1950年以来松滋河水沙与河道冲淤变化

陈 帮，李志威,2，胡旭跃,2，钟一丹，谭 岚

(1.长沙理工大学水利工程学院，湖南 长沙 410114； 2.水沙科学与水灾害防治湖南省重点实验室，湖南 长沙 410114；3.水利部节约用水中心，北京 100038； 4.湖南百舸水利建设股份有限公司，湖南 长沙 410007)

长江中游的三口河道(松滋河、虎渡河和藕池河)共同组成的平原河网连通荆江与洞庭湖，其中松滋河是连通长江与洞庭湖的主要水流通道之一，位于湖北省南部与湖南省北部，北连长江，东邻虎渡河，南入澧水尾闾。1870年松滋县黄家铺、庞家湾等干堤溃口形成松滋口，堵口后修筑不牢，1873年长江中游发生极端洪水，强烈冲刷导致江堤复溃，形成松滋河水系[1]。松滋河于大口处分为东西两支，西支为主流，东西两支分别南下汇入澧水。松滋河历史演变经历发展、稳定、衰退3个阶段[2]。1950年之后松滋河进入全面衰退期，1958年华容河的调弦口堵口、下荆江系统裁弯、葛洲坝枢纽建成和三峡水库蓄水等大型水利工程的建设，加速其分水比减少、河道淤塞和河槽萎缩[3-6]。

国内外对三口河道分水分沙的变化特征及水沙变化的驱动力分析已有较多研究报道，关于荆江三口分流分沙比变化的原因，至今还存在着较大争议。早期，单剑武[7]指出影响荆江四口分流分沙主要是口门河势变化，而卢金友[8]认为分流口门与干流的相对位置、口门附近干流河势变化、分流道的冲淤变化为主要影响因素，下荆江裁弯工程只加速三口分流递减的进程。方春明等[9]分析表明，三口河道淤积萎缩、分流分沙急剧减小的主要驱动力是下荆江裁弯后水位的下降。随后，李景保等[10-11]指出长江中游调弦口堵口、下荆江系统裁弯、葛洲坝截流是导致洞庭湖来水来沙缓减的主动因子。三峡工程蓄水是加速分流分沙比下降还是减缓水沙变化趋势目前还存在一定争议[12-19]，荆江三口水沙演变主要驱动原因和未来演变趋势需进一步研究。

荆江三口水沙交换是荆江-洞庭湖关系(简称江湖关系)演变的主要驱动力，而松滋河与荆江的纽带关系是江湖关系的重要组成部分之一[20-23]。下荆江裁弯前1956—1966年松滋河、藕池河和虎渡河多年平均径流量占三口径流总量的百分比分别为36.4%、47.8%和15.8%，葛洲坝截流前1973—1980年分别为51.2%、29.6%和19.2%，三峡水库蓄水后2003—2008年分别变化为59.0%、22.1%和18.9%。可见，松滋河在三口分水的比重愈加凸显，未来一定时期内其分水分沙在三口河道中将处于主导地位[24]。因此研究松滋河分水分沙和冲淤变化，对揭示江湖关系的新变化、洞庭湖区北部防洪安全及水资源综合利用等具有重要的科学与实践意义。本文基于新江口与沙道观水文站的水文数据，分析多年平均输沙量、多年平均径流量、分水分沙比及断流天数。利用Landsat系列遥感影像与Google Earth影像分析松滋河口门区及其沙洲平面形态。采用网格分析法与断面分析法，计算松滋河2003—2011年各河段冲淤量，以此揭示松滋河1950年以来河道演变规律。

1 研究河段与数据来源

1.1 研究河段

松滋河是长江中游向南分水的一个重要泄洪通道(图1)，松滋口至大口为松滋河主流，长25.0 km。松滋河至大口后分为东西两支，东支自大口经沙道观、中河口，与中支于小望角汇合，全长120.0 km。西支自大口经新江口、苏支河出口、青龙窑于张九台和中支汇合，西支全长118.5 km。西支在青龙窑处分水，右侧一支为松滋河中支全长34.5 km，自青龙窑经张九台于小望角和东支汇合。松滋洪道从小望角于松滋河与虎渡河交汇处全长21.5 km，松虎洪道接松滋洪道继续南下与澧水汇合，全长30.0 km。采穴河连通松滋河主支与荆江，全长20.0 km，2018年12月测量平均水面河宽为85 m。松滋河东西两支由莲支河、苏支河、瓦窑河相连通，分别长6.5 km、10.0 km和7.0 km。从Google Earth 观察莲支河已进行人工封堵，其他两支处于自然连通状态。莲支河入口经东支南下7.0 km，分为两支，左侧一分支为官支河全长24.0 km。

图1 长江中游松滋河位置及其水系分布

松滋河有2个主要的分水点和3个汇流点(图1)，D1位于大口为东支与西支的分水点，距松滋口25.0 km。瓦窑河与西支交汇处往南4.5 km为松滋河西支与中支分水点D2。C1、C2分别位于张九台和小望角，为西支与中支、中支与东支的交汇点，相距7.6 km。小望角沿松滋洪道往南21.5 km即是松滋河与虎渡河的汇流点C3。松滋河设有新江口与沙道观两个水文站，新江口布置于松滋河西支，沙道观布置在松滋河东支。

1.2 地形、水文数据和计算方法

松滋河的河道地形采用长江水文局2003、2006、2009和2011年4年实测数据。冲淤量计算同时采用网格地形法与断面地形法[25]。根据获取的地形数据特点，利用Surfer 11创建松滋河2003年、2011年局部河段数字高程模型(DEM)，根据Trapezoidal Rule、Simpson’s Rule、Simpson’s 3/8 Rule分别计算平均高程在40 m下分水、汇流河段的冲淤量。测量2006年和2009年松滋河相邻冲淤断面面积以及间距，采用梯形规则计算相邻断面冲淤量，累计叠加得到河段冲淤量。

采用新江口和沙道观水文测站1951—2003年多年平均实测径流数据和输沙量数据，2003—2016年为逐日平均含沙量、流量及水位，取自于长江水文局。

1.3 遥感数据和处理方法

从1984—2018年选取7幅遥感影像作为分析对象。其中1987年遥感影像资料来自美国NASA的陆地卫星Landsat 8，2014年、2018年选用Landsat 4-5 TM遥感影像，1984年、1994年、2004年、2014年选用Google Earth遥感影像。Landsat 4-5 TM影像共包含7个波段，波段6的空间分辨率为120 m，为热红外波段，其他波段为30 m。Landsat 8共有11个波段，波段8空间分辨率为15 m，为全色波段，其余波段的空间分辨率为30 m，Landsat遥感影像在地理空间数据云网站下载。

松滋河口门区水体信息利用改进的归一化差异水体指数I进行提取，I=(G-M) /(G+M)，其中G为绿光波段，M为中红外波段[26]。运用ArcGIS融合Landsat 4-5 TM第2、5波段及Landsat 8第3、6波段提取目标水体。利用Google Erath将戥盘洲及松虎洪道近期平面演变生成kmz数据文件，导入ArcGIS中经过投影变换后计算相应的平面几何尺寸。

不同的气象和水文条件在较大程度上影响遥感影像的质量，尤其水位的变动对分析平面形态特征影响较大。从湖南水文信息网中得到2004年12月4日松滋河沙道观水位为34.8 m，2018年1月9日为34.4 m，枯水期水位变动较小。在分析松滋河口门区的形态变化时，选用枯水季节的遥感影像，相对汛期而言，枯水期分析年际变化时一定程度上能够减小因为水位变动对测量造成的误差。对比2003与2011年地形数据可知，松滋河口门区与戥盘洲河岸坡度较大。综上所述，选用的遥感影像在分析松滋河平面形态变化的年际变化时，具有可比性。

2 研究结果与分析

2.1 水文数据分析

图2为松滋河新江口站与沙道观站的多年平均与年径流量W与输沙量Ws时程。图2(a)表明松滋河新江口站与沙道观站的多年平均径流量与输沙量，整体呈现递减趋势。1981年之前松滋口新江口站多年平均径流量与多年平均输沙量有增有减，多年平均径流量在整体上维持300.0亿m3以上，多年平均输沙量平均为3500.0万t。1961—1970年至1971—1980年新江口与沙道观多年平均径流量分别从353.0亿m3、159.0亿m3降至311.0亿m3、102.0亿m3，减幅分别为11.9%、35.8%。多年平均输沙量分别从3 721.0万t、1 891.0万t降至3 249.0万t、1 232.0万t，减幅分别为12.7%、34.8%。

图2 松滋河新江口站与沙道观站的水文数据

1981年葛洲坝截流之后，松滋口两水文站多年平均径流量与输沙量均大幅度递减，1981—1990年至2006—2010年新江口输沙量呈现断崖式递减，从3 838.0万t降至264.0万t，减幅达到93.1%。多年平均径流量从319.0亿m3降至218.0亿m3，减幅比例为31.7%，新江口站多年平均径流量的递减幅度小于多年平均输沙量。同期沙道观多年平均径流量与多年平均输沙量分别从91亿m3、1 260万t降至47亿m3、60万t，减幅比例分别达到48.4%、95.2%。这2个水文站多年平均径流量与输沙量减幅比例拉大，两站输沙量减幅比例大于径流量减幅比例。

图2(b)表明三峡水库蓄水后松滋河两个水文站年径流量和年输沙量的变化趋势。分别对两站相关数据变化趋势进行函数线性拟合，得到2003—2016年新江口水文站年径流量与年输沙量线性拟合斜率分别为-0.35亿m3/a与-29.45万t/a，沙道观分别为-0.80亿m3/a与-7.49万t/a。两水文站年输沙量递减趋势大于年径流量，新江口年径流量递减速率低于沙道观，而年均输沙量要远大于沙道观。三峡蓄水拦截上游大量泥沙，清水下泄导致新江口输沙量递减幅度持续下降，枯水期三峡水库下泄补水量对维持松滋河径流量的稳定起到积极作用。

以一系列重大水利工程(如调弦口堵口、下荆江系统裁弯、葛洲坝和三峡水库工程)为时间节点统计松滋口水文站(新江口、沙道观)与枝城站的分水比、分沙比(图3)。对比下荆江系统裁弯前后时间段三口河道分水比、分沙比的变化，1956—1966年至1973—1980年新江口水文站分水比与分沙比分别从7.1%、6.2%增加至7.3%、6.7%，同期沙道观水文站分水比与分沙比分别减少1.2%、0.9%。1999—2002年至2003—2016年新江口水文站分水比从6.2%降至5.8%，分沙比从6.6%降至2.4%，同期沙道观水文站分水比与分沙比分别从1.5%、1.6%降至1.3%、0.6%。

图3 新江口站与沙道观站的分水、分沙比

1956—1966年至1999—2002年松滋口分水比、分沙比呈现缓慢递减趋势，分别从10.7%、9.7%降至7.7%、8.2%，分别缩小3.0%、1.5%。1999—2002年至2003—2016年松滋口分沙比从8.2%降至3.0%，分水比从7.7%降至7.0%，分沙比的递减速率远高于分水比。三峡水库蓄水后，较大的影响松滋河两水文站的分沙比，对于分水比的影响较小。

图4(a)统计了沙道观水文站1951—2015年多年平均断流天数。水位在35 m时新江口水文站由于地下水与小溪汇流因素未出现断流现象，而松滋口门处基本断流。1951—1970年沙道观未出现断流现象，1961—1970年至1981—1990年多年平均断流天数增长至155 d。1991—2000年、2001—2005年、2006—2010年断流时间分别为160 d、190 d、209 d，断流天数持续增加，2010—2015年下降至190 d。图4(b)为三峡蓄水后2003—2016年沙道观年均断流天数线性拟合，斜率为-2.8 d/a，表明三峡水库蓄水后，沙道观水文站断流天数整体呈现递减趋势。

图4 松滋河的沙道观水文站断流天数

统计2003—2018年松滋河两水文站不同流量级别水位的变化。新江口水文站分0～100 m3/s、100～500 m3/s、500～1 000 m3/s、1 000～2 000 m3/s、2 000～3 000 m3/s、3 000～4 000 m3/s 共6个流量级别，沙道观水文站因过流能力较小，分为0～100 m3/s、100～500 m3/s、500～1 000 m3/s、1 000～2 000 m3/s共4个流量级(图5)。流量在0～100 m3/s时，新江口站水位呈现上升趋势，线性拟合之后斜率为0.03 m/a。其他流量级别下水位都呈递减趋势，其中流量区间在3 000～4 000 m3/s时，斜率最小为-0.06 m/a。沙道观站4个不同流量级别，水位都呈现递减趋势，2003—2018年水位斜率分别为-0.01 m/a、-0.06 m/a、-0.003 m/a与-0.03 m/a。

图5 2003—2018年松滋河不同流量级别水位变化

2.2 松滋河平面形态变化

2.2.1口门区

经过波段融合后，松滋口3期Landsat遥感影像提取的平面形态如图6所示。1987—2004年松滋河口门区平面形态变化较小，2004—2018年口门区有局部冲刷。利用ArcGIS经投影坐标转换后测量松滋口杨各洲1987—2004年面积减小0.3 km2，减幅3%，2004—2018年面积减少0.1 km2。测量松滋口至戥盘洲洲头共计6.1 km松滋河主流河段的平均河宽，3年平均河宽分别为572 m、560 m和568 m，整体河宽变化幅度不大。

图6 基于Landsat遥感影像的松滋河口1987—2018年平面形态变化

松滋河口门区右侧为山区，左侧为平原，地处山区与平原的过渡段，特殊的地理位置使松滋河口门区平面形态变化相对较小。而其他两口河道(虎渡河、藕池河)位于平原区，口门区泥沙淤积严重，口门区河道缩减较快。在三口分水整体呈现下降趋势的前提下，松滋河分水量减少的速率低于藕池河，已逐渐成为三口分水的主要通道。

松滋河主流距河口6.0 km处分布一个稳定的江心洲(戥盘洲)，统计1984—2014年戥盘洲每隔10 a平面形态变化。2004利用ArcGIS测量得到1984年平面形态面积为3.99 km2，1994面积增加至4.13 km2，增幅3.51%。2004年与2014年平面形态面积分别为4.44 km2和4.60 km2，与1984年相比增幅分别为11.3%和15.3%，戥盘洲洲头逐年向前淤积发展。

2.2.2松虎洪道

松滋河与虎渡河汇流之后，松虎洪道沿程长度共计约20 km，汇入澧水洪道如图7所示。1984年统计松虎洪道共分布7个沙洲，自上而下将沙洲编号为1～7。1984年1号沙洲面积为0.08 km2，2001年增加至0.19 km2，面积增幅达到137.5%，2016年增加至0.26 km2，相比2001年增幅36.8%。1984年2、3号沙洲相互独立，2001年形成整体，面积从2.17 km2增加至2.34 km2，2016年面积达到2.58 km2。1号沙洲与2、3号沙洲之间淤积严重，由于河道内淤积抬高，部分段沙洲已经与右岸连接，右汊河道淤积废退，分水能力下降。2001—2016年4号沙洲洲头淤积向前发育，其面积由0.79 km2增加至1.08 km2，增幅达到36.7%。1984—2016年5、6号沙洲平面形态面积变化较小，32年内增幅分别为2.5%和5.6%，其变化相对较为稳定。

图7 基于Google Earth 遥感影像的松虎洪道1984—2016年平面形态变化

2.3 松滋河河道冲淤变化

2.3.12003—2011年局部河道冲淤变化

a. 松滋河分水河段局部冲淤变化。采用Surfer 11创建2003和2011年松滋河中支-西支、东支-西支(图8)分水段局部河段的数字高程模型(DEM)，利用Trapezoidal Rule、Simpson’s Rule和Simpson’s 3/8 Rule 3种方法分别计算2003和2011年中支-西支分水局部河段体积，2003年体积分别为9 170万m3、9 180万m3和9 190万m3，2011年体积分别为9 610万m3、9 630万m3和9 610万m3；2003—2011年冲淤变化分别为440万m3、450万m3和420万m3，平均淤积437万m3；松滋河东支-西支分水2003—2011年局部河段冲淤量分别为92万m3、74万m3和108万m3，平均淤积91万m3。

图8 松滋河东支-西支分水局部河段的数字高程模型

b. 松滋河汇流河段局部冲淤变化。表1(表中“+”为淤积，“-”为冲刷，下同)为采用3种计算方法计算得到的2003—2011年松滋河汇流河段局部冲淤变化。松滋-虎渡河汇流局部河段冲淤变化分别为-157万m3、-174万m3和-163万m3，平均冲刷165万m3；中支-西支汇流局部河段冲淤变化分别为-215万m3、-210万m3、-217万m3，平均冲刷214万m3；中支-东支汇流段局部河段冲淤变化分别为1.96万m3、4.03万m3、10.8万m3，平均淤积5.61万m3。2003—2011年松滋-虎渡河、中支-西支汇流局部河段冲刷，中支-东支汇流局部河段淤积。

表1 松滋河2003—2011年局部河道冲淤变化 万m3

2.3.22006—2009年松滋河各河段冲淤变化

图9分别为松滋河主支、采穴河、西支、东支、中支、松滋与松虎洪道的各测量典型断面2006—2009年冲淤变化。松滋河主支段共分布10个断面，断面间距平均为2.5 km，松滋口至15 km处，除第2个断面其余都以冲刷为主，15 km后3个断面淤积。采穴河分布8个断面，全部为淤积断面。松滋河西支与东支分别分布45和40个断面，断面平均间距分别为3 km和2.6 km。西支有10个冲刷断面，35个淤积断面，冲刷断面主要分布上游段。东支分布17个冲刷断面，23个淤积断面，冲刷断面与淤积断面相互交替。中支河段10个断面中，第2、10个断面为冲刷断面，其余为淤积断面。松滋洪道与松虎洪道共分布24个断面，其中9个为淤积断面，15个为冲刷断面，最大淤积面积为524.8 m2。

图9 松滋河典型断面年内冲淤变化

利用断面地形法计算2006—2009年松滋河各河段的冲淤变化。以瓦窑河为界限将东支、西支分为两段进行冲淤量计算，以北河段记为西支1、东支1，以南记为西支2、东支2。西支1与西支2分别淤积448.8万m3、159.1万m3，东支1河段淤积49.4万m3，而东支2河段冲刷79.6万m3。采穴河、官支河、苏支河及瓦窑河2006—2009年分别淤积32.6万m3、9.0万m3、10.7万m3、17.8万m3，中支河段与松滋洪道3年内分别淤积33.9万m3、56.5万m3，主支河段与松虎洪道则分别冲刷43.7万m3和7.7万m3。2006—2009年松滋河共淤积682.7万m3，西支河段淤积量最大，淤积量达607.9万m3，占总淤积量的89%。

根据窦身堂等[27]、彭玉明等[28]研究1952—1995年松滋河各河段冲淤量(表2)，淤积最多的是松滋河西支的苏支河上口—汇口，东支的大口—苏支河下口，小望角—新开口，冲刷段主要发生在松滋河东支的苏支河下口—小望角。1952—1995年松滋河总淤积(不含主支段陈二口—大口与支汊)5 874万m3，平均每年淤积136.6万m3。2006—2009年断面分析法计算得到总淤积682.7万m3，平均每年淤积227.5万m3，1952—1995年与2006—2009年的淤积河段都为西支，中支与东支北段，冲刷河段主要集中在东支南段，冲淤规律较为一致。

表2 松滋河1952—1995年冲淤量计算成果

3 结 论

a. 1951—1980年，松滋河径流量和输沙量变化趋势维持相对稳定状态，1981年葛洲坝截流之后，输沙量递减幅度加大，2003年三峡水库蓄水后输沙量持续降低，1981—1990年至2006—2010年新江口输沙量递减幅度达到93.1%，径流量变化趋势较为稳定。1961—1970年至1981—1990年多年平均断流时间增长最快到达155 d，三峡水库蓄水后，缓解沙道观水文站断流天数递增趋势。

b. 松滋河口门区位于山区、平原地区的过渡段，右岸岸线较为稳定，1987—2018年松滋河口门区平面形态变化相对较小。1984—2016年松滋河与虎渡河汇流处沙洲淤积严重，3个独立沙洲逐渐淤积为整体，右岸河道淤积废退。

c. 三峡水库蓄水后，2003—2011年松滋河中支-西支、东支-西支分水局部河段以淤积为主，汇流河段除中支-东支局部河段淤积外，松滋-虎渡河、中支-西支汇流河段分别冲刷165万m3、214万m3。2006—2009年松滋河整体淤积682.7万m3，西支河段淤积量较大，达到总淤积量的89%。

本研究受地形数据系列的局限，无法对比三峡工程蓄水前后冲淤变化，只能反映2003—2011年与2006—2009年三峡蓄水后松滋河短期的冲淤变化，因三峡蓄水后对松滋河的综合影响尚未完全揭示，下一步需要加强对松滋河的水流-泥沙-地形的连续监测、数据挖掘与理论分析。