柴元方^,1,2, 邓金运¹, 杨云平^,2,3, 孙昭华¹, 李义天¹, 朱玲玲^2,41.武汉大学 水资源与水电工程科学国家重点实验室,武汉 430072
2.长江水利委员会长江科学院,武汉 430010
3.交通运输部天津水运工程科学研究所 工程泥沙交通运输行业重点实验室,天津 300456
4.长江水利委员会水文局,武汉 430010

Evolution characteristics and driving factors of the water level at the same discharge in the Jingjiang reach of Yangtze River

CHAI Yuanfang^,1,2, DENG Jinyun¹, YANG Yunping^,2,3, SUN Zhaohua¹, LI Yitian¹, ZHU Lingling^2,41. State Key Laboratory of Water Resources and Hydropower Engineering Science, Wuhan University, Wuhan 430072, China
2. Changjiang River Scientific Research Institute of Changjiang Water Resources Commission, Wuhan 430010, China
3. Key Laboratory of Engineering Sediment, Tianjin Research Institutes for Water Transport Engineering, Ministry of Transport, Tianjin 300456, China
4. Bureau of Hydrology, Changjiang Water Resources Commission, Wuhan 430010, China

通讯作者: * 杨云平(1985-), 男, 黑龙江绥化人, 博士, 从事水库下游水沙输移、地貌调整及河口海岸演变等相关研究。E-mail: yangsan520_521@163.com

收稿日期:2019-07-29修回日期:2020-12-5网络出版日期:2021-01-25

基金资助:

国家重点研发计划.2018YFB1600400 长江科学院水利部江湖治理与防洪重点实验室开放基金项目.CKWV2018463/KY 长江科学院水利部江湖治理与防洪重点实验室开放基金项目.CKWV2019727/KY 长江科学院水利部江湖治理与防洪重点实验室开放基金项目.CKWV2017502/KY 国家自然科学基金项目.51979132

Received:2019-07-29Revised:2020-12-5Online:2021-01-25

Fund supported:

National Key R&D Program of China.2018YFB1600400 CRSRI Open Research Program.CKWV2018463/KY CRSRI Open Research Program.CKWV2019727/KY CRSRI Open Research Program.CKWV2017502/KY National Natural Science Foundation of China.51979132

作者简介 About authors
柴元方(1993-), 男, 浙江衢州人, 博士生, 主要从事气候变化与河流水文响应关系研究。E-mail: yuanfangchai@163.com








摘要
水库运行改变了坝下游水沙输移条件,在河道冲刷的同时,引起水位过程出现适应性调整。本文以长江中游荆江河段为对象,采用多项式拟合法,对比分析1991—2016年间分级流量—水位变化特征,采用基于河流动力学原理的分离变量法,识别河道冲淤、下游控制水位及河床综合糙率等变化对分级流量—水位变化的影响程度。研究表明：1991—2016年间,长江中游荆江河段同流量—枯水位呈下降趋势,2009年以来降幅增大;河道冲刷是引起同流量—枯水位下降的主控因素,河床综合糙率增加抑制了同流量—枯水位下降起到积极作用。1991—2016年间,荆江河段同流量—洪水位经历了先减小后增大的“凹”线型变化,2003年以前洪水特征为“高洪水流量—高水位”,2009年以来逐渐演化为“中大洪水流量—高水位”,同流量—洪水位特性发生转变;河床综合糙率增大是同流量—洪水位抬升的主控因素,河道冲刷抑制了同流量—洪水位的抬升态势。在航道条件及防洪情势上,应重点防控近坝段沙质河段冲刷引起的水位下降溯源传递作用,其洪水流量—水位特性的转变,不利于减缓荆江河段的防洪压力。
关键词： 同流量—水位;时空演化;河道形态;长江中游

Abstract
Water and sediment transport processes have been changed by the operation of larger scale reservoirs, which can result in the adjustments of river topography and water levels. The polynomial fitting method was applied to analyze the variation characteristics of the water levels under different characteristic water discharges in the Jingjiang reach of the Yangtze River during 1991-2016. The segregation variable method was used to estimate the contributions of the varied riverbed evaluation, the downstream controlled water level and the comprehensive roughness on the altered water level at the same flow. The results obtained are as follows: (1)The low water level in the Jingjiang reach of the Yangtze River during 1991-2016 presented a significant downward trend, and this trend intensified since 2009; riverbed scouring was the dominant factor for the reduced low water level, while the increased roughness alleviated this reduction. (2) During 1991-2016, the high water level decreased firstly and then increased. The variation characteristic of "high flood discharge with high water level" before 2003 transformed into "average flood discharge with high water level" since 2009. The increased comprehensive roughness was the main reason for the increased high water level, while the river scouring alleviated this increase. For navigation conditions and flood control, the intensifying riverbed scouring of the sandy reaches downstream dams enhanced the effects of the downstream water level on the upstream water level. (3) This led to the insufficient water depth in the reaches below dams, which should arouse great attention. The variation characteristics of high water level increased the flood pressure in the middle reaches of the Yangtze River.
Keywords：water level at the same flow;spatio-temporal evolution;channel geomorphology;middle reaches of the Yangtze River


PDF (3143KB)元数据多维度评价相关文章导出EndNote|Ris|Bibtex收藏本文
本文引用格式
柴元方, 邓金运, 杨云平, 孙昭华, 李义天, 朱玲玲. 长江中游荆江河段同流量—水位演化特征及驱动成因. 地理学报[J], 2021, 76(1): 101-113 doi:10.11821/dlxb202101008
CHAI Yuanfang, DENG Jinyun, YANG Yunping, SUN Zhaohua, LI Yitian, ZHU Lingling. Evolution characteristics and driving factors of the water level at the same discharge in the Jingjiang reach of Yangtze River. Acta Geographica Sinice[J], 2021, 76(1): 101-113 doi:10.11821/dlxb202101008

1 引言

河道水位的调整直接影响河势稳定、航道水深、工农业取水及生态环境等^[1]。大型水库运行后,坝下游河道冲刷的同时引起水位调整,其枯水位过低使得航道碍航频发^[2],洪水位过高则影响防洪安全^[3]。流域水库建设是人类开发利用水资源的重要工程措施,水库建设后坝下游水沙输移、河道形态、水位调整等得到了持续关注。例如,意大利塔利亚门托河、皮亚韦河和布兰达河等水库建设后坝下游河段冲刷下切深度达4~5 m^[4]。尼罗河阿斯旺大坝^[5]、科罗拉多河哥伦峡大坝^[6]、汉江丹江口水库^[7]和长江三峡大坝^{[8,9,10,11,12]}等建设后,已引起坝下游一定距离的河道同流量—枯水位呈现下降趋势。各河流同流量洪水位的变化并不一致。德国25条河流的观测表明,不同河流的洪水位变化趋势不一致,即使是在同一条河流的不同水文站,其洪水位也表现出不同的变化特征^[13];美国堪萨斯城2011年的洪峰流量小于1970年,其洪水位抬升约1.1 m^[14];三峡工程运行以来,长江中游最高水位有所下降,同流量—洪水位未出现预期的下降态势^[9,10,11,12],也有研究认为是增加态势^[15],如2003—2013年间汉口站50000 m³/s流量对应水位增加了0~1.5 m^[16],在2016年这一数值增加至2.2 m^[9,10]。1998年与1954年比较,螺山站最大流量减小11000 m³/s,水位则升高1.78 m^[17],2016年最大流量为52100 m³/s,对应水位为34.86 m,较1998年最大流量减少15700 m³/s,对应水位下降0.09 m,出现了中洪水流量—高水位的现象。已有研究表明,水库下游河道冲刷过程中,同流量洪水位、枯水位表现出不同的演化特征。河道水位变化主要与水库调蓄、河道冲淤（形态）、河床阻力（糙率）及流域人类活动等有关^{[7, 9-12]}。一般认为,河道冲刷会一定程度降低水位^[18,19],河床糙率增加会抑制水位下降进程,引起河床阻力增加的因素主要有岸滩植被覆盖与茂盛程度、河床粗化及人类活动等^{[9-12, 20]},同时受上下游控制水位的影响^[21,22],不同河段表现出明显的差异性^[22,23]。如美国堪萨斯城2011年洪水主要与高滩植被茂盛有关^[14]。人类活动方面,单体工程对水位的影响较小,多项工程的累积作用会一定程度壅高洪水位^[24]。荆江河段是长江中游航道治理及防洪的重点河段,水位的变化得到了持续关注。2017年以来,重点分析了长江中游河道水位与河道冲刷、河床阻力、典型人类活动等的关联性^{[9-12, 25]},已有成果中尚未量化识别河道冲淤、河床糙率及下游控制水位等变化对同流量—水位的贡献。

本文收集1991—2016年长江中游荆江河段各水文站流量—水位数据,采用多项式法拟合出水位—流量关系曲线,分析荆江河段同流量—洪、枯水位的变化特征,利用分离变量法,分析计算河道冲刷、下游控制水位调整与河床综合糙率变化对水位变化的贡献。

2 研究方法与数据来源

2.1 研究区域及数据来源

研究河段为三峡大坝下游宜昌—螺山河段,河道全长约408 km,包含宜昌—枝城段、荆江河段。研究河段内自上至下分布有宜昌、枝城、沙市、监利和螺山站（图1）。长江南岸自上至下分布有松滋口、太平口和藕池口,分长江水进入洞庭湖,洞庭湖在七里山附近入汇长江。

图1

新窗口打开|下载原图ZIP|生成PPT
图1长江中游区域概况图

注：根据参考文献[26]绘制。
Fig. 1Location of the middle reaches of the Yangtze River



1991—2016年长江干线宜昌、枝城、沙市、监利和螺山站,以及洞庭湖松滋口、太平口、藕池口和城陵矶站的逐日流量数据来源于长江水利委员会水文局;2002年10月、2009年10月和2016年10月比例尺为1∶10000的宜昌—螺山段地形图来源于长江水利委员会水文局和长江航道局。为分析三峡工程不同运行阶段、河道形态、河床糙率等综合因素变化对流量—水位关系的影响,本文将1991—2016年划分为1991—2003年、2003—2009年和2009—2016年3个时段。

2.2 研究方法与数据处理

影响同流量—水位的主要因素有河道冲淤、河床糙率及下游控制水位等,各主要控制要素的影响值可通过分离变量法进行剥离。

2.2.1 分离变量法 分离变量法主要基于河流动力学基本原理,各变量物理机制清晰,已被用于研究多因素变化对水位的影响中^{[21, 27-29]},其基本原理如下：

基于流量公式（式（1））、谢才公式（式（2）~（3））和曼宁公式（式（4））,推导出式（5）：

（1）Q=A×V
（2）V=C×R12×J12
（3）J=Z上-Z下L
（4）C=1n×R16
（5）Q=A×1n×R23×J12
式中：Q为流量（m³/s）;A为过水断面面积（m²）;V为断面平均流速（m/s）;C为谢才系数;R为水力半径（m）;J为河段水面比降（‰）;Z_上为河段入口断面水位（m）;Z_下为河段出口断面水位（m）;L为河段长度（km）;n为河床糙率。

假定在时段初和时段末的上断面入流流量均为Q,即Q = Q₀ = Q₁,联解式（2）~（5）得到：

（6）Z上1-Z上0=Z下1-Z下0+A0A12×n1n02×R0R14/3-1×J0×L
式中：下角标0和1分别代表时段初和时段末;下角标“上”和“下”分别代表河段入口断面和河段出口断面;J₀为时段初比降（‰）;L为河段长度（km）;A为过水面积（m²）;R为水力半径（m）;n为河床糙率。等式左侧的Z_上1-Z_上0为时段末较时段初上断面水位变化值;等式右侧,Z_下1-Z_下0为下游控制水位变化值;(A₀ /A₁)²反映横断面形态;(n₁ /n₀)²反映床面阻力变化;(R₀ /R₁)^4/3反映河道冲淤。

2.2.2 MIKE 11 HD 水动力模型 在分离变量法基础上,采用MIKE 11 HD模拟软件,计算河道冲淤、河床糙率及下游控制水位等变化对同流量—水位变化的影响值。

水流连续方程：

（7）?Q?x+?A?t=0
水流运动方程：

（8）?Q?t+??xQ2A+gA?Z?x+gn2QQAR43=0
式中：Q为流量（m³/s）;A是断面过水的面积（m²）;x是距离坐标（m）;t是时间坐标（s）;g是重力加速度（m/s²）;Z为水位（m）;n为河床糙率;R为水力半径（m）。

采用MIKE 11HD模型,选取2002年10月、2009年10月和2016年10月宜昌—螺山段实测河道地形,上边界条件采用宜昌站逐日流量,下游边界条件采用螺山站逐日水位,洞庭湖三口分流以及洞庭湖入汇均采用逐日流量。验证内容包括宜昌—螺山段沿程代表站水位,率定得到宜昌—枝城、枝城—沙市、沙市—监利和监利—螺山段的河床综合糙率。从计算结果上看,水位的计算值和实测基本吻合（R > 0.98）（图2）,误差满足《内河航道与港口水流泥沙模拟技术规范（JTS/T231-4-2018）》要求。

图2

新窗口打开|下载原图ZIP|生成PPT
图22002年、2009年和2016年各水文站水位实测值与模拟值比较

Fig. 2Measured and simulated water level at hydrological stations in the years of 2002, 2009 and 2016



2.2.3 代表流量级划分 长江中游河道洪水位、枯水位调整趋势不一致,需选取特征流量对应的水位进行分析^{[9-12, 20]}。采用1991—2016年日均流量数据,利用PIII曲线选取90%和10%保证率对应的流量,计算各水文站的枯水流量和洪水流量（表2）,分析代表流量对应水位的时空变化特点。

Tab. 2
表2
表2流量级选取(m³/s)
Tab. 2Selection of the characteristic flow

代表流量	宜昌	枝城	沙市	监利	螺山
枯水流量	6190	6490	6460	6490	8460
洪水流量	46500	46400	37600	34500	45800

新窗口打开|下载CSV

3 河道水位及冲淤特性变化

3.1 水位—流量关系

选取2003年、2010年和2016年为代表年份（图3）,比较而言同流量—枯水位为下降态势,同流量—洪水位为抬升态势,期间存在下降与抬升转变的临界流量,即高于这一临界流量同流量对应水位抬升,低于则为下降态势,表明长江中游河道同流量对应的洪水位、枯水位变化特性存在差异。

图3

新窗口打开|下载原图ZIP|生成PPT
图3长江中游各水文站水位—流量关系

Fig. 3Relationships between water level and water discharges in the middle reaches of the Yangtze River

3.2 河道形态变化

2002年10月—2016年11月期间（图4）,宜昌—城陵矶段枯水河槽、基本河槽、平滩河槽及洪水河槽冲刷量分别为9.90×10⁸ m³、10.37×10⁸ m³、11.01×10⁸ m³和11.49×10⁸ m³,其中枯水河槽、平滩河槽的冲刷量占总冲刷量比例分别为86.16%和95.82%,高滩区域比例为4.18%。2009年10月—2016年11月与2002年10月—2009年10月比较,枯水河槽冲刷强度增加,枯水河槽—基本河槽、基本河槽—平滩河槽、平滩河槽—洪水河槽冲刷强度均有所降低,表明河道冲刷更集中在枯水河槽。

图4

新窗口打开|下载原图ZIP|生成PPT
图4荆江河段不同河道的累计冲淤量变化

Fig. 4Cumulative riverbed scouring volumes in the Jingjiang reach



三峡工程运行以来,洪水流量持续天数明显减小,洪水河槽的时间缩短^[12],洪水河槽的展宽程度有所减小。护岸、港口、码头等涉水设施,占用了一定比例的洪水河宽,也一定程度硬化了岸线,影响洪水位及洪水河槽宽度^[24]。2003—2016年间,荆江河段枯水河槽、平滩河槽及洪水河槽展宽比例分别为71.7%、60.1%和55.5%（断面数为173个）,洪水河槽以展宽为主（表3）。2009—2016年与2003—2009年比较,枯水河槽展宽大于0 m比例增加1.7%,洪水河槽展宽比例减少35.9%,展宽大于20 m和50 m的变化特点与0 m基本一致。2009年以来,枯水河槽展宽比例增加与该时期河槽冲刷强度增加有关;洪水河槽展宽比例减少主要与水流漫滩天数、护岸、港口、码头等人类活动有关^{[9, 12]}。

Tab. 3
表3
表3宜昌—城陵矶段断面形态展宽比变化特征表(%)
Tab. 3Ratio of the widened cross sections in the Yichang-Chenglingji reach

统计时段	河槽特征	△B > 0 m	△B > 20 m	△B > 50 m
2003—2009年	枯水河槽	68.8	41.6	28.9
	平滩河槽	71.7	27.2	16.2
	洪水河槽	74.6	22.0	6.36
2009—2016年	枯水河槽	70.5	46.8	31.8
	平滩河槽	57.8	25.4	17.3
	洪水河槽	38.7	14.5	6.94
2003—2016年	枯水河槽	71.7	57.8	43.9
	平滩河槽	60.1	34.1	23.1
	洪水河槽	55.5	16.8	6.94

注：△B指断面宽度展宽幅度,表中数值均为超过某一变幅的断面数量占总断面数的比例。

新窗口打开|下载CSV

3.3 河道形态变化

2003年以来,长江中游河道水流含沙量降低,在河道冲刷的同时,河床明显粗化^[30,31]。2001年宜昌—枝城段床沙中值粒径为0.63 mm,2009年为37.54 mm,增幅为59.6倍,对应宜昌—宜都、宜都—枝城段河床糙率增幅分别为97.6%和108.3%（图5a）。2015年与1998年比较,枝江河段、沙市河段、公安河段、石首河段和监利河段的河床糙率分别增加约2.7%、2.4%、4.7%、5.3%和3.9%,增幅相对较小（图5b）。

图5

新窗口打开|下载原图ZIP|生成PPT
图5荆江河段河床糙率估计值

Fig. 5Estimation of the roughness in the Jingjiang reach

4 荆江河段同流量—枯水位调整的驱动成因

影响河道同流量—水位调整的主要因素可归为河道地形、河床综合糙率及下游控制水位调整3类。为进一步识别各控制要素的贡献值,选取2002年10月、2009年10月和2016年10月的实测地形资料以及对应年份的逐日流量和水位资料,应用MIKE 11 HD模型率定得到宜昌—枝城、枝城—沙市、沙市—监利及监利—螺山各河段的综合糙率。基于控制变量原则,分别将实测河道地形资料,下游控制水位及率定得到的综合糙率输入MIKE 11 HD模型中,计算得到各段河床冲淤量,综合糙率及下游控制水位调整对同流量—水位的影响。

4.1 同流量—枯水位的演化过程及驱动成因

4.1.1 同流量—枯水位演变过程 采用最小二乘法将逐日水位和流量数据进行一元三次曲线拟合（除2016年宜昌站、2015年监利站的拟合精度R < 0.95,1991—2016期间其余各站各年份的流量—水位关系的拟合精度R均大于0.95）,基于拟合得到的公式,求得各流量级对应的水位。1991—2003年间,宜昌站、荆江河段各水文站同流量—枯水位有增有减,整体上略有减小态势（图6）。2003—2016年间,宜昌、枝城、沙市、监利和螺山站同流量—枯水位均为显著的下降趋势,其减幅分别为4.98 cm/a、6.26 cm/a、13.51 cm/a、8.04 cm/a和5.46 cm/a,沙市站减幅最大,三峡工程运行后荆江河段各水文站的同流量—枯水位整体上为下降态势。2003—2009年间宜昌、枝城、沙市、监利和螺山站同流量—枯水位年均降幅分别为4.79 cm/a、3.98 cm/a、8.17 cm/a、12.30 cm/a和3.61 cm/a,2009—2016年减幅分别为3.48 cm/a、7.23 cm/a、17.18 cm/a、7.63 cm/a和8.32 cm/a。综合比较,2009—2016年与2003—2009年比较,宜昌和监利站同流量—枯水位下降速率为减小态势,枝城、沙市和螺山站均为增大态势。

图6

新窗口打开|下载原图ZIP|生成PPT
图6荆江河段同流量—枯水位变化过程

Fig. 6Variation trends in the average water level under the characteristic flows in the Jingjiang reach



4.1.2 同流量—枯水位调整的驱动成因 三峡工程运行前,河道同流量—枯水位存在下降态势,不同阶段下降的原因主要为河床冲刷、裁弯工程等影响^[11]。三峡工程运行后,坝下游河道平滩河槽发生长距离累积冲刷,平滩河槽以上岸滩植被发育等因素,引起平滩河槽及高滩的床面阻力增加^[9,10,11,12],同时港口、码头及航道工程等建设也会改变局部的床面阻力^[30,31],即引起河床综合糙率的调整。下游控制水位变化直接影响水面比较,尤其是大流量时期,下游水位过高会溯源壅高上游水位^[32],增加同流量的洪水水位。

利用分离变量法,计算各单因素及叠加因素变化对同流量—枯水位变化的影响（图7）,结果表明：

图7

新窗口打开|下载原图ZIP|生成PPT
图7各影响因素对特征流量下枯水位变化的影响

注：Ob为实测水位变化值;Si为三因素线性叠加作用对枯水位的影响值;Si-TA为地形调整对枯水位的影响值;Si-OWL为下游控制水位变化对枯水位的影响值;Si-CR为综合糙率变化对枯水位的影响值。
Fig. 7Effects of the influencing factors on the altered low water level



（1）2003—2016年间宜昌、枝城、沙市和监利站同流量—枯水位累计下降分别为0.48 m、0.66 m、1.73 m和0.79 m,其中2003—2009年间下降值分别为0.26 m、0.13 m、0.62 m和0.65 m,2009—2014年间下降值分别为0.22 m、0.53 m、1.11 m和0.14 m。

（2）2003—2016年间地形调整、综合糙率变化及下游控制水位3个要素引起宜昌、枝城、沙市和监利站同流量—枯水位下降值分别为0.46 m、0.74 m、1.81 m和0.82 m;其中地形调整引起的同流量—枯水位下降值分别为0.47 m、1.43 m、2.38 m和1.25 m,下游控制水位调整引起的水位下降值分别为0.32 m、0.22 m、0.11 m和0.14 m,综合糙率增大引起的水位增加值分别为0.33 m、0.91 m、0.68 m和0.57 m。

（3）2009—2016年与2003—2009年比较,由于河道冲刷强度趋缓,河道冲刷对宜昌站同流量—枯水位影响程度减弱;枝城—沙市段、沙市—监利段的河道冲刷对枝城、沙市站同流量—枯水位的影响有所增大,表明河道冲刷的强冲刷区逐渐向下游沙质河段发展,同时下游河槽冲刷引起的水位溯源下降程度有所增加;监利站受下游河道冲刷引起的同流量—枯水位下降值略有减小。

（4）2009—2016年与2003—2009年比较,2009—2016年间宜昌—枝城河段的河床粗化基本完成,该段糙率变化对抑制宜昌站同流量—枯水位下降的影响程度有所减弱;2009—2016年间枝城—沙市段河床粗化明显,该段糙率增加对抑制枝城站同流量—枯水位下降的影响程度有所增大;沙市—监利段、监利—螺山段河床粗化程度有限,对应沙市站、监利站同流量—水位的影响较小。

综上,2003—2016年间河道冲刷是引起宜昌—城陵矶段同流量—枯水位下降的主控因素;2009年以来宜昌—枝城河段冲刷强度减弱,河道冲刷对同流量—枯水位下降的贡献减小,荆江冲刷强度增强,河道冲刷对同流量—枯水位下降的贡献增加;河床综合糙率增加抑制了同流量—枯水位下降起到积极作用,2009年以来宜昌—枝城段河床粗化基本完成,河床综合糙率增加对同流量—枯水位抑制作用减弱,荆江河段的河床仍延续粗化态势,对同流量—枯水位下降的抑制作用渐强。

4.2 同流量—洪水位的演化过程及驱动成因

4.2.1 同流量—洪水位的演化过程 1991—2002年间,宜昌站、荆江河段各水文站同流量—洪水位的单向趋势性变化不显著（图8）,2003年以来同流量—洪水位整体为抬升态势。2009—2016年与2003—2009年比较,宜昌、枝城、沙市、监利和螺山站同流量—洪水位平均值分别抬升了0.42 m、0.75 m、0.61 m、1.14 m和0.63 m,监利站最为显著。1991—2003年、2003—2009年和2009—2016年3个时段进行比较,同流量—洪水位表现为先减小后增大的“凹”线型变化特征（表4）,2009年以来荆江河段同流量—洪水位为抬升态势。对于河道防洪而言,洪水特性由“高洪水流量—高水位”逐渐向“中洪水流量—高水位”转变,不利于缓解荆江河段的防洪压力。

图8

新窗口打开|下载原图ZIP|生成PPT
图8荆江河段同流量—洪水位变化过程

Fig. 8Variation trends in the high-water level under the characteristic flows in the Jingjiang reach



Tab. 4
表4
表4洪水位的变化特征(m)
Tab. 4Variation characteristics of the flood water level

水文站	时段
	1991—2003年	2003—2009年	2009—2016年
宜昌站	51.48	51.24	51.66
枝城站	47.60	47.22	47.97
沙市站	42.29	41.87	42.48
监利站	35.69	34.48	35.61
螺山站	31.87	31.47	32.05

新窗口打开|下载CSV

一般而言,河道大幅冲刷会引起河道水位的下降,冲刷主要集中在枯水河道,降幅主要表现为枯水期同流量—水位下降。已有研究表明2003—2009年、2009—2016年间荆江河段整体为冲刷态势,同流量—洪水位未出现如期的下降态势^[9,10,11,12]。2009—2016年与2003—2009年比较,由于三峡及上游梯级水库调蓄的影响,高滩过水时间减少会使得岸滩植被相对茂盛,会增加大流量时高滩的床面阻力,进一步壅高河道洪水位。同时,2009—2016年间荆江河段实施了大量的航道整治工程高滩护岸、桥梁、港口码头等人类涉水工程,也会壅高河道洪水位。

4.2.2 同流量—洪水位调整的驱动成因 三峡工程运行前,宜昌、枝城、沙市水文站同流量—洪水位的变化不显著,监利—螺山河段洪水位出现抬升的原因主要是该段河床淤积所致^[32],同时蓄滞洪区的萎缩也是原因之一^[15]。

利用分离变量法,计算各单因素及叠加因素变化对同流量—洪水位变化的影响（图8）,结果表明：

图9

新窗口打开|下载原图ZIP|生成PPT
图9各影响因素对特征流量下洪水位变化贡献

注：Ob为实测水位变化值;Si为三因素线性叠加作用对洪水位的影响值;Si-TA为地形调整对洪水位的影响值;Si-OWL为下游控制水位变化对洪水位的影响值;Si-CR为综合糙率变化对洪水位的影响值。
Fig. 9Effects of the influencing factors on the altered high water level



（1）2003—2016年间宜昌、枝城、沙市和监利站同流量—洪水位累计抬升分别为0.41 m、0.69 m、0.71 m和1.53 m,其中2003—2009年间抬升值分别为0.36 m、0.63 m、0.10 m和0.11 m,2009—2016年期抬升值分别为0.05 m、0.06 m、0.61 m和1.42 m。

（2）2003—2016年间地形调整、综合糙率变化及下游控制水位3个要素引起宜昌、枝城、沙市和监利站同流量—洪水位下降值分别为0.41 m、0.69 m、0.76 m和1.46 m;其中河道冲刷引起的同流量—洪水位下降值分别为0.70 m、1.26 m、0.74 m和0.41 m,下游控制水位调整引起的水位抬升值分别为0.39 m、0.23 m、0.33 m和0.17 m,综合糙率增大引起的水位抬升值分别为0.72 m、1.72 m、1.17 m和1.70 m。

（3）2009—2016年与2003—2009年间比较,下游河道冲刷对抑制宜昌站、沙市站和监利站同流量—洪水位抬升的作用有所减弱,枝城—沙市河段的河道冲刷强度增大,枝城站同流量—洪水位抬升的抑制作用渐强。综合糙率增加的影响上,2003—2009年间河床粗化显著,2009—2016年间河床糙率调整较小,使得2009—2016年间宜昌—枝城段、枝城—沙市段河床糙率增大对同流量—洪水位抬升的贡献减小。下游控制水位调整的影响上,2003—2009年间下游控制水位调整对宜昌站的影响最大,枝城、沙市和监利站分别受下游控制水位调整的影响值均小于0.10 m;2009—2016年间,下游控制水位调整对宜昌站的影响较小,枝城、沙市和监利站的影响值在0.10—0.30 m。

综上,河床综合糙率增加是同流量—洪水位抬升的主控因素,2009年以来近坝段宜昌—枝城河段河床粗化基本完成,河床综合糙率变化对同流量—洪水位的影响减弱,荆江河段的影响略有增强;河道冲刷抑制了同流量—洪水位的抬升态势,2009年以来宜昌—枝城河段冲刷强度减弱,河道冲刷对抑制同流量—洪水位抬升的贡献减小,受荆江河段冲刷强度增加的影响,河道冲刷对同流量—洪水位抬升的抑制作用渐强。

5 结论

本文以长江中游荆江河段为对象,采用多项式拟合法,对比分析了1991—2016年间分级流量—水位的变化特征,利用MIKE 11HD模型及分离变量法,识别了1991—2003年、2003—2009年及2009—2016年3个时段的河道冲刷、下游控制水位调整及河床综合糙率增加等变化对不同流量—水位变化的影响程度。主要结论如下：

（1）1991—2016年间长江中游荆江河段同流量枯水位呈下降趋势,2009年以来降幅增大;1991—2016年间,荆江河段同流量—洪水位经历了先减小后增大的“凹”线型变化,2003年以前洪水特征为“高洪水流量—高水位”,2009年以来逐渐转化为“中大洪水流量—高水位”,即洪水特性出现了转变的态势。

（2）河道冲刷是引起宜昌—城陵矶段同流量—枯水位下降的主控因素;2009年以来宜昌—枝城河段冲刷强度减弱,河道冲刷对同流量—枯水位下降的贡献减小,荆江冲刷强度增强,河道冲刷对同流量—枯水位下降的贡献增加;河床综合糙率增加抑制了同流量—枯水位下降起到积极作用,2009年以来宜昌—枝城段河床粗化基本完成,河床综合糙率增加对同流量—枯水位抑制作用减弱,荆江河段的河床仍延续粗化态势,对同流量—枯水位抑制作用渐强。

（3）河床综合糙率增加是同流量—洪水位抬升的主控因素,2009年以来近坝段宜昌—枝城河段河床粗化基本完成,河道综合糙率变化对同流量—洪水位的影响减弱,荆江河段的影响略有增强;河道冲刷抑制了同流量—洪水位的抬升态势,2009年以来宜昌—枝城河段冲刷强度减弱,河道冲刷对抑制同流量—洪水位抬升的贡献减小,受荆江河段冲刷强度增加的影响,河道冲刷对同流量—洪水位抬升的抑制作用渐强。

本文中未能综合考虑洞庭湖三口河道冲刷、分汇流关系等调整对干流河道冲淤、流量—水位关系的影响,河床综合糙率为反算值,其变化受洲滩植被、人类涉水工程等综合影响。下一阶段充分考虑洞庭湖分汇流关系,结合遥感影像资料及实测地形分析,研究各控制要素变化对流量—水位关系的影响。

参考文献 View Option 原文顺序
文献年度倒序
文中引用次数倒序
被引期刊影响因子

[1] Burns A, Walker K F. Effects of water level regulation on algal biofilms in the River Murray, South Australia
River Research and Applications, 2015,16(5):433-444.
[本文引用: 1]

[2] Yang Yunping, Zhang Mingjin, Liu Wanli, et al. Relationships between waterway depth and low-flow water levels in reaches below the Three Gorges Dam
Journal of Waterway, Port, Coastal, and Ocean Engineering, 2019,145(1):04018032.DOI: 10.1061/(ASCE)WW.1943-5460.0000482.
[本文引用: 1]

[3] Gabriel A O. Impacts, perceptions, and management of shoreline hazards and water levels on a fluctuating reservoir: A case study of the Winnebago System, Wisconsin
Lake and Reservoir Management, 2004,20(3):197-210.
[本文引用: 1]

[4] Surian N, Ziliani L, Comiti F, et al. Channel adjustments and alteration of sediment fluxes in gravel-bed rivers of North-Eastern Italy: Potentials and limitations for channel recovery
River Research & Applications, 2009,25(5):551-567.
[本文引用: 1]

[5] Shields J R F D, Simon A, Steffen L J. Reservoir effects on downstream river channel migration
Environmental Conservation, 2000,27(1):54-66.
[本文引用: 1]

[6] Topping D J, Schmidt J C, Vierra L E. Computation and analysis of theinstantaneous discharge for the Colorado River at Lees Ferry, Arizona
US Geological Survey Professional Paper, 2003: 30-33.
[本文引用: 1]

[7] Lu Jinyou. Variation of stage-discharge relationship of downstream of hydro-junction
Hydro-Science and Engineering, 1994(1/2):109-117.
[本文引用: 2]

[ 卢金友. 水利枢纽下游河道水位流量关系的变化
水利水运科学研究, 1994(1/2):109-117.]
[本文引用: 2]

[8] Lai Xijun., Jiang Jiahu, Yang Guishan, et al. Should the Three Gorges Dam be blamed for the extremely low water levels in the middle-lower Yangtze River?
Hydrological Processes, 2014,28(1):150-160.
[本文引用: 1]

[9] Yang Yunping, Zhang Mingjin, Sun Zhaohua, et al. The relationship between water level change and river channel geometry adjustment in the downstream of the Three Gorges Dam
Journal of Geographical Sciences, 2018,28(12):1975-1993.
[本文引用: 10]

[10] Yang Yunping, Zhang Mingjin, Sun Zhaohua, et al. The relationship between water level change and river channel geometry adjustment in the downstream of the Three Gorges Dam (TGD)
Acta Geographica Sinica, 2017,72(5):776-789.
DOI:10.11821/dlxb201705002URL [本文引用: 5]
In this study, data measured from 1955-2016 was analyzed to study the relationship between the water level and river channel geometry adjustment in the downstream of the Three Gorges Dam (TGD) after the impoundment of the dam. The results highlighted the following facts: (1) for the same flow, the drought water level decreased, however, flood water level changed little. The lowest water level increased, while the highest water level decreased at the hydrologic stations in the downstream of the dam; (2) the distribution of erosion and deposition along the river channel changed from "erosion at channels and deposition at bankfulls" to "erosion at both channels and bankfulls"; the ratio of low water channel erosion to bankfull channel erosion was 95.5% from October 2002 to October 2015, with variations in different impoundment stages; (3) the drought water level decrease slowed down during the channel erosion in the Upper Jingjiang River and the reaches ahead but sped up in the Lower Jingjiang River and the reaches behind; concrete measures should be taken to prevent the decrease in the channel water level; (4) erosion was the basis for channel dimension upscaling in the middle reaches of the Yangtze River; the drought water level decrease was smaller than the thalweg decline; both channel water depth and width increased under the combined effects of the channel and waterway regulations; and (5) the geometry of the channels above the bankfulls did not change much; however, the comprehensive channel resistance increased under the combined effects of the river bed coarsening, bench vegetation, and human activities; as a result, the flood water level increased markedly and moderate flood to high water level phenomena occurred, which should be considered. The Three Gorges Reservoir effectively enhances the flood defense capacity of the middle and lower reaches of the Yangtze River; however, the superposition effect of tributary floods cannot be ruled out.
[ 杨云平, 张明进, 孙昭华, 等. 三峡大坝下游水位变化与河道形态调整关系研究
地理学报, 2017,72(5):776-789.]
[本文引用: 5]

[11] Han Jianqiao, Sun Zhaohua, Li Yitian, et al. Combined effects of multiple large-scale hydraulic engineering on water stages in the middle Yangtze River
Geomorphology, 2017,298:31-40.
[本文引用: 5]

[12] Yang Yunping, Zhang Mingjin, Zhu Lingling, et al. Influence of large reservoir operation on water-levels and flows in reaches below dam: Case study of the Three Gorges Reservoir
Scientific Reports, 2017,7:15640. DOI: 10.1038/s41598-017-15677-y.
[本文引用: 10]

[13] Bormann H, Pinter N, Elfert S. Hydrological signatures of flood trends on German rivers: Flood frequencies, flood heights and specific stages
Journal of Hydrology, 2011,404(1-2):50-66.
[本文引用: 1]

[14] Carle M V, Sasser C E, Roberts H H. Accretion and vegetation community change in the Wax Lake Delta following the historic 2011 Mississippi River Flood
Journal Coastal Research, 2015,313(3):569-587.
[本文引用: 2]

[15] Zhang Man, Zhou Jianjun, Huang Guoxian. Flood control problems in middle reaches of Yangtze River and countermeasures
Water Resources Protection, 2016,32(4):1-10.
[本文引用: 2]

[ 张曼, 周建军, 黄国鲜. 长江中游防洪问题与对策
水资源保护, 2016,32(4):1-10.]
[本文引用: 2]

[16] Mei Xuefei, Dai Zhijun, Du Jinzhou, et al. Linkage between Three Gorges Dam impacts and the dramatic recessions in China's largest freshwater lake, Poyang Lake
Scientific Reports, 2016,5:18197. DOI: 10.1038/srep18197.
URLPMID:26657816 [本文引用: 1]

[17] Huang Xinlong, Zhu Minghua, Zuo Jichang, et al. "2016.7" flood last danger analysis and revelation in the middle and lower reaches of the Yangtze River
China Flood & Drought Management, 2016(5):47-49.
[本文引用: 1]

[ 黄先龙, 褚明华, 左吉昌, 等. “2016.7”长江中下游洪水防御工作及启示
中国防汛抗旱, 2016(5):47-49.]
[本文引用: 1]

[18] Moshe L B, Haviv I, Enzel Y, et al. Incision of alluvial channels in response to a continuous base level fall: Field characterization, modeling, and validation along the Dead Sea
Geomorphology, 2008,93(3/4):524-536.
[本文引用: 1]

[19] Greene S L, Knox J C. Coupling legacy geomorphic surface facies to riparian vegetation: Assessing red cedar invasion along the Missouri River downstream of Gavins Point Dam, South Dakota
Geomorphology, 2014,204(1):277-286.
[本文引用: 1]

[20] Han Jianqiao, Sun Zhaohua, Yang Yunping. Flood and low stage adjustment in the middle Yangtze River after impoundment of the Three Gorges Reservoir (TGR)
Journal of Lake Sciences, 2017,29(5):1217-1226.
[本文引用: 2]

[ 韩剑桥, 孙昭华, 杨云平. 三峡水库运行后长江中游洪、枯水位变化特征
湖泊科学, 2017,29(5):1217-1226.]
[本文引用: 2]

[21] Guo Yi, Sun Zhaohua, Luo Fangbing. Time-variation characteristics and causes of Yichang low-water level since impoundment of Three Gorges Reservoir
Hydro-Science and Engineering, 2017(4):35-42.
[本文引用: 2]

[ 郭怡, 孙昭华, 罗方冰. 三峡水库蓄水后宜昌枯水位的时变特征及成因
水利水运工程学报, 2017(4):35-42.]
[本文引用: 2]

[22] Han Jianqiao, Sun Zhaohua, Li Yitian, et al. Changes and causes of lower water level in Yichang-Chenglingji reach after impounding of Three Gorges Reservoir
Engineering Journal of Wuhan University, 2011,44(6):685-690, 895.
[本文引用: 2]

[ 韩剑桥, 孙昭华, 李义天, 等. 三峡水库蓄水后宜昌至城陵矶河段枯水位变化及成因
武汉大学学报(工学版), 2011,44(6):685-690, 895.]
[本文引用: 2]

[23] Sun Zhaohua, Huang Ying, Cao Qixin, et al. Spatial and temporal variations of the low flow stage in the immediate downstream reach of the Three Georges Dam
Journal of Basic Science and Engineering, 2015,23(4):694-704.
[本文引用: 1]

[ 孙昭华, 黄颖, 曹绮欣, 等. 三峡近坝段枯水位降幅的时空分异性及成因
应用基础与工程科学学报, 2015,23(4):694-704.]
[本文引用: 1]

[24] Zhang Xibing, Lu Jinyou, Lin Qiusheng. Preliminary study on accumulated influence of the bankline use on flood control in the middle and lower reaches of the Yangtze River
Resources and Environment in the Yangtze Basin, 2011,20(9):1138-1142.
[本文引用: 2]

[ 张细兵, 卢金友, 蔺秋生. 长江中下游岸线利用对防洪累积影响初步研究
长江流域资源与环境, 2011,20(9):1138-1142.]
[本文引用: 2]

[25] Chai Yuanfang, Li Yitian, Yang Yunping, et al. Water level variation characteristics under the impacts of extreme drought and the operation of the Three Gorges Dam
Frontiers Earth Science, 2019,13(3):510-522.
[本文引用: 1]

[26] Yuan Weihao, Yin Daowei, Finlayson B, et al. Assessing the potential for change in the middle Yangtze River channel following impoundment of the Three Gorges Dam
Geomorphology, 2012,147/148:27-34.
[本文引用: 1]

[27] Li Yunzhong. Change in Yangtze water level along Yichang stretch in dry season
China Three Gorges Construction, 2002,9(5):12-14.
[本文引用: 1]

[ 李云中. 长江宜昌河段低水位变化研究
中国三峡建设, 2002,9(5):12-14.]
[本文引用: 1]

[28] Dai Shuiping, Yan Jinbo, Zou Tao, et al. A study of the impact of bottle-neck reach evolution downstream from Gezhouba on Yichang's low water level
Express Water Resources & Hydropower Information, 2012,33(7):40-44.


[ 代水平, 闫金波, 邹涛, 等. 葛洲坝下游沿程节点演变对宜昌枯水位影响研究
水利水电快报, 2012,33(7):40-44.]


[29] Cheng Jinhai, Xiang Rong, Qiu Xiaofeng, et al. Analysis of the impact on roughness of riverbed erosion downstream the Three Georges Project
Express Water Resources & Hydropower Information, 2012,33(7):59-63.
[本文引用: 1]

[ 成金海, 向荣, 邱晓峰, 等. 三峡水库运行初期坝下近坝段河道冲刷对河床糙率影响分析
水利水电快报, 2012,33(7):59-63.]
[本文引用: 1]

[30] Yang Yunping, Zhang Mingjin, Li Yitian, et al. Suspended sediment recovery and bedsand compensation mechanism affected by the Three Gorges Project
Acta Geographica Sinica, 2016,71(7):1241-1254.
[本文引用: 2]

[ 杨云平, 张明进, 李义天, 等. 长江三峡水坝下游河道悬沙恢复和床沙补给机制
地理学报, 2016,71(7):1241-1254.]
[本文引用: 2]

[31] Zhang Wei, Yang Yunping, Zhang Mingjin, et al. Mechanisms of suspended sediment restoration and bed level compensation in downstream reaches of the Three Gorges Projects (TGP)
Journal of Geographical Sciences, 2017,27(4):463-480.
[本文引用: 2]

[32] Li Yitian, Sun Zhaohua, Liu Yun, et al. Channel degradation downstream from the Three Gorges Project and its impacts on flood level
Journal of Hydraulic Engineering, 2009,135(9):718-728.
[本文引用: 2]