三峽水庫變動回水區(qū)泥沙沖淤特性分析

何艷軍，張 璠

（長江重慶航運工程勘察設(shè)計院，重慶 401147）

三峽水庫變動回水區(qū)泥沙沖淤特性分析

何艷軍，張 璠

（長江重慶航運工程勘察設(shè)計院，重慶 401147）

依據(jù)三峽蓄水后變動回水區(qū)的實測資料，初步分析了三峽水庫175 m正常蓄水下變動回水區(qū)輸沙過程及該河段沖淤特性，揭示了航道調(diào)整的內(nèi)在機理，總結(jié)了水沙條件變化和河段沖淤規(guī)律。結(jié)果可為減少變動回水區(qū)的泥沙淤積及淤沙淺灘的治理提供科學依據(jù)。

變動回水區(qū)；泥沙淤積；沖淤特性；三峽水庫

Biography：HE Yan-jun（1980-），female，engineer.

三峽水庫正常蓄水后，枯水期175 m水位回水末端位于江津附近的紅花磧，汛期145 m水位回水末端位于長壽附近。長壽以下約500 km的河段為水庫常年回水區(qū)，航運條件將得到根本改善，而長壽以上河段屬水庫變動回水區(qū)（圖1），重慶主城區(qū)河段正好處于變動回水區(qū)。該區(qū)域同時具有水庫和天然河道的雙重特性，枯期呈現(xiàn)水庫特性，汛期呈現(xiàn)天然河道的特性。三峽蓄水后，水沙條件和邊界條件的重大變化將使變動回水區(qū)的水流條件、沖淤特性及河床演變規(guī)律發(fā)生調(diào)整，并可能使該河段部分灘險的航道條件趨于惡化，甚至可能造成新的礙航灘險。水沙條件變化引起的航道條件調(diào)整大多數(shù)隨著時間推移而緩慢顯現(xiàn)，但由于這種調(diào)整在長河段內(nèi)具有普遍性，并且隨著時間發(fā)展具有累積性，及時發(fā)現(xiàn)和預防礙航問題勝于任何補救措施。

長期以來，國內(nèi)多家研究機構(gòu)從河床演變理論分析、數(shù)學模型計算、實體模型試驗等不同角度，對變動回水區(qū)、重慶主城區(qū)河段等重點位置的航道調(diào)整進行了分析，得到了較為深入的認識。然而，一方面以往的預測很多是基于天然的水沙資料和演變規(guī)律，與蓄水后的實際情況難免存在出入；另一方面有些極為復雜的問題，如沙質(zhì)河床的淺灘條件變化，本身就是泥沙學科中長期懸而未解的難題，在蓄水前缺乏資料開展深入研究。限于水沙條件的不確定性以及航道泥沙問題的研究水平，本文根據(jù)在蓄水后進行的航道泥沙原型觀測資料，分析了三峽蓄水以來航道變化過程中的各種現(xiàn)象和數(shù)據(jù)，揭示了航道調(diào)整的內(nèi)在機理，總結(jié)了水沙條件變化和河段沖淤規(guī)律。

圖1 三峽水庫變動回水區(qū)河勢圖Fig.1 River regime of fluctuating backwater region of the Three Gorges reservoir

1 泥沙沖淤主要因素

變動回水區(qū)河段泥沙沖淤受來水來沙、河道邊界條件、干支流相互頂托、峽谷河段壅水等諸多因素的影響，泥沙沖淤變化極為復雜。

1.1 來水來沙特性

變動回水區(qū)河段來水來沙控制站，長江干流有朱沱、寸灘水文站，嘉陵江有北碚水文站。寸灘站位于朝天門以下7.5 km，朱沱站位于寸灘站上游152 km，北碚站距嘉陵江出口約60 km。長江上游流域來水來沙近期變化的主要特征是：徑流量總體變化不大，汛后流量略有減少，而輸沙量明顯減少。據(jù)統(tǒng)計［1］，1990年以來，長江上游各支流水沙條件較1950～1990年發(fā)生了較大變化，徑流量略有減少，而輸沙量明顯減少，部分支流如嘉陵江減少幅度高達60%以上。三峽水庫蓄水后，變化趨勢與20世紀90年代類似，徑流量略有減少，但幅度不大，輸沙量減少較多。與1950～1990年時期相比，2003～2007年長江上游的金沙江水量基本持平，岷江、沱江和嘉陵江則分別減少10%、32%和12%，金沙江、岷江、沱江和嘉陵江年均輸沙量分別減少41%、27%、94%和82%。

1.2 河道邊界條件

變動回水區(qū)地處長江上游丘陵寬谷河段，從平面形態(tài)上看，該河段河道彎曲，特別是長江干流，呈現(xiàn)連續(xù)彎道的形態(tài)，嘉陵江則自北向南由左岸在朝天門匯入長江。該河段河道斷面一般較窄，長江的中、洪水河寬一般在600～1 000 m，個別河段枯、洪水河寬可達250 m和2 000 m。嘉陵江河段兩岸陡峭，大多由基巖組成，岸線凹凸不平，較為穩(wěn)定。該河段的河床多由卵石或卵石夾沙組成，卵石中值粒徑在60 mm左右，淤沙中值粒徑在2 mm左右，部分河段有基巖出露，形成石梁、暗礁。從河床縱剖面來看，則是深潭與淺脊相間，河床高程起伏不平呈鋸齒狀。同時，嘉陵江的入?yún)R又使該河段具有河口特性。以上這些河道特點決定了變動回水區(qū)河段水流泥沙運動的復雜性。

1.3 干支流相互頂托作用

變動回水區(qū)河段地處長江上游，中部有嘉陵江入?yún)R。兩江相互頂托，對入?yún)R口以上河段的比降、流速大小將產(chǎn)生較大影響，若嘉陵江與長江匯流比（QJ/QC）大，嘉陵江對長江干流頂托作用較強，有利于長江干流段的淤積及嘉陵江段沖刷；反之，則有利于嘉陵江淤積及長江干流段沖刷，在朝天門入?yún)R的嘉陵江與長江水流相互頂托，對變動回水區(qū)河段沖淤的影響為越遠離匯流段作用越小［1］。

1.4 峽谷河段壅水作用

變動回水區(qū)的峽谷河段主要是指銅鑼峽河段。銅鑼峽河段位于變動回水區(qū)的出口處，全長2 km左右，其狹窄的峽谷河段嚴重約束了變動回水區(qū)出口的水流，大流量時水位壅高，泥沙落淤，小流量時，水位下降，流速增大，可以把汛期淤落的泥沙沖走。在銅鑼峽這一特定的河段內(nèi)，各蓄水位方案河床邊界條件基本不變，河段淤積量主要取決于壅水程度。汛期壅水值的大小決定了泥沙淤積的數(shù)量和分布，而枯水消落期壅水值的大小又決定了走沙時的水流條件和沖刷量的多少［2］。

2 變動回水區(qū)實測沖淤分析

2.1 實測資料情況

2003年制定《長江三峽工程2003～2009年泥沙原型觀測規(guī)劃（航道部分）》之后，長江重慶航運工程勘察設(shè)計院隊與長江航道測量中心依據(jù)規(guī)劃及每個水文年的測量計劃，對壩上、壩下河段進行了測量，主要內(nèi)容包括部分重點灘險的水下地形、水面流速流向，部分急流灘險的水面流速流向及航跡線圖，重點水道水文斷面測驗、地質(zhì)勘察、水位觀測等，測量成果符合相關(guān)規(guī)范要求，滿足河床演變分析需求。

2.2 變動回水區(qū)重點淤沙淺灘河段的沖淤分析

175 m蓄水前，銅鑼峽以上河段未受到三峽蓄水的影響。三峽175 m蓄水變動回水區(qū)內(nèi)重點淤沙淺灘河段主要為豬兒磧河段和九龍坡河段。175 m蓄水前，該河段汛前、汛末主要為沖刷，汛期主要為淤積，但汛期來水來沙減到一定程度后，河床也會發(fā)生大量沖刷。在汛末及汛后的沖刷階段，汛后隨著水位消落，水流逐漸歸槽，流速增大，水流挾沙能力增強，加上來沙量減少，河床總體為沖，其沖刷量大小主要取決于汛期淤積量的多少［3］。從全年來看，該河段年內(nèi)沖淤基本平衡［4］。

2.2.1 豬兒磧河段沖淤分析

2009年5月測圖與2007年3月、2009年2月實測對比結(jié)果見表1［5］。

從淤積情況來看，2008年三峽水庫175 m試驗性蓄水前，該河段不受三峽水庫蓄水影響，其年內(nèi)沖淤變化一般是汛期淤積、汛末至汛后沖刷，年內(nèi)沖淤基本平衡。從沖淤部位看，沖淤變化主要分布在豬兒磧、月亮磧、兩江交匯口一帶。該河段流速相對較大，故河床以卵石沖淤為主；從汛末至年底沖刷過程看，沖刷量主要集中在9月中旬至10月中旬，約占汛末至年底沖刷量的50%。

175 m試驗性蓄水之后，枯水期水位抬高8～12 m，流速變緩，消落期抬高水位逐漸減小。汛期該河段恢復天然河道，含沙量較大，造成局部范圍的汛期淤積。9～10月壩前水位抬高，汛期淤積的泥沙逐步影響到豬兒磧河段，流速變緩，泥沙無法沖走。在消落期，隨著壩前水位的降低，由原來的庫區(qū)逐漸向天然河道轉(zhuǎn)變，這個過程是該河段主要走沙期，汛期淤積在河道內(nèi)的泥沙得到基本沖刷，大部分輸移到下游；消落期上游輸移的部分泥沙主要淤積在該河段的深槽和礁石附近。

表1 豬兒磧河段淤積變化Tab.1 Changes of deposition of Zhuerqi reach

2.2.2 九龍坡河段沖淤分析

2009年5月測圖與2007年3月、2009年2月實測對比結(jié)果見表2［5］。

從淤積情況來看，2008年三峽水庫試驗性蓄水前，該河段不受三峽水庫蓄水影響，其年內(nèi)沖淤變化一般是汛期淤積、汛末至汛后沖刷，年內(nèi)沖淤基本平衡。從沖淤部位看，該河段沖淤變化主要集中在港前區(qū)域，其他部位沖淤變化不明顯。從汛末至年底沖刷過程來看，沖刷量主要集中在9月中旬至10月中旬，約占汛末至年底沖刷量的71%。

175 m試驗性蓄水之后，9月中旬至10月中旬（三峽壩前水位144.9～157.0 m），九龍坡河段尚未受到三峽水庫蓄水影響，水流歸槽、主槽流速增大，該河段總體表現(xiàn)為沖刷；10月中旬后（三峽壩前水位157.0～172.76 m），該河段逐漸受到三峽水庫蓄水影響，水深增大、流速減小，該河段總體呈淤積狀態(tài)。

2008年12月中旬～2009年2月上旬，三峽壩前水位從169.56 m逐漸消落至168.10 m，水流歸槽，該河段總體上表現(xiàn)為沖刷；2月上旬以后，三峽壩前水位逐漸消落至3月5日的163.72 m，九龍坡河段受三峽水庫蓄水影響逐漸變小，河道水面比降逐漸增大，該河段表現(xiàn)為沖刷。

2009年3月上旬以后，三峽壩前水位到4月9日消落至159.83 m，九龍坡河段受三峽水庫蓄水影響更小，河道水面比降劇增，河道基本恢復為天然狀態(tài)，加之上游來流量也有所增大，河床繼續(xù)表現(xiàn)為沖刷。

由此可見，2008年12月中旬～2009年4月上旬，隨著三峽壩前水位的逐漸消落，九龍坡河段水流逐漸歸槽，河床逐步?jīng)_刷；2009年4月上旬～5月底，三峽壩前水位進一步消落，由159.83 m降至150.37 m，該河段已為天然狀態(tài)，壩前水位消落使得走沙效應不明顯。

表2 九龍坡河段淤積變化Tab.2 Changes of deposition of Jiulongpo reach

3 變動回水區(qū)泥沙沖淤特性分析

3.1 淤沙淺灘累積性淤積趨勢開始顯現(xiàn)

（1）泥沙淤積量變化。

三峽水庫蓄水后，變動回水區(qū)的淤沙淺灘年際間已出現(xiàn)累積性淤積。139 m蓄水期，水庫回水至李渡，根據(jù)2003～2006年豐都—李渡河段固定斷面觀測資料分析，變動回水區(qū)總體有沖有淤，泥沙淤積主要發(fā)生在寬闊段。土腦子河段遵循天然的汛淤枯沖的趨勢，2003年3月～2006年10月，該河段累積泥沙淤積量為165萬m3；龍王沱河段蓄水后年內(nèi)汛沖枯淤，2003年3月～2006年10月，該河段累積泥沙淤積量為37.3萬m3。156 m蓄水期，水庫回水上延至銅鑼峽，青巖子河段成為變動回水區(qū)。2006～2007年李渡—銅鑼峽段總體表現(xiàn)為淤積，50 000 m3/s流量下淤積561萬m3，淤積部位主要集中在寬闊段和回水沱內(nèi)。2006年10月～2007年12月，青巖子河段產(chǎn)生淤積量97.9萬m3，已開始出現(xiàn)了累積性淤積的趨勢。

175 m蓄水期，水庫回水至江津，2008～2009水文年是175 m試驗性蓄水階段的第一個水文年，從以上對豬兒磧和九龍坡河段的分析可知，淤積已經(jīng)呈現(xiàn)。隨著175 m蓄水進程的不斷推進，變動回水區(qū)淤沙淺灘的累積性淤積趨勢將逐漸顯現(xiàn)。

（2）淤積部位變化。

變動回水區(qū)各河段的淤積部位主要集中在寬闊段的回流緩流區(qū)以及河道主槽內(nèi)，與三峽論證成果［4］的淤積部位基本一致，但淤積范圍和數(shù)量明顯偏小。

3.2 泥沙淤積與水位壅高的關(guān)系

三峽水庫變動回水區(qū)為典型的山區(qū)性河道，兩岸峽谷與寬谷相間。狹窄段多為峽谷，水流較急，在巖質(zhì)河岸的控制下，主流基本常年不變；寬谷段常出現(xiàn)心灘、江心洲，在邊界條件的作用下，洪枯期水流流路不一致，往往造成洪淤枯沖，但年內(nèi)基本平衡。從各淺灘來看，邊界不易變形，控制作用較強，淺灘出淺的位置基本固定，隨水位的變化而有所不同，礙航特征也較為清楚。三峽水庫蓄水后，隨著水位洪枯期的變化，無論汛期和枯期，受回水影響河段均存在不同程度的水位壅高，變動回水區(qū)的中下段尤為明顯，水位壅高造成水流挾沙能力變化以及沖刷歷時縮短，將不可避免的造成泥沙淤積。根據(jù)三峽論證成果［6］，變動回水區(qū)河段水位壅高值與河段的泥沙淤積量有直接關(guān)系，當汛期水位壅高值超過3 m后，一般會產(chǎn)生較大的累積性淤積，并可能造成河型演變。

3.3 累積性淤積將造成變動回水區(qū)淺灘段的礙航問題

在三峽工程論證及可行性研究階段，對于水庫變動回水區(qū)泥沙沖淤變化，參加試驗研究的各科研單位基本上都有這樣的共識［4］：三峽水庫建成后，由于水位壅高，變動回水區(qū)中、下段將產(chǎn)生累積性泥沙淤積，使原河床邊界對水流的控制作用減弱，局部河段會發(fā)生河勢調(diào)整，河道逐步向單一、規(guī)順、微彎形態(tài)發(fā)展，航道、港區(qū)較建庫前有較大改善。但在特枯年的枯水期或在豐沙年后的水位消落后期，原有某些寬淺河段和凸岸港區(qū)，由于走沙沖刷推遲，短期可能出現(xiàn)航道尺度和港區(qū)水域?qū)挾壬疃炔蛔愕那闆r。

4 結(jié)論與建議

（1）變動回水區(qū)河段泥沙沖淤受來水來沙、河道邊界條件、干支流相互頂托、峽谷河段壅水等諸多因素的影響，泥沙沖淤變化極為復雜。

（2）三峽蓄水后，變動回水區(qū)上游來沙量逐漸減少。隨著三峽175 m蓄水不斷推進，變動回水區(qū)雖仍遵循天然情況下“洪淤枯沖”的規(guī)律，但無論從年際淤積過程、淤積部位、深泓線的平面和縱剖面變化、典型橫斷面的變化，還是從年內(nèi)不同時期的淤積過程來看，變動回水區(qū)的淤沙淺灘已經(jīng)呈現(xiàn)出累積性淤積的趨勢。

即使在目前來沙大幅減少的情況下，變動回水區(qū)的寬闊段也已產(chǎn)生了累積性的淤積，并且已經(jīng)對變動回水區(qū)的航道條件產(chǎn)生了不利影響。水庫正常蓄水運用后，上述礙航問題可能更加嚴峻。建議繼續(xù)加強對變動回水區(qū)的原型觀測工作，繼續(xù)對重點河段進行關(guān)注和重點研究。

［1］倪晉仁，惠遇甲.嘉陵江入?yún)R對重慶河段水力特性影響的水力學分析［J］.泥沙研究，1991（2）：29-37.

NI J R，HUI Y J.Hydraulic analyses of the effect of inflow of Jialing-Jiang on flow characteristics of Chongqing Reach［J］.Journal of Sediment Research，1991（2）：29-37.

［2］郭繼明，陳子湘.三峽水庫變動回水區(qū)銅鑼峽河段演變研究［J］.長江科學院院報，1998（3）：1-5.

GUO J M，CHEN Z X.Evolution research of Tongluoxia river reach in changing backwater region of TGP reservoir［J］.Journal of Yangtze River Scientific Research Institute，1998（3）：1-5.

［3］錢寧，萬兆惠．泥沙運動力學［M］．北京：科學出版社，2003.

［4］彭萬兵，劉德春.重慶市主城區(qū)河段沖淤特性分析［J］.泥沙研究，2005（6）：44-50.

PENG W B，LIU D C.Analyses on erosion and deposition characteristics of the river reach in Chongqing City［J］.Journal of Sediment Research，2005（6）：44-50.

［5］長江航道規(guī)劃設(shè)計研究院，長江重慶航運工程勘察設(shè)計院.長江三峽工程航道泥沙原型觀測2008-2009年度分析報告［R］.重慶：長江重慶航運工程勘察設(shè)計院，2009.

［6］三峽工程泥沙專家組.長江三峽工程泥沙問題研究［M］.北京：知識產(chǎn)權(quán)出版社，2002.

Characteristics of scouring and deposition in fluctuating backwater region of the Three Gorges reservoir

HE Yan-jun，ZHANG Fan
（Changjiang Chongqing Harbour and Waterway Engineering Investigation and Design Institute，Chongqing401147，China）

According to the measured data in fluctuating backwater region of the Three Gorges reservoir，the sediment transport and the scouring and deposition characteristics under the normal storage water level 175 m condition were primarily analyzed in this paper.The inherent mechanism of channel adjustment was revealed，then the changes of water and sediment condition and the regularity of scouring and deposition in this reach were summarized.The results can provide scientific basis for future navigation channel regulation and sediment transport research.

fluctuating backwater region；sediment deposition；characteristic of scouring and deposition；the Three Georges reservoir

TV 142；TV 853

A

1005-8443（2010）05-0473-05

何艷軍（1980-），女，遼寧省綏中縣人，工程師，主要從事港口與航道設(shè)計和研究工作。