江湖流量分配变化导致长江中游新的洪水形势.docx
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江湖流量分配变化导致长江中游新的洪水形势
江湖流量分配变化导致长江中游新的洪水形势
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2004-11-18浏览人数：
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中国水利水电科学研究来源：
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1江湖流量分配的巨大变化
长江枝城至城陵矶段称为荆江。
其中枝城到藕池口为上荆江，藕池口至城陵矶段为下荆江。
在荆江有松滋口、太平口、藕池口、调弦口等四口通过分流河道（松滋河、虎渡河、藕池河、华容河）分泄江水入洞庭湖，与四水来量汇合，然后通过城陵矶再汇入长江。
由于1959年调弦口建闸控制，此后实际只有三口入湖。
由于洞庭湖特别是分流河道淤积，减缓了坡降，使口门段淤积，流速减缓，从而减小了其进口流量。
另一方面，也是更主要的是荆江三个裁弯（1967年至1972年先后施实了中洲子、上车弯人工裁弯及发生了沙滩子自然裁弯）导致干流河床发生大量冲刷，吸走了部分原本进入三口的流量。
两者结合起来，自50年代以来使三口入湖径流量大幅度减少，使荆江特别是下荆江径流量出现了相应的大幅度增加。
导致了江湖关系发生了大幅度变化。
有关各站平均年径流量变化经消除水文系列波动和平差处理后的结果[1]，如表1。
从表中看出如下几点：
第一，1981～1994年进入三口的年径流量已由1951～1958年的1460亿m3,减少至697亿m3，即减少了763亿m3，合减少52.6％。
第二，其中藕池河则由1951～1958年的746亿m3，减少至1981～1994年的187亿m3，即减少了559亿m3，合减少了74.9％。
第三，径流量减少，并不是自裁弯后开始。
事实上从表中看出，1959～1966年较1951～1958年已减少了155亿m3。
当然这种减少主要是藕池河造成，它减少了127亿，占全部减少的81.9％。
下荆江径流量加大763亿m3，是很大的数，它相当于一条半黄河或一条半汉江的年水量。
这个数字是消除水文系列波动和误差后的数值。
否则如按实测值[2]则1981～1994年较1955～1966年监利年平均径流量加大940亿m3。
与径流量的变化相应，洪峰流量也发生了相应的变化，即三口河道洪峰流量减小,荆江特别是下荆江洪峰流量加大。
例如80年代较之50年代尽管枝城（或宜昌＋清江）年径流量与年最大流量相近，但监利80年代较之50年代年平均最大流量已由50年代的28798m3/s,加大至38633m3/s,即加大了9655m3/s[3]。
表1三口河道径流量与输沙量变化
项目
时期
（年）
荆江
松滋河
虎渡河
荆江
藕池河
荆江
三口
合计
枝城
（宜昌+清江）
新江口
沙道观
弥陀市
新厂
（沙市）
管家铺
康家岗
监利
平均
年径
流量
（108m3）
1951～1958
315
192
207
3782
661
85
3036
1460
1959～1966
320
157
209
3810
574
45
3191
1305
1967～1972
332
128
192
3844
378
23
3443
1053
1973～1980
325
105
161
3905
239
11
3655
841
1981～1994
295
82
133
3986
177
10
3799
697
1951～1994
4496
314
126
173
3883
376
32
3475
1021
年
沙
量
（104t）
1951～1958
3435
1941
2081
44443
12706
1791
29946
21954
1959～1966
3368
1801
2320
44411
10084
924
33403
18497
1967～1972
3389
1562
2050
44899
7437
566
36896
15004
1973～1980
3327
1251
1879
45443
4370
223
40850
11050
1981～1994
3597
1173
1775
45355
3306
192
41857
10043
1951～1994
51900
3448
1494
1986
44971
7004
672
37296
14604
平均
含沙量
（kg/m3）
1951～1958
1.09
1.01
1.01
1.18
1.92
2.11
0.99
1.50
1959～1966
1.05
1.15
1.11
1.17
1.76
2.05
1.05
1.42
1967～1972
1.02
1.22
1.07
1.17
1.97
2.46
1.07
1.42
1973～1980
1.02
1.19
1.17
1.16
1.83
2.03
1.12
1.31
1981～1994
1.13
1.43
1.33
1.14
1.87
1.92
1.10
1.44
1951～1994
1.15
1.10
1.19
1.15
1.16
1.85
2.10
1.07
1.43
表2 监利站80年代较之50年代同频率流量加大值（单位：
m3/s）
时间
最大
1%
5%
10%
50%
最小
1954～1959年
35200
29400
23200
18800
7810
3140
1980～1987年
45700
37900
29200
26000
9080
3150
差值
10520
8500
6000
7200
1270
10
为了更明确地看出监利流量加大的总趋势，我们利用该站1954～1959年和1980～1987年日平均流量频率，其有关数据如表2[4]。
从中可看出，1980～1987年较之1954～1959年最大流量加大10520m3/s，1％频率的流量（相当于每年出现3.65天）加大8500m3/s；10％频率的流量（相当于每年出现36.5天）加大7200m3/s。
其实三口径流量减少远不是从50年代开始。
例如，1937年四口实际径流量2276×108m3,占枝城43.1%[3,5]。
如换算至枝城多年平均值时，则四口径流量为1936×108m3,即50年代已经减少476×108m3[3]。
其次该年枝城洪峰流量66700m3/s,四口（三口再加调弦口）合计洪峰流量达35170m3/s,占52.7%[3,5]，而大于下荆江的31530m3/s[3,5]。
该年与1998年最大洪峰流量对比，四口减少洪峰流量17169m3/s[3]。
正是由于所述江湖流量分配的这种巨大变化，使荆江径流加大和冲刷，城陵矶（莲花塘）至武汉河段淤积，三口分流河道衰退以至萎缩，进入洞庭湖的泥沙和淤积虽然减少，但是口门城陵矶水位却不断抬高，这些构成了长江中游出现的新的洪水形势，并且还会继续发展。
2荆江冲刷及流量加大引起的水位变化
2．1荆江冲刷
前面已经指出荆江裁弯后，最初由于坡降加大而冲刷。
随着冲刷其径流相应加大，又出现流量加大而冲刷。
在这两者作用下，导致了其河床长期冲刷。
据荆江河床实验站实测结果[6,7]，上荆江（161km），在裁弯前1957～1966年平均淤积0.088亿m3，合淤厚0.03m,属平衡情况。
与此同时下荆江（176km）冲1.338亿m3，合冲深0.35m。
裁弯后1966～1991年，上荆江冲刷2.855亿m3，合冲深1.06m。
下荆江冲刷3.848亿m3，合冲深1.24m。
裁弯后上、下荆江合计共冲刷6.703亿m3。
所述冲淤量中不包括三个裁弯引河冲刷量1.618亿m3，及三个老河淤积量6.215亿m3。
实际上至1987年冲淤抵销，净冲刷1.8亿m3，合2.52亿t,按21年计对荆江出口输沙量的影响，可以忽略。
需要指出的是，上述冲刷虽称为裁弯后的冲刷，但是与单一河道裁弯后的冲刷是不一样的。
单一河道冲刷仅仅是调整裁弯后的坡降，上冲下淤，冲刷的范围较小，时间也较短。
但是荆江不是单一河道，它与三口河道及洞庭湖成一个分汊河道。
这种河道裁弯后的冲刷有两种机理[8]：
一种是调整坡降的冲刷，正如单一河道一样；另一种是由于径流量扩大引起的扩大断面的冲刷。
我们曾从理论上证明[8]了在荆江后一种冲刷是主要的。
这正是裁弯后冲刷时间长、冲刷量大的原因。
事实上，从冲刷部位看，在荆江裁弯的下段，即上车弯以下，也是冲刷的，平均冲深0.31m[6],正好证明扩大断面的冲刷存在。
否则如单一河道，该段就会出现淤积。
径流量加大后扩大断面的冲刷例子可见汉江中游段1935年大水后1938年的地形图[9]，突出显示了洪水流量加大使河宽、洲滩尺寸加大到3～4倍的典型例子。
其次从最近几年上荆江水位降低情况看，扩大断面的冲刷仍未停止。
1978年以后，陈家湾、沙市、郝穴水位仍有大幅度降低[2]，其幅度在0.65～1.30m之间。
这说明80年代以后裁弯的影响仍存在，不是如有的文章中提到的裁弯影响已经结束。
事实上，陈家湾、沙市、郝穴三站均是在1993年才达到最低值。
当然确切地说，应该是裁弯触发荆江径流量加大引起的扩大断面冲刷，90年代仍然存在，并没有在80年代结束。
此外，需要强调的是从文献[7]和文献[6]看出，城陵矶至武汉河段淤积最严重的时间是1981年6月至1986年6月，即集中在两个人工裁弯和一个自然裁弯之后，可见这种淤积也不是裁弯后上冲下淤的结果，而是径流扩大，部分浑水直接下泄，引起含沙量加大所致，故而使下游的淤积远远滞后于裁弯后的冲刷。
裁弯后荆江冲刷最集中在1966～1980年，全荆江共冲刷5.411亿m3[6],占1966～1991年总冲刷量6.397亿m3的84.6％。
2．2流量加大及冲刷引起的水位变化
2．2．1实测下荆江监利流量加大与水位抬高
前面已经提到目前荆江径流量及洪峰均有大幅度加大，必然引起水位的变化。
而且对径流量加大很多的下荆江，流量加大引起的水位抬高，往往大于河床冲刷产生的水位降低，最后表现出水位抬高。
特别是大流量尤其如此。
前面已指出下荆江监利站1980～1988年最大流量平均值较之1952～1960年已由28978m3/s增大至38633m3/s，即加大了9655m3/s，或加大到1.33倍。
此时相应的年最高水位平均值已由34.40m抬高至35.47m,即抬高了1.07m[4]。
1998年监利最大流量46300m3/s较之1954年的36500m3/s加大了9800m3/s，相应的监利最高水位由1954年的36.57m抬高至38.31m,即抬高了1.74m[3]。
而且1998年枝城流量68600m3/s尚小于1954年（71900m3/s）3300m3/s[3]。
2．2．2理论分析
下面我们从理论上做一简单分析，以说明流量加大与冲刷引起的水位变化的机理及量级。
洪峰流量加大引起的水深加大，可分析如下。
由曼宁公式及河相系数关系，当n、J、ξ不变时，河宽加大为
B/B0=（Q/Q1）6/11=1.336/11=1.168
（1）
只要知道h0,B0则在河床不冲淤的条件下，水深的加大引起的水位抬高便可求出。
据荆江河床实验站资料，下荆江裁弯前当宜昌流量为30000m3/s时，河床尺寸为B'=1271m,h'=9.5m[10]。
1966年宜昌流量30000m3/s时，监利流量为20560m3/s；宜昌流量50000m3/s时监利流量约32055m3/s[11]。
后两者大体相当于它们的第二造床流量。
因此在裁弯前监利流量由20560m3/s变至32055m3/s时，B0=1.566/11×1271m=1620m,h0=1.563/11×9.5m=10.73m。
此值可近似认为裁弯前造床流量下的值。
于是当流量加大9600m3/s时，相应的河宽为B＝1892m,水深为11.60m,面积扩大21947－17383＝4564m2,故水深普遍加大。
ΔH=[2（A-A0）]/（B+B0）=（2×4564）/（1620+1892）=2.60m
（2）
如果河床不冲不淤，显然此值也就是水位抬高ΔH2,ΔH2=ΔH。
另一方面，荆江特别是下荆江自50年代以来一直在冲刷，主要集中在裁弯以后。
1966～1991年下荆江共冲刷3.848亿m3,合1.26m[8]。
而1959～1966年冲刷1.338亿m3,考虑到当时河长约为250km,河槽冲刷（未扣除崩岸）约占0.474,槽宽1271m,则平均冲深约0.20m,故自1957～1991年下荆江平均冲深按1.46m估计。
由于冲深沿河段不均匀，下段冲刷少，上段冲刷多，冲刷厚度沿程分布可概化成
ΔZ=0.75m+8.068×10-6x
（3）
其中x为自莲花塘起算的距离（以m计）。
当x=176000m,即至下荆江进口新厂处，按上式，ΔZ=2.17m。
与莲花塘冲刷深度0.75m平均，恰为实测值1.46m,可见（5）式能反映总的冲刷情况。
现在的问题是冲刷后水深如何降低。
由于只考虑流量不变时因冲刷引起的水位降低，故可以认为B不变，从曼宁公式等经推导并积分有[3]
（4）
此处采用了冲刷后糙率加大约3％，即n/n0=1.03，并且按前述h0=10.73m；而ΔH1.0=J0x为冲刷前的落差。
按（4）式计算的因冲刷降低水位ΔH1如表3[3]所示，再考虑流量加大抬高水位ΔH2及两种影响引起的水位变化ΔH亦列入该表。
从中看出除下荆江上段差别较大外，下段符合较好。
并且在整个河段变化趋势是符合的，这证实了下荆江洪水位变化是由冲刷与洪峰流量加大引起的，并且我们估算的抬高值在其上段仍低于实际抬高。
表3下荆江洪峰加大与冲刷引起的洪水位变化
位置
距莲花
塘里程
（km）
冲刷
厚度
Δz
（m）
1966年
落差
ΔH1.0
（m）
ΔH/ΔH1.0
推算由冲刷引
起的水位下降
ΔH1
（m）
流量加大引起
的水位上升
Δ（m）
估计的1998
年洪峰较之
1954年抬高值
ΔH=ΔH2-ΔH1
1998年较
1954年实
际抬高值
ΔH
莲花塘
0
0.75
0.00
0.75
2.60
+1.85
1.85
洪山头
61
1.24
2.03
0.791
0.42
2.60
+2.18
监利
87
1.45
3.78
0.767
0.88
2.60
+1.72
1.74
调关
115
1.68
6.05
0.745
1.54
2.60
+1.06
1.60
石首
151
1.97
7.71
0.717
2.18
2.60
+0.42
1.05
新厂
176
2.17
8.74
0.699
2.63
2.60
-0.03
2.2.3旁证成果
作为旁证，再引用两个资料，以说明上述观点的正确。
长江水利委员会水文局据实测资料采用符合沿程各站水位、流量试算了水面线[11]得到：
第一，当宜昌流量固定为50000m3/s时，下荆江流量由32005m3/s增至39290m3/s，加大7285m3/s,而且河底普遍冲深,故调关以下水位仍普遍抬高。
其中石首水位未抬高的原因主要是因为下荆江因单纯冲刷引起的水位降低，是沿程增加的，而集中反映在其进口段（石首段）水位降低最多，故能抵销加大的水位抬高；其次它的水位还受与上荆江联结的影响。
第二，下荆江水位抬高最大值在荆171断面即在荆江出口（莲花塘）上46km处。
第三，监利水位抬高为1.25m，较表3估算的抬高值要小，主要是它的Q/Q0＝39290/32005＝1.23,要小于1.33。
第四，从最大水位抬高沿程分布看出，此时不是莲花塘（城陵矶）水位顶托下荆江，主要是下荆江（下段）荆166－荆185（全长61km）流量加大影响莲花塘。
另一个资料是武汉水利电力大学王运辉等的研究结果[12,13]，他们分析了裁弯前后城陵矶（洞庭湖出口七里山）流量为20000m3/s及30000m3/s左右时，该处的水位及监利流量的变化。
他的资料说明，裁弯前后同样城陵矶流量，遭遇监利的流量是不一样的，从而使同流量城陵矶水位抬高。
当监利流量30000m3/s左右时，城陵矶水位抬高约2.1m,王运辉经过研究后认为其中1.1m系由泥沙淤积引起，而1.0m则是由于荆江流量加大对城陵矶顶托造成。
综合上述资料可以得出下述结果。
由于下荆江流量大幅度增加在相同枝城流量下该段水位一般会有所抬高。
而且这种抬高是大流量抬高多,小流量抬高少，以至不抬高，甚至降低。
水位降低是从下荆江出口向上递增的。
抬高的数值大体是当大流量时调关以致石首水位均有所抬高，监利抬高约1m～1.7m,而荆江出口抬高可能达到1.5m～1.8m。
附带指出，以前有的研究者采用同流量的水位变化来衡量裁弯对荆江防洪的效果是不全面的，事实上裁弯后荆江包括下荆江同流量水位均是降低的，因此这种指标容易给人以假象，认为目前下荆江防洪较裁弯前安全。
其次，还有的研究者用城陵矶（莲花塘）水位做参数来研究荆江特别是下荆江～水位流量关系的变化，而比较时是固定城陵矶水位为常数，这显然也是不合理的，因为下荆江水位抬高本身就包括了莲花塘，它们彼此是一致的，此时如硬将城陵矶（莲花塘）取50年代数值，则实际上等价于降低了其水位，则下荆江水位抬高就难以反映出。
3城陵矶（莲花塘）至武汉河段淤积与水位抬高
3.1莲花塘以下含沙量加大
表1可见，1981～1994年较50年代下荆江径流量加大763亿m3。
这一部分水量在50年代是进入洞庭湖，将约75％的泥沙淤在洞庭湖后，出来的接近清水，且剩余泥沙很细。
而现在这一部分是浑水由荆江直趋莲花塘以下。
从而使以下河段含沙量加大。
在表4中推算出由于径流量变化莲花塘含沙量加大的情况[3]。
表中洞庭湖出口七里山输沙量为四水输沙量与三口输沙量之和乘以洞庭湖平均排沙比25％。
其中四水输沙量采用多年平均值。
如忽略短河段的冲淤（它较之多年输沙量而言，可以忽略），则莲花塘及螺山的输沙量为监利输沙量与七里山输沙量之和。
由于平均水量不变，故表中输沙量加大百分数就是含沙量加大百分数。
从表中看出，1981～1994年较之1951～1958年莲花塘含沙量已加大了25％，而年输沙量则加大了8933×104t。
而从该表螺山实测资料看，含沙量加大的百分数更大。
表4江湖关系改变导致螺山含沙量加大
时期
实测螺山含沙量
江湖关系改变引起的各站输沙量（104t）变化
推算莲花塘
含沙量
加大百分数
（%）
实测加大值
（kg/m3）
加大百分数
（%）
监利
输沙量
四水
输沙量
三口
输沙量
七里山
输沙量
1951～1958年
0.571
100
29946
3414
21954
6342
0
1959～1966年
0.656
115
33403
3414
18497
5478
7
1967～1972年
0.686
120
36896
3414
15004
4604
14
1973～1980年
0.738
129
40850
3414
11050
3616
23
1981～1988年
0.760
133
1981～1994年
41857
3414
10043
3364
25
3.2莲花塘含沙量加大，破坏了原来的输沙量平衡，从而引起莲花塘至武汉河段淤积
3.2.1据长江科学院在国家“七五”重点科技攻关已鉴定的成果中据地形图求得淤积量[14]，1959～1981年平滩水位以下淤积3.61×108m3。
同时据长科院在三峡泥沙“九五”攻关报告[15]中给出由地形法求出1981～1993年莲花塘至武汉段淤积2.63×108m3。
综合起来1959～1993年莲花塘至武汉共淤积6.24×108m3。
按河长246km,河宽1600m，则河床平均抬高1.59m。
3.2.2长江科学院在“七五”国家重点科技攻关研究中[4]，给出了莲花塘至武汉深泓线历年平均高程统计。
从中看出，1959年平均高程为－3.58m,而至1986年增高为-1.11m,即抬高了2.47m。
较之平均抬高1.59m要多抬高0.88m。
3.3淤积引起的水位抬高
3.3.1实测洪峰水位与流量关系 在图1中点绘了螺山水文站在荆江裁弯前1953～1966年洪峰流量的资料，同样在图2中点绘了1980年以后的资料。
从这两张图可看出，点子虽有一定分散，但是仍然有较明显的规律，除个别资料外，与平均线的误差一般不超过1m。
比较这两个图中的曲线可知，在Q＝55000m3/s、60000m3/s、和65000m3/s时，80年代以后的水位较之裁弯前抬高了0.90m、1.14m、0.99m,即抬高1m左右。
对于图1中的关系线，我们忽略了其中1954年洪峰资料，因为当时其下游发生了溃口，加大了螺山的流量。
图11953～1966年螺山高水位时水位流量关系
图2 1980年以后螺山高水位时水位流量关系
3.3.2实测年水位流量关系线 我们还比较了螺山站1954年与1998年两年水位流量关系；该图的绘制人员考虑了螺山水文站1954年受溃口的影响。
从该图可得到不同流量的水位抬高[3]。
其趋势是流量愈小，抬高愈多，当流量为12500m3/s时，抬高2.3m；当流量70000m3/s时，抬高0.30m；而流量在50000m3/s～65000m3/s时，抬高0.90～0.50m。
3.3.3由平衡坡降关系推求 从下式[8]
Jk=47.3[（n2ξ0.4Ｓ0.678ω0.73）/Ｑ１0.2]
（5）
可看出，当其它因素不变仅含沙量变化时，有
Jk=Jk.0（S1/S0）0.678
（6）
其中Jk为平衡坡降，S为平均含沙量，加下标0表示含沙量未增加以前的，不加下标表示含沙量增加后的。
这样当含沙量加大到125％时，Jk＝1.16J0。
即加大16％。
注意到50年代螺山至汉口落差5.52m，莲花塘至汉口落差为6.40m,从而有螺山水位抬高约为0.88m,莲花塘水位抬高约为1.02m。
3.3.4淤积引起的水位抬高的理论分析 为了从理论上概略分析淤积引起的水位抬高，我们做了下述论证。
类似前面的方法，由曼宁公式及流量连续方程，则有
J/J0=（n/n0）2（B/B0）4/3（A0/A）10/3
（7）
此处采用面积而不是水深h,是因为我们仅有淤积面积资料而缺乏水深的资料。
上式中加下标0表示淤积前的，不加下标表示积后的。
由于莲花塘至汉口淤积较多，取淤后糙率为n=0.96n0,而水位抬高引起的河宽增加为B＝1.02B0。
据实测资料淤积沿程分布大体是下段少，上段多。
可设淤积面积ΔA由汉口向上线性增加，即
ΔA＝kx
式中k为常数。
该段总淤积量为
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