长江中游沙市水文站水位流量关系分析

何康洁 邓鹏鑫 刘昕 李威

摘要：为了研究三峡水库调度引起的荆江河段河道冲刷，以及松滋口、太平口、藕池口三口分流分沙条件变化对沙市水文站水位流量关系的影响，利用校正因素法和落差法分别对沙市水文站受到的洪水涨落影响和下游回水顶托影响等因素进行改正，分析了沙市水文站不同流量级下的水位降低情况，复核了三峡水库建库后沙市水文站的水位流量关系曲线。结果表明：当莲花塘水位在28 m以下时，在6 000～10 000 m3/s的过水流量条件下，与20世纪90年代水位流量关系线成果相比，2003～2021年沙市水文站水位降低了2.32～3.59 m；莲花塘水位越低，断面过水流量越小，沙市水文站水位降低越多；高水部分总体无趋势性变化。

关键词：水位流量关系； 校正因素法； 落差法； 沙市水文站； 长江中游

中图法分类号：TV122

文献标志码：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2023.S2.003

文章编号：1006-0081（2023）S2-0011-04

0 引 言

长江流域防洪体系正逐步完善，社会发展对防洪保障能力、防洪区划布局以及防洪管理建设需求等方面提出了更高的要求。到2021年，已有107座（处）水工程纳入了长江流域联合调度范围［1-2］。受气候变化、大规模工程建设和运行的影响，流域水雨情以及江湖关系发生了新变化，需要尽快明晰以三峡水库为核心的流域防洪工程体系建成后的江湖关系特征，进而对防洪总体布局进行优化，进一步提升流域防洪安全保障能力，推动新时期水利高质量发展。

三峡水利枢纽工程与荆江分洪工程防洪调度决策运行控制均以沙市（二郎矶）水文站水情为重要依据。三峡水库的建成运行改变了天然来水过程，也改变了下游水沙特性，荆江河段水沙特性的变化尤为明显。上游水库群的建设导致泥沙多被拦截在坝上，荆江河段受清水下泄影响，河道出现大幅冲刷，使得该段的洪水特性发生改变［3］。河道冲刷造成干流水位降低，松滋口、太平口、藕池口三口分流均有不同程度的减少［4-5］。部分河段河床出现严重冲刷，水位流量关系发生了较为明显的变化，这些将对下游河段的河势稳定、通航条件、供水安全及生态环境等方面产生不利影响［6-8］。河道形态的改变对荆江河段中高水位影响不大，中低水位有一定程度的降低［9-10］。三峡水库试验性蓄水后，长江中下游干流各代表站低枯水同流量下水位有不同程度下降，其中沙市水文站下降幅度最大［11］。

本文利用三峡水库蓄水以来的水文资料，运用洪水涨落及下游支流回水顶托改正的计算方法，复核沙市水文站水位流量关系曲线。研究成果可为合理调度三峡工程等长江上游水库、洪水预报以及洪水防御和《长江流域防洪规划》的修编等提供重要参考。

1 研究区域概况

1.1 沙市水文站概况

沙市水文站位于湖北省荆州市沙市区二郎矶，是国家基本水文站、长江中游干流控制站［12］、中央报汛站、一类精度流量站、一类泥沙站，现监测项目有水位、流量、降水量、悬移质含沙量、悬移质颗粒级配、沙质推移质、床沙、水质。沙市水位站设立于1933年1月，水位观测曾于1938年10月至1939年5月、1940年6月至1946年3月经历过两次中断，于1946年4月恢复。1991年1月增加了流量監测项目，调整为水文站［13］。沙市水文站基本水尺位于测流断面上游3.92 km的二郎矶，左岸上游1 km系学堂洲（古时为江干洲），原沮漳河于此汇入长江。沙市水文站所在长江流域水系水文站分布见图1。

1.2 测验河段及断面概况

沙市水文站测流断面位于柳林洲，测验河段上游宽，下游窄，上下游约有4 km顺直段，测流断面与下游藕池口、城陵矶水文站距离分别为76.1，241.9 km。断面呈“U”形，漫滩水位约42.4 m（使用冻结基面）。当水位在41.0 m（使用冻结基面）以下时，江心洲露出水面，江水分为两股；水位在44.2 m（使用冻结基面）以上时，右岸小堤淹没与主河连成一片。上、下游洲滩变化及左右汊道的变动对沙市水文站河段主流摆动和断面冲淤影响较大。

1981年葛洲坝水利枢纽大江截流开始蓄水和2003年三峡水库蓄水之后，宜昌-沙市河段以及上荆江河段出现冲刷。

1.3 沙市水文站测验方式

沙市水文站于2000年12月投产使用水文303轮，并配备了微机测流系统；2002年4月配备了全球卫星定位系统（GPS）及数字测深仪。2005年7月1日，水位和雨量实现报汛自动化；2006年可视会商系统投入使用。2009年走航式声学多普勒流速剖面仪（ADCP）投产测流；2010年水位流量关系单值化应用于实际生产；2011年以来多型号激光粒度分析仪投产。2022年安装了H-ADCP和V-ADCP，采用两者相结合的方式开展流量在线监测试验研究，多种在线测沙仪、快速测沙仪已进行比测试验。

2 沙市水文站水位流量关系影响因素

沙市水文站水位流量关系的影响因素较多，主要因素为受河段冲淤影响引起的断面变化、洞庭湖来水小而长江来水大造成的洪水涨落与下游莲花塘回水顶托［14-16］。除此之外，还有洪水来水组成、洪水间隔时间、起涨水位、洪峰形状等［17-18］。20世纪60～70年代下荆江裁弯系统性改变了沙市水文站水位流量关系，使得该河段水面比降有所增加，并引起河道内长时期冲刷，河道过流能力增加，直至20世纪90年代前才达到冲淤平衡。裁弯缩短了沙市至城陵矶间的距离，增加了莲花塘的顶托影响。

2.1 过流断面变化

根据沙市水文站实测资料分析，在三峡水库建库前，1991～2002年断面呈现汛期冲、汛后淤的规律性变化，年内汛前汛后冲淤大致平衡。以水位41 m 的断面面积为例，面积变化一般相差不超过4%。年际断面冲淤交替变化。沙市水文站高水水位40 m时断面面积基本处于稳定状态，变化幅度较小，无趋势性变化。三峡水库建库1991～2002年沙市水文站实测断面见图2。

沙市水文站测验断面在三峡水库运行后变化较大（图3）。当水位41 m时，2003年断面过水面积为17 224 m2，与1991年的过水面积17 231 m2相差无几；2007～2017年，断面基本呈现出冲刷-回淤-冲刷的态势，隔年略有回淤；2018～2021年为持续性冲刷，不同水位级断面过流面积均增大。当水位为45 m时，2021年过水断面面积比2003年增大22.2%。

2.2 三口分流分沙条件变化

多年来，洞庭湖区及松滋口、太平口、藕池口三口分洪道呈逐步淤积的态势，抬高了临界过流水位，使得洞庭湖入湖水量、沙量减少。20世纪50～90年代，三口年分流、分沙量分别减少了15%和17%。

2003年三峡水库运行后，三口分流量继续保持衰减的变化趋势。与1981～2002年相比，三峡水库建库后三口分流量减小了189亿m3，减幅为27.6%；分流比减小了3.4%；分沙量减少了7 810万t，减幅为90%；分沙比略有增加。

3 沙市水文站水位流量关系影响因素改正

3.1 洪水涨落影响改正

当洞庭湖来水小、长江来水较大时，沙市水文站水位流量关系受到洪水涨落影响较为明显。选取此类年份资料进行分析，修正方法采用校正因素法，计算公式如下：

式中：Qc为校正后的稳定流量，m3/s；Qn为实测流量，m3/s；ΔZ为洪水1 d内的涨落值，m；Δt为时段，s；1/（UIc）为校正因子。

3.2 莲花塘顶托水位分析

当洞庭湖来水大、莲花塘水位较高、长江来水较小时，沙市水文站水位流量关系受到回水顶托影响较为明显。水位越高，绳套曲线越明显，点群越分散。

以沙市-莲花塘的水位落差为参数绘制沙市水文站水位流量关系曲线，发现点据分布存在一定规律，从上至下、从左至右的分布位置为：莲花塘高水位点据、莲花塘低水位点据、落差小的点据、落差大的点据。沙市-莲花塘落差一般为7～13 m，以1 m落差为一级，同时以正常落差定线分析水位流量关系的年际变化。落差指数法计算公式如下：

式中：Q1，Q2分别为洪水涨落影响改正后同水位不同落差的流量，m3/s；

ΔZ1，ΔZ2为Q1，Q2相应的沙市-莲花塘水位落差，

m； β为落差指数。

3.3 其他影响因素

沙市水文站水位流量关系还受起涨水位、一段时间内的洪水个数、洪峰形状等因素影响。其中，高起涨水位、多峰连续洪水、偏胖的洪水峰型均可能导致沙市水文站水位偏高。

4 沙市水文站水位流量关系变化分析

4.1 水位流量关系拟定

将2003～2021年沙市水文站的实测流量资料按来水组成进行分析，分别按校正因素法和落差指数法对洪水涨落、回水顶托进行改正，按莲花塘不同水位进行分级，每1 m为一个分级，得到沙市水文站水位流量关系线簇。同一莲花塘水位下，沙市水位流量关系为单一曲线；同一沙市水位下，莲花塘水位越低，沙市流量越大；同一沙市流量下，莲花塘水位越高，对应的沙市水位越高。沙市水文站水位流量关系线如图4所示。

4.2 水位流量关系变化分析

本次采用三峡水库建库后2003～2021年的资料对沙市水文站水位流量关系线进行复核，尤其是2016，2020年等大水年资料可较准确地体现沙市水文站水位流量关系现状。与20世纪90年代水位流量关系综合线成果对比可发现：由于大水年份较少，流量大于35 000 m3/s时，高水点据与原20世纪90年代大水综合线拟合较好；流量小于35 000 m3/s时，相同流量下2003～2021年水位降低（表1）。在6 000～10 000 m3/s的过水流量条件下，沙市水文站水位降低了2.32～3.59 m；莲花塘水位越低，断面过水流量越小，沙市水文站水位降低越多。

沙市水文站水位流量关系线低水部分线较为集中，高水部分为绳套曲线，总体呈扫把状的形态。三峡水库建库后低水位下断面冲刷较多，断面形态变化大，河段冲淤变化对该站低水部分水位流量关系影响较大，因此沙市水文站的水位流量变化主要体现在低水部分，2003～2021年水位流量关系线较20世纪90年代下移，流量越小，下移幅度越大；高水部分无明显的变化趋势。

5 结 论

通过对沙市水文站2003～2021年水位、流量資料的研究分析，结合断面冲淤变化及三口分流分沙的影响，得出如下结论。

（1）沙市水文站上游水库群及三峡水库的建成造成出库沙量大幅减小，引起下游河道冲刷，沙市水文站过水断面面积在三峡水库运行后有较大增加。

（2）三口分流、分沙量的持续衰减导致荆江水量不断增大，增加了对洞庭湖的顶托作用。

（3）三峡工程运行后，沙市水文站河段冲淤变化对该站低水部分水位流量关系影响较大，流量越小，水位流量关系线下移幅度越大；高水部分总体无趋势性变化。

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