興隆水利樞紐壩下游河段河床演變分析

(長江水利委員會(huì)水文局長江中游水文水資源勘測(cè)局，湖北 武漢 430012)

興隆水利樞紐位于漢江下游湖北省潛江、天門市境內(nèi)，上距丹江口樞紐378.3 km，是漢江梯級(jí)開發(fā)方案中的最下一級(jí)樞紐，也是南水北調(diào)中線工程漢江中下游治理工程之一，是漢江中下游水資源綜合開發(fā)利用的一項(xiàng)重要工程，其開發(fā)任務(wù)以灌溉和航運(yùn)為主，兼顧發(fā)電。2009年2月26日，興隆水利樞紐正式開工建設(shè)，2009年12月份實(shí)現(xiàn)漢江截流，2013年建成投入運(yùn)行。

近年來，有學(xué)者對(duì)興隆河段的河道演變、水沙特性進(jìn)行了分析研究，吳娛等[1]基于興隆至新泗港河段在丹江口水庫蓄水運(yùn)用后的原型觀測(cè)資料，分析了這一寬淺彎道段河道的沖淤變化情況，并結(jié)合河段水流泥沙運(yùn)動(dòng)特性，闡述了該河段淺灘礙航機(jī)理。但由于該成果發(fā)表于興隆水利樞紐建設(shè)前，未能反映興隆水利樞紐建設(shè)帶來的河道演變及水流泥沙特性。黃建成等[2-3]通過河工模型試驗(yàn)研究了興隆樞紐修建后對(duì)壩區(qū)河段河勢(shì)的影響，但研究范圍主要針對(duì)興隆水利樞紐壩區(qū)河段，未包括興隆壩下游河段的變化特性，且所采用的資料年限較久遠(yuǎn)。本文采用了興隆水利樞紐建設(shè)前后實(shí)測(cè)水下地形資料，全面分析了壩下游河段河床演變特征。

1 河道概況

興隆水利樞紐所在河段屬漢江下游，地處江漢平原，河道寬淺，主流擺動(dòng)較為頻繁，洲灘消長不定，枯水、中水及高水期河寬相差較大，枯水期最小河寬約400 m，大洪水期最大河寬可達(dá)2 500 m左右，工程河段兼有游蕩型及彎曲型河道的特點(diǎn)。自丹江口水庫運(yùn)用以來，受水庫清水下泄的影響，該河段的來水來沙條件發(fā)生較大變化，致使河床由原來的以淤積為主的演變趨勢(shì)變?yōu)橐詻_刷為主，目前仍以沖刷趨勢(shì)為主，但沖刷強(qiáng)度已趨于減弱，并逐步向沖淤平衡方向發(fā)展。工程河段河勢(shì)圖見圖1。

圖1 工程河段河勢(shì)

2 水文泥沙特性

興隆樞紐壩址上游漢江丹江口水利樞紐于1958年開工，1968年蓄水運(yùn)用，受其運(yùn)用的影響，興隆樞紐所在河段水沙特性與建庫前天然河道時(shí)期相比，發(fā)生了較大變化。

表1 丹江口水庫蓄水前后漢江干流下游各站多年水位特征值

表2 興隆水利樞紐建成前后漢江干流下游各站多年水位特征值

2.1 水 位

丹江口水庫建庫前，漢江中下游水位暴漲暴落，峰型尖瘦，干流各站水位年最大變幅在 7.52～13.96 m之間，水位變幅大；最低水位一般出現(xiàn)在3月，最高水位一般出現(xiàn)在7月。

丹江口水庫建成蓄水后，由于水庫調(diào)節(jié)影響，中下游枯季水位抬高，汛期水位則有所降低，仙桃以上各站水位變幅明顯減小。丹江口水庫蓄水前后漢江干流下游各站多年水位特征值統(tǒng)計(jì)見表1。

同時(shí)，以2009年興隆水利樞紐截流為節(jié)點(diǎn)，分別統(tǒng)計(jì)了各站在丹江口水庫建成蓄水后興隆樞紐建成前后的水位特征值(見表2)。

興隆樞紐截流后，回水壅水造成上游沙洋水文站平均水位有所抬高，下游澤口水位站及仙桃水文站多年平均水位降低。

表3 丹江口水庫蓄水前后漢江中下游各站多年流量特征值

2.2 流 量

由于丹江口水庫以防洪為主，削峰調(diào)洪是其主要特征和任務(wù)。由表3可知，建庫前，中下游流量峰值大，全年水量分配極不均勻，7～9月的水量約占全年的55%。丹江口水庫蓄水運(yùn)用以后，漢江中下游洪峰大大削減，流量過程變得較為均勻平緩，枯季流量增大，中水期延長，漢江中下游流量過程發(fā)生了顯著的變化，主要有洪峰削減調(diào)平、年內(nèi)分配趨于均勻、中水歷時(shí)延長、枯水流量加大等特征。各站最大流量大多出現(xiàn)在7月，最小流量則出現(xiàn)在3月。

興隆水利樞紐建成前后漢江干流下游各站流量統(tǒng)計(jì)見表4。興隆樞紐截流后，上游皇莊站多年平均流量和徑流量均有所減少，沙洋站受回水影響流量和徑流量略有增加，而位于興隆水利樞紐下游的仙桃站的來水量則有顯著減少。

表4 興隆水利樞紐建成前后漢江中下游各站多年流量特征值

2.3 泥 沙

丹江口水庫建成前，中下游沙量年內(nèi)分布不均勻，輸沙量主要集中在汛期7，8，9三個(gè)月，占全年來沙總量的80%以上；枯水期12，1，2三個(gè)月輸沙量不到全年總量的1%。

丹江口水庫建庫后，來沙過程得到了全面的調(diào)蓄控制，輸沙情況有了很大的改變。主要表現(xiàn)為大量泥沙被攔在庫內(nèi)，壩下基本是清水下泄。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，建庫前黃家港、襄陽、皇莊、仙桃站多年平均含沙量分別為3.24,2.59,2.50 kg/m3和1.90 kg/m3，蓄水后則分別銳減為0.023,0.1,0.295 kg/m3和0.494 kg/m3。

3 河道演變分析

3.1 河道歷史演變概況

興隆樞紐所在河段為新灘和老泗港兩個(gè)反向彎道。1936年新灘彎道彎頂在長陀垸，彎曲半徑為2.8 km。1938～1959年，彎道向凹岸發(fā)展，彎頂下移。至1978年向凹岸移動(dòng) 2.5 km，彎頂下移達(dá) 5.5 km，彎曲半徑為 0.7 km，形成約30°的急彎。老泗港彎道，彎頂以上向凸岸擺動(dòng)，離開原來的位置，彎頂以下向凹岸發(fā)展。1959年彎頂上下各出現(xiàn)江心洲，1978年江心洲消失。工程河段歷史演變見圖2。

圖2 工程河段歷史演變

3.2 河道近期演變分析

3.2.1 深泓平面變化

工程河段是比較典型的彎道河段，從河段深泓線平面變化圖(見圖3)來看，在興隆水利樞紐下游附近，2005年深泓線居中下行，2012年由于興隆水利樞紐的右岸圍堰施工，水流靠左岸下泄，深泓線亦貼左岸下行。2016年工程建成后流道改為靠近右岸，深泓線亦貼右岸。

圖3 工程河段深泓線平面變化

圖4 工程河段深泓線縱向變化

在下游第一個(gè)彎道進(jìn)口處，2005年深泓線靠凹岸，2012年深泓線從左岸過渡至右岸，2016年由于右岸有引江濟(jì)漢干渠支流匯入導(dǎo)致深泓線向左岸有所擺動(dòng)，進(jìn)入彎道后深泓緊貼凹岸高石碑鎮(zhèn)一側(cè)。在彎道出口段，2016年深泓線較2012年大幅向右岸擺動(dòng)約280 m。出彎道后在馬家?guī)X附近深泓線向左岸擺動(dòng)，其中2016年比2012年左移最大幅度150 m。

在老泗港彎道進(jìn)口處，2005年深泓貼左岸下行，由于左岸邊灘發(fā)展，深泓線由2012年靠左岸擺動(dòng)至2016年靠右岸，進(jìn)入彎道彎頂處，受水流沖刷作用，2016年深泓線較2012年進(jìn)一步向凹岸發(fā)展，最大左移幅度約250 m。泗港村附近淤積發(fā)展，深泓線由左岸擺動(dòng)到右岸。

在河段出口巴家洲附近，2005年深泓線靠近右岸，由于靠近左岸的巴家洲洲頭沖刷，導(dǎo)致該處深泓線2012～2016年向左岸擺動(dòng)，然后緊貼右岸下行至河段出口。

總體來看，2005～2016年間河段內(nèi)深泓線平面位置擺動(dòng)頻繁且幅度較為顯著，特別是在彎道及過渡段范圍內(nèi)，還伴隨著邊灘與江心洲灘的沖淤發(fā)展?？梢娕d隆樞紐建成后，下游河道經(jīng)歷了較大的水流調(diào)整。

3.2.2 深泓縱向變化

從工程河段深泓線縱剖面變化圖(見圖4)可以看出，2005～2016年間，河床縱剖面有沖有淤、沖淤交替，且河床沖淤幅度較大。

在引江入漢干渠入漢江河口附近，2005～2012年河床沖刷下切，至2016年河床又顯著抬高，除此之外河床縱剖面沿程總體呈沖刷趨勢(shì)，河床高程下降，河床最大下切幅度達(dá)10 m，特別是在韓家臺(tái)、老泗港、巴家洲河段彎道附近河床沖淤變幅明顯，深泓線下切較顯著。

3.2.3 河床形態(tài)變化

根據(jù)2005～2016年3個(gè)測(cè)次的實(shí)測(cè)地形資料，沿本河段分別選取HX088～HX098共11個(gè)典型斷面，分析該河段斷面形態(tài)變化情況。

從11個(gè)斷面變化可以看出，2005～2016年河段河床呈沖淤交替變化，主要以沖刷下切為主。斷面變化較大的位置主要集中在過渡段和彎道段。

3.2.4 洲灘平面變化

套繪工程河段出口處巴家洲30 m等高線來分析其平面變化，見圖5。

圖5 巴家洲平面變化

從平面圖上看，2005～2016年巴家洲洲頭先淤積后沖刷，淤積最大上延700 m，沖刷最大下移464 m，洲尾2005～2012年沖刷下移220 m，2012～2016年相對(duì)較為穩(wěn)定，洲體左、右緣局部有所沖淤，但幅度不大，總體上巴家洲洲體面積先增大后萎縮，2016年較2012年巴家洲洲體面積減小17.5%。

3.2.5 工程河段沖淤變化

根據(jù)工程河段2005～2016年的實(shí)測(cè)地形資料，采用斷面法對(duì)工程河段河床沖淤量進(jìn)行計(jì)算分析，計(jì)算水位是30 m，計(jì)算結(jié)果見表5。

表5 河段沖淤計(jì)算成果 萬m3

計(jì)算結(jié)果顯示，2005～2016年本河段總體呈沖刷狀態(tài)，30 m平灘水位以下河槽沖刷泥沙：2005～2012年 290.4萬m3，2012～2016年 718.9萬m3。

分段來看，2005～2012年沖刷量較大的位置主要分布在HX088～HX089、HX091～HX092、HX094～HX095，2012～2016年沖刷量較大的位置主要分布在HX092～HX093、HX096～HX097、HX097～HX098之間，特別是HX097～HX098沖刷量有 206.7萬m3。結(jié)合地形圖看，河床沖刷集中在兩個(gè)S型彎道、過渡段馬家?guī)X至老泗港以及泗港村至巴家洲之間。

3.3 河床局部沖刷分析

興隆水利樞紐于2009年2月26日正式開工建設(shè)，2013年建成投入運(yùn)行。為進(jìn)一步了解近樞紐壩址下游局部范圍內(nèi)河床的沖淤變化，對(duì)壩址下游1 km范圍內(nèi)河床進(jìn)行了分析。

從沖淤分布圖(見圖6)來看，興隆水利樞紐投入運(yùn)行后，壩下游局部河床沖淤交替，主河槽河床呈較明顯的沖刷趨勢(shì)，近壩址處形成較為明顯的沖刷坑，河床最大下切達(dá)7 m。

圖6 興隆樞紐壩址下游局部河床沖淤分布

3.4 河道演變趨勢(shì)分析

從上述分析來看，丹江口水庫建庫后，清水下泄，工程河段河床相應(yīng)沖刷下切，河勢(shì)發(fā)生調(diào)整。受丹江口水利樞紐的影響，興隆樞紐工程所在河段現(xiàn)階段總體呈沖刷變化趨勢(shì)，河勢(shì)仍處于調(diào)整中。

由于興隆樞紐屬于低水頭徑流式水利工程，水庫基本無調(diào)節(jié)性能，攔蓄的泥沙量很小，并在短時(shí)期內(nèi)達(dá)到平衡，基本不改變下游河道的來水來沙條件。工程建成后對(duì)漢江下游河勢(shì)產(chǎn)生的影響有限，僅會(huì)對(duì)壩址下游局部范圍內(nèi)河床變化產(chǎn)生一定的影響，因此對(duì)漢江下游河勢(shì)影響的主要因素仍然是丹江口水庫運(yùn)用引起的壩下游河道沖刷。據(jù)此預(yù)計(jì)，在今后較長時(shí)期內(nèi)，工程河段河床仍將呈沖刷趨勢(shì)，但隨著丹江口水庫壩下游河道沖刷下移及自身調(diào)整，工程河段將逐步向沖淤平衡方向發(fā)展，總體河勢(shì)將趨于穩(wěn)定。

4 結(jié) 論

受水庫清水下泄的影響，興隆水利樞組工程河段的來水來沙條件發(fā)生較大變化，致使河床由原來的以淤積為主的演變趨勢(shì)變?yōu)橐詻_刷為主，目前仍以沖刷趨勢(shì)為主，但沖刷強(qiáng)度已趨于減弱，并逐步向沖淤平衡方向發(fā)展。

從河床演變分析主要結(jié)果來看，2005～2016年間河段內(nèi)深泓線平面位置擺動(dòng)頻繁且幅度較為顯著，特別是在彎道及過渡段范圍內(nèi)，還伴隨著邊灘與江心洲灘的沖淤發(fā)展?？梢娕d隆樞紐建成后，下游河道經(jīng)歷了較大的水流調(diào)整。2005～2016年河段河床呈沖淤交替變化，主要以沖刷下切為主。斷面變化較大的位置主要集中在過渡段和彎道段。在今后較長時(shí)期內(nèi)，工程河段河床仍將呈沖刷趨勢(shì)，但隨著丹江口水庫壩下游河道沖刷下移及河道自身的調(diào)整，工程河段將逐步向沖淤平衡方向發(fā)展，總體河勢(shì)將趨于穩(wěn)定。