三峽工程運用前后沙市段河床形態(tài)調(diào)整特點

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(武漢大學(xué) 水資源與水電工程科學(xué)國家重點實驗室，武漢 430072)

1 工程背景

荊江河段位于三峽水庫下游，又分為上、下荊江，其江口以下沙質(zhì)河段邊灘及心灘低平、可動性大，且主流擺動頻繁而無規(guī)律，礙航問題突出[1]。沙市段位于上荊江中上段，屬于彎曲分汊型河段。近50 a來受人為活動及來水來沙條件改變的影響，沙市段河床相應(yīng)調(diào)整，先后經(jīng)歷沖刷—沖淤平衡—沖刷過程，且局部河勢調(diào)整劇烈[2]。受1967年下荊江裁彎工程的影響，沙市段深泓擺動頻繁，分汊段主支汊交替易位，成為荊江河勢調(diào)整劇烈的河段之一[3]。三峽工程運用后，除深泓擺動及主支汊易位外，沙市段局部河段岸線崩退、洲灘萎縮、邊灘下移等現(xiàn)象也較嚴(yán)重，嚴(yán)重影響了該河段的通航安全。

水庫下游河流出現(xiàn)的各種變化多可歸因于水沙條件的改變[4]。三峽工程運用后，部分學(xué)者致力于研究改變的水沙條件對壩下游河段沖淤的影響。如韓劍橋等[5]指出運用后荊江河段的沖刷主要由10 000～25 000 m3/s之間的流量造成，且沖刷導(dǎo)致荊江河段斷面形態(tài)沿程趨于均一化。沙市段位于荊江沙質(zhì)河段進(jìn)口處，受水流沖刷影響較為明顯。Zhang等[6]分析了該河段沿程各斷面的下切情況，指出該河段局部寬淺區(qū)域的沖刷較相對窄深區(qū)域的沖刷更為劇烈。沙市段沿程不同位置的沖刷改變了其整體深泓的走勢。Zhao等[7]通過研究沙市段主支汊各自深泓線的走勢，發(fā)現(xiàn)三峽工程運用后沙市河段右汊深泓調(diào)整較左汊劇烈，且此現(xiàn)象在三八灘以下尤甚。此外，沙市段內(nèi)洲灘演變及汊道的發(fā)展也成為不少研究者關(guān)注的對象。如朱玲玲等[8]通過分析沙市河段主要汊道段南北槽分流比變化及枯期主流走向，解釋了三峽工程運用前后沙市分汊河段的演變機(jī)理。汪飛等[9]的研究指出河道內(nèi)相鄰洲灘的興衰變化相互關(guān)聯(lián)，臘林洲邊灘在灘群演變中占據(jù)著主導(dǎo)地位。然而這些研究則多是宏觀以及定性上描述該河段的河道演變規(guī)律，較少從定量上研究該河段河床演變的特點。

因此，本文利用沙市水文站1955—2015年實測水沙數(shù)據(jù)及沙市段33個固定斷面地形資料，采用Xia等[10]提出的河段平均的方法，計算河段尺度的深泓擺幅、擺向參數(shù)及平灘河槽形態(tài)參數(shù)，定量分析了近50 a來沙市段河床平面及斷面形態(tài)調(diào)整特點，研究了平灘河槽形態(tài)參數(shù)變化與水沙條件變化的響應(yīng)關(guān)系。

2 研究河段概況

2.1 地理位置

沙市段上起楊家腦(荊25斷面)，下至觀音寺(荊52斷面)，屬于彎曲分汊型河段，由太平口過渡段、三八灘及金城洲微彎分汊段組成(圖1)。

圖1 沙市河段示意圖Fig.1 Sketch of the Shashi reach

該河段距三峽大壩約194 km，是三峽大壩下游沙質(zhì)河段的進(jìn)口段。沙市段以楊林磯為界分為上下兩段：上段為涴市河彎和沙市河彎之間的直線過渡段，被太平口心灘分為了南北兩槽；下段有三八灘分河道為南北兩汊，筑有荊江長江公路大橋橫跨三八灘，主通航道位于北汊。順直過渡段左岸有沮漳河匯入，右岸處有虎渡河從太平口處分流進(jìn)洞庭湖。20世紀(jì)90年代以前，該河段崩岸范圍較廣，如學(xué)堂洲段崩岸長度約6 km，最大崩岸寬度達(dá)220 m[11]。1998年大洪水后，部分護(hù)岸工程的加固或新建基本維持了沙市段河勢的穩(wěn)定。三峽工程運用后，進(jìn)入沙市段的沙量大幅度降低，局部河段崩岸現(xiàn)象時有發(fā)生，特別是在一些穩(wěn)定性較差的分汊河段[12]，危及河道防洪安全。此外，三八灘及金城洲受水流沖刷明顯萎縮，對汊道段的穩(wěn)定也造成了不利的影響。

2.2 水沙條件變化

沙市段水、沙量主要來源于干流河道。圖2給出了該河段內(nèi)沙市水文站汛期水量及輸沙量的變化過程。可以看出，裁彎對沙市段水沙條件影響較小，其多年平均汛期徑流量基本不變，輸沙量略有減少。1968—2002年多年平均汛期徑流量為3 024億m3/a，較裁彎前(1955—1967年)的3 005億m3/a增大了僅0.63%。三峽工程運用后(2003—2015年)沙市水文站汛期水量有一定程度的減小，多年平均汛期徑流量為2 696.33億m3/a，較運用前(1955—2002年)的3 019億m3/a減小了10.7%。同時期內(nèi)沙市段汛期輸沙量顯著減少，由運用前4.07億t/a減至運用后0.55億t/a，減幅達(dá)86.39%。此外，沙市段汛期集中輸水輸沙的現(xiàn)象較為明顯，汛期水量占全年水量的75.72%，輸沙量占94.23%。

圖2 1955—2015年沙市站汛期水量和輸沙量Fig.2 Variations in the water amount and sediment load at Shashi station in flood seasons of 1955-2015

2.3 河段沖淤變化

近50 a來沙市段河床先后經(jīng)歷了沖刷、沖淤平衡和沖刷過程，圖3給出了沙市段1966—2015年平灘河槽累計沖淤量的變化過程。

圖3 沙市河段1966—2015年累計沖淤過程Fig.3 Cumulative channel evolution volume in the Shashi reach in 1966-2015

由圖3可以看出：1967年下荊江裁彎工程實施后，沙市段水流的比降增加，流速加大，使得該河段河床發(fā)生劇烈沖刷，1966—1980年該河段平灘河槽年均沖刷強(qiáng)度為0.046億m3/a。1980—1985年沙市段平灘河槽稍有淤積，累計淤積量為0.096億m3。1985—1993年該河段河道呈現(xiàn)出沖淤平衡的狀態(tài)。由此可知，下荊江裁彎引起的溯源沖刷作用在20世紀(jì)90年代中期已基本結(jié)束。1993—1996年、1996—1999年的大洪水過程致使沙市段高水位時間持續(xù)較長，河槽發(fā)生劇烈沖刷。1993—2002年該河段平灘河槽年均沖刷強(qiáng)度達(dá)0.066億m3/a。

三峽工程運用后，沙市段沖刷加劇。2003—2015年沙市段平灘河槽累計沖刷1.58億m3，年均沖刷強(qiáng)度達(dá)0.132億m3/a，遠(yuǎn)大于河道裁彎所引起的沖刷。但由于2007—2008年內(nèi)該河段水流含沙量相對較高，使得平灘河槽稍有淤積，約為0.014 6億m3。此外，該時期內(nèi)，2009—2015年沙市段河床沖刷相對較為劇烈，年均沖刷強(qiáng)度為0.16億m3/a，較2003—2008年增大了70.9%。其原因主要在于2008年后三峽水庫進(jìn)入175 m蓄水試運行階段，從而導(dǎo)致沙市段河床沖刷加劇。

3 河床平面形態(tài)調(diào)整特點

沙市河段總體河勢保持穩(wěn)定但局部河勢調(diào)整較為劇烈[2]，主要表現(xiàn)為長順直過渡段深泓擺動，局部河段岸線崩退及分汊段主、支汊交替易位等方面。故此處從深泓線變化、岸線變化及灘槽格局調(diào)整出發(fā)，分析三峽工程運用前后該河段河床平面形態(tài)的調(diào)整特點。

3.1 深泓線變化

受裁彎工程及三峽工程的影響，沙市段深泓擺動較為明顯，故此處著重于研究近50 a內(nèi)該河段深泓擺動幅度及方向的變化過程。

3.1.1 深泓擺動幅度

(1)

式中:xi表示第i個斷面距大壩的距離；N表示河段斷面總數(shù)。

圖4給出了深泓年均擺幅的計算結(jié)果。

圖4 沙市河段深泓擺動幅度及位置參數(shù)的變化Fig.4 Parameters of reach-scale thalweg shifting amplitude and location in the Shashi reach

3.1.2 深泓擺動方向

3.2 岸線變化

下荊江裁彎工程實施后，沙市段局部河段崩岸現(xiàn)象時有發(fā)生。1955—1987年太平口順直過渡段左側(cè)岸線崩退長度200～250 m[15-16]。1981—2002年學(xué)堂洲、陳家臺、西流堤和龍州垸等處時有發(fā)生崩岸險情，崩岸總長達(dá)5 340 m[2]。三峽工程運用后，受河床沖刷的影響，沙市段局部河段岸線崩塌。如2002—2006年柳林洲發(fā)生窩崩，而2002—2008年臘林洲處河岸的最大累積崩退寬度約310 m。此外，據(jù)統(tǒng)計三峽工程運用后沙市段年均崩岸次數(shù)為運用前的3倍，年均長度約為運用前的5.6倍[17]。

圖5(a)和圖5(b)分別給出了沙市段典型斷面荊29左岸和荊34右岸的崩退過程。荊29斷面位于順直過渡段進(jìn)口處，2002—2015年該斷面左岸累計崩退寬度達(dá)32 m(圖5(a))。其中2010年以前該河岸崩退較為明顯，之后基本維持穩(wěn)定。荊34斷面位于臘林洲上段，主流靠近右岸，導(dǎo)致該河岸在2002—2015年間累計崩退約170 m(圖5(b))，且2011年前該河岸持續(xù)崩退，之后相對穩(wěn)定。

圖5 三峽工程運用后沙市河段典型斷面河岸崩退過程Fig.5 Bank retreat processes at two typical sections of Shashi reach after the operation of TGP

3.3 灘槽格局調(diào)整

沙市段洲灘互為消長，極不穩(wěn)定[9]。20世紀(jì)80年代，水流切割臘林洲邊灘尾部形成三八灘。90年代初期，臘林洲邊灘頭部受水流沖刷，形成太平口心灘。三峽工程運用后，沙市段河床沖刷加劇，太平口心灘、三八灘、金城洲隨水沙條件表現(xiàn)出不同的演變過程。

太平口心灘位于沙市段中上段，1986—2001年，該心灘逐年淤積下移，2002年灘體受到水流沖刷切割而一分為三。三峽工程運用后，2003—2010年灘體以淤積為主，且分散的灘體于2008年合并成一個完整的心灘，2010年灘體淤長至最大，其面積達(dá)2.17 km2。之后灘體逐年沖刷萎縮，2015年灘體面積減小至0.9 km2，同時洲長大幅度減小，較2010年減小了約61.9%。

三八灘位于沙市段中段，多年來三八灘沖刷萎縮，具體表現(xiàn)為灘體面積縮小，洲長及洲寬縮短。1998年大洪水期間，老三八灘沖刷消失，隨后泥沙在原老三八灘下半部淤積形成新三八灘。三峽工程運用后三八灘總體依然呈沖刷趨勢，灘體面積大幅度萎縮，到2015年僅為0.18 km2，縮小幅度達(dá)91.2%，同時灘體寬度較2002年明顯束窄，減幅達(dá)78.5%。三八灘應(yīng)急守護(hù)工程及新三八灘護(hù)灘帶的實施維持了三八灘中上段灘脊的穩(wěn)定和灘體的完整，故2011年后灘體面積、洲長及洲寬變幅相對較小，基本維持穩(wěn)定。

金城洲位于沙市段下段，20世紀(jì)80年代中后期與埠河邊灘連為一體，無汊道出現(xiàn)。1990年前后，洲體右槽發(fā)育，形成左、右汊道[11]。1998年大洪水后金城洲與右岸野鴨洲連為一體，且于2002年洲體面積增至4.32 km2。三峽工程運用后，金城洲洲體逐年沖刷萎縮，洲體頭部沖退而尾部上提，且其右緣受水流沖刷明顯崩退。2004年7月水流切割金城洲右側(cè)邊灘形成新的金城洲。2015年洲體受水流沖刷而一分為二，面積大幅度縮減，較2002年減幅達(dá)74.8%。

圖6 典型斷面形態(tài)變化過程Fig.6 Temporal changes in the cross-sectional profiles at three typical sections

4 河床斷面形態(tài)調(diào)整特點

從斷面及河段尺度出發(fā)，研究沙市段平灘河槽形態(tài)的調(diào)整過程，并建立其與汛期水沙條件的滯后響應(yīng)關(guān)系。

4.1 斷面尺度的平灘河槽形態(tài)調(diào)整

為研究水沙條件改變對沙市段平灘河槽斷面形態(tài)的影響，此處以該河段河槽調(diào)整最為顯著的3個典型斷面為例，分析其平灘河槽形態(tài)與水沙條件之間的響應(yīng)關(guān)系，包括太平口心灘處的荊32、三八灘汊道段的荊42及金城洲汊道段的荊49斷面。

荊32斷面處于太平口心灘中部，三峽工程運用前該斷面河床下切與展寬均有發(fā)生[18]，運用后河床調(diào)整主要表現(xiàn)為左、右槽河床下切和中心灘體先淤后沖，但總體形態(tài)較為穩(wěn)定。中洲子裁彎工程實施后，其斷面形態(tài)由非對稱“W”型逐步往對稱發(fā)展。1966—1987年該斷面主流貼近左岸，右槽淤積，斷面形態(tài)逐漸呈偏 “V”型(圖6(a))。隨后1988—2002年右槽受水流沖刷，與1966年相比，2002年右槽最低點高程下降了約6.7 m。左槽在1975年之前有所沖深，隨后逐漸回淤。此外，1966—2002年該斷面左岸累計崩退近143 m，而中心灘體無明顯沖淤變化，調(diào)整幅度較小。三峽工程運用后，該斷面左、右槽均呈沖刷趨勢，斷面基本維持對稱的“W”型，且左、右岸保持穩(wěn)定。2003—2006年右槽基本沖刷完成，至2015年其最低點累計沖深約4.4 m。左槽在運用初期沖刷下切，2006年后逐漸回淤。中心灘體明顯淤高，2003—2015年其最高點高度增加了約5.04 m(圖6(b))。

荊42斷面位于三八灘尾部，其河槽形態(tài)在三峽工程運用前、后均有較大幅度的調(diào)整，且右槽及中心灘體極不穩(wěn)定。下荊江裁彎后盡管該斷面河槽形態(tài)調(diào)整較為劇烈，但始終呈非對稱“W”型。1966—1975年右槽最低點及中心灘體均向左移動，左槽有所淤積(圖6(c))。1975—1987年右岸崩退了約160 m，右槽整體右移，同時左槽發(fā)生沖刷。1993—1998年的洪水過程使得右槽發(fā)生大幅度沖刷，而左槽較1987年卻有所淤積。1998年后左、右槽均呈淤積趨勢，至2002年其右槽最低點高程增加了約13 m，左槽最低點高程增加了約3.9 m。三峽工程運用后，該斷面左、右槽沖淤變化較大，2003—2015年右槽最低點高程增加了約17.2 m；左槽河床持續(xù)沖刷，且2012年以后的沖刷幅度相對較大，斷面過水面積明顯增大(圖6(d))。同時期內(nèi)，中心灘體右移且逐漸萎縮。

荊49斷面處于金城洲汊道段，三峽工程運用前、后該斷面河槽形態(tài)相對較為穩(wěn)定，且其形態(tài)調(diào)整與中心洲體的演變密切相關(guān)。下荊江裁彎工程實施后(1966—1975年)，該斷面右槽最低點沖深約10.1 m(圖6(e))。1987年右槽面積增大，中心洲體明顯左移，致使左槽面積明顯縮小。1998年大洪水期間右槽回淤，左槽沖刷，中心洲體逐漸右移。到2002年右槽持續(xù)回淤，但與1966年相比其最低點高程仍下降了約4.5 m。三峽工程運用后右槽發(fā)生明顯沖刷，2003—2012年累計最大沖深約為16.3 m，同時中心洲體左緣受水流淘刷崩退。到2015年，右槽最低點高程增加了約12.1 m，中心洲體基本消失。相反，左槽在三峽工程運用后并無太大的沖淤變化，形態(tài)較為穩(wěn)定(圖6(f))。

4.2 河段尺度的平灘河槽形態(tài)調(diào)整

(2)

圖7 河段平灘河槽形態(tài)參數(shù)變化過程Fig.7 Temporal variations in reach-scale bankfull dimensions

4.3 平灘河槽形態(tài)調(diào)整與水沙條件關(guān)系

相關(guān)研究[10,19]表明,荊江河段平灘河槽形態(tài)調(diào)整與汛期水沙條件具有密切的聯(lián)系。三峽工程運用后，沙市段汛期(5—10月份)水沙集中輸移現(xiàn)象明顯。造床作用主要在汛期發(fā)生，非汛期的影響可以忽略。在低含沙水流河段，如沙市河段，可采用汛期水流沖刷強(qiáng)度參數(shù)(Ff)來表征汛期的水沙條件[11]，即

(3)

式中：Nf為汛期的總天數(shù)；Qj為汛期日均流量(m3/s)；Sj為汛期日均懸移質(zhì)含沙量(kg/m3)。

(4)

圖8 河段平灘河槽形態(tài)參數(shù)與5 a平均的汛期 沖刷強(qiáng)度的關(guān)系Fig.8 Relationship between the reach-scale bankfull dimensions and the five-year average fluvial erosion intensity during flood seasons

5 結(jié) 論

本文利用近50 a沙市段實測水沙及地形資料，分析了三峽工程運用前、后該河段的河床平面及斷面形態(tài)調(diào)整的特點，得到如下結(jié)論：

(1)受下荊江裁彎工程和三峽工程的影響，沙市段深泓擺動較為明顯。裁彎后的1966—1987年內(nèi)該河段深泓左、右劇烈擺動，平均擺幅約30.8 m/a。1993—1998年受洪水過程的影響，深泓擺動較強(qiáng)，平均擺幅約25.3 m/a。三峽工程運用后2003—2015年深泓擺動有所加劇，平均擺幅約32.6 m/a。其中2014年擺幅最大，約51.0 m/a。

(2)太平口心灘在三峽工程運用后先淤后沖，2010年灘體面積達(dá)到最大值2.17 km2，隨后灘體逐年萎縮。三八灘多年均呈沖刷萎縮趨勢，2011年后灘體較為穩(wěn)定，2015年灘體面積僅為0.18 km2。2002—2015年金城洲洲長縮短了約69%，且洲體頭部沖退尾部上提。

(3)太平口心灘及金城洲處典型斷面的平灘河槽形態(tài)較為穩(wěn)定，且其調(diào)整過程與中心灘體的演變密切相關(guān)。三八灘處典型斷面的平灘河槽形態(tài)調(diào)整較為劇烈，受下荊江裁彎工程影響，1975—1987年該斷面右岸崩退了約160 m。三峽工程運用前，該斷面右槽面積遠(yuǎn)大于左槽，而運用后2015年其右槽幾乎消失，左槽面積增加。

(4)三峽工程運用后，沙市段平灘河槽形態(tài)調(diào)整主要表現(xiàn)為平灘水深和面積的增大，而受護(hù)岸及航道整治工程的限制作用，總體上該河段平灘河槽寬度變化較小。此外，該河段平灘河槽形態(tài)特征參數(shù)與前5 a汛期平均水流沖刷強(qiáng)度具有良好的冪函數(shù)關(guān)系。