近40年洞庭湖澧水洪道沖淤演變分析

賀方舟，黎昔春

(1.湖南省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究總院 洞庭湖研究中心， 長(zhǎng)沙 410007; 2.洞庭湖水環(huán)境治理與生態(tài)修復(fù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 長(zhǎng)沙 410007)

澧水洪道于1954年洞庭湖修復(fù)工程堵口并垸后形成，是澧水和松滋、虎渡河水進(jìn)入洞庭湖的重要通道，也是松澧地區(qū)洪水調(diào)蓄和泥沙輸移沉積的重要場(chǎng)所。洪道自津市市小渡口至目平湖入口柳林咀，全長(zhǎng)77.11 km。澧水洪道在七里湖接納松滋西支官垸河來(lái)水，并有松滋中支自治局河通過(guò)五里河與其相連，在肖家灣處與松虎洪道匯合后流入目平湖。

目前涉及澧水洪道范圍的規(guī)劃[1-4]中有關(guān)澧水洪道(含七里湖)沖淤定量分析和河道演變分析的成果較少。特別是長(zhǎng)江上游三峽水庫(kù)(2003年)和澧水上游江埡(1998年)、皂市水庫(kù)(2007年)建設(shè)后，水利樞紐的運(yùn)用改變了來(lái)水來(lái)沙過(guò)程，較大程度上促進(jìn)了洪道沖淤演變、河勢(shì)調(diào)整進(jìn)程，其結(jié)果將對(duì)地區(qū)防洪格局調(diào)整帶來(lái)了一定程度影響。

因此，分析研究澧水洪道沖淤部位、河道演變趨勢(shì)、河勢(shì)變化規(guī)律，為洞庭湖綜合治理和松澧地區(qū)防災(zāi)減災(zāi)、水資源綜合利用、水生態(tài)環(huán)境保護(hù)規(guī)劃提供技術(shù)支撐是非常必要的。

1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及研究方法

1.1 資料系列

研究所用資料包括：澧水津市、石龜山，洞庭湖南嘴站歷年實(shí)測(cè)水文資料。津市以下部分河段1975年、1985年、2018年和2019年實(shí)測(cè)地形縱、橫斷面資料，1995年、2003年、2011年1∶10 000水下地形數(shù)據(jù)(見(jiàn)圖1和圖2)。以及相關(guān)單位關(guān)于澧水洪道、松澧地區(qū)、洞庭湖的規(guī)劃報(bào)告及研究成果等[1-5]。

圖1 澧水洪道位置示意圖Fig.1 Schematic diagram of Lishui flood channel

圖2 澧水洪道及2011年DEMFig.2 Diagram of the Lishui flood channel and DEM in 2011

1.2 研究方法

1.2.1 槽蓄量計(jì)算方法

傳統(tǒng)槽蓄量計(jì)算方法有斷面法、輸沙量法?；谶@類(lèi)方法，段文忠等[6]研究了1951-1988年洞庭湖區(qū)淤積分布；施修端等[7]對(duì)1956-1995年洞庭湖沖淤變化進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析；宋平等[8]研究了三峽建庫(kù)前后洞庭湖泥沙輸移和淤積特性。隨著GIS技術(shù)的發(fā)展，通過(guò)計(jì)算機(jī)建立數(shù)字高程模型(DEM)并對(duì)模型進(jìn)行空間分析，使槽蓄量的計(jì)算變得更加輕松和精確。王強(qiáng)[9]利用GIS技術(shù)，研究了長(zhǎng)江河口段沖淤變化；鄧吉秋[10]對(duì)目平湖1975-1995年泥沙沖淤情況進(jìn)行了定量計(jì)算。

本文槽蓄量計(jì)算采用GIS方法，將1995年、2003年、2011年實(shí)測(cè)水下地形圖數(shù)字化后，生成ArcGIS軟件所需的不規(guī)則三角形格網(wǎng)文件(TIN)，再采用面體積工具(AreaVolume Tool)對(duì)不同水位下河道容積和面積進(jìn)行計(jì)算，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)河道容積面積變化情況的分析。

1.2.2 沖淤點(diǎn)位定量分析

基于生成的1995年、2003年、2011年TIN文件，制作對(duì)應(yīng)年份澧水洪道DEM模型，采用填挖方工具(Cut/Fill Tool)，實(shí)現(xiàn)對(duì)澧水洪道各點(diǎn)位處的沖淤量計(jì)算，完成重點(diǎn)河段1995年至2011年間的沖淤變化定量分析。

1.2.3 計(jì)算精度分析

為驗(yàn)證計(jì)算成果的可靠性，采用GIS工具計(jì)算了1995年七里湖各高程的面積容積，并與長(zhǎng)江委水文局1995年七里湖面積容積成果[5]進(jìn)行對(duì)比?？紤]報(bào)告并未披露詳細(xì)量算范圍及計(jì)算手段不一致的影響(文獻(xiàn)中[5]七里湖面積容積成果在紙圖上使用電子求積儀量算得到)且最終數(shù)據(jù)相對(duì)誤差在2.5%以內(nèi)，可認(rèn)為基于數(shù)字高程模型計(jì)算得到槽蓄成果及沖淤量變化成果是可靠的。表1為本次計(jì)算成果與長(zhǎng)江委水文局成果[5]對(duì)比表。

表1 1995年七里湖靜庫(kù)容成果對(duì)比表Tab.1 Contrast of static reservoir capacity of the Qili Lake in 1995

2 澧水洪道沖淤分析

2.1 洪道槽蓄量變化

采用1.2節(jié)所述研究方法計(jì)算澧水洪道槽蓄量。統(tǒng)計(jì)津市、石龜山、南嘴站1981-2016年多年平均水位，多年平均最低水位、最高水位，按沿程距離內(nèi)插得出其他斷面各相應(yīng)水位，以上述三水位作為澧水洪道各斷面中、低、高水位值。表2為各測(cè)站多年平均最低、最高及中水位統(tǒng)計(jì)表，表3為各年份澧水洪道低、中、高水位下河道槽蓄量計(jì)算成果表。表4為各年份七里湖低、中、高水位下槽蓄量及水面面積計(jì)算成果表。1995-2003年澧水洪道各水位下槽蓄量均增大，中、低水位下面積略有減小。七里湖中、低水位下槽蓄量增大，高水位下槽蓄量略微減??；2003-2011澧水洪道及七里湖槽蓄容積和水面面積均增大。分析數(shù)據(jù)可發(fā)現(xiàn)1995-2003年間澧水洪道整體以沖刷為主，七里湖作為洪道的一部分則略有淤積?？傮w來(lái)看1995-2003年洪道中低水位下槽蓄量增大但對(duì)應(yīng)水位下面積變化不大甚至略減，說(shuō)明河道沖刷主要集中在中低水位下，中水位以上部分變化不大或略淤。2003年后洪道整體表現(xiàn)為沖刷。

表2 各測(cè)站低、中、高水位值表Tab.2 Low, medium and high water level values in each station

表3 不同年份澧水洪道低、中、高水位河道槽蓄量及水面面積表Tab.3 Channel storage and surface area of the Lishui flood channel with low, medium and high water levels in different years

表4 不同年份七里湖低、中、高水位槽蓄量及水面面積表Tab.4 Channel storage and surface area of the Qili Lake with low, medium and high water levels in different years

2.2 石門(mén)至石龜山河段沖淤量變化

基于實(shí)測(cè)輸沙率資料，采用輸沙量法[11]計(jì)算澧水石門(mén)至石龜山河段1995-2011年間沖淤量。計(jì)算只考慮石門(mén)、松滋西支官垸站輸入本區(qū)間的沙量和經(jīng)石龜山站輸出到區(qū)間外的沙量，不考慮七里湖通過(guò)五里河輸入或輸出到松滋中支的沙量。1995-2003年石門(mén)至石龜山河段累計(jì)淤積3 471.7 萬(wàn)t，其中石門(mén)站輸入沙量3 913.9 萬(wàn)t，官垸站輸入沙量6 784.6 萬(wàn)t，石龜山站輸出沙量7 226.8 萬(wàn)t；2004-2011年石門(mén)至石龜山河段累計(jì)淤積144.6 萬(wàn)t，其中石門(mén)站輸入沙量889.0 萬(wàn)t，官垸站輸入沙量1 214.5 萬(wàn)t，石龜山站輸出沙量1 958.9 萬(wàn)t。圖3為1990-2016年本河段進(jìn)出沙量變化圖?？梢?jiàn)2004年前本河段以持續(xù)淤積為主，2004年后河段基本保持沖淤平衡，且年際輸沙量變幅遠(yuǎn)小于2004年前。其原因和澧水上游建庫(kù)后水體含沙量減小及松滋口分流量減小有關(guān)。

圖3 1990-2016年石門(mén)至石龜山河段進(jìn)出沙量情況Fig.3 Sediment inflow and outflow from Shimen to Shiguishan in 1990-2016

2.3 重點(diǎn)部位沖淤變化特征分析

2.3.1 洪道沖淤變化簡(jiǎn)述

使用1995、2003、2011年DEM模型分析澧水洪道1995-2003年、2003-2011年沖淤厚度及分布情況?？傮w看兩時(shí)段洪道淤積均集中在七里湖北部孟姜廢垸和南部洲灘，洪道則集在七里湖出口羅家臺(tái)至王家垱、蒿子港至四百弓河段洲灘及河岸兩側(cè)。其他河段則以沖刷為主或沖淤各半，淤積洲灘較為破碎。

2.3.2 七里湖沖淤變化特征分析

圖4(a)為1995-2003年七里湖二維沖淤厚度分級(jí)圖，圖4(b)為2003-2011年七里湖二維沖淤厚度分級(jí)圖(圖4紅色色塊表示淤積，綠色色塊表示沖刷。為和1995年地形數(shù)據(jù)保持一致，2003及2011年DEM數(shù)據(jù)剔除了陽(yáng)由垸外臨河巴垸)。

圖4 七里湖二維沖淤厚度分級(jí)圖Fig.4 Two-dimensional scouring and silting thickness classification map of the Qili Lake

1995-2003年，湖泊主要淤積部位在七里湖北面孟姜廢垸和七里湖南部松滋西支入湖口到五里河的洲灘，河道淤積集中在七里湖出口羅家臺(tái)至石龜山的兩岸洲灘處，七里湖中部上夾堤口到下夾堤口位置沖淤變化不大或略有沖刷。本時(shí)段湖泊總體以淤積為主，總淤積量為0.04 億m3。其中湖泊淤積部位淤積量為0.55 億m3，淤積面積42.80 km2，占湖泊總面積的52.6%，平均淤厚1.29m；湖泊沖刷部位沖刷量0.51 億m3，沖刷面積38.54 km2，占湖泊總面積的47.4%，平均沖刷1.35 m。

2003-2011年，七里湖觀音港以下至羅家臺(tái)以上范圍內(nèi)洲灘整體淤積，湖泊中部上、下夾堤口河段洲灘也出現(xiàn)淤積，湖泊出口羅家臺(tái)以下河道則整體沖刷。本時(shí)段湖泊總體以沖刷為主，總沖刷量為0.11 億m3。其中湖泊淤積部位淤積量為0.40 億m3，淤積面積42.98 km2，占湖泊總面積的52.8%，平均淤厚0.93 m；湖泊沖刷部位沖刷量0.51 億m3，沖刷面積38.36 km2，占湖泊總面積的47.2%，平均沖刷1.33 m。

2.4 沖淤成果數(shù)據(jù)討論

本文2.2節(jié)中采用輸沙量法計(jì)算了石門(mén)至石龜山河段沖淤量情況，可知該河段1995-2003年淤積3 471.7 萬(wàn)t，2004-2011年淤積144.6 萬(wàn)t。而3.3.2節(jié)中基于DEM的地形法計(jì)算1995-2003及2003-2011年沖淤成果表明，津市小渡口以下至石龜山河段，1995-2003年淤積600 萬(wàn)t(0.04 億m3，按1.5 t/m3折算，下同)，2003-2011年沖刷1 650 萬(wàn)t(0.11 億m3)。沖淤成果出現(xiàn)差異有以下原因：一是測(cè)算范圍不同：地形法未計(jì)算澧水石門(mén)至津市、松滋西支官垸至七里湖河段沖淤情況；二是輸沙量法未考慮七里湖通過(guò)五里河與松滋中支交換的沙量；三是20世紀(jì)以來(lái)澧水洪道偷采河砂現(xiàn)象的存在且每年采砂量無(wú)確切數(shù)據(jù)。四是地形法數(shù)據(jù)精度誤差的影響(特別是在人類(lèi)活動(dòng)頻繁的堤防、山坡附近高程變動(dòng)較大)?？紤]上述原因的客觀存在及兩種方法的沖淤成果基本在同一量級(jí)，故本文仍采用地形法計(jì)算成果。

3 河道演變分析

3.1 澧水洪道平面變化

澧水洪道流路復(fù)雜，主洪道自津市往下先緊貼左岸往南，至江灣處分為兩支，主洪道折向西南緊貼右岸堤防流入七里湖。河道在七里湖南部東路坪處匯集松滋西支來(lái)水，在羅家臺(tái)附近匯集松滋中支五里河來(lái)水后繼續(xù)往南，經(jīng)石龜山后折向東后流路變得蜿蜒，河道在新河口緊貼左岸，至蒿子港處又緊貼右岸，至老沙河口短暫折向左岸后又立即往南貼向右岸。主河道在陳家咀附近分為兩到三汊，汊道之間有溝汊相互連通，流路總體靠洪道中部偏右，至柳林咀處部分溝汊連通北邊肖家灣松虎來(lái)水，主汊道則繼續(xù)往東在福爾垸處和松虎洪道匯合后流入目平湖。1995-2011年17年間澧水主河道雖有沖深偏移，支汊淤積或沖淤交替，但河道平面擺幅不大，沒(méi)有主、支汊換位，裁彎取直等演變情勢(shì)，流路相對(duì)穩(wěn)定。

3.2 河道縱斷面高程變化

采用ArcGIS中水文分析工具提取河道1995、2003、2011年深泓線，統(tǒng)計(jì)深泓線平均高程，分析1995-2011年澧水洪道縱斷面高程變化。圖5為1995-2011年澧水洪道深泓線高程變化情況。1995年深泓線平均高程24.25 m，2003年深泓線平均高程24.19 m，1995-2003年8年間累計(jì)沖深0.06 m，年平均沖深0.007 5 m；2011年深泓線平均高程22.94 m，2003-2011年7年間累計(jì)沖深1.25 m，年平均沖深0.18 m。

從洪道沿程看，津市往下20 km至七里湖沈家咀附近河道深泓沖刷下切較快，除部分河段在1995-2003年間出現(xiàn)淤積高程增加外，大部分河道均持續(xù)沖刷。沈家咀至新河口上游河段、新河口下游至柳林咀上游5 km處河勢(shì)較為穩(wěn)定，深泓高程略有降低。澧水洪道在新河口處自東北向西南方向分為兩道流路，流路之間又有溝汊相連，上游來(lái)水頂沖左岸加之流路水流分散導(dǎo)致洲灘沖淤變化較快，這可能是1995-2003年新河口處深泓高程急劇增大后至2011年又恢復(fù)正常的原因。柳林咀處是澧水洪道與松虎洪道匯流河段，水流分散洲灘發(fā)育，主流路存在交替變化，從深泓線高程變化來(lái)看反映在與其他河段相比深泓高程沿程變幅較大。

圖5 1995-2011年澧水洪道深泓線高程變化Fig.5 Height of thalweg in the Lishui flood channel(1995-2011)

3.3 典型橫斷面沖淤變化

3.3.1 測(cè)站斷面變化

圖6(a)為津市水文站斷面沖淤變化圖。津市站是澧水進(jìn)入西洞庭湖前的控制站，河道橫斷面呈“U”型單一斷面，1975-2003年間河道斷面整體沖刷，深泓線從右略往左移動(dòng)。1975-1985年沖刷范圍主要集中在33 m以下高程，沖刷深度2.1～2.7 m不等。1985-1995年河道略有回淤，1995年之后轉(zhuǎn)入沖刷，沖刷范圍集中在左岸30 m，右岸38 m以下范圍，深泓沖刷深度達(dá)4.9 m。2003-2011年，斷面總過(guò)水面積變化不大，深泓擺動(dòng)不明顯，但中水位下河道左岸沖刷而右岸淤積。2011-2019年間斷面略有沖刷，深泓擺動(dòng)不明顯。

圖6(b)石龜山站水文站斷面沖淤變化圖。石龜山站是七里湖來(lái)流進(jìn)入澧水洪道的控制站，河道順直微彎，斷面為復(fù)式斷面，主河槽緊貼右岸。1985-1995年主河槽右側(cè)高程范圍20～34 m處泥沙淤積，深泓略向左移。河灘上的一些溝槽汊道被泥沙淤滿。1995-2011年斷面總體穩(wěn)定，僅主河槽向左岸灘地過(guò)渡處有沖淤交替現(xiàn)象出現(xiàn)。2011-2019年主河槽左側(cè)出現(xiàn)較大范圍的崩退，高程在24～34 m之間，灘地高程變化不大。

圖6 津市及石龜山站河道斷面沖淤變化Fig.6 Scouring and Silting Changes of Jinshi and Shiguishan Channel Section

3.3.2 七里湖斷面變化

七里湖是澧水和松滋河來(lái)流在西洞庭湖的主要調(diào)蓄場(chǎng)所。澧水自津市小渡口后往南進(jìn)入七里湖后分為左右兩汊，右汊道為主河槽。兩汊道過(guò)孟姜廢垸后匯合后又分為左右兩汊，中間還有小汊道互相聯(lián)通。左汊往南過(guò)九垸林場(chǎng)后與松滋西支聯(lián)通，繼而折轉(zhuǎn)向西南于陳?ài)E坪處和右汊匯合。孟姜垸廢除后僅扒開(kāi)部分堤防，使澧水大水時(shí)河水能進(jìn)入堤垸調(diào)蓄，但南北向基本不過(guò)水。由圖7(a)可見(jiàn)1995-2019年間孟姜廢垸內(nèi)斷面高程持續(xù)增加，這是澧水高洪水帶來(lái)的泥沙淤積在此所致。斷面左汊1995-2003年變化不大，2003-2019年沖刷約3 m；斷面右汊部分位置自1995年始出現(xiàn)持續(xù)沖刷下切，累計(jì)最大下切深度達(dá)15.2 m。

圖7 七里湖(孟姜垸)及七里湖河道斷面沖淤變化Fig.7 Scouring and Silting Changes of the Qili Lake (Mengjiang polder embankment) and the Qili Lake

澧水兩汊道于陳?ài)E坪匯合后，洪道斷面轉(zhuǎn)為主河槽貼右的復(fù)式斷面。圖7(b)為七里湖中部典型斷面，斷面1995-2019年間主河槽沖淤交替，深泓位置變化不大，而灘地淤積較為嚴(yán)重，最大累積淤高達(dá)1.9 m。

3.3.3 其他典型斷面變化

圖8(a)為七里湖宋家咀河道斷面變化情況，河道分為左右兩汊，右汊為主河道，左右汊道平面形態(tài)均順直。1985年來(lái)右汊深泓從江灣貼右岸轉(zhuǎn)向左岸，2011年后深泓移動(dòng)停止。1985-1995年深泓左擺近100 m，原深泓位置淤滿后不再變化。2003-2011年右汊河道下切劇烈，下切河寬達(dá)160 m，最大下切深度達(dá)8.2 m，2011年后河道沖刷下切速度減緩。斷面左汊及灘地則沖淤交替，至2019年止總體呈沖刷趨勢(shì)。

圖8(b)為七里湖羅家臺(tái)河道斷面變化情況，左汊為七里湖溝通松滋中支的小汊道，右側(cè)為澧水主河槽。1985年以來(lái)右側(cè)主河槽較為穩(wěn)定，基本呈矩形斷面，僅在1995-2003年河道靠左岸灘地30 m高程處存在小部分沖淤變化。左汊道及灘地則沖淤交替，2019年較1985年對(duì)比總體略有沖刷。

圖8(c)為澧水洪道與松虎洪道合流處柳林咀斷面變化情況。河道總體分為左中右三汊，左汊為松虎洪道入目平湖的主河道，緊貼澧水洪道左岸堤防。中汊和右汊為澧水河槽，其中主河槽為中汊一支。1985年以來(lái)此斷面形態(tài)穩(wěn)定，左汊松虎洪道略有沖刷，中汊深泓高程基本不變，僅中水位斷面寬度略有增長(zhǎng)。右汊到河槽1985年后略有右移，2011年后河槽下切約3 m，但平灘水位下斷面面積變化較小。

圖8 宋家咀、羅家臺(tái)、柳林咀河道斷面沖淤變化Fig.8 Scouring and Silting Changes of the Songjiazui, Luojiatai, Liulinzui Channel Section

4 結(jié)論與建議

基于建立的各年份澧水洪道DEM，文章分析了澧水洪道槽蓄量變化、沖淤變化情況、典型斷面變化等，得到以下結(jié)論：

(1)1995年以來(lái)，澧水洪道槽蓄容積和相應(yīng)水面面積均有所增長(zhǎng)，洪道2003-2011年增長(zhǎng)速率較1995-2003年大。七里湖1995-2003年槽蓄量略有減小，中水位以上的淤積量大于中水位以下的沖刷量。2003-2011年七里湖轉(zhuǎn)淤為沖，槽蓄量整體增大。

(2)1995-2011年七里湖各位置沖淤分布不一，2003年后七里湖洲灘普遍淤積。1995-2003年七里湖淤積0.04 億m3(約600 萬(wàn)t)；2003-2011年七里湖沖刷0.11 億m3(約1 650 萬(wàn)t)。

(3)澧水洪道深泓整體下切，1995-2003年平均深泓高程合計(jì)降低0.06 m，2003-2011年平均深泓高程合計(jì)降低1.25 m。上游水庫(kù)的運(yùn)用加快了河道沖刷下切速率。1995年來(lái)津市至七里湖沈家咀主河道沖刷下切較快，沈家咀至新河口上游，新河口下游至柳林咀上游河勢(shì)穩(wěn)定，新河口河段及柳林咀下游河道具有較強(qiáng)的演變趨勢(shì)。

(4)津市水文站斷面1975年來(lái)整體沖刷下切，石龜山水文站斷面1985年來(lái)斷面總體穩(wěn)定。其他斷面洲灘普遍淤積，河槽普遍沖刷。

隨著三峽工程及澧水上游江埡、皂市等水庫(kù)運(yùn)用，人類(lèi)活動(dòng)對(duì)上游來(lái)水來(lái)沙的調(diào)節(jié)將使澧水洪道整體由淤積向沖刷轉(zhuǎn)變，未來(lái)較長(zhǎng)時(shí)間洪道將存在較強(qiáng)烈的演變趨勢(shì)，需要加強(qiáng)觀測(cè)和采取相關(guān)預(yù)防措施。

(1)澧水洪道津市至新沙河口河段主河道緊貼堤防，建議加強(qiáng)觀測(cè)及防控措施，必要時(shí)拋石護(hù)岸或修建河工建筑物，嚴(yán)防清水淘刷堤腳引起崩岸險(xiǎn)情。

(2)新河口河段存在較強(qiáng)的擺動(dòng)趨勢(shì)，對(duì)航運(yùn)帶來(lái)不利影響，需加強(qiáng)河道斷面變化觀測(cè)工作，采取必要的河勢(shì)控制工程。柳林咀以下河段溝汊密集，未來(lái)有較強(qiáng)的演變趨勢(shì)，可考慮疏挖現(xiàn)有主河槽、堵塞部分溝汊使中水歸槽，中低水位下澧水、松虎洪道分離，達(dá)到穩(wěn)定流路的目的。

(3)洪道沖槽淤灘演變將給生長(zhǎng)在洲灘的蘆葦?shù)茸杷参锾峁┝己蒙?，未?lái)在高洪水時(shí)這些植物將嚴(yán)重影響洪道行洪，加劇沿岸防洪壓力，建議采取措施嚴(yán)防葦柳蔓延并開(kāi)展一定的除柳掃障工作。

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