1955年以来入洞庭湖的荆江三口分流变化.pdf
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1、 (湖泊科学),():年以来入洞庭湖的荆江三口分流变化朱博渊,徐 琪,朱玲玲,李义天(:长沙理工大学水利与环境工程学院,长沙)(:水沙科学与水灾害防治湖南省重点实验室,长沙)(:长江水利委员会水文局,武汉)(:武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室,武汉)摘 要:近 年来荆江三口分流持续减少,为分析各历史阶段三口分流变化的驱动因素,根据 年干支流水文、地形实测资料开展研究,并基于控制变量法识别各驱动因素贡献比例。结果表明:三口分流阶段性减少,且集中在 月。长江上游降雨减少导致的干流来流偏枯以及下荆江裁弯、葛洲坝拦沙造成的干流河道冲刷和三口口门淤积对三口分流减少促进作用明显,调弦口堵口对三口
2、分流影响不大,三峡水库蓄水后干流河道与三口口门同步冲刷,三口分流变化不大。长江上游汛期降雨减少明显,对 月三口分流减少影响较大,且三口分流主要发生于汛期干流中洪水位时,导致在下荆江裁弯期干流河床大幅下切条件下 月分流显著减少;葛洲坝调度、三峡水库初期调度和试验性蓄水调度也集中于 月,使得 月三口分流量分别减小、和。调弦口堵口对三口分流的增大作用远小于降雨的减小作用,贡献比例为负值;下荆江裁弯对三口分流减少的贡献比例达;水库运用期降雨对三口分流减少的贡献最大,贡献比例大于,葛洲坝调度几乎不产生贡献、下游河道调整贡献比例为,三峡水库初期调度贡献比例增大至、下游河道调整贡献比例为,试验性蓄水期则分别
3、上升至 和。长江上游降雨减少至少持续到本世纪末,三口分流年均值将长期呈减少趋势,而荆江干流与三口口门同步冲刷,干流同流量下三口分流仍将变化不大。关键词:荆江河段;三口;分流变化;驱动因素;贡献比例;洞庭湖 ,(:,)(:,)(:,)(:,):,收稿;收修改稿。湖南省自然科学基金项目()、流域水循环模拟与调控国家重点实验室开放研究基金项目()、国家自然科学基金长江水科学研究联合基金项目()和湖南省教育厅科学研究重点项目()联合资助。通信作者;:。朱博渊等:年以来入洞庭湖的荆江三口分流变化 ,(),:;荆江三口包括长江荆江河段南岸松滋口、太平口和藕池口,是连接长江与洞庭湖的纽带(图)。历史上还有调
4、弦口分荆江干流水沙入洞庭湖,但该口门于 年冬建闸控制。受自然条件和人类活动影响,近 年来荆江三口分流持续减少,对江湖关系调整产生直接作用,。开始,长江上游降雨偏少,使得长江中游干流年径流量减小,荆江三口分流相应减少。以后,下荆江裁弯增大河道水面比降、葛洲坝拦沙和长江上游水土保持工程减少荆江河段来沙量,荆江河段总体冲刷,至三峡水库蓄水前 年左右,冲刷趋势已明显减弱;三峡水库蓄水后,下泄水流含沙量大幅减小,下游河道再次出现显著冲刷。三峡水库蓄水前,荆江干流与三口洪道冲淤性质相反,干流冲刷、三口洪道淤积,干流与三口口门水位差减小,导致三口分流持续减少,;三峡水库蓄水后,三口分流变化不大,原因为荆江干
5、流与三口洪道均表现为冲刷,干支流水位均下降,缓解了分流减少趋势,但三口分流年内过程受三峡水库调蓄径流的影响重新分配,。关于三口分流变化趋势,现有认识为分流年均值取决于干流来水量,但干流同流量下分流变化不大,。基于控制变量法,现有研究重点识别了三峡水库运用对荆江三口分流变化的影响。如 年三峡水库汛前枯水补偿调度使得三口分流量年均增加,汛后蓄水使得三口分流量年均减小,对三口分流量综合影响为年均减小,占同期三口年均分流量的;降雨、水库调度和河道调整在水库运行初期(年)和优化调度后(年)对三口分流量减小的贡献比例分别为、和、;三峡水库优化调度后(年),水库调度在汛前消落期、汛期、汛末蓄水期和枯水期分别
6、使得三口多年平均分流量变化、和,河道调整在以上 个时期分别使得三口多年平均分流量变化 、和。当前,关于三口分流减少过程、机制和变化趋势的研究成果已较为丰富,其中对于驱动因素贡献比例的定量识别集中于三峡水库不同调度期。而三口分流变化的历史过程受降雨变化、调弦口堵口、下荆江裁弯、葛洲坝运用和三峡水库运用等多因素驱动作用,目前对各因素影响的系统性研究尚显不足,特别是对各因素贡献比例的量化,据此开展相关研究工作将有助于实时确定江湖关系演变的控导因素,科学调整治理对策。本文根据长江干流和三口洪道 年实测水文、地形资料分析三口分流变化过程和原因,采用控制变量法量化不同历史阶段各驱动因素贡献,为三口分流变化
7、趋势和荆江 洞庭湖区规划整治提供参考。(湖泊科学),()三口分流时序变化特点 各阶段年均变化特点如图 所示,松滋口分流量以新江口站和沙道观站代表,太平口分流量以弥陀寺站代表,藕池口分流量以康家岗站和管家铺站代表,各口门分流比则是对应分流量在枝城站来流量中的占比。图 荆江 洞庭湖分汇关系与水利工程、水文站位置 ,三口分流变化分为 个阶段(图):调弦口堵口前(年),三口分流量和分流比年均值分别为 和;调弦口堵口至下荆江裁弯前(年),三口分流量和分流比年均值分别为和,较上一阶段分别减小 和;下荆江裁弯至葛洲坝运用前(年),三口分流量和分流比年均值分别为 和,较上一阶段分别减小 和;葛洲坝运用至三峡水
8、库初期蓄水前(年),三口分流量和分流比年均值分别为 和,较上一阶段分别减小 和;三峡水库初期蓄水至试验性蓄水前(年),三口分流量和分流比年均值分别为 和,较上一阶段分别减小 和;三峡水库试验性蓄水后(年),三口分流量年均值为,较上一阶段略有增大,增大值为,三口分流比年均值与上一阶段相同。各阶段 月变化特点荆江三口分流减少集中在 月(表)。年与 年相比,月三口分流量减小,三口分流比减小;年与 年相比,月三口分流量减小,三口分流比减小;年与 年相比,月三口分流量减小,三口分流比减小;年与 年相比,月三口分流量减小,三口分流比减小,其中 月为蓄水期,分流比减小幅度最大,减小值为;年与 年相比,月三口
9、分流量和分流比均略有增大,增大值分别为 和。以上各阶段 月三口分朱博渊等:年以来入洞庭湖的荆江三口分流变化流量减小值的平均值为、占年均减小值的,分流比减小值的平均值为。月至次年 月,三口分流量和分流比减小值均很小,各阶段减小值的平均值分别为 和。图 三口分流量()和分流比()各阶段变化 ()()表 各阶段三口月均分流量与分流比 月份分流量()分流比 年 年 年 年 年 年 年 年 年 年 年 年 三口分流变化驱动因素 各阶段年均变化及原因导致荆江三口分流年均值持续减少的自然因素主要为降雨减少引发的干流来流偏枯。如图 所示,长江上游降雨量在 年以后多数低于多年平均值,且枝城站年径流量随上游年降雨
10、量同步减小关系较好,(湖泊科学),()使得三口年分流量相应减小。统计结果表明,、和 年 个阶段长江上游降雨量多年平均值分别为、和 。图 长江上游年降雨量、枝城站年径流量和三口年分流量变化 ,人类活动影响主要体现在三口分流阶段性变化上:)调弦口堵口前(年):枝城站同水位下流量变化不大(图),说明荆江河段冲淤平衡。以图 中枝城站、沙市站、新厂站水位近似代表三口口门水位,松滋口、太平口口门同水位下分流流量变化不大(图),说明口门冲淤变化不大;藕池口口门 和 水位下分流流量略有减小(图),说明口门略有淤积。以上对干支流水位差影响不大,该阶段三口分流随降雨减少(图)。)调弦口堵口至下荆江裁弯前(年):枝
11、城站同水位下流量变化不大、略有增加(图),说明荆江河段基本冲淤平衡、略有冲刷。松滋口、太平口口门同水位下分流流量变化不大(图),说明口门冲淤变化不大;藕池口口门同水位下分流流量减小较上一阶段明显(图),说明口门淤积。以上使得干支流水位差变小,促进该阶段三口分流减少。调弦口堵口应利于三口分流增加,但由于调弦口堵口前年均分流量仅,占枝城站年径流量,因而对三口分流促进作用不明显。)下荆江裁弯至葛洲坝运用前(年):干流河道缩短,水面比降和河道流速明显增大,河床下切,枝城站、和 水位下流量平均值分别较裁弯前增大、和 (图)。松滋口、太平口和藕池口口门相同水位下分流流量均减小(图),说明口门均表现为淤积,
12、其中藕池口口门淤积幅度最大。具体而言,松滋口口门、和 水位下分流流量平均值分别较裁弯前减小、和 ,太平口口门、和 水位下分流流量平均值分别较裁弯前减小、和 ,藕池口口门、和 水位下分流流量平均值分别较裁弯前减小、和 。以上使得干支流水位差相比于上一阶段减小幅度显著增加,导致三口分流明显少于上一阶段。)葛洲坝运用至三峡水库运用前(年):干流河床继续下切,枝城站以上各水位对应流量平均值分别较上一阶段增大、和 (图)。松滋口、太平口、藕池口口门同水位下分流流量均减小(图),说明口门仍整体表现为淤积,但松滋口、藕池口口门在 年洪水后由淤转冲(图),太平口口门中枯水河槽 年以后由淤转冲(图)。具体而言,
13、松滋口口门、和 水位下分流流量平均值分别较裁弯期减小、和 ;太平口口门、和 水位下分流流量平均值分别较裁弯期减小、和 ;藕池口口门、和 水位下分流流量平均值分别较裁弯期减小、和 。以上使得干支流水位差相比于上一阶段进一步减小,导朱博渊等:年以来入洞庭湖的荆江三口分流变化致该阶段三口分流继续减少,但 年以后同水位下分流减少速率趋缓。)三峡水库运用后(年):三口附近干流河床冲淤并存、以冲刷为主,深泓最大下切幅度在 之间(图)。松滋口、太平口、藕池口口门也表现为冲刷,其中松滋口口门冲刷幅度最大,藕池口口门次之,太平口口门冲刷幅度最小,深泓最大下切幅度在 之间(图)。干流河床与三口口门断面同步冲刷,水
14、位差相比于上一阶段增大,有助于缓解三口分流减少趋势。故该阶段三口分流相比于上一阶段减幅变小,且阶段内无明显变化。年至 年三口分流略有增大的原因为后一阶段长江上游降雨量偏大,导致枝城站年径流量偏大(图)。图 荆江干流及三口口门冲淤变化 各阶段 月变化及原因长江上游降雨减少主要集中在汛期,枯期减少不显著,故汛期降雨减少对各阶段 月三口分流持续减少作用明显。各阶段人类活动对 月三口分流减少的影响分析如下:)调弦口堵口前(年):人类活动不显著,月三口分流减少主要受降雨减少影响。)调弦口堵口至下荆江裁弯前(年):根据调弦口闸运行方式,月基本不开闸,故对该时期三口分流应是促进作用,遇长江干流发生大洪水需要
15、承担分洪任务时,最大分洪流量应控制在华容河泄流能力 以内,仅占枝城站同期流量,故对 月三口分流减少的影响很小。)下荆江裁弯至葛洲坝运用前(年):裁弯造成干流河道大幅下切,由于三口分流主要与干流中洪水位有关,故汛期 月河床下切造成的三口分流减少幅度更大,。前文统计结果显示,三口年均分流量该阶段相比上一阶段减小,其中 月减小,占比,且该阶段相比上一阶段年均分流比与 月分流比的减小值相同。(湖泊科学),()水库蓄水后,为分析水库调度对三口分流月均值的影响,对无水库调度时枝城站月均流量按下式还原:还原 实测 入库 出库()式中,还原为枝城站还原月均流量();实测为枝城站实测月均流量();入库、出库分别
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