（水文学及水资源专业论文）长江荆江河段江湖关系的地学分析.pdf

摘要 摘要 长江中游地区历来是我国政治、经济、文化重地，在我国当代和未来可持续发展中 有着举足轻重的作用，但也是我国洪涝灾害最为严重的地区之一。本文在前人研究的基 础上从地学角度来探讨长江中游荆江河段洪水的特点，使人类的治水更符合地学规律。 论文长江中游的地学特性入手，说明了其成为我国最著名的暴雨区和洪灾区之一的 原因。并在此基础上详细阐述了洞庭湖的演变历史、沉降淤积特性和荆江河道、河谷的 地学特性。 本文在分析前人研究成果的基础上得出以下观点：( 1 ) 洞庭湖地区由于沉降淤积分 布不均，造成江湖水力联系减弱；( 2 ) 荆江大堤隔断了荆江与江汉湖群的联系，造成了 水位抬高堤坝加高的恶性循环；( 3 ) 洞庭湖有扩容的能力，但是受目前条件限制还 保持淤积状态，三峡工程也不能从根本上解决洞庭湖的淤积问题；( 4 ) 长江各隆升、沉 降区的隆升沉降速率之间的差异会加大中游防洪压力，荆江段南北两端沉降速率快，中 间沉降慢使其有可能向类似悬河的方向演变；( 5 ) 地质沉降对水位抬升在一定程度上有 抵消作用，而对流量造成的影响并不大；( 6 ) 下荆江裁弯扩大了荆江泄洪流量，在一定 程度上也减轻了荆江防洪压力，但也造成江湖水力联系减弱的不利影响。 关键词；长江中游；洪水；江湖关系；螺山水位流量关系；地学分析 a b s t r a c t a b s t r a c t t i l el i l i d s 仃e 锄o f 蛋z er i v e ri st h ei m p o r t 锄tp l a c eo fo u rp o l i t i c a la 仃a i r s ，e c o n o m y 觚dc u l t l l r e 觚di t sp l a y i n g 觚i l l 】忡r t a i l tp a ni l lo l l rc o u i 】由哆sp r e s e i l ta n dm n 鹏s u s t a i n a b l e d e v e l o p m 锄t h o w e v e ri ti sa l s oo n eo ft l l em o s ts 甜o u sf 1 0 0 d i i l ga r e 懿i n “sp 印、谢l l a i l a l y s e 龇n 0 0 do fy 觚g t z e 黜附蚵d s 仃黜舶m 1 ev i 删o fe a m ls c i e l l c e 妇e do nn l e i i lt h i sp 印e r ，t l l ee a n hs c i e n c ec h a r a c t 耐s t i c so fn l em i d d l er e a c ho fm ey a i l 垂s em v e r a r cd e t a i l o d l yd i s c l l s s e d ，a r l dt 量l er e 嬲o n sw h yi tb e c o m e so n eo f l em o s tf 锄o u ss t 0 珊a i l d n o o dd i s a s t e rr e 西o n si nc h i n aa r e 西v e n t h e i l 廿l ee v o l v e i i l e i l tl l i 鼬r o y ，n l es e d i m e n t a t i o na n d s e 仕l 眦e 1 1 tc h a r a c t 萌s t i c so ft l l ed o n 醇i n gl a l ( e a i l dt h ee a r t hs c i e l l c ec h a r a u c t 舐s t i c so fm e j i i 酒i 觚g 鼬v e ra r ee l a b o r a t e dl a t e r a tm eb a s eo fa c h i e v 锄e n t sf 0 册甜y ，s i xc o n c l u s i o 璐a r ep r o p o s e d 嬲f o l l o w s ：( 1 ) t h e h y d r a u l i cr e l a t i o nb 咖e e l lt l l ey 幻垂s e 融v e ra n dd o n 鲥n gl a l ( 髓i sw e a l ( e 1 1 e db ym e i i l l l o m o g e i l e o u sd i s t r i b u t i o no fm es e d i m e i l t a t i o na n ds e n l e i n 铋ti nt h ed o n 鲥n gl a l ( ea r e a ；( 2 ) av i c i o u sc i r d eb e 觚e e i l1 e v e lr i s ea i l dd i k eh e i 出e n i n ge m e r g e sb e c a u s em ej i 蛔i a i l g 融v e r 0 b s t m c t sm eh y d r a u l i cr e l a t i o nb e 觚e e i lm 舀i a i l g 础v e ra i l dm ej i a l l g h 觚l a l ( e s ；( 3 ) a l m o u g hm ed o n 鲥n gl a k em a ye n l a r g ei t sc 印a c i t y t h es e d i m e n t a t i o ni ss t i l lt a k i n gp l a c e 吼d e rp r e s e n tc o n d i t i o n s m o r e 0 v m et l l r e eg o 唱e sr e s e r v i o re 1 1 西n e 嘶n gc a l ln o t m o r o u 曲l yr e s o l v ei t ；( 4 ) t h er a t ed i 仃e r e n c eb e t 、) l r e 饥u p l i f ta n ds e t t l e m e n ta l o n gm ey 独舀s e r i v e rm a yb r i n g 黟e a tp r e s s u r co nn o o dp r e v e i l t i o ni i li t sm i d d l er e a c h ，a i l dt l l er e l a t i v e l y h i 曲e rs e t t l e m e i l tr a t eo f b o 1s i d e so ft l l ej i n 砂i a n gr i v e rm a ye v o l v ei t s e l f 锄a b o v e g r o u n d r i v e r ；( 5 ) g e o l o 百cs e t t l 锄e n tc a nc 0 u n t e r a c tt h ei n n u e n c eo fl e v e rr i s et oac e r t a i ne x t e n t ，b u t h 砌yi n n u e i l c e sm ed i s c h 盯g e ；( 6 ) t h ec u t o f rw o r k so fj i n 自i a i l gd o w n s t r e 锄e f l l 鹕et h e f l o o dd i s c h a r g eo ft l l ej i i l 西i a l l g 融v a i l dd e c o m p r e s s e st l l ej i n 西i a n gn o o dp r e v e n t i o n ，b u t r c d u c et h eh y d m u l i cr e l a t i o nb e t w e e nt h ey j a l l 西s e 飚v e ra n dt h ed o n 垂i n gl a k e k e yw o r d s ： t h em i d s t r e 锄o fm ey a n g t z er i v e r ； f l o o d ； 1 1 1 er e l a t i o n s h i p b e 帆e e nm e l g t z er i v e ra n dt h ed o n 百i n gl a k e ；s t a g e - d i s c h a 玛er e l a t i o n s h i po fm el u o s h 锄s t a t i o n ； a n a l y s eo fe a r t hs c i e n c e 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同事对本 研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。如不 实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) ：脾易月f 泊 学位论文使用授权说明 河海大学、中国科学技术信息研究所( 含万方数据库) 、国家图书馆、 中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印 件或电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子 文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许 论文被查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权河海大学 研究生院办理。 论文作者( 签名) ： 矽吵年名月f 髟日 第一章绪论 1 1 选题的目的和意义 第一章绪论 长江中游地区( 长江干流宜昌至湖口河段及两侧汇水区域) 历来是我国政治、 经济、文化重地，在我国当代和未来可持续发展中有着举足轻重的作用。但也历 来是我国洪涝灾害最严重的地区之一，其主要原因是由于长江洪水峰高量大，而 中游河道泄流能力不足，结果形成巨大超额洪量，泛滥成灾。目前上荆江河段( 包 括松滋、太平两口分流) 只能安全下泄6 0 0 0 0 6 8 0 0 0 m 3 s ，城陵矶河段安全下泄 约6 0 0 0 0 i i l 3 s ，汉口河段安全下泄7 0 0 0 0 m 3 s 左右，湖口附近区安全下泄约 8 0 0 0 0 m 3 s 。根据宜昌站实测洪峰流量资料统计，1 8 7 7 年以来洪峰流量超过 6 0 0 0 0 m 3 s 有2 4 次。据历史洪水调查成果，自5 3 年以来宜昌站洪峰流量超过 8 0 0 0 0m 3 s 的有8 次，其中超过9 0 0 0 0 m 3 s 的有5 次，1 8 7 0 年高达1 0 5 0 0 0 m 3 s 。 据城陵矾以上江湖入流的逐日平均流量的合成流量统计，1 9 3 1 、1 9 3 5 、1 9 5 4 年 城陵矶以上的日合成最大流量均超过1 0 0 0 0 0 i l l 3 s 。18 6 7 年以来长江流域发生过 多次重大洪灾，详见表1 1 。 表1 1 长江流域特大洪水年表 编号年代地点 1 1 8 7 0 ( 清同治九年)长江流域 2l8 9 6 ( 清光绪二十一年)长江流域 31 9 0 5 ( 清光绪三十一年)长江上游 41 9 2 6湘、资、沅 5 1 9 3 l 长江流域 61 9 3 5 长江中游 71 9 5 4 艮江流域 81 9 6 9长江中下游 9 1 9 9 8长江流域 2 0 世纪末以来，长江流域几乎年年都要发生水灾。造成长江中游洪水灾害 的原因众多，不仅包括长江流域独特的地理气候条件，还包括长江上游森林植被 河海大学硕士学位论文跃江荆江河段江湖关系的地学分析 遭到严重破坏、水土流失加剧、江河湖泊淤积萎缩等因素。 特别值得注意的是近年来，我国各流域普遍出现流量小，水位高，危害重， 损失大的现象，一些原意改善流域河湖状况的工程并没有取得预期效果，甚至使 情况变得更糟，因此，如何顺应自然本身的发展趋势，扮演好人在改造自然中的 角色是一个值得我们深思的问题。这问题的另一方面即是在江河治理中如何深刻 理解和遵从江河的地学特性，使治理方向和策略建立在符合江河地学特性的基础 上，而不是人类主观意愿的基础上。正是基于这样的认识，提出了如何从地学基 础认识分析江河治理的问题。 1 2 研究区域概况 本文研究区域为长江宜昌至汉口段，以荆江河段及其南面的洞庭湖盆地为 主，同时包括长江宜昌至汉口站河段和北面的江汉盆地，详见图1 1 。 图1 1 长江宜昌一汉口段位置示意图 长江中游自然条件优越，历史发展悠久，人口稠密，工业、农业、交通运输 和城镇建设发展全面，是我国经济发展水平较高的地区之一。1 9 4 9 年新中国成 立以来，经过5 0 多年的建设与发展，长江流域内已经形成了以上海为中心的下 游经济区，以武汉为中心的中游经济区和以重庆为中心的上游经济区。特别是长 江中下游地区，经济发展迅速，城镇化水平较高，基础设施较好，是我国重要的 2 第一章绪论 经济区和新世纪重点发展的地区之一，发展潜力巨大，在我国的国民经济建设和 社会发展中占有极其重要的战略地位。 洞庭湖位于湖南省东北部，长江中游荆江段南岸，跨湘鄂两省的广大冲积平 原和湖泊水网地区。她具有丰厚的历史文化底蕴，不少文人墨客为之留下不朽的 篇章。“八月湖水平，涵虚混太清，气蒸云梦泽，波撼岳阳城 ，“三分重镇说巴 邱，地控荆襄据上游，千载兵争余战垒，重湖形胜聚城楼”，盛赞洞庭湖的佳句 举不胜举。同时洞庭湖地区素有“鱼米之乡 的美称，土地肥沃，气候温和，物 产丰富，是我国重要的粮食、棉花生产基地，其粮食、棉花、油料、水产品、麻 类产量分别占湖南省总产量的2 0 、8 0 、3 0 、4 0 、9 0 ，芦苇产量占全省 造纸原料的5 0 。 湖体呈近似u ”字形( 图1 2 ) ，习惯上所称的洞庭湖区总面积为1 8 7 8 0 k m 2 ， 其中湖南省1 5 2 0 0 k i n 2 ，湖北省4 个县市3 5 8 0 k n l 2 。洞庭湖北接华容、安乡、南 县，南近湘阴、益阳，东临岳阳、泪罗，西至澧县、沅江等县市。位于北纬2 8 0 4 4 2 9 0 3 5 、东经1 1 1 0 5 3 1 1 3 0 0 5 之间。1 9 9 5 年岳阳水位3 3 5 0 m ，湖长1 4 3 k m ，最 大湖宽为3 0 i ，平均湖宽1 7 0 1 l c n l ，最大水深2 3 5 m ，平均水深6 3 9 m 。洞庭湖 现在分为3 个湖区。其中南洞庭湖是指位于赤山岛以东、东至乔口、以湘江为界 的长带状水域，主要由东南湖、万子湖、铁尺湖、团林湖、横岭湖、荷叶湖等水 域组成，面积超过9 0 0 k m 2 ，占洞庭湖总面积的3 4 ，其中东南湖、万子湖和横 岭湖为主体。湖中绝大部分为废弃旧垸和洲滩，汛期水涨，一片汪洋，枯期水涸， 洲滩均现出水面。东洞庭湖位于洞庭湖下游的东北部，地势低下，湖底高程在 2 3 3 0 m 之间，一般高程约为2 7 m ，是西洞庭湖、南洞庭湖来水在此汇聚并排 入长江的必经之路，面积达1 3 0 0 k m 2 左右，约占洞庭湖总面积的5 0 。西洞庭 湖位于赤山岛以西，主要由大连湖、沅江入湖洪道、澧水入湖洪道和目平湖组成， 面积超过3 4 0 l c n l 2 ，约占洞庭湖总面积的1 3 ；其中以目平湖为主体，湖底高程 一般高程约为3 0 m ，最低高程为2 7m 。该湖是洞庭湖三个湖区中淤积最为严重 的一个湖区。 洞庭湖南、西两面容纳湖南省“四水”湘江、资江、沅江、澧水，北部 有长江分流的“四口 一淞滋口、太平口、调弦口和藕池口( 1 9 5 8 年调弦口建 闸被堵，后变成三口) ，东部有汩罗江及新墙河等小河流汇入，由西、南、东洞 3 河海大学硕士学位论文长江荆江河段江湖关系的地学分析 庭湖三部分组成湖水从东北角唯一的出口一城陵矶流入长江。形成特有的向心状 水系格局。区内现有湖泊面积2 6 8 4 3 h 2 ，其中千亩以上的堤垸2 2 7 个，受堤防 保护的面积为1 0 4 9 3 0 k m 2 ，其中耕地面积8 5 8 万亩；人口1 0 0 8 万，其中受堤防 保护的人口为8 1 1 万。 1 3 地学分析的内涵 图1 2 丰水期洞庭湖卫片 江河治理的地学分析主要是指用地质学、地貌学、水文学和气候学的理论和 方法来探讨江河演变的地学背景，通过地学分析得出江河演变发展的方向及其对 经济社会可持续发展的影响。 地质学上新构造运动( 新第三纪以来的构造运动) 所形成的原始地形特征决 定了中国河流的走向和沿程比降变化的基本特征，也决定了河流所在地域的抬升 或沉降特征。例如，喜马拉雅构造运动形成了中国西高东低、呈三级台阶向东倾 斜的大地势，使长江、黄河等大河自西向东奔流；新华夏构造运动在东亚广大范 围内形成若干条隆起与沉降相间的巨型构造带，这些隆起与沉降相间的巨型构造 带，在宏观上决定了中国东部河流的侵蚀与沉积特征。 4 河流地貌是在地质构造基础上，由河谷、水流、泥沙长期相互作用形成的。 同时，河流地貌也反作用于河道水流与泥沙的运动。所以，河流地貌既是河流发 育的历史记录，更是河流今天和未来发育的重要控制因素。在现代关于河流地貌 的研究中，不仅关心外动力对河流的塑造作用，而且也是十分关注第四纪以来的 构造地貌特征【4 】。事实上，从松辽平原、华北平原、江汉平原到洞庭平原，这一 广大地区的暴雨洪涝，正是由于东亚第二构造沉降带这一构造地貌特征，使该地 区的洪水处于易吞难吐的境地所造成的。 气候水文是作用于河流最活跃的自然因素。在中国，东亚季风决定了东部地 区河流的水情，也在很大程度上决定了河流的发育。因此，从水文气候意义上说， 河流是气候的产物。气候特征决定了河流的水文特征，即决定了河流的物质流( 水 流、泥沙、溶质) 和能量流的通量特性，如洪水与枯水、冲刷与淤积等河流动力 学特征。 流域自然地理为河流发育提供了特定的环境背景，包括水沙来源和生态特征 等。流域自然地理条件遭到破坏，将导致河流萎缩甚至消亡。 这些自然因素共同构成了河流的地学属性。地学因素随时间的变化虽然相对 较小，或仅存在相对稳定的年季变化，然而其对河流发育演变的影响却是固有的、 持久的、起控制作用的。 现代的江河治理是人与河流相互作用的过程。尤其自近代以来，在江河治理 中，人居于主导地位，根据自己的意愿以各种方式作用于河流。然而，河流本身 的的地学属性不以人们的意志为转移，违背地学属性的江河治理行为，必然要遭 到河流的报复。因此，认识理解河流自身的地学基础，了解河流演变过程，使江 河治理建立在河流自身的地学属性上成为江河治理的新思路，这也是人与自然和 谐相处的地学基础。 1 4 研究现状 在长江中游江湖关系研究方面，国外有一些关于河流与通江湖泊相互关系的 地学方面的研究，但没有找到关于研究长江中游地学和江湖关系的论文。而国内 的研究长江江湖关系的研究可概括如下：( 1 ) 在关于长江中游江湖关系形成演 河海大学硕七学位论文长江荆江河段江湖关系的地学分析 变的自然背景方面，我国学者在地质地貌方面对长江的形成和演变已做了大量的 工作，比较有代表性的是殷鸿福、李长安等关于长江形成的地质背景的研究，杨 怀仁、唐日长等关于长江中下游发育的第四纪研究，周凤琴等关于长江中游地貌 与荆江河道演变的研究，殷鸿福、杜耘等关于洞庭湖历史环境和考古方面的研究， 殷鸿福、陈国金等关于长江中游泥沙淤积洞庭湖沉降速率的研究，张人权、梁杏 关于地质时期洞庭湖变迁和利用水流能量指数推算古地貌研究；( 2 ) 在关于江 湖关系变化的河流动力学和水力学研究方面：长江科学院建立了长江中游河段动 床物理模型，韩其为、黄悦等建立了宜昌至大通河段冲淤一维数值模型；方春明、 韩其为等进行了三峡建库后荆江三口河道冲淤变化模拟研究；胡四一、谭维炎等 建立了江湖关系水流计算数学模型等。这些研究成果都是重要和杰出的。但是， 这些研究和成果没有充分聚焦于江湖关系形成与演变的地学基础，多着眼于工 程、经济和水沙运动力学。 螺山水位流量关系由于其重要性和复杂性成为多方关注的焦点，许多专家学 者对此进行了大量的研究，取得的成果可以概况为下面几个方面：( 1 ) 探讨水位 抬高原因：熊明、葛守西等分析1 9 9 8 年高水位的主要原因是洞庭湖的调蓄作用 减小以及溃口影响降低；徐贵等通过一维恒定流数学模型计算得出5 0 年来洞庭 湖水位抬高的主要原因是日平均流量增大，次要原因是河床的抬高；( 2 ) 对城陵 矶防洪设计水位的辨析：安申义、郭履炽等通过分析对比大量的资料认为5 0 年 来螺山水位流量关系发生变化，现在的防洪设计水位偏低，不能满足泄洪的需要， 而宁磊等从地质、堤防风险角度考虑，设计防洪水位能否适当抬高要做进一步的 研究；( 3 ) 螺山水位和流量的模拟预报：谢作涛等运用b p 神经网络建模预报螺 山站水位和水位流量关系曲线，取得较好成果；( 4 ) 对螺山水位流量关系影响 因素的分析：李正最等从断面冲淤、洪水涨落、回水项托、河势调整等多种因素 方面综合分析结果表明，螺山断面的泄流能力已发生显著变化；而熊明等认为螺 山水位流量关系的各种影响因素之间有一定相互补偿作用，使螺山水位流量关 系多年来保持较为稳定。虽然这些研究成果解决或者回答了不少问题，但都是从 水文方面取得的，目前还没有从地质方面来分析螺山水位和流量的文章。 6 第一章绪论 1 5 主要研究内容 长江中游是我国洪灾发生频率最高的地区之一。许多专家学者对长江中游洪 水做了大量的研究分析，包括长江中游的来水来沙、长江中游和洞庭湖各站之间 的水位流量关系及江湖关系方面，它们可以回答在特定条件下( 例如三峡工程、 裁弯工程、某次大洪水等) 和一定时期内荆江河道可能发生的变化，某一场洪水 的水位流量关系特征，由多年来的洪水所得出的防洪控制水位是否符合自然规律 等问题。但是，这些研究和成果在时空尺度上并不是聚焦于长江中游的时空尺度， 往往局限于某一区域，基于这种状况，本文拟从地学方面来探讨分析长江中游洪 水形成的机理。 长江中游洪水的形成有其必然性。因此，本文首先详细阐述长江中游的地学 背景，包括长江中游洪水的蓄泄环境、洞庭盆地现代沉降淤积特性、荆江河道及 河谷的地学属性和其分流特性和其演变的过程，在此基础上论文拟从下列3 方面 展开研究： ( 1 ) 洞庭湖对长江中游超额洪水发挥了巨大的调蓄作用。但是随着下荆江 的裁弯取直和洞庭湖堤垸的围垦，洞庭湖所起的调蓄作用越来越弱；荆江通过四 口( 1 9 5 8 年后变为三口) 向洞庭湖的分流分沙逐渐减少；洞庭湖出口口门城陵 矶水位不断抬高，顶托作用明显：这些都在一定程度上加剧了中游洪水。本文从 地学角度来分析长江中游和洞庭湖之间的联系，进一步探讨加剧中游洪灾的各种 因素。 ( 2 ) 螺山站水位和流量由于其重要性和特殊性成为多方关注的焦点，在整 个长江防洪规划系统中起着牵一发而动全身的作用，与此密切相关的城陵矶防洪 控制水位是确定中游防洪控制水位的基础。因为螺山水位和流量受洪水涨落率、 下游回水顶托、起涨水位、河段冲淤变化、干支流地区洪水组成和分洪溃口等多 种因素影响，故其变化规律至今还未被完全掌握。本文将进一步从地学方面来分 析螺山水位和流量形成的特点，解读这个中游洪灾的控制点。 ( 3 ) 近代以来，人类活动对自然的影响越来越大，各种工程通过改变流域 地貌影响流域的产流汇流系统，最终体现在对流域洪水的影响。本文将对下荆江 裁弯工程对荆江河段水沙变化的影响进行初步分析。 7 河海大学硕士学位论文长江荆江河段江湖关系的地学分析 第二章长江中游的地学特性 长江中游的地学特性是指包括长江中游洪水的蓄泄环境、洞庭盆地的演变和 沉降淤积特性以及荆江河道的分流和荆江河谷的地学属性等。 2 1 长江中游洪水的蓄泄环境 长江中游洪水蓄泄环境即指长江中游洪水生成、汇集与排泄环境，它是由中 游的构造地貌特征及其与东亚季风共同作用形成的。 喜马拉雅构造运动形成了中国西高东低，呈三级台阶向东倾斜的大地势，使 长江、黄河等大河自西向东奔流。新华夏构造运动在东亚广大范围内形成若干条 隆起与沉降相间的巨型构造带，自东向西依次是：( 1 ) 渤海黄海东海第一构造 沉降带；( 2 ) 辽鲁地穹系闽浙地穹系第一构造隆起带；( 3 ) 松辽平原华北平原 江汉平原及洞庭平原连结成的第二构造沉降带；( 4 ) 太行地穹系武陵地穹系第 二构造隆起带【6 1 ，如图2 1 所示。而长江中游处于东亚新华夏第二构造沉降带的 南部，地势低洼，其东侧为大别山和东南丘陵构成的新华夏第一构造隆起带，西 侧为大巴山、武陵山、雪峰山等构成的新华夏第二构造隆起带。这一构造特征， 弓 一零沉遗 鼋意澎。j 图2 1 亚洲东南部构造地貌略图1 6 1 8 第二章长江中游的地学特性 使第二构造隆起带的大巴山、武陵山、雪峰山等山脉的东麓成为东亚夏季风的迎 风坡，成为我国最大的暴雨区。另一方面，第一构造隆起带妨碍洪水向东排泄， 因此在东西两侧第一和第二构造隆起带的挟持下，使中游洪水处于易吞难吐的境 地。由此可见，特定的构造地貌环境及其与东亚季风的共同作用是形成中游严峻 洪水形势的重要地学因素。 2 2 洞庭湖盆地演变 洞庭湖盆地的演变可以分为3 个阶段：地质时期、历史时期及现代时期。 2 2 1 地质时期 早更新世( 距今约2 0 0 万6 0 万年) 初期，洞庭湖盆地因断裂再次活动， 分化出一系列凸起和凹陷，尤其是纵贯湖区中央的赤山凸起和华容隆起南北相 连，将盆地分隔为东西两部分，发育典型的湖相沉积【8 】。随后断陷范围不断扩大， 至早更新世晚期，各个独立的封闭盆地已被统一的湖盆所取代，并且各部分构造 沉降强度不同：东部最强，西部次之，中部最弱，所以东部为比较典型的深水湖 泊，西部为较浅的过流型湖泊【8 】。这一阶段气候条件明显转为温、湿，但仍间有 寒冷、潮湿的气候段。由于各湖盆地壳沉陷的加深、湖泊范围扩大，使原先的凸 起区大大缩小，赤山、明山、大乘寺、君山等成为湖中孤岛，除西部临澧湖盆仍 为独立的狭谷型小湖盆外，其他各凹陷湖瓮均互相连接，成为广阔的洞庭湖盆地。 湖盆中河流纵横，水系发育，湖中水流分别从华容隆起的东西两侧注入北部的江 汉盆地和洞庭湖。此时洞庭湖盆地面积已达1 3 3 0 0 h 2 ，沉积的厚度一般为5 0 m ， 最厚达1 2 7 m 。其沉积物主要特征是下部为长石、石英组成的砂、砂砾石，上部 为灰白与灰绿色高岭质粘土，且此种二元结构的岩性组合呈多韵律出现，充分反 映了当时的气候条件为潮湿多雨，水流活动强烈，周缘区强烈风化剥蚀，水流搬 运来的物质主要为花岗岩类的碎屑，此种沉积特征在湖盆区的东部表现更为突 出。 中更新世( 距今约6 0 2 0 万年) 初湖区发生强烈的差异升降运动，湖盆外 围强烈上升，湖盆继续沉降，地形反差增大，前期湖盆进一步扩大，主要是向南、 向西扩展，原来各凸起区之间几乎全成为湖泊。尤其是南部的地壳沉降幅度较大， 9 河海大学硕士学位论文长江荆江河段江湖关系的地学分析 此时期仅北部广兴洲一带被抬升成陆地不接受沉积，它与北部的华容隆起及东部 幕阜隆起是此时期的地壳上升区。早更新世晚期在东部形成的凹陷进一步扩大， 与北部的某些湖面贯通，故至中更新世中期，盆地扩展达到第四纪以来的最大范 围，为1 7 8 7 5 “，此时湖盆地区除太阳山、赤山、明山、大乘寺、桃花山、广 兴洲为湖中岛屿外，其他均为湖泊范围。此时期水量丰富，水流急促，水动力强 度大，由四水河道搬运而来的大量粗碎屑物进入洞庭湖，湖盆内各地接受厚度不 等的河湖相沉积物，形成厚度达1 沪- 4 0 m 的砂砾石层，砂砾石层与上部粘土层 构成多个韵律结构层。但是此时构造沉降的空间差异小于早更新世，但东部构造 沉降仍然大于西北【i 引。晚期时洞庭湖盆地又开始缩小，西、南、东、北四面均出 现抬升，原湖中岛屿又与周边隆起区连接，如太阳山成为武陵隆起的东延部分， 赤山成为雪峰隆起向北延伸的半岛，华容桃花山向东与幕阜九岭隆起相接，湖泊 总面积缩小到1 1 0 0 0k m 2 ，虽然四水各河流仍较发育，主流线特征突出，但较前 逊色不少。此时湖中水流仍由华容隆起之东西两侧注入江汉盆地。 晚更新世( 距今约2 0 1 1 万年) 初，随着世界性低海面的出现，长江干流 河床发生强烈下切，由于洞庭湖出口水位的下降，使得湖水迅速排于和湖面急遽 萎缩，湖盆底部大多出露成陆，形成一片由滨湖阶地环绕的河网平原。值得注意 的是，此时断裂两侧沉积厚度突变的现象已不存在，说明盆地发育已由断陷转入 拗陷阶段。沉积环境先为湖泊，后期转变为网状河流切割平原【l 引。梁杏、张人权 也根据水流能量指数推断洞庭盆地的沉积环境主要为比较封闭的浅水湖泊，在更 新世末期本地区呈网状切割平原【5 1 。地壳运动使洞庭湖急剧衰减，距今1 0 万4 万年期间，湖盆地全面上升成陆，湖泊基本消失。本地区为沉积间断时期。距今 4 万年开始，盆地又再度小幅度沉降，在安乡一常德、万子湖一钱粮湖、沅江一 益阳一湘阴、东洞庭湖及东部边缘小河入湖口地带和北部澧水河道北岸等地区， 形成了湖泊，湖泊总面积约为8 0 0 卜l o 0 0 0m 2 。根据此时期沉积物特征分析， 区域内水量相对较小，各河流均处于衰减阶段，搬运能力较弱，沉积物一般为细 砂、粉砂及上部黄土，厚度5 6 m ，较厚的可达2 0 m ，部分河道主流区才有含砾 砂及砂砾石的存在。本时期末，区内地壳运动活跃，地面抬升，断裂运动也频繁 发生，导致如君山隆起、洞庭湖东岸陡崖等形成，最后除部分地区因盆地再度小 幅沉降形成湖泊外，其余地区又全部隆升成陆。 l o 第二章长江中游的地学特性 全新世早期( 距今约1 1 0 7 5 万年) 和晚更新世相比，该时期湖盆面积大 为缩小，属过流型湖泊，面积约为2 0 0 2 【2 2 1 ，湖盆主体分布于牛鼻滩、三仙湖、 大通湖、东洞庭湖、广兴洲一带，于现岳阳西部进入江汉盆地。鉴于当时河湖水 动力场较弱，古植物特征反映气候为温湿偏凉的环境，湖盆中沉积物主要为灰、 灰黑、灰绿色的泥质砂、粉砂粘土、淤泥质粘土，仅少部分含砾砂。一般厚度小 于1 0 m ，最大厚度可达3 0 多米，沉积范围很小，沉积物主要呈东西向条带分布， 以河流相沉积为主，仅在今东洞庭湖一带存在小范围的过流型湖泊【2 3 】。根据文物 考古的研究，早在距今8 0 0 0 l _ 9 0 0 0 年时洞庭湖地区就己开始了稻田的耕作，澧 县彭头山文化层中出土的稻谷文物就是最好的证明，古人在寻求生存空间及繁衍 人类的同时也就创造了辉煌的古代文化。 全新世中期( 距今约o 7 5 o 2 5 万年) 洞庭湖盆地继续凹陷，沉积范围大于 早全新世，盆地中大部分地区为河流泛滥平原沉积环境【2 3 】。在西洞庭湖的澧县、 津市、安乡、南县、汉寿；中洞庭湖的大通湖；东洞庭湖的岳阳、飘尾、广兴洲、 鹿角；南洞庭湖的益阳、湘阴、沅江均为湖泊。湖区面积达到5 0 0 0 - _ 6 0 0 0h n 2 。 沉积的主要岩性为黑灰、灰黑、灰色为主的粉砂质粘土、淤泥、粘土质粉砂、粉 细砂等，沉积厚度一般小于l o i i l ，最大可达2 4 m 。此时期基本相当于新石器时代 的中晚期，在湖区内边缘区考古发现的龙山文化、屈家岭文化、大溪文化时间即 是距今3 0 0 卜7 8 0 0 年。面积巨大的云梦泽不适合人类的生存，这也许是大溪文 化以前的文化只分布于平原四周的低阶地区，而江汉平原没有发现的缘故。杜耘 等学者也根据人类活动的文化遗迹资料得出了中全新世晚期随着三角洲的发育 及湖水退缩，广阔的滨湖滩地裸露，平原湖区以分流间洼地沼泽并存的特点，其沉 积主要为分流河道所沉积的灰色粉砂质粘土及细砂，分流间洼地沼泽所沉积的粉 砂质淤泥与淤泥质粉砂【朋。 全新世晚期( 约2 5 0 0 年至今) 与历史时期重叠，最重要的特征即人为因素 不断加强，和地质作用一起控制的洞庭湖的演变。这期间洞庭湖南侵，湖盆继续 扩大，四水汇注入湖，泥沙逐渐淤积，演变成现在的局面。 2 2 2 历史时期 历史时期最显著的特点是该时期有大量的文献资料记载，而不是像地质时期 所有的资料都是靠地质钻探分析和考古取得。在全新世中期至先秦晋汉时期洞庭 1 1 河海大学硕士学位论文 长江荆江河段江湖关系的地学分析 湖虽有沉降趋势，形成一些局部性小湖泊，但整个河网切割的平原景观仍很显著， 这在丰富的历史文献资料中有着极其明确的记载。如庄子天运：“帝张咸池 之乐于洞庭之野，又至乐：“咸池九韶之乐，张之洞庭之野”野即平野，由 此可见战国时代洞庭地区为平原景色；山海经中山经中次十二经：“又东南 一百二十里日洞庭之山，帝之二女居之，是常游于江渊、澧沅之风，交湘澧之渊， 说明洞庭平原上湘、沅、澧在洞庭山附近与长江交汇，战国时代洞庭地区河网切 割的平原景观已经能够清楚的反映出来。在汉书地理志上的记载更为明确： 湘水北至下隽入江，沅水至益阳入江，资水东北至益阳入沅，澧水东至下隽入沅。 只见四水在平原上交汇流入长江，不见浩淼的洞庭湖面，为一幅河网切割纵横交 错的平原景观，不存在大范围的水体【2 4 _ 2 5 1 。春秋战国时期汉江盆地中的云梦泽 为辽阔的平原沼泽，而洞庭湖仅占洞庭盆地的东北一隅，盆地的其余部分为河流 相沉积，澧水流向盆地的东北部入江c 2 2 2 5 。2 6 】。 先秦之后( 约公元前2 0 0 年至公元5 0 0 年) ，与洞庭湖隔江相望的云梦泽由 于长江和汉水夹带泥沙长期淤塞充填，其原始面貌已大为改观，演变为平原一湖 沼景观，随着荆江三角洲不断淤高和向东延伸，云梦泽萎缩衰退，水系变迁。汉 代前期，荆江主槽已基本确立。由于泥沙的淤积，在荆江两岸逐渐形成许多穴口 分流，此时虽然长江洪水集中起来较大，但是分流后流量较小，因此没有水患发 生【2 7 】。到晋代南朝时期，随着荆江江陵河段金堤的修建，荆江北岸的云梦泽逐渐 解体，使得荆江河床抬高，加上受西北一东南方向新构造掀斜运动的影响，荆江 主泓道南移，荆江南岸形成景、沦两口两股分流汇合成沦水进入洞庭湖，长江开 始干扰洞庭水系，由此使得洞庭地区开始由沼泽平原形态演变成浩淼的大湖泊 【2 4 1 。但是在当时，景、沦二口的来水量还小，不足以改变洞庭湖的洪水过程，洞 庭湖仍以四水入湖形成的春汛为主【2 丌。 到唐宋时期( 约公元6 0 0 年至公元1 2 0 0 年) ，由于受长江和汉水泥沙的长 期淤积，统一的云梦泽已不复存在，随着荆江统一河床的形成，长江从上游带来 的大量泥沙，淤高河床，并且荆江堤防不断修筑，江面束狭，泄洪不畅，洪水位 开始抬升，江水顶托倒灌几率增大，每当大洪水通过荆江段常形成决口，宋代之 前荆江南北两岸就有二十多个决口。此时洞庭湖的水面进一步扩大，众多诗句如 “冲涛八百里，雷电失精明”及“洞庭八百里，幕阜三千寻”等等都说明唐宋时 1 2 第二章长江中游的地学特性 期洞庭湖是明显的扩张了。宋代对洞庭湖向西扩展有明显的记载，皇朝郡县志： “洞庭湖在巴陵县西，南连青草亘赤沙，七八百里；巴陵志也记载：“洞庭 湖在巴丘西，西吞赤沙，南连青草，横亘七八百里 。由于受长江来水的影响越 来越大，洞庭湖洪水过程也相应发生显著变化，以唐宋之前的“春溜满涨 为主 逐渐转变为以“夏秋水涨 为主，并且季节差异明显，夏秋水涨，洪水一片，冬 季水落，洲滩显露i z 。 元、明至清道光时期( 约公元1 2 0 0 年至公元1 8 5 0 年) ，随着荆江上游大量 泥沙的注入，穴口淤塞，江患急遽增多。明嘉靖之后，政府采取“舍南救北”的 方针，尽堵江北穴口，而南岸留有太平、调弦两口与洞庭湖相通，因此大量江水 流入洞庭湖，洪水湖面则继续扩展，西洞庭湖和南洞庭湖就是在这种情况下逐渐 形成、扩大。及至清代中期之前，洞庭湖仍呈继续扩张之势，至道光年间达到鼎 盛时期。在雍正九年( 1 7 3 1 年) 在关于修建“舵杆洲石台”的谕旨中云：“洞庭 一湖，绵亘八百余里，自岳洲出湖，以君山为标准，一望杳渺，横无涯际。而舵 杆洲居西湖之中，去湖职四岸或百余里，或二百余里，舟行至此，倘风涛陡作， 无地停泊，亦无从拯救，多有倾覆之患。 可见洞庭湖水面汪洋浩淼，较前有所 增加。从晋代南朝时期的五百余里，到唐宋时期的七八百里，一直到清代的八九 百里，成为历史时期洞庭湖扩展的全盛时期。但是江水同时带来了大量的泥沙淤 积在湖底，因此全盛时期的洞庭湖湖水深度远远不如唐宋时期，此时在平水时期 整个洞庭湖则瓦解为区域性湖泊，洲滩裸露，水域面积与盛涨时期相比悬殊【2 7 1 。 1 9 世纪中叶至2 0 世纪中叶，洞庭湖由盛转衰，这一时期也是有史记录以来 洞庭湖演变最为剧烈的阶段。由六千余平方公里的大湖萎缩成今天二千六百余平 方公里的湖面，其主要原因就是藕池、松滋两口的出现，造成了荆江四口分流的 局面。1 8 5 2 年形成藕池口，1 8 6 0 年长江大水，在原溃口之下，冲成藕池河；1 8 7 0 年荆江黄家铺堤溃于长江大水，事后堵塞不坚，1 8 7 2 年复溃不塞，形成松滋口 及其分流松滋河。藕池、松滋两口形成后，荆江拥入洞庭湖的泥沙急遽增长，这 是近百年来洞庭湖迅速萎缩的更本原因。松滋、藕池溃口后，四口入湖泥沙形成 了宏大的四口三角洲，使得北岸线迅速的向南推移，整个洞庭湖被明显地分为东 西两大部分。西部湖区首先承受四口大量来沙，湖面大半被壅塞；东部湖区水面 也显著缩小，并且发育形成新的水下三角洲【2 5 】。 1 3 河海大学硕士学位论文长江荆江河段江湖关系的地学分析 从明代开始，农田水利发展较快，明朝统治者鼓励兴修农田水利，故在明代 2 7 6 年间，共修堤3 3 处，建垸1 3 4 座，主要分布在环湖周边的低矮丘陵间和高 位洲滩处。在江北堵口后，随着江水南侵和南洞庭湖的不断扩张，许多堤垸全部 渍废沦为泽国，可见明代的围垦并未能削减洞庭湖扩张之势。清康熙年间，政府 允许荒地围垦，重视堤垸的恢复和发展，从而在湖区出现了第一次围垸的高潮。 到雍正、乾隆时期，湖区的围垦几乎已发展到了“无土不辟 的程度。围垦的迅 速发展，使得湖泊面积缩小，行洪、调蓄功能减弱。到乾隆、嘉庆年间已经对筑 堤建垸实行严格的管理。但是在荆江来沙成倍增长、洲滩迅速扩展的形势下，光 绪年间又再次出现了修筑堤垸的高潮。湖区北部堤垸随着洲滩不断地向下游推 进，逼湖水南侵，南洞庭湖也因此形成。至清朝末年堤垸出现恶性膨胀，大小堤 垸状如蜂窝，据统计清末堤垸共达到1 0 9 4 座【2 7 】。 2 2 3 现代时期 建国后四水来沙有增无减，洲滩渐淤渐涨，而5 0 年代时湖区又兴起了围垦 的高潮，总计围垦面积超过1 5 0 0 k m 2 ，在自然淤积和围垦的双重作用下，到5 0 年代中后期，洞庭湖已不再是我国第一大淡水湖，退居第二了。洞庭湖近一百多 年来面积、容积变化见表2 1 。 表2 1 洞庭湖面积、容积变化表2 3 0 年份湖泊面积( k m 2 )湖泊容积( 1 0 8 m 3 )备注 1 8 2 56 0 0 0 1 8 9 65 4 0 0 湖泊容积为相应城陵矶水位3 1 5 m 1 9 3 24 7 0 0 时的容积。 1 9 4 94 3 5 02 9 3 1 9 5 43 9 1 52 6 8 注：1 9 7 8 年容积是湖南省水利水电 1 9 5 83 1 4 l2 2 8 厅用1 9 7 4 1 9 7 8 年湖区地形图量算 1 9 7 12 8 2 01 8 8 得到的，1 9 9 5 年成果是跃委水文局 用1 9 9 5 1 9 9 6 年湖区地形图量算得 1 9 7 72 7 4 01 7 8 到的。 1 9 7 82 6 9 l1 7 4 1 9 9 52 6 2 31 6 7 洞庭湖近五十年来的演变过主要体现在这期间的泥沙冲淤变化的过程。在这 方面已有许多学者经做了大量的工作。根据1 9 5 l 1 9 8 8 年来入湖水沙量的变化 1 4 第二章长江中游的地学特性 情况来看，四口( 1 9 5 8 年调弦口建闸被堵后演变为三口，下同) 1 9 5 1 1 9 6 6 年 荆江裁弯前的分流量与分沙量变化不大，而在1 9 6 7 1 9 7 2 年荆江裁弯期间，分 流分沙比逐渐减小，到1 9 7 3 1 9 8 8 年荆江裁弯后，四口分流分沙比明显变小。 尤其是1 9 8 0 年葛洲坝运行后，四口分流分沙缓慢下降，趋于平稳状态( 表2 2 ) 。 下荆江裁弯的主要目的是防洪和改善航道，但是根据观测资料，裁弯后荆江分流 入洞庭湖的水量、沙量锐减，从而更多的泥沙淤积于城陵矶一一武汉河段，且下 荆江河段的流量增加，这使得下荆江及城陵矾一螺山段的水位有不同程度的抬 升，引起洞庭湖出口水位抬升，城陵矶出流托顶，口门淤高，造成洞庭湖调蓄库 容减少，洪水水位抬高，加剧了长江中游的洪灾2 9 】。但是也有学者在还原分析后 认为下荆江裁弯对洪水位抬升的影响不大，1 9 8 0 年后荆江河床已处于冲淤平衡 状态【3 0 1 。 研究表明洞庭湖在近2 5 年来总的趋势是淤积的，淤积区集中在东洞庭湖北 部，南洞庭湖西南部和中部，西洞庭湖的东南部；局部地区有冲刷，主要在东洞 庭湖的南部，南洞庭湖的中部，西洞庭湖的中西部，但是淤积量大于冲刷量。姜 加虎等根据1 9 7 4 、1 9 8 8 和1 9 9 8 年洞庭湖1 ：2 5 0 0 0 水下地形资料，探讨近几十 年来的湖盆变化，得出在1 9 7 4 1 9 9 8 年2 5 年间前1 5 年洞庭湖淤积主要集中在 中高滩地，南、东洞庭湖在中低位滩地还存在冲刷，后1 0 年洞庭湖泥沙淤积呈 现全湖性特征，而且有向中低滩地转化的特征，但是东洞庭湖一直处在快速淤积 状态3 4 3 5 1 。 表2 2 洞庭湖多年平均入、出湖年径流量统计洲( 单位：亿m 3 ) 统计年限长江干流入湖四水合计四口+ 长江干流入湖区间七里山出湖 1 9 5 l 1 9 6 01 4 9 81 6 8 3 e 3 1 8 t2 6 03 4 4 1 1 9 6 l 1 9 7 01 3 3 31 6 9 93 0 3 22 6 53 2 9 7 1 9 7 l 1 9 8 08 0 81 6 3 9 2 4 4 7 2 2 l 2 6 6 8 1 9