三峡工程运行前后荆江三口分流能力变化

高 耶

（湖南省水文水资源勘测中心，湖南 长沙 410007）

荆江三口是沟通洞庭湖与长江的联系纽带，是洞庭湖和荆江河道历史变迁的关键驱动因素，三口河道冲淤演变和分水分沙直接影响着长江中游和洞庭湖区的防洪安全、水资源安全和水生态安全。20 世纪80 年代以来，葛洲坝和三峡大坝运行导致上荆江干流河道出现自上而下的沿程冲刷，在干流泥沙持续减少的背景下，三口河道逐渐由淤积过渡为冲刷，深刻影响着三口分流能力。

在洞庭湖北部地区季节性水资源短缺成为常态的背景下，三口分流能力正成为普遍关注的热点研究问题。穆锦斌等构建河网水流数学模型研究了枝城流量分别为20 000 m3/s、30 000 m3/s 和40 000 m3/s 情况下荆江三口分流变化[1]。李义天分析认为1955～1990 年间，荆江河段水位下降、三口分流洪道淤积导致三口分流比急剧递减；1990 年至蓄水前，三口分流比基本变化不大；三峡建库20 年后，荆江河段中、高水位下降幅度有限，三口分流洪道河床高程下降幅度较大，三口分流比将不会减少[2]。方春明等研究三峡水库运行对荆江三口分流的影响，认为荆江河段冲刷已呈减缓趋势，荆江河段小流量时水位有所下降，但下降速度减缓，大流量时变化不大，干流不同流量下三口分流能力尚未有明显变化，但径流调节导致三口分流量减小[3]。但上述研究是将各口门看作整体进行分析研究，没有具体考虑不同河道的冲淤变化和分流变化。随着三峡工程运行时间的延长，三口不同河道实际的水文情势发生了较为明显的变化，有必要基于实测水文资料具体分析荆江干流不同流量情况下三口各河道的分流能力变化，为优化三峡工程运行调度提供科学依据。

1 研究数据和研究方法

研究数据主要是收集的典型水文站历史长系列资料，以新江口和沙道观水文站（松滋口）、弥陀市水文站（太平口）、康家岗和管家铺水文站（藕池口）20 世纪90年代～2015 年逐日流量数据代表荆江三口；以枝城站和沙市水文站20 世纪90 年代～2015 年逐日流量数据代表荆江干流，数据来源于长江水利委员会。

统计分析三峡工程运行前后荆江干流典型流量条件下，各口门站点在三峡工程运行前后的分流流量变化，考虑到不同站点间的可比性，分别选择荆江干流流量10 000 m3/s、20 000 m3/s 和40 000 m3/s 作为低水、中水和高水条件。时间序列趋势性采用Mann-Kendall 非参数秩次相关检验法进行检验。Mann-Kendall 趋势检验由R 软件“Kendall”包Mann-Kendall 函数完成，Mann-Kendall 函数基于变量与时间之间的Kendall 秩相关进行单变量时间序列的趋势检验。对于趋势不显著的变量，再基于SPSS19.0 软件对变量进行Mann-Whitney 非参数检验，比较1991～2002 年和2003～2015年2 个时期的差异显著性。

通过解译不同时期的遥感图像（如表1），获取不同水位条件下三口口门整个河段的平面形态，分析说明近40 年来口门河段河道的冲淤变化情况。遥感影像分析主要基于地物的光谱特征，在大部分遥感传感器的波长范围内，水体总体呈现出较弱的反射率，尤其是在波长大于740 nm 的近红外及中红外波段（相当于TM/ETM+的Band4、Band5 和Band7）几乎所有入射能量均被水体吸收，与其它地物类别形成明显反差。本研究在统一投影和坐标系下，按照常规的人机交互解译方式解译研究区域不同时期的遥感影像。

表1 荆江三口遥感数据的接收日期及其水位

2 荆江三口分流能力的变化

2.1 松滋口

如图1、图2 和表2 所示，近30 年来，松滋口新江口站和沙道观站流量在干流枝城站流量为10 000 m3/s时没有显著变化（P>0.05），而且1991～2002 年和2003～2015 年2 个时段的平均流量值没有显著差异。荆江干流枝城站流量为20 000 m3/s 条件下，新江口站分流流量显著上升（P=0.005），2 个时段平均流量值由1 480 m3/s 增至1 612 m3/s，增幅8.92%；枝城站流量为40 000 m3/s 条件下，新江口站分流流量没有明显变化（P>0.05），2 个时段平均流量值由3 527 m3/s 增至3 684 m3/s，增幅4.45%。荆江干流枝城站流量为20 000 m3/s 和40 000 m3/s 条件下，沙道观站分流没有显著变化（P>0.05）。在干流流量为20 000 m3/s 时，沙道观站平均流量值由318 m3/s 增至371 m3/s，增幅16.67%。

图1 干流不同流量条件下新江口站流量的时间变化

图2 干流不同流量条件下沙道观站流量的时间变化

2.2 太平口

由图3 和表2 可见，荆江干流沙市站流量为10 000 m3/s 时，太平口弥陀寺站流量没有明显变化趋势（P>0.05），并且2 个时段没有显著差异；干流中高流量情况下，太平口弥陀寺站流量出现明显的下降趋势（P=0.037，0.013）。沙市站流量为20 000 m3/s 时，弥陀寺站在1991～2002 年和2003～2015 年2 个时段平均流量值分别为906 m3/s 和772 m3/s，下降14.79%；沙市站流量为40 000 m3/s 时，弥陀寺站2 个时段的平均流量值由1 950 m3/s 降至1 674 m3/s，降幅达14.15%。

图3 干流不同流量条件下弥陀寺站流量的时间变化

表2 干流不同流量条件下荆江三口分流流量统计表

2.3 藕池口

如图4 所示，在干流沙市站流量为10 000 m3/s 时，管家铺分流显著下降（P=0.007），在1981～2002 年和2003～2015 年2 个时段的平均流量分别为29 m3/s 和9 m3/s；沙市站流量为20 000 m3/s 时，管家铺分流流量没有明显趋势性变化（P>0.05）；沙市站流量为40 000 m3/s时，管家铺流量值明显下降（P=0.002），2 个时段的平均流量值分别为3 760 m3/s 和2 617 m3/s，降幅高达30.4%。

图4 干流不同流量条件下管家铺站流量的时间变化

由图5 和表2 可见，在干流沙市站流量为20 000 m3/s 时，藕池口康家岗站分流流量没有显著趋势性变化（P>0.05），在1991～2002 年和2003～2015 年2 个时段的多年平均流量值由48 m3/s 缓慢下降至33 m3/s。干流沙市站流量为40 000 m3/s 时，藕池口康家岗站流量在2003 年后显著下降（P=0.001），2 个时段的多年平均流量值分别为303 m3/s 和161 m3/s，下降46.86%。

图5 干流不同流量条件下康家岗站流量的时间变化

3 三口分流能力变化的原因分析

3.1 松滋口

通过解译1988 年、2000 年和2014 年3 个时期的枯水期遥感影像，得到如图6 所示的松滋口低水位河道平面形态对比图。荆江干流河段河床平面形态和河势相对稳定，松滋口口门发生显著形态变化，口门右岸除二口边滩略有淤积，宽度近200 m，但总体相对稳定；口门左岸羊角洲由于长江干流来水顶冲影响，持续冲刷崩退，2000 年较1988 年后退450 m，2014 年又向后退900 m，崩退速度明显加快，导致口门处河宽在2000 年后大幅展宽，有利于进流。口门下游的心滩处于动态平衡状态。口门河段在1988 年、2000 年和2014年三个时期的平均河宽分别为290 m、270 m 和377 m，表明松滋口口门河段在20 世纪80 年代～21 世纪00年代间先淤后冲，结果与新江口和沙道观水文站河道断面低水河槽的变化过程一致。

通过解译1987 年、2000 年和2011 年3 个时期的丰水期遥感影像，得到如图7 所示的松滋口高水位平面形态对比图。过去30 年间，高水时期松滋口口门河段形态保持相对稳定，仅口门左岸河段出现近200 m的轻微冲刷崩退，相对于枯水期明显的冲淤变化，高水河槽保持稳定。

图6 不同时期松滋口低水位平面形态对比图

图7 不同时期松滋口高水位平面形态对比图

3.2 太平口

太平口口门附近沙市河段外形较顺直，太平口河段与主流流向几乎垂直。通过解译1988 年、1999 年和2014 年3 个时期的枯水期遥感影像，过去30 年间，低水时期太平口口门河段总体呈现持续冲刷的态势。相对于1988 年影像，1999 年影像中口门腊林洲边滩滩头冲刷后退，边滩下段淤积下延，但2000 年后边滩保持稳定。2000 年后太平口心滩滩头淤积，尾部冲刷分成两个独立心滩。1999 年口门河段的平均河宽为95 m，比1988 年展宽3 m，表明太平口口门河段在20 世纪90 年代间仅发生轻微的河床冲刷。2000 年后，太平口口门河段枯水河槽出现较强冲刷，导致枯水河槽平均河宽增至120 m，相对于1988 年增长30%。见图8。

图8 不同时期太平口低水位的平面形态对比图

由于缺乏2000 年左右高水位遥感影像资料，这里仅对比1984 年7 月30 日影像与2010 年7 月30 影像，如图9 所示。近30 年间，高水时期太平口口门河段平均河宽由310 m 缩窄至249 m，河漫滩河槽出现淤积，河道平面形态更加顺直均匀。

3.3 藕池口

图9 不同时期太平口高水位的平面形态对比图

相对于松滋口门和太平口门，藕池口门河段发生尤为剧烈的河道形态变化（如图10 和11 所示）。藕池口口门河段主流偏左岸，大量底沙进入口门，形成严重的口门沙。口门处天星洲洲头不断淤积上延，洲尾在20 世纪90 年代淤积后与荆江河岸连成整体。由于天星洲淤积, 藕池口分流口门不断上移，2013 年藕池口口门位置分别较2000 年和1984 年向上游移动约3 km 和8 km。2000 年后，天星洲中部迎流冲刷，洲体右缘中部出现大幅度的崩退。低水位条件下，1984 年4 月25 日影像与2000 年4 月13 日影像中藕池口口门河段均出现断流情况，2013 年10 月10 日影像中新厂水位比前2 个时期低0.3 m，但河道并没有发生断流，说明藕池口口门河段枯水河槽存在冲刷。藕池口口门河段3 个时期的平均河宽分别为177 m、182 m 和180 m，表明过去30 多年藕池口枯水河槽没有刷宽，主要表现为冲深。

高水位条件下，藕池口门处天星洲洲头同样淤积上延，2000 年口门处淤积2.5 km，面积扩大约7.4 km2，2000 年后天星洲洲头向上游淤积800 m，面积增加1 km2，淤积速率明显减缓。高水时期，藕池口口门河段3 个时期的平均河宽分别为467 m、307 m 和278 m，表明过去30 多年藕池口河漫滩河槽处于持续淤积状态，但由于长江干流来沙持续减少，藕池口口门河段淤积速率在2000 年后明显减弱（见图12、图13）。

图10 不同时期藕池口低水位的遥感影像对比图

图11 藕池口低水位的的河道平面对比图

综上所述，可以发现2003 年三峡工程正式运行后，三口口门河段枯水河槽均处于冲刷状态；松滋口口门河段河漫滩河槽状态较为稳定，但太平口和藕池口口门河段河漫滩河槽处于持续淤积状态，由于长江干流来沙减少，淤积速率减缓。

三口分流能力主要取决于三口河道冲淤变化与荆江河道不同步[6]。三峡水库初期蓄水运行后，荆江来水量有所减小，来沙量大幅度减小[5～6]。坝下游水流挟沙处于不饱和状态，河床发生长距离冲刷，含沙量沿程增加，冲刷强度加大。三峡水库初期蓄水运用后的前3 年最为剧烈，河床断面滩槽均冲深，以枯水河槽冲刷为主，枯水冲刷量占平滩河槽冲刷量的72%，尤其是弯道凹岸中下段的近岸河床冲刷幅度相对较大[6～9]。除枝城站在枯水流量下水位略有下降外，上荆江在中、枯流量下水位均有一定程度的下降，其中沙市站枯水位下降最大，但中高水位各站下降幅度较小[6]。与蓄水前的2002 年相比，流量在20 000 m3/s 时，枝城水位下降仅0.02 m，沙市水位下降0.20 m；流量在40 000 m3/s 时，枝城、沙市水位基本变化不大，说明三峡工程运行后荆江河段中、高水位相对稳定[2]。

图12 不同时期藕池口高水位的遥感影像对比图

图13 藕池口高水位的的河道平面对比图

三峡工程正式运行后，三口口门河段低水河槽均出现一定冲刷，同期2002～2009 年间枝城和沙市河道低水河槽冲深分别为0.2 m 和0.75 m[5]，上荆江干流河道低水河槽的冲刷程度基本相当于荆南三口河道，干流低水时期三口河道分流能力尚未造成明显影响。松滋口口门河段河漫滩河槽状态较为稳定，太平口和藕池口口门河段河漫滩河槽处于持续淤积状态，因此干流高水时期，太平口和藕池口分流衰减明显，导致三口分流能力明显减弱。

4 结 论

2003 年三峡工程运行后，荆江三口口门河段低水河槽均出现一定冲刷，与上荆江干流河道低水河槽的冲刷程度基本相当，干流低水时期三口河道分流能力尚未造成明显影响。在荆江干流流量为10 000 m3/s 条件下，藕池口康家岗站处于断流状态，管家铺站分流流量趋势下降，其余三站分流在三峡工程运行前后并没有明显变化。

在干流流量为20 000 m3/s 条件下，新江口站在三峡工程运行前后的平均流量值由1 480 m3/s 增至1 612 m3/s，沙道观站平均流量值由318 m3/s 增至371 m3/s，增幅达16.67%；弥陀寺站多年平均流量值由906 m3/s 降至772 m3/s，下降14.79%；藕池口管家铺站和康家岗站流量基本保持稳定，三口分流能力没有明显变化。

松滋口口门河段河漫滩河槽状态较为稳定，太平口和藕池口口门河段河漫滩河槽处于持续淤积状态，但太平口和藕池口口门河段河漫滩河槽淤积速率减缓明显。在干流流量为40 000 m3/s 条件下，新江口站在三峡工程运行前后的多年平均流量值由3 527 m3/s 轻微上升至3 684 m3/s；沙道观站平均流量值保持不变，多年平均流量值均为1 267 m3/s；弥陀寺站多年平均流量值由1 950 m3/s 降至1 674 m3/s，降幅达14.15%；藕池口两站流量值明显下降，管家铺站多年平均流量值分别为3 760 m3/s 和2 617m3/s，降幅高达30.4%，康家岗站多年平均流量值分别为303 m3/s和161 m3/s，下降46.86%。综上所述，干流流量10 000 m3/s 和20 000 m3/s 条件下，荆江三口在三峡工程正式运行前后分流能力总体没有明显变化；在干流流量和40 000 m3/s 高水条件下，三口分流能力总体呈现减少。