水文学论文
引言
洞庭湖为我国第二大淡水湖，汇集湘、资、沅、澧四水及环湖中小河流，承接经松滋、太平、藕池、调弦四口（调弦口于 1958 年冬封堵，故又称三口）分泄的长江洪水，其分流与调蓄功能，对长江中游地区防洪起着十分重要的作用（图 1）。洞庭湖区包括荆江河段以南，湘、资、沅、澧四水尾闾控制站以下，高程低于 50m 的跨湘、鄂两省的广大平原、湖泊水网区，湖区总面积 19195km2（其中湖南省境内面积18780km2），天然湖泊面积约 2625km2，洪道面积 1418km2，受堤防保护面积 15152km2（其中湖南省境内面积 14641km2）。近年来，随着社会经济迅速发展，洞庭湖经济高速发展与水资源供需之间的矛盾、经济高速发展和生态环境保护之间的矛盾日益突出。随着长江四口分流量逐年减小，四口河系地区季节性断流情况不断加剧，枯水季节水位偏低，长期以利用地表径流为主的洞庭湖地区突显出季节性缺水问题，态势日趋严峻；洞庭湖水面面积不断缩小，已经造成湖泊湿地生态系统的萎缩和演替；洞庭湖水域极端低水位不断出现，给航运发展带来不利影响。三峡工程运行后，清水下泄导致干流河道冲刷进而引起长江干流水位下降，加大了洞庭湖出口流速，在枯水季节进一步加剧了洞庭湖水资源利用的严峻形势。
洞庭湖的水文特征以洞庭湖出口城陵矶水位为代表，本文选择城陵矶七里山水文站实测资料，并结合长江干流、长江三口来水与湘资沅澧四水来水实测资料进行研究，以 1993 年至 2002 年实测资料代表三峡工程运行前水文情势，以 2003 年至 2010 年实测资料代表三峡工程运行后水文情势，分析三峡工程运行前后城陵矶的水位变化及其原因。须要说明的是，由于水文序列的不一致性，本文中的三峡工程运行前后不能简单理解为三峡工程的影响，主要是一个时间节点的概念。
1 三峡工程运行前后城陵矶水文变化
1.1 三峡工程运行前后城陵矶水位水量变化
以城陵矶七里山水文站实测资料分析三峡工程运行前后城陵矶水位水量变化（图 2，图 3）。三峡工程运行后，总体上城陵矶水位有所下降，城陵矶水量有所减少，城陵矶年平均水位由 25.48m 下降至 24.94m，下降 0.54m，年平均径流量由 2922.3 亿 m3下降至 2323.3 亿 m3，下降了 599.0 亿 m3；其中 10 月份平均水位由 26.70m 下降至 24.96m，下降 1.74m，月平均径流量由 209.2 亿 m3下降至 132.2 亿 m3，下降 77.0 亿m3，水位与水量变化趋势一致。年内变化显着，汛期（6、7、8、9 月）水位下降与水量减少显着，汛后（10、11 月）水位下降与水量减少也比较明显，汛前（3、4、5 月）水位有所升高、水量有所增加。【图2-3】
1.2 三峡工程运行前后城陵矶水位流量关系
三峡工程运行前，洞庭湖出口河段以淤积为主。
80 年代以来城陵矶水位与 50-60 年代比较明显抬高，一般枯水抬高 1.2~1.5m，高水抬高 0.50~0.76m；而城陵矶在水位顶托时，抬高可达 1.80m 以上。主要原因是长江三口分流减少，宜昌－城陵矶河段冲刷，使得城陵矶附近及以下河段发生淤积，从而导致洞庭湖出口水位抬高，在枯水期表现更为明显。
三峡工程运行后，长江干流城陵矶~汉口河段冲淤变化明显。蓄水初期，三峡水库调节引起近坝段长江干流发生冲刷，进入城陵矶~汉口河段水流含沙量较大且泥沙颗粒较粗，抑制冲刷，本河段处于冲淤交替变化，从整体而言处于微冲状态。随着三峡工程的长期运行，坝下游强烈冲刷段下移，本河段出现大量冲刷。一些模型模拟结果表明，三峡工程蓄水运用后 20 年末期，枯水期 12 月至次年 3 月七里山站月平均水位将较蓄水前（1991-2000 年月平均值）下降 1.1~1.3m。
城陵矶流量水位关系可以一定程度反映城陵矶附近的冲淤变化。对比三峡工程运行前后的城陵矶月流量水位关系（图 4），发现两者差别不大，可以认为在现阶段（2003-2010 年），三峡工程对城陵矶的流量水位关系没有发生显着影响，洞庭湖出口洪道在近 20 年没有出现明显冲淤变化。因此，城陵矶水位下降主要由城陵矶径流量减少和长江干流水位下降引起。
2 三峡工程运行前后城陵矶来水量及长江干流水位变化
2.1 三峡工程运行前后长江三口来水变化
三峡工程运行后，长江三口分流量有所减少（图 5），年平均径流由 619.4 亿 m3下降至 478.8 亿 m3，减少 140.6 亿 m3，径流下降主要集中在汛期（6、7、8 月）和汛后的 10 月，枯水期径流略有增加。下荆江裁弯引起长江干流荆江段的比降增加，导致长江干流在同流量下水位下降，加之三口自身淤积的影响，三口分流比持续下降，从 50 年代的约 30%下降到 2000 年以后的约 10%。分流比下降趋势在枯水期表现更为明显，三口分流的减少导致四口河系连续多年出现断流，且年断流天数呈逐年增加的趋势；2006 年，沙道观、康家岗、管家铺等站断流时间长达半年以上，其中康家岗站甚至断流长达 336 天。长江通过松滋口、太平口、藕池口分流进入洞庭湖的水量急剧减少是引起洞庭湖地区水资源紧张形势的主要原因。
2.2 三峡工程运行前后湘资沅澧四水来水变化
三峡工程运行后，湘资沅澧四水径流量也有所减少（图 6），年平均径流由 1901.0 亿 m3下降至 1547.5亿 m3，减少 353.5 亿 m3，径流下降同样主要集中在汛期（6、7、8 月）和汛后的 10 月。湘资沅澧四水径流量的减少受降水量减少、土地利用改变、社会经济用水增加等共同影响。此外，10 月份来水量下降显着可能受四水流域水库调节的影响。【图5-6】
2.3 三峡工程运行前后长江干流水位变化
洞庭湖出口洪道和长江干流交汇处的水文情况非常复杂，在汛期，两股水流相互顶托而壅高水位；在枯期，长江干流水位较洞庭湖出口水位低，有拉空洞庭湖库容的作用。因此，城陵矶水位变化与长江干流的水文情况也有直接关系。
受三峡水库运行调度的直接影响，长江中下游的水文情势出现了新情况，本文选取洞庭湖出口上游、长江三口下游的监利水文站实测水文资料研究长江干流水文情况对城陵矶水位变化的影响。经统计，监利水位水量在三峡工程运行期前后略有变化，年平均水位由 28.6m 下降至 28.2m，下降 0.38m，年平均径流量由 3812.4 亿 m3下降至 3612.0 亿 m3，下降 200.4 亿 m3，但是，监利来水年内分配过程有明显变化（图 7，图 8），径流下降集中在汛期（7、8 月）和讯后的 10 月；受三峡水库枯期补水调度的影响，径流在 1、2、3 月出现小幅增加。径流分配的年内变化导致监利水位出现相同特征的波动。【图7-8】
3 三峡运行前后城陵矶水位变化原因分析
3.1 分析方法
城陵矶水位变化的控制因素，一是洞庭湖出口水量，二是长江干流水位，构建经验模型如下：【1】
式中：ZCi为城陵矶各月平均水位序列（m）；WCi为城陵矶各月平均径流量序列（亿 m?）；ZJi为监利各月平均水位序列（m）；αi、βi分别表示城陵矶径流量和长江干流水位对城陵矶水位的月影响系数。
利用上式，获得两年段城陵矶水位变化的归因分析：【2】
式中：DZCi、DWCi、DZJi分别为城陵矶各月平均水位、各月平均径流量、监利各月平均水位差值序列；ZW、ZZ 分别表示城陵矶径流量和长江干流水位对城陵矶水位变化的影响量。
3.2 分析结果
城陵矶径流量和监利水位对城陵矶水位变化的影响量计算结果如表 1 所示。从表中可知，三峡工程运行前（1993-2002）与运行后（2003-2010）相比，城陵矶径流量变化引起的水位下降量为 0.26m，影响比例为 45%；长江干流水位变化引起的城陵矶水位下降量为 0.32m，影响比例约为 55%。综合长江干流水位变化与三口径流量的影响，三峡运行后长江干流水文特征变化对城陵矶水位的贡献占 65%，其余 35%为湘资沅澧四水径流量和洞庭湖区间径流量的影响。此外，城陵矶水位汛期较非汛期受长江干流水位影响更大。
4 三峡工程对城陵矶水位影响的探讨
三峡工程运行对城陵矶水位的影响主要表现在以下几个方面：
1） 清水下泄对三口分流的影响：
三峡水库运行后，清水下泄，长江干流荆江段以冲刷为主，河床的下切和比降的增加导致三口分流比进一步减少，从而导致城陵矶水量减少、水位下降。目前来看，这一作用尚不显着，分流比的进一步减少，可能主要还是下荆江裁弯取值的影响，但未来清水下泄冲刷可能成为主导因素。
2） 清水下泄对城陵矶水位的影响：
长远来看，清水下泄将使长江干流荆江段冲刷直至城陵矶，导致城陵矶河床下切和比降增加，从而引起长江干流城陵矶处水位下降，导致洞庭湖水量下泄量增加及水位下降。过去 50 年来，城陵矶以淤积为主；目前来看，淤积与冲刷大体平衡，近年来城陵矶河床基本稳定；长远来看，城陵矶将以冲刷为主。
3） 运行方式对三口分流的影响：
按照《三峡工程优化调度方案》，三峡汛末蓄水期（9 月 15 日-10 月 31 日）减少流量约 5500m3/s，1-3月枯水期宜昌以下河道流量较天然情况增加 1000~2000 m3/s。三峡工程蓄水期下泄流量的减少导致三口分流水量在 10 月份进一步减少并可能导致断流的提前，枯水期增加的流量对增加三口分流作用不大。
4） 运行方式对城陵矶水位的影响：
9、10 月份三峡蓄水导致的流量减少，使得长江干流城陵矶水位下降，从而导致洞庭湖出口城陵矶水位下降，这一下降还受到四水来水减少、当地降水减少等影响。1-3 月枯水期干流流量增加使得长江干流城陵矶附近水位升高，从而导致洞庭湖出口城陵矶水位升高。5 结论根据三峡工程运行前后实测资料分析结果，三峡工程运行后，城陵矶水位径流显着下降，年水位平均下降 0.54m，10 月份下降达 1.74m；城陵矶年径流量减少了 599.0 亿 m3，约为 20%，其中，长江三口径流量减少的贡献占 23%，湘资沅澧四水径流量减少的贡献占 59%，区间产流减少的贡献占 18%；城陵矶流量水位关系尚未发生显着变化，说明洞庭湖出口洪道没有出现明显冲淤变化，城陵矶水位下降主要是由洞庭湖出口水量和长江干流水位的变化引起的。根据最小二乘法的线性拟合结果分析，长江干流水位变化引起的城陵矶水位下降量为 0.32m，影响比例约为 55%，加上长江三口分流量对城陵矶水位下降的影响，三峡工程运行前后，长江干流水文特征的影响比例可达 65%，是城陵矶水位下降的主导因素。
三峡工程的长期运行将引起城陵矶水位的进一步下降，特别是引起三峡水库蓄水期（9、10 月份）城陵矶水位的显着下降，给洞庭湖水资源利用与生态环境带来挑战。
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