2023, Vol. 35 
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(3: 长江水利委员会长江水文局, 武汉 430010)
(4: 长江航道规划设计研究院, 武汉 430040)
(2: Nanjing Hydraulic Research Institute of Ministry of Water Resources, Ministry of Transport, National Energy Administration, Nanjing 210024, P. R. China)
(3: Changjiang Hydrology Bureau, Changjiang Water Resources Commission, Wuhan 430010, P. R. China)
(4: Changjiang Waterway Planning and Design Research Institute, Wuhan 430040, P. R. China)
洞庭湖是中国第二大淡水湖，也是长江中游重要的吞吐湖泊，长江上游来水经松滋口、太平口和藕池口(习称“三口”)进入洞庭湖，同时洞庭湖还承接了湘、资、沅、澧(习称“四水”)，经调蓄后由城陵矶汇入长江，与长江形成了复杂的江湖关系[1]。在气候变化与人类活动等影响下，近百年来洞庭湖与长江关系发生了多次调整[2-3]，2003年三峡工程运行使得江湖关系又进入了新一轮调整阶段[4-6]，势必影响航道水深资源的利用程度。因此，有必要开展三峡工程运行对荆江河段分汇区域碍航特性及影响机制的研究，支撑“黄金航道”的可持续发展。
近20年来，已有研究重点从洞庭湖区水沙时空演变[7]、长江与洞庭湖水体交换能力[8-10]、洪涝灾害[9, 11-12]、河湖容积[13-14]、生态环境要素[7, 14-15]等方面解析了江湖关系调整对三峡水库运行的响应。即随着三峡及上游梯级水库运行引起的流量过程变化对洞庭湖分汇关系的影响正在加大[16]，三峡工程运行20年后，荆江河段中高水位下降幅度有限，三口分流洪道河床高程降幅较大，三口分流比将不会减少[6]；长江枝城站同流量下，监利站泄流量受洞庭湖出流顶托强度减弱，洞庭湖出流受荆江下泄水量顶托强度也减弱[17]。荆江河段的航道水深由2002年2.9 m提升至2020年3.5~3.8 m[18-19]，以2014年2月地形进行航道条件核查显示，宜昌至武汉、武汉至安庆段航道水深具备由3.5和4.5 m分别提升至4.5和6.0 m的有利基础[19]。同时注意到，洞庭湖与长江交汇区域水动力、泥沙输移及洲滩演变等关系复杂，是航道治理与疏浚维护重点河段[20]；已有研究重点关注了三峡水库运行后洞庭湖与长江交汇区域河床冲淤[21-22]、洲滩变化[23-24]、分流关系[24-26]、碍航特征[19, 27]等变化。在碍航成因的驱动机制上，三峡运行后清水下泄引起河床整体冲刷，同时也出现了枯水位下降，也使得近坝段约400 km内的设计最低通航水位为下降态势[18-19]。由于枯水位下降、河槽冲淤的不均衡性使得近坝段航道水深的提升难度加大，如现状航道条件下河湖影响的枝城-大埠街河段[20, 27]、太平口水道[23-24]、藕池口水道[28]均需要进行疏浚维护。同时汊道分流关系不稳定[24-26]、洲滩冲刷或切割[23-24]破坏了航道边界的完整性，影响航道尺度的稳定与提升。为此，对于长江荆江河段与洞庭湖分汇区域的航道问题，应关注河湖分流关系、洲滩群演变、汊道分流关系等综合影响，识别碍航驱动机制以支撑荆江河段的航道尺度提升。
本文以长江-洞庭湖分汇影响的荆江河段为对象，利用1960—2021年实测水沙数据、2002—2021年水位、地形资料，研究洞庭湖分汇关系、荆江河段滩槽演变对分汇段航道条件与碍航特性等影响，支撑长江“黄金航道”水深资源的可持续发展。
1 研究河段概况与研究数据 1.1 长江-洞庭湖分汇区域洞庭湖处于长江南岸，由松滋口、太平口和藕池口分流进入洞庭湖，在城陵矶汇入长江(图 1a)。松滋口、太平口、藕池口分流区域的影响河段为关洲-芦家河水道(分布有关洲心滩、碛坝心滩)，太平口水道(分布有太平口心滩和三八滩，腊林洲边滩和杨林矶边滩)，藕池口水道(分布有新厂边滩、天星洲心滩、陀阳树边滩、藕池口心滩、倒口窑心滩及向家洲边滩)；汇流区域水位顶托影响河段为熊家洲-城陵矶河段(分布有熊家洲、七姓洲和八姓洲)(图 1b~e)。荆江河段分布有枝城、沙市、监利及螺山站，洞庭湖松滋口水文站为新江口和沙道观，太平口为弥陀寺，藕池口为唐家岗和管家铺，入汇长江水文站为城陵矶。
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图 1 长江荆江-洞庭湖区域河势 Fig.1 River regime map of Jingjiang-Lake Dongting of Yangtze River |
收集了1960—2021年枝城、沙市、监利及螺山站水位、流量、输沙率数据，分析荆江河段水沙条件变化；收集了1960—2021年洞庭湖松滋口(新江口、沙道观)、太平口(弥陀寺)、藕池口(管家铺、唐家港)及城陵矶站流量、沙量数据，分析长江-洞庭湖水沙关系变化；收集了2002—2021年荆江河段水位、河床地形数据，分析洞庭湖-荆江交汇区域水位、航道条件、洲滩变形及断面等变化。收集了2003—2021年期间枝城、陈二口、毛家花屋、姚港、昌门溪、枝江、大埠街、沙市的枯水期水位数据，分析水位和比降的变化。以上数据，来自于长江航道局、长江水利委员会水文局、长江航道规划设计研究院、长江航道测量中心等单位或机构，部分来自于《长江泥沙公报》。
2 研究结果 2.1 长江径流和泥沙变化2003—2021年与1960—2002年比较，枝城、沙市、监利和螺山站径流量变幅分别为-3.47 %、-0.76 %、+4.38 % 和-2.89 % (图 2a)，沙量变幅为-91.75 %、-88.39 %、-82.23 % 和-79.88 % (图 2b)。整体而言，1960—2021年期间荆江河段的径流量变幅较小，沙量呈现显著减少态势。
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图 2 长江干线径流量和输沙量变化 Fig.2 Runoff and sediment in mainstream of Yangtze River |
1970—2021年期间各时段城陵矶站径流量无趋势性变化，但径流量均低于1960—1969年(表 1)。1960—2002年洞庭湖松滋口、太平口、藕池口径流量分别为414×108、159×108、301×108m3/a，2003—2021年分别为308×108、80×108、111×108 m3/a，减幅分别为25.64 %、50.09 % 和62.95 %，三口径流量减幅为42.93 % (表3)。1960—2002年期间洞庭湖松滋口、太平口、藕池口径流量分别为4566×104、1839×104和5288×104 t/a，2003—2021年分别为466×104、111×104、273×104t/a，减幅分别为89.80 %、93.95 % 和94.84 %，三口沙量减幅为92.73 % (表 1)。2003—2021年与1960—2002年进行比较，城陵矶站径流量和沙量减幅分别为12.50 % 和54.08 %。1960—2002年洞庭湖三口分沙比高于分流比，即三口分流作用使得荆江河段含沙量呈降低态势。2003—2021年分沙比较分流比高9.31 %，这一差异高于1960—2002年期间的4.14 %，分流分沙关系不协调增大了荆江河段的河床冲刷强度。
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表 1 洞庭湖分汇的流量、沙量变化统计 Tab. 1 Statistical of variation of runoff and sediment amount of Lake Dongting |
2002年10月-2021年4月期间荆江河段为冲刷态势，枯水、平滩河槽的冲刷量分别为11.18×108和12.29×108 m3，枯水河槽冲刷的比例为90.95 % [29]。2002—2021年期间荆江河段的深泓以下切为主，洞庭湖分流段的关洲-芦家河段深泓为单向冲刷下切态势，太平口、天星洲-藕池口、熊家洲-城陵矶等河段的深泓以冲刷为主(图 3a)。依据交通运输部批复的《长江中游荆江河段航道整治二期工程工程可行性研究报告》，荆江河段的航道尺度按照4.5 m×200 m×1050 m进行治理。以2021年4月实测水深地形，首先划定规划航线，并以设计最低通航水位下的航道尺度4.5 m×200 m进行核查，不满该尺度的水道有16个，总长度为18.4 km，占荆江河段总长度的5.3 % (图 3b)。洞庭湖松滋口、太平口、藕池口及汇流影响区段的碍航长度为12.6 km，占碍航总长度的68.35 %。
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图 3 荆江河段深泓线与4.5 m航道水深条件核查 Fig.3 Verification of thalweg and 4.5 m depth waterway in Jingjiang Reach |
松滋口分流区域影响区域为关洲-芦家河水道，河床底质为砂卵石，主要存在汊道间冲淤不均衡、水位下降显著、洲滩形态不稳定、坡陡流急等要素影响航道条件的稳定与提升。
3.1.1 水动力条件的影响荆江河段规划通行船舶为5000 t，上滩流速不超过2.8 m/s，比降不高于8 ‱。2005—2018年枝城至昌门溪河段最大流速为3.28 m/s(出现在2020年，图 4a, 4c)，不利于船舶安全航行；枝城至陈二口河段纵向比降较小，陈二口至昌门溪段比降呈增加态势。受松滋口分流量减少的影响，芦家河右汊分流比相对增加使得汊道内显著冲刷，引起枯水期主航道的左汊水动力减弱，并出现航道水深不足4.5 m或宽度不足200 m的现象(图 4b)。由于右汊河床抗冲性高于下游沙质河床河段，即受下游水位下降溯源传递作用显著，2007年以来昌门溪-大埠街段枯水期水面比降高于8 ‱ (图 4d)，“坡陡流急”现象仍然存在。同时，2003—2021年期间宜昌站流量为6000 m3/s时枝城、陈二口、毛家花屋、姚港、昌门溪的水位累计下降值分别为0.46、0.59、0.93、0.97和1.19 m(图 4e)。近期砂卵石河段河床冲淤强度呈减弱态势[22, 30-31]，河床呈粗化态势[32-34]，一定程度减缓了枯水位降幅[34-36]，但水位下降不利于枯水期航道水深的稳定与维持[18-19]。综上分析，松滋口分流区域碍航驱动机制之一为：枯水位持续下降不利于航道尺度的维持与提高，“坡陡流急”现象仍然存在，影响船舶航行安全。
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图 4 松滋口区域航道条件、流速、比降及水位变化 Fig.4 Changes of channel conditions, velocity, specific drop and water level in Songzikou region |
1960—2002年、2003—2021年松滋口分流量分别为414×108和308×108 m3/a，分流比为9.3 % 和7.1 %。2003—2018年与1984—2002年比较，枝城站6000、10000和20000 m3/s流量对应的关洲右汊分流比分别减少5.5 %、5.2 % 和4.7 % (图 5a)。2008—2019年与2003—2007年比较，枝城站6000、10000和20000 m3/s流量对应芦家河左汊分流比分别减少2.8 %、3.2 % 和3.3 % (图 5b)。松滋口分流量减少相对增加荆江河段径流量，叠加芦家河左汊因抗冲性弱而使得冲刷加剧(图 5e, 5f)，共同引起芦家河同流量-左汊分流比为减少态势。关洲左汊、芦家河右汊同流量-分流比增加态势，其共同特征是水流流程短的汊道分流比增加。2014—2016年期间实施了长江中游宜昌至昌门溪河段航道整治一期工程，芦家河左汊枯水期分流比增加11.1 %，工程实施对抑制右汊冲刷和左汊分流比减少起到了积极作用。2002—2021年期间关洲、碛坝的滩体面积为减少态势，长江中游宜昌至昌门溪河段航道整治一期工程实施以来，江心洲面积基本稳定(图 5c, 5d)。已有研究证实[23-24, 37]，江心洲大规模减少进一步增加了汊道进口水流的横向摆动空间，不利于汊道分流关系稳定。综合分析认为，松滋口分流段关洲、芦家河汊道枯水期支汊分流比增加，不利于枯水期主航路分流比的稳定，洲滩萎缩及松滋口分流量减少加速了分流相对增加带来的关洲、芦家河枯水期支汊冲刷发展，是松滋口分流影响区段碍航的关键驱动因素。
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图 5 松滋口区域汊道分流比、江心洲面积和代表断面变化 Fig.5 Branching ratio, area of beaches and variation of representative section near Songzikou Reach |
太平口分流区域为太平口水道，水道内洲滩多且演变的关联性强[23-24]，三峡工程运行后水沙条件发生显著的变化，航道条件更为关注洲滩形态趋势性、汊道分流稳定性及航路可维护性。2003—2021年期间大埠街、沙市枯水位(宜昌站流量为6000 m3/s)分别下降3.29和2.94 m(图 4e)，同期河床也为下切态势，因枯水位下降与河床下切的不均衡性与不协调等影响，太平口心滩两槽、三八滩两汊分流关系不稳定及洲滩联动关系等变化，不利于太平口分流区域航道水深的稳定与提升。
3.2.1 洲滩演变对航道条件的影响核查太平口水道设计最低水位下4.5 m水深条件(图 6a, b, c)，结果表明：太平口南槽-三八滩南汊(航路1)、太平口南槽-三八滩北槽(航路2)的航道水深条件有所改善，至2013年太平口南槽-三八滩南汊4.5 m等深线贯通，2008—2013年太平口南槽-三八滩北槽4.5 m等深线基本贯通，2016年以来处于断开状态；2002—2018年太平口北槽-三八滩北汊(航路3)水深条件较差，2002—2018年太平口北槽-三八滩南汊(航路4)4.5 m水深航道条件逐渐改善，主要与太平口北槽水深条件改善有关。1955—1975年太平口分流量及分流比为相对稳定，此时期腊林洲边滩规模较大，且太平口心滩尚未形成[23-24]；1975—1993年太平口分流量较1955—1975年减少29.3 %，对应南槽处于发展时期，使得腊林洲边滩上段冲刷分离并形成了太平口心滩[23-24]。2002—2008年期间腊林洲边滩中上段逐渐冲刷后退下段淤积，对应太平口心滩面积增大、三八滩面积减少(图 6d, 6e)；2008—2018年太平口心滩、三八滩面积为减少态势，腊林洲边滩上段面积稳定，下段面积呈增大态势。整体上，太平口水道在三峡工程运行后已实施了多期航道整治工程，但洲滩仍处于冲刷和面积减少态势，航道边界条件仍不稳定。
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图 6 太平口区域航道条件及滩体面积变化 Fig.6 Variation of waterway conditions and beaches area of Taipingkou Reach |
2001—2010年、2010—2018年天平口心滩北槽汊道分流比经历了先减少后增加态势，其中2004—2006年发生了枯水期汊道交替，2006年以来天平口心滩南槽枯水期分流比高于50 %，且枯水期主航道位于太平口心滩南槽(图 7a, 7b)。2002→2012→2021年期间太平口心滩南槽和北槽以冲刷为主，北槽冲刷深度大于南槽，心滩两侧为冲刷态势。2012年以来，太平口心滩南槽和北槽不均匀冲刷及采砂活动等影响，北槽分流比为增大态势。2001→2010年→2018年三八滩南汊分流比先减少后增加，2015—2018年期间相对稳定(图 7c)，在2010—2011年期间发生枯水期汊道交替；2002→2012→2021年三八滩北汊以冲刷为主，南汊先淤积后冲刷，已引起三八滩冲刷及位置左移并形成新三八滩(图 7d)。
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图 7 太平口水道分流关系及代表断面变化 Fig.7 Relationship between beach evolution and branch diversion ratio in Taipingkou waterway |
随着藕池口分流量减少，相对增加了长江干流径流量，有利于荆江河段整体冲刷，但也会引起局部的河岸及洲滩边界不稳定，如天星洲右缘出现崩退、陀阳树边滩上段冲刷等现象，进而会影响附近的航道水深(图 8a)。2003年以来天星洲左缘崩退较为显著，荆江河段一期航道整治中实施了岸线守护，但未护区域仍为后退态势，2008—2019年崩退约360 m(图 8b)。2003—2019年陀阳树边滩上段冲刷及中下段淤积下延，挤压航槽使得倒口窑心滩崩退较为显著。
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图 8 天星洲-藕池口区域航道条件及代表断面变化 Fig.8 Changes of channel and waterway conditions in the confluence area of Tianxingzhou-Ouchikou Reach |
2013—2017年实施了荆江河段航道整治一期工程，陀阳树边滩中下段及倒口窑心滩得到守护，但未受控制的陀阳树边滩中上段仍为冲刷后退态势，冲刷泥沙下移并淤积在航槽内形成碍航淤积体。2017—2018年新厂-古长堤区段河床冲刷量约为792×104 m3，向下游输移泥沙易淤积在藕池口弯顶上游，需进行航道疏浚维护[28]。藕池口分流量减少，加剧了藕池口河段岸线崩退及边滩头部后退[38]，碍航问题为航道边界不稳定，以及冲刷形成的淤积体引起下游水深不足4.5 m或宽度不足200 m。
3.4 洞庭湖汇流长江区域碍航特性及影响机制 3.4.1 河床冲淤对航道条件的影响2012—2020年洞庭湖入汇的熊家洲-城陵矶河段表现为“凸岸侧边滩冲刷、凹岸侧河槽淤积”(图 9a)，与2002—2012年分布特征一致[8, 39]。受三峡水库运行影响，下荆江流量年内过程重分配使得凸岸边滩位于主流区的持续天数高于凹岸侧深槽，加大了边滩冲刷动力[40]。弯曲河段凸岸侧边滩冲刷引起弯曲半径减小，熊家洲-城陵矶河段的最小弯曲半径750 m并低于航道规划的1050 m，影响船舶安全通航。熊家洲-城陵矶河段由连续急弯形态，熊家洲、七姓洲、八姓洲和观音洲受河道形态、洞庭湖出流顶托作用的共同影响[13, 41]，2012年洞庭湖与荆江交汇区域4.5 m槽断开。三峡水库运行后，江湖交汇区水文相互顶托强度减弱[17]，2020年洞庭湖与荆江交汇区域4.5 m槽贯通，出现了水深不足4.5 m的散乱低滩并引起航宽不足的碍航特征(图 9b)。
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图 9 洞庭湖汇流口区域河床冲淤分布及航道条件(2012—2020年) Fig.9 Bed scouring and silting, and waterway conditions in the catchment area of Lake Dongting (2012-2020) |
由于汇流关系变化需有一定的累积调整时间，选取2003、2012和2020年实测监利站、城陵矶站水位和流量数据，分析洞庭湖入汇水体对长江干线的顶托作用。
汇流比(η)定义为城陵矶站(Q城陵矶)与监利站(Q监利)流量的比值，计算公式为：
| $ \eta=Q_{\text {城陵矶 }} / Q_{\text {监利 }} $ | (1) |
水位比(ζ)定义为城陵矶站(H城陵矶)与监利站(H监利)水位的比值，计算公式为：
| $ \zeta=H_{\text {城陵矶 }} / H_{\text {监利 }} $ | (2) |
2003、2012与2020年的监利站和城陵矶站的流量水位关系表明(图 10)，随着汇流比增大，水位比值整体为增大态势。2020年、2012年分别与2003年比较，相同汇流比条件的水位比为增加态势，表明洞庭湖出流对干线水位的顶托作用减弱。洞庭湖对长江干线水位顶托相对减弱，汇流对干流壅水强度减弱有利于熊家洲至城陵矶段4.5 m航道水深条件的维持与改善。
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图 10 洞庭湖-长江干线水位顶托关系 Fig.10 Relationship of water level crest between Lake Dongting and Yangtze River |
1) 三峡工程运行后(2003—2021年)，荆江河段、洞庭湖三口(松滋口、太平口和藕池口)、城陵矶站较三峡工程运行前(1960—2002年)沙量减少79.88 % ~91.75 %、92.73 % 和54.08 %，径流量变幅为-3.47 % ~4.38 %、-42.93 % 和-12.50 %，已引起江湖关系出现新调整；受流域来沙量及含沙量降低等影响，2003年以来荆江河段为累计性冲刷且集中在枯水河槽，为航道条件改善奠定了有利条件。
2) 长江中游荆江河段内不满足4.5 m×200 m的长度为18.4 km，占河道总长度的5.3 %；洞庭湖三口及出口影响河段碍航长度为12.6 km，占荆江河段碍航总长度的68.35 %。
3) 洞庭湖松滋口分流段(枝城-昌门溪)“坡陡流急”现象显著，汊道分流关系不稳定及洲滩萎缩制约航道条件稳定，引起航道水深不足4.5 m；太平口分流区域的洲滩萎缩、汊道交替频繁，枯水航路极为不稳定；藕池口分流区域的局部岸线崩退，边滩冲刷及位置上下迁移，航道边界不稳定使得下游航宽不足或出现水深不足4.5 m的低滩；洞庭湖入汇区域的熊家洲-城陵矶段受湖泊出流顶托的影响，引起航槽内出现水深不足4.5 m的沙洲或浅滩。
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