邊界條件對長江中游周天河段河道演變影響

(交通運輸部天津水運工程科學(xué)研究所 工程泥沙交通運輸行業(yè)重點實驗室, 天津 300456)

周天河段位于長江上荊江河段末端，為微彎河型，兩岸分布有大量連續(xù)邊灘，上下游灘體及河勢聯(lián)動性強，是長江中游重點礙航河段。目前已實施了3期航道整治工程，即應(yīng)急清淤工程(2000～2002年)、控導(dǎo)工程(2006～2008年)、荊江河段一期工程(2014～2016年)，河道邊界條件已發(fā)生明顯變化。已有的周天河段河道演變分析認(rèn)為：周天河段深泓年際間擺幅較大，過渡段隨來水來沙、兩岸邊心灘消長而頻繁上提或下移[1-2]；尚未建立這一擺動及過渡形式與徑流條件的關(guān)系；控導(dǎo)工程實施后，周公堤水道為上過渡、天星洲水道為左槽一次過渡形式，礙航位置為顏家臺空蕩區(qū)域形成的交錯淺灘，新廠高灘及天星洲左緣崩退明顯，存在向二次過渡演變的趨勢，應(yīng)及早實施整治工程進(jìn)行控制[3]。在控導(dǎo)工程潛壩和護(hù)灘帶的作用下，河道深泓線右擺，蛟子淵邊灘淤高，左岸覃家洲一帶沖刷，應(yīng)及時實施防護(hù)措施[4]，預(yù)防護(hù)灘帶失穩(wěn)或破壞[5]。從近期周天河段航道水深上看，該河段航道尺度具備進(jìn)一步擴(kuò)大的空間[6]。三峽水庫蓄水后，攔截了大量上游來沙，使壩下游近乎于“清水下泄”，改變了長江中下游的水沙邊界條件[7-9]。壩下游河道洪峰削減、枯季補水作用改變了年內(nèi)流量過程，長江中下游水沙條件、河道邊界發(fā)生顯著變化，使得河床演變過程更為復(fù)雜[10-11]。這一變化特點及趨勢是河道治理與航道規(guī)劃關(guān)心的重點。準(zhǔn)確把握歷史時期及近期河道、航道演變規(guī)律，是河勢控制與航道整治工程取得預(yù)期效果的前提，只有摸清河勢調(diào)整的成因，整治措施才更有針對性，治理效果才能事半功倍。

本研究以長江中游周天河段為對象，在對自然條件下過渡形式與流量過程、洲灘聯(lián)動作用關(guān)系等研究基礎(chǔ)上，分時段研究不同階段航道整治工程、三峽水庫蓄水運行后水沙邊界條件改變條件下的河床演變過程及作用機理，以期為該河段河道治理及航道整治工程建設(shè)及規(guī)劃提供參考，并進(jìn)一步加深對邊界受控條件下河床演變規(guī)律的認(rèn)識。

1 研究區(qū)域概況

1.1 河道概況及水沙條件

周天河段上起郝穴，與郝穴水道相連，下迄古長堤，下與藕池口水道相接，全長28 km，為微彎河型(見圖1)。郝穴鎮(zhèn)至胡汾溝為周公堤水道，胡汾溝至古長堤為天星洲水道，是長江中游重點礙航河段之一。周天河段內(nèi)有九華寺邊灘、戚家臺邊灘、蛟子淵邊灘、周公堤心灘、新廠邊灘、陀陽樹邊灘及天星洲灘體等淤積體。沙市水文站位于周天河段上游約65 km處，區(qū)間無支流和湖泊分匯，可代表周天河段來水來沙條件。1950～2002年沙市站年均徑流量為3 940億m3，輸沙量為4.33億t。2003～2016年沙市站年均徑流量為3 760億m3，較蓄水前減幅為4.02%，輸沙量為0.634億t/a，較蓄水前減幅為86.86%，近乎于“清水下泄”。

圖1 周天河段河勢(2014年12月)Fig.1 The river map of the Zhoutian reach(December,2004)

1.2 航道整治工程概況

2000年以前，周天河段主要對岸線實施了加固工程，河道基本處于自然狀態(tài)，2001年以來已實施了三期航道整治工程：應(yīng)急清淤工程、控導(dǎo)工程及荊江航道整治一期工程。工程分布見圖1，工程信息見表1。

2 自然條件下演變規(guī)律

2.1 邊心灘演變的關(guān)聯(lián)性

周天河段兩岸分布有大量的邊灘和心灘，上下游邊灘、心灘聯(lián)動性強，具體表現(xiàn)如下。

(1) 周公堤心灘與水流動力軸線關(guān)系見圖2(a)。周公堤水道水流動力軸線上提或下移直接影響蛟子淵邊灘變化：當(dāng)水動力軸線上提時，蛟子淵邊灘灘頭上延；當(dāng)過渡段下移時，蛟子淵邊灘灘頭沖刷后退；當(dāng)水流動力軸線相對穩(wěn)定時，蛟子淵邊灘的灘頭保持相對穩(wěn)定和完整。蛟子淵邊灘的高大完整，反過來限制水流動力軸線下移，有利于水流動力軸線穩(wěn)定在上過渡的形式。

表1 周天河段整治工程建設(shè)過程統(tǒng)計Tab.1 Statistical table of the regulation process of Zhoutian reach

(2) 周公堤心灘與蛟子淵邊灘關(guān)系。周公堤心灘的形成是伴隨蛟子淵邊灘臨岸竄溝發(fā)育，逐漸切割形成。當(dāng)蛟子淵邊灘和周公堤心灘相連時，減小了周公堤心灘的發(fā)育空間，心灘處于萎縮趨勢，航道內(nèi)上、下深槽交錯段距離縮短，枯水時水流更加集中于主航槽，對航道水深的維持有利。當(dāng)蛟子淵邊灘分離形成周公堤心灘后，周公堤心灘和蛟子淵邊灘竄溝分流增加，使得枯水期水流分散，不利于航槽淺區(qū)的沖刷，過渡形式向中下過渡發(fā)展，航道條件趨差。

(3) 蛟子淵邊灘與新廠邊灘關(guān)系見圖2(b)。蛟子淵邊灘與新廠邊灘是兩個相鄰的邊灘，當(dāng)蛟子淵邊灘灘頭沖刷后退、灘尾淤積下延時，新廠邊灘灘頭則沖刷后退、灘尾淤積下延；當(dāng)蛟子淵邊灘保持相對穩(wěn)定，且新廠邊灘灘頭與蛟子淵邊灘灘尾相連完整時，新廠邊灘也保持相對穩(wěn)定，而新廠邊灘的完整、穩(wěn)定又有利于蛟子淵邊灘的整體穩(wěn)定。

(4) 新廠邊灘與天星洲灘體關(guān)系見圖2(c)。當(dāng)新廠邊灘尾部淤積下延時，天星洲灘體頭部沖刷后退，此時天星洲水道維持左槽一次過渡形式；新廠邊灘尾部沖刷時，天星洲灘體頭部淤積上延，此時天星洲水道已形成右槽一次過渡或是二次過渡形式，航道條件相對較差。

圖2 周公堤邊心灘與水流動力軸線關(guān)系Fig.2 The relationship between the Zhougong bars and the hydrodynamic axis

2.2 自然條件下過渡形式與水動力條件關(guān)系

2.2.1 過渡形式劃分

在自然條件下，周公堤水道可劃分為3種過渡形式(見圖3)：主流自郝穴水道-九華寺-戚家臺-覃家洲過渡為上過渡形式；主流郝穴水道-顏家臺-周公堤-張家榨-胡汾溝過渡為中過渡形式；主流自郝穴水道-蛟子淵左槽-蛟子淵邊灘尾部-黃水套一帶過渡為下過渡形式。天興洲水道也可劃分為3種過渡形式：主流自右岸胡汾溝-黃水套-左岸袁家埠頭-茅林口過渡為左槽一次過渡形式；主流自黃水套沿右岸而下，在鄭家河頭向陀陽樹過渡為右槽一次過渡形式；主流自右岸胡汾溝向左岸新廠鎮(zhèn)附近過渡后復(fù)折回右岸邊，經(jīng)過右岸鄭家河頭，再向左岸陀陽樹過渡為二次過渡形式。一般而言，周公堤水道為上過渡形式，天星洲水道為左槽一次過渡形式，航道條件較好。

圖3 自然條件下周天河段過渡形式Fig.3 Transitional form of Zhoutian reach under natural conditions

2.2.2 過渡形式與徑流量關(guān)系

周公堤水道為微彎河型，中小水年時水流歸槽，左槽過流時間增加而持續(xù)沖刷，有利于左槽發(fā)展成主航槽，使過渡段下移，易形成中過渡和下過渡(見圖4)：當(dāng)蛟子淵邊灘高大完整，與周公堤心灘相連依附于左岸時，過渡形式為中過渡；當(dāng)左岸蛟子淵邊灘受沖刷在灘體上形成竄溝，且進(jìn)一步發(fā)展成主航槽時，周公堤水道主流貼左岸而下，形成下過渡；中大水時水流取直，主流偏向右岸，易形成上過渡。天星洲水道為順直放寬河型，當(dāng)周公堤水道為中過渡時，大水或中水年，中、高水位持續(xù)時間較長，水流趨直，使右槽得以發(fā)展，易形成主流二次過渡或右槽一次性過渡，如1981年、1982年為中大水年，洪峰流量大，藕池口過流時間長，右槽沖開并持續(xù)發(fā)展。當(dāng)周公堤水道為下過渡時，主流在新廠邊灘處挑向右岸，右槽沖刷力度加大進(jìn)而發(fā)展，易形成右槽一次過渡形式，如1979年。當(dāng)周公堤水道為上過渡時，天星洲水道主流較為平順，由胡汾溝過渡到茅林口一帶，若天星洲洲體高大完整，主流貼左岸而下，易形成左槽一次性過渡，如1997年。周天河段過渡形式與沙市水文站徑流量關(guān)系見圖4。圖4過渡形式中，右縱坐標(biāo)3為周公堤水道上過渡、天星洲水道左槽過渡；2.5為周公堤水道中過渡，天星洲水道左槽過渡；2為周公堤水道為上過渡，天星洲水道為右槽過渡；1.5為周公堤水道中過渡，天星洲水道為右槽過渡；1為周公堤水道為下過渡，天星洲水道為右槽過渡。

圖4 周天河段過渡形式與沙市水文站徑流量關(guān)系Fig.4 The relationship between the transitional form ofZhoutian reach and the discharge of Shashi Hydrometric Station

3 邊界受控條件下河道演變規(guī)律

三峽水庫蓄水運行后，改變了壩下游的水沙條件及過程，在航道整治工程共同作用下，周天河段的過渡形式未發(fā)生變化，主要為周公堤水道上過渡、天星洲水道左槽過渡。三峽水庫蓄水后，荊江河段沖刷最為顯著，尤其是上荊江河段[12-13]，受水沙條件影響及整治工程作用區(qū)域的差異，周天河段的河道沖淤分布表現(xiàn)出不均衡性。

圖5 周天河段0m等深線變化(2003～2008年，航基面)Fig.5 Change of 0m depth line in Zhoutian reach(from 2003 to 2008, sounding datum for navigation)

3.1 應(yīng)急清淤工程至控導(dǎo)工程前

周天河段應(yīng)急清淤工程區(qū)域集中在蛟子淵邊灘的頭部，工程塑造的邊界條件影響主要也在蛟子淵邊灘區(qū)域，其余區(qū)域受水沙邊界條件影響。2003～2005年水深測圖顯示(見圖5)：戚家臺邊灘為淤漲趨勢，尾部向下游延展，對岸九華寺邊灘發(fā)育不明顯。周公堤心灘與蛟子淵邊灘為分離態(tài)勢，周公堤心灘由上、下兩個小灘體組成，而且，上灘體逐漸下移，至2005年下灘體已與蛟子淵邊灘合并。蛟子淵邊灘臨岸竄溝為先縮小后沖刷擴(kuò)展；天星洲灘體頭部為先沖刷后退，后逐漸淤漲，左緣為沖刷后退。

圖6 周天河段0m等深線變化(2009～2014年，航基面)Fig.6 Change of 0m depth line in Zhoutian reach(from 2009 to 2014, sounding datum for navigation)

3.2 控導(dǎo)工程及荊江河段一期工程前

2006年12月至2008年5月為控導(dǎo)工程建設(shè)期(見圖6)：戚家臺邊灘尾部仍維持淤積淤長趨勢；由于潛丁壩工程的實施，九華寺邊灘整體為淤漲趨勢。2005～2007年周公堤心灘淤漲，蛟子淵邊灘沖刷，主要是經(jīng)歷了2006年特枯水文年所致。2007～2008年期間也為中小水年份，周公堤心灘沖刷左移，尾部在潛丁壩工程作用下與蛟子淵邊灘相連。

2008年11月至2014年12月期間(見圖6)，戚家臺邊灘維持頭沖尾淤趨勢，其面積大幅減小，其沖刷速率明顯高于清淤工程至控導(dǎo)工程期間。九華寺邊灘由于工程作用，為淤漲趨勢，對應(yīng)的深槽為沖刷趨勢。2008～2013年期間，由于工程的影響，周公堤心灘頭部為淤漲趨勢，且穩(wěn)定在Y6丁壩，其后發(fā)生沖刷，至2014年12月頭部0 m等深線后退至Y7潛丁壩。2009～2012年期間，周公堤心灘左緣為淤漲趨勢，在2012～2014年期間大幅沖刷。天星洲灘體頭部淤漲，左緣中下段均為沖刷趨勢，并有崩岸態(tài)勢。

3.3 荊江河段一期工程至今

荊江河段一期工程實施以來，左岸沖淤變化為(見圖7)：九華寺邊灘仍延續(xù)淤積；顏家臺空蕩區(qū)域以沖刷為主，閘口區(qū)域略有淤積；蛟子淵心灘右緣大幅沖刷，新廠邊灘略有沖刷。右岸沖淤變化為：戚家臺邊灘區(qū)域上段沖刷，尾部略有淤積；覃家洲一帶略有沖刷，草房關(guān)附近淤積；天星洲左緣沖刷，灘面略有淤積。

3.4 邊界受控條件對河道演變的影響

在航道整治工程作用下，周公堤水道進(jìn)口兩岸的沖淤變化與自然演變時期存在差異，主要表現(xiàn)為：三峽水庫蓄水后，九華寺邊灘、戚家臺邊灘均為淤積趨勢，河道以縱向沖刷為主；荊江河段一期工程實施以來，九華寺邊灘淤積趨勢得到維持，戚家臺邊灘區(qū)域沖刷，相對應(yīng)深槽沖淤不大。主要原因是：左岸邊界較為穩(wěn)定，將水流首先集中到深槽，深槽區(qū)域河床已出現(xiàn)砂卵石或砂卵石夾砂(見圖8)，縱向沖刷趨緩，河道以橫向沖刷調(diào)整為主。

圖7 荊江一期工程實施前后河道沖淤分布(2014年2月至2016年1月)Fig.7 The scouring and silting distribution change of the channel before and after the first phase of Jingjiang project

圖8 周天河段河床質(zhì)及代表斷面變化Fig.8 The change of bed material and representative section in Zhoutian reach

在“清水下泄”及航道整治工程的作用下，周天河段仍以沖深為主，但局部橫向變形需引起關(guān)注(見圖8(c),(d))。截至2016年，在航道維護(hù)水深上，長江中下游基本實現(xiàn)了2020年航道規(guī)劃目標(biāo)，但宜昌至武漢、武漢至安慶段仍未達(dá)到上游庫區(qū)及下游潮汐河段深水航道水深，急需提高宜昌至安慶段的航道水深[12-15]。目前武漢至安慶段航道水深提升至6.0 m已獲得批復(fù)，并進(jìn)入了施工期，荊江河段一期航道整治工程已經(jīng)完工，航道水深已基本達(dá)到3.5 m及以上，還存在進(jìn)一步提高可能性。通過航道核查表明，若周天河段航道水深提升至4.5 m，應(yīng)關(guān)注顏家臺空蕩區(qū)域的航道條件變化。

4 結(jié) 論

自然條件下河床演變過程受水沙條件、灘槽格局、上游河勢及河床組成等影響。三峽工程運行改變了周天河段河道的進(jìn)出口來水來沙邊界條件，航道整治工程改變了該河段河道內(nèi)的邊界條件，共同作用使河床演變過程出現(xiàn)了適應(yīng)性調(diào)整。研究了周天河段水沙條件及航道整治工程作用下河道內(nèi)外邊界變化對河床演變特點的影響，主要結(jié)論如下。

(1) 自然條件下周天河段演變特點：① 大水年份有利于左岸心灘與邊灘合并形成高大完整邊界條件，天星洲灘體發(fā)育完整；② 中小水年份周公堤心灘與蛟子淵邊灘分離，竄溝沖刷發(fā)展，天星洲灘體不穩(wěn)定，存在切割趨勢。

(2) 周天河段在航道整治工程及三峽水庫清水下泄共同作用下的演變規(guī)律為：① 2001～2006年受中小水情和泥沙減少等影響，左岸側(cè)邊灘和心灘沖刷，右岸側(cè)灘體發(fā)育，天星洲灘體沖刷，應(yīng)急清淤工程有效封堵了竄溝發(fā)育；② 2006～2008年控導(dǎo)工程實施期間，左岸邊心灘(九華寺邊灘、周公堤心灘和蛟子淵邊灘)淤漲，抵消了水沙條件帶來的沖刷趨勢，在水沙條件作用下右岸戚家臺邊灘存在由淤轉(zhuǎn)沖趨勢，天星洲灘體為沖刷趨勢。③ 2009～2014年上游主流動力軸線右擺，在整治工程束窄河寬、水沙條件及河床補給不足的情況下，兩岸邊灘及心灘出現(xiàn)沖刷或是崩退現(xiàn)象。

受三峽水庫運行的影響，周天河段仍維持沖刷趨勢，航道水深提升具備有利條件，應(yīng)關(guān)注河道邊心灘調(diào)整及局部放寬段，進(jìn)一步提升航道邊界條件的穩(wěn)定性。