三峡工程运行对洞庭湖与荆江三口关系的影响分析*

胡光伟 毛德华 李正最 田朝晖

(1.湖南师范大学资源与环境科学学院 长沙 410081;2.湖南省水文水资源勘测局 长沙 410007;3.湖南省国土资源规划院 长沙 410007)

洞庭湖坐落于湖南省东北部,长江干流荆江南岸,跨湘鄂两省,长江中游与洞庭湖的关系密切。江湖关系相互作用所引起的湖泊水沙过程变异,一直是水利工作者和地理学者关注的焦点问题。洞庭湖作为长江中游重要的通江型湖泊,分泄荆江松滋、太平、藕池三口来水来沙,汇合湘、资、沅、澧四水,周边的汨罗江、新墙河等中小河流直接入湖,经洞庭湖调蓄后由城陵矶注入长江,形成复杂的江湖关系(图1),发挥着调蓄洪水和保护湿地生态系统的重要服务功能。洞庭湖全流域总集水面积达259430km2,其中洞庭湖水体面积 2625km2,是中国第二大淡水湖泊,在长江中游调蓄洪水,占有重要地位。

图1 洞庭湖水系结构图Fig.1 Drainage system of Dongting Lake

近100年来在人类活动和自然的双重作用下,洞庭湖不断萎缩,防洪形势严峻。特别是三峡工程建成运行以后,荆江三口出现新的来水来沙变化,江湖关系更加复杂。前人在长江与洞庭湖的江湖关系方面有了很多研究成果(Dai,2008,2011,2013;卢金友,1996;卢金友等,1999;穆锦斌等,2008;李学山等,1997;罗敏逊等,1998;卢承志,2001,2005;吴作平等,2002),特别是近10a来,许多学者在人类活动(围垦、三峡工程建设等)对洞庭湖的影响方面做了大量探索(李景保等,1993;林承坤等,1994;姜加虎等,1996)。目前对洞庭湖的研究多集中在泥沙淤积计算(王崇浩,1997;秦文凯等,1998;卢金友等,2006;洪林等,2007;李义天等,2009;李景保等,2009;郭小虎等,2010)、洪涝与防洪、水情(李景保等,1993,2009)、水环境(卢宏玮等,2004;陈绍金,2004)及水位(洪林等,2007;姜加虎等,1996)的影响、生态系统服务功能、湿地及水生生物等方面,吴作平(2003)提出了荆江-洞庭湖水沙数学模型。因此,系统全面地研究在自然和人类活动双重影响下湖泊系统对水沙变异的响应,仍是洞庭湖研究中的一个前沿领域。

1 数据来源及研究方法

1.1 数据来源

历年实测水沙数据来源于湖南省水文水资源勘测局和《长江泥沙公报2000—2011》。文中选取洞庭湖湘、资、沅、澧四水、荆江三口和出口城陵矶等主要控制站(湘潭、桃江、桃源、石门、新江口、沙道观、弥陀寺、康家岗、管家铺、城陵矶)1951—2011年的实测水沙数据作为洞庭湖水沙过程变异分析的基础,其中年内变化数据为 1994—2010年逐月径流泥沙数据。

1.2 研究方法

本文应用了以下研究方法:

1) BP神经网络。目前,人工神经网络模型已广泛地应用于水文水资源系统的分析模拟计算中,应用最多的是BP(Back Propagation)人工神经网络模型。模型的具体计算方法参照文献(Karunanithiet al,1994)。

2) 径流、输沙年内分配不均匀系数(Cv)常常用来反映径流、输沙年内分配情况。Cv值越大,就表明各月径流量、输沙量相差越悬殊,即年内分配不均匀,反之亦然。其计算公式为:

其中,Cv表示年内分配不均匀系数,表示年内月平均径流量(或输沙量),Ri表示年内各月径流量(或输沙量)。

3) 双累积曲线(Double Mass Curve)。双累积曲线是检验两个参数间关系一致性及其变化的常用方法。所谓双累积曲线就是在直角坐标系中绘制的同期内一个变量的连续累积值与另一个变量连续累积值的关系线,它可用于水文气象要素一致性的检验、缺值的插补或资料校正,以及水文气象要素的趋势性变化及其强度的分析。

2 洞庭湖流域水沙特征分析

2.1 径流、输沙年际变化

洞庭湖水沙主要来自湘、资、沅、澧四水以及荆江三口,入湖洪道很多,河网交叉,入湖水沙变化影响因素众多。1951—2011年洞庭湖区实测水沙资料(表1)显示,三口、四水多年平均入湖径流量为2822×108m3/a,城陵矶出湖多年平均径流量 2862×108m3/a,其中三口来水 911×108m3/a,占出湖总水量的 32.28%,四水来水 1655×108m3/a,占出湖总水量58.65%,区间补给量为 255.9×108m3/a,占出湖水量9.07%。三口、四水多年平均输沙量为 14131×104t/a,其中三口入湖沙量 11453×104t/a,占入湖总沙量的81.05%,四水入湖沙量为2678×104t/a,占入湖总沙量的18.95%。城陵矶出湖多年平均输沙量3850×104t/a,湖内多年淤积沙量10282×104t/a,淤积率72.76%。三峡蓄水运用前期(1994—2002年)四水总量为 1908×108m3/a,三峡蓄水后四水总量为1555×108m3/a,衰减率为18.5%;而三口多年平均水量为911×108m3/a,三峡蓄水运用前期水量为 616×108m3/a,蓄水后水量为500×108m3/a,与多年平均值相比,两个时期的水量衰减率分别为32.1%和44.9%。下荆江裁弯前后三口和四水入湖水量分别为886×108m3/a和834×108m3/a、1729×108m3/a和1699×108m3/a,裁弯前后两者水量变化并不大,可以看出三峡蓄水运行后,三口四水来水量均发生了变化,三口来水量的锐减应该归因于三峡水库的蓄水作用。三峡蓄水前三口入湖沙量的比例稳定在75%—81%。三峡水库蓄水后由于水库的拦沙作用,荆江泥沙量减少,三口入湖泥沙大幅下降,三口在三峡运行期(2003—2011年)的来沙量仅为1233×104t/a,占入湖沙量的比例降为 58.6%,比三峡运行前期(1994—2002年)平均值衰减5141×104t/a,减少率为80.7%。

图2即为洞庭湖三口入湖和城陵矶出湖年径流量与年输沙量双累积曲线,从图上看,入湖和出湖水沙 60多年来均已发生明显的变化,荆江三口的入湖沙量和城陵矶出湖沙量衰减十分显著。根据双累积曲线斜率可得出,入湖水沙双累积曲线斜率K由第1时段的14.4衰减到第5时段的2.1,衰减率为85.4%;而出湖水沙双累积曲线斜率K由第1时段的1.8衰减到第 5时段的 0.7,衰减率为 61.1%;特别要指出的是,第4阶段入湖水沙曲线斜率K由14.4锐减到2.1,说明 2003—2011年洞庭湖的入湖水沙的变化与三峡蓄水运行关系密切,而出湖的水沙曲线的走势变化并不强烈。可见,长江干流的水利工程对洞庭湖入出湖水沙的影响是不同步的,入湖泥沙的衰减变化速率远大于出湖泥沙的衰减速率。

表1 洞庭湖历年入湖出湖径流泥沙统计(1951—2011年)Tab.1 Runoff and sediment in and out of the Dongting Lake in history

图2 洞庭湖水沙双累积曲线Fig.2 Water and Sediment double cumulative curve of Dongting Lake

2.2 径流、输沙季节变化

湖南省为典型的大陆性亚热带季风气候,4—10月全省降水量占全年总降水量的 68%—84%。湖区年降水量 1100—1400mm,4—6月降雨占年总降水量的50%以上,汛期(5—10月)径流量占年均径流量的75%,洞庭湖水位始涨于4月,7—8月最高,11月到翌年3月为枯水期。三口洪水过程与长江干流一致,峰型肥胖,历时较长。三口来水来沙年内分配极不均匀,多年平均汛期 5—10月来水占全年来水总量的 96.81%以上,来沙则占99.56%以上;而四水峰型尖瘦,历时较短,历年平均汛期来水约占全年的65%,来沙占全年的83%。

为了更直观地得出径流、输沙季节变化情况,下面用径流、输沙年内分配不均匀系数Cv来反映径流、输沙年内分配情况。计算结果见表2。

表2 三口、四水、城陵矶径流和输沙年内分配系数表(1994—2010年)Tab.2 Annual distribution coefficients of runoff and sediment transport during 1994－2010 in Jingjiang River at Sankou Section(where three rivers outlets are located),Sishui(four local tributaries to the Dongting Lake,namely Xiangshui,Zishui,Yuanshui and Lishui rivers),and Chenglingji(a major outlet of Jingjiang River to Changjiang(Yangyze) River)

从表2的计算结果可以看出,洞庭湖区的进出湖水沙年内分配是不均匀的,无论是径流量年内分配不均匀系数还是输沙量的年内分配不均匀系数的变化均呈现出不均衡的规律。荆江三口5个代表水文站1994—2010年的径流量Cv值整体上无明显变化,其中1997年和1998年的年内径流分配极不平衡,2000年以后与20世纪90年代相比,年内分配不均匀系数有增大趋势,表明年内分配没有之前均匀;三口输沙Cv值的整体趋势是由小到大呈递增变化,Cv值则从1994年的 5.058增加到 2010年的 7.193,其中 2006年的不均匀系数最大,2006年,长江流域发生了百年一遇的高温伏旱天气(Daiet al,2008;戴志军等,2008;刘红等,2008),并且目前世界上最大的三峡水库进行第二期下闸蓄水,两者的共同作用导致了长江中下游汛期出现水资源匮乏。湖南四水径流量的季节变化不明显,而输沙量的变化较强烈,其中在 1996年和2003年的年内分配不均匀系数最大,分别为7.251和6.542,表明输沙量的季节变化较径流量的季节变化要大。从城陵矶的径流和输沙Cv值来看,整体上均呈现出增大趋势,尤其以输沙量的季节变化较为强烈,特别是从 2003年之后,城陵矶的输沙量季节变化就呈增大趋势,这主要是三峡季节性调度运用的结果。各站各时段年内分配不均匀性不同,三口径流Cv值最大5.355发生在1998年,最小值3.360发生在2004年,而输沙量变化比较明显,输沙Cv值最大 10.032发生在2006年,最小4.914发生在2001年。

3 三峡工程运行对洞庭湖与荆江三口关系的影响

2003年6月1日三峡工程正式下闸蓄水,开始按135—139m调度运行,根据数据资料统计,它对长江年径流量的影响不显著,但是人为的水库调度因素对长江流量的季节变化有很明显的影响,也因此影响洞庭湖水位、水量及输沙的季节变化。

3.1 对荆江三口入湖水量的影响

3.1.1 三口分流量的变化 荆江三口分流分沙的衰减是洞庭湖水沙变化的直接原因。随着下荆江裁弯、葛洲坝兴建和三峡水库的蓄水运行,由三口进入洞庭湖的径流量呈现递减变化趋势。三峡工程运行前,三口分流总量为 987×108m3/a,而三峡水库运行期2003—2011年,由三口进入洞庭湖的径流量已下降为 475×108m3/a,缩减幅度达 52%;荆江三口的总分流比由下荆江裁弯前的32.0%下降为三峡运行初期的12.0%(表3)。其中,藕池口在三口分流量和分流比中衰减速度最快,1951—1966年其多年平均分流量为690×108m3/a,2003—2011年其多年平均分流量仅为104×108m3/a,减小幅度达84.9%;相应的分流比则由15.7%下降为2.6%。

表3 宜昌站、荆江三口分时段径流量(108m3)、分流比(%)统计表Tab.3 Runoff(×108m3)and split ratio(%) at Yichang Station and Sankou Section(see caption of Table 2)

根据长江科学院的研究成果显示,三峡水库的清水下泄导致长江中下游河床冲刷后,长江沿程同流量下的水位下降,以流量2×104m3/s和3×104m3/s为例,宜昌、沙市、石首的水位将分别下降0.91m和0.79m、1.82m和1.55m、2.45m和2.03m。从而进一步导致三口分流大幅度衰减。长江科学院预测三峡运行 40a后,由于同流量下水位的下降,长江出现 2×104m3/s和 3×104m3/s流量时,进入虎渡河、藕池河的流量分别减少至 250m3/s和 780m3/s、320m3/s和820m3/s。

3.1.2 三口断流天数的变化 三峡工程运行后三口断流发生了不同程度的变化,主要表现为通流时间推迟、断流时间提前及断流持续时间延长等。

长期以来,荆江三口洪道及三口口门河段泥沙逐年淤积萎缩,致使枯水期除松滋口的新江口常年保持少量分流进入洞庭湖外,其他口门(沙道观、管家铺、康家岗、弥陀寺)连年断流(图3),且三口断流天数呈增加趋势,近年来三口断流时间每年都保持在5—6个月左右,康家岗站每年断流时间长达8个月。据2003—2010年数据统计,沙道观、弥陀寺、管家铺和康家岗年平均断流天数已分别达到205d、147d、180d和260d,与三峡运行前(1994—2002年)多年平均值相比,沙道观和康家岗断流天数分别增加14d和7d。其中,2006年受长江上游降水量偏少、三峡蓄水等综合因素影响,三口入湖断流天数显著增加,沙道观、弥陀寺、管家铺、康家岗断流天数分别达到269d、206d、235d、336d。断流时间主要出现在 1—4月、11—12月等枯水月份,这一时段与三峡工程调节补水运行期相吻合,因此,根据枯水季节的长短变化,优化三峡水库补水调度方案,在保障水库枯水期发电、航运及灌溉需求的同时,适时加大水库下泄流量或提前预泄,以此来增加宜昌—枝城段河道径流量,保证洞庭湖区的工农业生产及生活用水安全。

图3 荆江三口断流天数趋势图Fig.3 Trend of no-flow days in Sankou Section of Jingjiang River

3.2 对荆江三口及洞庭湖冲淤变化的影响

3.2.1 洞庭湖的冲淤变化 从1956—2010年的泥沙统计数据和洞庭湖泥沙沉积量过程线(图4)可以看出,受三峡工程拦蓄水沙作用的影响,荆江三口分沙量明显萎缩,洞庭湖的泥沙沉积量表现出明显的衰减趋势,泥沙沉积量已由三峡运行前(1956—2002年)的12439×104t/a降至三峡运行期的 426×104t/a,泥沙淤积减少幅度达96.6%;泥沙沉积率由三峡运行前的73.4%降为三峡运行期的 20.2%。2006年出湖沙量为1520×104t,三口四水来沙量为 1188×104t,如果考虑区间来沙量,2006年洞庭湖呈冲淤平衡状态,除2007年稍有淤积外,2008—2011洞庭湖均呈现冲刷状态。从图4中可以看出洞庭湖的淤积量在逐年减少,特别是三峡工程运行后减少幅度有增大趋势,而且在 2006年表现出突变现象。荆江三口年均入湖沙量由1956—1966年、1996—2002 年的 19590×104t、6960×104t减少至 2003—2011年的 1112.7×104t,减小幅度分别为 97.83%和93.88%。在未考虑区间来沙情况下,三峡运行9a来,洞庭湖年平均入湖沙量为 1911.2×104t,为多年平均入湖沙量14131×104t的15.9%;2003—2011年洞庭湖的累积泥沙淤积量仅为2300.6×104t,较1994—2002年累计淤积沙量52325×104t减少了50024×104t,减少幅度达95.6%。

图4 1951—2011年洞庭湖泥沙沉积量过程线Fig.4 Process of sedimentation in Dongting Lake from 1951 to 2011

3.2.2 三口分流洪道的冲淤变化 根据卢金友(1996)、罗敏逊等(1998)、彭玉明等(2007)的研究,自1952年以来,荆江三口一直处于冲淤状态。1952—1995年数据资料显示,三口分流道泥沙淤积总量为26480×104m3,年淤积量 601.8×104m3,其中松滋河总淤积量为5847×104m3,按照河长289.3km计算,平均淤积面积为 203m2,年平均淤积 137×104m3;虎渡河(河长 131.7km)总淤积 3779×104m3,平均淤积面积287m2,年均淤积 87.9×104m3;藕池河(河长 306.1km)总淤积 16854×104m3,平均淤积面积 551m2,年均淤积392×104m3,三河底高程平均淤高分别为0.63m、1.176m、1.84m。

根据 1952年、1995年和 2003年三口分流道1:5000水道地形图资料量算,1995—2003年三口洪道总淤积泥沙 4771×104m3,年均淤积量 597×104m3,其中松滋河淤积 348×104m3,虎渡河淤积 1317×104m3,藕池河淤积3106×104m3。与1952—1995年年均淤积量数据对比,三口洪道的年均淤积速率明显加快。松滋河淤积沙量占同期总输沙量比例分别为 3.5%和1.6%(泥沙干容重取1.3t/m3);虎渡河淤积沙量占弥陀寺同期输沙总量比例为 5.6%和 16.8%;藕池河淤积量约占同期总输沙量比例为7.0%和22.2%。可见,荆江三口淤积速率呈明显上升趋势,藕池河淤积最为严重,其次是虎渡河。

1990年以来,长江上游输沙量就明显减少,宜昌站2010年比1990年输沙量较少了92.84%,而1990年比 1950年输沙量增加了 13.37%。三峡水库 2003年 6月 1日蓄水后,总入库泥沙量为 15.801×108t,总出库(黄陵庙站)泥沙量为 4.115×108t,平均排沙比为25%,即三峡水库拦截了入库泥沙总量的 75%。这就导致了三峡坝下清水下泄,下游河段河流含沙量减小,河流处于非饱和状态,使下游河道冲刷进一步加剧。据资料统计,三峡蓄水前1966—1998年宜昌至城陵矶总冲淤量为 49222×104m3,年均冲刷量 1490×104m3;而2002—2008年总冲刷量46727×104m3,年均冲刷量达到7790×104m3,年冲刷量增加了422.82%。

三峡水库蓄水运行,长江中下游将出现长距离的冲刷(Daiet al,2013),河床下切,河流含沙量减小。根据长江科学院研究预测的分析成果,当三峡蓄水运行 40a后,宜昌—松滋口泥沙将冲刷 9800×104t,松滋口—太平口泥沙冲刷量将达到19300×104t,太平口—藕池口泥沙冲刷量为51800×104t,藕池口—城陵矶泥沙冲刷量达 170100×104t;并预测虎渡河、藕池河洪道内还将分别淤积泥沙 2020×104t和 4550×104t,将导致河道通流面积进一步缩小,这样,藕池河、虎渡河将很快走向衰亡的境地(李景保等,2009)。

3.3 洞庭湖径流量和输沙量变化预测

依据洞庭湖(1956—2011年)荆江三口入湖和城陵矶出湖径流泥沙数据资料的长期变化特征,利用Matlab工具箱对洞庭湖出湖径流量和输沙量进行训练和仿真,建立了年径流量和年输沙量预测的 BP神经网络预测模型,模拟结果如图5。

图5 年径流量和年输沙量神经网络拟合结果Fig.5 Results of BP network fitting on annual amounts of runoff and sediment

根据模型的计算结果,年径流量和年输沙量的平均误差百分比分别为 0.014%和 0.026%,最大误差比分别为 0.0896%和 0.1771%,误差百分比控制在0.2%以内。

三峡建库后大量泥沙拦截在库内,大坝下游河床发生了明显的冲刷。根据方春明等(2007)的计算结果,建库后 10a,长江干流河床大幅度冲刷,水位下降,三口分流分沙持续减少。松滋—太平口河段累积冲刷量为 2.14×108t,河床冲刷深度为 1.67m;太平—藕池口河段累积冲刷量为 1.95×108t,河床冲刷深度为 1.06m;藕池—城陵矶河段累积冲刷 3.15×108t,河床冲刷深度为 1.22m。可以看出,三峡建库后对洞庭湖入湖泥沙的拦截作用非常明显。

表4给出了三峡建库后19a的预测数据,从表中可以看出,三峡水库的拦沙作用明显,由于荆江三口入湖沙量的明显衰减,洞庭湖出湖的沙量也减少较为明显,预测到 2021年城陵矶出湖沙量仅为1211.43×104t。而出湖径流量相对减少的较为平缓,至2021年出湖水量保持在1377.1×108m3左右。

4 结论与展望

依据洞庭湖区现有水文泥沙等最新观测资料,分析了洞庭湖区水沙变异特征和江湖水沙交互关系,讨论了三峡水库蓄水对洞庭湖与荆江三口关系的影响,得出以下主要结论:(1)从年际和年代际尺度上看,长江上游降水量减少和三峡工程建设等人类活动是影响洞庭湖水沙变异的主要因素;(2)洞庭湖流域外界环境的变化导致了三口分流分沙的锐减,并呈现三口口门趋于淤积的状态,藕池河和虎渡河逐渐走向衰亡;(3)从洞庭湖泥沙沉积量过程线来看,2003—2011年洞庭湖的累计泥沙淤积量仅为 2300.6×104t,比多年平均值减少95.6%;(4)运用BP神经网络对洞庭湖出湖水量和沙量进行模拟,结果显示模拟精度满足洞庭湖出湖水沙预测的需要。

三峡水库的投入运行对洞庭湖水沙影响的研究是一项长期的系统工程,由于缺少三峡水库历年水沙过程数据和洞庭湖湖底地形图资料,而且涉及江湖关系的泥沙问题相当复杂,对三峡运行和洞庭湖水沙变异的耦合研究以及洞庭湖的冲淤变化的研究只涉及数量方面的统计,三峡水库蓄水对荆江三口与洞庭湖的关系影响研究也还处在初级阶段,需要更多的观测资料的检验来支持相关统计成果。下一步将在资料完整的情况下开展空间的耦合研究,同时密切监视荆江三口的来水来沙变化对洞庭湖的水沙演变的影响,及时调整水库与洞庭湖的联合调度和相关防洪疏淤措施,确保洞庭湖区的长治久安。

表4 三峡蓄水后洞庭湖出湖水沙的变化Tab.4 Changes in runoff and sediment out of the Dongting Lake after the Three-Gorges Reservoir operation

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