荊江太平口逆流現(xiàn)象成因分析

引用格式：.荊江太平口逆流現(xiàn)象成因分析[J].水利水電快報(bào)，2025，46（7）：11－16.

近年來(lái)，荊江三口之一的太平口頻繁出現(xiàn)逆流現(xiàn)象[1]。三峽水庫(kù)運(yùn)行后，荊江三口的分流比減小，虎渡河口門段河道微沖[2-5]。三峽水庫(kù)蓄水后虎渡河水量明顯減少[6-8]。事實(shí)上，三峽水庫(kù)運(yùn)行后，虎渡河的水沙特性均發(fā)生了變化[9-10]，而相關(guān)站點(diǎn)監(jiān)測(cè)情況顯示，逆流現(xiàn)象也是在三峽水庫(kù)運(yùn)行之后出現(xiàn)的。目前關(guān)于荊江三口逆流現(xiàn)象的研究大多是對(duì)個(gè)別年份或場(chǎng)次的分析，為進(jìn)一步探索太平口逆流現(xiàn)象產(chǎn)生的原因，本文對(duì)彌陀寺站所有逆流時(shí)段的數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總，采用彌陀寺站首次逆流年份（2015年）至2023年的太平口、彌陀寺等主要控制站點(diǎn)實(shí)測(cè)水位、流量資料，以及三峽水庫(kù)運(yùn)行期間相關(guān)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的水位，對(duì)太平口的逆流現(xiàn)象進(jìn)行分析。

1 研究區(qū)域概況

荊江三口原為荊江四口，由荊江南岸的松滋口、太平口、藕池口、調(diào)弦口組成[11-12]，其中調(diào)弦口于 1959年封堵[13]，因此現(xiàn)今稱為荊江三口。荊江三口是江湖關(guān)系的紐帶[14]，其中太平口原稱“虎渡口\"或“虎口”，為虎渡河分流長(zhǎng)江之口門。河口下游約 1.5km 有荊江分洪北閘，當(dāng)荊江分洪工程啟用時(shí)，對(duì)太平口站水位影響較大。北閘下游約 0.6km 有太平口水位站，下游約 8.6km 有彌陀寺水文站，均為虎渡河控制站。彌陀寺站下游約 41km 為中河口，系虎渡河與松滋河（東支）水系連通的串溝，流向順逆不定，下游約 83km 處有虎渡河節(jié)制閘南閘，再往下游與松滋河及澧水匯合后流入洞庭湖（圖1）。復(fù)雜的河網(wǎng)關(guān)系使得彌陀寺站既受長(zhǎng)江干流上游來(lái)水影響，又受下游洞庭湖頂托影響。

2逆流現(xiàn)象及成因分析

根據(jù)彌陀寺站歷史實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，太平口逆流首次出現(xiàn)時(shí)間為2015年，之后除2016年，每年都會(huì)發(fā)生不同時(shí)長(zhǎng)的逆流現(xiàn)象，其中2023年逆流持續(xù)天數(shù)更是長(zhǎng)達(dá)70d 。對(duì)彌陀寺站 2015～2023 年水文資料及逆流相關(guān)特征值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，包括逆流持續(xù)天數(shù)、年實(shí)測(cè)最大逆流流量、最大日平均逆流流量、年徑流量等（表1）。

從持續(xù)時(shí)間上看，除2021年與2023年，其余年份逆流累計(jì)天數(shù)均小于10d，且2023年逆流累計(jì)天數(shù)達(dá)70d 。2018年實(shí)測(cè)最大逆流流量出現(xiàn)在10月底，即汛期末，其余年份均出現(xiàn)在5＼～7月主汛期。結(jié)合年徑流量進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)，2022年與2023年徑流量雖小，但逆流持續(xù)天數(shù)相對(duì)較長(zhǎng)。綜合分析，逆流持續(xù)時(shí)間、逆流流量大小與水文年豐枯沒(méi)有明顯關(guān)系。本文將對(duì)部分年份出現(xiàn)逆流現(xiàn)象的洪水過(guò)程進(jìn)行分析。

在2015年“東方之星”事件中，三峽水庫(kù)壓減下泄流量，長(zhǎng)江干流荊江段水位迅速止?jié)q轉(zhuǎn)落，逆流時(shí)段持續(xù)了 6d^[15] 。逆流期間，三峽水庫(kù)入庫(kù)流量在10000～16000m³/s 范圍內(nèi)波動(dòng)，出庫(kù)流量從17200m³/s 降至 6800m³/s 。逆流期間三峽水庫(kù)調(diào)度過(guò)程見(jiàn)圖2。在此期間，太平口水位從 33.53m 降至 31.06m 彌陀寺水位隨之降低，但兩站產(chǎn)生了明顯的負(fù)落差，最大負(fù)落差為 -1.169m 。同時(shí)，下游黃山頭（閘上）的水位也與彌陀寺水位變化趨勢(shì)一致，三站水位對(duì)比如圖3所示。

2017年“長(zhǎng)江1號(hào)洪水\"期間，為緩解長(zhǎng)江中下游防洪壓力，三峽水庫(kù)調(diào)度及時(shí)控制了長(zhǎng)江干流荊江河段及洞庭湖區(qū)水位上漲趨勢(shì)[16-17]，逆流時(shí)段持續(xù)4d。

逆流期間，三峽水庫(kù)入庫(kù)流量從 26000m³/s 下降至17500m³/s ，維持3d后上升至 30 000m³/s 左右，出庫(kù)流量從 27 300m³/s 下降至 8000m³/s 左右，持續(xù)3d 后開(kāi)始上升。逆流期間三峽水庫(kù)調(diào)度過(guò)程見(jiàn)圖4。在此期間，太平口水位從 37.08m 降至 33.79m ，彌陀寺水位隨之降低，兩站產(chǎn)生了較小的負(fù)落差，最大負(fù)落差為 -0.246m 。結(jié)合下游黃山頭（閘上）的水位變化趨勢(shì)，三站水位對(duì)比如圖5所示。

2020年的逆流過(guò)程集中于6月 9～16 日，期間三峽水庫(kù)開(kāi)展調(diào)度[18]（圖6）。三峽水庫(kù)入庫(kù)流量先是穩(wěn)定在 12000m³/s 左右，后逐漸增大，最大達(dá)18000m³/s ，出庫(kù)流量先由 18000m³/s 下降至 11000m³/s 后面呈周期性波動(dòng)。相比2015年和2017年，這次的調(diào)度過(guò)程具有周期性的特點(diǎn)，因此逆流量相對(duì)較小，且持續(xù)時(shí)間不長(zhǎng)。在此期間，太平口水位從 33.82m 降至 31.97m ，彌陀寺水位隨之降低，兩站產(chǎn)生了負(fù)落差，最大負(fù)落差為 -0.306m ，結(jié)合下游黃山頭（閘上）的水位變化趨勢(shì)，三站水位對(duì)比如圖7所示。

2021年太平口發(fā)生數(shù)次逆流現(xiàn)象，本文選取5月23～30 日的過(guò)程進(jìn)行分析。5月23～30日三峽水庫(kù)調(diào)度過(guò)程如圖8所示?？梢钥闯觯媪鬟^(guò)程與三峽水庫(kù)周期性調(diào)度之間存在很大關(guān)系。三峽水庫(kù)入庫(kù)流量在 11 000m³/s 左右波動(dòng)，出庫(kù)流量呈周期性波動(dòng)，平均幅度達(dá) 5000m³/s 左右。在此期間，太平口水位與彌陀寺水位兩站產(chǎn)生的負(fù)落差很小，最大負(fù)落差為-0.026m ，結(jié)合下游黃山頭（閘上）的水位變化趨勢(shì)，三站水位對(duì)比如圖9所示。

2023年的太平口逆流發(fā)生次數(shù)較多，本文選取6月 10～23 日的過(guò)程進(jìn)行分析。2023年6月10＼～23日三峽水庫(kù)調(diào)度過(guò)程如圖10所示。三峽水庫(kù)入庫(kù)流量從 10300m³/s 減少至 8000m³/s ，出庫(kù)流量呈周期性波動(dòng)，平均幅度達(dá) 4000m³/s 左右。6月10＼～17日，太平口水位從 33.02m 降至 29.84m ，太平口水位與彌陀寺水位兩站產(chǎn)生的負(fù)落差持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，最大負(fù)落差為 -0.556m ，結(jié)合下游黃山頭（閘上）的水位變化趨勢(shì)，三站水位對(duì)比如圖11所示。

三峽水庫(kù)調(diào)度導(dǎo)致長(zhǎng)江干流荊江段水位驟降，虎渡河太平口站與彌陀寺站產(chǎn)生倒比降，為逆流創(chuàng)造了條件。2020年開(kāi)始，三峽水庫(kù)的周期性調(diào)度過(guò)程使逆流現(xiàn)象更加頻繁。以黃山頭（閘上）站水位代表下游洞庭湖的頂托作用，長(zhǎng)江干流上游來(lái)水與下游洞庭湖頂托的影響使彌陀寺站逆流現(xiàn)象更加復(fù)雜。除此之外，松滋河與虎渡河交匯的中河口順逆不定，中河口來(lái)水也可能會(huì)導(dǎo)致短期的少量逆流產(chǎn)生。

3逆流流量計(jì)算

為進(jìn)一步探索逆流流量大小與已知因素之間的關(guān)系，對(duì) 2015～2023 年間彌陀寺站實(shí)測(cè)水位流量數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)共有51次逆流。根據(jù)水力學(xué)明渠恒定流的計(jì)算原理，河道流量大小與比降、河相關(guān)系、河道糙率等因素有關(guān)。其中比降可用太平口與彌陀寺之間的落差來(lái)表示，而河相關(guān)系、河道糙率在不同水位級(jí)下是不同的，且隨河道沖淤變化也會(huì)發(fā)生改變。因此，為了簡(jiǎn)化逆流流量的計(jì)算，按恒定流考慮，建立彌陀寺站逆流指標(biāo)，參照曼寧公式的形式，綜合考慮了水位落差、河相關(guān)系之間的數(shù)值關(guān)系。彌陀寺站逆流的主要原因是太平口站與彌陀寺站之間存在倒比降，根據(jù)太平口至彌陀寺的距離（ 6.5km ）及兩站之間的水位落差來(lái)計(jì)算倒比降，再加上彌陀寺站大斷面河相關(guān)系（斷面面積、水面寬、斷面平均水深），將這些參數(shù)整合計(jì)算出一個(gè)值 F ，為彌陀寺站逆流指標(biāo)。 F 與相關(guān)因素的關(guān)系可用如下公式表示：

式中： A 為彌陀寺站斷面面積， m²;ΔZ 為太平口與彌陀寺的水位落差， m;B 為彌陀寺站水面寬， 為彌陀寺站斷面平均水深，H=A B，m;F為彌陀寺站逆流指標(biāo)，m4/3

為探索彌陀寺站逆流流量大小 Q 與彌陀寺站逆流指標(biāo) F 之間的相關(guān)關(guān)系，對(duì) 2015～2023 年間彌陀寺站實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，共有51次逆流資料。通過(guò)對(duì)不同水位優(yōu)化分級(jí)分別進(jìn)行擬合，得到 F 與 Q 的相關(guān)關(guān)系（圖12～14）?？梢钥闯觯此患?jí)劃分后，逆流流量隨著參數(shù) F 的增大而增加，水位 （Z） 在 30.22～ 32.00m 時(shí)，相關(guān)度達(dá)到了0.9782；水位在 32.00～ 33.00m 時(shí)，相關(guān)度為0.9209；水位在 33.00～34.66 m 時(shí)，相關(guān)度為0.9200，總體相關(guān)性好。

根據(jù)得到的不同水位級(jí)下 F 與 Q 之間的關(guān)系，當(dāng)太平口與彌陀寺實(shí)時(shí)水位監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)出現(xiàn)落差為負(fù)時(shí)，則可根據(jù)兩站水位快速計(jì)算出相應(yīng)的 F 值，進(jìn)而根據(jù)F 與 Q 的擬合關(guān)系推算出彌陀寺站此時(shí)逆流流量 Q 值。據(jù)統(tǒng)計(jì)， 34.66m 是彌陀寺站截至2023年測(cè)到的最高逆流水位。實(shí)際上，當(dāng)水位較高、來(lái)水量較大時(shí)，逆流更不容易產(chǎn)生，但具體限制條件還需要后續(xù)研究論證。因此，若后續(xù)還有更高水位對(duì)應(yīng)的逆流現(xiàn)象出現(xiàn)，可適時(shí)再進(jìn)行分析。

4結(jié)論

（1）太平口逆流產(chǎn)生的原因主要有： ① 三峽水庫(kù)調(diào)度導(dǎo)致長(zhǎng)江干流荊江段水位驟降； ② 虎渡河受洞庭湖的頂托影響。太平口逆流流量大小與多方面因素有關(guān)，在彌陀寺初始水位一致條件下，太平口-彌陀寺的落差越大，逆流流量越大；在太平口-彌陀寺的落差相近時(shí)，彌陀寺水位越高，斷面過(guò)流面積越大，逆流流量則越大。

（2）根據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前彌陀寺站出現(xiàn)逆流現(xiàn)象實(shí)測(cè)最高水位為 34.66m 。當(dāng)長(zhǎng)江及虎渡河水位較高時(shí)、彌陀寺站逆流不容易產(chǎn)生，可能原因： ① 高水位時(shí)，長(zhǎng)江水位短時(shí)間的波動(dòng)，傳遞至彌陀寺站時(shí)已坦化不明顯； ② 高水位時(shí)，長(zhǎng)江水位出現(xiàn)持續(xù)驟降的情況少。

若后續(xù)還有更高水位對(duì)應(yīng)的逆流現(xiàn)象出現(xiàn)，可適時(shí)再進(jìn)行分析。

（3）建立了彌陀寺站不同水位級(jí)下彌陀寺站逆流指標(biāo) F 與逆流流量 Q 之間的相關(guān)關(guān)系函數(shù)，在太平口與彌陀寺落差為負(fù)的情況下，可初步推算彌陀寺站逆流流量 Q 值，預(yù)判逆流是否發(fā)生以及逆流程度，及時(shí)開(kāi)展水文測(cè)驗(yàn)、提高水文監(jiān)測(cè)效率，使水文監(jiān)測(cè)方案更加科學(xué)合理準(zhǔn)確，為洞庭湖四口水系綜合整治及區(qū)域水資源調(diào)配提供基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)支撐。

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（編輯：江文）

Causes analysis of backflow phenomenon at Taipingkou of Jingjiang River

YE Jiawen1，HUANG Liemin1，F(xiàn)ANG Zhi1，LYU Shiyang2 （1.JingiangBureauofHdrologyndWaterResocesSureyureufHydroogfangangWateresoucesComisiog zhou43400，China；2.SubordinateBranchofJingzhouChangjiang RiverManagementBureau，Jingzhou4340o，China）

Abstract：Toinvestigatethecausesand influencing factors ofbackflowphenomenonatTaipingkouof Jingjiang River，we used monitoring data from thecontrol stationsof Taipingkou and Mituosi Station along the Hudu River，and considered waterlevel variation processs upstreamand downstream.A functionalfting approach was adopted to calculate the backflow discharge.The results showed that the main causesof the backflow phenomenon were a sudden dropin water level in the Jingjiang section of Changjiang River main stream and the backwater efectof Dongting Lake.The operation of the Three Gorges Reservoir caused a sudden drop in water levels inthe middle reaches of the Jingjiang section.This resulted in areversed waterlevel gradient between the Taipingkou Station andthe Mitaoshi Station of the Hudu River，creating conditions forthebackflow.TherewasacorrlationbetweentheflowrateatMituosi Stationunderdiferent waterlevels and factors such asthe river-stage relationshipatthe station and the waterlevel drop from Taipingkou to Mituosi Station.Thebackflow dischargecan be preliminarilycalculated by backflow index.Theresearch findings can provide fundamental data supportforthecomprehensive improvementof thefour-outlet watersysteminDongting Lakeandregional water resources allocation.

Key words： backflow phenomenon ; Jingjiang River; Taipingkou ; Mituosi Station; Dongting Lake