三峡水库调洪调度对江湖汇流区洪水相互顶托的影响

2019-05-17李景保

水资源与水工程学报 2019年2期

刘玉,李景保,李欢,杨波，刘雯

(湖南师范大学资源与环境科学学院，湖南长沙 410081)

1 研究背景

长江水与洞庭湖水互相干扰、相互制约,使汇流区水情特别复杂。下荆江三处裁弯以及葛洲坝截流后，使原来的江湖相互制约关系进入了一个新的调整阶段;三峡水库运行后，江湖水情制约关系又发生了新的变化[1]。国内众多相关学者围绕三峡水库对江湖关系的影响这一重大课题，用不同研究方法，从不同视角对长江中游河段水位、荆江三口分流分沙、河道冲刷、城陵矶水位以及洞庭湖水情等方面展开了较深入的研究[2-8]。结果表明，以三峡水库全程调度而言，长江干流监利站同流量下水位降低，城陵矶站同流量下水位有所抬升[9-12]；长江上游来沙量大幅度减少，引起长江中游河道全线冲刷，导致三口分流分沙减少以及洞庭湖淤积减少[13-15]；受其综合影响，长江枝城站同流量下监利站泄流量受洞庭湖口出流顶托强度有所减弱，洞庭湖出流受荆江下泄水量的顶托强度也有所减弱[16-18]。众所周知，三峡水库最主要的功能之一是调洪削峰，那么在三峡水库调洪削峰调度期，江湖汇流区的水文情势如何？江湖洪水相互顶托作用是增强还是削弱了呢？鉴于此，本文基于汇流区监利、城陵矶、螺山控制站的水文关系，从平均流量、平均水位，最大流量、最高水位，最小流量、最低水位的视角，探究三峡水库调洪期(7-8月份)对江湖汇流区水情的影响程度，为江湖地区防洪减灾、河湖水系连通工程建设以及优化三峡水库调度方案等方面提供理论参考。

2 研究区域及数据处理

2.1 研究区域概况

2.2 数据来源与研究方法

水位是流量大小的反映,流量是河道泄水输沙能力大小的体现,两者从本质上可表征水文情势。本文用水位、流量表征江湖汇流区的水文情势。基于江湖汇流区的水文关系,分别采集汇流区监利、城陵矶、螺山3个水文站1990 - 2002年 (三峡水库调洪前)和2003 -2017年(三峡水库调洪后)与三峡水库调洪削峰调度时段(7-8月)相对应的平均流量、平均水位；最大流量、最高水位；最小流量、最低水位。其数据来源于湖南省水文水资源勘测局、湖南省水情综合日报表和湖南省水利水电勘测设计研究总院。

图1 荆江与洞庭湖关系及江湖汇流区水文控制站

研究方法为:相关分析、对比分析、汇流比等方法。其中，汇流比计算公式为：

R=Q1/Q2

(1)

式中：R为汇流比，不考虑河断面冲淤、附加比降等因素,主要考虑来水量；Q1、Q2为两个不同水文站在同一时刻的流量，m3/s。

3 三峡水库调洪调度对江湖汇流区水情的影响

3.1 三峡水库调洪调度运行后江湖汇流区来水组成变化

江湖汇流区的来水组成包括长江干流(荆江)下泄流量与洞庭湖出湖流量。据统计分析1990-2017年7-8月平均流量表明：三峡水库调洪前(1990 - 2002年)江湖汇流区多年平均来水总量为36 510.51 m3/s，其中监利站21 700.07 m3/s,城陵矶站为14 810.44 m3/s，分别占汇流区来水总量的59.44%、40.56%左右。

三峡水库调洪调度后(2003 -2017年)，汇流区来水组成有所变化(表1)。其中荆江监利站下泄流量占来水总量的比重由58.81%增加到60.53%，即增加了1.72%。而洞庭湖湖口城陵矶站出流的比重由43.19%减少至37.68%,即减少了5.51%。监利与城陵矶的汇流比由1.36增加到1.61。导致江湖汇流区来水组成变化的主要原因是三峡水库蓄水后大坝“清水”下泄,长江中游河道全线冲刷,河床下切，水位下降,荆江三口(松池、虎度、耦池)分泄长江入湖水量有所减少,而长江监利下泄水量有所增大。

表1 三峡水库调洪调度(7-8月)运行前后汇流区来水组成变化

3.2 三峡水库调洪调度运行后汇流区多年平均水位流量变化

三峡水库调洪调度运行前后监利、城陵矶和螺山站水情变化见表2～4。通过对比分析表2～4得到如下几点认识:(1)三峡水库调洪期荆江监利站不同流量、不同水位均有所减少或下降(表2)。其中，监利站平均流量减小3 195.01 m3/s，平均水位下降1.07 m;最大流量减小8 213.00 m3/s,最高水位下降2.51 m;最小流量减小1 905.00 m3/s,最低水位下降1.01 m。比较而言，三峡水库调洪期(7-8月)监利站的最大流量和最高水位减少或下降幅度最大,这正是2003年以来江湖地区未发生大或特大洪涝灾害的原因，显然是三峡水库调洪削峰的最大贡献之一。

这种“共享坟墓”的理念，在我国台湾地区也出现了兆头。2011年初，50多岁的台湾牙医李伟文发起了一个“夏瓣生”（即“下半生”谐音）俱乐部，其成员多为50岁上下的“准老人”，12个没有任何血缘关系的不同家庭共同集资，在台南市选了一块地，自建一栋老人公寓，取名为“蜗居”。在有生之年，他们相约居住在一起，尽情享受愉悦生活，一同交流、学习、旅游。生前，一起结伴老去，死后，还要一起埋葬。他们的宣言是：“未来选择树葬，将骨灰回归于大自然。”

(2)三峡水库调洪调度期,由于荆江三口入湖洪量减少,洞庭湖出口城陵矶不同流量与不同水位均有所减少或下降(表3)。其中平均流量减小4 594.74 m3/s，平均水位下降1.13 m;最大流量减小3 519.00 m3/s,最高水位下降1.79 m;最小流量减少96.00 m3/s,最低水位下降1.42 m。值得指出的是城陵矶的这种水情变化除了受三峡水库调洪削峰影响外,还与湖南四水及区间入湖水量减少(三峡水库调洪期湖南四水主汛期5-6月已过)有关。

(3)三峡水库调洪调度期,长江干流螺山站不同量级流量与不同水位均有所减少或下降(表4)。其中平均流量减少6401.39 m3/s，平均水位下降1.32 m;最大流量减小15 796.00 m3/s,最高水位下降2.36 m;最小流量减小7 790.00 m3/s,最低水位下降2.05 m，其主要原因是三峡水库调洪运行后，调节了洪峰流量,城陵矶出流对监利泄流的顶托作用有所减弱。

表2 三峡水库调洪调度(7-8月)运行前后监利站水情变化

表3 三峡水库调洪调度(7-8月)运行前后城陵矶站水情变化

表4 三峡水库调洪调度(7-8月)运行前后螺山站水情变化

3.3 三峡水库调洪调度运行后汇流区逐年水位和流量的变化

为揭示三峡水库调洪调度期，江湖汇流区逐年来水量变化特征，分别绘制监利、城陵矶、螺山3站1990-2017年(7-8月)平均流量、平均水位；最大流量、最高水位；最小流量、最低水位变化过程，见图2～7。

通过对比分析图2～7表明，江湖汇流区监利、城陵矶、螺山3个水文站平均水位、最高水位、最低水位；平均流量、最大流量、最小流量虽均呈波动性变化,但从整体上看不同量级水位和流量均呈同步下降或减少趋势,其中以三峡水库调洪调度后的下降或减少幅度最大,与监利、城陵矶、螺山多年(7-8月)平均来水量变化规律完全一致。这一水情态势对削弱主汛期江湖洪水相互顶托强度和减轻洪涝灾害风险具有重大的实际意义。

图2监利、城陵矶、螺山站1990-2017年平均流量变化过程图3监利、城陵矶、螺山站1990-2017年平均水位变化过程

图4监利、城陵矶、螺山站1990-2017年最大流量变化过程图5监利、城陵矶、螺山站1990-2017年最高水位变化过程

图6监利、城陵矶、螺山站1990-2017年最小流量变化过程图7监利、城陵矶、螺山站1990-2017年最低水位变化过程

4 三峡水库调洪调度对江湖洪水相互顶托的影响

长江与洞庭湖汇流区之所以水情特别复杂是由于江、湖水存在相互影响、相互顶托的关系。当荆江三口入湖水量减少，下荆江监利站泄流量加大,则对洞庭湖口城陵矶出流顶托作用增强；当洞庭湖出流增加,对下荆江出流顶托作用加强；当螺山水位抬高则对下荆江出流和洞庭湖口泄流同时产生叠加顶托作用,导致监利站和城陵矶站水位抬高,洪峰流量相应增加，进而增大江湖地区的洪灾风险。

4.1 三峡水库调洪期长江监利站流量对洞庭湖出流的顶托影响

为系统分析三峡水库调洪期(7-8月),长江对湖口泄流顶托的影响程度，首先绘制三峡水库调洪前后监利站流量与城陵矶站水位的散点图，见图8。通过分析图8可知，三峡水库调洪前监利站流量与城陵矶站水位之间的相关性较为显著，其相关系数达0.7192，调洪后相关系数只有0.4916。这说明三峡水库运行前，长江监利站流量对湖口泄流的顶托作用很强，导致湖口城陵矶出流减慢且水位迅速上升，增大了江湖地区的洪灾风险。三峡水库调洪调度后，由于三峡水库调节了下泄洪峰流量，削弱了长江监利泄流对湖口出流的顶托强度，因而监利流量与城陵矶水位的相关程度有所变小。

为了验证三峡水库调洪长江对洞庭湖出流顶托强度的减弱程度：(1)基于前述的汇流比公式,分别计算三峡水库调洪前后7-8月监利站不同级流量下监利与城陵矶的汇流比(表5)。由表5分析可知，在平均流量下监利站平均洪峰流量与城陵矶站平均洪峰流量的汇流比由0.73减小到0.62，这说明监利出流对城陵矶泄流的影响程度削弱了，也只是在主汛期7-8月监利出流对城陵矶泄流的顶托强度有所削弱，而在最大流量与最小流量下的汇流比却有所增大，这意味着即便是三峡水库具有调洪削峰作用，但长江出流对洞庭湖泄流的顶托作用仍然存在，只是顶托强度有所减弱，其主要是三峡水库运行以来，三口分流量减少,大坝下游河道全线冲刷，河床比降增大，下泄流量加快的缘故。

(2)监利站在不同流量下城陵矶流量-水位关系程度并不一致(图9)。当监利站流量为20 000、30 000 m3/s时，城陵矶站水位随流量增大而上升；当监利站流量为25 000 m3/s时，城陵矶站水位随流量增大而下降。监利站流量每增加约5 000 m3/s，城陵矶站水位上升2.00 m。

(3)监利站在不同水位下城陵矶站流量-水位关系程度差异不大(图10)。当监利站水位为33.00、35.00 m时，城陵矶站的水位随流量增大而上升。城陵矶在同一流量下，监利站水位越高，城陵矶的水位也越高。由此认为，三峡水库调洪以来长江洪水对洞庭湖泄量仍然产生了不同程度的顶托作用，但其顶托强度有所减弱。

表5 三峡水库调洪前后监利在不同量级流量下监利与城陵矶汇流比

4.2 三峡水库调洪期洞庭湖城陵矶站流量对长江泄流的顶托影响

洞庭湖口城陵矶站流量与长江监利站水位之间的相关性较为显著(图11)，三峡水库调洪前两者的相关系数为0.795，调洪后的相关系数只有0.398。这说明三峡水库调洪前，城陵矶站流量对监利站的水位影响较大，随着城陵矶流量的增加，其对长江干流泄流的顶托作用加强，从而减小了监利的出流量，导致监利的水位随之上升。而三峡水库调洪后，因调节了监利站洪峰流量，削弱了长江干流监利站对洞庭湖湖口出流的顶托作用，进而加大了湖口出流量，反过来由于湖口出流量加大，对长江监利出流产生顶托作用。与此同时,监利出流还受到螺山高水位的顶托影响。因而，三峡水库调洪后城陵矶流量与长江监利水位关系显得较为复杂(相关程度减弱)，但总体上看，由于水库调节了下泄洪量，荆江三口入湖洪量减少，洞庭湖泄洪对长江泄洪的顶托强度有所减弱。

为进一步验证三峡水库调洪削峰期，洞庭湖出流对长江洪水顶托强度的减弱程度：(1)分析三峡水库调洪前后城陵矶不同量级流量下城陵矶站与监利站汇流比(表6)的变化特点,结果表明，城陵矶与监利的汇流比在三峡水库调洪后发生了一定的变化,即在平均流量下汇流比从1.36增大到1.61，而在最大流量与最小流量下两汇流比均有所减小,说明三峡水库调洪后，监利对城陵矶的顶托强度要比城陵矶对监利的顶托强度降低得更多。从总体上看，自三峡水库调洪调度以来，湖口城陵矶出流对长江监利站泄流的影响程度有所削弱，也只是在主汛期城陵矶出流对监利站泄流的顶托强度有所减弱。(2)城陵矶在不同流量下监利站的流量-水位关系程度存在一定的差异(图12)。根据图12分析可知，城陵矶在不同流量下监利站的水位随流量增大而上升,城陵矶站的流量越大，导致监利站的水位越高,下泄流量减小,这正是城陵矶泄流对监利泄流顶托作用的结果。(3)城陵矶在不同水位下监利的流量-水位关系程度差异不大(图13)。当城陵矶水位为28.00、30.00、32.00、34.00 m时，监利的水位随流量的增大而上升。监利站在同一流量下，城陵矶水位越高，监利站的水位也越高。由此表明，三峡水库调洪以来洞庭湖对长江洪水泄量仍然产生了不同程度的顶托作用，但其顶托强度有所减弱。

表6 三峡水库调洪前后城陵矶不同量级流量下城陵矶与监利汇流比

4.3 长江螺山站流量对湖口城陵矶站出流的影响

长江螺山站流量与洞庭湖口城陵矶站水位之间的相关性非常显著(图14)，根据图14分析可知，三峡水库调洪前两者的相关系数高达0.9561，调洪后虽稍有下降，但仍为0.8944。这表明三峡水库调洪前后螺山站洪水位对城陵矶泄洪的顶托作用均较强,三峡水库调洪后长江螺山只有在大洪峰流量或高洪水位时才会对洞庭湖湖口泄洪产生顶托作用，显然，这是三峡水库调洪作用的结果。

为验证三峡水库调洪后螺山洪水位对洞庭湖湖口泄洪的顶托强度稍有减弱的趋势；(1)分别计算螺山站不同流量下螺山站与城陵矶站的汇流比(表7),通过分析表7可知，平均流量下的汇流比在调洪后有所减小，即从0.43减小到0.38，这说明三峡水库调洪调度削弱了螺山洪峰流量对城陵矶泄流的顶托强度。在最大流量与最小流量下的汇流比调洪后有所增大，这就从另一方面表明，即便是三峡水库具有调洪削峰作用，但螺山洪峰流量对城陵矶泄流的顶托作用仍然存在，只是顶托强度有所减弱。(2)螺山站在不同流量下城陵矶流量-水位关系程度存在一定差异性(图15),当螺山站流量为30 000、40 000、45 000 m3/s时，城陵矶站水位随流量增大而上升；当螺山流量为35 000 m3/s时，城陵矶水位随流量增大而稍有下降。其中,水位上升幅度最大的是当螺山流量为40 000、45 000 m3/s时，城陵矶流量每增加5 000 m3/s，水位上升1.50 m。由此表明，三峡水库调洪后螺山站在大流量情况下对洞庭湖泄洪的顶托作用仍然较强。(3)螺山不同水位下城陵矶流量-水位关系程度也有所差异(图16)，根据图16分析可知，当螺山水位为28.00、30.00、32.00 m时，城陵矶水位随流量的增大而上升,这一水情态势与螺山站不同流量下城陵矶流量-水位关系程度完全一致。

表7 螺山不同流量下螺山站与城陵矶站的汇流比

图8监利站流量与城陵矶站水位关系图9监利站在不同流量下城陵矶站流量与水位关系

图10监利站在不同水位下城陵矶站的流量与水位关系图11城陵矶站流量与监利站水位关系

4.4 长江螺山站流量对长江监利站出流的影响

江湖汇流区螺山站流量与监利站水位之间的相关性非常显著(图17),由图17分析发现,三峡水库调洪调度前后螺山站流量与监利站水位的相关系值分别为0.9683、0.9219，在江湖汇流区的3个水文控制站中其相关系数是最大的，这意味着在三峡水库调洪调度前后螺山洪峰水位对监利洪峰水位的顶托作用相对最强。也就是说三峡水库调洪前，随着螺山洪峰流量的增多，监利出流量减小，导致监利洪水位随之上升；而三峡水库调洪后，尽管调节了长江中游监利站的洪峰流量，但因受湖口城陵矶汇流的直接影响，使螺山段洪峰流量较大，进而对监利泄流仍然产生顶托作用，但主汛期洪水位顶托强度稍有减弱。

图12城陵矶站不同流量下的监利站流量与水位关系图13城陵矶站不同水位下监利站流量与水位关系

图14螺山站流量与城陵矶水位关系图15螺山站不同流量下城陵矶站流量与水位关系

图16螺山站不同水位下城陵矶站流量与水位关系图17螺山流量与监利水位关系

为进一步验证三峡水库调洪后螺山洪水对监利泄洪的顶托强度稍有减弱的结论：

(1)对比分析螺山站不同流量下螺山站与监利站的汇流比(表8)，由表8可知,三峡水库调洪调度期，在平均流量下汇流比从0.59增大到0.61；在最大流量下汇流比由0.62增大至0.66；在螺山最小流量下汇流比从0.46增大到0.56，这意味着螺山对监利的顶托强度是随汇流比的增大而有所增强。在螺山不同流量下螺山与监利的汇流比均有所增大，这表明三峡水库调洪调度期螺山洪峰水位对监利泄流的顶托强度有所增强。

(2)三峡水库调洪期,螺山站不同流量下监利流量-水位关系存在一定的差异(图18)。当螺山站洪峰流量为30 000、35 000、40 000、45 000 m3/s时，监利站水位随流量增大而上升。其中，上升幅度最大的是螺山站流量为30 000、45 000 m3/s，其对应的监利流量每增加5 000 m3/s，水位上升约1.00 m，当螺山站洪峰流量越小，监利的水位越低，表明螺山洪峰流量对监利站泄洪的顶托强度就较弱。

表8 螺山站不同流量下螺山站与监利站的汇流比

(3)螺山站在不同水位下监利站流量-水位关系程度也不一样(图19)，但不论螺山站的水位是升高还是下降，监利站的水位随流量的增大而上升,随流量减少而降低，这与螺山站不同流量下监利站流量-水位关系程度差异完全相同，表明三峡水库调洪调度运行在一定程度上削弱了螺山洪峰水位对监利泄流的顶托强度。

图18螺山站在不同流量下监利站流量与水位关系图19螺山站在不同水位下监利站流量与水位关系

综上所述，三峡水库调洪调度期(7-8月)，江湖汇流区的水文情势及江湖洪水相互顶托强度均发生了不同程度的改变。具体表现在两个方面：一方面监利、城陵矶、螺山3站的洪峰流量、洪峰水位均有所减少或下降，不同水位不同流量下的流量与水位关系程度均有所降低，江湖洪水相互顶托强度均有所减弱。这一水文情势对减轻江湖地区主汛期的洪水压力以及减少洪涝灾害风险和发生频率具有重大意义；另一方面尽管在主汛期三峡水库调节了长江干流洪峰流量，削弱了江湖洪水相互顶托强度，但由于江湖关系调整过程的动力因素诸多，汇流区的水情态势较为复杂，江湖洪水相互影响、相互顶托的水情态势仍然存在,只是其顶托强度有所减弱，由此认为，在主汛期仍然需要加大汇流区防洪减灾的管理力度。