三峽水庫蓄水后長江中游界牌河段河床演變特性分析

王佳妮，鄒振華

（長江水利委員會水文局長江中游水文水資源勘測局，湖北武漢 430012）

1 研究背景

長江三峽水利樞紐工程于2003 年6 月開始蓄水運行，水庫蓄水至135 m，2006 年10 月水庫實現(xiàn)156 m蓄水，2008年汛后正式實施175.0 m水位試驗性蓄水。隨著三峽水庫的蓄水運用，水庫的攔蓄調(diào)節(jié)作用改變了天然河道的水沙輸移特性，呈現(xiàn)“庫區(qū)淤積、壩下游沖刷”的總體趨勢，長江中下游河道也發(fā)生了相應(yīng)的響應(yīng)和調(diào)整。

界牌河段位于長江中游，是典型的順直展寬分汊型河段，河段內(nèi)主要有南門洲、新淤洲等江心洲，是長江中游礙航淺灘河段。近年來，眾多學(xué)者對界牌河段的河道演變、河勢穩(wěn)定進行了分析研究。毛北平［1］基于1981～2001 年實測水文地形資料，對界牌河段的演變規(guī)律進行了全面分析，分析結(jié)果表明：該河段岸線基本穩(wěn)定，但洲灘上提下移明顯，南門洲主支汊交替異位頻繁，河床以沖刷為主但沖刷量不大。周曉進等［2］根據(jù)1971～2002 年河道地形資料，結(jié)合河道整治工程影響因素，對界牌河段的演變特點及河勢穩(wěn)定性進行了分析，提出了維護河段穩(wěn)定的工程措施。張慧等［3］利用實測水沙地形資料，系統(tǒng)分析了界牌河道演變特點，分析結(jié)果表明：綜合治理工程總體穩(wěn)定了河勢，但部分灘槽和過渡段未得到完全控制，汊道分流比不穩(wěn)定，局部岸線崩退。

目前對界牌河段的河床演變研究成果所采用的資料年限較久遠，以三峽水庫圍堰蓄水前時期的居多。本文采用2003 ～2016 年實測水沙及河道地形資料，著重分析了三峽水庫蓄水運用10 余年以來，界牌河段水沙條件的改變、河床形態(tài)和沖淤變化，有助于對三峽水庫清水下泄后，新的水沙條件下界牌河段河道演變規(guī)律的探索與研究，以期為防洪調(diào)度、河道治理等提供參考。

2 河道概況

界牌河段為岳陽河段下段，上起楊林山，下迄赤壁山止，全長約51 km。河段進口為楊林山、龍頭山節(jié)點控制，河寬僅1 100 m，以下逐步放寬，至新堤一帶最大河寬達3 900 m，出口處河寬又束窄為1 670 m。從河道平面形態(tài)上看，河道以谷花洲為界，上段河道順直單一，長約24.5 km，下段河道被新淤洲、南門洲分為兩汊。一般情況下右汊為主汊，左汊為支汊，兩汊在石碼頭處匯合。河勢圖見圖1。

圖1 界牌河段河勢

3 蓄水前后河段水沙條件對比

界牌河段上承荊江和洞庭湖來水，其河道河床演變主要受上游來水來沙影響，螺山水文站水沙特征值的變化能反映該河段在三峽水庫蓄水前后水文泥沙變化情況。

3.1 來水條件

資料統(tǒng)計表明（見表1），三峽水庫蓄水以來（2003～2016 年）螺山站年平均徑流量相比蓄水前（1954～2002 年）減小了439 億m3，多年平均流量也有所減小。三峽水庫蓄水后，經(jīng)過水庫調(diào)節(jié)，歷年最大流量比蓄水前小很多，最小流量比蓄水前大很多，蓄水前螺山站Qmax/Qmin值為19.4，蓄水后Qmax/Qmin值僅為10.9。年內(nèi)汛期徑流量分配也有一定調(diào)整，蓄水后相較于蓄水前汛期徑流總量占比略有減小。

3.2 來沙條件

三峽水庫蓄水后，水庫的攔沙作用使界牌河段的輸沙量較蓄水前大幅度減小。由表2 可知：蓄水后螺山站平均年輸沙量相比蓄水前減小了78.2%，最大年輸沙量從6.15 億t 減小為1.47 億t，最小年輸沙量也從2.26億t減為0.45億t，含沙量也大幅減小，螺山站多年平均含沙量相比蓄水前減小了76.2%。與蓄水前相比，蓄水后年內(nèi)汛期輸沙量全年占比減小了14.7%。

4 近期河道演變

4.1 河道沖淤變化

自2003 年6 月三峽水庫蓄水運用后，上游來沙量銳減，界牌河段以沖刷為主，2003～2016年平灘河槽下累計沖刷量達5 816萬m3。

三峽水庫蓄水運用后不同時期枯水、平均、平灘河槽沖淤量統(tǒng)計結(jié)果見表3。三峽水庫135 m 運行期（2003～2006年），界牌河段表現(xiàn)為“槽灘均淤”，且淤積主要發(fā)生在2005～2006 年，平灘水位下河床淤積量占該時段總淤積量的80%。三峽水庫156 m運行期（2006～2008 年），界牌河段表現(xiàn)為“槽沖灘淤”，枯水河以下槽累計沖刷量為1 653萬m3。三峽水庫175 m試驗性蓄水運行期（2008～2011年），河段沖淤交替，整體表現(xiàn)為淤積，淤積主要部位為平均水位至平灘水位之間河床，平均水位下河床為小幅度沖刷。在試驗性蓄水運行期（2011～2016 年），界牌河段沖淤交替，以沖刷為主，沖刷部位主要為枯水河床，平均水位至平灘水位之間河床為小幅淤積。沖刷強度尤以2015～2016年為最大，表現(xiàn)為“槽灘均沖”，沖刷主要部位仍在枯水河槽，其沖刷量為3 788萬m3，占平灘河槽以下總沖刷量的82%。

表1 三峽水庫蓄水前后螺山站流量特征值

表2 三峽水庫蓄水前后螺山站泥沙特征值

從沖淤縱向分布來看，深泓縱剖面變化（見圖2）表明，除南門洲左汊河段表現(xiàn)為淤積外，其他河段均為縱向沖刷下切。在新洲腦至谷花洲附近，最大沖刷深度達22 m。根據(jù)2009～2016年界牌河段分段沖淤計算結(jié)果，南門洲右汊沖刷強度最大，約為-97萬m3/（km·a）；其次為下游河段，沖刷強度約為-65萬m3/（km·a）；上游河段沖刷強度為-34萬m3/（km·a）；南門洲左汊淤積強度為39萬m3/（km·a）。

表3 界牌河段河槽沖淤變化 萬m3

圖2 三峽水庫蓄水前后界牌河段深泓縱剖面變化

4.2 岸線變化

界牌河段受兩岸節(jié)點控制和堤防工程的保護，三峽水庫蓄水前河岸變化不大。蓄水后，雖然河床沖刷顯著，但沖刷部位主要發(fā)生在枯水河槽，枯水位以上河槽沖淤變化較小。根據(jù)2001～2016 年6 個測次地形圖，以兩岸20 m 等高線對比，左岸岸坡較為穩(wěn)定，右岸新洲腦附近長約5 km的岸坡在2008～2016年間20 m岸線向江中擺移幅度較大，移動最大幅度約296 m，形成了邊灘式江心洲；近年來其他河段岸線基本穩(wěn)定，20 m等高線較為平順。

4.3 河床形態(tài)變化

自三峽水庫蓄水運用以來，界牌河段總體表現(xiàn)為沖刷，根據(jù)2006～2016年5個測次地形資料，沿程選取7個典型斷面進行分析（斷面布置見圖1）。

斷面變化主要特點為：順直段河床呈沖淤交替變化，兩岸邊坡一般保持穩(wěn)定，主河槽沖刷以下切為主，2006～2016 年枯水河槽過水面積擴大率為24%～29%，寬深比有所減小。分汊段河床變化較大，從南門洲汊道典型斷面變化圖（見圖3）來看，南門洲洲頭（界Z3-1）和汊道段（界Z3-3）典型斷面為復(fù)式河床，2006～2016年表現(xiàn)為左汊淤積，右汊逐年沖刷，界Z3-3右汊枯水河槽過水面積約擴至原河槽的2.7 倍，界Z3-1 右汊河床擴至原河槽的2.2 倍，洲灘變化相對較小，兩岸岸坡基本穩(wěn)定。南門洲洲尾典型斷面界Z06 河槽沖刷明顯，尤以右側(cè)河床最為顯著，枯水河槽過水面積擴大率為54%。

圖3 南門洲汊道典型斷面變化

總體而言，界牌河段斷面形態(tài)變化較為明顯，主槽明顯沖刷，寬深比整體減小，形態(tài)向窄深方向發(fā)展。

4.4 洲灘變化

界牌河段中有南門洲、新淤洲和新洲等江心洲。1959～1971年，南門洲和新淤洲系一完整的江心洲，1971 年后兩洲被水流上下分割，上側(cè)為新淤洲，下側(cè)為南門洲，1998年兩洲連通合二為一。

三峽水庫蓄水后，從南門洲洲灘特征值統(tǒng)計（見表4）可以看出：2001～2006年，南門洲整體受到小幅沖刷，而新淤洲洲尾右緣明顯淤積；2006～2011 年，南門洲總體發(fā)生小幅度沖刷，20 m 等高線包圍的洲體面積減小約4%，主要表現(xiàn)為新淤洲右緣沖刷崩退。2011～2013 年，新淤洲洲頭左緣淤積發(fā)展約180 m，其余區(qū)域變化不大；2013～2016 年南門洲洲體變化較小，主要表現(xiàn)為新淤洲左緣局部淤積。因此，整體看來，近期南門洲沒有發(fā)生明顯沖刷，平面形態(tài)相對穩(wěn)定，尤其洲尾變化較小，洲體變化主要發(fā)生在上側(cè)新淤洲的局部沖淤，而南門洲下側(cè)形態(tài)較穩(wěn)定。

表4 南門洲洲灘特征統(tǒng)計（20 m等高線）

新洲由數(shù)個散亂的心灘、邊灘組成，順流向排列分布在鴨欄至葉家墩一帶。三峽水庫蓄水后，受上游來水來沙條件的影響，新洲歷年沖淤交替，尤以新洲腦以下洲體沖刷較為明顯。其變化主要表現(xiàn)為洲灘的切割與合并以及洲灘的擴展與萎縮，其洲灘形態(tài)以及洲灘個數(shù)不甚穩(wěn)定。根據(jù)2016 年實測水道地形資料，新洲（20 m 等高線）由自上而下3個不同的洲體組成，并依次自右岸向江心靠近，最下游洲體距離南門洲約300 m。

4.5 汊道變化

新淤洲南門洲汊道長約9 km，長期以來其右汊為主汊，左汊為支汊。沖淤計算結(jié)果表明，三峽水庫蓄水運用后，界牌河段分汊段沖淤調(diào)整主要表現(xiàn)為左汊淤積，右汊沖刷。相較左汊，右汊沖淤調(diào)整更為明顯，河段的沖淤調(diào)整直接導(dǎo)致兩汊過水面積的變化，典型斷面界Z3-3右汊過枯水河槽下，過水面積自2006年的3 233 m2逐年擴至2016年的8 644 m2。過水條件的改變直接影響兩汊分流分沙比，從而改變兩汊分流格局。根據(jù)南門洲汊道實測分流分沙資料統(tǒng)計（見表5），三峽水庫蓄水后，由于右汊沖刷，過水能力增強，因此分流分沙比逐漸增大，且分流比大于分沙比。至2013年，分流分沙比分別增至80.8%和92.2%，而此期間由于左汊淤積，過流面積減小，過水能力相對減弱，分流分沙比相應(yīng)減小。

表5 長江南門洲左、右汊分流分沙統(tǒng)計

5 結(jié) 論

對三峽水庫蓄水運用后2003～2016年界牌河段的沖淤變化及河勢調(diào)整進行分析，得出以下結(jié)論：

（1）受三峽水庫清水下泄的影響，界牌河段來水來沙條件發(fā)生了較大變化，上游來沙量銳減。蓄水初期2003～2006年河床表現(xiàn)為淤積，2006～2016年以沖刷為主，且沖刷強度有增大趨勢，河床沖刷部位主要在枯水河槽，整體寬深比減小，形態(tài)向窄深方向發(fā)展。枯水位以上河槽沖淤變化較小，兩岸邊坡保持穩(wěn)定，近年來岸線變化不大。

（2）南門洲汊道段主要表現(xiàn)為左汊淤積、右汊沖刷，從而導(dǎo)致左汊分流分沙比減小，而右汊分流分沙比增大，右汊仍為主汊。

（3）總體而言，南門洲洲體受小幅度沖刷，平面形態(tài)相對穩(wěn)定，變化主要為上側(cè)新淤洲的局部沖淤。新洲的變化主要表現(xiàn)為洲灘的切割與合并以及擴展與萎縮，其洲灘形態(tài)及洲灘個數(shù)不甚穩(wěn)定，尤其新洲腦以下洲體沖刷變化較為明顯。