1960年以来洞庭湖江湖连通河道松滋口枯水期分流变化特征及应对策略*

李彦彦，李 冰，杨桂山，万荣荣

(1：江苏第二师范学院城市与资源环境学院，南京 210013)(2：中国科学院南京地理与湖泊研究所，中国科学院流域地理学重点实验室，南京 210008)(3：中国科学院大学，北京 100049)

河湖水文连通是河流系统横向连通的主要表现形式[1]，河湖之间的水文连通实现了水、沙、营养物质以及生物的交换[2]，为形成丰富多样的河湖生态系统奠定了基础[3]. 然而，近些年由于水库大坝修建、防洪建设等人类活动的影响，连通河道地貌形态与水文形势发生了显著的改变[4]，导致河湖之间的水文连通性显著地减弱[5-7]. 其水文连通性的减弱导致了河湖生态系统不稳定[8]、流域的防洪抗旱能力减弱[9]、流域的水资源短缺[10]等问题. 河湖水量交换的变化是河湖水文连通演变的核心之一，因此其连通河道水文形势的变化及产生的环境效应成为研究的热点[11].

长江中游地区湖泊密布，位于其中的洞庭湖与长江保持着自然相通的状态，形成了错综复杂的河湖关系[12]. 荆江三口是长江与洞庭湖江湖连通维系的纽带. 近几十年来，在自然和人为多重因素的影响下，荆江三口的河湖水文连通性减弱，分流减少、枯水期河道断流现象严重，造成区域内水资源短缺和水生态环境恶化、湖泊萎缩等问题[13-15]，引发社会与众多学者的广泛关注. 相关部门提出在城陵矶及松滋口等处建闸以缓解出现的生态环境等问题[16-17]，然而在河湖连接通道处建闸，有可能阻隔河湖连通，增加河道与湖泊水华暴发风险等[18]，因此，当前如何提高枯水期江湖水量交换成为解决生态环境问题的重要环节. 三峡大坝蓄水运行后，众多的学者从年际尺度开展了荆江三口分流的变化特征、规律及诱因的讨论与分析[19-21]，然而关于年内枯水期荆江三口分流减少与断流的原因[22]，以及如何应对枯水期江湖连通中断的研究相对偏少.

随着长江与洞庭湖江湖关系不断的调整，松滋口分流量与分流比在荆江三口中所占的比重越来越大，其对江湖关系影响越来越重要，因此本文以松滋口为例，首先分析枯水期松滋口分流变化的特征与原因，其次，针对枯水期松滋口河道出现的分流量减小问题，提出河道控制方案，增大枯水期分流量，提高河湖水文连通性，以期为提高荆江三口河道水文连通问题及改善江湖关系提供支持.

1 研究材料与方法

1.1 研究区概况

荆江三口水系是联系长江与洞庭湖的纽带，是长江从洞庭湖北面松滋口、太平口、藕池口分流到洞庭湖的河道所组成的复杂河网区. 松滋口处于最上游，是第一个分流通道，于1870年长江溃口所形成，松滋口分流入洞庭湖又分两支线路，东支经沙道观，西支经新江口(图1). 目前，荆江三口来水约占洞庭湖总径流量的30%左右，其中松滋口占比达61%. 1954年西支新江口水文站最大流量为6400 m3/s，东支沙道观水文站最大流量为3730 m3/s；2018年西支新江口水文站最大流量为4090 m3/s，东支沙道观水文站为1370 m3/s，按流量大小西支为主流. 松滋口水文特征与长江干流河道较为一致，每年的12月至翌年3月为枯水期[23]，流量最小.

图1 荆江松滋口及东西支位置Fig.1 The Songzikou and east-west branch locations of the Jingjiang River

1.2 数据

河道水文数据来自于水利部长江水利委员会水文局与湖北省水文水资源局(http://sw.hubeiwater.gov.cn/)，包括松滋口水文控制站新江口与沙道观1960-2019年日流量数据；长江干流枝城水文控制站1960-2019年的日流量与日水位数据.

河道横断面地形数据主要用于分析河道地貌冲淤变化，主要来自于水利部长江水利委员会水文局、中国科学院南京地理与湖泊研究所图书馆、河海大学水文水资源学院资料馆. 荆江三口的河道横断面地形数据是从1965年开始测量有记录，选用了干流宜昌水文站附近、松滋口新江口与沙道观附近1967-2017年的河道固定断面地形数据资料. 其中，宜昌河道断面资料位于基本水尺断面；新江口河道断面资料位于基本水尺断面下160 m，即流速仪测流断面；沙道观河道断面1966-1995年位于基本水尺断面，1996-2017年位于基本水尺断面下2 m(即流速仪测流断面). 河道断面的测量方向都是从左岸向右岸，因此断面图中显示的是离左岸的距离.

1.3 水文数据趋势与特征分析方法

枯水期松滋口分流量与长江干流流量变化采用Mann-Kendall非参数检验法[24]与趋势线法[25]结合分析水文时序变化特征. 近60年来，在长江上中游先后经历了下荆江裁弯、葛洲坝蓄水运行及三峡大坝蓄水运行. 为了便于分析，以1968、1981和2003年为时间节点，把研究时段划分为4个阶段1960-1967年(荆江裁弯前)，1968-1980年(荆江裁弯后-葛洲坝蓄水运行前)，1981-2002年(葛洲坝蓄水运行后-三峡大坝蓄水运行前)及2003-2019年(三峡大坝蓄水运行后).

1.4 河道控制方案设计

1967、1969及1972年下荆江河道裁弯对荆江三口分流的减少产生了重要影响[26]，下荆江裁弯前荆江三口分流基本保持相对稳定的自然状态. 为解决目前枯水期松滋口的断流、缺水的状况，拟把松滋口目前的分流量恢复到下荆江裁弯前的分流量可以满足枯水期需水量的要求. 相关的研究认为三口分流量决定于长江干流水位与三口口门高程的差值[26]，因此本研究需要选取荆江裁弯前典型年份(丰、平、枯水年)，分别建立各年份12-3月分流量与水位差(干流水位与河底高程)的回归关系，用于模拟三峡水库运行后典型年份(丰、平、枯水年)的分流量.

表1 枝城流量(m3/s)丰、平、枯水年划分结果Tab.1 Classification result of wet season， average season and dry season flow year at Zhicheng

2 结果与分析

2.1 近60年来松滋口枯水期分流量变化特征

2.1.1 各个时段枯水期松滋口东西支分流量占总分流量的比例变化 整体上，松滋口枯水期的流量主要来自西支，随着时间的变化，西支占比越大(表2). 在1960-1967年间，西支分流量占总分流量的92.20%，到了1981年葛洲坝蓄水运行后，西支分流量占到了99.9%以上，东支分流基本为0.

表2 枯水期各个时段松滋口东西两分支分流量占总分流量的比例Tab.2 Proportion of east and west branches flow to total flow of the Songzikou in each period of dry season

整体上看，松滋口在1960-2019年间的枯水期平均流量为54.80 m3/s. 1960-1967、1968-1980、1981-2002和2003-2019年的平均流量分别为134.78、42.39、23.57、62.01 m3/s. 下荆江裁弯后至三峡大坝蓄水运行前，分流量呈现下降的趋势，而三峡大坝蓄水运行后呈现上升的趋势，特别是2009年后，松滋口流量呈现显著上升(图2a). 在干流来流量相同的情况下，松滋口两分支河道分流量变化特征不同(图2b，c). 在1960-2019年间，松滋口西支枯水期平均流量为53 m3/s，呈现的变化特征与松滋口一致；西支控制性水文站新江口1960-1967、1968-1980、1981-2002与2003-2019年的平均流量分别为123.7、41.7、23.54、62 m3/s(图2b). 松滋口东支枯水期流量在下荆江裁弯后，分流量显著下降，分流量非常小，基本处于断流状态；西支控制性水文站沙道观1960-1967、1968-1980、1981-2002和2003-2019年的平均流量分别为11.8、0.69、0.03、0.01 m3/s(图2c).

图2 近60年来松滋口(a)、西支新江口水文站(b)及东支沙道观水文站(c)枯水期多年分流量变化特征Fig.2 Variation characteristics of multi-year flow in Songzikou (a), Xinjiangkou (b) and Shadaoguan (c) hydrological stations during dry season in recent 60 years

2.1.2 各个时段枯水期松滋口分流量变化 从图3中可以看出，近60年来12-3月份西支的流量是松滋口总分流量主要来源，占主导地位. 总体上西支的年内12-3月份分流量变化特征与松滋口变化特征一致，而东支除1960-1967年时段的分流变化特征与西支一致外，其他时段均不相同.

图3 近60年来松滋口(a)、西支新江口水文站(b)及东支沙道观水文站(c)枯水期年内分流量变化特征Fig.3 Variation characteristics of inter-annual flow in Songzikou (a), Xinjiangkou (b) and Shadaoguan (c) hydrological stations during dry season in recent 60 years

在1960-2019年间的12-3月枯水期，松滋口总分流量与西支均呈现1960-1967、1968-1980、1981-2002年逐时段的下降，而2003-2019年时段相比1968-2002年分流量呈现增大的特征，三峡大坝蓄水运行前后发生转变(图3a, b)；而东支分流量在下荆江裁弯后(1967年)，其各个月份分流基本没有发生改变，基本处于断流状况(图3c). 三峡大坝蓄水运行后(2003-2019年)，西支在12月份的分流量与1980-2002年时段(葛洲坝蓄水运行后-三峡大坝蓄水运行前)的分流量基本持平；在1-2月的分流量大于1968-1980和1980-2002年两时段，与1960-1967年基本持平，其分流量基本恢复到下荆江裁弯前；3月份，新江口的分流量也有所增大，其流量大小介于1960-1967年与1968-1980年两时段之间(图3b). 即从整体上来看，2003-2019年时段12-3月份松滋口分流量增大主要由于西支分流量的增大引起的，其东支分流量并未增大，依然处于断流状态(图3).

2.2 松滋口枯水期分流量变化的驱动因素分析

松滋口枯水期分流量的大小与干流的流量大小、干流与分流河道的冲淤变化、干流河势的变化及分流河道的冲淤变化密切相关[28].

2.2.1 枯水期干流河道的流量变化 枝城是距离松滋口最近的干流水文站，代表了干流来水情况，对其枯水期(12-3月份)的流量进行了分析. 从图4可以看出，1960-2019年来，枝城水文站12-3月平均流量总体上呈现显著上升趋势(Z=5.29，P<0.001). 三峡大坝蓄水前(2003年前)，不同阶段的平均流量与12-3月份的流量变化不大，而三峡大坝蓄水后，由于水库年内的水量调度，增大了枯水期流量，使得枝城枯水期流量显著增大(图4). 松滋口东西两支的分流量与干流枝城的流量变化特征并不一致，特别是在三峡大坝蓄水运行前(1960-2003年前)，松滋口东西支分流量呈现下降的趋势(图2，3)，而干流流量变化并不明显，说明在该时期，干流流量的变化不是松滋口分流量减少的主要原因；三峡大坝蓄水运行后，松滋口西支的分流量变化特征与干流枝城的流量变化特征一致(图2b，4a)，但从日流量变化看，12-3月份的西支分流量增加幅度小于干流枝城的流量增加幅度(图3b，4b)，东支分流量并未随着干流流量增大而增大(图2c，3c)，说明该时期干流枯水期流量的增大是松滋口分流量增大的主要原因之一，但松滋口东西两支分流量增幅不同可能是其他原因导致.

图4 近60年来干流枝城水文站枯水期多年流量变化特征Fig.4 Variation characteristics of multi-year discharge in dry season of Zhicheng hydrological station of mainstream in recent 60 years

2.2.2 枯水期干流与分流河道的冲淤变化 近60年来，由于下荆江裁弯、葛洲坝蓄水运行以及三峡大坝蓄水运行等人类活动，干流河道一直处于冲刷状态(图5a)，三峡大坝蓄水运行后，枝城附近的河道最大冲刷达10 m[24]. 干流河道冲刷使得干流河道同流量下水位下降[24]，导致干流河道与分流口的水位差降低，河道分流能力降低，进而导致分流量减少(图2，3). 在1966-2019年间，松滋口西支河道总体上呈现冲刷的状态(图5b)，其河道的冲刷使得河道同流量下水位降低，有利于增大河流分流能力，促使分流量的增大；而松滋口东支则表现为1966-2003年前河道一直处于淤积状态，2003年三峡大坝蓄水运行后才表现为河道冲刷(图5c). 在干流河道冲淤状况及来水来沙相同的情况下，松滋口东西两支河道表现出的不同冲淤状况，使得西支的分流能力大于东支，西支的分流量远大于东支的分流量. 总体来看，尽管三峡大坝运行以来，清水下泄导致三口口门淤积程度减缓，呈现由淤转冲的态势，分流量有所上升(图2，3)，然而由于长江干流河床的持续性冲刷，同流量下水位下降，在长江干流同一枯水流量下新江口及沙道观分流量呈现减少态势(图6)，因此若不采取河道综合整治，荆江三口分流量在长江干流同样来流条件下也无法恢复至历史水平.

图5 干流宜昌(a)、西支新江口(b)与东支沙道观(c～d)典型断面河道冲淤变化情况Fig.5 Changes of channel erosion and siltation in typical sections of Yichang (a), Xinjiangkou (b) and Shadaoguan (c-d) of mainstream

图6 长江干流同一枯水流量下西支新江口水文站及东支沙道观水文站分流量变化特征Fig.6 Diversion discharge variations of Xinjiangkou hydrological station in the West Branch and Shadaoguan hydrological station in the East Branch under the same water discharge in the main stream of the Yangtze River

2.2.3 干流河道河势的变化 近几十年来，长江河道一直进行护岸工程，除了1967、1969及1972年下荆江裁弯发生较大调整外，其河势基本稳定[29]. 下荆江河道裁弯，对松滋口河势也产生了较大影响[30]，使得松滋口东支日益背流，西支更加迎流[29]，从而导致西支的分流日益大于东支(图2,3)，成为长江与洞庭湖河湖连通的最主要通道.

3 讨论

3.1 松滋口河道整治方案设计

解决松滋口枯水期分流问题比较复杂，要纵观整个河段的总体情况. 三峡水库运行后，松滋口河道总体处于冲刷状态，其河道淤积主要集中在三峡水库运行前[31-32]. 根据在1952、1995、2003年的荆江三口河道地形资料，彭玉明等[33-34]分别分析了1952-1995年与1995-2003年松滋河各河段冲淤变化(表3)，发现在1952-2003年口门段整体上是处于冲刷状态，而其下游基本处于淤积状态，其中东西两支大口-苏支河口段均处于淤积严重河段. 同时，松滋口最为主要的2个水文控制站新江口与沙道观也位于该河段，可以以此河段为代表提出整治方案.

表3 松滋口洪道1952-2011年冲淤量变化Tab.3 Measured sedimentation in the Songzikou channels from 1952 to 2011

a：整理的1952-1995年河道冲淤变化数据来自彭玉明等[33]；b：整理的1995-2003年河道冲淤变化数据来自卢金友等[34]；c：整理的2003-2011年枯水期河道冲淤变化数据来自孙苏里等[32]. 文献中单位不统一，未转换.

本研究选取了荆江裁弯前典型年份1960年枯水年、1966年平水年及1967年丰水年作为研究，分别建立各年份12-3月份分流量与水位差(干流枝城水位与分流河道河底高程)的关系，发现不同年份，不同分支口(西支与东支)分流量与枝城水位差存在非常显著的回归关系(R2>0.99，P<0.01)(图7). 利用回归方程模拟1960、1966及1967年的分流量，得到的模拟值与实测的分流量一致性高(图8)，说明分流量大小与水位差之间关系密切，可以进行有效的分流量模拟.

图7 松滋口不同分流口12-3月流量与水位差(干流水位与河底高程差值)的关系Fig.7 Relationship between discharge and water level difference (difference between mainstream water level and river bottom elevation) of different diversion outlets in Songzikou from December to March

图8 12月份松滋口不同分流口实测值与模拟值比较Fig.8 Comparison between the measured value and the simulated value of different diversion outlets in Songzikou in December

研究中设置了4～6个情景进行模拟，每个情境间隔0.5 m，情景1、2、3、4、5、6分别对应于分流河道开挖0.5、1、1.5、2、2.5、3 m情况下模拟的分流量. 荆江裁弯前，新江口1960年枯水年、1966年平水年、1967年丰水年的实测平均分流量分别是122、213、356 m3/s. 要使三峡水库运行后新江口分流量接近荆江裁弯前，从图9中可以看出，新江口2006年枯水年与2008年平水年情景2模拟下的平均分流量分别与裁弯前的年份分流量接近；新江口2012年丰水年情景3模拟下的平均分流量与1967年的分流量最为接近. 说明在新江口现有的河道基础上，总体河床高程下降1 m左右分流量可以达到荆江裁弯前的水平. 沙道观1960年枯水年、1966年平水年、1967年丰水年的实测平均分流量分别是3.5、10.8、54 m3/s. 从图9中可以看出，沙道观2006年、2008年模拟的情景5分流量分别与1960、1966年的分流量最为接近，而在丰水年2012年模拟的情景6分流量与1967年较为接近(图9). 说明在沙道观现有的河道基础，总体河床高程下降2.5 m左右其分流量可以达到1960s的水平. 那么，对于整个松滋口洪道来说，总体河床高程下降1～2.5 m左右基本可以缓解其区域水资源与环境生态问题.

3.2 荆江三口综合调控方案讨论

进入21世纪以来，长江中下游水问题依然严峻. 2006、2007、2009、2010、2011年均出现了持续性的严重干旱，特别是洞庭湖出现了接近或超过历史最低枯水位，造成了湖区供水紧张、航道受阻及湖泊湿地生态系统破坏等问题[13-15]. 一时间有关地区和部门提出要在湖口、城陵矶及松滋口等处建闸以缓解剧烈变化影响[16-18]，然而河湖本是一体，如果再在河湖连接通道处建立水利工程，会使江湖连通更加受阻，可能会造成更加严重的河湖环境与生态系统问题[18]. 因此，当前亟需为枯水期造成的干旱问题提出一些近自然的缓解方案.

从对长江干流枯水期流量的变化特征发现，在2003年三峡大坝蓄水运行后，坝下河道枯水期的流量已经有了显著增大(图4)，松滋口中的西支分流量也有所增大(图2，3)，说明三峡大坝年内调蓄已有所成效. 目前问题主要是由于近60年来干流河道总体处于冲刷状态，而分流河道冲刷强度有限(图5)，造成河道水力坡降下降，松滋口分流能力下降，进而分流量减少. 通过以上的模拟发现，分流河床高程下降一定深度可以有效缓解松滋口分流能力下降的问题，增大分流量(图9). 荆江三口中的太平口与藕池口河道分流量也显著下降，枯水期基本处于断流状况[22]，其主要原因也是分流河道存在更为严重的淤积[23]. 在干流河道来流量及河道冲淤状况相同的情况下，对其分流河道通过一定量的开挖应该可以实现分流量增大，解决枯水期问题.

图9 松滋口两分支不同情境下的分流量模拟(每个情景水位差间隔0.5 m)Fig.9 Simulation of water discharge in different scenarios of two branches of Songzikou (Interval of water level difference in each scenario is 0.5 m)

4 结论

基于对松滋口东西两分支河道枯水期分流量的变化特征与诱因的分析，以及提高长江与洞庭湖枯水期分流能力的整治方案设计，可获得以下结论：

1)在1960-2019年间，松滋口枯水期的流量主要来自西支，随着时间的变化西支占比越大. 1981年葛洲坝蓄水运行后，西支分流量占比99.9%以上，东支基本为0.

2)由于松滋口枯水期分流量主要来自于西支，所以松滋口总分流量与西支流量变化特征一致. 在1960-2019年间，两者枯水期分流量均呈现下荆江裁弯后至三峡大坝蓄水运行前的下降趋势，三峡大坝蓄水运行后的显著上升趋势. 而松滋口东支枯水期流量在下荆江裁弯后至今，分流量显著下降，基本处于断流状态.

3)不同阶段松滋口东西两支分流量变化的主要驱动因子不同. 1968-1981年间，下荆江裁弯后导致的干流河势的变化、干流河道冲刷及分流河道冲淤状态的不同是松滋口分流量减少的主要原因，也是东西两支分流量减少程度不同的主要原因；1981-2002年间，葛洲坝的运行加上前期下荆江裁弯的影响，干流河道的继续冲刷及分流河道冲淤状态的不同，是该时期分流量变化的主要诱因；2003-2019年间，三峡水库调蓄增大枯水期流量，是松滋口及西支分流量增大的主要原因，而干流河道的强烈冲刷阻碍了松滋口分流能力的增大，特别是东支，由于前期河道淤积严重导致其在干流流量增大的基础上，其分流能力依然未增大，枯水期依旧处于断流状态.

4)通过建立1960、1966和1967年12-3月份分流量与水位差(干流水位与河底高程)的关系，发现分流量与水位差紧密关联，得到的模拟值与实测的分流量一致性高，可以进行有效的分流量模拟. 模拟结果表明在松滋口西东支河道的基础上，河床高程分别下降1 m与2.5 m左右，其分流量可以达到1960s水平，达到缓解区域水资源与环境生态问题.

5)本研究主要针对三口中分流量较大的松滋口开展了案例研究，暂未考虑对太平口、藕池口分流量变化的影响，对于三口总体治理方案的设计还需要针对三口分别构建目标函数，开展多目标优化研究. 本研究能够为未来三口近自然整治提供思路与借鉴. 值得注意的是，本研究着重考虑了洞庭湖区枯水期三口分流降低甚至断流带来的生态环境问题，然而对洞庭湖江湖连通河道开展整治将不可避免在丰水期加大松滋地区的防洪压力，给湖区的人民生活生产带来安全隐患. 这也有待于进一步研究以提出适应性对策，如开展洞庭湖区圩垸综合治理、地方防洪补贴等.