長江口青草沙水庫前沿河床演變與失穩(wěn)風(fēng)險研究

盛 皓，戴志軍，梅雪菲，葛振鵬，黎樹式，高近娟

(華東師范大學(xué) 河口海岸學(xué)國家重點實驗室，上海 200062)

長江口青草沙水庫前沿河床演變與失穩(wěn)風(fēng)險研究

盛 皓，戴志軍，梅雪菲，葛振鵬，黎樹式，高近娟

(華東師范大學(xué) 河口海岸學(xué)國家重點實驗室，上海 200062)

位于長江口南北港分流口的青草沙水庫是上海市最大的城市供水水源地，開展該水庫前沿河床穩(wěn)定性和失穩(wěn)風(fēng)險研究具有重要的理論意義和工程指導(dǎo)價值?；诖?，利用長江口南北港分流口2000年至2013年期間實測的高精度地形資料，分析青草沙水庫前沿河床近期地貌變化特征，為水庫庫堤安全預(yù)警提供相關(guān)理論支撐。結(jié)果表明：青草沙水庫前沿河床沖淤變化在建庫前后有明顯差異，建庫前總體表現(xiàn)為河槽沖刷、沙洲淤積，呈現(xiàn)準(zhǔn)沖-淤振蕩的性質(zhì)；建庫后變?yōu)榉戎饾u減弱的持續(xù)沖刷；沿河床河槽形態(tài)由U型向U型與V型河槽疊加的復(fù)式河槽轉(zhuǎn)變。青草沙水庫前沿沙體沿落潮主流方向下移，成形沙體呈先增長、再減少，最后趨于平衡的態(tài)勢，隱形沙體大體呈減少趨勢。青草沙水庫庫堤前沿近600 m位置是河床失穩(wěn)的重點風(fēng)險區(qū)域，尤其是水庫庫堤中上部河床處于不穩(wěn)定狀態(tài)，如前沿邊坡所在河槽進一步逼近水庫前沿，則河床面臨進一步?jīng)_刷的可能。

河床演變；青草沙水庫；長江口；水庫前沿；分流口；河槽沖刷

Abstract: The Qingcaosha Reservoir (QCSR), located in the South and North Channel bifurcation, is the largest urban water supply source in Shanghai. It is of great significance for theory and practices to conduct the stability assessment of the frontal river bed in the QCSR. Thereafter, based on high resolution topography and sediment data measured during 2000-2013, the geomorphology characteristics of the frontal river bed of QCSR and associated stability of the river bed were analyzed to provide theoretical support for safety pre-warning of QCSR. The results showed that: 1) The variations in erosion and accretion of the river bed present clearly differences before and after QCSR operation. Before the reservoir operation, the river bed suffered channel erosion and shoal deposition with oscillations, which depended on the diversion of flow and sediment of the South and North Channel bifurcation. After the reservoir operation, the changes in the frontal river bed had been shifted from the fluctuations of erosion/accretion to the uninterrupted erosion with weak scouring trends. Moreover, the corresponding channel configuration appeared changes from the U-shaped to the combined U-shaped with V-shaped formation. 2) The frontal sand bodies along QCSR moved downward to follow the mainly ebb-tidal current direction. During the period of movement, the developmental sand bodies firstly expanded, and then shrinked, to the end with tendency to reach equilibrium, while the clocked sand body occurred reduced trends. 3) It is the key risked region that the location of about 600 m distance to the frontal area of the reservoir is seriously unstable, especially to the upper part of the river bed along QCSR. It can be expected that there is further scouring possibility for the river bed if the channel located at the front river bed slope will be moved approximately to the dyke of QCSR.

Keywords: river bed evolution; Qingcaosha Reservoir; Changjiang Estuary；the frontal river bed of the reservoir; bifurcation mouth; channel scouring

河口地貌的發(fā)育和演變是一個極其復(fù)雜的過程，它不僅受控于上游流域來水來沙條件，同時也受到海域以及局部人類活動作用的影響[1]。河口上游以及分流口來水來沙的變化，將會引起下游河道河床形態(tài)的變化，而河床形態(tài)的變化直接影響河道水流結(jié)構(gòu)和水流阻力，進而控制進入下游河道的能量分配和泥沙輸移量，由此成為控制河口三角洲沖淤進退的重要因素之一[2]。水流和泥沙二者相互配合，共同塑造河床的邊界形態(tài)，河道的邊界狀態(tài)反過來又進一步控制河流的水流和泥沙過程，進而影響局部水利工程的環(huán)境?；诖?，不少研究指出流域和河口水利工程的建設(shè)往往會不同程度地改變工程區(qū)域的邊界形態(tài)，進而對河床形態(tài)產(chǎn)生影響[3-6]。因此河口以及流域水利工程對河床或河床邊界地貌形態(tài)的影響，成為當(dāng)前分析和研究河口局部工程河勢穩(wěn)定與否的關(guān)鍵。作為控制河道水沙運動的邊界，河床形態(tài)變化成為河口地貌研究的重要組成部分。

圖1 研究區(qū)域和斷面位置Fig. 1 Study area and section location

1 資料來源與研究方法

1.1資料來源與處理

數(shù)據(jù)及其處理主要分為以下兩部分: 1) 利用雙頻測深儀和GPS設(shè)備在長江口南北港分流口區(qū)域采集2000年、2002年、2004年、2007年以及2009～2013年共9年實測水深資料(資料為上海地質(zhì)調(diào)查研究院和河口海岸學(xué)國家重點實驗室每年4～5月共同所測)?；谝陨蠈崪y水深數(shù)據(jù)，用ArcGIS軟件通過Kriging插值方法生成規(guī)則矩形網(wǎng)格數(shù)字高程模型(DEM)，進而計算出該區(qū)域不同年份的沖淤值。沿南北港分流口NE方向提取七個河槽斷面，以分析青草沙水庫前沿河床的變化。所有斷面南側(cè)起點記為固定樁位A點，北側(cè)終點記為B點樁位，見圖1(b)。2)基于DEM進行柵格計算，提取了研究區(qū)域相關(guān)年份的河槽容積、-2 m等深線以及深泓線，以分析一系列大型水利工程前后水庫前沿河床演變規(guī)律。

1.2研究方法

1.2.1 成形沙體與隱形沙包判別法

諸多研究表明，成形河槽的活動沙體以及隱形沙包淤積體的輸移是影響河勢變化和沙島成陸的重要因素[15-18]。根據(jù)前人對活動以及隱形沙體的定義，本文以-5 m等深線閉合圈周的暗沙作為成形沙體識別標(biāo)志，以不同時間尺度沖淤圖上淤積厚度大于3 m的環(huán)形沙包作為隱形沙包識別標(biāo)志[15-17]。基于此，通過ArcGIS平臺對研究區(qū)域的成形沙體和隱形沙包進行鑒別，進而利用淺水區(qū)成形沙體自上而下的遷移、沙洲洲頭后退的速度以及洲尾向下延伸的速度作為成形沙體廓線的移動速度；利用深水區(qū)沿程沖淤形成的隱形沙包的規(guī)模變化以及移動規(guī)律對隱形沙體廓線移動速率進行估算[16]。

1.2.2Mann-Kendall法

Mann-Kendall法是一種檢驗時間序列發(fā)生突變的方法，其也是在水文、氣象領(lǐng)域應(yīng)用較廣的非參數(shù)檢驗方法，用于檢驗時間序列的變化趨勢，相關(guān)計算如下[19-20]。

對于有n個樣本的序列x，假設(shè)序列隨機獨立且具有相同的概率分布，構(gòu)造一個秩序列：

式中：UF1=0，E(sk)為均值，var(sk)為方差。

UFi為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布，它是按x順序x1，x2，...，xn計算出的統(tǒng)計量序列，給定顯著性水平α，查正態(tài)分布表臨界值u0.05=±1.96，若|UFi|>Uα，則表明序列存在明顯的趨勢變化。按序列x逆序xn，xn-1，...，x1，再重復(fù)以上過程，同時使UBk=-UFk(k=n，n-1，…，1)，UB1=0。將UFk和UBk繪在圖上，若UFk和UBk兩條曲線在置信區(qū)間存在交點，那么交點處對應(yīng)的就是突變點。

本文采用Mann-Kendall法對青草沙水庫前沿河床斷面進行坡度突變檢驗以尋找河床邊坡坡度突變點，為進一步探討水庫前沿河床的穩(wěn)定性提供依據(jù)。

2 結(jié)果分析

2.1青草沙水庫前沿河床地貌沖淤變化

2007～2013年是長江口南支河段大型水利工程實施的集中期，其中在南北港分流口附近實施的水利工程主要有青草沙水庫工程(2007～2011年)、新瀏河沙護灘工程和南沙頭通道潛堤工程(2007～2009年)[21-22]。選擇的地形資料可反映工程實施前后水庫前沿河床的變化，進而將區(qū)域地貌變化分為如下三個階段分析：1)2000～2007年期間；2)2007～2011年期間；3)2011～2013年期間。由此以不同時間尺度下的河床沖淤和河槽斷面形態(tài)變化來反映水庫建設(shè)前后河床地貌變化，見圖2、圖3。

1) 2000～2007年期間

2000～2002年期間，新橋通道、新橋水道以及北港主河槽均出現(xiàn)河槽泥沙沖刷，總體沖刷幅度大致為2～4 m，局部沖刷高達4 m以上，見圖2(b)中a。然而，相應(yīng)的分流口沙洲如新橋沙、扁擔(dān)沙則處于淤積狀態(tài)，新橋沙平均淤積幅度由沙洲軸心2～4 m向外延降低到0～2 m的幅度，河床總體年平均沖刷幅度為0.5 m。同時，水庫庫堤前沿中部出現(xiàn)小幅淤積的態(tài)勢，淤積幅度為0.27 m，下部呈現(xiàn)小幅沖刷態(tài)勢，幅度為0～2 m，見圖2(c)中a。河槽形態(tài)變化主要表現(xiàn)上部和下部近岸淺V型河槽刷深、邊坡陡化，中部單一U型河槽向雙U型河槽演變，見圖3。相應(yīng)的河槽容積由25.81億m3增大至30.28億m3，較2000年增加17.32%，見圖4。

2002～2004年期間，新橋通道仍以沖刷為主，沖刷幅度在3 m左右，而新橋水道和北港河槽由之前的沖刷態(tài)勢變?yōu)榇蠓俜e，總體平均淤積厚度為3 m左右。扁擔(dān)沙沙尾北翼由淤積態(tài)勢變?yōu)榇蠓鶝_刷，局部高達4 m左右，前沿河床總體呈現(xiàn)淤積態(tài)勢，年平均淤積厚度為0.75 m，見圖2(b)中b。水庫庫堤前沿上部呈現(xiàn)1 m左右小幅沖刷態(tài)勢，中下部呈2 m左右大幅淤積態(tài)勢，見圖2(c)中b。相應(yīng)的河槽形態(tài)變化表現(xiàn)為由U型與V型疊加的復(fù)式河槽向單一型U型河槽轉(zhuǎn)變，呈展寬拉伸態(tài)勢,見圖3。由于大幅淤積，河槽容積大幅減小，由先前的30.28億m3降低至24.13億m3，下降幅度高達20.31%，見圖4。

2004～2007年期間，水庫前沿河床仍以沖刷為主，但是較2000～2002年沖刷略有減弱，年平均沖刷幅度為0.45 m，其中中部河床出現(xiàn)4 m以上大幅沖刷，見圖2(b)中c。水庫庫堤前沿河床呈現(xiàn)出與2000～2002年相近的沖淤態(tài)勢，中部呈現(xiàn)1.5 m左右的淤積態(tài)勢，上部和下部分別呈現(xiàn)2.5 m和1 m的沖刷態(tài)勢，見圖2(c)中c。河槽形態(tài)發(fā)生劇烈變化，呈刷深束窄態(tài)勢，由單一型U型河槽向U型與V型疊加的復(fù)式河槽轉(zhuǎn)變，如圖3所示。河槽容積增幅度高達25.16%，恢復(fù)至30.2 億m3，如圖4所示?？傮w來說，2000～2007年青草沙水庫周圍河床總體表現(xiàn)為河槽沖刷、沙洲淤積、水庫庫堤前沿河床沖淤變化呈現(xiàn)準(zhǔn)沖-淤的年際振蕩規(guī)律。

圖3 青草沙水庫前沿河槽斷面形態(tài)變化Fig. 3 Changes of the river channel in front of the Qingcaosha Reservoir

圖4 河槽容積和平均水深變化Fig. 4 Volume and average depth variations of the channel in front of the Qingcaosha Reservoir

2) 2007～2011年期間

2007～2009年期間，青草沙河段的河槽和沙洲都出現(xiàn)不同程度的淤積，扁擔(dān)沙沙尾出現(xiàn)3～4 m左右強淤積，見圖2(b)中d。水庫庫堤前沿河床表現(xiàn)為上部強沖刷，中下部弱沖刷，年平均沖刷幅度為0.63 m左右，中部前沿河床由幅度2 m左右的強淤積轉(zhuǎn)為0.3 m的弱沖刷態(tài)勢，見圖2(c)中d。期間河槽形態(tài)大體不變，水庫庫堤前沿邊灘刷深，向庫堤逼近，邊坡形態(tài)較之前變陡，見圖3。區(qū)域河槽容積略有增加，變?yōu)?1.17億m3，見圖4。

2009～2010年期間，新橋通道、新橋水道以及分流口沙洲扁擔(dān)沙和新橋沙等出現(xiàn)不同程度的淤積，見圖2(b)中e。水庫庫堤中部河床呈現(xiàn)幅度為2.7 m的沖刷態(tài)勢，水庫庫堤前沿上部河床的侵蝕依舊存在，見圖2(c)中e。水庫尾閭的前緣則出現(xiàn)淤積，可能是水庫中部河床出現(xiàn)沖刷而侵蝕下的泥沙堆積于此所致。除青草沙水庫上部河槽略展寬外，整體河槽形態(tài)與2009年基本保持一致，如圖3所示。在此期間，河槽容積小幅增加至32.26億m3，見圖4。

2010～2011年期間，扁擔(dān)沙軸心出現(xiàn)淤積態(tài)勢，新新橋通道則出現(xiàn)局部沖刷接近4 m的情勢。此外，新橋沙和新橋通道都出現(xiàn)淤積接近2 m的狀態(tài)，水庫前沿河床中部雖有局部沖刷，但沖刷幅度比先前2009～2010年減弱，見圖2(b)中f。水庫庫堤前沿河床中部由之前的大幅沖刷變?yōu)? m左右的淤積態(tài)勢，而整體由2 m左右沖刷態(tài)勢變?yōu)?.6 m左右的淤積態(tài)勢，見圖2(c)中f。上部河槽近水庫邊緣刷深，由呈淺U型河槽變?yōu)樯頥型河槽；中下部河槽形態(tài)變化較小，略有刷深，如圖3所示。相應(yīng)的河槽容積因此出現(xiàn)小幅下降，變?yōu)?1.51億m3，如圖4所示?？傮w而言，2010～2011年青草沙水庫前沿河床由沖刷向淤積轉(zhuǎn)變。

與2000～2007年相比，2007～2011年期間青草沙水庫前沿河床沖刷減弱，由沖刷轉(zhuǎn)為弱淤積。具體表現(xiàn)為河槽整體沖刷，局部淤積，沙洲弱淤且呈縮窄拉長態(tài)勢。庫堤前沿河床表現(xiàn)為不同程度的沖刷，年平均沖刷幅度為0.6 m，中部河床變化最大，由之前的持續(xù)淤積變?yōu)槌掷m(xù)沖刷，沖刷幅度在1.1 m左右。河槽容積基本穩(wěn)定，出現(xiàn)小幅波動上升，如圖4所示。

3)2011～2013年期間

2011～2012年期間，青草沙水庫前沿河床整體呈現(xiàn)出弱淤積態(tài)勢，平均淤積厚度為0.1 m，見圖2(b)中g(shù)，而水庫庫堤前沿上部和中部河床表現(xiàn)為較大幅度的淤積，平均淤積厚度為0.9 m，局部高達4 m，下部呈弱沖態(tài)勢，見圖2(c)中g(shù)。然而，在2012～2013年期間，水庫前沿河床轉(zhuǎn)變?yōu)橐詻_刷為主，平均沖刷幅度在0.5 m左右，見圖2(b)中h，水庫庫堤前沿河床表現(xiàn)為中上部強沖刷，下部弱沖刷，平均沖刷厚度為1.2 m，其中水庫頭緣局部沖刷超過2 m，見圖2(c)中h。2011～2013年期間，青草沙水庫前沿河床表現(xiàn)為先淤后沖，年平均沖刷0.2 m。河槽形態(tài)整體較為穩(wěn)定，上部河槽由于淤積水深變淺，近水庫邊緣深V型河槽衰退，如圖3所示。由于河床由弱淤轉(zhuǎn)為弱沖刷，相應(yīng)的河槽容積從先前的31.51億m3減至30.51億m3，然后又增至32.79億m3，見圖4。

整體而言，2000～2013年青草沙水庫前沿河床沖淤變化在大型水利工程建設(shè)前后有明顯差異：建庫前總體表現(xiàn)為河槽沖刷、沙洲淤積，呈現(xiàn)準(zhǔn)沖-淤振蕩性質(zhì)；建庫后表現(xiàn)為持續(xù)沖刷。水庫庫堤前沿河床也由之前的周期性沖-淤變化轉(zhuǎn)為幅度逐漸減弱的持續(xù)沖刷。其中庫堤上部河床一直處于沖刷狀態(tài)，沖刷強度先增強再減弱；庫堤中部由淤積變?yōu)樾》掷m(xù)沖刷；庫堤下部除2002～2004年外均呈現(xiàn)沖刷態(tài)勢，建庫后有減弱趨勢，其沖淤振蕩幅度較小，相對穩(wěn)定。由此可見，庫堤上部和中部河床受工程影響較大，應(yīng)重點監(jiān)測。

2.2青草沙水庫前沿沙體輸移規(guī)律

河勢演變對于底沙輸移有重要影響，為直觀地反映北港主槽河勢演變，在此進一步提取了2000～2013年期間相關(guān)年份主槽深泓線和-2 m等深線數(shù)據(jù)，見圖5、圖6。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，水庫前沿區(qū)域深泓線北偏，下段大幅南移，并且深槽逐步趨于穩(wěn)定，如圖5所示。2000～2010年間，-2 m等深線在扁擔(dān)沙沙尾、新橋沙以及堡鎮(zhèn)沙附近發(fā)生劇烈發(fā)變化，沙體先后歷經(jīng)切割重組、再切割的過程。2010～2013年期間，除新橋沙附近線圈略有下移，水庫庫堤中上部有切割重組跡象外，-2 m等深線圈基本穩(wěn)定，見圖6。由此可見，中央沙圈圍和青草沙水庫工程以及同時期施工的南北港分流口工程對穩(wěn)定南北港分流口河勢和增強北港河勢的穩(wěn)定性起到了積極的作用。

圖5 北港深泓線變化Fig. 5 Changes of the thalweg of the North Channel

圖6 青草沙水庫前沿-2 m等深線變化Fig. 6 Changes of the -2 m isobaths in front of the Qingcaosha Reservoir

北港底沙輸移呈現(xiàn)成形沙體和隱形沙體兩種形式。在此，以-5 m等深線圈圍暗沙作為成形沙體識別標(biāo)志，以連續(xù)沖淤圖上淤積厚度大于3 m的環(huán)形沙包作為隱形沙體識別標(biāo)志，繪制出2000年至2013年期間水庫前沿沙體的分布圖，見圖7、圖8。成形沙體主要有扁擔(dān)沙，新橋沙，堡鎮(zhèn)沙，河槽幾乎無沙體分布。從成形沙體的沙體廓線移動來看，自2000年到2013年總體表現(xiàn)為沙體整體拉伸，從廓線移動路徑可以計算出：沙頭下移約2 500 m，沙尾下移約4 200 m，輸移路線與落潮主流方向一致，平均輸移速率分別為192與323 m/a，見圖7。

圖8 青草沙水庫前沿隱形沙體分布Fig. 8 Distribution of the clocked sand bodies in front of the Qingcaosha Reservoir

2001年扁擔(dān)沙尾南翼-10 m線切穿，形成新新橋通道[14]，新新橋通道下部沙體出現(xiàn)淤積擴張，到2007年則南延300 m左右。在此期間，新新橋通道先淤后沖，其中部在2004年出現(xiàn)大量淤積，到2007年沙體重新被切穿，新新橋通道較之前略微北移；2007年到2010年，沙體與扁擔(dān)沙沙尾相連，新新橋通道受阻；2010年以后，沙體出現(xiàn)明顯分化，扁擔(dān)沙沙尾南側(cè)再次被切穿；到2013年較之前顯著下移，且出現(xiàn)小幅萎縮，見圖7。

2000年到2007年青草沙水庫庫堤前沿上部沙體沿庫堤下移，在中下部快速堆積。2007年至2010年，沙體較2007年略有萎縮，與沖淤圖結(jié)合可以發(fā)現(xiàn)，總體表現(xiàn)為上部弱沖刷，中下部先淤后沖。2010年以后，沙體整體較穩(wěn)定，見圖7。

結(jié)合-2 m等深線和成形沙體變化來看，2000～2004年期間，堡鎮(zhèn)沙區(qū)域-2 m等深線圈收縮，由條帶狀變?yōu)椴罘植?，堡?zhèn)沙呈淤長態(tài)勢。2004～2007年期間，受北港中段深泓線北偏影響，-2 m等深線圈向北擴張，堡鎮(zhèn)沙略有減少。2007～2011年期間，受青草沙工程影響，中段深泓線繼續(xù)北偏，堡鎮(zhèn)沙受到?jīng)_刷，堡鎮(zhèn)頭部條帶狀等深線圈被切割成若干個點狀線圈，堡鎮(zhèn)沙逐漸萎縮。2011年以后，青草沙工程完工，北港主流逐漸穩(wěn)定，堡鎮(zhèn)沙趨于穩(wěn)定，見圖6、圖7。

總體而言，水庫前沿河床成形沙體先增長、再減少，最后趨于平衡。沙體整體沿落潮主流方向下移，從而導(dǎo)致青草沙水庫前沿河床呈河槽沖刷，沙洲弱淤積態(tài)勢，而庫堤前沿河床出現(xiàn)上部先沖再淤，中下部由強到弱的淤積過程。

此外，隱形沙體主要分布在南北港分流口以及水庫庫堤前沿，堡鎮(zhèn)沙附近有少量分布，說明水庫庫堤前沿邊灘以及沙尾部位是重點淤積區(qū)域，北港主槽淤積不明顯，見圖8。2000年至2013年，隱形沙體整體呈減少趨勢。隱形沙體沿落潮主流方向向下輸移7 800 m，移動速率為1 560 m/a。

值得提及的是自三峽水庫蓄水之后，長江流域徑流量相對比較穩(wěn)定，仍呈現(xiàn)洪季大、枯季小的特征[23]，而入海的泥沙通量卻急遽減少，以大通站為例，1953～2002年平均年輸沙量為4.2億t，而2003～2013年平均年輸沙量僅有1.4億t，下降幅度約高70%，使得部分泥沙被沖刷向下游輸送[2, 24]，北港2000～2004年期間隱形沙體大幅增加可能與此有關(guān)。爾后隨著南北港分流口一系列護灘工程實施后，分流口和北港的河勢穩(wěn)定性增強，進入河口水體的含沙量有所下降，導(dǎo)致隱形沙體呈現(xiàn)大幅減少的趨勢。

3 青草沙水庫河床穩(wěn)定狀態(tài)分析

利用Matlab編程計算歷年實測斷面不同等深線，并運用傳統(tǒng)的剖面沖淤對比統(tǒng)計方法分析不同年份在同一位置的沖淤情況，探討不同位置河床的穩(wěn)定狀態(tài)。

斷面1所處位置為南北港分流口，除2010年斷面水深明顯變淺外，河床斷面形態(tài)基本維持不變，而僅在相同的位置出現(xiàn)泥沙淤積或泥沙侵蝕，見圖3(a)。

斷面2恰位于青草沙水庫的前沿位置，從2000～2013年，青草沙水庫前沿河床地形變化較大。斷面2中距青草沙水庫最近的(a點固定樁位)位置由2007年的V型斷面(V型尖端距1 200 m位置)，以每年150 m的速度向青草沙水庫庫堤不斷逼退，其中V型尖端到2013年已離固定樁位a點不到300 m，同時V型河槽近岸坡度逐漸變陡，在2013年邊坡已經(jīng)完全沖刷，可能將對水庫的庫堤泥沙沖刷產(chǎn)生較大影響，見圖3(b)。

斷面3經(jīng)歷2007年的大沖刷后，自2009年到2013年，斷面整體維持形態(tài)不變，與斷面2類似的是，斷面3距離青草沙水庫最近的河槽由U型不斷向V型變形，且邊坡角度越來越陡，特別是2010年河槽V型尖端距離水庫前沿樁點a不到100 m，其近岸邊坡接近于直角，盡管在2011～2012年河槽出現(xiàn)少量淤積，但邊坡的形態(tài)不變。如斷面3所處位置進一步發(fā)展，將可能對水庫的河床失穩(wěn)產(chǎn)生嚴(yán)重影響，見圖3(c)。

斷面4基本可表征水庫中部庫堤所在河床的位置。與斷面2、3比較，斷面4的形態(tài)較為簡單，中部發(fā)育U型河槽，斷面形態(tài)較為平緩，平均水深小于10 m，但在近岸1 000 m以內(nèi)，河槽形態(tài)變化較大，呈現(xiàn)不穩(wěn)定狀態(tài)，見圖3(d)。

斷面5和斷面6基本反映了寬而深的U型槽上疊加有典型的V型復(fù)式河槽，見圖3(e)、3(f)。斷面5距離庫堤較近的V型河槽盡管邊坡沒有斷面2陡，但邊坡處在不斷沖刷的狀態(tài)，V槽有向庫堤靠攏的趨勢，不容忽視。另外從斷面6的剖面變化來看，V型河槽尖端亦在近岸300 m以淺位置，雖然V型河槽最深處位置基本穩(wěn)定，但近岸邊坡相對較陡，同時斷面中部U型河槽有向庫堤遷移的趨勢，V型河槽受擠壓，離岸邊坡可能變陡，進一步加劇沖刷，對于水庫河床穩(wěn)定可能會有一定影響。

斷面7位于青草沙水庫的尾閭位置，其剖面的變化相對5、6較為強烈，但總體來看，相對平穩(wěn)，見圖3(g)。從圖中可以看到距岸不到400 m的水深以淺，近岸邊坡雖然較陡，但基本穩(wěn)定，水下亦有平臺，為青草沙水庫前沿可能發(fā)生的侵蝕提供較大緩沖余地，有利于河床穩(wěn)定。

整體而言，2000～2013年期間，青草沙水庫前沿河床河槽形態(tài)由U型向U型和V型河槽疊加的復(fù)式河槽轉(zhuǎn)變。靠近水庫上部的河床邊灘不斷刷深，河槽形態(tài)變化劇烈；中部河床沖淤平衡，河槽形態(tài)變化較小，U型河槽持續(xù)發(fā)育；下部河床表現(xiàn)為U型槽上疊加V型復(fù)式河槽，兩翼邊灘被切深，V型河槽向近岸收縮，中部U型河槽向庫堤遷移。

利用斷面數(shù)據(jù)，進行斷面坡度序列檢驗，得出2000年至2013年7個斷面坡度突變點的位置坐標(biāo)(表1)，突變點位越多，說明斷面穩(wěn)定性越差。從表1中可以發(fā)現(xiàn)，突變點大多集中在斷面兩側(cè)靠近岸灘處。斷面2產(chǎn)生突變點位最多，自2000年至2013年每年都存在，突變位置集中在近岸1 000 m以內(nèi)，靠近水庫庫堤600 m以內(nèi)，多達3次突變，最近點離岸140 m，整個斷面形態(tài)溝槽交錯。其次是斷面4與斷面5，除個別年份外其余年份均有突變，靠近庫堤400 m以內(nèi)分別有5次和4次突變。說明水庫庫堤中上部靠近庫堤600 m以淺穩(wěn)定性較差，有失穩(wěn)風(fēng)險，屬于重點監(jiān)測區(qū)域。

表1 斷面坡度突變檢驗Tab. 1 Mutation test of section slope

4 結(jié) 語

基于南北港分流口區(qū)域2000～2013年期間實測水深數(shù)據(jù)，分析水庫前沿河床沖淤變化、沙體輸移規(guī)律和斷面時空變化，進而探討水庫前沿河床演變以及穩(wěn)定性，主要結(jié)論為：

1)青草沙水庫前沿河床沖淤變化在建庫前后有明顯差異，建庫前總體表現(xiàn)為河槽沖刷、沙洲淤積，呈現(xiàn)準(zhǔn)沖-淤振蕩的性質(zhì)；建庫后變?yōu)榉戎饾u減弱的持續(xù)沖刷；沿河床河槽形態(tài)由U型向U型與V型河槽疊加的復(fù)式河槽轉(zhuǎn)變。

2)青草沙水庫前沿沙體沿落潮主流方向下移，成形沙體呈先增長、再減少，最后趨于平衡，隱形沙體大體上呈減少趨勢。

3)青草沙水庫庫堤前沿近600 m位置是河床失穩(wěn)的重點風(fēng)險區(qū)域，尤其是水庫庫堤中上部河床處于不穩(wěn)定狀態(tài)，如前沿邊坡所在河槽進一步逼近水庫前沿，則河床面臨進一步?jīng)_刷的可能。

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Research on evolution and instability risk of the frontal river bed along the Qingcaosha Reservoir, Changjiang Estuary

SHENG Hao, DAI Zhijun, MEI Xuefei, GE Zhenpeng, LI Shushi，GAO Jinjuan

(State Key Laboratory of Estuarine and Coastal Research, East China Normal University, Shanghai 200062, China)

1005-9865(2017)02-0105-10

TV148

A

10.16483/j.issn.1005-9865.2017.02.015

2016-04-04

國家自然科學(xué)基金資助項目(41576087)；2015廣西高等學(xué)?？茖W(xué)研究人文社科重點資助項目(KY2015ZD133)

盛 皓(1991-)，女，遼寧喀左縣人，碩士研究生。主要從事流域——河口水文及動力地貌等研究。 E-mail：hs_shenghao@163.com

戴志軍。E-mail：zjdai@sklec.ecnu.edu.cn