三峽工程運(yùn)用初期上荊江楊家腦至郝穴河床沖淤變化試驗(yàn)研究

黃 莉，孫貴洲，李發(fā)政

（長江科學(xué)院水利部江湖治理與防洪重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430010）

三峽工程運(yùn)用初期上荊江楊家腦至郝穴河床沖淤變化試驗(yàn)研究

黃 莉，孫貴洲，李發(fā)政

（長江科學(xué)院水利部江湖治理與防洪重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430010）

三峽水庫修建后，由于水庫調(diào)蓄作用，進(jìn)入壩下游荊江河道的水沙過程發(fā)生了顯著變化，荊江河道產(chǎn)生較明顯的沖刷，已引起局部河段的河勢調(diào)整，將在相當(dāng)長時期內(nèi)對兩岸堤防、已建護(hù)岸工程和河道整治工程及河道的穩(wěn)定產(chǎn)生不同程度影響，進(jìn)而影響該地區(qū)的防洪、航運(yùn)、生態(tài)與環(huán)境以及河流的綜合服務(wù)功能的正常發(fā)揮。利用長江防洪實(shí)體動床模型試驗(yàn)研究了三峽工程運(yùn)用初期不同時期上荊江楊家腦至郝穴河段的沖淤變化過程、沖淤規(guī)律、數(shù)量及分布，并在此基礎(chǔ)上預(yù)測河勢調(diào)整趨勢。研究成果為該段河道的治理和河勢控制工程規(guī)劃、設(shè)計(jì)等提供技術(shù)參考。

長江防洪實(shí)體模型；三峽工程；壩下游；沖淤；河勢

三峽工程已于2003年6月開始蓄水至135 m，2006年9月蓄水至156 m，2009年9月啟動175 m試驗(yàn)性蓄水，并于2010年10月26日蓄水至正常蓄水位175 m，首次達(dá)到工程設(shè)計(jì)的最高蓄水位。三峽水庫修建后，由于水庫調(diào)蓄作用，進(jìn)入壩下游荊江河道的水沙過程發(fā)生了顯著變化，荊江河道產(chǎn)生較明顯的沖刷，已引起局部河段的河勢調(diào)整，將在相當(dāng)長時期內(nèi)對兩岸堤防、已建護(hù)岸工程和河道整治工程及河道的穩(wěn)定產(chǎn)生不同程度影響，進(jìn)而影響該地區(qū)的防洪、航運(yùn)、生態(tài)與環(huán)境以及河流的綜合服務(wù)功能的正常發(fā)揮。隨著三峽工程的蓄水運(yùn)用和其上游干支流水庫的陸續(xù)建設(shè)以及水土保持工程的不斷實(shí)施，壩下游荊江河道河勢將進(jìn)一步?jīng)_淤調(diào)整，因此有必要開展三峽工程運(yùn)用后荊江河道沖淤變化研究，進(jìn)而研究河勢調(diào)整趨勢。

本研究正是基于以上考慮，通過長江防洪實(shí)體模型動床模型試驗(yàn)研究三峽工程運(yùn)用初期不同時期上荊江楊家腦至郝穴河段的沖淤變化特點(diǎn)及河勢調(diào)整趨勢。研究成果可為該段河道的治理和河勢控制工程規(guī)劃、設(shè)計(jì)等提供技術(shù)參考。

1 河道概況

荊江上起枝城，下迄洞庭湖口的城陵磯，全長約326 km，有松滋口、太平口、藕池口、調(diào)弦口（已于1959年建閘封堵）分長江水沙通過分流道進(jìn)入洞庭湖，并匯集湘、資、沅、澧四水經(jīng)洞庭湖調(diào)蓄后于城陵磯復(fù)入長江，形成復(fù)雜的江湖關(guān)系。以藕池口為界荊江分上、下荊江，上荊江為微彎分汊型河道，長約161 km；下荊江上起藕池口，下迄城陵磯，為蜿蜒型河道，目前已被改造為限制性彎曲型河道。

試驗(yàn)河段位于上荊江河段內(nèi)，上自楊家腦（荊25），下至郝穴（荊74），全長約87 km，由腳市、沙市、公安及郝穴4個河彎段及河彎之間的過渡段組成，除郝穴河彎外其余河彎處基本均分布有江心洲，整個河段屬彎曲分汊型河道（圖1）。河段左岸有支流沮漳河入?yún)R，右岸有太平口分流入洞庭湖，本河段在陳家灣、玉和坪、觀音寺、雙石碑、郝穴等處因節(jié)點(diǎn)控制形成卡口。近幾十年來，由于受下荊江裁彎、三口分流減少、葛洲壩水利樞紐建成運(yùn)用、1998年大洪水以及三峽工程蓄水運(yùn)用等因素的影響，試驗(yàn)河段河床發(fā)生了不同程度的沖刷，隨著河道內(nèi)彎道凹岸及水流頂沖部位護(hù)岸工程的實(shí)施，河岸的抗沖能力得到增強(qiáng)，較大程度地抑制了近岸河床的橫向發(fā)展，試驗(yàn)河段總體河勢沒有發(fā)生大的改變，但局部河勢調(diào)整仍較為劇烈，主要表現(xiàn)為過渡段主流的擺動、洲灘的消長及主支汊的興衰交替變化等，以沙市河段三八灘汊道段河勢調(diào)整尤為突出。

試驗(yàn)河段的水沙條件主要受自宜昌以上長江干、支流的影響。統(tǒng)計(jì)1950－2007年沙市站（1991年以前為新廠站）水文觀測資料可知，多年平均徑流量3 923億m3，懸移質(zhì)泥沙多年平均輸沙量為4.022億t，并且水、沙量年內(nèi)分配不均勻，最大月徑流量出現(xiàn)在7－9月，最小月徑流量出現(xiàn)在1－3月；輸沙量年內(nèi)分配大致與徑流分配規(guī)律相同，但更集中在汛期，5－10月輸沙量占全年的94.0%，歷年最大月輸沙量出現(xiàn)在7月，最小月輸沙量出現(xiàn)在2月。

由三峽工程蓄水運(yùn)用前后沙市站水沙統(tǒng)計(jì)資料顯示，三峽工程蓄水運(yùn)用以來（2003－2008年），年徑流量較蓄水前多年（1956－2002年）平均值有所偏枯，減少約4.9%，年輸沙量大幅度減少，由三峽蓄水運(yùn)用以前多年平均的4.34億t減少為三峽蓄水運(yùn)用后多年平均的0.857億t，減少約80.3%，年均含沙量也明顯小于蓄水以前的多年平均值。另外，三峽水庫蓄水運(yùn)用以來，由于河床沖刷，懸移質(zhì)泥沙中粗顆粒與床面細(xì)顆粒泥沙的交換，沙市站懸移質(zhì)泥沙的中值粒徑稍有變粗，由蓄水前多年（1991－2002年）平均的0.012 mm變?yōu)樾钏蟮?.018 mm。

根據(jù)多年（1951－2008）太平口分流分沙的資料可知，20世紀(jì)50年代以來，虎渡河分流、分沙比總體呈減小趨勢，分流分沙比分別由裁彎前（1951－1966年）的4.67%和4.13%減小到三峽工程蓄水后（2003－2009年）的2.24%和2.56%。另外，三峽工程蓄水運(yùn)用后，與蓄水前相比，太平口分流分沙比均有所減少，但幅度不大。

河段兩岸基本建有堤防工程，左岸有荊江大堤濱臨江岸，堤外無灘或?yàn)┖苷?，深泓逼岸，右岸有荊南長江干堤。多年來該河段河勢變化主要發(fā)生在順直過渡段及放寬分汊段，洲灘不穩(wěn)定、主流線擺幅較大，并引起局部河岸較劇烈的崩坍。

圖1 上荊江楊家腦至郝穴河段近期河勢圖Fig.1 Recent river regimemap of the Upper Jingjiang River from Yangjianao to Haoxue

2 動床模型設(shè)計(jì)

2.1 模型模擬范圍

動床模型模擬范圍上起楊家腦（荊25），下至郝穴（荊74），河段全長87 km，模型長218 m，包括腳市河彎、沙市河彎、公安河彎、郝穴河彎及兩彎道間過渡段。

2.2 模型相似條件［1］

根據(jù)研究內(nèi)容和試驗(yàn)河段的水沙條件及河床組成情況，本動床模型除滿足幾何相似和水流運(yùn)動相似外，還應(yīng)滿足泥沙運(yùn)動相似。

2.2.1 幾何相似

幾何相似是模型相似的基礎(chǔ)。根據(jù)所研究的問題需要和場地條件等綜合因素，確定模型平面比尺αL＝400，垂直比尺αH＝100，變率e＝4。

2.2.2 水流運(yùn)動相似

式中：αV為流速比尺；αn為糙率比尺；αQ為流量比尺。

2.2.3 泥沙運(yùn)動相似

試驗(yàn)河段來沙主要包括懸移質(zhì)、沙質(zhì)推移質(zhì)，其間亦有少許卵石推移質(zhì)。它們的粒徑范圍分布較廣，各自運(yùn)動規(guī)律和補(bǔ)給條件也不相同，不能采用同一表達(dá)式描述。根據(jù)試驗(yàn)?zāi)康暮鸵螅瑧?yīng)同時模擬懸移質(zhì)、沙質(zhì)推移質(zhì)和卵石推移質(zhì)，但考慮到試驗(yàn)河段屬平原河流，水流輸沙總量中懸移質(zhì)占絕大部分，沙質(zhì)推移質(zhì)數(shù)量相對較少，卵石推移質(zhì)就更少，并且對該河段河床沖淤變化產(chǎn)生較大影響作用的主要是懸移質(zhì)中的床沙質(zhì)部分。因此，本模型設(shè)計(jì)主要考慮懸移質(zhì)中的床沙質(zhì)運(yùn)動相似，據(jù)此確定泥沙運(yùn)動相似的基本條件。懸移質(zhì)泥沙主要滿足沉降相似、起動相似、挾沙相似和河床變形相似。本模型采用的模型沙即長江防洪實(shí)體模型所采用的塑料合成沙，密度設(shè)計(jì)為1.38 t／m3，干密度隨模型沙粒徑變化而略有改變，取0.65 t／m3。

動床模型各類比尺匯總于表1。最終的河床變形時間比尺、含沙量比尺需通過驗(yàn)證試驗(yàn)確定。

表1 動床模型各類比尺匯總表Table1 Collection ofmodel scales of themovable bed model

2.3 模型測控系統(tǒng)

試驗(yàn)河段模型試驗(yàn)放水要素采用計(jì)算機(jī)自動控制，其中模型進(jìn)口流量由3臺電磁流量計(jì)交互控制，進(jìn)口沙量由4臺螺桿泵采用調(diào)頻器交互控制，出口水位由1臺梭拉式尾門自動調(diào)節(jié)水位，太平口分流道流量由1個三角堰通過調(diào)節(jié)堰頂水頭控制出流。

河工模型試驗(yàn)時，一般將進(jìn)出口水沙過程進(jìn)行概化，將非恒定流過程簡化成多級恒定流過程。當(dāng)進(jìn)口流量和出口水位變化時，水沙運(yùn)動時間和河道的槽蓄作用導(dǎo)致初期模型沿程水位、流速、含沙量均發(fā)生滯后和偏離。為了減少以往模型進(jìn)、出口水沙要素同時控制方式帶來不利影響，本次試驗(yàn)?zāi)Ｐ涂刂品绞讲扇∵M(jìn)口流量提前、出口水位滯后控制方式，盡可能保證進(jìn)出口正常的水位流量關(guān)系。

模型試驗(yàn)中采用自動水位儀來觀測模型沿程水位，采用多點(diǎn)式光電流速儀、自動測淤儀以觀測斷面流速分布及河床地形等。

2.4 模型驗(yàn)證

動床模型驗(yàn)證試驗(yàn)主要是通過水面線、斷面流速分布和河床沖淤變形等要素的驗(yàn)證試驗(yàn)，來檢驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)、選沙及各項(xiàng)比尺的合理性，從而保證模型方案試驗(yàn)的可靠性，并最終確定模型的含沙量比尺與河床沖淤變形時間比尺，為后期開展三峽工程運(yùn)用后初期該河段河床沖淤變化試驗(yàn)研究奠定基礎(chǔ)。

驗(yàn)證試驗(yàn)初始河床地形采用2004年7月底實(shí)測1∶10 000水下地形圖，模型施放2004年7月～2006年6月的水沙過程，以復(fù)演2006年6月實(shí)測河床地形及其間2005年10月監(jiān)測的荊固斷面形態(tài)。

動床模型驗(yàn)證試驗(yàn)研究成果表明，模型沿程水位及垂線平均流速沿河寬的分布與原型基本相似，各段不同流量級下河床沖淤量總的變化規(guī)律與原型基本一致，模型深泓位置、斷面形態(tài)橫向分布與原型基本吻合，較好地復(fù)演了原型灘槽泥沙運(yùn)動沖淤規(guī)律，表明模型設(shè)計(jì)、選沙及各項(xiàng)比尺的確定基本合理。

3 動床模型預(yù)測試驗(yàn)

3.1 模型試驗(yàn)條件

3.1.1 邊界條件

動床模型的初始地形采用2006年6月天然實(shí)測1∶10 000河道地形制作而成。與驗(yàn)證試驗(yàn)類似，根據(jù)試驗(yàn)河段已實(shí)施河道整治工程情況，模型中模擬了腳市河彎右岸、沙市河彎左岸、公安河彎左右岸及郝穴河彎左岸等部位的護(hù)岸工程，以及太平口、瓦口子及馬家咀水道等航道整治工程。試驗(yàn)河段其它涉水工程主要有荊州長江大橋，模型按照尺寸比例也對涉水工程形態(tài)及結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬。

3.1.2 水沙條件

長江科學(xué)院采用1991－2000年系列年進(jìn)庫水沙條件和三峽水庫泥沙淤積后出庫水沙過程進(jìn)行壩下游長河段長時段一維水沙數(shù)學(xué)模型計(jì)算，其計(jì)算成果為本模型試驗(yàn)提供邊界條件。

模型試驗(yàn)時段為2006年6月至2018年12月，共計(jì)12年6個月。試驗(yàn)起始年2006年水沙條件對應(yīng)于典型年系列的1994年入庫水沙條件。根據(jù)數(shù)學(xué)模型計(jì)算成果，對試驗(yàn)河段沿程水位、進(jìn)口流量與輸沙量及太平口分流等水沙條件進(jìn)行不同時段步長概化，其中模型模擬進(jìn)口的輸沙量取大于粒徑0.05 mm泥沙。

3.2 模型試驗(yàn)預(yù)測成果分析［2］

3.2.1 河床沖淤量及枯水河槽平均沖淤分布

（1）三峽水庫運(yùn)用2006－2012年，全河段以沖刷為主，枯水河槽累計(jì)沖刷1.59億m3，平均沖深1.85 m。2012年后沖刷有所減弱，2006－2018年，枯水河槽累計(jì)沖刷1.80億m3，平均沖深2.14 m，見表2、表3。

（2）水庫運(yùn)行至2012年末和2018年末，全河段以枯水河槽沖刷為主，河灘整體略有淤積。從各河段來看，除沙市河段下段（荊45－荊52，簡稱J45－J52，下同）灘槽均沖刷外，其它河段枯水河槽以上略有淤積。

（3）各河段沖刷強(qiáng)度有所不同，腳市河段、沙市河段下段在三峽水庫運(yùn)行至2012年末和2018年末沖刷強(qiáng)度較其他3個河段（沙市河段上段）略大。公安河段沖刷強(qiáng)度相對較弱。

（4）各河段局部沖刷坑發(fā)生不同程度的沖深，其中2018年末腳市河段腳2－荊27段沖深約8 m，沙市河段荊33－荊33段沖深約9 m，沙6－荊43段沖深約10 m，荊49－荊51段沖深約7 m，公安河段荊63處沖深約8 m，郝穴河段荊70－荊72段沖深約5 m。

3.2.2 三峽工程運(yùn)用至2012年、2018年試驗(yàn)河段河勢變化

（1）腳市河段

三峽工程運(yùn)用第10年及第16年后，該河段河勢仍維持現(xiàn)有格局，即主流由大埠街過渡至腳市河彎貼右岸深槽下行，在陳家灣附近再過渡到沙市河彎上段。與初始地形（2006年6月）比較，三峽工程運(yùn)用第4～16年（2006－2018年）內(nèi)，河段河床沖淤變化特征總體表現(xiàn)為深槽沿程沖刷，洲灘則發(fā)生不同程度淤積。

（2）沙市河段上段

三峽工程運(yùn)用第10年及第16年后，與初始地形（2006年6月）比較，該河段深槽、洲灘位置與形態(tài)均發(fā)生較大變化，但主流走向依舊維持太平口心灘南北兩槽并存，至荊37附近走三八灘右汊格局。隨著上游來水來沙及河勢變化，太平口心灘南北雙槽且右槽為主槽的河道形態(tài)逐步向雙槽中左槽為主槽轉(zhuǎn)變；三八灘汊道呈洲體右側(cè)切割、右汊擴(kuò)大、左汊進(jìn)口淤積的演變趨勢。

（3）沙市河段下段

該段河道灘槽相對分明單一，三峽工程運(yùn)用第10年及第16年后，深槽及洲體總體形態(tài)相對穩(wěn)定，金城洲左汊為主汊，主流沿金城洲左汊貼岸下行，至荊53附近過渡至公安河彎。本河段河勢變化與2006年比較，主要表現(xiàn)在近岸河槽刷深展寬、金城洲左側(cè)及上端萎縮及馬家咀過渡段主流下移等。

（4）公安河段

該河段上接沙市河彎，下連郝穴河彎，河道平面形態(tài)歷年穩(wěn)定，主流由觀音寺附近經(jīng)過馬家咀淺灘由左至右過渡河彎上部后，沿彎道凹岸下行至楊廠再過渡到郝穴河彎。三峽工程運(yùn)用第10年及第16年后，該段由于實(shí)施馬家咀水道航道整治工程及右岸護(hù)岸工程，突起洲右汊一直處于主汊地位，彎道中下段灘槽相對位置穩(wěn)定，主流走向基本維持現(xiàn)有格局，但河槽、洲灘沖淤變化及局部段河勢調(diào)整仍較劇烈。

（5）郝穴河段

該河段近期主流基本走勢為出公安河彎主流在楊廠附近過渡后貼荊江大堤河岸下行，至荊74附近經(jīng)鐵牛磯較強(qiáng)烈挑流作用再過渡右岸南五洲。三峽工程運(yùn)行至2018年，其間灘槽相對位置未發(fā)生較明顯變化，主流走向與初始地形基本一致，河床演變主要表現(xiàn)楊廠過渡段主流下移以及河槽沖刷下切與展寬。

表2 三峽水庫運(yùn)用（2006－2012年）上荊江楊家腦至郝穴河段沖淤統(tǒng)計(jì)Table2 Scouring and silting changes of the Upper Jingjiang River from Yangjianao to Haoxue at the initial operation stage of Three Gorges Project（from 2006 to 2012）

表3 三峽水庫運(yùn)用（2006－2018年）上荊江楊家腦至郝穴河段沖淤統(tǒng)計(jì)Table3 Scouring and silting changes of the Upper Jingjiang River from Yangjianao to Haoxue at the initial operation stage of Three Gorges Project（from 2006 to 2018）

4 結(jié) 語

長系列年動床模型沖淤變化研究成果表明，三峽工程運(yùn)行第10年（即2012年）、第16年（2018年），楊家腦至郝穴河段總體河勢與初始條件（2006年6月地形）基本一致，隨運(yùn)行年限延長河床呈沿程逐步整體沖刷下切的趨勢，深槽刷深拓展，過渡段主流下移，過渡段間主流平面擺動較大，局部段江心洲灘及汊道段在不同時段內(nèi)發(fā)生較為劇烈變化，以沙市河段上段（陳家灣至埠河段）變化尤為顯著。河道的沖刷與局部河段河勢的調(diào)整變化可能會加大河道兩岸崩岸險(xiǎn)情的發(fā)生次數(shù)，甚至出現(xiàn)新的險(xiǎn)工段，對兩岸堤防、已有護(hù)岸工程及其他涉水工程等均可能帶來一定程度的不利影響。應(yīng)加強(qiáng)河道兩岸的原型觀測，及時對發(fā)生險(xiǎn)情的岸段進(jìn)行加固或新護(hù)。

［1］ 長江水利委員會長江科學(xué)院.長江防洪模型利用世界銀行貸款項(xiàng)目實(shí)體模型選沙報(bào)告［R］.武漢：長江科學(xué)院，2005.（Changjiang River Scientific Research Institute of CWRC.Model Sand Selection of the Changjiang River Flood Protection Physical Model of the World Bank Loan Project［R］.Wuhan：Changjiang River Scientific Research Institute，2005.（in Chinese））

［2］ 孫貴洲，李發(fā)政.三峽工程運(yùn)用后初期上荊江重點(diǎn)河段沖淤變化試驗(yàn)研究［R］.武漢：長江水利委員會長江科學(xué)院，2009.（SUN Gui-zhou，LIFa-zheng.PhysicalModel-ing of Morphological Changes in Major Reaches of the Up-per Jingjiang River at the Initial Operation Stage of Three Gorges Project［R］.Wuhan：Changjiang River Scientific Research Institute，2009.（in Chinese） ）

（編輯：周曉雁）

Physical M odeling of M orphological Changes in Upper Jingjiang River Course from Yangjianao to Haoxue at Initial Operation Stage of Three Gorges Project

HUANG Li，SUN Gui-zhou，LIFa-zheng
（Key Laboratory of River Regulation and Flood Control of Ministry ofWater Resources，Yangtze River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China）

Due to the reservoir regulation of the Three Gorges Project（TGP），thewater and sediment load flowing into the Jingjiang river reach downstream of，TGP have undergone significant changes both in the process and in the amount.Conspicuous erosion，which leads to river regime changes in some locations，has occurred in the Jingjiang river channel，consequently affecting the embankments，bank protection works along both sides，river regulation projects，and the stability of river bed at different levels in the long－run，and further affecting the flood control，navigation，ecology，environment and the integrated function of the river in these areas.In this paper，themovable bed model test of Changjiang River Flood Protection Model was adopted to study the changing process，the amount and distribution，of scouring and silting of the Jingjiang river course from Yangjianao to Haoxue at the initial opera-tion stage of TGP.Based on this understanding，the tendency of river changeswere predicted aswell.The obtained research resultsmay be taken as technical references for the planning and designing of river harnessing and river re-gime control projects in this river course.

Changjiang river flood protectionmodel；Three Gorges Project；downstream reservoir；erosion and sed-imentation；river regime

TV147.5；TV149.2

A

1001－5485（2011）02－0074－05

2010-12-09

水利部公益性項(xiàng)目（KJZC0747／HL06）

黃 莉（1981-），女，湖北鐘祥人，工程師，主要從事河流泥沙與河道整治研究，（電話）027-84238177（電子信箱）hl＿h(yuǎn)ls＠163.com。