长江中下游河段低枯水水位流量关系变化规律分析

吴 琼，张 莉，曾 雅 立，张 亭

(1.长江水利委员会 水文局，湖北 武汉 430010； 2.长江水利委员会水文局 长江三峡水文水资源勘测局，湖北 宜昌 443000)

0 引 言

水是生命之源、生产之要、生态之基，是人类生存和维系生态系统良性循环的基础性自然资源，又是经济社会发展的战略性资源。随着社会经济的迅速发展，水资源问题也日益突出，直接威胁到城乡的用水安全，已经对经济社会发展和人民的生活形成了制约。2022年汛期长江发生流域性严重枯水，长江中下游地区发生了夏秋连旱，多站出现有实测记录以来历史同期最低水位，沙市站水位更是创历史最低，低枯水水位流量变化引发了生活用水、生产用水、生态用水等系列问题。

三峡工程建成运用后，三峡水库多次拦蓄洪峰，缓解了长江中下游河段的防洪形势，中下游地区人民的生命财产安全得到了有效的保护[1-3]。但三峡水库蓄水运用以来，引起清水下泄，而且随着上游水库群陆续建成投运，三峡水库出库沙量大幅减小，清水下泄更加显著，这对水库下游河道产生了较大影响，部分河段河床出现严重冲刷[4]，引起断面下切，改变了河道的水沙条件，水位流量关系发生不同程度的偏移等情况，可能影响长江中下游河段的河势稳定、供水安全、通航条件及生态环境等[5-7]。有学者曾预见性地认为，三峡枢纽下游河床冲刷主要发生在主槽，坝下游河道同流量下中枯水水位将大幅度降低[8]。有学者对三峡水库蓄水前后荆江河段实测资料进行了分析，认为三峡水库蓄水后荆江河段中低水位较蓄水前明显降低[5-6，9-10]。也有学者认为，因三峡水库清水下泄，引起下游河道冲刷，干流的水位降低，同时导致荆江“三口”分流有所减少，从而缓解洞庭湖的萎缩和淤积，有利于扩大河道的行洪能力[11-14]。

多年来，众多学者对三峡水库蓄水前后坝下游尤其是荆江河段的水位流量关系变化进行了大量研究，但对荆江以外河段研究较少。三峡水库自2008年9月进入试验性蓄水以来，其防洪、发电、供水、航运等功能进一步得到全面实现，社会效益和经济效益更加显著[4]。而长江中下游河段受三峡水库清水下泄、持续冲刷的影响，尤其枯水河槽冲刷明显，低枯水水位流量关系也持续发生改变，容易引起生态和供水安全问题。尤其2022年汛期受持续高温少雨和上游来水不多等因素的影响，长江干流及洞庭湖、鄱阳湖部分站点水位出现有实测记录以来同期最低，长江中下游地区发生了夏秋连旱，沙市站水位创历史最低，给沿岸城市取水造成困难。

为摸清近些年同流量下的水位变化情况，需要对改变后的低枯水水位流量关系开展分析。本文选取长江中下游宜昌、沙市、螺山、汉口和大通等水文控制站2009～2022年的水位、流量、大断面等实测成果资料分析沿程各控制站低枯水水位流量关系变化、断面的变化，研究各站不同流量级下水位的变化，摸清三峡水库试验性蓄水后低枯水水位流量关系变化趋势、河道冲淤情况，为合理调度三峡等上游水库，保障长江中下游生产、生活、生态用水，落实最严格水资源管理、推进水资源开发利用管控、旱情防御提供重要参考。

1 研究区域和数据来源

本文研究区域为三峡工程坝下游长江中下游干流宜昌至大通河段。

三峡水库于2003年建成并完成135.00 m蓄水，2006年10月蓄水至156.00 m，2008年9月进入175.00 m试验性蓄水阶段，2010年10月26日三峡水库首次蓄水至175.00 m。2015 年 9 月，三峡水库进入正常运行期[15]。2009～2022年三峡水库每月下泄流量变化过程见图1。本次研究采用宜昌、沙市、螺山、汉口、大通等水文控制站2009～2022年实测水位、流量、大断面资料，河道冲淤分析选取宜昌至湖口河段。根据测站任务书界定低枯水水位级。

图1 2009～2022年三峡水库月平均出库流量变化过程Fig.1 Change process of average monthly discharge of the Three Gorges Reservoir from 2009 to 2022

2 各站低枯水水位流量关系变化

选取长江中下游宜昌、沙市、螺山、汉口和大通各代表站2009～2022年实测水位、流量资料分别绘制低枯水水位流量关系图[16-17]，统计低枯水各流量级的水位变化情况，研究各代表站不同流量级水位的变化，摸清三峡水库试验性蓄水后低枯水水位流量关系变化规律。

2.1 宜昌站

宜昌站为三峡水库坝下控制站，测验断面上距三峡水库44.8 km，距葛洲坝水库6.8 km。影响该站水位流量关系的主要因素为洪水涨落、断面冲淤、上游葛洲坝调度以及下游清江出流顶托等。低枯水时主要影响因素为上游来水、水利工程联合调度，低枯水水位流量关系为单一线。

根据宜昌站2009～2022年低枯水期实测水位、流量成果资料绘制低枯水水位流量关系图(见图2)，统计了低枯水各流量级的水位变化情况(见表1)。从图2和表1中可以看出：2009～2022年间，宜昌站低枯水水位流量关系呈右偏趋势，与2009年相比，其余年份低枯水同流量级相应水位均有不同程度的下降，但下降幅度不大，最大下降0.46 m；在2014年以后下降趋势不明显，接近持平。主要原因是该站断面上下河道比较顺直，河床主要是卵石夹沙质组成，受三峡和葛洲坝水库多年影响，2014年以后断面已基本稳定。2021年与2009年水位相比，当流量为6 500 m3/s时，水位累积下降0.40 m；当流量为7 000 m3/s时，水位累积下降0.43 m。

表1 宜昌站同流量水位变化Tab.1 Changes of water level under the same flow at Yichang Station m

图2 宜昌站2009～2022年低枯水水位流量关系Fig.2 Low stage-discharge relations at Yichang Station from 2009 to 2022

根据2022年水位流量关系曲线查得各流量水位，比较不同年份水位可得：2022年水位与2021年相比变化不大；2022年与2009年相比水位下降0.41～0.45 m，不同流量级水位年际间基本维持稳定。

2.2 沙市站

沙市站是长江中游干流的重要控制站，位于上荆江河段，左岸上游约 17 km处有沮漳河入汇，右岸上游约 14 km 有太平口分流。测流断面位于沙市柳林洲，位于三八滩和金城洲的顺直河段中部。影响该站水位流量关系的主要因素为洪水涨落、变动回水、河槽冲淤。低枯水水位流量关系一般为单一关系。

根据沙市站2009～2022年低枯水期实测水位、流量成果资料绘制低枯水水位流量关系图(见图3)，并统计了低枯水各流量级的水位变化情况(见表2)。从图3和表2中可以看出：2009～2022年间，沙市站低枯水水位流量关系呈右偏趋势，与2009年相比，其余年份低枯水同流量级相应水位逐年下降，2021年与2009年水位相比，当流量为7 000 m3/s时，水位累积下降2.23 m；当流量为10 000 m3/s时，水位累积下降1.58 m；当流量为14 000 m3/s时，水位累积下降1.27 m。随着流量增大，水位累积降低幅度逐渐收窄。

表2 沙市站同流量水位变化Tab.2 Changes of water level under the same flow at Shashi Station m

图3 沙市站2009～2022年低枯水水位流量关系Fig.3 Low stage-discharge relations at Shashi Station from 2009 to 2022

根据2022年水位流量关系曲线查得各流量级水位，比较不同年份水位可见：当流量为10 000 m3/s和14 000 m3/s时，2022年水位比2021年下降明显；2022年与2009年相比同流量级相应水位下降1.72～2.28 m。2022年水位下降幅度未见减弱迹象，仍在继续下降。主要原因是该站河床主要为沙质黏土，三峡水库蓄水后，受清水下泄影响，河床持续冲刷，断面不断下切。

2.3 螺山站

螺山站是长江荆江与洞庭湖出流汇合后的重要控制站，测验河段顺直长度约4 km，测验断面上游约30 km处为长江与洞庭湖的江湖汇合口，下游约47 km处有陆水河入汇，下游209 km处为汉江注入长江入口。该站水位流量关系既受上游荆江及洞庭湖来水涨落的影响，亦受下游汉江等来水顶托的影响。低枯水水位流量关系为单一关系。

根据螺山站2009～2022年低枯水期实测水位、流量成果资料绘制低枯水水位流量关系图(见图4)，并统计了低枯水各流量级的水位变化情况(见表3)。从图4和表3可以看出：2009～2022年期间，螺山站低水水位流量关系线年际间有所摆动，呈右偏趋势，与2009年相比，其余年份低枯水同流量级相应水位逐年下降，2015年水位略有抬升，2017年水位继续下降，2019年后水位没有明显下降趋势，低枯水水位流量关系比较稳定。2021年与2009年相比，当流量为10 000 m3/s时，水位累积下降1.31 m；当流量为18 000 m3/s时，水位下降0.89 m，总体变化呈下降趋势。

图4 螺山站2009～2022年低枯水水位流量关系Fig.4 Low stage-discharge relations at Luoshan Station from 2009 to 2022

表3 螺山站同流量水位变化Tab.3 Changes of water level under the same flow at Luoshan Station m

根据2022年水位流量关系曲线查得各流量级水位，比较不同年份水位可见：当流量为10 000 m3/s和14 000 m3/s时，2022年水位比2021年略有上升；2022年与2009年相比同流量级相应水位下降0.70～1.28 m。

2.4 汉口站

汉口站是汉江入汇长江后中游干流第一个重要控制站，测验河段顺直，下游呈喇叭型，两岸均筑有砌石护坡，大堤脚有防浪林。测验断面呈单式河床，左浅右深。中高水时主泓居中，枯水期主泓偏右，水位约22.00 m时，左岸开始漫滩，最大漫滩宽度约200 m。断面下游有天兴洲横亘江心，中、低水位时断面控制较好。该站主要受上游荆江、洞庭湖及汉江来水和下游鄂东北各支流汇入及鄱阳湖出水的影响，水位流量关系主要受洪水涨落、回水顶托及断面冲淤变化等综合因素的影响，对于低水部分主要受本河段断面冲淤变化的影响。汉口站低水水位流量关系基本为单一关系。

根据汉口站2009～2022年低枯水期实测水位、流量成果资料绘制低枯水水位流量关系图(见图5)，并统计了低枯水各流量级的水位变化情况(见表4)。从图5和表4中可以看出：2009～2022年期间，汉口站水位流量关系呈右偏趋势，与2009年相比，除2010年和2016年水位部分上升以外，其余年份低枯水同流量级相应水位有所下降。2021年与2009年相比，当流量为10 000 m3/s时，水位累积降低1.01 m；当流量为20 000 m3/s时，水位累积降低0.57 m。随着流量增大水位累积降低幅度收窄，同流量级水位逐年下降。

表4 汉口站同流量水位变化Tab.4 Changes of water level under the same flow at Hankou Station m

图5 汉口站2009～2022年低枯水水位流量关系Fig.5 Low stage-discharge relations at Hankou Station from 2009 to 2022

根据2022年水位流量关系曲线查得各流量级水位，比较不同年份水位可见：当流量为10 000 m3/s和15 000 m3/s时，2022年水位与2021年相比略有下降；2022年与2009年相比同流量级相应水位下降0.32～1.23 m。2022年同流量级水位仍呈下降趋势，水位流量关系继续右偏。

2.5 大通站

大通站是长江干流的最后一个径流控制站，控制长江流入感潮河段水量。上距鄱阳湖湖口219 km，再往上游约20 km处有九江水文站，由于九江水文站受下游鄱阳湖出流顶托影响，很难拟定年际间水位流量关系变化。因此，选择大通站作为下游水位流量关系变化代表站进行分析。大通站距长江入海口624 km，低枯水时感潮显著，中高水时潮汐影响较小。

根据大通站2009～2022年低枯水期实测水位、流量成果资料绘制低枯水水位流量关系图(见图6)。从图6可以看出：各年水位流量关系较好，基本上为单一曲线，历年水位流量关系变幅不大，无趋势性变化，没有系统偏移，从目前情况看，三峡水库蓄水后对该站的水位流量关系变化基本无影响。

图6 大通站2009～2022年低枯水水位流量关系Fig.6 Low stage-discharge relations at Datong Station in 2009～2022

3 各站断面变化

3.1 宜昌站

宜昌站测验断面呈“U”形，最大水面宽约800 m。高程54 m以上为滨江公园，河槽左岸高程41 m以下为卵石及沙质滩地，最大滩宽约100 m，河床在起点距149 m以左为人工混凝土护坡，149～700 m之间主要由卵石夹沙质组成，700 m以右为礁板乱石。右岸易形成局部回流，无岔流、串沟及死水。

根据2009～2022年实测资料绘制了2009～2022年宜昌站多年大断面对比图、水位面积对比图(见图7～8)，分析了其断面变化情况。由图7～8可见：2009～2022年期间宜昌站水位面积关系基本稳定，断面基本保持稳定，同水位级2009年对应面积最小，2022年对应面积最大，最大变幅约300 m2。水位40.00 m时，2009年面积7 610 m2，2022年面积7 890 m2，面积增大280 m2；水位42.00 m时，2009年面积9 080 m2，2022年面积9 350 m2，面积增大270 m2；水位44.00 m时，2009年面积10 500 m2，2022年面积10 800 m2，面积增大300 m2；水位46.00 m时，2009年面积12 000 m2，2022年面积12 300 m2，面积增大300 m2。总体来看，各级水位对应断面面积基本稳定，没有趋势性变化。

图7 宜昌站大断面对比Fig.7 Comparison of sections at Yichang Station

图8 宜昌站水位面积对比Fig.8 Comparison of stage-area relations at Yichang Station

3.2 沙市站

沙市站测验断面形状呈偏“U”形，主泓偏左，河床由沙质和黏土组成，左岸为沙质河床，右岸为抛石护坡，河道无水生植物生长。

根据2009～2022年实测资料绘制了2009～2022年沙市站多年大断面对比图、水位面积对比图(见图9～10)，分析了其断面变化情况。由图9～10可见：2009～2022年期间，沙市站同水位对应面积有所增加，同水位级2010年对应面积最小，2022年对应面积最大，最大变幅约4 000 m2。水位32.00 m时，2010年面积8 000 m2，2022年面积12 000 m2，面积增大4 000 m2；水位34.00 m时，2010年面积10 200 m2，2022年面积14 200 m2，面积增大4 000 m2；水位36.00 m时，2010年面积12 300 m2，2022年面积16 400 m2，面积增大4 100 m2；水位38.00 m时，2010年面积14 500 m2，2022年面积18 500 m2，面积增大4 000 m2。三峡水库蓄水后，清水下泄使沙市断面年际间变化有冲有淤，但总体上，各级水位对应断面面积逐年增加，从起点距 80～1 180 m断面变化剧烈、主泓摆动明显，断面的深槽持续冲刷，近几年比较稳定。

图9 沙市站大断面对比Fig.9 Comparison of sections at Shashi Station

图10 沙市站水位面积对比Fig.10 Comparison of stage-area relations at Shashi Station

3.3 螺山站

螺山站测验断面呈“W”形，为沙质复式河床，无水生植物，冲淤变化较大，起点距135 m以左为礁板土，起点距1 700 m附近以右为防浪林，植被茂盛。

根据2009～2022年实测资料绘制了2009～2022年螺山站多年大断面对比图、水位面积对比图(见图11～12)，分析了其断面变化情况。由图11～12可见：2009～2022年期间，同水位级2009年对应面积最小，2017年对应面积最大，最大变幅约2 000 m2左右。水位20.00 m时，2009年面积9 260 m2，2017年面积11 200 m2，面积增大1 940 m2；水位23.00 m时，2009年面积13 800 m2，2017年面积15 900 m2，面积增大2 100 m2；水位27.00 m时，2009年面积19 900 m2，2017年面积22 100 m2，面积增大2 200 m2；水位30.00 m时，2009年面积24 500 m2，2017年面积26 700 m2，面积增大2 200 m2。总体来看，除2017年外，各级水位对应断面面积变化幅度不大，断面基本保持稳定。

图11 螺山站大断面对比Fig.11 Comparison of sections at Luoshan Station

图12 螺山站水位面积对比Fig.12 Comparison of stage-area relations at Luoshan Station

3.4 汉口站

汉口站测验断面呈单式河床，左浅右深。左岸河床由细沙组成，冲淤变化较大，导致左岸断面形状变化较大，右岸河床由粗沙组成，河底不平顺，主槽偏右较稳定。断面总体基本稳定，发生大洪水时有一定冲淤变化。

根据2009～2022年实测资料绘制了2009～2022年汉口站多年大断面对比图、水位面积对比图(见图13～14)，分析了其断面变化情况。由图13～14可见：2009～2022年期间，同水位级2012年对应面积最小，2022年对应面积最大，最大变幅约2 700 m2左右。水位15.00 m时，2012年面积11 600 m2，2022年面积14 500 m2，面积增大2 900 m2；水位17.00 m时，2012年面积14 700 m2，2022年面积17 400 m2，面积增大2 700 m2；水位19.00 m时，2012年面积17 700 m2，2022年面积20 300 m2，面积增大2 600 m2；水位21.00 m时，2012年面积20 800 m2，2022年面积23 300 m2，面积增大2 500 m2。总体来看，除2012年外，各级水位对应断面面积变化幅度不大，断面基本保持稳定。

图13 汉口站大断面对比Fig.13 Comparison of sections at Hankou Station

图14 汉口站水位面积对比Fig.14 Comparison of stage-area relations at Hankou Station

3.5 大通站

大通站测验横断面呈偏“V”形，主槽紧靠右岸，中高水主槽宽度1 800 m左右，无岔流、串沟、逆流、回水、死水等情况。河槽左岸河床由细沙及淤泥组成，中部由粗砂组成，右岸较陡由岩石组成，断面左岸及中部略有冲淤。左岸是江堤，右岸是高丘与江堤交替连结。左右岸上游约1 km处，有高程约为12 m(冻结基面)的河滩，其宽度左岸约150 m，右岸约300 m，淹没前种植农作物，出水时无水生植物。

根据2009～2022年实测资料绘制了2009～2022年大通站多年大断面对比图、水位面积对比图(见图15～16)，分析了其断面变化情况。由图15～16可见：2009～2022年期间，同水位级2009年对应面积最小，2022年对应面积最大，最大变幅约2 800 m2左右。水位5.00 m时，2009年面积21 600 m2，2022年面积24 700 m2，面积增大3 100 m2；水位7.00 m时，2009年面积25 200 m2，2022年面积27 700 m2，面积增大2 500 m2；水位9.00 m时，2009年面积28 600 m2，2022年面积31 400 m2，面积增大2 800 m2。总体来看，各级水位对应断面面积基本上逐年增加，但变幅不大。

图15 大通站大断面对比Fig.15 Comparison of sections at Datong Station

图16 大通站水位面积对比Fig.16 Comparison of stage-area relations at Datong Station

4 长江中下游河段冲淤情况

根据三峡水库试验性蓄水以来长江中下游河段实测地形资料统计了 2008年10月至2021年4月(宜昌至枝城河段到2021年10月)期间宜昌至湖口河段沿程累积冲淤量变化情况(见表5)。由表5可以看出：宜昌至湖口河段平滩河槽总冲刷量为19.99亿m3，宜昌至城陵矶河段(9.65亿m3)、城陵矶至汉口河段(4.44亿m3)、汉口至湖口河段(5.90亿m3)冲刷量分别占总冲刷量的48%,22%,30%，由此可见，宜昌至城陵矶段河段冲刷强度最大。由表5还可以看出，宜昌至湖口河段枯水河槽冲刷量较大，为19.40亿m3，占总冲刷量的97%，而枯水河槽以上冲刷偏小，仅为0.59亿m3，说明三峡水库试验性蓄水以来主要冲刷枯水河槽以下，因此，长江中下游河段同流量低枯水位下降幅度远大于中高水位。三峡水库试验性蓄水后引起长江中下游河段水位流量关系变化、水位下降的主要原因是清水下泄，引起河床冲刷，而且枯水河槽比较严重。另外，部分河段同时受河道采砂的影响。

表5 2008年10月至2021年4月宜昌至湖口河段沿程累积冲刷量统计Tab.5 Statistics of cumulative scouring amount along the section from Yichang to Hukou in October 2008 to April 2021

5 结 论

(1) 三峡水库试验性蓄水后，2009～2022年宜昌、沙市、汉口站低枯水水位流量关系呈右偏趋势，螺山站年际间有所摆动，但总体呈右偏趋势，大通站低枯水水位流量关系变幅不大，无趋势性变化，没有系统偏移。各站低枯水期同流量下水位有不同程度下降，其中沙市站下降幅度最大。

(2) 三峡水库试验性蓄水后，2009～2022年宜昌站低枯水各级水位对应断面面积基本稳定，螺山、汉口站除个别年份外，低枯水各级水位对应断面面积变化幅度不大，断面基本保持稳定。大通站各级水位对应断面面积基本上逐年增加，但变幅不大。沙市站各级水位对应断面面积逐年增加，断面的深槽继续呈现冲刷。

(3) 三峡水库试验性蓄水后，宜昌至湖口河段河床总体上处于冲刷状态，枯水河槽冲刷量较大，其中宜昌至城陵矶段河道冲刷强度最大。