三峽水庫(kù)蓄水后長(zhǎng)江中游典型彎曲分汊河道的調(diào)整響應(yīng)

(1.武漢大學(xué) 水資源與水電工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430072；2.長(zhǎng)江科學(xué)院 河流研究所，湖北 武漢 430010)

三峽水庫(kù)蓄水后長(zhǎng)江中游典型彎曲分汊河道的調(diào)整響應(yīng)

黃莉1,2姚仕明2朱勇輝2藺秋生2岳紅艷2張慧2

(1.武漢大學(xué)水資源與水電工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北武漢430072；2.長(zhǎng)江科學(xué)院河流研究所，湖北武漢430010)

三峽水庫(kù)已蓄水運(yùn)用10余年，壩下游長(zhǎng)江中游各彎曲分汊河道已出現(xiàn)不同程度的沖淤響應(yīng)，呈現(xiàn)出一定的河道調(diào)整規(guī)律。鑒于此，采用宜昌站、沙市站和漢口站水文觀測(cè)數(shù)據(jù)，在分析三峽水庫(kù)蓄水前后長(zhǎng)江中游水沙變異特征的基礎(chǔ)上，以監(jiān)利河段、武漢天興洲河段和戴家洲河段為典型分析河段，就河道平面變化、主支汊沖淤調(diào)整與汊道分流比3個(gè)方面，探析了三峽水庫(kù)蓄水運(yùn)用以來(lái)長(zhǎng)江中游彎曲分汊河道的調(diào)整響應(yīng)特點(diǎn)。結(jié)果表明，三峽水庫(kù)蓄水運(yùn)用后，長(zhǎng)江中游彎曲分汊河道平面形態(tài)基本穩(wěn)定，河道沖刷主要發(fā)生在枯水河槽；蓄水后分汊河段兩汊中短汊發(fā)展較快，支汊有所萎縮。江心洲洲體沖刷萎縮，但受近年來(lái)實(shí)施的航道整治工程制約，這一沖刷趨勢(shì)有所減緩。研究成果可為壩下游彎曲分汊河段的河道規(guī)劃、設(shè)計(jì)及治理等提供參考。

沖淤調(diào)整;彎曲分汊河道;分流比;長(zhǎng)江中游;三峽大壩

河流系統(tǒng)是一個(gè)隨著流量和輸沙量變化而河道形狀、梯度、平面等調(diào)整趨于平衡的開(kāi)放式動(dòng)態(tài)系統(tǒng)。為開(kāi)發(fā)利用河流豐富的水(能)資源，人們?cè)诤恿魃闲藿酥T多水利工程。大量的研究結(jié)果表明，水利工程在發(fā)揮效益的同時(shí)將會(huì)對(duì)下游河道來(lái)水來(lái)沙造成一定影響，而這種水沙條件往往受上游水庫(kù)的數(shù)量及運(yùn)行調(diào)度方式等影響較大，從而形成下游河道較為復(fù)雜的響應(yīng)變化。Chien和Petts早在1979年和1985年就對(duì)多座水庫(kù)建設(shè)后河道形態(tài)的復(fù)雜響應(yīng)進(jìn)行了研究[1-2]。針對(duì)三峽水庫(kù)蓄水運(yùn)用后壩下游水沙變化和河道調(diào)整影響問(wèn)題，一些學(xué)者開(kāi)展了研究[3-15]，發(fā)現(xiàn)三峽水庫(kù)蓄水后，長(zhǎng)江中游河道出現(xiàn)劇烈調(diào)整，之前河道的季節(jié)性沖淤幾乎消失。分汊型河段是沖積平原河流中一種常見(jiàn)的河型，在長(zhǎng)江中下游河道中普遍存在。據(jù)統(tǒng)計(jì)，長(zhǎng)江中下游城陵磯至徐六涇段分汊河道汊道段總長(zhǎng)906.2 km，占河段全長(zhǎng)的69.5%[16]。彎曲分汊河道作為分汊河道的一種，其演變既有分汊河道的演變特性，同時(shí)也遵循彎曲河道的一般演變規(guī)律。因此，開(kāi)展三峽水庫(kù)蓄水運(yùn)用后彎曲分汊河道的調(diào)整規(guī)律研究具有重要的理論及現(xiàn)實(shí)意義。

本文選取長(zhǎng)江中游監(jiān)利、天興洲、戴家洲3個(gè)彎曲分汊河道，在分析長(zhǎng)江中游水沙變化的基礎(chǔ)上，從河道平面變化、主支汊沖淤調(diào)整和汊道分流比變化3個(gè)方面總結(jié)歸納了三峽水庫(kù)蓄水運(yùn)用以來(lái)長(zhǎng)江中游彎曲分汊河道的調(diào)整響應(yīng)特點(diǎn)。該研究進(jìn)一步深化了對(duì)水庫(kù)下游彎曲分汊河段演變規(guī)律的認(rèn)識(shí)，可為三峽水庫(kù)及類(lèi)似水庫(kù)下游彎曲分汊河段的河道治理規(guī)劃提供參考。

1 河道概況

研究河段均位于三峽大壩以下的長(zhǎng)江中游(圖1)。其中監(jiān)利彎曲分汊河段位于江湖關(guān)系復(fù)雜的荊江河段，地處下荊江河段中部，下臨上車(chē)灣人工裁彎段(1969年實(shí)施裁彎)，左岸有受荊江大堤和監(jiān)利江堤保護(hù)的廣袤的江漢平原、江漢油田及武漢市等，其地理位置十分重要。河段上起姚圻腦，下至鋪?zhàn)訛?，全長(zhǎng)14.7 km，江中烏龜洲將水流分為左、右兩汊，汊道段最大曲折率為1.75[17]。自分汊河型形成以來(lái)，監(jiān)利分汊河段的河道形式始終保持不變，但左、右汊存在興衰交替變化，自1995年冬以來(lái)右汊一直為主汊。

天興洲彎曲分汊河段，上起余家頭，下迄廻家咀，全長(zhǎng)約14 km，汊道段最大曲折率1.18。河段兩岸均有堤防控制，加之河段內(nèi)實(shí)施了大量的整治工程，近100多年來(lái)，河道外形基本穩(wěn)定，但主支汊存在交替變化，自20世紀(jì)70年代以來(lái)基本維持右汊為主汊的格局未變。目前該河段呈枯水位為單一河道，高中水期為分汊河道的河勢(shì)。

戴家洲彎曲分汊河段上起燕磯，下廻風(fēng)磯，全長(zhǎng)34 km，汊道段最大曲折率1.47，為長(zhǎng)江中游重點(diǎn)礙航淺灘河段。江心洲戴家洲分河道為左、右兩汊，左汊彎曲，右汊順直。20世紀(jì)50年代前，戴家洲左汊一直為主汊，1954年特大洪水后，左汊逐步衰退，右汊逐漸發(fā)展。1965年該河段發(fā)生了主支汊易位，右汊發(fā)展為主汊，但近幾年左、右汊分流比較接近。

圖1 三峽大壩下游典型彎曲分汊河道位置

2 蓄水前后長(zhǎng)江中游水沙變化

2.1 年徑流量與年輸沙量

三峽水庫(kù)蓄水以來(lái)，受水庫(kù)的調(diào)蓄影響，壩下游長(zhǎng)江中游來(lái)水來(lái)沙條件發(fā)生變化[18]。據(jù)統(tǒng)計(jì)(表1)，三峽水庫(kù)蓄水以來(lái)，宜昌站、沙市站、漢口站多年平均年徑流量變化均不大，但輸沙量大幅度減少，較蓄水前分別減小89.7%，81.2%，66.2%，減小幅度沿程變小。蓄水后，多年平均含沙量也有所減少，但宜昌-沙市區(qū)間，含沙量有所增加，說(shuō)明沿程有所恢復(fù)，而沙市-漢口區(qū)間含沙量稍有減小，除了沿程懸移質(zhì)泥沙存在落淤外，這與洞庭湖出流含沙量較低有一定關(guān)系，三峽水庫(kù)蓄水以來(lái)(2003～2012年)，城陵磯(七里山)站多年平均含沙量為0.076 kg/m3。另外，三峽水庫(kù)蓄水以來(lái)，長(zhǎng)江中游(除宜昌站)年平均懸移質(zhì)泥沙中值粒徑小于蓄水前數(shù)值，其余各站點(diǎn)均大于蓄水前的數(shù)值[18]。

表1 長(zhǎng)江中游典型水文站水沙特征值

注：表中三峽水庫(kù)蓄水前統(tǒng)計(jì)時(shí)段為1991～2002年，蓄水后統(tǒng)計(jì)時(shí)段為2003～2015年。

2.2 徑流過(guò)程與輸沙過(guò)程

在三峽水庫(kù)調(diào)節(jié)作用下，壩下游盡管總下泄水量與天然來(lái)水量基本一致，但徑流過(guò)程發(fā)生一定調(diào)整，主要表現(xiàn)為原有小流量級(jí)(如監(jiān)利站以上小于5 000 m3/s流量級(jí)、監(jiān)利站以下小于10 000 m3/s流量級(jí))持續(xù)時(shí)間明顯縮短；中水流量持續(xù)時(shí)間加長(zhǎng)，尤其是中小水流量級(jí)，如宜昌、沙市、監(jiān)利站5 000～10 000 m3/s流量級(jí)，螺山、漢口站10 000～20 000 m3/s流量級(jí)；洪峰流量削減，大于30 000 m3/s流量級(jí)的中高水持續(xù)時(shí)間有所減少?？傊?，與蓄水前相比，三峽水庫(kù)蓄水后長(zhǎng)江中游各站汛期來(lái)水比例有所減小，枯期來(lái)水比例相應(yīng)增加。此外，蓄水后，下泄的不同粒徑組沙量均大幅度減少，并且懸移質(zhì)不同粒徑組沙量恢復(fù)速率與距離也截然不同[19]，dlt;0.125 mm沙量在長(zhǎng)江中游沿程恢復(fù)緩慢，宜昌-監(jiān)利河段dgt;0.125 mm泥沙恢復(fù)速率較快，在監(jiān)利站附近基本接近恢復(fù)飽和。

3 蓄水后壩下游河道調(diào)整特征

3.1 河道平面變化

自監(jiān)利分汊河段形成以來(lái)，一直保持著雙汊的河勢(shì)格局，受兩岸堤防及護(hù)岸工程制約影響，多年來(lái)河道平面形態(tài)較為穩(wěn)定，但主流在左、右汊之間交替變化，三峽水庫(kù)蓄水運(yùn)行以來(lái)，右汊一直為主汊。主流在進(jìn)口放寬段及匯流段以下擺動(dòng)頻繁，從而導(dǎo)致烏龜洲右緣及河段左岸太和嶺-鋪?zhàn)訛?、右岸丙寅洲邊灘一帶岸線崩退嚴(yán)重。烏龜洲在三峽水庫(kù)蓄水運(yùn)用以來(lái)呈現(xiàn)沖刷萎縮，2008年以后隨著烏龜洲洲頭、洲體右緣及尾部一系列航道整治工程的實(shí)施，洲體基本穩(wěn)定。

武漢天興洲分汊河段自20世紀(jì)70年代以來(lái)主流一直位于右汊，僅在分流區(qū)和匯流區(qū)主流平面擺幅較大，其余位置相對(duì)較為穩(wěn)定。三峽水庫(kù)蓄水運(yùn)用以來(lái)，分流區(qū)主流最大擺幅達(dá)830 m，匯流區(qū)最大擺幅約1 100 m；天興洲洲體整體較為穩(wěn)定，2003～2004年在天興洲洲頭局部實(shí)施了洲頭守護(hù)工程，隨后洲頭雖有沖淤，但累積向上游淤長(zhǎng)。

戴家洲分汊河段右汊自1965年發(fā)展為主汊后，一直維持主汊地位。上游水流經(jīng)分流后分別進(jìn)入左、右汊道，由于右汊河道相對(duì)較寬，主流在分流區(qū)及右汊擺動(dòng)最為劇烈。戴家洲洲體的變化主要表現(xiàn)為洲頭消長(zhǎng)，洲體中部與尾部均沒(méi)有明顯變化。

3.2 主支汊沖淤調(diào)整

(1) 沖淤量與沖淤分布。自三峽水庫(kù)蓄水運(yùn)用以來(lái)，長(zhǎng)江中游典型彎曲分汊河道左、右汊有沖有淤，右汊均累積表現(xiàn)為沖刷，監(jiān)利河段左汊與戴家洲河段左汊雖累積也表現(xiàn)為沖刷，但沖刷幅度不及右汊，且越往下游，右汊與左汊沖刷幅度懸殊越大，如2006年2月～2014年2月，戴家洲分汊河道右汊累積沖刷量是左汊的近9倍；武漢天興洲分汊段左汊在統(tǒng)計(jì)年份內(nèi)則累積表現(xiàn)為淤積，以2008年10月～2014年12月的淤積最為嚴(yán)重(表2)。此外，河道主要以枯水位以下河槽沖刷為主，枯水位與平灘水位之間的河槽有沖有淤，但沖淤幅度均不及枯水河槽，彎道兩岸堤防、護(hù)岸工程的制約與三峽水庫(kù)下泄水沙條件的變化等是影響以上變化的主因。

表2 長(zhǎng)江中游典型彎曲分汊河道左、右汊沖淤變化 萬(wàn)m3

注：“+”為淤，“-”為沖

(2) 深泓高程縱向變化。三峽水庫(kù)蓄水運(yùn)用以來(lái)，監(jiān)利分汊河段左、右汊均呈現(xiàn)沖刷發(fā)展，深泓高程均表現(xiàn)為不斷降低，右汊進(jìn)口附近深泓降低幅度最大(圖2(a))，達(dá)14.0 m，這與上游主流頂沖點(diǎn)下移及右岸邊灘淤長(zhǎng)壓縮河槽等密切相關(guān)；武漢天興洲分汊河段左、右汊深泓高程變化相對(duì)較為穩(wěn)定，左汊累積稍有淤高，右汊在節(jié)點(diǎn)位置深泓高程變化不大，其余部分累積有所降低(圖2(b))；戴家洲分汊河段左、右汊深泓高程整體較為接近，左汊一開(kāi)始深泓高程均低于右汊，隨著右汊的不斷沖刷發(fā)展，右汊深泓高程降低，左汊下半段深泓高程較穩(wěn)定，上半段深泓高程累積略有抬高，左、右汊深泓高程逐漸接近，但至2014年2月右汊大部分位置深泓高程仍略高于左汊(圖2(c))。

圖2 三峽水庫(kù)蓄水運(yùn)用以來(lái)長(zhǎng)江中游典型彎曲分汊河段深泓線縱剖面變化

綜上所述，三峽水庫(kù)蓄水運(yùn)用以來(lái)，長(zhǎng)江中游彎曲分汊河道兩汊中較短的一汊得到了進(jìn)一步發(fā)展，長(zhǎng)汊則以淤積或小幅度沖刷為主。

3.3 汊道分流比變化

20世紀(jì)90年代初，監(jiān)利分汊河段左汊逐漸萎縮，右汊沖刷發(fā)育，至1995年冬，右汊正式發(fā)展成為主汊；2001年后至三峽水庫(kù)蓄水運(yùn)用前，左汊枯水期分流比為3.5%～7.2%；中洪水期分流比稍大，為8.4%～14.1%。三峽水庫(kù)蓄水運(yùn)用以來(lái)(2003年6月～2008年10月)，左汊分流比有所減小，枯水期與中洪水期平均分流比分別為3.0%和9.1%，較蓄水前進(jìn)一步萎縮。

20世紀(jì)80年代中期至今，天興洲分汊河段左汊枯水期分流比較小，小流量時(shí)基本斷流，但汛期分流比仍占30%左右，主要是由于汛期流量增大時(shí)，天興洲上游河道順直，水流動(dòng)力軸線左移，左汊隨之迎流。三峽水庫(kù)蓄水運(yùn)用以來(lái)，天興洲左汊枯水期與中洪水期分流比均有所減小，枯水期時(shí)，左汊分流比大于分沙比，中、洪水期分流比小于分沙比[20]。

自20世紀(jì)60年代中期以來(lái)，戴家洲分汊河段左汊一直為支汊，2003年8月在流量27 900 m3/s時(shí)該汊分流比為49.9%，隨后左、右汊分流比基本維持這一接近的狀態(tài)，2003-2010年左汊枯水期平均分流比為51.0%，中洪水期為46.2%，即中洪水期左汊分流比較枯水期略小。左汊河床高程偏低以及上游來(lái)流大水趨直、小水走彎影響是造成這一變化的主因。

由此可見(jiàn)，三峽水庫(kù)蓄水運(yùn)用以來(lái)，長(zhǎng)江中游彎曲分汊河道支汊分流比無(wú)論在枯水期，還是在中洪水期均呈現(xiàn)減小趨勢(shì)，即支汊有所萎縮。

4 結(jié) 語(yǔ)

受水庫(kù)調(diào)蓄影響，三峽水庫(kù)蓄水運(yùn)用后，壩下游河道水沙條件發(fā)生變異，從而引起下游河道發(fā)生相應(yīng)調(diào)整。彎曲分汊河道是長(zhǎng)江中下游典型的分汊河型，在三峽水庫(kù)蓄水運(yùn)用以來(lái)河道平面形態(tài)基本穩(wěn)定，江心洲主要表現(xiàn)為洲體沖刷萎縮，以洲頭及洲體右緣沖刷為主，但受近年來(lái)實(shí)施的航道整治工程制約，這一沖刷趨勢(shì)有所減緩。整個(gè)河道累積表現(xiàn)為沖刷，且主要沖刷枯水河槽；雙汊分汊河道中較短的一汊發(fā)展較快，長(zhǎng)汊則以淤積或小幅度沖刷為主。支汊分流比呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)，即支汊有所萎縮。建議加強(qiáng)彎曲分汊河道主流頂沖岸段的河勢(shì)監(jiān)測(cè)，以防新的崩岸險(xiǎn)情發(fā)生。

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(編輯：唐湘茜)

2017-09-15

科技部重點(diǎn)研發(fā)專(zhuān)項(xiàng)項(xiàng)目(2016YFC0402305)；中央級(jí)公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)項(xiàng)目(CKSF2017041/HL)

黃 莉，女，武漢大學(xué)水資源與水電工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和長(zhǎng)江科學(xué)院河流研究所，高級(jí)工程師，博士研究生.

1006-0081(2017)11-0035-04

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