長(zhǎng)江中游沙市水文站水位流量關(guān)系分析

何康潔 鄧鵬鑫 劉昕 李威

摘要：為了研究三峽水庫(kù)調(diào)度引起的荊江河段河道沖刷，以及松滋口、太平口、藕池口三口分流分沙條件變化對(duì)沙市水文站水位流量關(guān)系的影響，利用校正因素法和落差法分別對(duì)沙市水文站受到的洪水漲落影響和下游回水頂托影響等因素進(jìn)行改正，分析了沙市水文站不同流量級(jí)下的水位降低情況，復(fù)核了三峽水庫(kù)建庫(kù)后沙市水文站的水位流量關(guān)系曲線。結(jié)果表明：當(dāng)蓮花塘水位在28 m以下時(shí)，在6 000～10 000 m3/s的過(guò)水流量條件下，與20世紀(jì)90年代水位流量關(guān)系線成果相比，2003～2021年沙市水文站水位降低了2.32～3.59 m；蓮花塘水位越低，斷面過(guò)水流量越小，沙市水文站水位降低越多；高水部分總體無(wú)趨勢(shì)性變化。

關(guān)鍵詞：水位流量關(guān)系； 校正因素法； 落差法； 沙市水文站； 長(zhǎng)江中游

中圖法分類號(hào)：TV122

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2023.S2.003

文章編號(hào)：1006-0081（2023）S2-0011-04

0 引 言

長(zhǎng)江流域防洪體系正逐步完善，社會(huì)發(fā)展對(duì)防洪保障能力、防洪區(qū)劃布局以及防洪管理建設(shè)需求等方面提出了更高的要求。到2021年，已有107座（處）水工程納入了長(zhǎng)江流域聯(lián)合調(diào)度范圍［1-2］。受氣候變化、大規(guī)模工程建設(shè)和運(yùn)行的影響，流域水雨情以及江湖關(guān)系發(fā)生了新變化，需要盡快明晰以三峽水庫(kù)為核心的流域防洪工程體系建成后的江湖關(guān)系特征，進(jìn)而對(duì)防洪總體布局進(jìn)行優(yōu)化，進(jìn)一步提升流域防洪安全保障能力，推動(dòng)新時(shí)期水利高質(zhì)量發(fā)展。

三峽水利樞紐工程與荊江分洪工程防洪調(diào)度決策運(yùn)行控制均以沙市（二郎磯）水文站水情為重要依據(jù)。三峽水庫(kù)的建成運(yùn)行改變了天然來(lái)水過(guò)程，也改變了下游水沙特性，荊江河段水沙特性的變化尤為明顯。上游水庫(kù)群的建設(shè)導(dǎo)致泥沙多被攔截在壩上，荊江河段受清水下泄影響，河道出現(xiàn)大幅沖刷，使得該段的洪水特性發(fā)生改變［3］。河道沖刷造成干流水位降低，松滋口、太平口、藕池口三口分流均有不同程度的減少［4-5］。部分河段河床出現(xiàn)嚴(yán)重沖刷，水位流量關(guān)系發(fā)生了較為明顯的變化，這些將對(duì)下游河段的河勢(shì)穩(wěn)定、通航條件、供水安全及生態(tài)環(huán)境等方面產(chǎn)生不利影響［6-8］。河道形態(tài)的改變對(duì)荊江河段中高水位影響不大，中低水位有一定程度的降低［9-10］。三峽水庫(kù)試驗(yàn)性蓄水后，長(zhǎng)江中下游干流各代表站低枯水同流量下水位有不同程度下降，其中沙市水文站下降幅度最大［11］。

本文利用三峽水庫(kù)蓄水以來(lái)的水文資料，運(yùn)用洪水漲落及下游支流回水頂托改正的計(jì)算方法，復(fù)核沙市水文站水位流量關(guān)系曲線。研究成果可為合理調(diào)度三峽工程等長(zhǎng)江上游水庫(kù)、洪水預(yù)報(bào)以及洪水防御和《長(zhǎng)江流域防洪規(guī)劃》的修編等提供重要參考。

1 研究區(qū)域概況

1.1 沙市水文站概況

沙市水文站位于湖北省荊州市沙市區(qū)二郎磯，是國(guó)家基本水文站、長(zhǎng)江中游干流控制站［12］、中央報(bào)汛站、一類精度流量站、一類泥沙站，現(xiàn)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目有水位、流量、降水量、懸移質(zhì)含沙量、懸移質(zhì)顆粒級(jí)配、沙質(zhì)推移質(zhì)、床沙、水質(zhì)。沙市水位站設(shè)立于1933年1月，水位觀測(cè)曾于1938年10月至1939年5月、1940年6月至1946年3月經(jīng)歷過(guò)兩次中斷，于1946年4月恢復(fù)。1991年1月增加了流量監(jiān)測(cè)項(xiàng)目，調(diào)整為水文站［13］。沙市水文站基本水尺位于測(cè)流斷面上游3.92 km的二郎磯，左岸上游1 km系學(xué)堂洲（古時(shí)為江干洲），原沮漳河于此匯入長(zhǎng)江。沙市水文站所在長(zhǎng)江流域水系水文站分布見(jiàn)圖1。

1.2 測(cè)驗(yàn)河段及斷面概況

沙市水文站測(cè)流斷面位于柳林洲，測(cè)驗(yàn)河段上游寬，下游窄，上下游約有4 km順直段，測(cè)流斷面與下游藕池口、城陵磯水文站距離分別為76.1，241.9 km。斷面呈“U”形，漫灘水位約42.4 m（使用凍結(jié)基面）。當(dāng)水位在41.0 m（使用凍結(jié)基面）以下時(shí)，江心洲露出水面，江水分為兩股；水位在44.2 m（使用凍結(jié)基面）以上時(shí)，右岸小堤淹沒(méi)與主河連成一片。上、下游洲灘變化及左右汊道的變動(dòng)對(duì)沙市水文站河段主流擺動(dòng)和斷面沖淤影響較大。

1981年葛洲壩水利樞紐大江截流開(kāi)始蓄水和2003年三峽水庫(kù)蓄水之后，宜昌-沙市河段以及上荊江河段出現(xiàn)沖刷。

1.3 沙市水文站測(cè)驗(yàn)方式

沙市水文站于2000年12月投產(chǎn)使用水文303輪，并配備了微機(jī)測(cè)流系統(tǒng)；2002年4月配備了全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（GPS）及數(shù)字測(cè)深儀。2005年7月1日，水位和雨量實(shí)現(xiàn)報(bào)汛自動(dòng)化；2006年可視會(huì)商系統(tǒng)投入使用。2009年走航式聲學(xué)多普勒流速剖面儀（ADCP）投產(chǎn)測(cè)流；2010年水位流量關(guān)系單值化應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)；2011年以來(lái)多型號(hào)激光粒度分析儀投產(chǎn)。2022年安裝了H-ADCP和V-ADCP，采用兩者相結(jié)合的方式開(kāi)展流量在線監(jiān)測(cè)試驗(yàn)研究，多種在線測(cè)沙儀、快速測(cè)沙儀已進(jìn)行比測(cè)試驗(yàn)。

2 沙市水文站水位流量關(guān)系影響因素

沙市水文站水位流量關(guān)系的影響因素較多，主要因素為受河段沖淤影響引起的斷面變化、洞庭湖來(lái)水小而長(zhǎng)江來(lái)水大造成的洪水漲落與下游蓮花塘回水頂托［14-16］。除此之外，還有洪水來(lái)水組成、洪水間隔時(shí)間、起漲水位、洪峰形狀等［17-18］。20世紀(jì)60～70年代下荊江裁彎系統(tǒng)性改變了沙市水文站水位流量關(guān)系，使得該河段水面比降有所增加，并引起河道內(nèi)長(zhǎng)時(shí)期沖刷，河道過(guò)流能力增加，直至20世紀(jì)90年代前才達(dá)到?jīng)_淤平衡。裁彎縮短了沙市至城陵磯間的距離，增加了蓮花塘的頂托影響。

2.1 過(guò)流斷面變化

根據(jù)沙市水文站實(shí)測(cè)資料分析，在三峽水庫(kù)建庫(kù)前，1991～2002年斷面呈現(xiàn)汛期沖、汛后淤的規(guī)律性變化，年內(nèi)汛前汛后沖淤大致平衡。以水位41 m 的斷面面積為例，面積變化一般相差不超過(guò)4%。年際斷面沖淤交替變化。沙市水文站高水水位40 m時(shí)斷面面積基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，變化幅度較小，無(wú)趨勢(shì)性變化。三峽水庫(kù)建庫(kù)1991～2002年沙市水文站實(shí)測(cè)斷面見(jiàn)圖2。

沙市水文站測(cè)驗(yàn)斷面在三峽水庫(kù)運(yùn)行后變化較大（圖3）。當(dāng)水位41 m時(shí)，2003年斷面過(guò)水面積為17 224 m2，與1991年的過(guò)水面積17 231 m2相差無(wú)幾；2007～2017年，斷面基本呈現(xiàn)出沖刷-回淤-沖刷的態(tài)勢(shì)，隔年略有回淤；2018～2021年為持續(xù)性沖刷，不同水位級(jí)斷面過(guò)流面積均增大。當(dāng)水位為45 m時(shí)，2021年過(guò)水?dāng)嗝婷娣e比2003年增大22.2%。

2.2 三口分流分沙條件變化

多年來(lái)，洞庭湖區(qū)及松滋口、太平口、藕池口三口分洪道呈逐步淤積的態(tài)勢(shì)，抬高了臨界過(guò)流水位，使得洞庭湖入湖水量、沙量減少。20世紀(jì)50～90年代，三口年分流、分沙量分別減少了15%和17%。

2003年三峽水庫(kù)運(yùn)行后，三口分流量繼續(xù)保持衰減的變化趨勢(shì)。與1981～2002年相比，三峽水庫(kù)建庫(kù)后三口分流量減小了189億m3，減幅為27.6%；分流比減小了3.4%；分沙量減少了7 810萬(wàn)t，減幅為90%；分沙比略有增加。

3 沙市水文站水位流量關(guān)系影響因素改正

3.1 洪水漲落影響改正

當(dāng)洞庭湖來(lái)水小、長(zhǎng)江來(lái)水較大時(shí)，沙市水文站水位流量關(guān)系受到洪水漲落影響較為明顯。選取此類年份資料進(jìn)行分析，修正方法采用校正因素法，計(jì)算公式如下：

式中：Qc為校正后的穩(wěn)定流量，m3/s；Qn為實(shí)測(cè)流量，m3/s；ΔZ為洪水1 d內(nèi)的漲落值，m；Δt為時(shí)段，s；1/（UIc）為校正因子。

3.2 蓮花塘頂托水位分析

當(dāng)洞庭湖來(lái)水大、蓮花塘水位較高、長(zhǎng)江來(lái)水較小時(shí)，沙市水文站水位流量關(guān)系受到回水頂托影響較為明顯。水位越高，繩套曲線越明顯，點(diǎn)群越分散。

以沙市-蓮花塘的水位落差為參數(shù)繪制沙市水文站水位流量關(guān)系曲線，發(fā)現(xiàn)點(diǎn)據(jù)分布存在一定規(guī)律，從上至下、從左至右的分布位置為：蓮花塘高水位點(diǎn)據(jù)、蓮花塘低水位點(diǎn)據(jù)、落差小的點(diǎn)據(jù)、落差大的點(diǎn)據(jù)。沙市-蓮花塘落差一般為7～13 m，以1 m落差為一級(jí)，同時(shí)以正常落差定線分析水位流量關(guān)系的年際變化。落差指數(shù)法計(jì)算公式如下：

式中：Q1，Q2分別為洪水漲落影響改正后同水位不同落差的流量，m3/s；

ΔZ1，ΔZ2為Q1，Q2相應(yīng)的沙市-蓮花塘水位落差，

m； β為落差指數(shù)。

3.3 其他影響因素

沙市水文站水位流量關(guān)系還受起漲水位、一段時(shí)間內(nèi)的洪水個(gè)數(shù)、洪峰形狀等因素影響。其中，高起漲水位、多峰連續(xù)洪水、偏胖的洪水峰型均可能導(dǎo)致沙市水文站水位偏高。

4 沙市水文站水位流量關(guān)系變化分析

4.1 水位流量關(guān)系擬定

將2003～2021年沙市水文站的實(shí)測(cè)流量資料按來(lái)水組成進(jìn)行分析，分別按校正因素法和落差指數(shù)法對(duì)洪水漲落、回水頂托進(jìn)行改正，按蓮花塘不同水位進(jìn)行分級(jí)，每1 m為一個(gè)分級(jí)，得到沙市水文站水位流量關(guān)系線簇。同一蓮花塘水位下，沙市水位流量關(guān)系為單一曲線；同一沙市水位下，蓮花塘水位越低，沙市流量越大；同一沙市流量下，蓮花塘水位越高，對(duì)應(yīng)的沙市水位越高。沙市水文站水位流量關(guān)系線如圖4所示。

4.2 水位流量關(guān)系變化分析

本次采用三峽水庫(kù)建庫(kù)后2003～2021年的資料對(duì)沙市水文站水位流量關(guān)系線進(jìn)行復(fù)核，尤其是2016，2020年等大水年資料可較準(zhǔn)確地體現(xiàn)沙市水文站水位流量關(guān)系現(xiàn)狀。與20世紀(jì)90年代水位流量關(guān)系綜合線成果對(duì)比可發(fā)現(xiàn)：由于大水年份較少，流量大于35 000 m3/s時(shí)，高水點(diǎn)據(jù)與原20世紀(jì)90年代大水綜合線擬合較好；流量小于35 000 m3/s時(shí)，相同流量下2003～2021年水位降低（表1）。在6 000～10 000 m3/s的過(guò)水流量條件下，沙市水文站水位降低了2.32～3.59 m；蓮花塘水位越低，斷面過(guò)水流量越小，沙市水文站水位降低越多。

沙市水文站水位流量關(guān)系線低水部分線較為集中，高水部分為繩套曲線，總體呈掃把狀的形態(tài)。三峽水庫(kù)建庫(kù)后低水位下斷面沖刷較多，斷面形態(tài)變化大，河段沖淤變化對(duì)該站低水部分水位流量關(guān)系影響較大，因此沙市水文站的水位流量變化主要體現(xiàn)在低水部分，2003～2021年水位流量關(guān)系線較20世紀(jì)90年代下移，流量越小，下移幅度越大；高水部分無(wú)明顯的變化趨勢(shì)。

5 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)沙市水文站2003～2021年水位、流量資料的研究分析，結(jié)合斷面沖淤變化及三口分流分沙的影響，得出如下結(jié)論。

（1）沙市水文站上游水庫(kù)群及三峽水庫(kù)的建成造成出庫(kù)沙量大幅減小，引起下游河道沖刷，沙市水文站過(guò)水?dāng)嗝婷娣e在三峽水庫(kù)運(yùn)行后有較大增加。

（2）三口分流、分沙量的持續(xù)衰減導(dǎo)致荊江水量不斷增大，增加了對(duì)洞庭湖的頂托作用。

（3）三峽工程運(yùn)行后，沙市水文站河段沖淤變化對(duì)該站低水部分水位流量關(guān)系影響較大，流量越小，水位流量關(guān)系線下移幅度越大；高水部分總體無(wú)趨勢(shì)性變化。

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