泄流量為9040 m3/s的條件下，管家鋪站斷流推遲了12 d，補充水量為0.14億m3.

從可行性角度來講，可以在管家鋪站斷流時將宜昌站流量增加到斷流前1天時的流量，通過以上方法可以推遲管家鋪站的斷流，推遲斷流時間約為水庫增加下泄時間的1.2倍. 然而以上方法補水效果較差，補水率僅為0.18%，在非必要條件下，不推薦通過水庫增加下泄流量方法推遲管家鋪站斷流.

圖10 宜昌和管家鋪站流量過程及補水效果Fig.10 Flow for Yichang and Guanjiapu stations and effect of delaying the cut-off for Guanjiapu station

表8 管家鋪站不同補水方案及效果統(tǒng)計

4 結(jié)論

1)受人類活動以及天然來水減少的雙重影響，荊江三口年均徑流量和分流比持續(xù)減少，三峽水庫運行后荊江三口分流量和分流比沒有趨勢性變化. 相比1981-2002年，2003-2020年荊江三口汛期和退水期徑流分別減少26%和40%，枯水期和漲水期徑流分別增加了194%和17%. 三口年均徑流量在1978年發(fā)生突變，主要誘發(fā)因素是人類活動.

2)三峽蓄水以后，彌陀寺站斷流持續(xù)時間有一定減少，其他三站斷流持續(xù)時間均呈現(xiàn)增加的變化特征，其中管家鋪站斷流時間增加明顯；管家鋪站的通流條件有所改善，對應(yīng)枝城站的通流流量均有所降低，其他三站通流時對應(yīng)枝城站流量均有增加.

3)在假定三峽水庫各個月上旬均增加8640萬m3下泄水量情況下，相應(yīng)的三口增加水量與三峽下泄水量的比例范圍在2.96%～54.7%，其中11月補水效果優(yōu)于其他月份，而1月份補水效果最差. 對于枯水期1-3月，補水比例僅為2.96%～3.16%，并且補充的水量僅能補充到松滋河，對虎渡河和藕池河基本沒有效果.

4)在枯水年情況下，水庫將流量保持在彌陀寺站斷流前2天對應(yīng)宜昌站的流量，可推遲彌陀寺站斷流時間與水庫維持增加下泄時間一致；水庫將流量保持在管家鋪站斷流前1天對應(yīng)宜昌站的流量，可推遲管家鋪斷流時間約為水庫增加下泄時間的1.2倍. 以上補水效果均較差，在非必要條件下，不推薦通過水庫增加下泄流量方法推遲彌陀寺和管家鋪站斷流. 本次通過數(shù)值模擬手段量化水庫下泄補水的效果，對梯級水庫科學制定蓄水、供水等聯(lián)合調(diào)度方案提供科學參考.