虎渡河南閘河段沖淤變化分析

(長(zhǎng)江水利委員會(huì)水文局荊江水文水資源勘測(cè)局， 湖北 荊州 434010)

1 研究背景

荊江四口水系是長(zhǎng)江分流入洞庭湖的通道，地跨湖北、湖南兩省。多年以來(lái)，荊江三口分流對(duì)于調(diào)節(jié)荊江洪水，確保荊江防洪安全起到了重要作用。三峽水庫(kù)蓄水運(yùn)行后，荊江河段防洪能力有了較大提高，荊江四口及洞庭湖區(qū)防洪形勢(shì)得到了一定程度的改善[1-2]。

荊江四口自太平口分流后的河流稱虎渡河?，F(xiàn)江水入口后南流，經(jīng)彌陀寺至黑狗垱與松滋河?xùn)|支的中河口貫通，再經(jīng)黃山頭至小河口匯入松滋河，水道長(zhǎng)136 km。

黃山頭虎渡河節(jié)制閘俗稱南閘，為荊江分洪工程主體工程一部分，位于分蓄洪區(qū)南端，其任務(wù)是控制虎渡河下泄流量，與南線大堤共同組成一道防洪屏障。南閘調(diào)度運(yùn)用原則為：荊江分洪區(qū)不運(yùn)用時(shí)或荊江分洪區(qū)分洪運(yùn)用但虎東干堤不潰口時(shí)，南閘不控制，按天然來(lái)量下泄；荊江分洪區(qū)分洪運(yùn)用，虎東干堤潰決或判定將會(huì)發(fā)生潰決的情況下，必須及時(shí)控制南閘過(guò)閘流量，使之不超過(guò)3 800 m3/s。

南閘結(jié)構(gòu)形式為開(kāi)敞式鋼筋混凝土Ⅰ級(jí)建筑物，順?biāo)鞣较蜷l長(zhǎng)148.5 m，閘寬336.8 m，32孔，鋼質(zhì)弧形閘門，閘頂高程 45.65 m(吳淞凍結(jié)，下同)，閘底高程 36.20 m，主要建筑物由閘室段、兩岸建筑物及上、下游連接段等組成，采用半自動(dòng)的方式啟閉閘門。

南閘建成后經(jīng)歷多次改建，抬高了工程區(qū)域虎渡河河底高程，虎渡河南閘段河勢(shì)發(fā)生較大變化，但由于資料缺乏等原因，目前缺少系統(tǒng)的分析研究。

2 虎渡河近期沖淤變化

由于下荊江的裁彎、葛洲壩工程的興建、荊江與洞庭湖關(guān)系的調(diào)整等一系列重大事件，導(dǎo)致荊江干流河床發(fā)生沖刷，進(jìn)而增大了干流的泄洪能力，同時(shí)使得干流同流量下水位下降，導(dǎo)致虎渡河年分流分沙量持續(xù)大幅減小[3]。與此同時(shí)，虎渡河作為荊江分流支汊，其年內(nèi)分流比是變化的，中枯水分流量很小，甚至斷流，從而使小含沙量的中枯水期本應(yīng)發(fā)生的沖刷，卻出現(xiàn)滯流或斷流情況而轉(zhuǎn)為淤積。虎渡河南閘河段沖淤變化與虎渡河變化趨勢(shì)相近，但受南閘建設(shè)影響較明顯。

2.1 南閘工程局部河段改道

1952年南閘建設(shè)完成后，工程河段局部河勢(shì)發(fā)生了重大改變，如圖1所示。閘上右岸堤防右移400余米；閘下出流區(qū)圍堤雖保持在原位，但基本不臨水。臨水堤防沿?cái)r河壩推進(jìn)至南閘閘管所以西，右移約500 m；閘下游右岸原堤防廢棄，新堤防向黃山頭山腳推進(jìn)600余米，上述工程完工后，南閘上、下游局部河道完全改道，并進(jìn)一步促使改道段的上、下游臨近河段河勢(shì)也逐漸發(fā)生調(diào)整。

圖1 南閘修建前、后河勢(shì)對(duì)照

2.2 虎渡河沖淤變化

依據(jù)1952年1∶25 000水道地形資料,1995，2003年和2011年虎渡河1 ∶5 000水道地形及切割斷面資料，采用斷面法分別計(jì)算1952，1995，2003和2011年虎渡河進(jìn)口至松虎合流交匯處槽蓄量。

斷面法計(jì)算河段槽蓄量的公式為[4]

(1)

式中，V為槽蓄量，萬(wàn)m3；Ai為第i個(gè)橫斷面面積，m2；ΔLi為第i到i+1橫斷面之間間距，m。

槽蓄量計(jì)算采用3條水面線：第一條(洪水)為1998年最高洪水位降低1 m(本節(jié)高程系統(tǒng)采用1985國(guó)家高程基準(zhǔn)，以下同)；第二條(平灘)低于第一條3～4 m；第三條(枯水)低于第二條3 m。水面比降按不同河段取值，介于 0.15萬(wàn)～0.3萬(wàn)之間。根據(jù)斷面法計(jì)算原理，分別計(jì)算3條水面線下河段槽蓄量，進(jìn)而計(jì)算本河段的沖淤變化。

2.2.1 虎渡河整體沖淤變化

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，虎渡河洪水水面線、平灘水面線、枯水水面線下河床沖淤變化以及時(shí)段沖淤特征統(tǒng)計(jì)分別見(jiàn)表1～4。

表1 虎渡河沖淤變化(洪水)

注：表中沖淤數(shù)據(jù)中帶“-”數(shù)據(jù)表示沖刷，正數(shù)表示淤積，下表同。

表2 虎渡河沖淤變化(平灘)

表3 虎渡河沖淤變化(枯水)

表4 虎渡河沖淤量分時(shí)統(tǒng)計(jì)

總體上看，三峽水庫(kù)蓄水運(yùn)行前，虎渡河持續(xù)淤積。1952～2003年總淤積量約為9 570萬(wàn)m3，其中1952～1995年年均淤積量較大，年均淤積192萬(wàn)m3，約占彌陀寺站同期總輸沙量的12.3%。三峽水庫(kù)蓄水運(yùn)行后，虎渡河2003～2011年表現(xiàn)為沖刷，沖刷量為1 493萬(wàn)m3。1952～1995年，虎渡河3條水面線下河床總體均表現(xiàn)為淤積，淤積主要集中在中、高水河床；沿程看，中河口～南閘段淤積量較大。1995～2003年，虎渡河枯水河床沖淤基本平衡，中、高水河床有較大淤積，淤積量為1 317萬(wàn)m3。沿程看，虎渡河總體淤積，其中口門段(太平口～彌陀寺)淤積量較大。

三峽水庫(kù)蓄水運(yùn)行后(2003～2011年)，虎渡河有所沖刷，沖刷量為1 493萬(wàn)m3。沿程看，沖刷主要集中在口門至南閘段和董家垱至安鄉(xiāng)段，南閘至董家垱段沖刷幅度較小。

2.2.2 南閘上、下游局部河段沖淤變化

根據(jù)前文計(jì)算成果，建閘后變化較明顯的河段上起天保垸、下至梅景窖，本次局部河段沖淤分析采用天寶垸至梅景窖河段。

天保垸至南閘河段位于南閘上游，河長(zhǎng) 12.9 km；南閘至梅景窖河段位于南閘下游，河長(zhǎng) 9.4 km。1952年南閘建設(shè)時(shí)，南閘上游約 2.8 km、下游約 3.5 km 長(zhǎng)河道人工改道，左岸堤防向右岸大幅推進(jìn)，最寬推進(jìn)約500 m。由于缺少施工設(shè)計(jì)資料，改道段河床變化不適合參與沖淤變化分析，故選取改道段的上游 10.1 km、下游 5.9 km 長(zhǎng)河段進(jìn)行沖淤變化分析，閘上及閘下河段沖淤變化計(jì)算成果見(jiàn)表5。

表5 天保垸至梅景窖河段(不含改道段)沖淤變化 萬(wàn)m3

沿時(shí)空變化看，1952～1995年，天保垸至梅景窖河段(不含改道段)在3條水面線下均表現(xiàn)為淤積，天保垸至永固垸平灘、枯水河床發(fā)生淤積，平灘以上河床略有沖刷；畢家洲至梅景窖段3條水面下均有淤積發(fā)生。1995～2003年，天寶垸至永固垸段枯水河床有所沖刷，枯水以上有所淤積；畢家洲至梅景窖段洪水河床有所沖刷，洪水以下河床沖淤基本平衡。三峽水庫(kù)蓄水運(yùn)行后(2003～2011年)，天寶垸至永固垸段有所沖刷，畢家洲至梅景窖段則有輕微沖刷。

2.3 典型斷面變化

虎渡河水系斷面形態(tài)多呈現(xiàn)偏“U”或偏“V”型，選取虎1、虎15、虎24、虎39、虎44等5個(gè)固定斷面進(jìn)行分析。同時(shí)，在南閘臨近上游河段布設(shè)3個(gè)斷面，下游布設(shè)2個(gè)斷面，共計(jì)5個(gè)斷面進(jìn)行工程臨近局部區(qū)域斷面分析。

河段典型斷面變形主要表現(xiàn)為：①上游口門段斷面淤積深槽縮窄；②中段各斷面總體表現(xiàn)為河槽淤積、深泓增高、部分?jǐn)嗝媸?；③下游匯口段各斷面總體表現(xiàn)為河槽深泓沖刷降低，斷面由“V”向“U”型轉(zhuǎn)化；④上述斷面變形主要發(fā)生在1952～1995年期間，2003年三峽水庫(kù)蓄水運(yùn)行后各斷面雖有一定沖刷，但沖刷幅度較小。

1952～1995年，工程臨近局部區(qū)域各斷面變形主要表現(xiàn)為河床大幅淤積，河槽縮窄，灘地發(fā)育。

2.4 縱剖面變化

2.4.1 河段縱剖面

虎渡河1952，1995，2003年和2011年深泓縱剖面變化見(jiàn)圖2。

圖2 虎渡河縱剖面變化

1952～1995年，河段縱剖面總體表現(xiàn)為淤積，深泓平均淤高約0.8 m，其中南閘上游平均淤高約1.1 m，南閘下游平均淤高約 0.3 m。天保垸河段淤積幅度較大，1952年最深點(diǎn)高程 24.5 m，至1995年淤高約5.5～30 m；彌陀寺至中河口段深泓亦有較大淤積，最大淤厚約 5.0 m。匯流口上游局部河段(肖公咀附近)深泓微沖。

1995～2011年，縱剖面整體沖淤變化不大，相對(duì)平衡。其中1995～2003年南閘上游河段有所淤積，深泓淤高約 0.14 m，南閘下游河段有所沖刷，刷深約0.1 m。三峽水庫(kù)蓄水運(yùn)行后(2003～2011年)，深泓縱剖面略有刷深，南閘上、下游深泓分別平均刷深約0.25 m和 0.30 m。

2.4.2 南閘上、下游局部河段

為了分析南閘建閘影響，取南閘上游約13.0 km及其下游約9.5 km區(qū)域?yàn)閷?duì)象，該段縱剖面變化見(jiàn)圖3。

圖3 南閘局部河段縱剖面變化

南閘上、下游局部河段1952～2011年總體淤積，平均淤厚約0.9 m，其中，南閘上游段淤高約1.3 m，南閘下游段淤厚約 0.25 m。

1952～1995年南閘上、下游局部河段表現(xiàn)為大幅淤積(考慮南閘建設(shè)，臨近區(qū)域河段改道，南閘上游約 4.0 km、下游約 3.0 km范圍內(nèi)縱剖面變化不做對(duì)比)；改道段上游的天保垸～永固垸河段深泓淤積，最大淤厚約3 m；改道段下游的三興垸至梅景窖以淤高為主，最大淤厚約 1.6 m。1995～2003年南閘上、下游局部河段縱剖面發(fā)生沖刷，平均刷深約1.0 m，其中閘上沖深約0.5 m，閘下深泓降低約1.7 m。南閘下游約2.5 km河段內(nèi)深泓顯著刷深，最深點(diǎn)由1995年的 30.0 m變化至2003年的 19.2 m，刷深約 10.8 m。

2003～2011年(三峽水庫(kù)蓄水運(yùn)行后)，上、下游局部河段縱剖面沖淤變化較小。

3 南閘段虎渡河河勢(shì)演變的影響因素

3.1 南閘建閘對(duì)虎渡河河勢(shì)演變的影響

綜合依據(jù)虎渡河1952，1995，2003，2011年的地形資料和南閘1952年建設(shè)、2000年二次改造的時(shí)間分布，主要選取1952～1995年和1995～2003年的閘上、下游臨近河段沖淤變化分析。

根據(jù)河道演變規(guī)律可知，一般萎縮型河道的淤積特征為上游淤積量大、下游淤積量小[5-6]。而南閘建成后工程局部段淤積較虎渡河上游明顯，南閘下游發(fā)生一定沖刷，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

(1)1952～2003年，南閘上游中河口至南閘段單位長(zhǎng)度淤積量遠(yuǎn)大于口門至中河口段，其淤積量遠(yuǎn)大于上游口門段。

(2)1952～1995年，南閘上下游斷面均發(fā)生一定淤積，南閘上游各斷面隨著與南閘距離減小而淤積增加，南閘臨河河段斷面淤積增加較上游口門～中河口段增加較多，南閘下游斷面淤積則明顯較南閘上游小。

(3)1952～1995年，南閘附近河段深泓明顯淤高，淤積幅度大于虎渡河深泓平均淤高；1995～2003年，由于1998年發(fā)生全流域性大洪水和2000年南閘改造，南閘下游約 2.0 km河段深泓發(fā)生劇烈沖刷。

上述現(xiàn)象發(fā)生的主要原因在于，南閘工程建設(shè)造成南閘上游局部河段水面線抬高，水流變緩，流速變小，同時(shí)南閘下游水流流速有一定增加，將工程改道段河流泥沙沖至下游一定距離后再次發(fā)生淤積。

綜上所述，1952年南閘建設(shè)造成南閘工程臨近河段發(fā)生強(qiáng)烈淤積，而2000年南閘改造工程對(duì)南閘下游河段有一定影響，對(duì)上游河段影響不明顯。

3.2 虎渡河上、下游河勢(shì)變化對(duì)南閘段的影響

由虎渡河南閘段上、下游淤積變化可知，虎渡河河勢(shì)變化表現(xiàn)為2003年以前淤積，2002年以后沖刷，南閘河段河勢(shì)變化與虎渡河整體變化趨勢(shì)一致。

根據(jù)1952、1995年虎渡河測(cè)圖分析，除了1952年工程建設(shè)進(jìn)行的河段改道之外，1952～1995年其余河段平面形態(tài)總體穩(wěn)定，堤防局部有整治，河道淤積，主槽縮窄，灘地發(fā)育。根據(jù)1995、2003、2011年測(cè)圖，虎渡河口門至安鄉(xiāng)段，河勢(shì)基本穩(wěn)定，表現(xiàn)為堤防穩(wěn)定，岸線基本穩(wěn)定。

考慮1952～1995年時(shí)間跨度大，河道演變與人類活動(dòng)交互影響，沒(méi)有實(shí)測(cè)資料進(jìn)行比較，無(wú)法準(zhǔn)確評(píng)估南閘工程建設(shè)對(duì)虎渡河河勢(shì)調(diào)整的影響范圍和時(shí)間期限。只能從堤防、岸線、深槽、洲灘、河床形態(tài)等分析1952～1995年南閘臨近河段河勢(shì)變化及可能的影響因素。

(1)堤防。通過(guò)分蓄洪區(qū)的治理、堤防加固等工程項(xiàng)目的實(shí)施，堤防普遍加高培寬，全河段堤頂高程加高2 m以上。其中1952～1995年南閘下游畢家洲、安枯垸一線，虎渡河4支并流，重新挽堤約2.5 km，封堵了西邊兩支，在減輕相關(guān)地區(qū)防洪壓力的同時(shí)，也促使河勢(shì)發(fā)生了較大調(diào)整。1995年后，南閘上、下游河段堤防無(wú)明顯變化。

(2)岸線。受河道沖淤影響，局部岸線有變化，但總體穩(wěn)定。1952～1995年，受南閘建設(shè)、河段改道等影響，南閘附近河段岸線變化較明顯，如永固垸、畢家洲河段均發(fā)生一定淤進(jìn)。1995年后，南閘附近河段岸線基本穩(wěn)定，沖淤變化較小。

(3)深槽?；⒍珊涌陂T至中河口段深槽保持穩(wěn)定，中河口下游深槽有一定的沖淤演變。1952～1995年，天寶垸至梅景窖段河槽整體表現(xiàn)為束窄、淤高。由于堤防改建等原因，畢家洲右側(cè)河槽淤高至河灘。1995年后，南閘附近河段深槽基本穩(wěn)定，部分河槽微沖微淤。

(4)洲灘。天寶垸至梅景窖段有六合垸、永康垸、樂(lè)福垸等河心洲，1952～1995年，各處洲灘均有一定的淤積發(fā)展，六合垸向尾部下游延伸，永康垸、樂(lè)福垸向洲頭洲尾淤積發(fā)展，永固垸等河段邊灘淤高。1995年后，天寶垸至梅景窖段洲灘基本保持穩(wěn)定。

(5)河床形態(tài)?；⒍珊雍哟不颈３址€(wěn)定，沖淤變化幅度較小。1952～1995年，由于南閘工程段河道發(fā)生改道，南閘附近河段河床形態(tài)發(fā)生較大變化，由順直型河道發(fā)展為微彎型河道，其中工程處河道變化最為劇烈，河床向右岸偏移約500 m，且河段洲灘有明顯的淤長(zhǎng)，減少了過(guò)水?dāng)嗝婷娣e。1995年后，由于堤防、護(hù)岸等邊界條件的固化，南閘附近河段河床形態(tài)無(wú)明顯變化。

綜上所述，虎渡河演變的總體格局受長(zhǎng)江來(lái)水來(lái)沙變化以及長(zhǎng)江與洞庭湖水沙分配關(guān)系調(diào)整限制以及三峽及上游水庫(kù)群的運(yùn)用等因素影響，而南閘建閘、改造的影響相對(duì)較小。但就工程區(qū)局部而言，因受關(guān)聯(lián)因素復(fù)雜、資料缺乏等因素制約，南閘建閘、改造與虎渡河河道演變的相互影響還需進(jìn)一步做觀測(cè)分析。

4 減淤措施

淮陰閘等水閘運(yùn)行時(shí)，常實(shí)行適時(shí)引水、集中引水、縮短泄水時(shí)間、加大泄水流量及分批輪流開(kāi)啟閘孔的方法，以調(diào)高輸水挾沙能力、減少河段年淤積量。洪水期采用高水位、大流量的運(yùn)行方式，盡量加大泄洪流量。

在南閘工程正常運(yùn)用時(shí)，應(yīng)充分考慮荊江干流及虎渡河來(lái)水情況以確定南閘過(guò)水量，綜合依據(jù)荊江分洪區(qū)調(diào)度規(guī)程，通過(guò)恰當(dāng)?shù)哪祥l調(diào)度方式加大閘前水流強(qiáng)度，盡可能提高閘前水流挾沙能力。同時(shí)，在上游高水位時(shí)采用攪動(dòng)疏浚方式，較低水位時(shí)結(jié)合挖泥船挖淤等機(jī)械疏浚方式減少南閘附近泥沙淤積情況。

在工程運(yùn)用的基礎(chǔ)上，在上游堤防加強(qiáng)林帶建設(shè)、減少迎水坡面墾種、做好植被工作及防止水土流失同樣是減少河道泥沙淤積的重要方法[7]。

5 結(jié) 語(yǔ)

南閘建成以后，對(duì)南閘河段河床演變?cè)斐擅黠@影響，其中局部河段改道、上下游大量淤積等減少了虎渡河分流能力；此外，河床受虎渡河整體演變乃至荊江主河槽河勢(shì)演變影響。南閘作為荊江分洪工程的主體工程之一，在荊江的防洪斗爭(zhēng)中發(fā)揮過(guò)巨大的作用。然而也存在一些問(wèn)題，如加劇了虎渡河的淤積萎縮，可能造成江湖關(guān)系的調(diào)整，使虎渡河和松滋河水系之間水力關(guān)系更加復(fù)雜，需要繼續(xù)深入的研究和探討。