三峡水库蓄水后荆江松滋口分流变化及其影响因素

2024-02-21段光磊彭严波

长江科学院院报 2024年2期

段光磊,彭严波

(长江水利委员会水文局荆江水文水资源勘测局,湖北荆州 434000)

0 引言

荆江三口水系是联系长江与洞庭湖的纽带,是指连接长江和洞庭湖的松滋河、虎渡河、藕池河组成的复杂水网体系。据史料文献记载,明清时期,荆江四口(含调弦口,1959年建闸)分流分沙量占枝城来量曾达到60%～70%,至20世纪50年代(1950s)初期占30%左右[1]。近百年来,大规模的围湖造田、河道整治以及其他的工程措施和自然演变,使得洞庭湖大幅度萎缩、三口洪道大幅淤积,江湖关系剧烈调整,水量分配关系发生了重大变化。随着长江与洞庭湖江湖关系的不断调整,荆江三口分流分沙呈现持续减少的态势,松滋口逐渐成为荆江三口中分流占比最大的口门,其对江湖关系影响越来越重要。

1950s以来,荆江三口分流分沙呈现明显阶段性变化[2-6]。近年来,较多学者对三峡水库蓄水后松滋口分流分沙变化规律开展了研究。高耶[7]认为在干流流量20 000 m3/s条件下,松滋口分流增加,太平口分流减少,藕池口分流稳定,三口总体分流能力在三峡工程前后没有显著变化。格宇轩等[8]在分析实测资料的基础上,得出近期松滋口、太平口在枝城30 000 m3/s流量级以上分流比增大的结论。郭小虎等[9]认为影响松滋口分流分沙最直接的2个因素是口门附近水位和口门高程。陈帮等[10]研究了三峡水库蓄水后松滋口分流变化涉及的众多因素。李彦彦等[11]利用1960—2019年实测水文资料以及河道典型横断面地形资料,采用 Mann-Kendall法与趋势线法分析讨论枯水期松滋口分流变化的特征与诱因,表明下荆江裁弯、葛洲坝运行及三峡大坝蓄水运行是其分流量变化的主要诱因。

众多学者主要从分流分沙变化、江湖关系变化和采用数学模型还原计算方法研究三峡调度对荆江三口的影响等。本文基于最新的水文资料和河道原型观测成果,主要采用实测资料还原计算方法研究三峡调度的影响、河道演变对松滋河分流的影响,包含航道整治和河道采砂等因素。

1 研究河段概况

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。松滋河总长310.8 km。自上百里洲分为南、北两汊。南汊经陈二口至大口,有采穴河与北汊沟通。在大口分为东西二支。西支从湖北省境内自大口到杨家垱,长约82.9 km;从杨家垱进入湖南省后在青龙窖分为官垸河(西支)和自治局河(中支)。东支在湖北省境内长约87.7 km;东支在湖南省境内部分又称为大湖口河,长约49.5 km。松虎合流段由新开口经小河口于肖家湾汇入澧水洪道,长约21.2 km,见图1。

图1 松滋河水系分布Fig.1 Distribution of Songzi river water system

长江在松滋口以上为低山丘陵区河谷,松滋口以下为冲积平原河流,口门以下干流河道突然展宽,砂卵石淤积形成芦家河浅滩河段。松滋口干流上游17 km设有枝城水文站。松滋河进口东、西两支控制站分别为沙道观站、新江口站,分别距口门40.7、35.2 km。上述水文站观测项目主要有水位、流量、悬移质输沙率和泥沙颗粒级配等。

2 三峡水库蓄水后松滋口分流变化

2.1 分流量及分流比变化

考虑下荆江系统裁弯、葛洲坝截流和三峡水库蓄水对分流产生的影响,分为5个时段进行统计。分流比采用分流量与上游枝城站径流量比值。因枝城1956—1991年无实测流量,其径流量由上游宜昌站和清江出口长阳站叠加所得。根据实测水文资料统计,下荆江系统裁弯前和裁弯期松滋口年均分流量和分流比变化不大,仅东支在减少;下荆江系统裁弯后的3个时期,松滋河东支和西支的分流量和分流比均逐渐减少,其中东支的减小幅度更为明显。见表1。

表1 各时段枝城站与松滋口分流量和分流比变化Table 1 Changes of flow diversion and split ratio at Zhicheng station and Songzi outlet

2.2 松滋口分流能力变化

选取上游干流出现>45 000 m3/s流量的2002年、2012年和2020年资料,比较3个典型大水年份枝城站同流量下松滋口分流量,见图2。2012年与2002年比较,枝城出现>25 000 m3/s流量时,松滋口分流量明显增加,流量越大增加越多;<25 000 m3/s流量时,分流量小幅减少。2020年与2012年比较,各级流量分流变化不大。三峡水库蓄水后,枝城同流量下中高水松滋口分流能力提升,低水略下降,主要在三峡水库蓄水前10 a,2012年后变化不大。

图2 三峡水库蓄水后典型大水年份枝城站流量与松滋口分流量关系变化Fig.2 Relationship between annual runoff at Zhicheng Station and flow diversion of Songzi outlet in typical flooding years after the impoundment of TGR

与2002年比较,2020年枝城站流量出现30 000、40 000、50 000 m3/s时,松滋口分流量分别增加约600、800、1 300 m3/s。对比2002年以来荆江出现较大洪峰的7次洪水时松滋口两站洪峰峰值,可以看出在枝城站洪峰流量约50 000 m3/s时,2002年8月19日、2007年7月31日和2020年8月21日对应的新江口和沙道观站洪峰流量明显递增。枝城站出现>45 000 m3/s洪峰时,两站与蓄水前的2002年比较分别增加约700 m3/s和300 m3/s,见表2。

表2 2002年以来大水年份松滋口两站洪峰流量峰值与枝城站对应关系Table 2 Correspondence of flooding peak discharge between Songzi outlet and Zhicheng Station in flooding years since 2002

3 主要影响因素分析

3.1 三峡水库调度运用

三峡工程于2003年6月进入围堰蓄水期,坝前水位按汛期135 m、枯季139 m运行;2006年汛后初期蓄水坝前水位按汛期144 m、枯季156 m运行;自2008年以来三峡水库于汛末进行175 m试验性蓄水。

三峡水库蓄水以来,长江径流量减小及流量过程的改变是三口分流分沙量减少的主要原因[12-15]。为还原三口分流量在三峡水库不运用情况下天然分流过程,假定三峡水库蓄水后与蓄水运用前的1998—2002年,在充分考虑洪水传播时间的条件下,三峡水库入库逐日平均流量(寸滩站+武隆)与新江口、沙道观两站逐日平均流量相关关系不变,进行概化计算。需要说明的是,由于2003年后入库沙量与蓄水前大幅减少,即使不考虑三峡水库运行影响,荆江河段也会产生一定冲刷,由于尚难准确界定三峡水库影响程度,仅进行概化计算。

基于上述假定条件,建立三峡水库蓄水前1998—2002年入库流量(寸滩+武隆)与新江口和沙道观站流量关系,相关关系良好,见图3。以2008—2012年为例,还原三峡水库初期蓄水后的两站逐日平均流量,并与实际流量进行对比,计算三峡水库调度对荆江三口分流量的影响,计算结果见表3。

表3 2008—2012年不同调度期松滋口实测水量与还原值差值Table 3 Difference between measured value and reduction calculation value of runoff at Songzi outlet during different operation periods from 2008 to 2012

图3 1998—2002年三峡水库入库流量与松滋口两站流量关系Fig.3 Relationship between the inflow of TGR and the discharges of two stations at Songzi outlet during1998-2002

根据三峡水库调度,将时段划分为消落期(4月下旬至6月上旬)、主汛期(6月中旬至9月上旬)、蓄水期(9月中旬至10月底)和补水期(11月初至4月中旬)。2008年4月底至2012年4月底三峡水库调度运行对松滋口分流影响较大,主要表现:①蓄水对松滋口分流影响最大,4 a平均减少33.34亿m3,汛末出现洪峰的年份减少量更大,如2008年和2009年;②主汛期的影响主要取决于入库洪峰来量大小,若削峰明显则减少量较大,如2011年;若下泄量大于入库则存在“补水”效果,如2008年;③消落期增大泄量对口门分流有一定作用;④在枯季补水期,因进口段高程较高,东支在枝城流量<8 000 m3/s时断流,新江口站枯水期流量<500 m3/s,即使下泄流量增大至6 500 m3/s,对松滋河分流增大作用有限。

3.2 口门段河势变化

3.2.1 岸线变化

松滋口上下游的干流河段两岸由阶地、黏性土和砾卵石层构成,江岸抗冲性普遍较强,岸线长期稳定,岸线变化主要反映在洲滩平面变化上。关洲、芦家河浅滩平面形态总体稳定,对口门进流影响不大,见图4。

图4 三峡水库蓄水后松滋河口门段干流河势变化Fig.4 Regime change of mainstream reach near Songzi outlet after TGR impoundment

松滋河进口段干流右岸基岩出露,上覆砾石层,向东一直伸延至松滋老城桥头河一带,右岸岸线稳定。进口段左岸岸线近年持续崩退,2003—2016年,位于松03下游约500 m处的40 m等高线岸线累计最大崩退约250 m,改善了进流条件。其余河段岸线较为稳定。见图5。

3.2.2 洲滩变化

松滋河口门段长江干流主要发育关洲、芦家河心滩和偏洲边滩。关洲距口门约10 km,洲滩平面位置稳定。受左汊大规模河道采砂影响,洲体左侧中下缘2002—2016年间呈现明显萎缩,近5 a相对稳定,对松滋口分流影响甚微。芦家河心滩具有“小滩相并成大滩,大滩切割成小滩”周而复始的特点。芦家河心滩2008年以来总体呈现小幅冲刷萎缩。偏洲边滩位于口门左岸,2003—2015年间呈现持续的冲刷崩退,尤其是2006年后大规模采砂加剧了岸滩的崩退,改善了口门进流条件。2015年口门处干流右岸及松滋河口门左岸实施护岸护坡工程后,偏洲头部较为稳定,见图4。三峡水库蓄水后,松滋河进口段杨家淹心滩滩头大幅萎缩,其他洲滩略有萎缩,对进流有利,见图5。

3.3 河道演变

3.3.1 长江干流

根据实测资料计算[16],三峡水库蓄水后至2020年,荆江河段平滩河槽累积冲刷量达12.29亿m3(含河道采砂量),河床的中低滩和主槽均表现为冲刷,主要集中在枯水河槽,其冲刷量约占平滩河槽冲刷量的90%。松滋口所在枝江河段(枝城—杨家脑)枯水河床和中水河床累积降低约3.5 m和3.1 m。

董5断面位于长江干流口门下游芦家河浅滩头部,见图4。2002年以来,断面均呈现冲刷下切态势,主要发生在2002—2016年间。多年来中部的浅滩碛坝稳定,断面左右深槽均有冲刷,主要是左汊沙泓的冲深,右侧偏洲边滩有较大的崩退。2016年以来断面有冲有淤,没有明显趋势性的变化,见图6。

图6 三峡水库蓄水后长江干流董5断面变化Fig.6 Variation of cross-section Dong5 in main-stream Yangtze River after TGR impoundment

2014年10月至2019年10月,航道部门实施了长江中游宜昌至昌门溪河段航道整治一期和二期工程。其中,在芦家河水道碛坝洲体上建设一纵一横两道护滩带组成的鱼嘴工程,在石泓修建2条护底带。工程的实施,遏制了芦家河水道支汊发展及洲滩冲刷对水位的不利影响。2011年后浅滩左汊冲刷得到抑制、中部碛坝和右汊沙泓稳定,对维持松滋口水位起到积极作用,见图7。

图7 长江干流(松滋口口门段)深泓纵剖面变化Fig.7 Longitudinal section variation in mainstream Yangtze River near the Songzi outlet after TGR impoundment

松滋河口门段长江干流深泓纵剖面呈现为上段和下段高、中间低,且下段明显高于上段。芦家河浅滩段形成了枯水“卡口”。三峡水库蓄水后,中段河床下切明显,芦家河浅滩河床最低高程没有明显变化,对维持口门枯水位起到积极作用,见图7。

根据长江水利委员会水文局调查结果[17],松滋河口门所处干流枝江河段(枝城至杨家脑)2003—2009年采砂量达2 383万t,合约1 765万m3。干流河段大规模河道采砂,降低了局部河段河床高程,在一定程度上加大了口门段中枯水位下降幅度,对口门分流产生消极影响。

3.3.2 松滋河

根据长江水利委员会水文局荆江水文水资源勘测局计算[16],2003—2020年,松滋河总冲刷量为0.99亿m3, 其中松滋口至大口段冲刷量为0.42亿m3, 占总松滋河总冲刷量的42.7%。

三峡水库蓄水后,受清水下泄河床冲刷、尤其是2011年后河道采砂活动影响,进口段松03、松07断面深槽大幅下切;2016年以后进口断面冲淤和滩槽变化很小,断面形态总体处于相对稳定状态,见图8。

图8 三峡水库蓄水后松滋口门段典型断面变化Fig.8 Typical cross-section variation at Songzi outlet after TGR impoundment

2003—2016年间,进口段深泓大幅冲刷,主要发生在口门进口至杨家洲左汊中部约8 km的口门段,河床最大冲深达23m。口门进口段纵剖面形态由M型演变呈深V型。大规模的人为采砂是断面深V形成的主要因素。

荆江河段河槽的冲刷大大降低了口门段的枯水位。干流枯水位的降低对口门段入流条件产生消极影响。基于枝城同流量10 000、30 000 m3/s下枝城站、陈二口站和下游陈家湾站同日水位数据,进行插补计算,2003—2020年松滋口中、枯水位平均值与蓄水前1981—2020年比较,分别下降约0.7 m和0.4 m。

2016年以来,松滋口口门河段深泓纵剖面年际间有冲有淤,没有明显的单向变化趋势,见图9。

图9 三峡水库蓄水后松滋河进口深泓纵剖面变化Fig.9 Longitudinal section variation in mainstream Yangtze River at the entrance reach of Songzi River after TGR impoundment

据长江水利委员会水文局调查[16],松滋河进口段大量采砂从2013年开始。根据典型断面冲刷幅度,估算松滋河口门段松03至松8断面间13.8 km长河段内2011—2016年采砂量为2 650万m3。根据湖北省荆州市水行政主管部门批复,松滋河2016—2020年4 a的采砂规划实施的采砂量总量为1 280万t,折合方量为853万m3。松滋河进口段河道采砂对河床变形影响在图8得到明显反映。松滋河进口段大规模采砂,明显降低了进口断面河床高程,对分流有积极影响。