三峽水庫蓄水后荊江松滋口分流變化及其影響因素

段光磊,彭嚴波

(長江水利委員會水文局 荊江水文水資源勘測局,湖北 荊州 434000)

0 引 言

荊江三口水系是聯系長江與洞庭湖的紐帶,是指連接長江和洞庭湖的松滋河、虎渡河、藕池河組成的復雜水網體系。據史料文獻記載,明清時期,荊江四口(含調弦口,1959年建閘)分流分沙量占枝城來量曾達到60%～70%,至20世紀50年代(1950s)初期占30%左右[1]。近百年來,大規模的圍湖造田、河道整治以及其他的工程措施和自然演變,使得洞庭湖大幅度萎縮、三口洪道大幅淤積,江湖關系劇烈調整,水量分配關系發生了重大變化。隨著長江與洞庭湖江湖關系的不斷調整,荊江三口分流分沙呈現持續減少的態勢,松滋口逐漸成為荊江三口中分流占比最大的口門,其對江湖關系影響越來越重要。

1950s以來,荊江三口分流分沙呈現明顯階段性變化[2-6]。近年來,較多學者對三峽水庫蓄水后松滋口分流分沙變化規律開展了研究。高耶[7]認為在干流流量20 000 m3/s條件下,松滋口分流增加,太平口分流減少,藕池口分流穩定,三口總體分流能力在三峽工程前后沒有顯著變化。格宇軒等[8]在分析實測資料的基礎上,得出近期松滋口、太平口在枝城30 000 m3/s流量級以上分流比增大的結論。郭小虎等[9]認為影響松滋口分流分沙最直接的2個因素是口門附近水位和口門高程。陳幫等[10]研究了三峽水庫蓄水后松滋口分流變化涉及的眾多因素。李彥彥等[11]利用1960—2019年實測水文資料以及河道典型橫斷面地形資料,采用 Mann-Kendall法與趨勢線法分析討論枯水期松滋口分流變化的特征與誘因,表明下荊江裁彎、葛洲壩運行及三峽大壩蓄水運行是其分流量變化的主要誘因。

眾多學者主要從分流分沙變化、江湖關系變化和采用數學模型還原計算方法研究三峽調度對荊江三口的影響等。本文基于最新的水文資料和河道原型觀測成果,主要采用實測資料還原計算方法研究三峽調度的影響、河道演變對松滋河分流的影響,包含航道整治和河道采砂等因素。

1 研究河段概況

1870年松滋縣黃家鋪、龐家灣等干堤潰口形成松滋口,堵口后修筑不牢,1873 年長江中游發生極端洪水,強烈沖刷導致江堤復潰形成。松滋河總長310.8 km。自上百里洲分為南、北兩汊。南汊經陳二口至大口,有采穴河與北汊溝通。在大口分為東西二支。西支從湖北省境內自大口到楊家垱,長約82.9 km;從楊家垱進入湖南省后在青龍窖分為官垸河(西支)和自治局河(中支)。東支在湖北省境內長約87.7 km;東支在湖南省境內部分又稱為大湖口河,長約49.5 km。松虎合流段由新開口經小河口于肖家灣匯入澧水洪道,長約21.2 km,見圖1。

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

長江在松滋口以上為低山丘陵區河谷,松滋口以下為沖積平原河流,口門以下干流河道突然展寬,砂卵石淤積形成蘆家河淺灘河段。松滋口干流上游17 km設有枝城水文站。松滋河進口東、西兩支控制站分別為沙道觀站、新江口站,分別距口門40.7、35.2 km。上述水文站觀測項目主要有水位、流量、懸移質輸沙率和泥沙顆粒級配等。

2 三峽水庫蓄水后松滋口分流變化

2.1 分流量及分流比變化

考慮下荊江系統裁彎、葛洲壩截流和三峽水庫蓄水對分流產生的影響,分為5個時段進行統計。分流比采用分流量與上游枝城站徑流量比值。因枝城1956—1991年無實測流量,其徑流量由上游宜昌站和清江出口長陽站疊加所得。根據實測水文資料統計,下荊江系統裁彎前和裁彎期松滋口年均分流量和分流比變化不大,僅東支在減少;下荊江系統裁彎后的3個時期,松滋河東支和西支的分流量和分流比均逐漸減少,其中東支的減小幅度更為明顯。見表1。

表1 各時段枝城站與松滋口分流量和分流比變化Table 1 Changes of flow diversion and split ratio at Zhicheng station and Songzi outlet

2.2 松滋口分流能力變化

選取上游干流出現>45 000 m3/s流量的2002年、2012年和2020年資料,比較3個典型大水年份枝城站同流量下松滋口分流量,見圖2。2012年與2002年比較,枝城出現>25 000 m3/s流量時,松滋口分流量明顯增加,流量越大增加越多;<25 000 m3/s流量時,分流量小幅減少。2020年與2012年比較,各級流量分流變化不大。三峽水庫蓄水后,枝城同流量下中高水松滋口分流能力提升,低水略下降,主要在三峽水庫蓄水前10 a,2012年后變化不大。

圖2 三峽水庫蓄水后典型大水年份枝城站流量與松滋口分流量關系變化Fig.2 Relationship between annual runoff at Zhicheng Station and flow diversion of Songzi outlet in typical flooding years after the impoundment of TGR

與2002年比較,2020年枝城站流量出現30 000、40 000、50 000 m3/s時,松滋口分流量分別增加約600、800、1 300 m3/s。對比2002年以來荊江出現較大洪峰的7次洪水時松滋口兩站洪峰峰值,可以看出在枝城站洪峰流量約50 000 m3/s時,2002年8月19日、2007年7月31日和2020年8月21日對應的新江口和沙道觀站洪峰流量明顯遞增。枝城站出現>45 000 m3/s洪峰時,兩站與蓄水前的2002年比較分別增加約700 m3/s和300 m3/s,見表2。

表2 2002年以來大水年份松滋口兩站洪峰流量峰值與枝城站對應關系Table 2 Correspondence of flooding peak discharge between Songzi outlet and Zhicheng Station in flooding years since 2002

3 主要影響因素分析

3.1 三峽水庫調度運用

三峽工程于2003年6月進入圍堰蓄水期,壩前水位按汛期135 m、枯季139 m運行;2006年汛后初期蓄水壩前水位按汛期144 m、枯季156 m運行;自2008年以來三峽水庫于汛末進行175 m試驗性蓄水。

三峽水庫蓄水以來,長江徑流量減小及流量過程的改變是三口分流分沙量減少的主要原因[12-15]。為還原三口分流量在三峽水庫不運用情況下天然分流過程,假定三峽水庫蓄水后與蓄水運用前的1998—2002年,在充分考慮洪水傳播時間的條件下,三峽水庫入庫逐日平均流量(寸灘站+武隆)與新江口、沙道觀兩站逐日平均流量相關關系不變,進行概化計算。需要說明的是,由于2003年后入庫沙量與蓄水前大幅減少,即使不考慮三峽水庫運行影響,荊江河段也會產生一定沖刷,由于尚難準確界定三峽水庫影響程度,僅進行概化計算。

基于上述假定條件,建立三峽水庫蓄水前1998—2002年入庫流量(寸灘+武隆)與新江口和沙道觀站流量關系,相關關系良好,見圖3。以2008—2012年為例,還原三峽水庫初期蓄水后的兩站逐日平均流量,并與實際流量進行對比,計算三峽水庫調度對荊江三口分流量的影響,計算結果見表3。

表3 2008—2012年不同調度期松滋口實測水量與還原值差值Table 3 Difference between measured value and reduction calculation value of runoff at Songzi outlet during different operation periods from 2008 to 2012

圖3 1998—2002年三峽水庫入庫流量與松滋口兩站流量關系Fig.3 Relationship between the inflow of TGR and the discharges of two stations at Songzi outlet during1998-2002

根據三峽水庫調度,將時段劃分為消落期(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)和補水期(11月初至4月中旬)。2008年4月底至2012年4月底三峽水庫調度運行對松滋口分流影響較大,主要表現:①蓄水對松滋口分流影響最大,4 a平均減少33.34億m3,汛末出現洪峰的年份減少量更大,如2008年和2009年;②主汛期的影響主要取決于入庫洪峰來量大小,若削峰明顯則減少量較大,如2011年;若下泄量大于入庫則存在“補水”效果,如2008年;③消落期增大泄量對口門分流有一定作用;④在枯季補水期,因進口段高程較高,東支在枝城流量<8 000 m3/s時斷流,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,對松滋河分流增大作用有限。

3.2 口門段河勢變化

3.2.1 岸線變化

松滋口上下游的干流河段兩岸由階地、黏性土和礫卵石層構成,江岸抗沖性普遍較強,岸線長期穩定,岸線變化主要反映在洲灘平面變化上。關洲、蘆家河淺灘平面形態總體穩定,對口門進流影響不大,見圖4。

圖4 三峽水庫蓄水后松滋河口門段干流河勢變化Fig.4 Regime change of mainstream reach near Songzi outlet after TGR impoundment

松滋河進口段干流右岸基巖出露,上覆礫石層,向東一直伸延至松滋老城橋頭河一帶,右岸岸線穩定。進口段左岸岸線近年持續崩退,2003—2016年,位于松03下游約500 m處的40 m等高線岸線累計最大崩退約250 m,改善了進流條件。其余河段岸線較為穩定。見圖5。

3.2.2 洲灘變化

松滋河口門段長江干流主要發育關洲、蘆家河心灘和偏洲邊灘。關洲距口門約10 km,洲灘平面位置穩定。受左汊大規模河道采砂影響,洲體左側中下緣2002—2016年間呈現明顯萎縮,近5 a相對穩定,對松滋口分流影響甚微。蘆家河心灘具有“小灘相并成大灘,大灘切割成小灘”周而復始的特點。蘆家河心灘2008年以來總體呈現小幅沖刷萎縮。偏洲邊灘位于口門左岸,2003—2015年間呈現持續的沖刷崩退,尤其是2006年后大規模采砂加劇了岸灘的崩退,改善了口門進流條件。2015年口門處干流右岸及松滋河口門左岸實施護岸護坡工程后,偏洲頭部較為穩定,見圖4。三峽水庫蓄水后,松滋河進口段楊家淹心灘灘頭大幅萎縮,其他洲灘略有萎縮,對進流有利,見圖5。

3.3 河道演變

3.3.1 長江干流

根據實測資料計算[16],三峽水庫蓄水后至2020年,荊江河段平灘河槽累積沖刷量達12.29億m3(含河道采砂量),河床的中低灘和主槽均表現為沖刷,主要集中在枯水河槽,其沖刷量約占平灘河槽沖刷量的90%。松滋口所在枝江河段(枝城—楊家腦)枯水河床和中水河床累積降低約3.5 m和3.1 m。

董5斷面位于長江干流口門下游蘆家河淺灘頭部,見圖4。2002年以來,斷面均呈現沖刷下切態勢,主要發生在2002—2016年間。多年來中部的淺灘磧壩穩定,斷面左右深槽均有沖刷,主要是左汊沙泓的沖深,右側偏洲邊灘有較大的崩退。2016年以來斷面有沖有淤,沒有明顯趨勢性的變化,見圖6。

圖6 三峽水庫蓄水后長江干流董5斷面變化Fig.6 Variation of cross-section Dong5 in main-stream Yangtze River after TGR impoundment

2014年10月至2019年10月,航道部門實施了長江中游宜昌至昌門溪河段航道整治一期和二期工程。其中,在蘆家河水道磧壩洲體上建設一縱一橫兩道護灘帶組成的魚嘴工程,在石泓修建2條護底帶。工程的實施,遏制了蘆家河水道支汊發展及洲灘沖刷對水位的不利影響。2011年后淺灘左汊沖刷得到抑制、中部磧壩和右汊沙泓穩定,對維持松滋口水位起到積極作用,見圖7。

圖7 長江干流(松滋口口門段)深泓縱剖面變化Fig.7 Longitudinal section variation in mainstream Yangtze River near the Songzi outlet after TGR impoundment

松滋河口門段長江干流深泓縱剖面呈現為上段和下段高、中間低,且下段明顯高于上段。蘆家河淺灘段形成了枯水“卡口”。三峽水庫蓄水后,中段河床下切明顯,蘆家河淺灘河床最低高程沒有明顯變化,對維持口門枯水位起到積極作用,見圖7。

根據長江水利委員會水文局調查結果[17],松滋河口門所處干流枝江河段(枝城至楊家腦)2003—2009年采砂量達2 383萬t,合約1 765萬m3。干流河段大規模河道采砂,降低了局部河段河床高程,在一定程度上加大了口門段中枯水位下降幅度,對口門分流產生消極影響。

3.3.2 松滋河

根據長江水利委員會水文局荊江水文水資源勘測局計算[16],2003—2020年,松滋河總沖刷量為0.99億m3, 其中松滋口至大口段沖刷量為0.42億m3, 占總松滋河總沖刷量的42.7%。

三峽水庫蓄水后,受清水下泄河床沖刷、尤其是2011年后河道采砂活動影響,進口段松03、松07斷面深槽大幅下切;2016年以后進口斷面沖淤和灘槽變化很小,斷面形態總體處于相對穩定狀態,見圖8。

圖8 三峽水庫蓄水后松滋口門段典型斷面變化Fig.8 Typical cross-section variation at Songzi outlet after TGR impoundment

2003—2016年間,進口段深泓大幅沖刷,主要發生在口門進口至楊家洲左汊中部約8 km的口門段,河床最大沖深達23m?？陂T進口段縱剖面形態由M型演變呈深V型。大規模的人為采砂是斷面深V形成的主要因素。

荊江河段河槽的沖刷大大降低了口門段的枯水位。干流枯水位的降低對口門段入流條件產生消極影響?；谥Τ峭髁?0 000、30 000 m3/s下枝城站、陳二口站和下游陳家灣站同日水位數據,進行插補計算,2003—2020年松滋口中、枯水位平均值與蓄水前1981—2020年比較,分別下降約0.7 m和0.4 m。

2016年以來,松滋口口門河段深泓縱剖面年際間有沖有淤,沒有明顯的單向變化趨勢,見圖9。

圖9 三峽水庫蓄水后松滋河進口深泓縱剖面變化Fig.9 Longitudinal section variation in mainstream Yangtze River at the entrance reach of Songzi River after TGR impoundment

據長江水利委員會水文局調查[16],松滋河進口段大量采砂從2013年開始。根據典型斷面沖刷幅度,估算松滋河口門段松03至松8斷面間13.8 km長河段內2011—2016年采砂量為2 650萬m3。根據湖北省荊州市水行政主管部門批復,松滋河2016—2020年4 a的采砂規劃實施的采砂量總量為1 280萬t,折合方量為853萬m3。松滋河進口段河道采砂對河床變形影響在圖8得到明顯反映。松滋河進口段大規模采砂,明顯降低了進口斷面河床高程,對分流有積極影響。

4 結 論

基于系列實測水文資料和河道原型觀測成果,總結了三峽水庫蓄水后松滋口分流變化特征,分析了口門河段河道演變對三峽水庫蓄水后松滋口分流影響。主要結論如下:

(1)三峽水庫蓄水后,除長江上游地區出現2006年和2011年干旱外,荊江河段來水平穩,松滋口分流比在7%左右波動,松滋口分流量沿時程沒有明顯趨勢性變化;枝城同流量下中高水松滋口分流能力有所提升,低水略有下降。

(2)口門所處荊江干流河床沖刷降低了口門處水位,對松滋口分流產生不利影響。

(3)三峽水庫蓄水后實施的蘆家河水道航道工程對維持松滋河口門中枯水位起到關鍵作用,是抑制口門分流減小的重要因素之一。

(4)松滋河口門河段荊江干流河勢穩定。荊江干流河道沖刷導致口門段中枯水位下降,不利于口門分流。

(5)松滋河進口段河道沖刷和河道采砂在一定時段改善了口門進流條件。