長江與洞庭湖沖淤變化及其對防洪、水資源利用的影響與對策建議

朱勇輝　郭小虎　柴澤清

摘 要：三峽工程運用后，“清水”下泄，導致長江與洞庭湖發生沖淤調整，對壩下游江湖防洪與水資源利用等影響已逐步顯現，而上游干支流控制性水利水電工程陸續建成投運，與三峽工程共同作用后對壩下游的影響將更加深遠。在以往研究的基礎上，結合新近實測資料進一步研究長江與洞庭湖水沙沖淤變化，分析江湖沖淤變化對防洪與水資源利用的影響，并提出相應的對策建議，可為未來江湖治理思路、治理方案的制定與實施等提供參考借鑒。

關鍵詞：江湖關系；沖淤演變；防洪；水資源利用；對策建議

中圖分類號：TV147? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標志碼：A

0 引 言

洞庭湖位于長江中游荊江河段南岸、湖南省北部，為我國第二大淡水湖，也是長江流域重要的調蓄湖泊和水源地。長江通過荊江四口（其中調弦口1958年冬建閘控制，故后稱荊江三口）分水、沙入洞庭湖，湖區西南有湘、資、沅、澧四水入匯，周邊還有汨羅江、新墻河等中小支流直接入湖。從干支流匯入的水、沙經湖泊調蓄后，由城陵磯復注于長江干流，形成復雜的江湖關系（見圖1）。三峽工程運用前，長江上游的來水來沙過程基本處于自然狀態，水流挾帶的泥沙含量較大，從荊江三口分流挾帶的大量泥沙在分流道與洞庭湖區沉積，導致荊江三口分流持續萎縮，洞庭湖區淤積嚴重，而通過荊江下泄的水沙量則相對增加，江湖關系不斷調整。圍繞這些問題，眾多學者開展了大量研究并取得豐碩的成果[1-3]。

三峽工程運用后，受水庫調蓄及上游水土保持工程的實施等人類活動的綜合影響，進入長江中下游的水沙過程發生了較大改變，引起江湖關系發生一定的調整[4]。三峽工程壩下游荊江河段水沙過程的改變，激發其河床的高強度沖刷響應，包括床沙粗化、斷面窄深化、枯水位下降等[5]。荊江三口附近干流河勢變化對分流產生影響，例如干流天星洲淤長使藕池口分流出現一定的萎縮[6]，但松滋口與太平口附近干流河勢變化對分流影響相對較小[7-8]。三峽工程蓄水后徑流過程的改變導致荊江三口年內分流更集中在6—9月，10月的分流量明顯減少[9]，但荊江三口分流能力尚未發生明顯變化[10-11]。三峽工程蓄水后干流河道輸沙量的大幅減少引起從三口分泄入湖的沙量也明顯減少，洞庭湖的年淤積量不足運行前的10%，其中西洞庭湖萎縮大大減緩，淤積以洪道為主，東、南洞庭湖則出現汛期淤積、非汛期沖刷現象[12]。2003年以來東洞庭湖持續呈沖刷狀態[13]，但人工采砂的影響不容忽視[14]。三峽工程蓄水后城陵磯特征水位在豐水年豐、枯水期下降，在平水年豐水期抬升、枯水期下降，而在枯水年豐水期下降、枯水期抬升[15]。有研究認為三峽水庫的運行對相同干流流量下城陵磯水位下降的貢獻率超過50%[16]。自2012年開始實施的長江流域水工程（水庫群）聯合調度在大水年和枯水年分別發揮了顯著的江湖防洪效益和補水作用，例如2020年汛期通過實施水工程聯合調度降低中下游干流宜昌至大通河段最高水位0.3～3.6 m，避免了宜昌至石首河段超保證水位，縮短中下游干流各站超警時間8～22 d[17]，對洞庭湖區的洪水位削減值空間上呈現北強南弱、東高西低的分布格局[18]；2022年特枯水年8月中旬和9月中旬實施了兩次補水調度，分別補水35.7億、25.9億m3，沙市至城陵磯水位抬高了1.1～3.22 m[19]。

本文在以往研究的基礎上，結合新近實測資料進一步研究長江與洞庭湖水沙沖淤變化規律，分析江湖沖淤變化對防洪與水資源利用的影響，并提出相應的對策建議，研究成果可為江湖保護與治理等提供參考。

1 江湖水沙變化

三峽工程運用后下泄水沙過程發生較大改變，引起荊江-洞庭湖江湖系統水沙過程也發生較大變化。以下首先分析荊江河段進口控制站枝城的年徑流量與年輸沙量變化（見圖2）。由圖可知，1955—2021年枝城站年徑流量上下波動，變化趨勢不明顯。1990—2002年期間年輸沙量呈減少趨勢，2003年三峽工程運用后，年輸沙量進一步大幅減少。

圖3統計了荊江三口年分流量與年分沙量的變化?？芍?，1955—1989年荊江三口分流分沙量呈遞減趨勢；1990—2002年三口分沙量呈遞減趨勢，但三口分流量無明顯變化。三峽工程蓄水后荊江三口分流量除2006年、2011年特枯水文年減少幅度較大之外，其它年份無明顯變化趨勢；三峽工程蓄水后荊江三口分沙量進一步大幅度減少，其中2013—2021年荊江三口年均分沙量為540萬t，僅為1990—2002年的7.5%。

1955年以來松滋河西支（新江口）僅1979年與2000年出現斷流，三口其余分流洪道基本年年均有斷流，故只統計松滋河東支沙道觀、虎渡河彌陀寺、藕池河西支康家崗及藕池河東支管家鋪四站的斷流情況。根據1955—2021年四站實測水沙資料統計各站斷流天數以及斷流時長江干流枝城站對應流量變化，統計結果見圖4、圖5。

由圖4可知，康家崗站年年均有斷流，管家鋪與彌陀寺站在1955—1966年均出現間歇性年份斷流；下荊江裁彎期間（1967—1972年）沙道觀與彌陀寺站未發生斷流，而康家崗與管家鋪站的斷流天數均顯著增加，其中管家鋪站斷流天數迅速增至100 d左右；下荊江裁彎后1973—1980年沙道觀與彌陀寺站斷流天數迅速增至150 d左右，康家崗與管家鋪站斷流天數繼續增加；葛洲壩截流后至三峽工程運用前（1981—2002年），彌陀寺與康家崗站斷流天數變化不大，基本分別在150 d、250 d附近波動，而沙道觀與管家鋪站斷流天數略有增加。三峽工程運用以來（2003—2021年）彌陀寺站斷流天數無明顯變化；其中2003—2012年沙道觀與管家鋪站斷流天數均有所增加；康家崗站在三峽工程運用初期（2003—2007年）斷流天數略有減小，但在2006年特枯年份斷流天數達336 d，2008—2012年斷流天數略有增加；2013—2021年沙道觀站斷流天數顯著減少，管家鋪站斷流天數略有減少，彌陀寺與康家崗站斷流天數變化不大或略有增加。

由圖5可知，1955—1972年藕池河西支（康家崗）斷流時對應的長江干流枝城站流量明顯呈遞增趨勢，1955—1990年松滋河東支（沙道觀）、虎渡河（彌陀寺）以及藕池河東支（管家鋪）斷流時對應的長江干流枝城站流量均呈遞增趨勢，表明三口水系枯水期通流條件變差，分流能力減弱；1973—1990年康家崗斷流時對應枝城站流量變化不大，表明該時期藕池河西支分流能力無明顯變化；1990—2002年藕池河西支斷流時對應枝城流量略有減小，即分流能力略有增加，而虎渡河、松滋河東支與藕池河東支分流能力變化不大。三峽工程運用后，松滋河東支斷流時枝城站的流量明顯減小，尤其是2013年后通流所需干流流量顯著下降，表明松滋河東支枯水期分流能力有所改善，通流條件明顯好轉；虎渡河在2003—2012年間斷流時枝城站流量基本穩定在7 000 m3/s，2013年后斷流時枝城站流量明顯增大，表明通流條件有所轉差；2003年至今康家崗與管家鋪站斷流時枝城站流量均呈遞增趨勢，表明枯水期藕池河分流能力有所惡化。

除三口分流分沙之外，洞庭湖區水沙主要來源于湘、資、沅、澧四水。以湘潭站、桃江站、桃源站及石門站的年徑流量與年輸沙量分別代表湘、資、沅、澧四水的水沙變化，其多年變化如圖6所示。

由圖6（a）可知，1950—2021年湘江湘潭站、資水桃江站、沅水桃源站、澧水石門站年徑流量均無明顯變化趨勢，年均徑流量依次為660億、230億、650億、150億m3，合計約1 690億m3。

圖6（b）顯示，1951—2000年湘潭站年輸沙量呈遞減趨勢，2001年以后該站年輸沙量略有減小趨勢，2003—2021年期間年均輸沙量為480萬t；桃江站自上游1962年修建柘溪水庫后，年輸沙量較建庫前大幅減少，2000年以后桃江站年輸沙量無明顯變化趨勢，2003—2021年期間年均輸沙量為60萬t；桃源站自上游1995年修建五強溪水庫后，年輸沙量較建庫前大幅減少，1996年以后該站年輸沙量無明顯變化趨勢，2003—2021年期間年均輸沙量為130萬t；石門站1951—2003年期間年輸沙量有變小的趨勢，2003年以后年輸沙量無明顯變化趨勢，其中2003—2021年期間年均輸沙量為160萬t。2003—2021年洞庭湖四水入湖年均輸沙量無明顯變化趨勢，合計約830萬t。

洞庭湖出湖徑流量與輸沙量的變化不僅關系到匯入長江干流水沙量的變化，而且與洞庭湖水資源量、湖區沖淤量等變化密切相連。圖7統計了1955—2021年洞庭湖出口七里山站年徑流量與年輸沙量的變化。由圖可知，1990年以前七里山站年徑流量稍有減少，1990年以來年徑流量變化不大；1955—2002年洞庭湖出湖七里山站年輸沙量呈遞減趨勢，2003—2021年期間年輸沙量呈先增后減。

洞庭湖與荊江水沙匯合后進入城陵磯至螺山河段，其水沙量的變化直接關系到本河段水位流量關系及螺山以下干流河段沖淤等變化，圖8統計了1955—2021年螺山站年徑流量與年輸沙量的變化。

由圖可知，1955—2021年螺山站年徑流量呈波狀起伏，但無明顯變化趨勢。1955—1989年年輸沙量總體有所增加；1990—2002年年輸沙量呈減少趨勢；2003年三峽工程運用后下泄沙量大幅減少，雖然河床沿程補沙，但螺山站年輸沙量仍明顯減少，但2006年以來該站年輸沙量變化不大，約為7 100萬t。

綜上所述，三峽工程運用后長江干流枝城站和螺山站，洞庭湖四水和七里山站年徑流量，以及荊江三口年分流量均無明顯變化趨勢；但由于上游下泄沙量大幅減少，長江干流枝城站、螺山站年輸沙量與荊江三口年分沙量均大幅減小，受沿程泥沙沖刷補給的影響，螺山站年輸沙量稍有恢復，七里山站年輸沙量呈先增后減的趨勢，而洞庭湖四水入湖年均輸沙量無明顯變化趨勢。

2 江湖沖淤變化

三峽工程運用后壩下游干流河道總體處于持續沖刷下切狀態。根據實測資料統計了2003—2021年長江干流枝城至城陵磯河段、城陵磯至漢口河段累計沖刷量的變化（見圖9）?？芍?，三峽工程運用后由于進入長江中游干流河道水流含沙量大幅銳減，枝城至城陵磯河段處于持續強沖刷狀態，至2021年累計沖刷量為12.66億m3，若河寬按照1 500 m計算，則該河段平均沖深約2.43 m。下游城陵磯至漢口河段在2003—2013年以微沖為主，2013年以后沖刷幅度有增大的趨勢。

根據實測資料統計了1955年以來不同階段荊江三口入湖沙量、洞庭湖四水入湖沙量、洞庭湖出湖沙量、湖區沖淤量及排沙比的變化（見圖10）。其中洞庭湖排沙比為七里山出湖沙量與入湖總沙量（包含荊江三口、四水入湖沙量）的比值?？芍?，三峽工程運用前不同階段由于荊江三口與四水入湖沙量較大，洞庭湖區淤積較為嚴重，其中1955—1966年期間年均淤積量約1.65億t；隨著荊江三口與四水入湖沙量逐漸減少，湖區的淤積量也大幅減少，1990—2002年湖區年均淤積量約0.6億t；各階段洞庭湖排沙比較為穩定，基本維持在25%左右。三峽工程運用后從荊江三口分泄至洞庭湖區的沙量大幅減少，2003—2007年湖區年均淤積量約0.1億t，相應的洞庭湖排沙比大幅增加至59%；隨著荊江三口入湖沙量進一步減少，2008—2012年與2013—2021年洞庭湖區均呈現微沖的態勢，以上兩個階段洞庭湖排沙比也進一步增加，其數值分別為141%、129.6%。隨著三峽及上游干支流水庫陸續建成運行，下泄沙量將繼續減少，而荊江河段可沖刷的沙量也會逐漸減少，從荊江三口分泄至湖區的沙量也將繼續減少，因此洞庭湖區排沙比有可能將繼續增大，這種變化對維持洞庭湖的湖容與湖泊面積等非常有利。

由于荊江三口口門段的沖淤變化是影響三口分流最直接的因素之一，因此根據實測資料統計了2003—2021年荊江三口口門段沖淤變化（見表1）?？芍?，三峽工程運用后在2003—2021年松滋口、太平口及藕池口口門段平均沖刷深度分別約1.173、0.244、0.58 m，其中松滋口口門段沖刷深度最大，藕池口口門段沖刷深度次之，太平口口門段沖刷深度最小。

綜上所述，2003—2021年長江干流枝城至城陵磯河段平均沖深約2.43 m，城陵磯至漢口河段近期沖刷有增大的趨勢，而洞庭湖區則以微沖為主，松滋口、太平口及藕池口口門段平均沖刷深度分別為1.173、0.244、0.58 m，江湖處于不對等沖刷狀態。

3 江湖沖淤變化對防洪與水資源利用的影響及對策建議

3.1 江湖沖淤變化對防洪與水資源利用的影響

三峽及上游干支流控制性水利工程陸續建設運行后，三峽壩下游“清水”下泄，荊江與洞庭湖發生新的沖淤變化，引起江湖關系發生一定的調整，可能對區域防洪與水資源利用帶來一定的影響。

3.1.1 對防洪的影響分析

三峽工程運用后，枝城至城陵磯河段持續沖刷下切，沖刷主要集中在枯水河槽。根據數學模型計算結果[20]，干流河道持續沖刷后，荊江流量可能相對增大，沙市、監利站洪峰流量分別增加1.0％、3.4%，幅度不大；受河道沖刷下切的影響，枝城、沙市站最高洪水位分別下降0.05、0.04 m。根據物理模型試驗研究結果[21]，在模型進口（涴2斷面附近）為50 000 m3/s流量時，河道洪水位略有下降，降幅不超過0.2 m，可見，河道沖刷再造對干流洪水位下降有一定作用，但不甚明顯。試驗研究還表明，總體而言河道沖刷未對洪水流量下各試驗觀測斷面流速分布造成大的變化，主流線位置未有大的擺動，但須提防河道沖刷特別是近岸河床沖刷可能會導致岸坡變陡，進而引發河道崩岸。三峽工程運用后，洞庭湖區總體以微沖為主，再加上人工采砂的影響，洞庭湖湖容有所增加，有利于洞庭湖壽命的延長，但考慮到湖容增大主要集中在中水以下區域，防洪湖容基本變化不大。

3.1.2 對水資源利用的影響分析

由于三峽工程運用后，長江干流河道沖刷主要集中在枯水河槽，因此對枯水水位流量關系影響較大。根據實測資料分析，2003—2023年沙市站流量為7 000 m3/s時水位下降超過3.1 m，螺山站流量為10 000 m3/s時水位下降約1.8 m。物理模型試驗預測結果表明[21]，河床沖刷再造后，荊江河段各水位站及取水工程處枯水位有較明顯下降，隨著流量增大，水位下降幅度有所減??；中水流量下各取水工程斷面流速分布未有大的變化，個別取水工程處斷面主流位置發生一定幅度的擺動，可能對取用水帶來一定影響。數學模型計算結果表明[20]，在汛后蓄水期（9—11月），水庫蓄水與河床沖刷再造均造成荊江河段水位下降，尤其在10、11月份平均水位下降數值較大；在枯水期（12月至次年4月）和汛前消落期（5—6月），河床沖刷下切引起的水位下降超過水庫枯季補水或加大泄量帶來的水位抬升，月均水位仍然下降。隨著三峽及上游干支流控制性水庫群聯合調度運用時間的增長，壩下游河道還將繼續維持長時期、長距離的沖刷，沿程中枯水水位將進一步下降，將對沿岸的水資源利用帶來影響。與此同時，中枯水流量下干流河道水位下降引起荊江三口尤其太平口與藕池口的分流量有所減??；相同中枯水流量下螺山站水位下降，出湖頂托作用減弱，也可能引起湖水加速匯流進入干流河道。而由于江湖不對等沖刷，在中枯水期長江干流河道與洞庭湖的連通性也可能減弱，從而對江湖水資源利用產生影響。

3.2 對策建議

新水沙條件下的江湖沖淤變化給區域防洪與水資源利用等帶來了一定影響，而隨著長江上游干支流控制性水利水電工程的陸續建成投運，壩下游水文情勢將進一步發生改變，江湖沖淤演變將是長期而復雜的，其影響也將更加深遠，為此，提出以下對策建議。

3.2.1 加強壩下游泥沙運動規律與河道再造床機理等基礎問題研究

水庫蓄水后，下游存在不平衡輸沙與河床沖刷再造，涉及泥沙交換、補充、粗化等多過程，泥沙運動、河勢調整、造床流量變化等多尺度，問題非常復雜。以往盡管已開展較多研究，但仍有許多機理和規律尚未深入揭示，仍需充分利用學科的發展及研究手段的進步，通過多手段多學科交叉融合，進一步加強壩下游泥沙運動規律與河道再造床機理等基礎問題研究，為江湖水沙運動和沖淤演變模擬技術的改進提高提供理論基礎。

3.2.2 加強壩下游原型觀測與江湖演變分析預測

三峽工程蓄水運用以來，壩下游河道來水來沙條件發生顯著變化，引起河床沖刷與再造，江湖關系呈現新情勢，且當前壩下游江湖仍處于不斷演變與調整的動態過程中，因此，應長期堅持壩下游原型觀測，據此開展河道演變跟蹤分析，同時利用不斷積累的原型觀測資料加強模型的率定和驗證，提高模擬精度與預測水平，滾動研究預測長江上游干支流水庫群運用后中下游河道沖刷及江湖關系變化影響及對策[22]。

3.2.3 加強壩下游崩岸監測預警研究與治理

長江中下游干流河道崩岸險情時有發生，上游水庫群建成投運以來，崩岸強度、頻率均有所加大。應在加強險工段河道地形測量特別是近岸河床地形監測的基礎上，建立與完善岸坡穩定性評估方法，強化崩岸易發段河道演變及岸坡穩定性分析，評估崩岸風險，進一步研究崩岸預測預警技術。開展壩下游崩岸治理工程實施效果評價，分析護岸工程適應性，進一步研發、完善河道護岸工程新技術，提高護岸工程新材料、新技術應用比例。加快壩下游河勢控制工程的實施，建立崩岸應急搶護機制。

3.2.4 加強壩下游江湖系統治理

在深入研究人類活動影響的基礎上，根據《長江流域綜合規劃（2012—2030年）》和相關專項規劃的總體安排，在新時代治水、治江思路的指導下，更加注重系統治理、多目標治理，抓緊制定、完善近期治理規劃和治理方案，分期實施。尤其是近期應抓緊研究和整治洞庭湖四口水系，以解決汛期泄流能力不足、枯水期斷流等問題。同時，進一步深化研究和論證重要蓄滯洪區建設、水工程聯合優化調度等措施。

4 結 語

壩下游江湖關系復雜，防洪問題突出，特別是近年來在強人類活動影響下江湖水沙情勢變化劇烈，江湖沖淤演變將更為長期和復雜，其對防洪和水資源利用等影響也更為深遠。同時，沿江和湖區持續發展的社會經濟及生態文明建設對江湖防洪、供水及生態安全等不斷提出更高要求。不斷變化的外部條件及不斷提高的內在需求都決定了圍繞壩下游江湖演變及其影響與對策的研究不可能一蹴而就，而是一個長期的、不斷深入的過程。未來應進一步加強水庫下游泥沙運動規律與河道再造床機理等基礎問題研究，加強原型觀測與分析，加強河道演變模擬技術研究。在研究揭示變化條件下的江湖演變規律與影響范圍、程度的基礎上，從江湖兩利的角度出發，研究提出治理的方向與措施，并適時實施，以保障江湖綜合服務功能的充分發揮。

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Changes of Scouring and Silting in the Yangtze River and Dongting Lake and Their Impacts on Flood Control and Water Resources Utilization： Analysis and Countermeasures

ZHU Yonghui1，2，GUO Xiaohu2，3，CHAI Zeqing2，3

（1.International Cooperation Department，Changjiang River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China; 2. Key Laboratory of Ministry of Water Resources on River&Lake Regulation and Flood Control in Middle and Lower Reaches of Yangtze River，Changjiang River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China; 3. River Research Department，Changjiang River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China）

Abstract：After the operation of the Three Gorges Project，the release of "clear water" has led to the adjustment of sedimentation patterns in the Yangtze River and Dongting Lake. Its impact on river and lake flood control and water utilization in the downstream of dams has also began to manifest. Moreover，the completion and operation of upstream control hydropower projects in the mainstream and tributaries，along with the Three Gorges Project，will exert a more profound influence on the lower reaches of the dam. Based on previous research and recent measured data，we further examined the alterations of scouring and siltation in the Yangtze River and Dongting Lake，and analyzed the consequential effects on flood control and water resources utilization. Furthermore，we offered corresponding suggestions to provide reference for the guidelines，planning and implementation of future river and lake governance.

Key words：river-lake relationship；evolution of scouring and silting；flood control；water resources utilization；countermeasures

收稿日期：2023-07-02

基金項目：國家自然科學基金長江水科學研究聯合基金（U2240224，U2240206）；水利部重大科技項目（SKR-2022002）和湖南省重大水利科技項目（XSKJ2022068-39）聯合資助

作者簡介：朱勇輝，男，正高級工程師，博士，主要從事江湖演變與治理、防洪減災等方面的研究。E-mail：zhuyh@mail.crsri.cn