三峡水库调度方式对洞庭湖入流的影响研究
2017-01-03方娟娟李义天尹正杰
王 冬，方娟娟，李义天，尹正杰
(1. 长江科学院 a.水资源综合利用研究所; b.河流研究所，武汉 430010; 2.武汉大学 水资源与水电工程科学国家重点实验室，武汉 430072)
三峡水库调度方式对洞庭湖入流的影响研究
王 冬1a，方娟娟1b，李义天2，尹正杰1a
(1. 长江科学院 a.水资源综合利用研究所; b.河流研究所，武汉 430010; 2.武汉大学 水资源与水电工程科学国家重点实验室，武汉 430072)
荆江三口分流是洞庭湖入湖流量的重要组成部分，其变化规律影响江湖关系。三峡水库蓄水后荆江三口分流的变化与长江来流的减少以及干流径流过程的改变关系密切。利用实测资料，分析了荆江干流流量与三口分流的关系，对比了蓄水前后荆江干流中高流量的持续时间，计算了三峡水库不同运行期径流过程改变对三口分流量的影响，得到以下结论：三口分流量决定于干流中高流量的出现天数；三峡水库蓄水后长江来流减少，且三峡水库的调蓄作用减少了荆江干流中高流量的持续时间，故而三口分流量减少；三峡水库139 m运行期，水库径流调整较小，对三口分流影响不大；三峡水库156 m运行期典型年的年内过程中，水库蓄水对三口分流影响最大，其他时段影响较小，三口年分水总量减少7.7亿m3；三峡水库175 m运行期，汛期中小洪水拦蓄及蓄水期蓄水显著影响荆江中高流量持续时间，造成三口年分水总量减少83.1亿m3。
荆江三口；洞庭湖；水库调度；江湖关系；输移规律
1 研究背景
21世纪以来，洞庭湖多次出现严重旱情[1-2]，荆江三口(松滋口、藕池口、太平口)作为长江干流向洞庭湖分流的纽带，其分流量的变化与湖区水量关系紧密，故三峡水库蓄水后水库影响下三口分流的变化受到多方重视[3-6]。国外鲜见江湖关系的研究，少数研究也只涉及河-湖水量交换变化特征[7-8]。国内以往研究重点多集中在三口的年均分流比或干流同流量下分流比变化，研究结果认为三峡水库蓄水后三口年均分流比相比蓄水前没有明显变化趋势，但分流量低于蓄水前[9-10]，而对于干流径流过程改变与三口分流的关系研究相对较少。实际上，水库蓄水后，在荆江三口分流比调整的同时，水库调蓄改变荆江年内径流过程进而造成三口分流量的变化也同样显著。渠庚等[11]利用蓄水前资料及三峡水库设计调度方式，计算了三峡调蓄作用对三口的影响，认为调蓄作用导致三口分流量变化不大，略有减少。然而在三峡水库实际蓄水特别是实验性高水位运行以来，水库调度方式发生多次变化，尤其近些年对汛期中高流量的调蓄会显著影响三口分流量。因此在以往成果[12-13]的基础上，进一步研究三峡水库实际运行后不同的运行方式下径流变化对三口分流的影响，一方面可为深入研究三峡水库蓄水后荆江三口分流量减少原因奠定基础，另一方面可以为三峡水库的调度方式优化提供参考。江湖分汇关系示意如图1所示。
图1 荆江-洞庭湖分汇关系Fig.1 Relationship of water flow direction between Jingjiang River and Dongting Lake
2 荆江干流径流变化与三口分流关系
2.1 干流流量与三口分流
荆江三口的分流量与干流的流量大小关系密切，点绘2003—2011年荆江干流枝城站、沙市站流量与三口分流相关关系，由图2(a)可知，三口的分流量随着干流流量的增加而增大，在三口不断流的情况下，三口分流量与干流流量呈正相关。由图2(b)—图2(d)三口分流比随干流流量变化规律可知，随着干流流量的增大，荆江三口的分流迅速增加，干流中高流量下三口分流比大于低流量，因而在不考虑冲淤影响的前提下，干流中高流量的持续时间是三口年均分流量及分流比的主要影响因素。且由图2可知，当干流流量大于某一值后，荆江三口的分流比增势变缓，特别是松滋口和太平口在干流流量分别>3万、2.5万 m3/s后，分流比基本保持不变，藕池口则在干流流量>4万m3/s后变化缓慢，这也说明三口分流的变化受制于干流流量，通过调节干流的径流过程，可以控制三口的分流量及分流比。
图2 荆江干流流量与三口分流关系
Fig.2 Relationship between discharge of Jingjiang River and diverted flow from three outfalls
表1 不同时段荆江来流及三口分流情况统计结果
Table 1 Statistics of incoming flow of Jingjiang River and diverted flow from three outfalls in different periods
时段三峡入库不同流量(m3/s)出现天数/d枝城不同流量(m3/s)出现天数/d1万
注：Q为流量，宜昌2003—2011年按照三峡水库入库流量统计，不受三峡调蓄影响。
2.2 蓄水前后干流中高流量持续天数变化
长江荆江河段径流量基本为随机性变化，变化趋势不明显。荆江干流受下荆江裁弯、葛洲坝和三峡水利枢纽修建的影响，通过改变三口分流分沙，引起江湖关系变化。按照荆江干流裁弯及工程修建划分时段，统计荆江干流径流量变化，如表1。由表1可知，三峡水库蓄水前各时期内荆江干流径流量变化不大，多年平均径流量为4 430亿m3，三峡水库蓄水后由于多年小水的出现，致使荆江干流年均径流量低至3 946亿m3，相比蓄水前减少了10.9%。
选择三峡入库流量代表长江上游来流条件的变化，其中三峡水库运行前入库流量为宜昌站流量。由表1可知，2003—2011年长江来流中高流量的年均持续天数普遍低于蓄水前多年平均值，减少了18%～49%，也进一步说明三峡水库蓄水后，长江干流多年小水对荆江干流中高流量持续时间有一定影响。对于经三峡水库调蓄后的三口干流控制站枝城，其介于1万～2万m3/s之间的持续天数，高于蓄水前的平均值，>2万m3/s的流量持续天数则与宜昌站具有相同的规律，均低于蓄水前多年平均值，原因是三峡水库对洪水的调蓄作用，来流中的高流量经三峡水库的调洪后坦化，因而荆江的高流量持续天数减少，而中低流量的持续天数增加。综上所述，三峡水库蓄水后，荆江干流中高流量持续天数的变化，受天然来流减少以及三峡水库调蓄改变荆江干流径流过程2方面的因素共同影响，最终中高流量持续天数明显低于蓄水前。
上述分析可知，若不考虑干流及三口洪道的冲淤变化，荆江三口的分流大小决定于干流中高流量的持续时间，干流中高流量的持续时间越长，则相应大分流比会显著提高该时期的三口分流量。三峡水库蓄水后，一方面长江来流的减少，另一方面三峡水库对荆江干流径流过程的调整，减少了荆江中高流量的持续时间，最终影响三口的年均分流量。
3 三峡水库不同运行期调蓄作用对三口的影响
三峡水库自2003年蓄水运行以来，历经多次蓄水过程，其中2004—2005年按139—135—139 m水位调度运行，2006—2007年按156—135—139 m水位调度运行，2009年开始按175 m实验性蓄水至今。分别选择各运行阶段的完整年分析年内调蓄过程对荆江三口分流的影响，139—135—139 m运行期选择2005年，156—135—139 m运行期选择2007年，对于175 m实验性蓄水，由于2010年首次蓄水至175 m，作为完整的175 m运行期，选择2011年作为典型年分析。利用长江三峡集团公司发布的三峡水库实测日均入库及出库流量，计算三峡水库实测调蓄量(入库流量-出库流量)，并将实测调蓄量与荆江枝城站实测流量相加，得到枝城站无水库调蓄作用的天然径流过程。
典型年选择2005,2007,2011年，拟合典型年实测三口分流量与干流流量相关关系。利用2005,2007,2011年实测干流流量与分流量的拟合关系，计算三峡不同调度方式下，不同年内径流过程对应的三口分流量，这样可以消除河道冲淤的误差。以2011年为例，实测的干流流量与分流量拟合关系如图3所示，按照该拟合关系，反过来利用干流流量计算分流量，并与实测值比较，如图4所示，可见利用拟合关系可以较为准确计算不同干流流量下三口的分流量，且选择当年的拟合关系可以消除河道冲淤引起的误差。
3.1 三峡水库139 m运行期
选择2005年为三峡水库139 m运行期典型年份，按该年荆江干流流量与三口分流量的相关关系计算不受三峡调蓄影响的天然状态分流(计算值)及受该影响的实际分流过程(实测值)，计算结果如图5所示，并按照汛期(6—8月份)、蓄水期(9—11月份)、枯水期(12月份—翌年5月份)统计分析三口分流量，见表2。
图3 2011年实测干流流量与三口分流量的拟合关系
Fig.3 Fitted relationships between measured discharges of mainstrean and three outfalls in 2011
图4 2011年三口分流量计算值与实测值对比
Fig.4 Comparison of discharge of three outfalls in 2011 between measured values and calculated values
图5 2005年三峡调蓄作用对三口分流的影响Fig.5 Effects of regulation and storage of the Three Gorges Reservoir on three outfalls in 2005
表2 2005年考虑三峡调蓄影响的实测值与不考虑该影响的计算值三口分流对比
Table 2 Comparison of runoff of three outfalls in 2005 between measured values with the impact of Three George Reservoir and calculated values without the impact 亿m3
表3 2005年枝城各流量级持续时间天数实测值与计算值对比
Table 3 Comparison of durations of different discharges at Zhicheng station in 2005 between measured values and calculated values
三峡水库的调蓄作用影响三口分流，由图5可见，枯季12月份—翌年4月份由于干流流量低，三口基本处于断流状态，三峡水库的调蓄作用对三口的分流量基本没有影响，进入汛期后，随着荆江干流流量逐渐增大，三峡水库调蓄径流作用于三口分流逐渐显著。由图5可知，径流过程改变对三口的影响主要与三峡水库的调蓄量作用于荆江各流量级持续时间有关。汛期若调蓄量为负值，即三峡水库加大泄量，荆江大流量持续时间增加，则此时三口分流量大于天然状态；若调蓄量为正值，即三峡水库拦蓄洪水，荆江大流量持续时间减少，则此时三口分流量低于天然状态；而枯期三口断流，调蓄量的正负基本不影响三口。
由表2可知，若三峡水库按照2005年139 m运行方式调蓄来流，则荆江径流过程的改变，对三口年径流量影响不大。经三峡水库调蓄后实测值，略大于不受三峡水库影响的计算值，这也与2005年三峡水库的调度过程有关。为保证汛期水位保持135 m，2005年汛期，该期内三峡水库的调蓄量为负值，出库流量高于入库流量，因而汛期经三峡调蓄补水的实测三口分流量大于未受三峡影响天然状态下的计算值；而在蓄水期，水库在迅速蓄至139 m后，为保持139 m水位,增大泄量，调蓄量也为负值，因而蓄水期实测三口分流量略大；消落期上游来流减少，三峡实际运行过程中，未对下游进行补水，水库为保证高水位运行限制下泄流量，因而该期调蓄量为正值，未受三峡水库调蓄影响的天然计算值略大，且由于该期内长江来流较小，三口除了松滋口新江口站未断流，其他各洪道均已断流，故干流流量变化对三口影响不大，所以计算值较实测值变化不大。
表3反映了三峡水库调蓄作用对荆江中高流量持续时间的影响。汛期为维持汛限水位，加大泄量，故相比天然状态，实测枝城1万～2万m3/s持续天数减少，而2万～3万m3/s流量增加，由前面的分析可知，三口在干流4万m3/s流量以下，三口分流比随着干流流量的增加而增大，故汛期实测三口分流总量略高于天然状态；蓄水期各级流量持续天数变化不大，实测三口分流量略高；枯水期实测枝城中高流量持续天数明显低于天然状态，故分流总量低。
综上，三峡水库实际在139 m运行时，一方面由于水库对坝下游的径流影响相对较小，对汛期洪水的调蓄作用较弱，蓄水期的蓄水量小，因而对决定三口分流量大小的中高流量影响不明显，持续天数的变化不剧烈，故三口在汛期及蓄水期相比天然状态下变化不大；另一方面，由于水库(初期)运行实际调度规则与设计调度规则有较大差别，故该运行期并不能准确反映三峡水库正式运行对三口的影响。
3.2 三峡水库156 m运行期
三峡水库按照156 m运行，选择2007年作为三峡实测调蓄过程的典型年份，按照2007年实测荆江干流流量与三口分流量相关关系，计算实测三口分流量与不受三峡影响天然状态的年内过程，见图6，并统计两者在汛期、蓄水期及枯水期的差异，见表4。
图6 2007年三峡调蓄作用对荆江三口分流量的影响Fig.6 Effect of regulation and storage of the Three Gorges Reservoir on discharges of three outfalls in 2007
Table 4 Comparison of runoff of three outfalls in 2007 between measured values and calculated values 亿m3
表5 2007年枝城各流量级持续时间天数实测值与计算值对比
Table 5 Comparison of durations of different discharges at Zhicheng station in 2007 between measured values and calculated values
不同时期枝城不同流量级(m3/s)的实测持续时间/d枝城不同流量级(m3/s)的计算持续时间/d1万
三峡水库在156 m运行期，汛期调洪作用以及蓄水期蓄水改变下游径流过程，影响三口分流，如图6所示，汛期6—8月份水库拦蓄洪水，则三口分流量减小，水库放水腾空库容，则三口分流量增加，调蓄量的正负影响三峡调蓄实测三口分流量与天然状态计算值的大小，而在该运行期内，由于汛期重点拦蓄5万m3/s左右流量，而该年5万m3/s流量持续天数很少，因而汛期拦蓄作用造成的三口分流量变化所占比重较小。蓄水期9—11月份，水库由145 m蓄至156 m，蓄水量较大，蓄水过程对下游流量的影响已经不可忽视，也是该运行期内对三口分流量影响最大的过程。由表4可知，汛期水库虽调蓄大洪水，而洪水过后为保持汛限水位，加大泄量，调蓄量多次出现负值，大流量持续天数略高于天然状态，见表5，故汛期三峡调蓄总量为负值，相比不受三峡调蓄影响的天然状态，实测三口分流量高出9.3亿m3；蓄水期蓄水量较大，因而三峡调蓄总量为正值，减少了该期大流量持续时间，故实测值低于天然状态；枯水期维持高水位多次限制泄量，且三口断流受径流变化影响较小，故实测值略低于天然状态。
综上，三峡水库156 m运行时，由于汛期对大洪水的调蓄，蓄水期蓄至高水位拦蓄较大水量，水库影响径流过程对三口分流已有显著影响，相比天然状态，经三峡调蓄后荆江三口年分流总量减小7.7亿m3。
3.3 三峡水库175 m运行期
三峡水库2011年按照设计蓄水位175 m运行，调度规则基本趋于稳定，可以反映水库正常运行后调度过程。按照2011年实测荆江干流流量与三口分流量相关关系，实测与计算2种情况下三口分流量变化，研究三峡175 m正式运行后径流变化对三口的影响，见图7，统计年内不同时期三口分流量，见表6。
图7 2011年三峡调蓄作用对荆江三口分流量的影响
Fig.7 Effect of regulation and storage of the Three Gorges Reservoir on discharges of three outfalls in 2011
表6 2011年三口分流实测值与计算值对比
Table 6 Comparison of runoff of three outfalls in 2011 between measured values and calculated values 亿m3
三峡水库175 m运行后，汛期及蓄水期调度过程有别于水库初期运行阶段，汛期加强了洪水的拦蓄，而蓄水期持续近2个月的蓄水过程，对该时期内径流过程的影响很大。由图7可知，汛期及蓄水期由于调蓄作用使得径流改变幅度大，且大多调整中高流量，故而三峡调蓄的实测三口分流量，与天然状态下分流量差值较大，变化幅度也明显高于139 m，156 m运行期。同样地，在汛期以及蓄水期，三峡水库的调蓄量为正值，则相应三峡调蓄实测值低于天然状态；而调蓄量为负值，则三峡调蓄实测值高于天然状态。表7为2011年枝城各流量级持续时间天数实测值与计算值对比。
表7 2011年枝城各流量级持续时间天数实测值与计算值对比
Table 7 Comparison of durations of different discharges at Zhicheng station in 2011 between measured values and calculated volues
不同时期枝城不同流量级(m3/s)的实测持续时间/d枝城不同流量级(m3/s)的计算持续时间/d1万
由表6、表7可知，三峡水库汛期洪水拦蓄作用改变下游径流过程，枝城3万m3/s以上流量持续天数由天然状态下的6日调蓄至实测值0，使得三峡调蓄实测三口分流总量相比天然状态低了22.6亿m3，而蓄水期水库蓄至175 m蓄水量大，该期改变径流过程对三口的影响仍最大，中高流量持续天数全面低于天然状态，三峡调蓄实测值低于天然状态63.3亿m3，枯季水库补水作用有利于三口分流，然而三口的断流又虚削弱了补水影响，故而枯水期三口实测值略高于天然状态。
综上所述，经过三峡175 m运行调蓄后，2011年三口年内分流总量相比不受水库影响的天然状态降低了83.1亿m3，三峡水库正常运行后，汛期洪水的拦蓄对三口的影响比重大大增加，而蓄水作用对三口的影响仍是最主要的，水库改变径流过程对三口分流的影响不可忽视。由荆江干流流量与三口分流规律可知，汛期水库对洪水的拦蓄，限制下泄流量保证枝城流量不低于4万m3/s，则对三口分流的影响不大，且由于枝城4万m3/s以上流量三口分流比变化缓慢，若将大于4万m3/s洪水坦化，则相当于变相提高了大分流比持续时间，有助于三口分流量的增加；反之，若想减少三口分洪，可控制枝城流量低于4万m3/s，使得小分流比持续时间增加，进而降低分流量。对于蓄水期，由于蓄水量较大，可采用延长蓄水时间、减少日蓄水量的手段，尽量削弱径流变化对三口分流的影响。
4 结 论
本文利用实测资料，通过分析荆江干流与三口分流关系，得到以下结论：
(1) 若不考虑冲淤，荆江干流中高流量的持续时间决定三口分流量，通过调节干流各流量持续时间，可以改变三口分流量。
(2) 三峡水库蓄水后，荆江干流中高流量持续天数的变化，受天然来流减少以及三峡水库调蓄改变荆江干流径流过程二方面因素的共同影响。
(3) 三峡水库139 m运行期对三口分流影响不大；三峡水库156 m运行期典型年的年内过程中，水库蓄水对三口分流影响最大，其他时段影响较小，三口年分水总量减少7.7亿m3；三峡水库175 m运行期，汛期中小洪水拦蓄及蓄水期蓄水显著影响荆江中高流量持续时间，造成三口年分水总量减少83.1亿m3。
(4) 汛期水库进行拦蓄限制枝城流量不低于4万m3/s，则对三口分流的影响不大；蓄水期可采用延长蓄水时间、减少日蓄水量的手段，尽量削弱径流变化对三口分流的影响。
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(编辑：占学军)
Influence of Three Gorges Reservoir Operation onInlet Flow of Dongting Lake
WANG Dong1, FANG Juan-juan2, LI Yi-tian3, YIN Zheng-jie1
(1.Water Resources Department, Yangtze River Scientific Research Institute, Wuhan 430010,China; 2.River Department, Yangtze River Scientific Research Institute, Wuhan 430010,China; 3. State Key Laboratory of Water Resources and Hydropower Engineering, Wuhan University, Wuhan 430072, China)
The diverted flow from three outlets of Jingjiang River is an important part of inlet flow of the Dongting Lake. Its changes would affect the relationship between the Yangtze River and the Dongting Lake. Since the impoundment of the Three Gorges Reservoir, changes in the diverted flow from the three outlets has been closely related to incoming flow decrease and runoff process change in the Yangtze River. In this article, according to measured data, the relationship between discharge of mainstream Jingjiang River and diverted flow of three outlets was analyzed, and the durations of middle flow and high flow of mainstream Jingjiang River before and after the reservoir impoundment were compared. Moreover, the influence of runoff process change caused by reservoir storage on the three outlets was also researched. Results revealed that 1) the diverted flow from three outlets is dependent on the number of days of middle flow and high flow in mainstream Jingjiang River. The diverted flow from three outlets reduced due to decreases in incoming flow and middle-and-high-flow durations caused by reservoir storage and regulation; 2) in running period of 139 m water level, the reservoir runoff changed slightly, which had no big influence on the three outlets; 3) in typical year of running period of 156 m water level, impoundment process has the biggest influence on three outlets, with the total diverted flow decreasing by 770 million m3, whereas in other periods the influence was small; 4) in running period of 175 m water level, flood storage in flood season and impoundment in storage period significantly affected the duration of middle flow and high flow in Jingjiang River, causing a decrease of 8.31 billion m3in total diverted flow of three outlets.
three outlets of Jingjiang River; Dongting Lake; reservoir operation; relationship between river and lake; sediment transport law
2016-03-31;
2016-04-25
国家自然科学基金项目(51509012,41601043);中国长江三峡集团公司经费项目(0799553)
王 冬(1986-)，男,河南洛阳人,工程师，博士，主要从事河流动力学方面的研究,(电话)13164600141(电子信箱)whuwd@sina.com。
10.11988/ckyyb.20160301
2016,33(12):10-16
TV147
A
1001-5485(2016)12-0010-07
