2020年荆江三口分流分沙变化研究

徐 长 江，刘 冬 英，张 冬 冬，李 妍 清

(长江水利委员会 水文局，湖北 武汉 430010)

1 研究背景

荆江三口由松滋口、太平口和藕池口三口组成(调弦口于1959年封堵)，是长江干流与洞庭湖的水沙连接通道，洞庭湖又集湘、资、沅、澧四水于城陵矶汇入长江，形成了复杂的江湖关系(见图1)。长江径流通过荆江三口分泄进入洞庭湖，约占城陵矶出湖总水量的38.5%，其水资源量对于保障区域的工农业生产和人民生活供水安全意义重大[1]。20世纪50年代以来，荆江河段经历了下荆江裁弯、葛洲坝水利枢纽截流、三峡水库运行等重要的历史变化，荆江河段水沙条件及输移特征发生了相应变化[2]。针对荆江三口水文情势变化的问题，众多学者从分流分沙变化特征[3-4]、河道冲淤变化[5-6]、江湖关系演变规律[7-8]等角度进行分析研究，结论以三口洪道淤积萎缩，三口分流量减少居多。三峡水库运行后，荆南三口分流分沙变化也受到广泛关注，王冬等[9]通过分析指出枝城同流量下三口分流比和分流量在三峡水库蓄水前后变化不大，三口分流量减少与上游来水偏枯有关。郭小虎等[10]着重分析松滋口的分流分沙年际变化特征，指出影响松滋口分流分沙比变化的最主要的因素为口门附近水位和口门高程的变化。许全喜[11]在分析三口分流分沙变化规律基础上，指出了三口洪道泥沙淤积、三口口门河势变化、荆江河床冲刷、洞庭湖淤积萎缩是影响荆江三口分流分沙变化的主要因素。由于荆江河道泥沙冲淤变化较为明显，三峡水库运行以后，流域大洪水条件下荆江三口分流分沙能力是否有显著的变化，是目前研究的热点。本文在归纳总结荆江三口长历时分流分沙变化规律的基础上，重点分析2020年枝城大流量条件下荆江三口的分流分沙特性，评估荆江分流能力的变化，本研究可以为江湖关系深入研究提供技术支撑。

图1 荆南四河水系区域以及水文站网分布Fig.1 Location of gauge stations in Jingnan area

2 荆江三口分流分沙特性分析

2.1 年际变化

20世纪50年代以来，下荆江裁弯、葛洲坝、三峡水库以及上游水库群修建，对荆江三口分流分沙产生了一定的影响。荆江三口的演变大致分为5个阶段，各个阶段起止时间及代表事件见表1。

表1 荆江三口分流变化过程汇总Tab.1 Changes on diverted flow of the three outlets of Jingjiang River

受下荆江裁弯、葛洲坝水利枢纽、三峡水库及上游水库群的兴建等多重因素影响，荆江三口分流分沙量一直处于衰减之中(见图2～3和表2～3)。三口分流量和分流比呈现阶段性减小的变化特征。1956～1966年荆江三口分流比基本稳定在29%，分流比和枝城来水量呈正相关关系；在1967～1972年下荆江系统裁弯期间，荆江河床冲刷，与1966年以前相比，三口分流量和分流比均明显减少，如1970年和1956年枝城径流量分别为4 332亿m3和4 366亿m3，但三口分流比减小幅度达到6%。裁弯后的1973～1980年，荆江河床继续大幅冲刷，三口分流量和分流比衰减速度有所加大，同样1977年枝城径流量为4 373亿m3，但三口分流比较1970年减小8%；1981年葛洲坝水利枢纽修建后，衰减速率则有所减缓，一期工程运用期(1981～1985年)其库区淤积量达1.4 亿m3，占淤积平衡时总淤积量的96%，可知葛洲坝蓄水对荆江三口的主要作用期是1981～1985 年；1985～2002 年，人类活动的扰动强度有所减弱，三口分流比与来流的关系有一定的恢复[12]。2003～2019年与1981～2002年相比，在来流相近的情况下，三口分流比未出现明显的下降趋势，三口分流比均值偏小的主要原因是来水量偏少，长江干流枝城站水量偏少了308亿m3，偏少幅度为7%；三口分流量减小了206.2亿m3，减幅为30%，分流比也由15%减小至12%。其中，分流量减幅最大的为藕池口，其分流量减少了77.5亿m3，减幅为43%，其分流比则由4.1%减小至2.5%；松滋口分流量减少了76.9亿m3，减幅为18.5%，其分流比则由8.4%减小至7.1%；太平口分流量减少了51.8亿m3，减幅为39%，其分流比则由3.0%减小至1.9%。

图2 荆江三口分流分沙量年际变化过程Fig.2 Annual diverted flow and sediment of the three outlets along Jingjiang River

图3 荆江三口分流分沙比年际变化过程Fig.3 Annual diverted flow and sediment ratio of the three outlets along Jingjiang River

表2 荆江三口分时段多年平均分流量与分流比Tab.2 Annual flow and flow diversion ratio of the three outlets along Jingjiang River in different periods

表3 荆江三口分时段多年平均分沙量与分沙比Tab.3 Annual sediment and sediment diversion ratio of the three outlets along Jingjiang River in different periods

三口分沙量和分沙比呈现阶段性减小的变化特征。三峡水库运行以后，受到“清水下泄”的影响，坝下游河道输沙量大幅减少。枝城站2003～2019年年均输沙量较1981～2002年减少了41 990万t，减少幅度为90%，三口分沙量减少了7 826万t，减幅为90%，分沙比变化不大，松滋口、太平口以及藕池口分沙量减少幅度基本相当。荆江河床冲刷主要集中在枯水河槽，而三口分流分沙主要集中在汛期，河道洪水位没有明显下降，这也是三口分流分沙比在2003～2019年没有明显减少的原因之一。

此外，通过分析不同时段荆江三口年均分流(沙)比与枝城站年径流量关系(见图4)，可以看出：分流比与枝城来水量线性相关关系较好，枝城站同流量级条件下分流比持续下降；分沙比在1967～2002年间相关关系较好，2003年以后，受到“清水下泄”的影响，枝城输沙量与三口分沙比相关关系较差。

图4 不同时段荆江三口年均分流(沙)比与枝城站年径流量关系Fig.4 Relationship between flow (sediment) diversion ratio of the three outlets along Jingjiang River and flow at Zhicheng Station in different periods

从三口分流分沙年际变化规律来看，三口分流分沙均呈现阶段性减少特征，影响不同时段三口分流分沙变化的原因主要有两个方面：1980年以前，受到裁弯等工程影响，干流与三口洪道的水位差减小，枝城同流量条件下，长江干流水位下降，三口分流洪道水位抬升，使得三口分流分沙量持续减少；20世纪80年代中期至今，分流分沙量减少的原因有所不同，分流量减少的主要原因是干流来水量的偏少，分沙量减少的主要原因是梯级水库运行导致干流来沙量的大幅减少，2003～2019年与1981～2002年相比，三口分流分沙比没有明显的变化。

2.2 年内变化

1956～2002年，荆江三口分流比的减小主要集中在5～11月(见表4和图5)。特别是下荆江裁弯后的1973～1980年与1956～1966年相比，一般流量越大，分流比减小幅度越大；如当枝城站月均流量分别为10 000，20 000，25 000 m3/s时，1973～1980年荆江三口月均分流比分别为9.3%，19.6%，23.9%，较1956～1966年分别减小了9.4%，12.0%，12.7%，之后减幅逐渐减小。

表4 不同时段三口各月平均分流比与枝城站平均流量Tab.4 Monthly flow diversion ratio of the three outlets along Jingjiang River and flow at Zhicheng Station in different periods

2003～2019年与1981～2002年相比，枯水期12月至次年4月三口分流比较小，分流比基本为1.0%～3.1%，变化不大；5月枝城站平均流量略有增加，增幅为15%，三口分流比基本没有变化；6～9月三口分流比减小2.3%～4.8%；10月则为三峡水库主要蓄水期，下泄流量有所减小，三口分流比减小了5.6%；11月减小了1.3%。

荆江三口分沙比变化与分流比变化见表5和图5。在2002年以前，分沙比减少主要集中在5～11月。2003～2019年与1981～2002年相比，枯水期12月至次年3月三口分沙比较小且变化不大；4月枝城输沙量减少65%，分沙比减少6.9%；5月枝城输沙量减少90%，分沙比减少4.8%；6～9月三口分沙比变化不大；10月则为三峡水库主要蓄水期，下泄流量有所减小，三口分沙比减小了2.6%；11月减小了9.8%。

图5 不同时段枝城站月均流量(输沙量)与三口分流(沙)比关系变化Fig.5 Monthly flow(sediment) diversion ratio of the three outlets along Jingjiang River and flow(sediment) at Zhicheng Station in different periods

表5 不同时段三口各月平均分沙比与枝城站平均输沙量Tab.5 Monthly sediment diversion ratio of the three outlets along Jingjiang River and sediment at Zhicheng Station in different periods

3 典型洪水过程对应的三口分流分沙变化

鉴于洪水过程受水利工程影响显著，本次重点统计葛洲坝修建(1981年)以来枝城站年最大洪峰流量对应的荆江三口分流比和分沙比，分析典型洪水过程中三口分流以及分沙的变化，结果见图6和图7。

图6 枝城站年最大洪峰流量对应三口分流比变化Fig.6 The flow diversion ratio for annual maximum peak flow at Zhicheng station

图7 枝城站年最大洪峰流量对应三口分沙比变化Fig.7 The sediment diversion ratio for annual maximum peak flow at Zhicheng station

根据统计分析，2003年以前洪水条件下，荆江三口分流比为19%～31%，其中松滋口分流比为10%～15%，太平口分流比为4%左右，藕池口分流比变化较大，为3%～10%，三口中除太平口以外，其他两口分流比与干流洪水相关性较好，一般洪峰量级越大，相应分流比越大；2003年以后，受到上游梯级水库防洪调度的影响，枝城站实测洪水量级较2003年以前明显减少，但三口分流量与枝城来水量相关关系没有发生明显变化，受到洪水量级减少的影响，三口分流比小幅减少，其中松滋口变化不明显，分流比为11%～14%；太平口分流比略有下降，为3.5%左右，藕池口分流比有所下降，为2%～8%。2003年以后，枝城站实测洪峰流量大于50 000 m3/s的仅有2场，分别为2004年以及2020年，对应洪水过程见图8。2004年枝城站洪水过程为单峰，涨落较快，最大1 d洪量为49亿m3，最大3 d洪量为142亿m3，最大7 d洪量为289亿m3；2020年枝城站洪水起涨点流量较高，洪水过程涨落较为平缓，最大1 d洪量为44亿m3，最大3d洪量为132亿m3，最大7 d洪量为302亿m3；两场洪水过程对应三口的分流比为25%左右，2004年和2020年在大流量情况下分流比与三峡水库建库前洪水分流比相比没有明显变化。2020年松滋口分流比与往年相比偏大，主要原因是三峡水库运行后松滋口口门河段以冲刷为主，河道的冲刷也使得枝城大流量条件下松滋口洪道过流能力增大[12-13]，从而使得2020年松滋口分流比明显高于其他大水年分流比。

图8 2004年和2020年枝城和荆江三口洪水过程Fig.8 The process of flood at Zhicheng station and the three outlets along Jingjiang River in 2004 and 2020

根据统计分析，2003年以前洪水条件下，荆江三口分沙比为15%～45%，其中松滋口分沙比为6%～15%，太平口分沙比为2%～6%，藕池口分沙比变化较大，一般为2%～25%；2003年以后，枝城站来沙量明显减少，枝城站来沙量与荆江三口分沙比相关关系较差。2004年和2020年大水年，枝城站对应单日输沙量分别为714万t和290万t，对应荆江三口分沙比分别为23%和26%。两场洪水对应枝城站最大1 d 洪量情况下，2020年枝城来沙量较2004年显著减少，但对应荆江三口分沙比没有发生较明显变化。

选取枝城来水较大的典型洪水年，并与2020年进行对比，分析枝城不同量级来水条件下三口分流能力的变化(见图9)。可以看出，三口分流变化较为明显时期发生在1998年以前，1998年以后，三口分流变化幅度较小。在枝城不同流量级条件下，2020年三口分流比较1964年锐减了15.2%～19.3%，其中，当枝城为30 000 m3/s流量时，三口分流比减幅最大。2020年与1981年相比，分流比减少3.6%～6%，与1998年相比，分流比减少2.6%～3.9%，与2004年相比，分流比减少了0.6%～2.9%。2003年以后，在枝城50 000 m3/s条件下，三口分流能力基本没有发生变化，分流比维持在25%左右。

图9 典型大水年三口分流能力变化Fig.9 Comparison of the flow diversion under the same condition of flow at Zhicheng Station in flood year

4 结 论

(1) 受到下荆江裁弯、梯级水库运行等因素影响，荆江三口分流分沙量一直处于衰减之中。2003～2019年与1981～2002年相比，在来流相近的情况下，三口分流比未出现明显的下降趋势，三口分流比均值偏小的主要原因是来水量偏少，枝城来沙量减少幅度为90%，三口分沙量减幅为90%，分沙比变化不大。

(2) 年内变化上，分流比减少主要集中在5～11月，其中10月减幅最大；分沙比变化较大的是4，5月和11月，其中11月减幅最大。

(3) 在典型洪水过程中，三峡水库蓄水以后，三口 分流比为15%～28%，其中松滋口变化不明显，分流比为11%～14%；太平口分流比略有下降，为3.5%左右，藕池口分流比略有下降，为2%～8%。枝城站实测洪峰大于50 000 m3/s仅有2场，分别为2004年及2020年，对应的分流比为25%，在大流量情况下分流比与三峡水库建库前洪水分流比相比没有明显变化。两场洪水对应枝城站最大日洪量接近情况下，2020年枝城来沙量较2004年显著减少，但对应荆江三口分沙比没有发生较明显变化。

(4) 2003年以后，在枝城50 000 m3/s条件下，三口分流能力基本没有发生变化，分流比维持在25%左右。随着三峡水库及上游水库群蓄水后长江中下游干流的冲淤变化，三口分流分沙情况的变化还有待进一步观测和分析。

说 明

本文2020年水文要素的统计分析源自报汛数据。