江湖流量分配变化导致长江中游新的洪水形势(韩其为)

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江湖流量分配变化导致长江中游新的洪水形势

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韩其为水利论文kG|1s7N!s^
(中国水利水电科学研究院 泥沙研究所
)水利论文 XF]^s*pL]

摘  要 本文全面论述了江湖流量分配变化导致长江中游出现的新的防洪形势。文中首先举出江湖流量分配的巨大变化。大约在30年代,四口分流处于鼎盛时期的尾声,尚能分走荆江年径流量约43.1%,洪峰流量约52.7%,以后逐渐衰减,目前(80年代至90年代),仅能分走年径流量15.5%, 洪峰流量约29.4%。从而使下荆江径流量较30年代加大约1239×108m3,洪峰流量加大约17200m3/s。可见这种变化是很惊人的。其次全面论述了这种变化对荆江与洞庭湖防洪的影响。仅与50年代相比,防洪形势有下述变化。第一,荆江特别是下荆江因流量加大抬高的水位大于冲刷(包括裁弯冲刷)降低的水位,从而使洪水位抬高1-2m。第二,莲花塘至武汉因含沙量加大约25%而淤积,洪水位也有明显的抬高。第三,三口分流河道因径流量减少,加速了衰退与萎缩,淤积比增大,有的河道水环境趋于恶化,严峻的防洪形势并未缓解。第四,洞庭湖泥沙淤积减缓,对保留更多的湖容颇为有利,但湖口城陵矶水位抬高,则对东洞庭湖以至南洞庭湖不利。从总体看,目前这种变化对长江中游是不利的,这种不利突出反映在1998年的洪水中。文中在论述这种变化时特别以1998年为例予以阐明。水利论文m,RY2V_

关键词 江湖关系;径流量;水位;河道冲刷;洪水形势水利论文8l9i?0RH Y

1 江湖流量分配的巨大变化水利论文~%\"V.^O*c#^9g*Wf

  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。水利论文 e&iC.\{E J*]meC
  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
,n(bRuFdT'S8le0
  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]

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表1 三口河道径流量与输沙量变化水利论文DD bg3a U ~7i5f


项目水利论文ne7er*wjLr

时期
w1X,\`r*tN0(年)
水利论文x/tncg~p

荆江水利论文S@v7| nl(Y


松滋河

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虎渡河水利论文K Xa2C4FN


荆江水利论文'B1E)d!K&m#rK Z&PV


藕池河

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荆江水利论文;Lj Gh)X


三口水利论文.I5n A|p gt@H
合计
水利论文)RdfOyl ^Cb

枝 城
l(x!p8_;B0(宜昌+清江)

V QN:vQ)?+^0O)l0

新江口水利论文mJ,C,n A6?)E,d

沙道观

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弥陀市水利论文0bcgqQQz

新厂
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管家铺

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康家岗

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监利

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平均水利论文N7F$j R D4WJ6Q
年径水利论文 r:e3i%ag%R
流量
F&~.|Z%s"NN0(108m3)
水利论文-l*o lZ6DHV

1951~1958315192207

3782水利论文 W2clB6f%} ` XV?*Y'y

6618530361460
1959~196632015720938105744531911305
1967~197233212819238443782334431053
1973~19803251051613905239113655841
1981~1994295821333986177103799697
1951~1994

4496

q_Y `'k8IX7A+u`0
31412617338833763234751021

水利论文E^ { Lb}q
水利论文%dOK OYH~*J

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1951~1958水利论文Mp5^(G cM/S

343519412081444431270617912994621954
1959~196633681801232044411100849243340318497
1967~19723389156220504489974375663689615004
1973~19803327125118794544343702234085011050
1981~19943597117317754535533061924185710043
1951~1994

51900水利论文){ Y!p2^H

3448149419864497170046723729614604

平均
含沙量
(kg/m3)
1951~19581.091.011.011.181.922.110.991.50
1959~19661.051.151.111.171.762.051.051.42
1967~19721.021.221.071.171.972.461.071.42
1973~19801.021.191.171.161.832.031.121.31
1981~19941.131.431.331.141.871.921.101.44
1951~19941.151.101.191.151.161.852.101.071.43

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)

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时 间水利论文v(?6G\'`)aG

最 大1%5%10%50%

最 小

0?'Yq'd2v2l&rt0

1954~1959年3520029400232001880078103140
1980~1987年4570037900292002600090803150
差 值10520850060007200127010

  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。
6e-|C4PQ:J/mT*Y/a0  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2276×10
8m3,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]。水利论文"pCKM%PZt9M)}s

  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。

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2 荆江冲刷及流量加大引起的水位变化

n.aU{tA2m X u0

2.1 荆江冲刷
%^)NH nD0
  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。
:h1CPQeiH'`0  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。水利论文~;|8[^1](n
  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。
ssZ5_QfK0  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%。
水利论文 F {'j5` y

2.2 流量加大及冲刷引起的水位变化
"s/` qBd$Us4w02.2.1 实测下荆江监利流量加大与水位抬高水利论文[NXM1l*J2on
  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]水利论文lTkY#v8os1W.j Gj YS
  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]水利论文&|QB@eZh
2.2.2 理论分析
syeD4wX0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,河宽加大为水利论文|'f,@!cqV

B/B0=(Q/Q1)6/11=1.336/11=1.168水利论文&X5}6@ xRW/R*Vn1_

(1)

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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。
uO]*NP0  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。

[-t#n~o1w0

ΔH=[2(A-A0)]/(B+B0)=(2×4564)/(1620+1892)=2.60m水利论文Q^)J&r6Y.Y9}&z'Z

(2)水利论文4A"q:i3Rt ?7X7]1V6lQ

如果河床不冲不淤,显然此值也就是水位抬高ΔH2,ΔH2=ΔH。水利论文 NX(U!j3z
  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水利论文7?2X;x|&X t)t

ΔZ=0.75m+8.068×10-6x

(3)水利论文^qo Zr

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]

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(4)

:in9C[ `2D J]/sP0

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。
OSrW7B/J0  按(4)式计算的因冲刷降低水位ΔH
1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。水利论文.bj S1tb

表3 下荆江洪峰加大与冲刷引起的洪水位变化水利论文#Yhr+AT#c(oj


位置

;dp!w/P"O3I v+t5I0

距莲花水利论文gT'HY [V
塘里程水利论文?V @C#n Jft5v
(km)
水利论文~(SDr;B8]5Te}

冲刷
A y5Jj3Yg0厚度水利论文'E8F2M1a9i}!G
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(m)
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1966年
3Q|)n{Z"u6U I#Ri }0落差
;f R3Ae2Z1WQ0ΔH1.0
3de5H;qt7P+d H~0(m)

+R;ALGjloj0
ΔH/ΔH1.0推算由冲刷引
'S ^J0\'jql0起的水位下降
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(m)

流量加大引起
y b-^)z6XGn r0的水位上升
S:c+h&In0Δ(m)

^CD/m;@(Z mp0

估计的1998水利论文-Fj g]FF |7ZkR
年洪峰较之
&AT}|l#c;|01954年抬高值水利论文Qz0iJ2q|)O
ΔH=ΔH2-ΔH1
水利论文*tK"J0CP Hl7{!k

1998年较
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际抬高值
6{6un{#GG.Tv,gD7S0ΔH

*sC0t;~ nK(js|l(bg0

莲花塘00.750.000.752.60+1.851.85
洪山头611.242.030.7910.422.60+2.18
监 利871.453.780.7670.882.60+1.721.74
调 关1151.686.050.7451.542.60+1.06

1.60

/V D*`El(M {W,g0
石 首1511.977.710.7172.182.60+0.421.05
新 厂1762.178.740.6992.632.60-0.03

2.2.3 旁证成果
s8V$pm#s)i0  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。水利论文Gp#I _ mFI
  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。水利论文+}8~P-L0u
  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。水利论文|.Uc:pf

3 城陵矶(莲花塘)至武汉河段淤积与水位抬高水利论文%rX"HA%~

3.1 莲花塘以下含沙量加大水利论文5J b a n%F^w
  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8933×10
4t。而从该表螺山实测资料看,含沙量加大的百分数更大。

\%y%Jb @pS,Q0

表4 江湖关系改变导致螺山含沙量加大

;h3DOYK2t;v8U0

时 期水利论文 {!BDF4j;h so"mLx

实测螺山含沙量水利论文P I O gV5]


江湖关系改变引起的各站输沙量(104t)变化水利论文]-yl/B*OH$g J


推算莲花塘水利论文D0t`AdR
含沙量水利论文BTMlA$x
加大百分数
7JIj&~Q0(%)
实测加大值水利论文;D6_ i;u7Jr
(kg/m3)
加大百分数
WY:R[(dOg|)TK0(%)

监利
&s8w5Zr^.n"E0输沙量

$X @;T,nuW0

四水水利论文2y(b&axF:SO;N
输沙量

+Y:O4nCd#]C1A0

三口
Ac4] R e I0输沙量

3c:I:cm g(E8~3D0

七里山
Apo]q3E0输沙量

/wt[P$S(G~ rU[0

1951~1958年0.5711002994634142195463420
1959~1966年0.6561153340334141849754787
1967~1972年0.686120

36896水利论文 S9f1QUo_,I&u

341415004

4604水利论文-W*QL%|S&SZ

14
1973~1980年0.73812940850341411050

3616

+bo \A1YwgG1t1k0
23
1981~1988年0.760133
1981~1994年41857341410043

3364

"`6P@2ls1^2Z%N h0
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水利论文"f_Yc-kPaa*c5t
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`2X6Rgea-@(J+`9T+s03.2.2 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。

&auom }#v#P0

3.3 淤积引起的水位抬高
O;d:mB`L03.3.1 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。

lV-]~]0

t0101.gif (2287 bytes)

+gaq[:w%N0

图1 1953~1966年螺山高水位时水位流量关系水利论文"[P\^^z6RL ^

t0102.gif (2431 bytes)水利论文O%y9@2\'n}8o1vo `y(E
图2  1980年以后螺山高水位时水位流量关系

+ZwZTfY0

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。水利论文/k*F5E_"V
3.3.3 由平衡坡降关系推求   从下式[8]

Z R#xu?I9v8hm0

Jk=47.3[(n2ξ0.40.678ω0.73)/Q0.2]水利论文 @p9N q1a8vp*w

(5)

;sXL-G7mMS"o0

可看出,当其它因素不变仅含沙量变化时,有水利论文J[ g6lW1tfA c6N

Jk= Jk.0(S1/S0)0.678

(6)水利论文UC"@T)g}Josq

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=1.16 J0。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。
)m.r:oL6@d9g0
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水利论文8L2n&p3Uy N3z%V3m

J/ J0= (n/ n0)2(B/ B0)4/3(A0/A)10/3

(7)

sgW0G k8Iw`!Q E uW0

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
.t3u;CqMp0  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

8w$T7[&?d v| BRi2Zs+M0

ΔA=kx

Anl(t:H6e8fq:BS,Sm0

式中k为常数。该段总淤积量为水利论文%{.d&]C(TA3Yx;w6Z

108-1.gif (1348 bytes)水利论文%gD3N y7@jr

按前述资料莲花塘至汉口L0=246000m,W=6.24×108m3,则

"BYF/P1Gl0

K=0.02062m

+U3{Nf7U3\r*J0

于是汉口至其上x处某一断面的落差为水利论文O;K0rh0w iY;A

108.gif (2431 bytes)

(8)水利论文\ z"N1wXs o

其中ΔH0(x)=J0(x)为50年代落差,A0是50年代该段平均过水面积36500m2,当x取为螺山,则X=215000m,ΔA=4433m,由上式求出

r^ Aw0p[5N1W{0

ΔH=1.176ΔH0

a;NQo}0

50年代该段ΔH0=5.52m, 1998第六次洪峰则较之50年代水位抬高水利论文,ab K3ETF

δ=ΔH-ΔH0=ΔH0(1.176-1)=0.97m

g]mQ};|0

需要指出的是如淤积面积沿程为均匀分布, 则ΔA均为(624×108m3)/246000=2537m2, 则淤后落差为

G)dI9C fc0

    ΔH(x)=Jx=0.946J0(1-ΔA/ A0)10/3x=0.96ΔH0(x)[1-(2537/36500)]-10/3=1.203ΔH0
8G,It"DP9D|.ZC0则对于螺山δ=1.12m。另按A0沿程线性增加,据(8)式对莲花塘ΔA=5073m2,ΔH0=6.37m, 则得ΔH=1.217ΔH0,故δ=1.38m。水利论文kdxI*U;Z2ps;X7`
  综上所述,从上述四个方面分析和估计,当流量在55000m3/s~60000m3/s左右时,由前面“1”、“2”的分析,螺山目前水位较50年代抬高在0.70~1.14m,而据“3”、“4”的分析由河床淤积引起的水位抬高在0.88~0.97m, 可见螺山水位抬高,淤积是主要的。

9z"[xRF:z\c C0

3.4 对莲花塘至武汉河段的淤积和水位抬高的其它研究成果水利论文V-^m \ h i(q9n Bj
  对莲花塘至武汉河段淤积及螺山水位抬高,其实早有一些成果。谢鉴衡院士曾从理论上论证了四口分流水沙减少,会导致城陵矶以下含沙量加大,河床淤高, 水位抬升,并给出了宜昌至武汉的水面坡降经验关系式[16,13]。当四口分流完全停止,城陵矶以下年输沙量将加大1.215×108t, 按他得到的宜昌至武汉水面坡降公式,如果汉口水位不变,可使莲花塘水位抬高1.28m。
5L'FCb8g.o\v0  中国水利水电科学研究院陆吉康、李小佩等点绘了螺山1954年、1996年、1998年水位流量关系[17]。经分析认为与1954年相比,1998年同流量水位要高出1.8~2.0m。如果1954年大于60000m3/s流量可能受下游溃决的影响,再扣除1998年绳套影响0.3m,则当60000m3/s流量时1998年水位高1.5m是可以相信的。

*aH/]@/p7F/t0

4 洞庭湖淤积减缓、水位变化及七里山水位抬高水利论文&{l6U2u&@

4.1 洞庭湖淤积减缓
C$S)^:J&DZ*\q0  由于进入四口入湖泥沙量大幅度减少,加之洞庭湖淤积比(即淤积量占入湖沙量的百分数)多年来变化很小,从而使淤积明显减缓。按照江湖径流量变化的数据推算出洞庭湖淤积(包括三口河道及四水尾闾)减缓为:1959~1994年36年间共淤积44.2430×108t, 而如果按1951~1958年水平,则36年应淤积68.4936×108t, 可见,50年代以后洞庭湖减淤24.2506×108t, 平均每年减淤6736×104t。同样,按洞庭湖进出沙量平衡可推算出1961~1988年28年间共淤积35.6284×108t, 而如果按1951~1960年水平应淤52.7660×108t, 即减淤17.1376×108t, 平均每年减淤6121×104t, 比较实测与按径流量推算结果,尽管时间上有一些差别,但是不论年入湖沙量、年出湖沙量以及淤积量、相应时期年减淤量等都是颇为符合的。这说明洞庭湖的减淤完全由四口径流量减少导致入湖沙量减少所致。

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4.2 城陵矶与湖尾落差减少水利论文t _;yL+q:|7Z f9g^2r
  尽管控制松滋河、虎渡河以及藕池河中、西支、澧水和西洞庭湖出口的南咀水文站,目前属于湖区尾闾,由于淤积同流量水位不断抬高,后面将指出每年抬高约6cm, 但是它与七里山的落差不仅未随时间增加,反而逐年有所减少(图3)[18]。从图中看出,当七里山流量5000m3/s~15000m3/s时,南咀至七里山落差减少约2m。在图4[18]中还点绘了北景港至七里山落差与时间的关系,可见不论大小流量,落差均随时间而减小。平均而言,从1955年落差约为5.5m, 至1985年落差约为3m, 可见减少了约2.5m。水利论文qPr.{u7^P Ie

t0103.jpg (9481 bytes)

`D|F@$O0

t0104.gif (4212 bytes)水利论文Z8h] ^ qQ _

图3 南咀至城陵矶间水位差随时间变化

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图4 北景港至城陵矶水位差随时间变化

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  这两处的落差减小,代表了洞庭湖尾闾至湖口的情况。它表明目前较50年代,湖区坡降减缓、水流在湖内滞留的时间增长。这与一般水库湖泊情况是相反的[19]。本来洞庭湖淤积应该是抬高南咀、北景港的水位,随着时间的推移,它们至七里山的落差应该愈来愈大。现在恰好与一般规律相反的事实,说明七里山水位抬高是另有原因的。

6l!E.l$i8s rz0x0

4.3 城陵矶(七里山)流量减小和水位抬高水利论文TMG1T auW9Y[C

  根据前面介绍目前较之50年代入湖径流量及洪峰流量均有很大幅度减小,相应的出湖流量也随着减小。而且如果追溯至30年代,减少更多。在图5中绘出了自1930年以来七里山流量及水位变化过程[3]。其中为了简化起见,仅给出了年最大流量大于30000 m3/s的资料;因为流量太小,七里山受(长江)顶托明显,流量与水位关系差别大。从图中和表中看出明显的趋势:洪峰流量大幅度减小,相应的水位逐渐抬高。按趋势看,最大流量大约减少10000 m3/s以上。进一步按30年代8年最大流量平均为42000 m3/s,而80年代9年平均为25700 m3/s,即减少16300 m3/s。

t0105.gif (3218 bytes)水利论文;}2{Zk\6ih`C e
图5 七里山年最高水位大流量过程线水利论文+{;ySG/E%o4L2}@

而水位抬高更为明显,例如以流量35000 m3/s~37000 m3/s左右计,七里山30年代水位约为31.75m, 1952年约为32.78m,1968年为33.79m, 1998年为35.94m。可见从30年代算起,抬高了4.19m, 从1952年算起抬高了3.16m, 从1968算起抬高了2.15m。这些数字表明七里山水位抬高每年约6cm左右,而且各时期抬高速度颇为稳定。
kM7@#@#w1G-j j*En%V0  七里山流量减少,完全由四口河道径流量减小所致。事实上是七里山1951~1960年10年平均径流量3441×108m3,而到1980~1989年9年时间年径流量减少为2650×108m3,即减少了791×108m3,此值与表1中列出的三口分流河道已减少763×108m3是一致的。
#G+r\} @X0  而七里山水位抬高原因主要是荆江出口莲花塘水位抬高引起。由于两处相距较近,水位几乎同步抬升。其次由于流量减小,出口口门段淤积,也有一些作用。根据长科院研究[20],在洞庭湖出口段,南津港-岳阳北门渡口-城陵矶(城陵矶)约10km的范围,1952~1990年共淤积2320×104m3, 相当于淤积厚度1.49m。至于洞庭湖下段东洞庭湖淤积引起水位抬高后,对七里山水位抬高也可能有一些影响,但作用应该很小,因为前面已经提到七里山水位抬高已快于东洞庭湖尾闾北景港和西洞庭湖出口南咀,这说明它的抬高主要不是湖区淤积引起的。水利论文)EA/oL V

4.4 七里山水位抬高的其它成果水利论文'Y![X;F$lX
  关于七里山水位抬高,一些单位的研究工作者,从不同角度已陆续有一些成果,显示了水位抬高的现象。上面则是从江湖关系整体变化提出了它的流量减少和水位抬高的根据,以及水位抬高的主次原因。水利论文 W:Jywd*W
4.4.1 武汉水利电力大学王运辉等分析了裁弯前后七里山水位抬高[12]。王运辉得到当七里山流量29444m3/s,裁弯前水位为31.34m, 遭遇监利流量为19029m3/s,裁弯后在几乎同样流量(30400 m3/s)下,遭遇监利流量28359m3/s,加大9330m3/s,七里山水位抬高1.98m。他经过进一步研究,认为七里山同流量水位抬高系洞庭湖及其出口泥沙淤积和下荆江顶托引起,两者的作用各占一半。水利论文D7]&K.B4v'K]1b1T)^
4.4.2 段文忠用历年最高水位相关与相应流量相关,分析了七里山水位流量关系[21,13],发现1979年以后当流量15000~30000 m3/s时,水位抬高约1.7m。
;^7v:d7r6AzF[04.4.3 长江科学院(曾静贤等)在文献[22]中绘出的七里山站历年最高水位与相应流量关系表明,80年代较之50~60年代同流量水位抬高约2m。水利论文d'\:{F'V}
4.4.4 根据前面提到的长江水利委员会水文局在文献[11]中的资料,1991年较之1966年当宜昌流量50000 m3/s时,下荆江流量加大了7285m3/s,监利水位抬高1.25m, 荆江出口水位抬高2.00m。水面线是从符合荆江沿程各站水位流量时而确定的城陵矶(莲花塘)水位。由于七里山离荆江出口仅数公里,因出口抬高2.00m,则七里山水位抬高与2m差别将很小。水利论文B u`_#M*W
4.4.5 据“九五”三峡工程泥沙问题研究,下游专题第四子题长委会水文局研究成果[23,24],七里山1989~1995年与1956~1966年比较,流量为10000m3/s时,水位抬高2.0m;20000m3<

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