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(長江水利委員會水文局 長江三峽水文水資源勘測局,湖北 宜昌 443000)
宜昌至楊家腦河段上起宜昌市鎮(zhèn)川門,下至枝江市百里洲尾的楊家腦,全長約115.5 km,為低山丘陵地區(qū)過渡到平原地區(qū)的連接段,河道蜿蜒曲折,洲灘較為發(fā)育,沿程彎道、洲灘與深槽并存(見圖1)。
按照河段特點通常將該河段細分為宜昌、宜都和枝江3個河段。其中宜昌河段為鎮(zhèn)川門至虎牙灘,長19.4 km;宜都河段為虎牙灘至枝城水文站,長39.6 km;枝江河段為枝城至楊家腦,長56.5 km。
圖1 長江宜昌至楊家腦河段河勢圖
水量變化:長江水量豐沛,葛洲壩水庫蓄水前宜昌站多年平均徑流量為4 518億m3,蓄水后多年平均徑流量為4 348億m3。三峽水庫蓄水運行后多年平均徑流量為3 900億m3,較天然時期、葛洲壩獨立運行期分別減少14%,10%。由于三峽水庫擔負防洪、發(fā)電、航運及生態(tài)4大功能,尤其是枯水期水庫向下游生態(tài)補水及兼顧下游航運,壩下游徑流量年內(nèi)分配發(fā)生明顯的變化,三峽水庫蓄水運行后1—4月份枯水期徑流量較蓄水前所占比例明顯增大(見表1)。
表1 宜昌站流量年內(nèi)分配統(tǒng)計表
注:汛期系指5—10月。
沙量變化:葛洲壩水庫蓄水前、后懸移質(zhì)輸沙量分別為5.15,4.59億t,蓄水后懸移質(zhì)來量減少10.9%左右。三峽水庫蓄水運行后多年平均來沙僅為0.482億t,分別為天然時期和葛洲壩運用后的9.4%和10.5%,來沙量減少明顯。輸沙量年內(nèi)分配也因水庫調(diào)度發(fā)生了變化,汛期5—10月輸沙量占全年比例在逐步增加(見表2)。
表2 宜昌站懸移質(zhì)泥沙年內(nèi)分配統(tǒng)計表
注:汛期系指5—10月。
水流含沙量天然時期和葛洲壩水庫運用后分別為1.176,1.054 kg/m3,三峽水庫運用初期多年平均含沙量為0.116 kg/m3,水流含沙量大幅減少,分別僅為天然時期和葛洲壩運用后的9.9%和11.0%。
由于葛洲壩、三峽兩大樞紐的建設與運行,使壩下游河道來水來沙特性發(fā)生改變,也導致了壩下游河道的演變特性在相應發(fā)生改變。
河道恒定非均勻漸變流條件下的水面線,能量方程表示為
式中:z為水位;V為斷面流速;s為流段長度;α為動能修正系數(shù);ξ為局部水頭損失;Jf為水力坡度。其中z=河底高程+H(水深),V=Q(流量)/A(對應流量斷面過水面積)。能量方程顯示:河底高程及斷面過水面積同為影響沿程水面線變化的因素。①當下游河道某處河底高程較高時,對上游水面線有控制作用;②給定流量條件下斷面面積較小時,局部水頭損失會達到最大。因此,確定控制節(jié)點即找到給定流量條件下斷面面積較小或河底高程相對較高的河段或者控制斷面。
依據(jù)壩下游河段枯水流量下過水面積沿程分布、深泓縱剖線以及實測沿程水面線,綜合考慮確定出宜昌枯水位關鍵控制節(jié)點為胭脂壩、宜都彎道的南陽磧及蘆家河淺灘,虎牙灘、古老背、大石壩、外河壩、關洲上口、董市洲上口、柳條洲、楊家腦為宜昌枯水位一般性控制節(jié)點。在這些控制節(jié)點中胭脂壩、宜都彎道的南陽磧及蘆家河淺灘相對應的控制斷面分別為宜40及宜45、宜62、荊12;虎牙灘、古老背、大石壩、外河壩、關洲上口、董市洲上口、柳條洲、楊家腦則相對應控制斷面分別為宜50、宜53、宜69、枝2、荊5、董10、江1、荊21。
表3 三峽水庫蓄水運行以來宜昌至楊家腦河段沖淤量統(tǒng)計
注:受壩下游河道沖刷的影響,河段相同流量級下對應的水面線有所變化,因此,宜昌—楊家腦河段的沖淤量計算每年均采用當年度推算的最新相應流量級的水面線成果進行。
3.2.1 河床沖淤分布
自2003年三峽水庫蓄水運行以來,壩下游宜昌—楊家腦河段洪水河槽(對應流量為50 000 m3/s)下累積沖刷量達到2.77億m3,枯水河槽下累積沖刷量達到2.45億m3,以枯水河槽的沖刷為主。累積沖刷幅度較大的河段在宜都—枝城、關洲—董市洲及柳條洲—楊家腦。三峽水庫135~139 m運行期2002—2006年及145~156 m運行期2006—2008年壩下游河段強沖刷帶在宜都河段,175m試驗性運行期后強沖刷帶明顯下移至枝江河段(見表3)。
宜昌河段枯水河槽下累積沖刷0.13億m3,河段經(jīng)歷了劇烈沖刷至一般沖刷至沖淤交替的過程,主要沖刷時段在三峽135~139 m運行初期,沖刷主要區(qū)域為胭脂壩—虎牙灘河段,2005年后宜昌河段河床開始出現(xiàn)少量泥沙淤積,目前宜昌河段已基本達到?jīng)_淤平衡。
宜昌枯水位關鍵控制河段的胭脂壩河段枯水河槽下總計沖刷0.06億m3,其中2003年沖刷量即達到0.05億m3,2003年后胭脂壩河段多表現(xiàn)為淤積。
宜都河段枯水河槽下累積沖刷1.19億m3,河段經(jīng)歷了劇烈沖刷—一般沖刷的持續(xù)沖刷過程,該河段主要沖刷時段在135~139 m運行期及145~156 m運行期,沖刷區(qū)域主要集中在白洋—枝城河段,2008年后河段沖刷強度在逐步減小。
宜昌枯水位關鍵控制河段的宜都南陽磧河段枯水河槽下總計沖刷0.26億m3,河段沖刷時期主要在135~139 m運行期,其沖刷量達到0.21億m3,2006年后南陽磧河段沖刷強度呈明顯下降趨勢。
枝江河段枯水河槽下累積沖刷1.13億m3,河段經(jīng)歷了一般沖刷—沖刷加劇的持續(xù)沖刷過程,該河段主要沖刷時段在175 m試驗性運行期,該時段枝江河段沖刷量明顯增大,沖刷區(qū)域主要在關洲—蘆家河河段。
宜昌枯水位關鍵控制河段的蘆家河段枯水河槽下總計沖刷0.17億m3,三峽水庫175 m試驗運行期蘆家河段沖刷強度明顯加大,沖刷量達到0.15億m3。
圖2 三峽水庫蓄水后宜昌—楊家腦河段不同時段深泓高程變化沿程分布
表4宜昌—楊家腦河段沿程枯水控制節(jié)點斷面過水面積及深泓變化統(tǒng)計
Table4StatisticsofflowareaandthalwegelevationofkeypointsalongYichang-Yangjianaoreach
控制河段名稱控制斷面斷面距離/m2002-092003-102006-102008-102012-10過水面積/m2深泓高程/m過水面積/m2深泓高程/m過水面積/m2深泓高程/m過水面積/m2深泓高程/m過水面積/m2深泓高程/m胭脂壩頭宜409 2605 20629.75 63427.65 23428.05 26828.35 46227.8胭脂壩尾宜4515 5006 00627.86 17127.26 05827.16 18027.16 51127.0虎牙灘宜5022 8608 08127.58 02327.27 58227.37 81127.78 41227.1古老背宜5327 1687 57529.77 65329.27 94029.07 68429.79 22227.9南陽磧上口宜6240 0865 53328.46 06927.06 41624.76 25725.77 23821.3大石壩宜6946 7005 71025.74 98826.37 60720.57 99420.69 40718.3外河壩枝257 8915 88730.76 29029.67 71524.88 39124.712 05111.1關洲上口荊568 3306 86328.36 98227.67 23427.27 22427.57 82827.1蘆家河荊1285 6483 35530.73 20930.53 68430.33 80830.72 78530.5董市洲董1091 8784 56427.25 19427.45 11327.34 26127.74 58227.3柳條洲江1102 5825 43926.85 23426.35 17826.75 45026.75 75225.0楊家腦荊21115 2515 40625.55 66325.55 62324.85 08826.75 98724.7年度平均5 80228.25 92627.66 28226.56 28526.97 10324.6
3.2.2 河床縱向演變
宜昌—楊家腦河段沿程深泓縱剖面呈鋸齒狀變化,起伏較大。三峽水庫自2003年蓄水運行后,壩下游河段河床總體發(fā)生了適應性的沖刷調(diào)整,深泓普遍下切(見圖2)。
2002年9月—2012年10月宜昌—楊家腦河段深泓高程平均累積下降3.0 m,其中2002年9月—2006年10月河段沖刷明顯,深泓平均累積下降1.6 m;2006年10月—2008年10月河段總體沖淤量不大,沿程深泓有沖有淤,但河段深泓平均變化值為0;2008年10月—2012年10月河段沖刷幅度加大,深泓平均累積下降1.4 m。
宜昌河段深泓平均下降1.7 m,累積下降最大的為胭脂壩河段中部的宜43斷面,下降值累積達5.5 m;宜都河段深泓平均下降5.6 m,累積下降最大的為外河壩的枝2斷面,下降值累積達19.6 m;枝江河段深泓平均下降為1.6 m,深泓累積下降最大的為董市洲中部的深槽董11斷面,下降幅度累積達5.9 m。
3.2.3 控制節(jié)點演變特點
自2003年以來,河段沿程枯水控制節(jié)點均表現(xiàn)為深泓高程(文中“高程”均以“吳淞高程”為基準點)降低,過水面積增大,這些節(jié)點斷面深泓平均下降3.6 m,過水面積平均增大22%(見表4)。但不同河段節(jié)點的演變情況不盡相同,其中以宜都河段的控制節(jié)點演變最為劇烈,尤其是外河壩節(jié)點控制斷面枝2,其深泓下切累積達19.6 m,過水面積增加105%,斷面形態(tài)從蓄水前的“U”形已經(jīng)演變?yōu)槠癡”型,左側主槽演變下切幅度明顯,已經(jīng)基本失去了枯水的控制節(jié)點作用。
宜昌河段中胭脂壩尾、虎牙灘的節(jié)點代表斷面演變幅度較小,但胭脂壩頭的節(jié)點代表斷面宜40蓄水之初沖刷幅度相對較大,但2004年后斷面即基本保持穩(wěn)定,灘、槽變化均較??;而枝江河段中蘆家河、董市洲及楊家腦段的控制代表斷面的演變均較小(見圖3)。
圖3 不同河段控制節(jié)點代表斷面演變圖
自三峽水庫蓄水運行以來,宜昌枯水位隨著壩下游河段河床的沖刷下切而下降,但不同時期,枯水位的下降幅度并不相同。
三峽水庫135~139 m運行期:2002—2006年宜昌站4 000 m3/s流量相應水位累積下降0.08 m,該時期宜昌—楊家腦河段雖然出現(xiàn)較大沖刷,但宜昌枯水位并沒有出現(xiàn)大幅度的下降。其主要原因:一是枯水位的關鍵控制河段之一的宜昌河段沖淤變化不大;二是宜昌—楊家腦河段沿程控制節(jié)點基本穩(wěn)定;三是胭脂壩河段護底工程有一定控制作用;四是河床沖刷后,河床粗化使河床糙率增加,也起到一定補償作用。
三峽水庫145~156 m運行期:2006年汛后三峽水庫進入初期運行期,三峽水庫汛后開始向下游實施補水調(diào)度,初期運行期葛洲壩水庫最小下泄流量不低于5 000 m3/s。水庫初期運行期宜昌5 000 m3/s對應枯水位保持穩(wěn)定,其主要原因:一是枯水位的關鍵控制河段之一的宜昌河段出現(xiàn)泥沙淤積;二是宜昌—楊家腦河段沿程控制節(jié)點基本穩(wěn)定;三是2008年對胭脂壩河段又實施了護底工程;四是河床沖刷后,河床粗化使河床糙率增加,也起到一定補償作用。
三峽水庫175 m試驗性運行期:三峽水庫進入175 m試驗性運行期后,宜昌—楊家腦河段沖刷強度加大,尤其是控制性節(jié)點的明顯沖刷下切,致使宜昌枯水位下降速度加快,考慮到三峽水庫在枯水期為航運、生態(tài)進行調(diào)度,因此進一步加大最小下泄流量至5 500 m3/s以上,該時段5 500 m3/s流量下相應水位累積下降達0.36 m。
以1973年設計線為基準[1],目前為止宜昌5 500 m3/s流量下相應枯水水位已經(jīng)累積下降達1.76 m,其中三峽水庫運行以來的水位累積下降0.46 m,鑒于三峽工程運行之初宜昌枯水位便已出現(xiàn)下降趨勢,因此對于壩下游河段的工程治理顯得頗為迫切。在以往研究成果基礎上[2],選擇了宜昌枯水位關鍵控制節(jié)點河段之一的胭脂壩河段進行了不同階段的河床護底試驗工程,為后期進行大規(guī)模壩下游河段河床工程治理積累經(jīng)驗。
胭脂壩護底試驗工程分別于2004,2005,2008,2011年的汛前分4個階段在胭脂壩河段進行了實施(見圖4)。
圖4 葛洲壩下游胭脂壩河段河床護底工程位置
2004年護底加糙試驗工程(0區(qū))位于胭脂壩尾部下游附近主槽,先用了3種護底結構形式,從左向右分別為混凝土系結塊軟體排、拋石、拋枕;2005年擴大護底試驗工程(2,4區(qū))位于胭脂壩頭左側主槽,是在2004年試驗效果綜合分析基礎上,采用了混凝土系結塊軟體排[3];2008年護底工程(3,1區(qū))位于胭脂壩頭防護工程、胭脂壩中部左側主槽,采用了混凝土系結塊軟體排;2011年應急護底工程(5區(qū)):2009年汛后,由于壩下游河床沖刷使宜昌枯水位下降了0.29 m,經(jīng)分析主要系胭脂壩壩頭主河槽沖刷所致;因此,2011年汛前在胭脂壩頭部左側主河槽實施了應急護底工程,采用了混凝土系結塊軟體排,工程前對主河槽低洼區(qū)域進行了塊石回填處理。
4.2.1 對河床的保護作用
監(jiān)測成果顯示:在已實施的護底工程區(qū)域,河床在穩(wěn)定中有少量的泥沙淤積,其中4區(qū)、2區(qū)自2005年5月以來護底區(qū)域分別淤積泥沙2.9萬,5.3萬m3;0區(qū)由于混凝土系結塊軟體排區(qū)域面積相對較小且拋石、拋枕區(qū)域發(fā)生淘刷,工程區(qū)域沖刷4.2萬m3;3區(qū)、1區(qū)自2007年12月以來護底區(qū)域分別淤積泥沙16.3萬,14.6萬m3;5區(qū)自2011年1月以來護底區(qū)域淤積泥沙3.5萬m3(見表5)。
表5 各護底區(qū)不同時段沖淤量統(tǒng)計
護底區(qū)域河床橫向上,實施了軟體排防護的區(qū)域河床有不同程度的淤高,最大累積淤高達0.42 m,表明護底工程對實施了工程治理區(qū)域的河床有一定的保護作用,但拋石、拋枕區(qū)域由于不能形成完整的防護面,水流對防護區(qū)域有淘刷現(xiàn)象,最大沖刷可達0.75 m(見圖5)。
圖5 護底工程區(qū)域河床代表斷面橫向變化圖
4.2.2 對胭脂壩洲體的保護作用
三峽水庫蓄水后,胭脂壩壩體受水流沖刷,壩體頭部向下回縮達170 m,面積相應持續(xù)減??;2008年汛前對胭脂壩洲頭實施防護工程后,汛后監(jiān)測成果顯示,洲頭出現(xiàn)明顯的回淤,最大洲長增加約50 m,目前,胭脂壩洲體在穩(wěn)定中有輕微的變化發(fā)展,洲頭穩(wěn)定,沒有出現(xiàn)大幅度沖刷的現(xiàn)象。
根據(jù)實際觀測成果,2003年胭脂壩河段5 000 m3/s流量下枯水河槽的糙率為0.029 3,自2004年護底工程相繼實施后,胭脂壩河段枯水河槽的糙率逐步在增大,其中:2006年枯水河槽的糙率增加至0.032 5,2008年增加至0.033 6,2011年應急護底工程實施后,枯水河槽的糙率增加至0.040 1。由于護底工程均實施于胭脂壩河段主河槽內(nèi),對河段有加糙作用,河床糙率的增大,使河槽對水流的阻力加大,在一定程度上抑制了水位的下降。
在三峽水庫135~139 m運行期,宜昌—楊家腦河段枯水河槽下共計沖刷9 184萬m3,每年平均沖刷約2 296萬m3,在此期間,宜昌站4 000 m3/s流量下其枯水位累積下降了0.08 m,平均每年下降約0.02 m,即壩下游河段每沖刷1 000萬m3時,宜昌枯水位即會下降0.87 cm。依此推算,145~156 m運行期宜昌—楊家腦河段枯水河槽下共計沖刷3 532萬m3,則宜昌站4 000 m3/s流量下對應水位則應下降3.1 m,但實際上該時段宜昌站4 000,5 000 m3/s流量下枯水位均保持穩(wěn)定不變。水流數(shù)學模型計算:2004—2008年胭脂壩所有護底工程實施后,宜昌站4 000 m3/s水位總計抬升2.6 cm,與實際成果較為接近。
2011年汛前胭脂壩河段應急護底工程實施后,流量5 000 m3/s下護底工程上游附近區(qū)域水位最大分別壅高2.2 cm,水位壅高0.5 cm的區(qū)域可達護底5區(qū)上游1.84 km,雖然其影響范圍未至宜昌站,但可使護底5區(qū)以上區(qū)域的水位可暫時維持穩(wěn)定。
綜上分析,有如下結論:
(1) 三峽水庫蓄水運用以來,宜昌—楊家腦枯水河槽下總沖刷量達2.45億m3,其中宜昌河段沖刷0.13億m3,宜都河段沖刷1.19億m3,枝江河段沖刷1.13億m3。主要沖刷河段為宜都彎道—枝城,尤其是大石壩及外河壩段節(jié)點的沖刷非常強烈,其次是關洲—董市洲、柳條洲—楊家腦河段。河床在向著以沖刷沿程枯水節(jié)點控制斷面的方向變化發(fā)展,且強沖刷帶在下移。
(2) 沿程枯水控制節(jié)點有不同程度的沖深下切,其中宜昌胭脂壩頭控制節(jié)點深泓下降1.9 m,宜都河段中外河壩的控制節(jié)點枝2斷面深泓累積沖深19.6 m,過水面積擴大達105%,大石壩段的宜69斷面深泓沖深7.4 m,過水面積也相應擴大,南陽磧上口的控制節(jié)點宜62斷面,深泓沖深7.1 m,過水面積擴大31%;此外,枝江河段關洲、董市洲等控制節(jié)點也有明顯沖刷。由于逐年的累積沖刷,沿程枯水節(jié)點的控制作用正在減弱或消失。
(3) 受河床沖刷及沿程枯水控制節(jié)點下切的影響,三峽水庫蓄水運行以來宜昌枯水5 500 m3/s流量下相應水位已經(jīng)累積下降達0.46 m,河床沖刷下切引起的枯水位下降趨勢明顯增強,尤其是三峽工程進入175 m試驗性運行期后,枯水位下降幅度加大。
(4) 2004,2005,2008,2011年分不同階段對宜昌枯水位控制節(jié)點之一的胭脂壩河段實施了河床護底試驗工程。工程實踐表明:護底工程能調(diào)整河床沖淤特性、增加工程河段糙率,一方面較好地保護了河床,另一方面抑制了宜昌枯水位的下降。
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