2020年汛期荆江三口分洪能力及洞庭湖出流变化

朱 勇 辉，郭 小 虎，李 凌 云

(长江科学院 河流研究所，湖北 武汉 430010)

荆江南岸沿程有松滋口、太平口、藕池口和调弦口(已于1959年建闸控制)分流入洞庭湖[1-3]，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[4-6]。荆江三口是连接荆江河段与洞庭湖区的纽带，其分洪能力的变化对荆江和洞庭湖区的防洪安全有着重要影响[7-9]；在汛期，洞庭湖出流变化对江湖关系、长江中游防洪等也有较大影响[10-12]。因此，研究荆江三口分洪能力与洞庭湖出流变化规律对于深入研究荆江与洞庭湖关系调整规律和预测江湖变化趋势等均具有十分重要的意义。众多学者针对上述问题开展了大量的实测资料分析，取得了丰富的成果[13-15]。但关于三峡工程蓄水运用后荆江三口分流分沙比将如何变化目前还存在较大争议[16-19]：如已有研究成果[20-22]预测三峡工程蓄水后荆江三口分流比将会减小；但另一些研究成果[5-7]则认为荆江三口分流比将不会减小；事实上三峡工程蓄水运用以来的实测资料表明荆江三口分流比尚无明显变化趋势。有关三峡工程蓄水运用后城陵矶水位变化的认识也存在一定的争议，例如有关成果[17-19]预测随着河床冲刷下切，城陵矶站洪水位将明显下降；但另外一些研究成果[23]则认为三峡工程蓄水后城陵矶洪水未出现明显下降，甚至出现抬高。

受厄尔尼诺现象影响，2020年长江流域出现了历时长、范围广的强降雨，长江从7月3日至8月17日持续出现了5次编号洪水。由于荆江三口分洪能力及洞庭湖出流变化直接关系到长江中游防洪安全，本文根据最新实测资料分析了2020年汛期荆江三口分洪能力及洞庭湖出流变化，取得了一些新的初步认识，可为江湖防洪的进一步深入研究提供基础和参考依据。

1 荆江三口分洪能力变化分析

1.1 分流分沙变化

根据实测资料统计分析60多a来荆江三口年分流量、年分沙量与年分流比、年分沙比的变化，统计结果如图1所示。

图1 60多a来荆江三口分流分沙量与分流分沙比变化Fig.1 Changes of flow and sediment distribution at the three outlets of the Jingjiang River in the past 60 years

图1(a)显示：在1955～1989年期间荆江三口分流分沙量呈递减趋势；受长江上游干支流水库建设和水土保持工程的陆续实施影响，在1990～2002年期间进入荆江河段的沙量呈递减趋势，相应的三口分沙量也呈递减趋势，但三口分流量无明显变化趋势；2003年三峡工程蓄水后，荆江三口分流量除2006，2011年特枯年减少幅度较大之外，其它年份三口分流量略有减小或基本不变，未出现趋势性的变化；而荆江三口分沙量进一步大幅度地减少，进入三口的水流基本接近于“清水”，2013～2018年期间荆江三口年均分沙量仅为434万t，为1999～2002期间三口年均分沙量的7.6%。图1(b)表明：受下荆江3次裁弯和洞庭湖区淤积等影响，在1955～1989年期间荆江三口分流分沙比均呈递减趋势，而在1990～2002年期间荆江三口分流分沙比变化不大，三峡水库蓄水运用后除2006，2011年为特殊的枯水年，三口分流比减小幅度较大外，其它年份三口分流比略有减小。由于受河道沿程泥沙冲刷补给的影响，荆江三口分沙比呈增加趋势。

下面进一步统计荆江三口累积年分流量、年分沙量变化，并对出现明显偏转的时间序列进行阶段性划分，见图2。

图2 60多a来荆江三口累积分流量与累积分沙量变化Fig.2 Changes in cumulative discharge and cumulative sediment distribution of the three Jingjiang outlets in the past 60 years

图2(a)表明：荆江三口累积年分流量分别在1972，1990年后向右发生偏转，年分流量呈递减趋势，但1990年以来未见明显偏转趋势；图2(b)表明：荆江三口累积年分沙量分别在1972，1990年和2003年后向右发生偏转，年分沙量均呈递减趋势，前2次偏转的主要原因与荆江三口分流减少有关，而2003年三峡工程运用后向右显著偏转的主要原因与长江干流输沙量大幅减小有关。

1.2 汛期荆江径流过程变化对三口分流的影响

受三峡及上游梯级水库群联合调度的影响，三峡水库下游径流过程特别是汛期径流过程发生了较大变化，而汛期荆江三口分洪量与荆江河段干流流量息息相关。下面以荆江河段起始站枝城为例，分1990～2002年、2003～2012年、2013～2018年及2020年4个阶段，分别分析7，8月份月均流量变化，如图3所示。

由图3分析可知，与蓄水前(1990～2002年)7，8月份月均流量相比，三峡工程蓄水后2003～2018年7，8月份月均流量均有不同程度的减小，其中2013～2018年分别减少了4 106 m3/s和6 012 m3/s。2020年7，8月份长江先后发生5次编号洪水，月均流量均显著增加，较之2013～2018年期间分别增加了9 547 m3/s和18 778 m3/s。汛期长江干流流量增加，必然导致荆江三口分洪量增加，下面分析了1990年以来荆江三口7，8月份月均分流量变化(见图4)。

图3 不同阶段枝城站7，8月份月均流量变化Fig.3 Changes in monthly average flow of Zhicheng Station in July and August at different stages

图4 不同阶段荆江三口7，8月份月均分流量变化Fig.4 Changes in monthly average flood diversion of the three outlets of the Jingjiang River in July and August at different stages

图4表明：与蓄水前(1990～2002年)7，8月份荆江三口月均分流量相比，三峡工程蓄水后2003～2018年期间7，8月份月均分流量均有不同程度的减小，其中2013～2018年7，8月份分别减少了1 690 m3/s和2 570 m3/s。与2013～2018年期间相比，2020年汛期7，8月份长江干流月均径流量增大明显，相应的荆江三口分流量分别增加了3 150 m3/s和6 040 m3/s，增加幅度分别为59.5%和178.8%。

综上所述，三峡工程蓄水运用后，受水库调蓄作用的影响，汛期进入荆江河段的径流量过程发生一定的调整，7，8月份长江干流月均流量一般以减小为主，相应荆江三口分流量也有所减少；但2020年汛期受洪水的影响，进入荆江河段月均流量显著增加，相应的荆江三口分流量大幅增加。

1.3 荆江三口各口门分流量与长江干流流量关系

下面分析60多a来不同阶段枝城流量在30 000 m3/s以上时荆江三口分流量与枝城站流量之间的相关关系(见图5)。

图5显示：从不同阶段拟合直线来看，较之1955～1989年期间，1990～2002年期间在枝城同流量下荆江三口分流量大幅减小，其中枝城流量为50 000 m3/s时荆江三口分流量减少约3 700 m3/s；较之1990～2002年期间，2003～2018年期间在枝城同流量下荆江三口分流量有一定程度减小，其中枝城流量为50 000 m3/s时荆江三口分流量减少约1 700 m3/s；而较之2003～2018年期间，2020年在枝城同流量下荆江三口分流量有一定程度增大，其中枝城流量为50 000 m3/s时荆江三口分流量增加约1 000 m3/s。

图5 荆江三口分流量与枝城流量相关关系变化(枝城流量30 000 m3/s以上)Fig.5 Changes in the correlation between the flood diversion volume of the three outlets of the Jingjiang River and the flow of Zhicheng (the flow of Zhicheng is more than 30 000 m3/s)

下面进一步分析枝城流量在30 000 m3/s以上时荆江三口各个口门分流量与枝城站流量之间的相关关系(见图6)。

从不同阶段松滋口分流量与枝城流量拟合直线来看(见图6(a))，1955～1989年、1990～2002年及2003～2018年期间在枝城同流量下该口门分流量略有减小，但2020年在枝城同流量下松滋口分流量大于前3个阶段；较之2003～2018年期间，枝城流量为50 000 m3/s时2020年松滋口分流量增加约1 000 m3/s，太平口分流量减小约200 m3/s，藕池口分流量增加约200 m3/s。

1.4 2020年汛期荆江三口分流比变化分析

下面分析2020年5～9月荆江三口分流比与相应长江干流枝城站流量变化过程(见图7)。

图7表明：荆江三口分流比与枝城流量密切相关，长江干流流量越大，三口分流比越大。在2020年5月31日之前，枝城站流量不大且变化幅度较小，荆江三口分流比一般为3.4%左右；6月16日至7月2日，随着枝城站流量持续增加，三口分流比不断增大，其数值增至21%；7月3日至8月25日期间，枝城站流量表现为波动性变化，三口分流比也呈现类似变化规律，但变化幅度相对较小，且呈现约2 d左右的滞后性，其中7月24日枝城站最大流量为47 500 m3/s，相应的7月25日三口分流比为26.1%，分流量高达11 300 m3/s；8月26日至9月25日，枝城站流量先快速减小后呈波动性变化，荆江三口分流比呈现类似的变化规律。

图6 荆江三口各口门分流量与枝城流量相关关系变化(枝城流量30 000 m3/s以上)Fig.6 Changes in the correlation between the flood diversion volume of each of the three outlets of the Jingjiang River and the flow of Zhicheng (the flow of Zhicheng is more than 30 000 m3/s)

图7 2020年5～9月荆江三口分流比变化Fig.7 Changes in the diversion ratio of the three outlets of Jingjiang from May to September，2020

总体而言，荆江三口分流比与枝城站流量呈正相关关系，2020年汛期枝城站流量增至38 000 m3/s以上时，三口分流比基本在20%以上。在洪峰过程中即使枝城站流量出现明显骤减的情况，但三口分流比数值仍明显大于非洪峰过程的数值。例如在洪峰过程中7月13日枝城站流量为20 500 m3/s时，三口分流比高达20.7%，而在非洪峰过程中6月19日枝城站流量为20 900 m3/s时，三口分流比仅为14.6%。

2 洞庭湖出流变化

2.1 三峡工程蓄水后螺山站同流量下水位变化

洞庭湖出口处城陵矶站水位受到长江干流、洞庭湖出流的相互顶托作用，水位和流量关系数据点较为散乱，而距城陵矶下游仅30 km的螺山站水位流量关系相对较好，下面以螺山站为例，分析三峡工程蓄水后螺山站水位流量关系的变化。由于枯水流量下水位变化已有研究成果颇多，本次研究主要关注汛期，侧重分析中大流量下水位变化，统计成果如图8～9所示。

图8 三峡水库蓄水运用后螺山站水位流量关系变化Fig.8 Changes in the relationship between water level and flow at Luoshan Station after the operation of the Three Gorges Reservoir

图9 三峡工程蓄水运用后螺山站同流量下水位变化Fig.9 Water level change of Luoshan Station under the same flow after the operation of the Three Gorges Project

由图8与图9螺山站水位流量关系和同流量下水位变化过程可以看出：在2003～2018年期间，30 000 m3/s流量下，与2003年相比，2018年水位下降0.65 m；2016年主要受该站下游区间入汇流量偏大等因素影响，35 000，40 000 m3/s和50 000 m3/s流量下水位明显抬高，而2017，2018年水位有所下降。整体来看，大流量下水位未发生明显的趋势性变化。2020年汛期，在典型中大流量下水位也均出现不同程度抬高的迹象，在同流量下水位值基本与2016年相当或略低，说明在汛期水量偏丰的年份，同流量水位明显高于一般的年份，可能与该站下游区间入汇流量明显偏大等因素有关。

2.2 2020年汛期洞庭湖出流变化分析

下面分析2020年5～9月洞庭湖出口城陵矶站与汇流后螺山站流量的比值，同时相应地统计监利站流量变化过程(见图10)。

图10 2020年5月至9月洞庭湖出流历时变化规律Fig.10 Changes in the outflow of Dongting Lake with time from May to September 2020

由图10分析可知：在2020年6月13日之前，监利站流量基本稳定在11 000 m3/s左右，变化幅度不大，在该期间城陵矶站与螺山站流量比值呈先增再减再增的趋势，其中在5月初该比值为0.3，在5月17日比值增加至0.5，至5月底比值数值减少至0.35，至6月13日，比值恢复至0.60左右，初步分析估计该数值的变化主要与洞庭湖四水来流变化相关。6月14日至7月1日，随着监利站流量持续增加，相应的城陵矶站与螺山站流量比值不断减小。7月2～20日，监利站流量表现先骤减后陡增，而城陵矶站与螺山站流量比值则呈现完全相反的变化；7月21日至8月22日，监利站流量呈先缓慢减小后快速增加的规律，城陵矶站与螺山站流量比值则先表现为波动变化，后呈现快速减小的规律；8月23日至9月25日，监利站流量呈现先快速减小后呈波动变化，城陵矶站与螺山站流量比值则表现为先快速增加后波动变化。

由上面分析可知，在6月13日之前，监利站流量变化幅度不大，城陵矶站与螺山站流量比值变化主要受到洞庭湖四水来流的影响；6月14日至9月25日，随着监利站流量增加，其比值变化主要受长江干流流量变化的影响。一般而言，监利站流量快速增加或减小，则相应的城陵矶站与螺山站流量比值呈现相反变化规律；监利站流量缓慢变化，则该比值变化规律不明显。

3 结 论

本文利用最新实测资料分析了2020年汛期荆江三口分洪能力变化及洞庭湖出湖流量变化特征，得到以下主要结论。

(1) 三峡水库蓄水运用以来，荆江三口分流量略有减小或基本不变，分流比减小幅度不大，三口分沙量则大幅度地减少。三峡水库调蓄引起径流量过程改变导致7，8月份荆江三口分流量均有不同程度的减小，但2020年汛期受洪水的影响，进入荆江河段月均流量显著增加，相应的荆江三口分流量大幅增加。

(2) 与1990～2002年期间相比，2003～2018年期间在枝城站同大流量下荆江三口分洪量有一定程度减小；但2020年汛期荆江三口分流量有一定程度增大：其中在枝城站同大流量下松滋口分洪量明显增大，太平口分流量进一步减小，而藕池口分流量则略有增大。

(3) 荆江三口分流比与枝城站流量呈正相关关系，2020年汛期枝城站流量增至38 000 m3/s以上时，三口分流比基本在20%以上，在洪峰过程中即使枝城站流量出现明显骤减，枝城同流量下三口分流比数值仍明显大于非洪峰过程中的数值，其中7月25日三口分流比最大，其数值为26.1%，分洪量高达11 300 m3/s。

(4) 与2003年相比，2020年汛期在螺山站同大流量下水位出现不同程度抬高的迹象，同流量下水位值基本与2016年相当或略低。在汛期水量偏丰的年份洪水位明显高于一般的年份，可能与该站下游区间入汇流量明显偏大等因素有关。

(5) 2020年6月13日之前，监利站流量变化幅度不大，城陵矶站与螺山站流量比值变化主要受到洞庭湖四水来流的影响；6月14日至9月25日，随着监利站流量增加，其比值变化主要受长江干流流量变化的影响。监利站流量快速增加或减小，城陵矶站与螺山站流量比值呈现相反变化规律；若监利站流量缓慢变化，则该比值变化规律不明显。

说 明

本文2020年水文要素的统计分析源自报汛数据。