三峡水库运行后汉口—九江河段水位变化特征及成因

章广越 谈广鸣 张为 李明 尹志 李清韬

摘要：大型水库的修建引起坝下游的水位调整，进而对河势、航运、防洪及生态等产生显著影响。为探究汉口—九江河段水位变化特征及成因，采用M-K分析法分析1988—2022年汉口、黄石港和九江站的水位变化趋势，并使用基于距平残差的水位变幅分析方法和一维水动力模型，分析河道冲淤、下游水位和阻力变化对不同特征流量下水位变化的影响。研究结果表明：① 三峡成库前，除九江站枯水位呈显著性下降趋势，各级流量下的水位均没有显著性变化趋势。② 三峡成库后，九江站的水位变化趋势与建库前相同;汉口站、黄石港站在12 000 m3/s和20 000 m3/s下的水位呈显著性下降趋势，12 000 m3/s时降幅分别为0.072、0.045 m/a，20 000 m3/s时降幅分别为0.048、0.027 m/a;水位变化的临界转换流量约为30 000 m3/s，在该流量附近水位未出现明显变化;当流量大于30 000 m3/s时，水位呈非显著性上升趋势，45 000 m3/s下的升幅分别为0.037、0.049 m/a。③ 临界转换流量以下水位下降的主导作用为河道冲刷，临界流量附近的水位未出现明显变化源于阻力增大作用接近抵消了河道冲刷的影响，临界转换流量以上的水位上升源于阻力增大作用更加明显，个别年份的洪水位上升显著源于下游水位顶托作用明显。

关键词：水位变化;水位—流量关系;河道阻力;M-K分析法;汉口—九江河段;三峡水库

中图分类号：TV121.4  文献标志码：A  文章编号：1001-6791（2024）01-0085-13

大型水库的修建往往会改变水库下游的水沙时空分布过程从而打破流域原有的稳定性，造成坝下游的水位产生相应的改变，进而对河势、航运、防洪及生态等产生影响。尼罗河阿斯旺大坝、科罗拉多河哥伦峡大坝、密苏里河福特佩克大坝等建成后，下游河道因为河床下切普遍出现了水位下降和水面比降变缓的现象［1-3］;汉江丹江口水库蓄水后，下游黄家港、襄阳、皇庄等水文站中低水水位降低，但高水水位出现了抬升，尤其是皇庄—大同河段的局部工程建设引起皇庄站2016—2017年较2000—2015年高水位抬高约1.47 m［4-5］;黄河小浪底水库蓄水后，花园口河段河床下切3.44 m，但由于河床粗化促进了更大沙丘的发展进而增加了河道阻力，使得大于6 100 m3/s的洪水位产生了不同程度的升高［6］。综上，不同河流不同河段的坝下游水位变化表现出巨大的差异性。

长江是世界上内河运输最繁忙、运量最大的通航河流，其枯水位变化决定着航道条件的优劣和取用水的安全，洪水位变化则是防洪关注的重点。目前针对枯水位变化，已有的研究均一致认为上游来沙持续減少叠加三峡水库的拦沙作用导致下游河道产生了剧烈冲刷，各水文站同流量下的水位产生了不同程度的降低;针对洪水位变化，已有的研究普遍认为洪水位没有显著性的变化趋势，主要原因是河道阻力增大效应与河道主槽冲刷效应接近［7-10］。但是，水位的变化并不是间断式的调整过程，随着流量的增大，枯水位表现出的下降趋势肯定在某一流量级下发生了转变，相关学者［7，11-12］的研究虽然提到了该临界转换流量的存在，但并没有对其进行识别，李义天等［10］通过三峡水库蓄水后汉口站早期的逐年水位—流量关系套汇确定了汉口站的临界转换流量在30 000 m3/s左右，但并未对其成因做出定量解释。此外，对于不同流量级下的水位变化成因，柴元方等［12］虽然定量识别了荆江河段的洪枯水位变化成因，但针对螺山以下河段不同流量级下的水位变化成因仍需进一步阐明。

本文以汉口—九江河段（以下简称汉九河段）为例，使用最新的水文数据识别水位变化的临界转换流量，探究临界转换流量的成因，并利用分离变量法定量阐明河道冲淤、下游水位和河道阻力变化对洪水、中水及枯水不同流量级下水位变化的影响。该研究可以为水位调整趋势预测和航运、防洪等对策的制定提供参考。

1 数据及研究方法

1.1 数据概况

汉口站和九江站为汉九河段进出口的重要控制水文站，黄石港水位站位于汉九河段中部，距汉口站约126 km（图1）。收集了1988—2022年汉口站、九江站的逐日平均水位、流量数据，1991—2022年黄石港站的逐日水位数据和2004年、2008年、2013年、2020年汉九河段的179个实测固定断面资料，上述资料均来源于水利部长江水利委员会水文局。鉴于三峡水库于2003年开始蓄水，因此将2003年作为分界年，对成库前后水位变化进行研究。三峡水库于2008年开始进行175 m实验性蓄水［13-14］，于2013年开始受梯级水库群蓄水影响，文中将2008年和2013年作为划分时间节点。高程系统均采用85高程基准。

1.2 研究方法

1.2.1 天然状态水位变化趋势分析

Mann-Kendall（以下简称M-K）检验法［15］是水文要素趋势分析较好的工具，优点是不需要样本遵从一定的分布。本文采用非参数M-K检验法对水文站的水位时间序列进行趋势分析，定量反映变化趋势的显著性。趋势的变化由统计值Z判断，若Z＞0，表明序列呈上升趋势，反之为下降趋势。给定显著性水平α=0.05，相应Z1-α/2=±1. 96，如果|Z|＞1.96，则认为水文序列变化趋势显著。衡量趋势大小的指标还有Kendall倾斜度（β），表示单位时间内的变化量，β＞0表示上升，β＜0为下降，β值的大小代表平均变化率。

1.2.2 水位—流量关系分析

（1） 单值型水位—流量关系在工程实践中应用最广泛的形式为［16］

Z=aQb+Z0（1）

式中：Z0为零流量时的水位，m;Z为水位，m;Q为流量，m3/s;a、b为待定参数。式（1）基于恒定均匀流得到，其优点在于可通过最小二乘法便捷确定参数，流量和水位之间可双向换算;其缺点在于恒定均匀流的假定与天然情况不符，对于明显受回水影响的河段，流量与相应水位不能呈密集带状分布，用单值型水位—流量关系表示可能存在较大误差。

（2） 多值型水位—流量关系基于恒定渐变流，考虑了河段内的回水影响，本文采用孙昭华等［16］提出的考虑回水影响的河道水位—流量关系：

式中：Zu、Zd分别为进口、出口水位，m;a′、b′为待定参数，可通过Q、Zu和Zd的长系列日均资料共同率定。式（2）的优点在于，可以剔除研究河段出口端下游的回水影响，与式（1）相比较可以得到具体的回水影响程度。

1.2.3 基于距平残差的水位变幅分析方法

该方法以水位—流量关系回归曲线为基础，以同一特征流量下实际水位相对多年平均回归曲线的差值形成的水位残差时间序列来定量反映水位的时间变化特点。相较于直接通过水位—流量关系计算水位变幅，所需步骤更少，结果更加直观。

水位残差时间序列计算公式可描述为：

1.2.4 一维水动力数学模型

一维水动力数学模型理论基础及数值离散格式均较为成熟［17］，其基本控制方程为圣维南方程组：

2 水位变化特征分析

2.1 三峡成库前后水位—流量关系对比

参考文献［8］，选取12 000、20 000、30 000、45 000 m3/s分别作为枯水、中低水、中高水、洪水的特征流量（指能反映某流量级的典型流量）。点绘三峡成库前后汉口站、黄石港站和九江站的水位—流量关系散点并拟合单值型水位—流量关系曲线如图2所示，可以看出枯水流量下，各站蓄水后的散点波动范围有较为明显的降低，说明同流量下枯水位下降明显;中水流量下，各站流量较小时蓄水后的散点波动范围有所降低，流量较大时蓄水后的散点波动范围基本与蓄水前重合，说明水位降幅随着流量增加而逐渐减小;洪水流量下，蓄水后的散点波动范围基本与蓄水前重合，但汉口站和黄石港站上边界的波动范围超出了蓄水前的波动范围，说明汉口站和黄石港站部分年份的洪水位有所上升。

2.2 水位变化趋势

为分析汉九河段的水位变化趋势，选取4个特征流量对三峡建库前后汉口站、黄石港站和九江站的水位进行单变量M-K趋势分析。统计量值结果见表1。由于各年份在同一流量有多个数据且对应不同水位，某些年份缺少所选流量数据，为了确保各个年份所选流量对应水位的准确及完整，在趋势分析中各年均采用典型流量±5%范围内的水位平均值进行研究;对于某些年份缺少的水位、流量数据，采用水位—流量关系插值确定。

从表1可以看出，三峡水库蓄水前后各级流量下的水位呈现出不同的变化趋势。三峡水库蓄水前（1988—2002年），除九江站枯水位表现为显著性下降趋势，3站在各级流量下|Z|均小于1.96，呈非显著性变化趋势。三峡水库蓄水后（2003—2022年），九江站的水位变化趋势与建库前相同;汉口站、黄石港站在12 000和20 000 m3/s特征流量下Z值均小于-1.96，β值均为负，水位呈显著性下降趋势，12 000 m3/s下水位降幅分别为0.072、0.045 m/a，20 000 m3/s下水位降幅分别为0.048、0.027 m/a，在45 000 m3/s特征流量下Z值均小于1.96，β值均为正，水位呈非显著性上升趋势，升幅分别为0.037、0.049 m/a。

由上述分析可知，存在水位下降与抬升的临界转换流量，为确定该流量，补充了25 000和35 000 m3/s下的M-K趋势分析，结果表明各站流量在30 000 m3/s时Z值以及β值均接近0，可以确定30 000 m3/s左右为水位变化的临界转换点。

3 水位变化成因分析

3.1 河道冲淤变化

采用断面法统计三峡水库蓄水至2020年汉九河段枯水河槽、基本河槽、平滩河槽和洪水河槽的冲淤量。枯水河槽、基本河槽、平滩河槽和洪水河槽分别是指当宜昌站流量为5 000、10 000、30 000和50 000 m3/s时所对应的水面线以下的河槽，对应汉口站的水位为11.59、17.26、20.98和24.21 m［10，18-19］。2003—2020年，枯水河槽、基本河槽、平滩河槽和洪水河槽的累积冲刷量分别为64 089万、63 733万、61 315万和63 163万m3;其中，2014—2020年，累积冲刷量分别为42 252万、45 011万、45 228万和48 447万m3。可以看出，冲刷主要发生在枯水河槽，2013年梯级水库蓄水后，三峡水库的入出库沙量较2003—2012年平均值减幅均超过65%［20］，汉九河段冲刷强度明显增强。在河道断面图上也可以看出，断面主要以“U”型和“V”型为主［21］，且断面扩大范围主要集中在枯水河槽，枯水河槽以上变化不大（图3，HL13-1、HL13-4位于武汉河段，CZ87位于黄石河段，CZ105位于田家镇河段）。计算平滩水位下各断面要素的变化，平均水深增加约1.2～2.7 m。

为了研究河槽沖淤沿程分布，分别统计了汉口—黄石港（汉黄）河段和黄石港—九江（黄九）河段枯水河槽累积冲淤强度随时间的变化关系（图4），可以看出汉黄河段的累积冲淤强度明显大于黄九河段，梯级水库蓄水前，冲刷主要发生在汉黄河段，梯级水库蓄水后，汉黄河段、黄九河段冲刷量分别由2013年以前的13.7万m3/（km·a）、3.8万m3/（km·a）增加为26.2万m3/（km·a）、21.9万m3/（km·a），全河段由弱冲刷阶段转变为强冲刷阶段。

统计汉口站、黄石港站和九江站枯水、中低水、中高水和洪水水位的累积降幅与相应的武汉河段、黄石河段、九江河段河槽的累积冲淤强度之间的相关关系，枯水和中低水水位的累积降幅与累积冲刷强度表现出较好的相关性，汉口站、黄石港站和九江站枯水位的相关系数（R2）分别由2013年以前的0.63、0.50、0.01增大为0.67、0.70、0.62，汉口站中低水位的R2由2013年以前的0.45增大为0.63;中高水和洪水水位的累积降幅与累积冲刷强度未表现出明显的相关性;说明河槽冲刷下切是三峡水库蓄水后枯水和中低水流量下水位下降的重要原因。

3.2 下游水位变化

选取2004年、2020年分别作为建库初期和现状的代表年份，拟合汉口站、黄石港站和九江站的单值型水位—流量关系，并计算特征流量下的水位变化（表2）。可以看出，枯水流量（12 000 m3/s）下，黄石港站和九江站的水位有明显下降，但小于汉口站的降幅，即汉口站枯水位下降是下游控制水位的降低和河道冲刷累积作用的结果，河道冲刷为主导因素;中水流量（30 000 m3/s）下，黄石港站和九江站的水位均变化较小，但汉口站中低水流量（20 000 m3/s）下水位降幅明显，中高水流量下水位无明显变化，初步分析认为，这与汉黄河段的冲刷强度大于黄九河段的冲刷强度且冲刷主要发生在枯水河槽有关（图3）;洪水流量（45 000 m3/s）下，汉口站、黄石港站和九江站的水位均有明显上升，即下游水位有明显上升时，其顶托作用对上游洪水位的升高有显著影响。

此外，由于建库前九江站枯水位已经出现了显著性下降，为分析其原因，根据蓄水前九江站枯水流量±5%的范围，选取了对应日期湖口站（鄱阳湖汇入长江控制站，九江站距离鄱阳湖入口约21 km）逐日水位、流量进行了M-K趋势分析，结果表明Z值为-2.91，即蓄水前湖口站的水位出现了显著性降低，而湖口站与九江站的水位呈线性正相关关系［22］，持续采砂和水流冲刷等因素造成入江水道区域湖盆高程显著下降［23-24］，也是建库前九江站枯水位显著性下降的主要原因。

汉口站下游约6.2 km处的鄂东北段有府、环河入泄，在约80～180 km处有倒、举、巴、浠河等支流汇入，在约250 km处的九江站下游有鄱阳湖来流汇入，以上入流的大小及遭遇组合存在较大随机性，一旦这些支流发生暴雨性洪水，将对上游水位产生顶托。同时，气候变暖背景下，长江中下游暴雨频发［25-27］，因此，有必要分析下游水位顶托对近年来洪水位升高的影响。

选取建库前的水位、流量数据，分别使用式（1）的单值型水位—流量关系和式（2）考虑回水影响的水位—流量关系进行拟合，得到汉口站和黄石港站的2种水位—流量关系如下：

汉口站的单值型水位—流量关系和考虑黄石港站回水影响的水位—流量关系：

黄石港站的单值型水位—流量关系和考虑九江站回水影响的水位—流量关系：

分别使用式（7）—式（8）和式（9）—式（10）计算1988—2022年汉口站和黄石港站洪水特征流量（45 000 m3/s）下的水位残差，并绘制距平水位残差变化，如图5—图6所示。考虑到在残差计算中，特定流量所对应的数据较少，因此将其拓展为具有一定范围的、以特征流量为中心的流量区间，即45 000 m3/s洪水特征流量区间为40 000～50 000 m3/s。汉口站1988—2022年共筛选了748个数据，图5—图6中给出了洪水特征流量区间内的各流量值按年取平均后的均值变化，并绘制了洪水特征流量参考线。可见，各年平均流量基本在洪水特征流量的±5%范围内，部分年份由于来水偏枯，平均流量较低，但也未超出-10%，因此认为计算的残差能够反映同流量下的洪水位变化。但要注意的是，三峡水库蓄水后，洪水平均流量普遍小于特征流量，且平均流量减少超过5%的来水偏枯的年份均在三峡水库蓄水以后（尤其是2008年以后），根据黄仁勇等［13］的研究，2008年以后三峡水库汛期开展了中下洪水调度，出库40 000 m3/s以上的大流量减少，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减导致。

剔除黄石港站水位顶托影响时，汉口站年均残差基本在±0.5 m内波动，见图5（a），考虑黄石港站水位顶托影响时，汉口站年均残差基本在±1.5 m内波动，见图5（b）;剔除九江站水位顶托影响时，黄石港站年均残差基本在±0.5 m内波动，见图6（a），考虑九江站水位顶托影响时，黄石港站年均残差基本在±2 m内波动，见图6（b）;且三峡蓄水后洪水位均表现出先减小后上升的趋势，除2016年水位残差偏高外，三峡水库蓄水后水位残差均未超过蓄水前的波动范围。而2016年汉口站水位残差偏高主要是因为汉九河段的中小支流来流异常偏大，导致汉口站下游同流量下水位较往年偏高，从而使汉口站的水位受下游顶托升高明显。以上分析表明，汉口站和黄石港站的洪水位在三峡水库蓄水前后并未发生明显趋势性改变，下游水位顶托作用增加了每年洪水位的波动幅度，个别年份的洪水位极端升高主要受下游水位顶托影响。此外，随着城镇化进程加快，沿江排涝能力（特别是城市）显著增强，强降雨期间，雨洪渍水通过抽排快速直接入江，迅速转换为河道洪水推高河道水位，也是洪水位升高的原因之一。

3.3 河道阻力变化

利用一维水动力模型，根据2004年、2008年、2013年和2020年汉九河段实测179个固定断面地形以及汉口站、黄石港站和九江站的实测水文数据，由单值型水位—流量关系计算4个流量级下的水位，率定了4个流量级下河道的曼寧糙率系数。由表3可知，2004—2020年，各流量下糙率均呈现明显增大趋势，尤其是2013年以后，增大趋势更加明显。这主要源于2013年以后枯水河槽冲刷更加明显，床沙进一步粗化，且洲滩植被覆盖增加，涉水工程密集增多［7-8，27］。

为了进一步明确水位变化的临界转换流量和下游水位变化的影响程度，基于控制变量原则，分别将汉九河段2004年、2020年的实测地形资料、下游控制水位（九江站）和计算得到的曼宁糙率（表3）输入一维水动力模型中，计算得到河道冲淤、下游控制水位及综合糙率调整对不同特征流量下汉口站和黄石港站水位的影响。采用2004年汉九河段的糙率和九江站控制水位，根据2004年和2020年实测地形进行计算，相减得到地形调整对水位的影响值（Ht）;采用2004年汉九河段的糙率和实测地形，根据2004年和2020年九江站控制水位进行计算，相减得到下游控制水位变化对水位的影响值（Hw）;采用2004年汉九河段的实测地形和九江站控制水位，根据2004年和2020年的糙率进行计算，相减得到综合糙率变化对水位的影响值（Hn），具体结果见表4。结果表明：

（1） 2004—2020年间，4个特征流量下的实测水位变化值约等于三因素线性叠加作用对水位的影响值。

（2） 4个特征流量下下游控制水位（九江站）变化对黄石港站的影响程度明显大于汉口站，且九江站水位降低对汉口站和黄石港站的影响较小，而九江站的水位顶托对汉口站和黄石港站的影响较大。进一步使用汉九河段2004年的实测地形，统计深泓线与12 000、45 000 m3/s下的水面线，并对比计算控制水位分别下降1 m的水面线（图7）。可以看出，深泓起伏较大，河床纵剖面形态存在着不连续现象，枯水流量下东槽洲、戴家洲、牯牛洲等位置产生了多个明显跌坎并形成“过水堰”，其卡口作用阻断或削弱了枯水流量下下游水位下降向上游的传播，而洪水流量下该作用并不明显。这也是三峡水库蓄水前，枯水流量下九江站水位显著性下降的影响没有传递到黄石港站的原因。

（3） 当流量为30 000 m3/s时，实测水位变化值和三因素线性叠加作用对水位的影响值均接近于0，即水位变化的临界转换流量约为30 000 m3/s。分析认为临界转换流量约为30 000 m3/s的原因主要有3点：① 该流量下的水位较高，河槽形态主要以“V”型或“U”型为主，断面扩大范围主要集中在枯水河槽，冲刷引起的水位下降幅度在该流量附近已经明显削弱，且河槽形态在此流量以上明显放宽（图3）;② 三峡蓄水后水流漫滩天数明显缩短，植被面积扩张增加了滩地阻力［8］;③ 近年来桥梁、码头、整治工程等涉水工程密集增多，涉水工程的桩基主要集中在枯水河槽以上，且在30 000 m3/s左右时影响明显增大，增加了河床局部阻力和河道形态阻力，并引起河道水位和流场的叠加影响［7，28］。

4 结  论

本文采用M-K法分析了三峡水库蓄水前后汉九河段的水位变化趋势，通过一维水动力模型识别了水位变化的临界转换流量并解释了其成因，利用分离变量法，阐明了河道冲淤、下游水位和河道阻力变化对洪水、中水、枯水不同流量级下水位变化的影响程度。主要结论如下：

（1） 三峡成库前，除九江站枯水位呈显著性下降趋势，汉九河段各级流量下的水位均表现为非显著性变化趋势。三峡成库后，汉九河段的洪水、中水、枯水流量下水位呈现出不同的变化特点。九江站的水位变化趋势与建库前相同;汉口站、黄石港站在12 000和20 000 m3/s下的水位呈显著性下降趋势;当流量大于30 000 m3/s时，水位呈非显著性上升趋势;个别年份的洪水位上升明显。

（2） 汉九河段水位变化的临界转换流量约为30 000 m3/s，临界转换流量以下的水位显著性下降主要是河道冲刷和阻力增大综合作用的结果，主导作用为河道冲刷，临界转换流量附近的水位未出现明显变化源于阻力增大作用接近抵消了河道冲刷的影响，临界转换流量以上的水位非显著性上升源于阻力增大作用更加明显。

（3） 汉九河段河槽有多个明显跌坎并形成“过水堰”，枯水流量下，其卡口作用阻断或削弱了下游水位下降向上游的传播，而洪水流量下该作用并不明显，个别年份的洪水位上升显著源于下游明显的水位顶托作用。

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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