三峽工程蓄水前后壩下游河段河道演變趨勢分析

方馨蕊 ，黃遠洋 ，吳勝軍 *，溫兆飛 ，陳吉龍

（1.中國科學院　重慶綠色智能技術研究院/水庫水環(huán)境重點實驗室，重慶　400714；2.中國科學院大學，北京　100049）

三峽工程是當今世界上規(guī)模最大的水電站。它的建成投用，對我國水利發(fā)展有著重要意義，不僅在防洪、發(fā)電、航運、抗旱和供水等方面發(fā)揮著巨大作用，而且也影響著社會經(jīng)濟發(fā)展以及區(qū)域穩(wěn)定安全。因為三峽工程“蓄清排渾”的運行方案，清水下泄，壩下游河道發(fā)生了自上而下、長時間、長距離的沿程沖刷。特別是迎流頂沖段的沖刷尤為劇烈，促使河道河勢發(fā)生相應的調(diào)整[1]。同時，壩下游河段河流流態(tài)受到直接影響，引發(fā)沖淤關系改變、主支汊更替、江湖關系調(diào)整、物質(zhì)遷移特性變化等一系列問題[2-4]。某些地方還出現(xiàn)了水土流失、河岸崩塌、泥沙淤積、環(huán)境污染等問題，給沿岸地區(qū)生態(tài)環(huán)境造成不利影響。充分認識河流水沙輸移及河床演變規(guī)律，是研究水沙變化下河流生態(tài)環(huán)境響應的基礎[5]。為此，很多學者針對三峽工程壩下游河段河道演變特征及規(guī)律進行了研究，但大多著眼于局部特征、單一工程，很少結合工程實施前河道原有自然狀況進行研究。因此，本文以壩下游河道自然演變特征為基礎，結合主要水利工程措施對河道的影響，通過對大量文獻資料進行分析總結，來揭示三峽工程蓄水前后約60年的時間里壩下游河段河道演變情況，以期了解壩下游河道歷史變化特征以及發(fā)展趨勢，并為相關研究提供參考依據(jù)。

1　河道概況

三峽工程壩下游指宜昌至城陵磯河段，屬于長江中游地區(qū)，跨湖北、湖南兩省，地處29°26′28″～30°41′42″N、111°17′30″～113°10′51″E，由宜枝河段（宜昌至枝城）和荊江河段（枝城至城陵磯）構成，河道平面圖如圖1所示。

圖1　三峽工程壩下游河段示意圖Fig.1　The schematic diagram of downstream reach of Three Gorges Dam（改自殷瑞蘭&陳力[6]）

河段全長約480 km，其中宜昌至枝城河段長約60 km，屬山區(qū)型河道向沖積平原河道過渡的蜿蜒河道[7]，河床結構為“沙-卵石-基巖”三層結構，穩(wěn)定性較高；河道南北岸分布低矮山丘和階地[8]，右岸有清江匯入。荊江河段長約420 km，按照河段組成特性不同，將藕池口作為界點，分為上、下荊江兩部分。上荊江長約180 km，屬微彎分汊型河道，為“土-砂-卵石”三層垂向結構，河岸上層抗沖性較強，河道外形較為固定，河岸較少崩退，河床每年隨水位漲落發(fā)生周期性改變：自然條件下，彎道凹岸崩坍、凸岸邊灘淤長，邊灘切割和分汊段的主支汊興衰交替[9]。下荊江長約240 km，屬于蜿蜒型河道，呈典型的“土-沙”二元結構，河岸抗沖性差，易發(fā)生崩岸，河道形態(tài)歷史上曾多次改變[10-11]。彎道凹岸崩坍、凸岸淤積，河彎半徑逐漸變小，有出現(xiàn)“（凹岸）撇彎（凸岸）切灘”的可能[12]。在特定條件下也會出現(xiàn)自然裁彎的現(xiàn)象，隨后河道會重新發(fā)展彎曲，在縱向蠕移、橫向擺動、河床延伸和縮短的過程當中不斷調(diào)整[13-14]。

2　演變趨勢分析

三峽工程壩下游河道地形復雜多變，歷史上，重大自然災害時有發(fā)生，而洪災尤為嚴重，在1788年到1954年期間出現(xiàn)次數(shù)達到6次[15]。由于所發(fā)生地區(qū)人口稠密、經(jīng)濟發(fā)達，洪水對兩岸人民帶來的災害嚴重、影響深遠。洪水的泛濫，更加重了長江中下游地區(qū)水土流失[14]，致使大量泥沙進入河道，部分河道發(fā)生淤積，河床形態(tài)發(fā)生改變。為有效地整治該河道狀況，國家采取了下荊江裁彎工程、葛洲壩水利工程以及三峽水利工程等多種水利工程措施。工程的實施運用雖在一定程度上緩解了長江水情，但也導致河水沖刷江心洲洲體，引起洲體面積縮小和整體蝕退，給河槽穩(wěn)定、沙洲濕地和江心洲上的居民生產(chǎn)生活造成了影響[16-18]。

2.1　自然演變

江漢三角洲形成于古云夢澤。作為三角洲水系的主要通道，荊江與漢水泥沙的堆積致使江漢三角洲繼續(xù)發(fā)展，云夢澤逐漸淤積衰亡。江漢三角洲在荊江兩岸河灘不斷抬升的情況下逐漸被分割為江北、江南兩大部分。河灘抬升促使人們不斷修堤圍埦，江南、江北不斷淤積縮小，江漢平原形成。

江漢平原形成初，荊江屬于沙質(zhì)河床，抗沖性弱，極易沖刷。在水流作用下，河床迅速下切展寬，流速降低，水流挾沙能力被削弱，河床底部的泥沙由此逐步淤積形成水下淺灘。泥沙的堆積作用增強，以致河流橫斷面縮小，水流流速加快。水流持續(xù)侵蝕兩岸，河岸后退，河道彎曲。粗砂粒受環(huán)流增強的影響，在淺灘沉積。灘體因而不斷擴展淤高，最后在枯水期暴露水面成為心灘。心灘的出現(xiàn)，將大大削弱河床的容蓄作用，河流水位變幅加大，流量不均勻系數(shù)增加，河床洪水過程日益顯著。洪水過后，懸移質(zhì)加積，形成粘土層。當心灘灘面超出水面，植物的出現(xiàn)與生長穩(wěn)定洲體，江心洲產(chǎn)生。江心洲將水流逼向兩岸，形成分汊現(xiàn)象。長此以往，水流會沖開沙質(zhì)河岸形成分流，分流口的沙洲開始堆積。此外，在洪水期，河漫灘上大量堆積由洪水攜帶的泥沙，促使河漫灘相粘土層的產(chǎn)生。人類的經(jīng)濟活動與河灘的加劇抬升更使得沿江兩岸分流口逐漸淤積，進而改變了河流的水文特性，使河灘不斷淤高，粘土層加厚。河岸穩(wěn)定程度增加，江心洲逐漸靠岸，形成河彎凸岸邊灘。凸岸邊灘形成后，逼使水流彎曲，侵觸彼岸，使河彎繼續(xù)得到發(fā)展[19]（見圖1中Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ）。

2.2　下荊江裁彎工程

下荊江河段崩岸劇烈，礙洪礙航嚴重。為改善通航條件和增強泄洪能力，分別于1967年和1969年實施了下荊江中洲子和上車灣人工裁彎工程，1972年沙灘子彎道發(fā)生自然裁彎，3次裁彎共縮短河道里程78 km，約占下荊江河長的1/3。裁彎后的影響主要集中在新河發(fā)展、老河淤積以及對上下游河段的影響上。

新成河床比降大，河道平面呈微彎狀，橫斷面為梯形。新河放水后，幾乎沒有分流，河道普遍沖刷。隨后，過水斷面不斷擴大，新河分流比相應增大，比降調(diào)平。在發(fā)展過程中，由初期兩側展寬逐步轉為凹岸單側展寬；在斷面上從初期普遍沖深逐步形成凹岸深槽，并開始出現(xiàn)凹岸沖刷、凸岸淤積的沖淤規(guī)律。當新河比降調(diào)平基本完成時，其演變過程同一般彎道相似，即汛期沖刷、枯期淤積，凹岸崩坍與凸岸淤積基本平衡，過水斷面不再繼續(xù)擴大，河床平行位移。為鞏固裁彎效果，已在新河凹岸實施護岸工程，彎道橫向變形因此受到限制，近凹岸深槽進一步刷深[20]。裁彎45年后，新河上下游河勢穩(wěn)定，已形成曲率適度的彎曲性河段[21]。

老河由于流量和比降減小，導致流速減緩，沿程發(fā)生淤積。原有的河床沖淤變化規(guī)律暫不改變，彎道段仍舊表現(xiàn)為汛期沖刷，枯期淤積；順直段則為汛期淤積，枯期沖刷。之后，隨著老河流量和比降進一步減小，河床原有沖淤變化規(guī)律發(fā)生變化，逐漸轉化為單向淤積，淤積量增加。當老河上口淤積高于中水位時，僅會在高水位下過流。但上口門淤積較緩，下口門因受倒灌、回流以及異重流的作用持續(xù)淤高，中下段形成牛軛湖[20]（見圖1中的①②③④）。

受裁彎影響，裁彎段上游河段主要變化是：（1）上游河段比降加大，流速增加，洪水期水位降低，安全泄量增大[22]；同時，較長河段產(chǎn)生不同程度的沖刷，且自下游向上游遞減。（2）在上游來水不變的情況下，藕池口分入洞庭湖的分流、分沙量減少，枯季停止分流的時期提前[20]。裁彎下游河段主要變化則表現(xiàn)在：（1）上游河段水位降低引起的槽蓄減少，以及裁彎新老河同時過流等，下荊江流量加大，下游洪峰傳播情況改變[23]；（2）下荊江洪道含沙量增加，砂粒變粗，河床淤積；進入洞庭湖的沙量減少，淤積速率放緩，湖水出流削弱了對荊江的頂托作用；而中低水位的抬高反過來對下荊江河段的沖刷造成抑制，下荊江頂托嚴重，裁彎效益降低[24-27]。

2.3　葛洲壩水利樞紐工程

葛洲壩工程是三峽水利樞紐工程的重要組成部分，它是在不斷評估和論證三峽大壩的選址問題過程中最終形成的。它于1970年12月動工興建，1981年5月開始蓄水運用，1988年12月全部竣工。

葛洲壩工程是低水頭徑流式樞紐工程，水庫基本無攔蓄作用，蓄水后調(diào)洪削峰作用不明顯。在年內(nèi)來水特征變動不大的情況下，基本上遵循蓄水前的規(guī)律。水庫對上游來沙起著“淤粗排細”的作用，出庫泥沙特征發(fā)生變化：水流含沙量降低，粒徑細化，推移質(zhì)數(shù)量大為減小，河床變形呈現(xiàn)漫灘河槽下切與擴寬變化[28]。隨著河床的沖刷下切，洲灘和邊灘呈現(xiàn)萎縮趨勢，河床組成逐漸粗化[29]。糙率增大，水面比降調(diào)平，流速減小，河道沖刷作用被削弱[30]。當庫區(qū)淤積達到平衡后，壩下游懸移質(zhì)粒徑又由細變粗，恢復到與蓄水前相近水平[31]。有資料表明，在水庫運行3～5年后總體基本達到平衡，水庫運行10余年后全庫段達到淤積相對平衡[32]。葛洲壩工程運行至今，對壩下游河道的影響正逐漸減小。

2.4　長江三峽水利樞紐工程

長江三峽水利樞紐工程于1994年12月正式開工，2003年6月初期蓄水，2010年首次蓄水至最高水位175 m。蓄水運用后，大量泥沙攔蓄庫內(nèi)，出庫沙量大幅減少，尤其是在枯水期[33]。這些都促使壩下游水流變清，下游河道水流處于不飽和狀態(tài)。水流為尋求泥沙補給，持續(xù)沖刷河床，從而引起河道河床形態(tài)的調(diào)整[34]。雖總體河勢基本穩(wěn)定，但局部河岸崩岸嚴重、河勢調(diào)整劇烈。下面將分區(qū)域就三峽工程對壩下游河段河道演變規(guī)律進行闡述。

2.4.1　宜昌至枝城河段

該河段距離三峽工程較近，兩岸多為低山丘陵以及受階地控制的影響，再加上河床多由卵石夾沙組成，因此河勢較為穩(wěn)定[35]。河道邊界條件良好，橫向變形受到抑制，河床變形主要以縱向沖刷為主[36]。從沖淤縱向總體分布來看，壩下游河床沖刷強度以宜昌至枝城河段為最大[37]。沖淤形態(tài)由蓄水前的“沖槽淤灘”變?yōu)椤盀┎劬鶝_”[38]，該河段的洲灘總體呈現(xiàn)萎縮狀態(tài)。深槽變化劇烈，以范圍擴展和槽底高程降低為主，深泓縱剖面平均沖刷下切，斷面寬深比減小[39]。河床年內(nèi)沖淤呈周期性變化，年際間沖淤維持著相對平衡的狀態(tài)[8]。

2.4.2　荊江河段

上游來沙減少，清水下泄，其壩下游河段河道由此產(chǎn)生沿程沖刷，河道總體沖淤情況由基本平衡轉為局部沖刷[39]。荊江逐漸成為了沖刷最劇烈、強度最大的河段[35]。由于上荊江河道守護較好，河床沖刷難以在彎曲分汊段、凹岸段進行；而凸岸原先過流較少，一般較少守護，水流沖刷致使凸岸支汊開始活躍[40]。近期凸岸支汊發(fā)展才成為較普遍現(xiàn)象，分汊河型的分流格局也由建庫前穩(wěn)定的主支汊分流向主支汊易位轉化，在一定程度下存在“主消支長（凹岸主汊消失、凸岸支汊延長）”的可能[41]。此外，上荊江下段主槽受三峽水庫下游沖刷的影響變?yōu)槁咽瘖A沙河床，河勢基本格局愈加穩(wěn)定[42]。

下荊江河段，由于地勢低洼、河道蜿蜒曲折，其河勢調(diào)整情況相對劇烈，演變特點也較為復雜。受三峽工程蓄水沖刷影響，流量過程坦化、輸沙驟減，河道相對平衡狀態(tài)受到擾動。河流對兩岸土地侵蝕加重，上游河槽粗顆粒泥沙下移，在原有凹岸側的深槽落淤，急彎段出現(xiàn)較為明顯的、有趨向性的沖淤調(diào)整[43-44]。在這期間，彎道頂沖點下移，凸岸邊灘沖刷后退、面積萎縮，急彎段河勢問題愈發(fā)嚴重，崩岸繼續(xù)出現(xiàn)[45]。從崩岸沿程分布來看，上荊江因護岸工程的實施崩塌范圍較小，下荊江崩岸則明顯多于上荊江[46]。這主要歸因于其“土-沙”結構，下荊江河岸下部細沙層的起動流速比近岸小，易受水流沖刷；上部粘性土層崩塌前抗沖強度很大，但多為低液限粘土且相對松散，崩塌后堆積在岸邊容易分解并被水流帶走；河岸穩(wěn)定安全系數(shù)在一個水文年內(nèi)呈周期性變化，落水期時最小，故易引發(fā)較大程度崩岸[47]。崩岸使局部河道展寬，增大了部分過渡段主流擺動空間，加劇了河道灘槽的不穩(wěn)定性[48]。另一方面引起斷面流速減小，退水過程中河道輸沙能力減弱，部分順直河段河心形成潛洲，灘槽格局趨于散亂[49]。此外，河床的下切和比降的增加導致三口分流減少，促使城陵磯水量減少、水位下降，洞庭湖出口水位抬高，致使河槽淤塞[50]。這不僅影響河道防洪安全，還給通航帶來不利影響?？紤]到三峽工程正式蓄水運用時間較短，很多問題還未凸顯，所以，未來該區(qū)域演變趨勢值得關注。

2.5　趨勢預測

三峽水庫首次蓄水至最高水位至今已近7年。在此期間，清水下泄，不僅引發(fā)下游的河道縱向侵蝕，而且伴隨著強烈的河床橫向侵蝕和掏蝕。河床橫向演變時，原有岸線、島嶼、洲灘崩塌，新的岸線、洲灘出現(xiàn)，并在向中、下游發(fā)展過程中逐步調(diào)整，直到河床適應水動力狀態(tài)為止[51]。目前看來，壩下游河段仍將呈現(xiàn)持續(xù)沖刷的狀態(tài)，但隨著時間的推移，沖刷速率將減小[52]。宜昌至枝城河段沖刷幅度將會逐漸減小，并趨于相對平衡狀態(tài)；河床沖刷仍以基本河槽沖刷為主，枯水河槽沖深適度展寬，總體河勢基本穩(wěn)定。上荊江河段兩岸河床抗沖性較強，又有護岸工程守護，該河段河勢不會有較大變化，部分河段的河勢會出現(xiàn)不同程度的細微調(diào)整。下荊江河勢總體不大，但局部河勢會因河床沖刷、洲灘與深槽的沖淤消長而發(fā)生不同程度的調(diào)整[39]?？偟膩碚f，壩下游河段仍會繼續(xù)經(jīng)歷長時期、長距離的“沖刷－平衡－回淤”過程[6，35，53，54]。

3　結論

一直以來，大型水利工程的建設都會伴隨著區(qū)域環(huán)境的變化。歷史上，荊江河段洪水問題嚴重，歸根結底與河段所處位置地理條件是分不開的。相關文獻已經(jīng)指出，荊江河段蜿蜒曲折，自古就有“九曲回腸”的說法。由于地勢低洼，上游泥沙大量在此淤積，致使下游河床抬升，極易引發(fā)洪水，給兩岸人民生產(chǎn)生活已構成嚴重威脅。為此國家相繼出臺了相應政策，并采取了多種水利措施，包括下荊江裁彎工程、葛洲壩水利樞紐工程以及長江三峽水利樞紐工程。這些工程雖有效地緩解了地區(qū)災害，攔截了上游泥沙，但清水下泄，壩下游河道自此發(fā)生了長距離、長時間的沿程沖刷，部分河岸崩塌嚴重，很多洲灘逐漸消失。根據(jù)各項工程所帶來的實際影響，分析河道沿程變化，揭示出以下演變特征：

（1）自然條件下，荊江河曲高度發(fā)展，河道問題嚴重。

（2）下荊江裁彎工程改善了下荊江岸線的邊界條件，是抑制河道崩岸的有效措施，使河道基本上按人工控導的方向演變。目前，下荊江已成為限制性彎曲型河道。

（3）葛洲壩水利工程運行初期，雖會在一定程度上引發(fā)下游崩岸，但河床經(jīng)過一系列的調(diào)節(jié)，在運行后5年已基本達到平衡。

（4）由于三峽水利工程施工時間長、空間跨度大，因此其影響程度將遠超葛洲壩。雖造成壩下游沖刷在時空格局上大大加劇，但鑒于其正式蓄水運行時間較短，河道、岸勢的深徹變化還未進一步凸現(xiàn)。從目前演變規(guī)律來看，壩下游河段仍會保持“沖刷－平衡－回淤”的變化特征，今后發(fā)展趨勢還將得到持續(xù)關注。

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