枯水位是河流研究中的重要参数，在河势变化、通航安全、涉水工程和生态保护等诸多领域都具有重要意义^[1-3]。而河床冲刷和枯水位下降是水利工程对冲积河流最为显著的影响之一，目前，结合河流自身特点，对建坝后水库下游河床冲刷和水位变化的原型观测进行分析，从中归纳发现一般性和特殊性的规律，是提高水位下降变化预测准确性的较为可行的途径^[4]。

长江中下游是举世闻名的大型冲积河流，三峡水库运用后坝下游冲刷和水位变化是三峡工程论证期间关注的重点问题之一^[5]。许多学者基于跟踪观测资料针对坝下河道冲淤调整和水位变化开展了研究，杨云平等^[6]对坝下游床面粗化和非均匀沙沿程恢复规律开展分析；李少希等^[7]以三峡工程为对象，研究坝下游水沙通量及河道演变过程对三峡工程运行的响应关系；朱玲玲等^[8-9]对坝下游荆江河段、洞庭湖、鄱阳湖的泥沙冲淤特征进行研究；唐金武、李玉荣等^[10-11]对坝下游水位变化规律的分析等。此外，我国长江葛洲坝枢纽^[12]、西江长洲枢纽^[13-14]、湘江长沙枢纽^[15]、澧水艳洲枢纽^[16]建设后，下游均出现水位下降现象。

兴隆水利枢纽位于汉江干流河道，其主体建筑物均坐落于深厚粉细砂覆盖层上^[17]，2013年4月，兴隆枢纽下闸蓄水后，坝下河床发生冲刷^[18]。早期研究对坝下水位最大降幅预测不充分^[19]，枯水位下降带来的危害显著：如兴隆电站机组超过设计水头运行，船闸下闸首槛上水深不足，鱼类洄游通道受阻，甚至危及建筑物稳定安全。

由星莹等前期研究表明^[20]，目前近坝主要冲刷坑的平均冲刷深度13.4 m，最大坑深近20 m。与兴隆建坝前的坝址水位流量关系曲线相比，建坝后坝址中、枯水位明显下降，且存在继续下降的趋势。下降成因在于，南水北调中线及补偿工程实施后，汉江中下游水沙条件变异，“清水下泄”导致河床冲刷；枢纽建设致使坝下局部河势调整，深泓摆动频繁、主流线坐弯延长、过水面积及河槽容积增大；局部航道整治工程促进原滩体萎缩、新主槽刷深；引江济汉工程补水增强了中枯期水流冲刷动力等。

这些关于兴隆枢纽的研究^[18-20]均表明，预计未来坝下游河床仍将有继续冲刷下切的可能，并从定性角度分析了影响因素的主次，但在定量分析上有所欠缺。为进一步深入剖析兴隆近坝河段冲刷机理与枯水位下降成因，本文采用时间跨度最为全面的水沙、地形、断面等实测数据，深入分析水沙情势及河道冲淤的时空演变，系统辨识了枯水位变化的主要成因，并基于随机森林算法^[21-23]，筛选了可量化的枯水位下降主要影响因子开展分析，为兴隆水利枢纽运行管理与通航、用水安全调控提供技术支撑。

1 汉江中下游水沙情势和河道冲淤变化 1.1 水沙情势变化

丹江口等水库建库后，汉江中下游水沙过程得到了全面的调蓄控制，水沙形势有了很大的改变，汉江中下游洪峰大大削减，流量过程变得较为均匀平缓，枯季流量增大，中水期延长。输沙形势有了很大的改变。主要表现为大量泥沙被拦在库内，坝下基本是清水下泄。尤其是南水北调中线一期、引江济汉等引调水工程运行后，水库调蓄的作用进一步增强，主要表现为洪峰削减调平，年内分配更趋均匀^[24]。

汉江中下游的主要水文站及水利工程分布图，如图 1所示。表 1统计了汉江中下游各站水沙特征，其中“兴隆水利枢纽蓄水运用、南水北调中线一期、引江济汉等引调水工程运行后”三者的时间节点接近，表中统一简称为“中线运行后”。蓄水后中线运行前，黄家港站的来水量约占仙桃站的88.6%，来沙量占仙桃站4.1%；中线运行后，黄家港站来水量占仙桃站的比例下降至83.4%，来沙量占仙桃站的比例仅为0.98%。可见，汉江中下游在多个梯级枢纽的重重阻隔下，输沙量锐减，入汇长江干流段的泥沙基本来自于沿程河床的冲刷补给^[25]。

中线运行前后，皇庄、兴隆水文站的输沙减少幅度基本相当，2014—2022年相较于2013年前多年均值分别减少1006万t和1034万t，主要受上游崔家营(2005年11月开工建设，2010年8月建成投用)、雅口(2017年2月开工建设，2023年6月主体工程完工)、碾盘山(2016年12月开工建设，2023年6月首台机组投产)等水库建设运行的影响，一方面河道转为库区，水动力条件减弱，河床冲刷强度下降，对水流泥沙的补给减弱；另一方面枢纽直接拦沙，区间汇入的泥沙被枢纽层层拦截。相反地，皇庄至兴隆段输沙量沿程变化较小，表明兴隆枢纽的拦沙作用十分有限。

1.2 河道冲淤变化

根据兴隆至仙桃段1977年和1988年实测地形资料，采用断面法和地形法，共布置208个断面，断面间距约为1.2 km，局部弯道段采用地形法，将2005和2016年实测地形资料，共布置115个断面，断面间距约为2.1 km，2012年和2022年为固定断面观测资料，采用断面法对兴隆至仙桃河段的平滩河槽、枯水河槽冲淤量进行计算。不同时期兴隆坝址下游至仙桃河段的河床冲淤量沿程分布详见表 2。

从冲淤计算结果看，兴隆坝址下游至仙桃河段长约108 km，1977—2022年河段呈冲刷状态，枯水河槽冲刷1.183亿m³，平滩河槽冲刷1.559亿m³，单位河长年均冲刷强度分别为2.43万、3.21万m³/(km ·a)，枯水河槽冲刷量占平滩河槽冲刷量的75.9%，以冲槽为主。对比兴隆枢纽修建前后两个时段来看，2005—2012年河段枯水、平滩河槽分别冲刷653万、1024万m³，单位河长年均冲刷强度分别为0.86万、1.35万m³/(km ·a)，滩槽均冲；2012—2022年河段枯水、平滩河槽分别冲刷6124万、5845万m³，单位河长年均冲刷强度分别为5.67万、5.41万m³/(km ·a)，以枯水河槽冲刷为主，中低滩略有淤积。可见，兴隆及上游一系列的枢纽运行后，坝下游河床冲刷强度增大，且受航道整治护滩工程的影响，中低滩体均保持稳定，促进了枯水河槽的冲刷^[20]。

综合水沙情势、河道冲淤变化分析结果，2014年开始皇庄、兴隆水文站输沙几乎等幅下降，皇庄上游沙量减少是兴隆以下河床冲刷加剧的重要原因之一，高水调平导致的年内枯水上滩几率下降和航道整治护滩工程是强冲刷过程中“滩淤槽冲”的核心因素。

1.3 枯水期水位变化

图 2给出了汉江中下游主要水文、水位站点1960—2022年间不同时段对应的年内枯水期1、2、3、4、11和12月平均水位，变化值为2014—2022年相对2001—2013年的绝对变化幅度。其中泽口、岳口两水位站位于兴隆与仙桃站之间。

1) 黄家港站，从平均水位过程来看，丹江口水库建库前其水位年内有明显的丰枯水过程，蓄水后，水位被调平，年内波动性降低。2000年王甫洲蓄水后因站点位于库区，整体水位升高较大，水位年内变幅较小。南水北调中线一期、引江济汉等引调水工程运行后，因来水减少水位年内变幅进一步降低。

2) 皇庄站，从平均水位过程来看，丹江口水库建库前皇庄水位较高，蓄水后，水位被调平，年内波动性降低；由于丹江口水库拦水拦沙，清水冲刷断面下切，使得皇庄站年均水位整体下降；南水北调中线一期、引江济汉等引调水工程运行后，因来水减少水位波动进一步降低。

3) 沙洋站，从平均水位过程来看，兴隆枢纽蓄水前沙洋水位较低，有明显的丰枯水过程，兴隆蓄水后(2014年)因其位于库区年内波动性降低，且枯水期水位基本持平。

4) 泽口站、岳口站、仙桃站，三站点枯期水位变化具有相近的规律。从平均水位过程来看，丹江口水库建库前，三站点的水位波动性较大，蓄水后，水位被调平，年内波动性降低；2014年后，受到兴隆蓄水、汉口最低水位的下降的影响，三站点的平均水位进一步下降。

5) 兴隆建设运行前后坝下游沿程水位变化，对比各站点水位变化值的沿程变化情况，除沙洋站外，水位变化值均为负值，且呈现出类似的三角形图案，4月份的水位变化幅度较小。由上至下，黄家港、皇庄、泽口、岳口、仙桃站，水位变化的平均值分别为-0.19、-0.70、-0.96、-0.70、-0.85 m，下游水位变化更为显著。

总体而言，丹江口水库建库前汉江中下游主要站点水位年内有明显的丰枯水过程，蓄水后，水位被调平，年内波动性降低。南水北调中线一期、引江济汉等引调水工程运行后，因来水减少水位年内变幅进一步降低。比较2014—2022年相对2001—2013年的绝对变化幅度，兴隆水利枢纽下游水位变化更为显著，后文将对此着重开展分析。

2 兴隆下游近坝段枯水位变化 2.1 兴隆坝址同流量枯水位变化

参考《南水北调中线工程汉江兴隆水利枢纽初步设计报告第二分册水文篇》^[26]，根据兴隆闸(兴隆坝址上游1.6 km)1980—2003年水位资料和相应的沙洋水文站流量资料(考虑相应的传播时间)拟定兴隆闸址干流断面水位流量关系，并按比降推至兴隆坝址(图 3)。为便于比较，将2014年兴隆坝址处的水位流量关系散点同样汇入图中。可以看出兴隆坝址的水位流量关系在2003—2014年间均较为稳定，初步设计报告成果与2014年实际情况较为相符。

图 4中给出了兴隆水利枢纽坝下水位流量关系变化，与2014年的坝址水位流量关系曲线相比，建坝后坝址中、枯水位明显下降。在500~800 m³/s流量下，2019年实测水位与建坝前相比累计下降2.00~2.18 m，2021年实测水位较建坝前累计下降2.47~2.55 m，且存在继续下降的趋势。

为了深入讨论水位流量关系曲线的变化，定义水位变化率指标：水位流量关系曲线上过任意一点的切线斜率为对应流量下水位随着流量增加而升高的速率^[27]。绘制水位变化率随流量变化曲线，如图 5。水位变化率随流量的变化存在一个拐点流量，在这个拐点流量以下时，水位变化率绝对值较大，但随流量的增加，水位变化率迅速减小；当超过这个拐点流量后，水位变化率较小，且随着流量的增加，其减小的速度也显著减小。水位变化率与流量关系曲线的拐点实际上是水流出槽漫滩的流量，即主槽的漫滩流量。河道主槽断面形态相对窄深，当流量增大，水位上升，水面宽度增加，水位抬升相同的高度需要的流量就会更多，抬升速度就会减缓，水位变化率就会减小。而水流漫滩后，随着流量的增加，水位抬升速度显著减缓，此时水位变化率显著减小。

水位变化率-流量关系曲线的拐点流量即漫滩流量发生了变化。依据图 5中给出的水位变化率随流量变化曲线可以确定蓄水后不同时期的拐点流量：2014年的水位变化率-流量曲线的拐点流量约为600 m³/s，而2020、2021年拐点流量约为700~800 m³/s。显然兴隆枢纽运用后漫滩流量呈上升的趋势。漫滩流量增加反映了非饱和水流冲刷河槽，河床下切，滩槽高差增大。

2.2 兴隆坝下游年最低水位变化

兴隆坝下游兴隆、仙桃水文站年最小流量、最低水位的变化过程如图 6所示。受丹江口调度、补水的影响，两站点最小流量并未出现明显的下降趋势。2014年后，仙桃站的最低水位下降速率有一定程度的增加，对该现象的原因进行分析如下。

长江水位的高低直接影响到汉江下游河段的水动力条件，汉江下游水位流量变化与长江来水过程有关。历史资料表明，长江水位对汉江顶托影响的范围较大，一般年份均可影响到仙桃，最远还可影响到岳口、泽口。影响的程度和范围与汉口水位的高低、汉江来流量的大小直接相关。图 7给出了汉口水文站1958—2022年最小流量、最低水位的变化过程，可以发现2005年前，汉口最小流量与最低水位间相关关系较好，两曲线间波动趋势较为接近。而2005年后，特别在2015年后两曲线间差异有所加大，汉口站的最低水位并未随着最小流量的增大而增加。进一步分析汉口最低水位与仙桃最低水位间的相关关系(图 8)，2015年后二者相关关系较好，R²高达0.81，而1958—2002年、2003—2014年两时段R²均仅为0.03。

综合分析兴隆坝址枯水位、仙桃站最低水位变化的特点，兴隆近坝段枯水位下降可能的原因有两个方面，一是兴隆水利枢纽坝下游河段的河床冲刷下切，枯水河槽冲刷明显加剧，导致枯水位下边界的改变；二是汉口最低水位下降的溯源传递效应，2014年之后汉口站的同流量枯水位^[28-29]和最低水位都出现了下降态势，下边界水位下降的溯源效应也可能导致兴隆近坝段枯水位的下降。

3 兴隆下游近坝段枯水位变化定量分析 3.1 随机森林算法

随机森林(random forests)算法是由Breiman提出的一种基于决策树的Bagging典型算法^[30]，决策节点、枝及叶共同构成了决策树的树状结构，这也代表着一系列的决策规则，而上述形成的各项规则可以应用于大数据分析挖掘中的数据分类或回归问题。随机森林模型的回归过程是通过Bagging随机且有放回的采样方法将原数据集按一定比例进行多轮抽取形成多组训练集，对每个训练集分别进行随机选择特征进行递归构建相应决策树，所有决策树结果的均值即为回归结果。随机森林回归模型基于本身机器学习的算法具有运行高效、对异常值及多重共线性不敏感和无需特征选择等多个独特优势，能够提供相对精度较高的预测结果。当目标变量是连续(数值)变量时，通过随机森林分析能够预测其它变量(解释变量)构成的模型对目标变量(因变量)的解释量以及其它变量对该目标变量的重要性。

徐嘉远等^[31]、王艺璇等^[32]利用随机森林这一特性，分别开展了随机森林算法识别模型最优解释变量、径流变化归因分析等工作。本次研究以兴隆枢纽坝下水位作为因变量，以部分重要枯水位下降驱动因子作为解释变量构建随机森林模型，通过变量重要性分析识别影响坝下水位的关键解释变量。

3.2 关键解释变量分析

依据前述分析成果，兴隆站输沙率(河床冲刷的重要原因)、兴隆至泽口河槽容积(影响枯水位下边界)等为影响兴隆坝下水位的潜在重要因素。而出库流量、兴隆站流量(包含引江济汉补水流量)是影响兴隆坝下水位的直接因素。

2.1节中分析表明，兴隆坝址的水位流量关系在2003—2014年间均较为稳定，2015年后水位流量关系变化明显，故研究以2014年为基准年，将2015—2021年输入(出库流量C1、兴隆站流量C2、兴隆站输沙率C3、兴隆-泽口河槽容积C4)、输出(兴隆坝下水位)数据进行归一化后，建立随机森林模型对兴隆坝下水位下降因素进行模拟。当输入、输出数据进行归一化后，其输入输出因素由绝对值变成了相对变幅，可消除输入因子量纲差异对分析结果的影响。

计算工况选取2000、1000、500 m³/s三级流量下的数据。如500 m³/s下的输入、输出数据分别为2015—2021年，出库流量在1~500 m³/s下的数据条目(出库流量、兴隆站流量、兴隆站输沙率、兴隆坝下水位)以及兴隆-泽口河槽容积(500 m³/s对应水位约56黄海30.5 m高程以下)。

3种工况下计算得到的解释变量重要性相对分数，如图 9所示。由图可知：

1) 1000 m³/s流量级下，坝下水位的影响因素更为复杂，各因子间的差异不大。而2000、500 m³/s流量级下，各因子间的差异较大。

2) 在2000、1000 m³/s流量级下，C2影响大于C1；而500 m³/s流量级下，C1重要程度较C2更高。此结果说明，当极端枯水的情况下，兴隆坝下水位受其出库流量的影响更为直接，而引江济汉补水流量的作用相对较小。现有调度实践也可证明该结果：近年来兴隆枢纽调度实践表明，中低水条件下，引江济汉补水流量增加，导致高石碑出口水位升高，进而对兴隆坝下水位具有抬升作用，但这是干流流量增加对上游水位的短期壅高。当出水闸关闭后，这种顶托作用随即消失。

3) 出库流量较小时，兴隆至泽口的河槽容积C4对坝下水位的影响增强，2000、1000、500 m³/s流量级下，C4的重要性分别排名第四、第二、第一，其相对分数也由约0.3增加至约0.8、1.0。此结果可间接说明，兴隆坝下冲刷主要集中在枯水河槽内，这也同实际情况相符。

4) 在2000、1000 m³/s流量级下，最重要解释变量为兴隆站输沙率C3；而500 m³/s流量级下，最重要解释变量为兴隆至泽口的河槽容积C4。但河道输沙率锐减，导致次饱和水流冲刷沿程河床，是河槽容积产生变化的根本原因。此结果说明，在出库流量、兴隆站流量、兴隆站输沙率、兴隆-泽口河槽容积4项可直接量化的因素中，对兴隆坝下水位变化影响最大的因素为兴隆站输沙率的锐减。

随机森林算法可以有效识别回归分析中的重要解释变量，通过量化解释变量对因变量的贡献，获取对因变量贡献的排序，针对识别影响兴隆坝下水位解释变量的问题，其计算结果与调度实践、实际情况可相互验证，可靠性较好。

4 兴隆近坝段枯水位变化成因讨论

除出库流量、兴隆站流量、兴隆站输沙率、兴隆-泽口河槽容积4项可直接量化的因素外，仍有航道整治工程等无法量化的因子，对枯水位下降也有十分重要的驱动作用。一方面，水沙条件是塑造河床形态的动力源泉，流量、含沙量变化导致天然河道冲刷演变直接引发了坝下水位的下降；另一方面，汉江中下游局部航道整治也加剧了枯水河槽冲刷，人类活动的干预也是引起兴隆坝下枯水位下降的原因之一。从河床边界条件的变化可以进一步判断河床冲刷下切的发展情况。

4.1 航道整治工程的影响

汉江局部航道整治工程治理了兴隆至汉川共190 km的河段。通过修筑丁坝、护滩带、疏浚航道等整治手段，达到“束水攻沙”、稳定枯水航槽、维护航道尺度的目的。航道整治工程实施后，一方面受上游多级枢纽调控的影响，汉江中下游高水上滩几率下降，另一方面大部分中低滩体得到守护，滩体的冲刷强度相对河槽偏小，甚至出现淤积。河道内滩体的相对稳定进一步促进了枯水河槽的冲刷，是兴隆坝下枯水位下降的重要原因之一。

以兴隆至泽口河段为例，部分断面左岸或右岸分别或均实施有航道整治护滩工程，断面的冲淤变化主要集中在河槽部分，以河槽冲刷下切为主要形式，部分存在滩体崩退后退。如HX092断面，2012年主泓贴靠右岸滩体，最低点高程为21.97 m，至2022年，河槽中部河床大幅下切，最低点高程下降至6.91 m，深泓向左岸侧摆动231 m。HX096和HX098断面的变化较为相似，均为主泓附近河床单向冲刷下切，深泓点下切幅度分别为6.82和5.10 m(图 10)。

4.2 河床边界条件的变化

兴隆坝址下游兴隆水文站2014—2022年逐月的床沙粒径组成变化，如图 11所示，该站河床组成以粒径d＜0.25 mm的细沙为主，床沙中数粒径除个别年份的个别测次偏小以外，大多数测次取值都在0.15~0.25 mm之间，年内汛前略偏大，汛期和汛后略偏小；d＜0.25 mm的细沙含量大多数测次都在70%以上，年内无明显变化。年际间，2014—2022年，汛前床沙中数粒径有所减小，全年d＜0.25 mm的细沙含量增大。

兴隆坝址及下游河段的河床组成偏细，细沙覆盖层厚度大，尽管2012—2022年河床冲刷强度加大，主河槽最大冲刷深度接近15 m，但床沙组成没有出现粗化的现象，甚至因为枢纽拦沙，粗颗粒泥沙补给迅速减少，下游近坝河段床沙还出现细化，表明兴隆枢纽坝下游近坝河段的河床冲刷仍停留在细沙层，河床仍将继续冲刷下切。

5 结论

汉江兴隆水利枢纽运行后，坝下游近坝段枯水位较建坝前下降明显，对工程安全及效益发挥带来不利影响，本文对枯水位下降的成因进行了深入剖析。主要结论如下：

1) 兴隆水利枢纽蓄水运用后，主要受上游崔家营、雅口、碾盘山等水库建设运行的影响，皇庄、兴隆水文站的输沙减少幅度基本相当。而皇庄至兴隆段输沙量沿程变化较小，表明兴隆枢纽的拦沙作用十分有限。皇庄上游输沙减少是兴隆以下河床冲刷加剧的重要原因之一，高水调平导致的年内枯水上滩几率下降和航道整治护滩工程是强冲刷过程中“滩淤槽冲”的核心因素。

2) 兴隆建坝后坝址同流量下中、枯水位明显下降，500~800 m³/s流量下，2021年较运行前坝下水位累计下降2.47~2.55 m，且存在继续下降的趋势，漫滩流量呈上升的趋势，漫滩流量增加反映了非饱和水流冲刷河槽，河床下切，滩槽高差增大。坝下游河段枯水河槽冲刷导致枯水位下边界的改变，以及汉口最低水位下降的溯源传递效应均促进了兴隆近坝段枯水位下降。

3) 随机森林分析显示，在出库流量、兴隆站流量、兴隆站输沙率、兴隆-泽口河槽容积4项可直接量化的因素中，对兴隆坝下水位变化影响最大的因素为兴隆站输沙率的锐减。此外，仍有航道整治工程、河床边界条件等无法量化的因子，对枯水位下降也有十分重要的驱动作用。

4) 兴隆坝址及下游河段的河床组成偏细，细沙覆盖层厚度大，尽管2012—2022年河床冲刷强度加大，但床沙组成没有出现粗化的现象，2014—2022年，年际间汛前床沙中数粒径有所减小，全年粒径＜0.25 mm的细沙含量增大，表明兴隆枢纽坝下游近坝河段的河床冲刷仍停留在细沙层，河床仍将继续冲刷下切，枯水位尚未达到稳定状态。

5) 为解决目前坝下游近坝段枯水位下降对枢纽发电、通航等的不利影响，需统筹考虑汉江中下游水资源、水生态安全需求，如汉江中下游抑制水华、鱼类繁殖的生态调度等，适当加大丹江口水库对下游河道的补水量，并着眼于引江补汉工程建设，构建近期、远期情景下的汉江中下游水资源优化配置方案。