三峽水庫運行后漢口—九江河段水位變化特征及成因

章廣越 談廣鳴 張為 李明 尹志 李清韜

摘要：大型水庫的修建引起壩下游的水位調整，進而對河勢、航運、防洪及生態等產生顯著影響。為探究漢口—九江河段水位變化特征及成因，采用M-K分析法分析1988—2022年漢口、黃石港和九江站的水位變化趨勢，并使用基于距平殘差的水位變幅分析方法和一維水動力模型，分析河道沖淤、下游水位和阻力變化對不同特征流量下水位變化的影響。研究結果表明：① 三峽成庫前，除九江站枯水位呈顯著性下降趨勢，各級流量下的水位均沒有顯著性變化趨勢。② 三峽成庫后，九江站的水位變化趨勢與建庫前相同;漢口站、黃石港站在12 000 m3/s和20 000 m3/s下的水位呈顯著性下降趨勢，12 000 m3/s時降幅分別為0.072、0.045 m/a，20 000 m3/s時降幅分別為0.048、0.027 m/a;水位變化的臨界轉換流量約為30 000 m3/s，在該流量附近水位未出現明顯變化;當流量大于30 000 m3/s時，水位呈非顯著性上升趨勢，45 000 m3/s下的升幅分別為0.037、0.049 m/a。③ 臨界轉換流量以下水位下降的主導作用為河道沖刷，臨界流量附近的水位未出現明顯變化源于阻力增大作用接近抵消了河道沖刷的影響，臨界轉換流量以上的水位上升源于阻力增大作用更加明顯，個別年份的洪水位上升顯著源于下游水位頂托作用明顯。

關鍵詞：水位變化;水位—流量關系;河道阻力;M-K分析法;漢口—九江河段;三峽水庫

中圖分類號：TV121.4??文獻標志碼：A??文章編號：1001-6791（2024）01-0085-13

大型水庫的修建往往會改變水庫下游的水沙時空分布過程從而打破流域原有的穩定性，造成壩下游的水位產生相應的改變，進而對河勢、航運、防洪及生態等產生影響。尼羅河阿斯旺大壩、科羅拉多河哥倫峽大壩、密蘇里河福特佩克大壩等建成后，下游河道因為河床下切普遍出現了水位下降和水面比降變緩的現象［1-3］;漢江丹江口水庫蓄水后，下游黃家港、襄陽、皇莊等水文站中低水水位降低，但高水水位出現了抬升，尤其是皇莊—大同河段的局部工程建設引起皇莊站2016—2017年較2000—2015年高水位抬高約1.47 m［4-5］;黃河小浪底水庫蓄水后，花園口河段河床下切3.44 m，但由于河床粗化促進了更大沙丘的發展進而增加了河道阻力，使得大于6 100 m3/s的洪水位產生了不同程度的升高［6］。綜上，不同河流不同河段的壩下游水位變化表現出巨大的差異性。

長江是世界上內河運輸最繁忙、運量最大的通航河流，其枯水位變化決定著航道條件的優劣和取用水的安全，洪水位變化則是防洪關注的重點。目前針對枯水位變化，已有的研究均一致認為上游來沙持續減少疊加三峽水庫的攔沙作用導致下游河道產生了劇烈沖刷，各水文站同流量下的水位產生了不同程度的降低;針對洪水位變化，已有的研究普遍認為洪水位沒有顯著性的變化趨勢，主要原因是河道阻力增大效應與河道主槽沖刷效應接近［7-10］。但是，水位的變化并不是間斷式的調整過程，隨著流量的增大，枯水位表現出的下降趨勢肯定在某一流量級下發生了轉變，相關學者［7，11-12］的研究雖然提到了該臨界轉換流量的存在，但并沒有對其進行識別，李義天等［10］通過三峽水庫蓄水后漢口站早期的逐年水位—流量關系套匯確定了漢口站的臨界轉換流量在30 000 m3/s左右，但并未對其成因做出定量解釋。此外，對于不同流量級下的水位變化成因，柴元方等［12］雖然定量識別了荊江河段的洪枯水位變化成因，但針對螺山以下河段不同流量級下的水位變化成因仍需進一步闡明。

本文以漢口—九江河段（以下簡稱漢九河段）為例，使用最新的水文數據識別水位變化的臨界轉換流量，探究臨界轉換流量的成因，并利用分離變量法定量闡明河道沖淤、下游水位和河道阻力變化對洪水、中水及枯水不同流量級下水位變化的影響。該研究可以為水位調整趨勢預測和航運、防洪等對策的制定提供參考。

1 數據及研究方法

1.1 數據概況

漢口站和九江站為漢九河段進出口的重要控制水文站，黃石港水位站位于漢九河段中部，距漢口站約126 km（圖1）。收集了1988—2022年漢口站、九江站的逐日平均水位、流量數據，1991—2022年黃石港站的逐日水位數據和2004年、2008年、2013年、2020年漢九河段的179個實測固定斷面資料，上述資料均來源于水利部長江水利委員會水文局。鑒于三峽水庫于2003年開始蓄水，因此將2003年作為分界年，對成庫前后水位變化進行研究。三峽水庫于2008年開始進行175 m實驗性蓄水［13-14］，于2013年開始受梯級水庫群蓄水影響，文中將2008年和2013年作為劃分時間節點。高程系統均采用85高程基準。

1.2 研究方法

1.2.1 天然狀態水位變化趨勢分析

Mann-Kendall（以下簡稱M-K）檢驗法［15］是水文要素趨勢分析較好的工具，優點是不需要樣本遵從一定的分布。本文采用非參數M-K檢驗法對水文站的水位時間序列進行趨勢分析，定量反映變化趨勢的顯著性。趨勢的變化由統計值Z判斷，若Z＞0，表明序列呈上升趨勢，反之為下降趨勢。給定顯著性水平α=0.05，相應Z1-α/2=±1. 96，如果|Z|＞1.96，則認為水文序列變化趨勢顯著。衡量趨勢大小的指標還有Kendall傾斜度（β），表示單位時間內的變化量，β＞0表示上升，β＜0為下降，β值的大小代表平均變化率。

1.2.2 水位—流量關系分析

（1） 單值型水位—流量關系在工程實踐中應用最廣泛的形式為［16］

Z=aQb+Z0（1）

式中：Z0為零流量時的水位，m;Z為水位，m;Q為流量，m3/s;a、b為待定參數。式（1）基于恒定均勻流得到，其優點在于可通過最小二乘法便捷確定參數，流量和水位之間可雙向換算;其缺點在于恒定均勻流的假定與天然情況不符，對于明顯受回水影響的河段，流量與相應水位不能呈密集帶狀分布，用單值型水位—流量關系表示可能存在較大誤差。

（2） 多值型水位—流量關系基于恒定漸變流，考慮了河段內的回水影響，本文采用孫昭華等［16］提出的考慮回水影響的河道水位—流量關系：

式中：Zu、Zd分別為進口、出口水位，m;a′、b′為待定參數，可通過Q、Zu和Zd的長系列日均資料共同率定。式（2）的優點在于，可以剔除研究河段出口端下游的回水影響，與式（1）相比較可以得到具體的回水影響程度。

1.2.3 基于距平殘差的水位變幅分析方法

該方法以水位—流量關系回歸曲線為基礎，以同一特征流量下實際水位相對多年平均回歸曲線的差值形成的水位殘差時間序列來定量反映水位的時間變化特點。相較于直接通過水位—流量關系計算水位變幅，所需步驟更少，結果更加直觀。

水位殘差時間序列計算公式可描述為：

1.2.4 一維水動力數學模型

一維水動力數學模型理論基礎及數值離散格式均較為成熟［17］，其基本控制方程為圣維南方程組：

2 水位變化特征分析

2.1 三峽成庫前后水位—流量關系對比

參考文獻［8］，選取12 000、20 000、30 000、45 000 m3/s分別作為枯水、中低水、中高水、洪水的特征流量（指能反映某流量級的典型流量）。點繪三峽成庫前后漢口站、黃石港站和九江站的水位—流量關系散點并擬合單值型水位—流量關系曲線如圖2所示，可以看出枯水流量下，各站蓄水后的散點波動范圍有較為明顯的降低，說明同流量下枯水位下降明顯;中水流量下，各站流量較小時蓄水后的散點波動范圍有所降低，流量較大時蓄水后的散點波動范圍基本與蓄水前重合，說明水位降幅隨著流量增加而逐漸減小;洪水流量下，蓄水后的散點波動范圍基本與蓄水前重合，但漢口站和黃石港站上邊界的波動范圍超出了蓄水前的波動范圍，說明漢口站和黃石港站部分年份的洪水位有所上升。

2.2 水位變化趨勢

為分析漢九河段的水位變化趨勢，選取4個特征流量對三峽建庫前后漢口站、黃石港站和九江站的水位進行單變量M-K趨勢分析。統計量值結果見表1。由于各年份在同一流量有多個數據且對應不同水位，某些年份缺少所選流量數據，為了確保各個年份所選流量對應水位的準確及完整，在趨勢分析中各年均采用典型流量±5%范圍內的水位平均值進行研究;對于某些年份缺少的水位、流量數據，采用水位—流量關系插值確定。

從表1可以看出，三峽水庫蓄水前后各級流量下的水位呈現出不同的變化趨勢。三峽水庫蓄水前（1988—2002年），除九江站枯水位表現為顯著性下降趨勢，3站在各級流量下|Z|均小于1.96，呈非顯著性變化趨勢。三峽水庫蓄水后（2003—2022年），九江站的水位變化趨勢與建庫前相同;漢口站、黃石港站在12 000和20 000 m3/s特征流量下Z值均小于-1.96，β值均為負，水位呈顯著性下降趨勢，12 000 m3/s下水位降幅分別為0.072、0.045 m/a，20 000 m3/s下水位降幅分別為0.048、0.027 m/a，在45 000 m3/s特征流量下Z值均小于1.96，β值均為正，水位呈非顯著性上升趨勢，升幅分別為0.037、0.049 m/a。

由上述分析可知，存在水位下降與抬升的臨界轉換流量，為確定該流量，補充了25 000和35 000 m3/s下的M-K趨勢分析，結果表明各站流量在30 000 m3/s時Z值以及β值均接近0，可以確定30 000 m3/s左右為水位變化的臨界轉換點。

3 水位變化成因分析

3.1 河道沖淤變化

采用斷面法統計三峽水庫蓄水至2020年漢九河段枯水河槽、基本河槽、平灘河槽和洪水河槽的沖淤量?？菟硬?、基本河槽、平灘河槽和洪水河槽分別是指當宜昌站流量為5 000、10 000、30 000和50 000 m3/s時所對應的水面線以下的河槽，對應漢口站的水位為11.59、17.26、20.98和24.21 m［10，18-19］。2003—2020年，枯水河槽、基本河槽、平灘河槽和洪水河槽的累積沖刷量分別為64 089萬、63 733萬、61 315萬和63 163萬m3;其中，2014—2020年，累積沖刷量分別為42 252萬、45 011萬、45 228萬和48 447萬m3?？梢钥闯?，沖刷主要發生在枯水河槽，2013年梯級水庫蓄水后，三峽水庫的入出庫沙量較2003—2012年平均值減幅均超過65%［20］，漢九河段沖刷強度明顯增強。在河道斷面圖上也可以看出，斷面主要以“U”型和“V”型為主［21］，且斷面擴大范圍主要集中在枯水河槽，枯水河槽以上變化不大（圖3，HL13-1、HL13-4位于武漢河段，CZ87位于黃石河段，CZ105位于田家鎮河段）。計算平灘水位下各斷面要素的變化，平均水深增加約1.2～2.7 m。

為了研究河槽沖淤沿程分布，分別統計了漢口—黃石港（漢黃）河段和黃石港—九江（黃九）河段枯水河槽累積沖淤強度隨時間的變化關系（圖4），可以看出漢黃河段的累積沖淤強度明顯大于黃九河段，梯級水庫蓄水前，沖刷主要發生在漢黃河段，梯級水庫蓄水后，漢黃河段、黃九河段沖刷量分別由2013年以前的13.7萬m3/（km·a）、3.8萬m3/（km·a）增加為26.2萬m3/（km·a）、21.9萬m3/（km·a），全河段由弱沖刷階段轉變為強沖刷階段。

統計漢口站、黃石港站和九江站枯水、中低水、中高水和洪水水位的累積降幅與相應的武漢河段、黃石河段、九江河段河槽的累積沖淤強度之間的相關關系，枯水和中低水水位的累積降幅與累積沖刷強度表現出較好的相關性，漢口站、黃石港站和九江站枯水位的相關系數（R2）分別由2013年以前的0.63、0.50、0.01增大為0.67、0.70、0.62，漢口站中低水位的R2由2013年以前的0.45增大為0.63;中高水和洪水水位的累積降幅與累積沖刷強度未表現出明顯的相關性;說明河槽沖刷下切是三峽水庫蓄水后枯水和中低水流量下水位下降的重要原因。

3.2 下游水位變化

選取2004年、2020年分別作為建庫初期和現狀的代表年份，擬合漢口站、黃石港站和九江站的單值型水位—流量關系，并計算特征流量下的水位變化（表2）?？梢钥闯?，枯水流量（12 000 m3/s）下，黃石港站和九江站的水位有明顯下降，但小于漢口站的降幅，即漢口站枯水位下降是下游控制水位的降低和河道沖刷累積作用的結果，河道沖刷為主導因素;中水流量（30 000 m3/s）下，黃石港站和九江站的水位均變化較小，但漢口站中低水流量（20 000 m3/s）下水位降幅明顯，中高水流量下水位無明顯變化，初步分析認為，這與漢黃河段的沖刷強度大于黃九河段的沖刷強度且沖刷主要發生在枯水河槽有關（圖3）;洪水流量（45 000 m3/s）下，漢口站、黃石港站和九江站的水位均有明顯上升，即下游水位有明顯上升時，其頂托作用對上游洪水位的升高有顯著影響。

此外，由于建庫前九江站枯水位已經出現了顯著性下降，為分析其原因，根據蓄水前九江站枯水流量±5%的范圍，選取了對應日期湖口站（鄱陽湖匯入長江控制站，九江站距離鄱陽湖入口約21 km）逐日水位、流量進行了M-K趨勢分析，結果表明Z值為-2.91，即蓄水前湖口站的水位出現了顯著性降低，而湖口站與九江站的水位呈線性正相關關系［22］，持續采砂和水流沖刷等因素造成入江水道區域湖盆高程顯著下降［23-24］，也是建庫前九江站枯水位顯著性下降的主要原因。

漢口站下游約6.2 km處的鄂東北段有府、環河入泄，在約80～180 km處有倒、舉、巴、浠河等支流匯入，在約250 km處的九江站下游有鄱陽湖來流匯入，以上入流的大小及遭遇組合存在較大隨機性，一旦這些支流發生暴雨性洪水，將對上游水位產生頂托。同時，氣候變暖背景下，長江中下游暴雨頻發［25-27］，因此，有必要分析下游水位頂托對近年來洪水位升高的影響。

選取建庫前的水位、流量數據，分別使用式（1）的單值型水位—流量關系和式（2）考慮回水影響的水位—流量關系進行擬合，得到漢口站和黃石港站的2種水位—流量關系如下：

漢口站的單值型水位—流量關系和考慮黃石港站回水影響的水位—流量關系：

黃石港站的單值型水位—流量關系和考慮九江站回水影響的水位—流量關系：

分別使用式（7）—式（8）和式（9）—式（10）計算1988—2022年漢口站和黃石港站洪水特征流量（45 000 m3/s）下的水位殘差，并繪制距平水位殘差變化，如圖5—圖6所示?？紤]到在殘差計算中，特定流量所對應的數據較少，因此將其拓展為具有一定范圍的、以特征流量為中心的流量區間，即45 000 m3/s洪水特征流量區間為40 000～50 000 m3/s。漢口站1988—2022年共篩選了748個數據，圖5—圖6中給出了洪水特征流量區間內的各流量值按年取平均后的均值變化，并繪制了洪水特征流量參考線?？梢?，各年平均流量基本在洪水特征流量的±5%范圍內，部分年份由于來水偏枯，平均流量較低，但也未超出-10%，因此認為計算的殘差能夠反映同流量下的洪水位變化。但要注意的是，三峽水庫蓄水后，洪水平均流量普遍小于特征流量，且平均流量減少超過5%的來水偏枯的年份均在三峽水庫蓄水以后（尤其是2008年以后），根據黃仁勇等［13］的研究，2008年以后三峽水庫汛期開展了中下洪水調度，出庫40 000 m3/s以上的大流量減少，因此，2008年以后洪水平均流量普遍小于特征流量是由于大的洪峰流量被削減導致。

剔除黃石港站水位頂托影響時，漢口站年均殘差基本在±0.5 m內波動，見圖5（a），考慮黃石港站水位頂托影響時，漢口站年均殘差基本在±1.5 m內波動，見圖5（b）;剔除九江站水位頂托影響時，黃石港站年均殘差基本在±0.5 m內波動，見圖6（a），考慮九江站水位頂托影響時，黃石港站年均殘差基本在±2 m內波動，見圖6（b）;且三峽蓄水后洪水位均表現出先減小后上升的趨勢，除2016年水位殘差偏高外，三峽水庫蓄水后水位殘差均未超過蓄水前的波動范圍。而2016年漢口站水位殘差偏高主要是因為漢九河段的中小支流來流異常偏大，導致漢口站下游同流量下水位較往年偏高，從而使漢口站的水位受下游頂托升高明顯。以上分析表明，漢口站和黃石港站的洪水位在三峽水庫蓄水前后并未發生明顯趨勢性改變，下游水位頂托作用增加了每年洪水位的波動幅度，個別年份的洪水位極端升高主要受下游水位頂托影響。此外，隨著城鎮化進程加快，沿江排澇能力（特別是城市）顯著增強，強降雨期間，雨洪漬水通過抽排快速直接入江，迅速轉換為河道洪水推高河道水位，也是洪水位升高的原因之一。

3.3 河道阻力變化

利用一維水動力模型，根據2004年、2008年、2013年和2020年漢九河段實測179個固定斷面地形以及漢口站、黃石港站和九江站的實測水文數據，由單值型水位—流量關系計算4個流量級下的水位，率定了4個流量級下河道的曼寧糙率系數。由表3可知，2004—2020年，各流量下糙率均呈現明顯增大趨勢，尤其是2013年以后，增大趨勢更加明顯。這主要源于2013年以后枯水河槽沖刷更加明顯，床沙進一步粗化，且洲灘植被覆蓋增加，涉水工程密集增多［7-8，27］。

為了進一步明確水位變化的臨界轉換流量和下游水位變化的影響程度，基于控制變量原則，分別將漢九河段2004年、2020年的實測地形資料、下游控制水位（九江站）和計算得到的曼寧糙率（表3）輸入一維水動力模型中，計算得到河道沖淤、下游控制水位及綜合糙率調整對不同特征流量下漢口站和黃石港站水位的影響。采用2004年漢九河段的糙率和九江站控制水位，根據2004年和2020年實測地形進行計算，相減得到地形調整對水位的影響值（Ht）;采用2004年漢九河段的糙率和實測地形，根據2004年和2020年九江站控制水位進行計算，相減得到下游控制水位變化對水位的影響值（Hw）;采用2004年漢九河段的實測地形和九江站控制水位，根據2004年和2020年的糙率進行計算，相減得到綜合糙率變化對水位的影響值（Hn），具體結果見表4。結果表明：

（1） 2004—2020年間，4個特征流量下的實測水位變化值約等于三因素線性疊加作用對水位的影響值。

（2） 4個特征流量下下游控制水位（九江站）變化對黃石港站的影響程度明顯大于漢口站，且九江站水位降低對漢口站和黃石港站的影響較小，而九江站的水位頂托對漢口站和黃石港站的影響較大。進一步使用漢九河段2004年的實測地形，統計深泓線與12 000、45 000 m3/s下的水面線，并對比計算控制水位分別下降1 m的水面線（圖7）?？梢钥闯?，深泓起伏較大，河床縱剖面形態存在著不連續現象，枯水流量下東槽洲、戴家洲、牯牛洲等位置產生了多個明顯跌坎并形成“過水堰”，其卡口作用阻斷或削弱了枯水流量下下游水位下降向上游的傳播，而洪水流量下該作用并不明顯。這也是三峽水庫蓄水前，枯水流量下九江站水位顯著性下降的影響沒有傳遞到黃石港站的原因。

（3） 當流量為30 000 m3/s時，實測水位變化值和三因素線性疊加作用對水位的影響值均接近于0，即水位變化的臨界轉換流量約為30 000 m3/s。分析認為臨界轉換流量約為30 000 m3/s的原因主要有3點：① 該流量下的水位較高，河槽形態主要以“V”型或“U”型為主，斷面擴大范圍主要集中在枯水河槽，沖刷引起的水位下降幅度在該流量附近已經明顯削弱，且河槽形態在此流量以上明顯放寬（圖3）;② 三峽蓄水后水流漫灘天數明顯縮短，植被面積擴張增加了灘地阻力［8］;③ 近年來橋梁、碼頭、整治工程等涉水工程密集增多，涉水工程的樁基主要集中在枯水河槽以上，且在30 000 m3/s左右時影響明顯增大，增加了河床局部阻力和河道形態阻力，并引起河道水位和流場的疊加影響［7，28］。

4 結? 論

本文采用M-K法分析了三峽水庫蓄水前后漢九河段的水位變化趨勢，通過一維水動力模型識別了水位變化的臨界轉換流量并解釋了其成因，利用分離變量法，闡明了河道沖淤、下游水位和河道阻力變化對洪水、中水、枯水不同流量級下水位變化的影響程度。主要結論如下：

（1） 三峽成庫前，除九江站枯水位呈顯著性下降趨勢，漢九河段各級流量下的水位均表現為非顯著性變化趨勢。三峽成庫后，漢九河段的洪水、中水、枯水流量下水位呈現出不同的變化特點。九江站的水位變化趨勢與建庫前相同;漢口站、黃石港站在12 000和20 000 m3/s下的水位呈顯著性下降趨勢;當流量大于30 000 m3/s時，水位呈非顯著性上升趨勢;個別年份的洪水位上升明顯。

（2） 漢九河段水位變化的臨界轉換流量約為30 000 m3/s，臨界轉換流量以下的水位顯著性下降主要是河道沖刷和阻力增大綜合作用的結果，主導作用為河道沖刷，臨界轉換流量附近的水位未出現明顯變化源于阻力增大作用接近抵消了河道沖刷的影響，臨界轉換流量以上的水位非顯著性上升源于阻力增大作用更加明顯。

（3） 漢九河段河槽有多個明顯跌坎并形成“過水堰”，枯水流量下，其卡口作用阻斷或削弱了下游水位下降向上游的傳播，而洪水流量下該作用并不明顯，個別年份的洪水位上升顯著源于下游明顯的水位頂托作用。

參考文獻：

［1］曹文洪，陳東.阿斯旺大壩的泥沙效應及啟示［J］.泥沙研究，1998（4）：79-85.（CAO W H，CHEN D.Sediment response and enlightenment from the Aswan High Dam［J］.Journal of Sediment Research，1998（4）：79-85.（in Chinese））

［2］SHIELDS F D，SIMON A，STEFFEN L J.Reservoir effects on downstream river channel migration［J］.Environmental Conservation，2000，27（1）：54-66.

［3］TOPPING D J，SCHMIDT J C，VIERRA L E.Computation and analysis of the instantaneous-discharge record for the Colorado River at Lees Ferry，Arizona：May 8，1921，through September 30，2000［R］ Reston：US Geological Survey，2003，30-33.

［4］黃建成，黃雪穎，周銀軍，等.漢江興隆水利樞紐下游近壩段水位下降成因及防治對策［J］.長江科學院院報，2022，39（7）：13-16，22.（HUANG J C，HUANG X Y，ZHOU Y J，et al.Causes and preventive measures of water level drawdown downstream near the dam site of Xinglong hydrojunction project on Hanjiang River［J］.Journal of Yangtze River Scientific Research Institute，2022，39（7）：13-16，22.（in Chinese））

［5］肖瀟，毛北平，楊陽，等.近年漢江皇莊河段水位變化特征及其成因分析［J］.人民長江，2018，49（22）：28-32.（XIAO X，MAO B P，YANG Y，et al.Characteristics and causes of water level variation in Huangzhuang reach of Hanjiang River in recent years［J］.Yangtze River，2018，49（22）：28-32.（in Chinese））

［6］MA H B，NITTROUER J A，FU X D，et al.Amplification of downstream flood stage due to damming of fine-grained rivers［J］.Nature Communications，2022，13：3054.

［7］YANG Y P，ZHANG M J，SUN Z H，et al.The relationship between water level change and river channel geometry adjustment in the downstream of the Three Gorges Dam［J］.Journal of Geographical Sciences，2018，28（12）：1975-1993.

［8］HU Y，LI D F，DENG J Y，et al.Mechanisms controlling water-level variations in the Middle Yangtze River following the operation of the Three Gorges Dam［J］.Water Resources Research，2022，58（10）：e2022WR032338.

［9］楊成剛，李思璇，董炳江，等.三峽水庫運用后長江中下游枯水位變化成因研究［J］.泥沙研究，2021，46（5）：34-40.（YANG C G，LI S X，DONG B J，et al.Study on the mechanism of lower water level in middle and lower reaches of the Yangtze River after impounding of the Three Gorges Reservoir［J］.Journal of Sediment Research，2021，46（5）：34-40.（in Chinese））

［10］李義天，薛居理，孫昭華，等.三峽水庫下游河床沖刷與水位變化［J］.水力發電學報，2021，40（4）：1-13.（LI Y T，XUE J L，SUN Z H，et al.Channel degradation and river stage variations in reaches downstream of Three Gorges Reservoir［J］.Journal of Hydroelectric Engineering，2021，40（4）：1-13.（in Chinese））

［11］韓劍橋，孫昭華，楊云平.三峽水庫運行后長江中游洪、枯水位變化特征［J］.湖泊科學，2017，29（5）：1217-1226.（HAN J Q，SUN Z H，YANG Y P.Flood and low stage adjustment in the Middle Yangtze River after impoundment of the Three Gorges Reservoir （TGR）［J］.Journal of Lake Sciences，2017，29（5）：1217-1226.（in Chinese））

［12］柴元方，鄧金運，楊云平，等.長江中游荊江河段同流量—水位演化特征及驅動成因［J］.地理學報，2021，76（1）：101-113.（CHAI Y F，DENG J Y，YANG Y P，et al.Evolution characteristics and driving factors of the water level at the same discharge in the Jingjiang reach of Yangtze River［J］.Acta Geographica Sinica，2021，76（1）：101-113.（in Chinese））

［13］黃仁勇，舒彩文，談廣鳴.三峽水庫調度運用對出庫水沙過程影響研究［J］.應用基礎與工程科學學報，2019，27（4）：734-743.（HUANG R Y，SHU C W，TAN G M.Influence of operation and application of the Three Gorges Reservoir on the outbound water and sediment process［J］.Journal of Basic Science and Engineering，2019，27（4）：734-743.（in Chinese））

［14］王俊，郭生練.三峽水庫汛期控制水位及運用條件［J］.水科學進展，2020，31（4）：473-480.（WANG J，GUO S L.On Three Gorges Reservoir control water level and operating conditions in flood season［J］.Advances in Water Science，2020，31（4）：473-480.（in Chinese））

［15］李文杰，余成鳳，肖毅，等.基于時間序列的朱沱和寸灘水位變化特征分析［J］.應用基礎與工程科學學報，2022，30（6）：1377-1388.（LI W J，YU C F，XIAO Y，et al.Characteristics of water level variation at Zhutuo and cuntan stations based on time series analysis［J］.Journal of Basic Science and Engineering，2022，30（6）：1377-1388.（in Chinese））

［16］孫昭華，周歆玥，范杰瑋，等.考慮回水影響的河道水位—流量關系確定方法［J］.水科學進展，2021，32（2）：259-270.（SUN Z H，ZHOU X Y，FAN J W，et al.Stage—discharge rating method considering backwater effect in river channel［J］.Advances in Water Science，2021，32（2）：259-270.（in Chinese））

［17］董炳江，許全喜，袁晶.一二維水沙數學模型在長江的研究與應用［J］.水文，2011，31（S1）：92-95.（DONG B J，XU Q X，YUAN J.Research on flow and sediment mathematical models and its application［J］.Journal of China Hydrology，2011，31（S1）：92-95.（in Chinese））

［18］許全喜.三峽工程蓄水運用前后長江中下游干流河道沖淤規律研究［J］.水力發電學報，2013，32（2）：146-154.（XU Q X.Study of sediment deposition and erosion patterns in the middle and downstream Changjiang mainstream after impoundment of TGR［J］.Journal of Hydroelectric Engineering，2013，32（2）：146-154.（in Chinese））

［19］許全喜，袁晶，伍文俊，等.三峽工程蓄水運用后長江中游河道演變初步研究［J］.泥沙研究，2011（2）：38-46.（XU Q X，YUAN J，WU W J，et al.Fluvial processes in Middle Yangtze River after impoundment of Three Gorges Project［J］.Journal of Sediment Research，2011（2）：38-46.（in Chinese））

［20］董炳江，許全喜，袁晶，等.近年來三峽水庫壩下游河道強烈沖刷機理分析［J］.泥沙研究，2019，44（5）：42-47.（DONG B J，XU Q X，YUAN J，et al.Mechanism of serious scour along the downstream of Three Gorges Reservoir in recent years［J］.Journal of Sediment Research，2019，44（5）：42-47.（in Chinese））

［21］張為，吳美琴，李思璇，等.三峽水庫蓄水后城陵磯至九江段河道沖淤調整機理［J］.水科學進展，2020，31（2）：162-171.（ZHANG W，WU M Q，LI S X，et al.Mechanism of adjustment of scouring and silting of Chenglingji—Jiujiang reach in the middle reaches of the Yangtze River after impoundment of the Three Gorges Dam［J］.Advances in Water Science，2020，31（2）：162-171.（in Chinese））

［22］向詩月，程和琴，滕立志.鄱陽湖流域侵蝕基準面近期變化及其影響［J］.泥沙研究，2021，46（5）：48-54.（XIANG S Y，CHENG H Q，TENG L Z.Recent processes of the base level by scour and their impacts on the Poyang Lake basin［J］.Journal of Sediment Research，2021，46（5）：48-54.（in Chinese））

［23］郭振天，黃峰，郭利丹，等.鄱陽湖水位時空演變驅動因子研究［J］.水力發電學報，2020，39（12）：25-36.（GUO Z T，HUANG F，GUO L D，et al.Study on driving factors of temporal and spatial evolution of water level in Poyang Lake［J］.Journal of Hydroelectric Engineering，2020，39（12）：25-36.（in Chinese））

［24］吳桂平，劉元波，范興旺.近30年來鄱陽湖湖盆地形演變特征與原因探析［J］.湖泊科學，2015，27（6）：1168-1176.（WU G P，LIU Y B，FAN X W.Bottom topography change patterns of the Lake Poyang and their influence mechanisms in recent 30 years［J］.Journal of Lake Sciences，2015，27（6）：1168-1176.（in Chinese））

［25］杜軍凱，仇亞琴，李云玲，等.1956—2016年中國年降水量及其年內分配演變特征［J］.水科學進展，2023，34（2）：182-196.（DU J K，QIU Y Q，LI Y L，et al.Evolution characteristics of the interannual and intra- annual precipitation in China from 1956 to 2016［J］.Advances in Water Science，2023，34（2）：182-196.（in Chinese））

［26］劉向培，佟曉輝，賈慶宇，等.1960—2017年中國降水集中程度特征分析［J］.水科學進展，2021，32（1）：10-19.（LIU X P，TONG X H，JIA Q Y，et al.Precipitation concentration characteristics in China during 1960—2017［J］.Advances in Water Science，2021，32（1）：10-19.（in Chinese））

［27］金佳鑫，肖園園，金君良，等.長江流域極端水文氣象事件時空變化特征及其對植被的影響［J］.水科學進展，2021，32（6）：867-876.（JIN J X，XIAO Y Y，JIN J L，et al.Spatial-temporal variabilities of the contrasting hydrometeorological extremes and the impacts on vegetation growth over the Yangtze River basin［J］.Advances in Water Science，2021，32（6）：867-876.（in Chinese））

［28］張細兵，盧金友，藺秋生.長江中下游岸線利用對防洪累積影響初步研究［J］.長江流域資源與環境，2011，20（9）：1138-1142.（ZHANG X B，LU J Y，LIN Q S.Preliminary study on accumulated influence of the bankline use on flood control in the middle and lower reaches of the Yangtze River［J］.Resources and Environment in the Yangtze Basin，2011，20（9）：1138-1142.（in Chinese））

Characteristics and causes of the water level variations following the operation of the Three Gorges Dam with special reference to the Hankou—Jiujiang reach of the Middle Yangtze River

Abstract：The construction of large reservoirs causes water level adjustment downstream of dams，which exerts a significant impact on river regimes，navigation，flood control and ecology.To explore the characteristics of water level variations and their causes in the Hankou—Jiujiang reach of the Middle Yangtze River following the operation of the Three Gorges Dam （TGD），the trend in water level change from 1988 to 2022 was analyzed by the Mann-Kendall analysis method.With the use of the analysis method for the water level amplitude based on the abnormal residual and a one-dimensional hydrodynamic model，in this paper，the contributions of river erosion and silting，downstream control water level and resistance variation to water level change under different discharge levels were estimated.The results showed the following：① Before the operation of the TGD，the water level at all discharge levels showed nonsignificant changes except for a significant decrease in the low water level （at low discharge levels） at the Jiujiang station.② After the operation of the TGD，the variation trend in the water level at the Jiujiang station was the same as that before TGD operation.However，the water levels at the Hankou and Huangshigang stations showed significant decreases with decreasing amplitudes of 0.072 and 0.045 m/a and 0.048 and 0.027 m/a，respectively，under discharge levels of 12 000 and 20 000 m3/s，respectively.The critical conversion discharge of water level change was approximately 30 000 m3/s，and there was no obvious water level change near this discharge value.When the discharge was higher than 30 000 m3/s，the water level showed a nonsignificant upward trend，and the increase amplitudes at 45 000 m3/s were 0.037 and 0.049 m/a，respectively.③ The main reason for the observed water level decrease is river erosion when the discharge is lower than the critical conversion discharge.The main reason why there is no obvious water level change near the critical conversion discharge is that the effect of an increased resistance nearly offsets the influence of river erosion.The main reason for the water level increase is the higher resistance when the discharge exceeds the critical conversion discharge.The obvious increase in the flood water level in individual years is due to the effect of downstream water level jacking.

Key words：water level change;stage—discharge rating;channel resistance;M-K analysis method;Hankou—Jiujiang reach;Three Gorges Dam