三峽水庫(kù)庫(kù)尾重慶主城區(qū)河段沖淤特性

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(長(zhǎng)江水利委員會(huì) a.水文局,武漢 430010；b.長(zhǎng)江上游水文水資源勘測(cè)局， 重慶 400021)

1 研究背景

早在三峽工程設(shè)計(jì)論證階段，變動(dòng)回水區(qū)泥沙沖淤對(duì)航運(yùn)的影響和回水末端的洪水位抬高一直是三峽水庫(kù)泥沙問(wèn)題的重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容。三峽水庫(kù)175 m水位試驗(yàn)性蓄水后，回水范圍覆蓋到重慶主城區(qū)河段，汛后受壩前水位抬高的影響，河段走沙期推遲，歷時(shí)縮短，年均沖刷強(qiáng)度下降。隨著水庫(kù)運(yùn)行年限的增長(zhǎng)，如何保證重慶主城區(qū)河段較少淤積量，或者始終使其處于天然的沖刷狀態(tài)，對(duì)保障河道防洪、航運(yùn)及碼頭正常作業(yè)具有十分重要的意義。

已有關(guān)于三峽水庫(kù)正常蓄水后重慶主城區(qū)河段泥沙沖淤的研究以模型成果居多[1-3]，均認(rèn)為壩前水位抬高后，會(huì)造成汛后河段水位壅高，流速減小，挾沙能力減弱而淤積，使得洪水位抬高。三峽水庫(kù)175 m水位試驗(yàn)性蓄水以來(lái)，河段雖未出現(xiàn)明顯的累積淤積的現(xiàn)象，但走沙期縮短，河段沖刷強(qiáng)度一度下降較為明顯，總體規(guī)律與已有成果較為相符。以往研究還認(rèn)為河段年內(nèi)淤積主要發(fā)生在10月份—次年5月份，消落沖刷則會(huì)集中在6—9月份[1]，而實(shí)際上汛期河段仍然表現(xiàn)出較強(qiáng)的河道屬性，延續(xù)了天然情況下淤積為主的規(guī)律，汛前消落期則成為主要的走沙沖刷期，汛后受水庫(kù)蓄水抬高水位的影響，走沙現(xiàn)象不明顯；但這種現(xiàn)象在上游向家壩、溪洛渡等大型梯級(jí)水庫(kù)運(yùn)行后，又發(fā)生了一定的變化，來(lái)沙量大幅減少使得重慶主城區(qū)河段的沖刷強(qiáng)度再次加大。目前，對(duì)三峽水庫(kù)不同運(yùn)行階段，重慶主城區(qū)河段沖淤特性的對(duì)比分析研究較少，壩前水位變化與河段沖淤特性的相關(guān)關(guān)系的認(rèn)識(shí)還存在不足，同時(shí)缺乏上游水庫(kù)運(yùn)行后對(duì)于該河段泥沙沖淤影響的分析。本文利用河段實(shí)測(cè)水沙及河道觀測(cè)資料，對(duì)比分析水庫(kù)不同運(yùn)行期重慶主城區(qū)河段泥沙沖淤特性，以期為三峽水庫(kù)優(yōu)化調(diào)度和重慶主城區(qū)河段的規(guī)劃治理提供參考。

2 研究區(qū)域及數(shù)據(jù)源

2.1 研究區(qū)域

重慶市主城港區(qū)一直承擔(dān)著川、黔地區(qū)礦產(chǎn)資源及長(zhǎng)江上游地區(qū)外貿(mào)進(jìn)出口物資的中轉(zhuǎn)任務(wù)，處于交通核心地位。三峽水庫(kù)175 m水位試驗(yàn)性蓄水后，回水末端抵達(dá)江津附近，重慶主城區(qū)河段位于水庫(kù)庫(kù)尾。河段全長(zhǎng)60 km，其中長(zhǎng)江干流段自大渡口至銅鑼?shí){長(zhǎng)40 km；嘉陵江段自井口至朝天門長(zhǎng)20 km。河段在平面上呈連續(xù)彎曲的形態(tài)，寬窄相間，岸線參差不齊，岸邊常有石嘴突出(圖1)。河段岸坡分為自然岸坡和人工岸坡，占比分別約63.5%和36.5%[3]。河床邊界以基巖為總體框架，部分基巖表面堆積著主要由沙卵石組成的覆蓋層，約占河床總面積的90%，厚度長(zhǎng)江干流段一般為2～20 m，嘉陵江段約10 m左右。河段內(nèi)洲灘較多，洲灘主要由粒徑>10 mm的卵石組成，其含量在80%以上[4]。

重慶主城區(qū)河段水沙主要來(lái)自于長(zhǎng)江干流和嘉陵江，水沙年內(nèi)分布極不均勻。三峽水庫(kù)蓄水前，寸灘站年內(nèi)7—9月份徑流量和輸沙量多年平均值分別占全年的75%和78%；泥沙輸移以懸移質(zhì)為主，推移質(zhì)年輸沙量?jī)H占懸沙的0.11%，且基本集中在汛期。嘉陵江年內(nèi)水量分配不均勻，洪、枯流量比可達(dá)200～300倍，含沙量略大于長(zhǎng)江干流，多年平均懸移質(zhì)輸沙量為1.48億t，約占寸灘站輸沙量的1/3。三峽水庫(kù)蓄水以來(lái)(2003—2016年)與蓄水前多年均值相比，寸灘站年徑流量和輸沙量分別偏少5.4%和64.4%。

2.2 數(shù)據(jù)源及研究方法

早在三峽水庫(kù)設(shè)計(jì)論證階段，圍繞重慶主城區(qū)河段，就水庫(kù)淤積“翹尾巴”的可能性開(kāi)展了大量的研究。因此，三峽水庫(kù)蓄水后，該河段一直是重點(diǎn)觀測(cè)對(duì)象，積累了大量的原觀資料。本文沖淤量的分析計(jì)算均基于河段的固定斷面觀測(cè)資料(基于采砂調(diào)查，沖淤量計(jì)算初步去除了采砂量的影響)，以寸灘和北碚站作為河段水沙條件分析的控制站，所有的原型觀測(cè)資料均來(lái)源于長(zhǎng)江水利委員會(huì)水文局。

三峽水庫(kù)初期運(yùn)行階段，回水末端尚未抵達(dá)重慶主城區(qū)河段，該河段尚處于天然狀態(tài)下；圍堰發(fā)電期(2003—2005年)，壩前水位較低，水庫(kù)回水末端距壩480 km左右，位于重慶主城區(qū)河段下游的豐都縣城附近；水庫(kù)156 m水位蓄水后(2006—2007年)，回水末端上延，枯水期抵達(dá)重慶主城區(qū)河段出口銅鑼?shí){附近；三峽水庫(kù)175 m水位試驗(yàn)性蓄水后，回水末端上延至江津附近，重慶主城區(qū)河段位于變動(dòng)回水區(qū)，年內(nèi)水庫(kù)蓄水期及消落期，河道水力要素受壩前水位影響較大，相應(yīng)泥沙沖淤特性也發(fā)生變化。因此，重慶主城區(qū)河段泥沙沖淤特性需分天然狀態(tài)和175 m水位試驗(yàn)性蓄水后2種情況進(jìn)行研究。

3 天然狀態(tài)下河段沖淤特性

2003—2007年，重慶主城區(qū)河段沖淤主要受來(lái)水來(lái)沙條件及河床邊界形態(tài)的影響，河床沖淤的規(guī)律性較強(qiáng)，河床總體以沖刷為主。年內(nèi)表現(xiàn)為“洪淤枯沖”，一般可概括為3 個(gè)階段: 年初—汛初的沖刷階段、汛期的淤積階段、汛末及汛后的沖刷階段，具有明顯周期性。如圖2，圖中年初至汛前的統(tǒng)計(jì)時(shí)段為年底12 月份—次年5 月份; 汛期為5—9 月份; 汛末至年底即為9—12 月份。

圖2 2003—2007年重慶主城區(qū)河段泥沙沖淤量Fig.2 Volume of sediment erosion and deposition at different stages in the tail area of TGR from 2003 to 2007

年初至汛初沖刷階段結(jié)束時(shí)間大體在5月中下旬，如2003年、2004年和2006年，有的年份(2005年)推遲到6月上中旬。這一時(shí)段沖刷量的大小與上年剩余淤積量有關(guān)，上年底剩余淤積量較大，第二年初至汛初階段的沖刷量則較大，反之則較小。這一特征也是由河段的床沙組成決定的，河床自身可以沖刷的泥沙量少，前期淤積留下的泥沙往往是后期沖刷的主要對(duì)象。如2003年底剩余的淤積量較大，達(dá)342.9萬(wàn)m3，2004年汛前沖刷量也較大，達(dá)564.3萬(wàn)m3，年底剩余淤積量較小，僅54.6萬(wàn)m3，故2005年汛前沖刷量亦較小，為52萬(wàn)m3；2005年底不但未有剩余淤積量，反而沖刷了252萬(wàn)m3，導(dǎo)致2006年汛前沖刷量很小，僅23.1萬(wàn)m3。

汛期淤積階段起始時(shí)間大約是5月份下旬，少數(shù)年份為6月份上中旬，結(jié)束時(shí)間與本年度最后一次洪峰有關(guān)，多數(shù)年份為9月份中旬。入汛后，來(lái)流量增大，水位升高，水流開(kāi)始漫灘，加上受銅鑼?shí){卡口壅水[5]、干支流相互頂托等綜合因素的影響，河段比降顯著調(diào)平(圖3)，尤其是匯流口上游的河段流速明顯減緩，同時(shí)汛期集中輸沙，致使河段總體呈淤積狀態(tài)。另外，泥沙沖淤與洪水的漲落關(guān)系較密切，在一次洪水過(guò)程中，一般漲水期泥沙淤積，退水期沖刷泥沙。受干支流水沙總量及過(guò)程等差異的影響，各年淤積量不同。

圖3 朝天門以上干流段比降與嘉陵江來(lái)流關(guān)系Fig.3 Correlation between discharge of Jialing River and surface slope of upstream Chaotianmen reach

汛末沖刷階段起始時(shí)間多在9月份中旬，少數(shù)年份提前到8月份中、下旬或推遲到10月份中旬。汛后隨著水位消落，水流逐漸歸槽，流速增大，水流挾沙能力增強(qiáng)，加上來(lái)沙量減少，河床進(jìn)入沖刷走沙的狀態(tài)。該時(shí)期沖刷量大小與汛期泥沙淤積量大小密切相關(guān)，如2004年汛期河段泥沙淤積總量為725萬(wàn)m3，相應(yīng)汛后泥沙沖刷量達(dá)670萬(wàn)m3，反之2007年汛期河道微沖48萬(wàn)m3，其汛后微淤泥沙23萬(wàn)m3。

綜上分析，天然情況下，重慶主城區(qū)河段汛后主要走沙期多數(shù)在9月份中旬至10月份中旬(相應(yīng)寸灘站流量25 000～12 000 m3/s)，次要走沙期在10月份中旬—12月份下旬(相應(yīng)寸灘站流量12 000～5 000 m3/s)，當(dāng)寸灘站流量<5 000 m3/s時(shí)，走沙過(guò)程基本結(jié)束(表1)。

表1 天然情況下重慶主城區(qū)河段走沙過(guò)程的水力特征Table 1 Hydraulic characteristics during sedimenttransport in Chongqing reach in natural condition

4 試驗(yàn)性蓄水(175 m)階段河段沖淤特性

2008年10月份后三峽水庫(kù)進(jìn)入175 m水位試驗(yàn)性蓄水期，變動(dòng)回水區(qū)范圍進(jìn)一步上延到長(zhǎng)壽至重慶主城區(qū)河段，河段演變顯現(xiàn)出天然河道和水庫(kù)的雙重屬性。與天然情況相比，三峽水庫(kù)175 m水位試驗(yàn)性蓄水后，河段內(nèi)水力特性受壩前水位影響明顯。水面比降的調(diào)整具有較強(qiáng)的代表性，分別以2007年和2012年為例進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析(表2)。2007年河道基本處于天然狀態(tài)，水面比降僅與來(lái)流有關(guān)，長(zhǎng)江干流段朝天門(兩江匯口)以上河段比降年內(nèi)7月份最小，枯水期偏大，一方面河段位于銅鑼?shí){卡口上游，洪水期卡口發(fā)揮較強(qiáng)的壅水作用，使得上游河段比降調(diào)平[5]；另一方面與嘉陵江的水流頂托作用有關(guān)，2007年7月份嘉陵江與長(zhǎng)江干流匯流比為0.388，是全年最大值；長(zhǎng)江干流朝天門以下河段比降較上游偏小，年內(nèi)變化幅度也較??；嘉陵江河口段的比降年內(nèi)變化規(guī)律與長(zhǎng)江干流匯口上段類似，隨著長(zhǎng)江干流流量的增加，該段比降下降。總之，在天然情況下，重慶主城區(qū)河段年內(nèi)在汛期比降小，非汛期比降則加大，是其河道泥沙“汛淤枯沖”的主要原因。2012年河段受水庫(kù)回水影響，河道內(nèi)水面比降與三峽水庫(kù)壩前水位密切相關(guān)，年內(nèi)5—9月份水面比降相對(duì)較大，其余時(shí)段由于壩前水位偏高，基本在164 m水位以上，河段內(nèi)比降極小，均不足0.1‰，這一水力特性的改變使得重慶主城區(qū)河段年內(nèi)的沖淤規(guī)律也發(fā)生調(diào)整。

與水力因素變化相應(yīng)，重慶主城區(qū)河段泥沙年際間的沖淤?gòu)?qiáng)度、年內(nèi)的沖淤規(guī)律等都產(chǎn)生了調(diào)整。此外，2012年開(kāi)始金沙江下游的向家壩(2012年10月份蓄水)、溪洛渡(2013年5月份蓄水)水電站相繼蓄水運(yùn)行，顯著改變了進(jìn)入重慶主城區(qū)河段的泥沙條件，泥沙輸移總量及顆粒級(jí)配都發(fā)生變化[6]。因此，上下游水庫(kù)的運(yùn)行，改變了重慶主城區(qū)河段的進(jìn)、出口邊界條件，河床沖淤調(diào)整逐步顯現(xiàn)了出這兩方面的影響。

表2 天然狀態(tài)下(2007年)和175 m水位試驗(yàn)性蓄水后(2012年)重慶主城區(qū)河段不同月份的水面比降變化統(tǒng)計(jì)

表3 2003—2016年長(zhǎng)江上游控制站年徑流輸沙統(tǒng)計(jì)Table 3 Annual runoff volume and sediment yield in the upstream of Yangtze River from 2003 to 2016

首先，三峽水庫(kù)175 m水位試驗(yàn)性蓄水初期重慶主城區(qū)河段沖刷強(qiáng)度有所下降，金沙江梯級(jí)水庫(kù)運(yùn)行后，河段來(lái)沙量大幅減少，使得其沖刷強(qiáng)度顯著加大。三峽水庫(kù)初期蓄水期2003—2007年河段年均沖刷量為218萬(wàn)m3/a，2008年9月—2012年10月河段年均沖刷量為57.1萬(wàn)m3/a，年均沖刷強(qiáng)度下降了73.8%。然而，2012年之后，2012年10月—2016年12月重慶主城區(qū)河段累積沖刷約1 426萬(wàn)m3，年均沖刷量達(dá)到356萬(wàn)m3，有的年份年內(nèi)各個(gè)時(shí)期河段均出現(xiàn)沖刷狀態(tài)(圖4)，與已有研究結(jié)論基本相符[7]。這一時(shí)期，河段出現(xiàn)大幅度沖刷的主要原因在于進(jìn)入河段的泥沙大幅減少。受上游溪洛渡、向家壩水電站蓄水?dāng)r沙的作用，下游控制站向家壩站2013—2016年平均輸沙量?jī)H175萬(wàn)t，較2003—2012年輸沙量均值減少了98.8%，進(jìn)入重慶主城區(qū)河段的泥沙大幅減少，寸灘站2013—2016年平均懸移質(zhì)輸沙量為6 205萬(wàn)t，與2003—2012年均值相比減少約66.8%(徑流量?jī)H減少2.1%)，與2008—2012年均值相比也減少65.5%(徑流量?jī)H減少3.5%)(表3)?？梢?jiàn)，來(lái)沙量大幅減少是2013年以來(lái)重慶主城區(qū)河段沖刷強(qiáng)度加大的重要原因之一。

圖4 2009—2016年重慶主城區(qū)河段泥沙沖淤量Fig.4 Volume of sediment erosion and deposition in the tail area of TGR from 2009 to 2016

其次，汛前消落期成為主走沙期，汛期泥沙淤積強(qiáng)度大幅度下降，汛后河段的走沙強(qiáng)度也有所下降。汛期三峽水庫(kù)壩前水位因調(diào)洪需要而降低，河道近似地處于天然的非壅水狀態(tài)，河段泥沙沖淤規(guī)律基本上延續(xù)了蓄水初期的變化特點(diǎn)，但由于金沙江中下游梯級(jí)水庫(kù)運(yùn)行后，水庫(kù)攔沙效應(yīng)明顯[8]，重慶主城區(qū)河段來(lái)沙大幅減少，因此河段汛期淤積強(qiáng)度大為減小，甚至出現(xiàn)沖刷。近8 a來(lái)，2009，2011，2012，2014，2015年河段汛期雖然出現(xiàn)了淤積，但泥沙淤積強(qiáng)度有所下降，2009—2016年汛期河段年均淤積量為57萬(wàn)m3，較2003—2008年同期平均值減少了81.7%；汛后蓄水期，壩前水位逐漸壅高，河道泥沙沖淤規(guī)律發(fā)生變化，主要表現(xiàn)為走沙期的推遲和歷時(shí)縮短，兩者綜合影響下，重慶主城區(qū)河段2010—2011年連續(xù)2 a出現(xiàn)淤積情況，與蓄水初期2004—2005年大幅度沖刷形成鮮明對(duì)比，2012年之后汛后走沙強(qiáng)度有所加大，總體上2009—2016年汛后平均沖刷量為79萬(wàn)m3/a，較2003—2007年同期均值減少了73.7%。走沙推遲至汛前消落期，加之上游水庫(kù)攔沙的作用[9]，2009—2016年汛前平均沖刷量為175萬(wàn)m3/a，明顯比汛后的沖刷強(qiáng)度大，甚至較2003—2007年同期均值增大了69.9%。

5 結(jié) 論

(1)近年，天然情況下，重慶主城區(qū)河段年內(nèi)表現(xiàn)為“洪淤枯沖”，一般可概括為3個(gè)階段：年初—汛初的沖刷階段、汛期的淤積階段、汛末及汛后的沖刷階段，具有明顯周期性，且汛末及汛后為河道的主走沙期。

(2)三峽水庫(kù)175 m水位試驗(yàn)性蓄水初期重慶主城區(qū)河段沖刷強(qiáng)度有所下降，2008年9月—2012年10月河段年均沖刷量為57.1萬(wàn)m3/a，相較于2003—2007年均沖刷強(qiáng)度下降了73.8%；金沙江梯級(jí)水庫(kù)運(yùn)行后，河段來(lái)沙量大幅減少，使得其沖刷強(qiáng)度顯著加大，2012年10月—2016年12月河段年均沖刷量達(dá)到356萬(wàn)m3/a。

(3)三峽水庫(kù)175 m水位試驗(yàn)性蓄水后，汛后重慶主城區(qū)河段的走沙強(qiáng)度下降，2009—2016年汛后平均沖刷量為79萬(wàn)m3/a，較2003—2007年同期均值偏小73.7%；汛前消落期成為主走沙期，2009—2016年汛前平均沖刷量為175萬(wàn)m3/a，較2003—2007年同期均值增大了69.9%；汛期仍以淤積為主，來(lái)沙減小使得泥沙淤積強(qiáng)度大幅度下降。

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