三峽水庫蓄水前后荊江河段沖淤與水沙過程響應(yīng)

樊詠陽，胡春燕，陳莫非

(長江勘測規(guī)劃設(shè)計研究有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430014)

荊江河段自古便是長江流域最為重要的險工河段，歷來便有“萬里長江，險在荊江”的說法。三峽水庫蓄水前，荊江河段在1993～1998年間平灘河槽總體處于淤積態(tài)勢[1]，累計淤積量達(dá)1.26億m3。三峽水庫蓄水運(yùn)行以來，荊江河段是壩下游沖刷最為劇烈的河段[2-3]?；陂L江水利委員會水文局(以下簡稱“長江委水文局”)實測數(shù)據(jù)，利用斷面法統(tǒng)計的沖淤量結(jié)果：2002～2015年，宜昌至城陵磯河段累計沖刷量8.7億m3。三峽工程運(yùn)行以來，由于水庫蓄水?dāng)r沙，壩下游各水文站的沙量也發(fā)生了變化[4]。根據(jù)長江泥沙公報統(tǒng)計：三峽水庫蓄水前宜昌站年均徑流量為4 400億m3，年均輸沙量為5.000億t，沙市站年均徑流量為4 050億m3，年均輸沙量為3.800億t。2003年，宜昌站徑流總量為4 097億m3，年均輸沙量為0.976億t，沙市站徑流總量為3 924億m3，年均輸沙量為0.352億t。懸沙輸移減少會引起壩下游深泓擺動[5]、分汊河段主支易位[6]，給防洪、航運(yùn)帶來不利影響[7]，還會引起近岸河床沖刷、岸坡失穩(wěn)，影響底棲生物的生存環(huán)境[8]。因此，三峽水庫蓄水后壩下游水沙條件變化、輸沙量減少等問題，引起了廣泛關(guān)注。

自三峽水庫興建起，結(jié)合其他水庫蓄水運(yùn)行的經(jīng)驗，韓其為[9]、殷瑞蘭[10]、盧金友[11]、董耀華[12]等就對三峽水庫蓄水后水沙條件以及壩下沖刷等問題進(jìn)行了預(yù)測，初步預(yù)測荊江河段將成為蓄水初期沖刷最為劇烈的河段，平均將發(fā)生2.0～5.3 m的刷深。三峽水庫蓄水運(yùn)行后，通過實測水文、地形資料分析發(fā)現(xiàn)：水庫蓄水對下游徑流總量變化影響不大，荊江河段年輸沙量減少了76%～88%(2003～2011年)[13]，河床灘槽均沖，主要沖刷部位集中在枯水河槽內(nèi)[14]，邊灘沖刷后河床有所展寬[15]，斷面寬深比增大[16]?；谠齑擦髁縖17-18]及有效流量[19]變化的分析結(jié)果表明：流量輸沙量關(guān)系的變化改變了有效流量，從而改變了河道演變特性。荊江河段造床流量的變化表明：三峽水庫蓄水以來河床一直處于縱向刷深發(fā)展中，沖刷部位集中于中小水河床。

目前，已有研究主要集中于分析三峽水庫蓄水運(yùn)行后，水沙條件變化的情況下，荊江河段年際地形地貌變化，缺乏對壩下游河段沖淤規(guī)律隨流量級變化的認(rèn)識。因此，在已有研究的基礎(chǔ)上，為了系統(tǒng)分析三峽水庫蓄水前后荊江河段水沙相關(guān)關(guān)系以及不同流量級下河段沖淤規(guī)律的變化，本研究基于荊江河段水文站1992～2017年實測水文資料，分析了荊江河段懸沙輸移以及河床沖淤變化規(guī)律，既有助于認(rèn)清水庫攔蓄泥沙后壩下游水沙過程的重新分配對下游河道沖淤變化的影響，同時也可為水庫調(diào)度以及下游防洪、航運(yùn)、生態(tài)等工程的實施提供一定理論參考。

1 資料來源及研究方法

1.1 研究河段

荊江河段上起枝城，下迄城陵磯，全長約348 km。以藕池口為界，可分為上荊江與下荊江；上荊江上起枝城，下迄藕池口，全長175 km；下荊江上起藕池口，下迄城陵磯，全長173 km。荊江河段距三峽水利樞紐約100 km，三峽水庫蓄水以來，荊江河段為目前壩下游沖刷最為劇烈的河段，2002～2015年，宜昌至城陵磯河段累計沖刷量8.7億m3。因此選取荊江河段作為研究對象，可以更好地分析三峽水庫蓄水以來出庫泥沙變化對壩下游各測站輸沙量變化的影響以及對河床沖淤規(guī)律影響。研究河段河勢如圖1所示，其中以沙市為界，上游為砂卵石河床，下游為沙質(zhì)河床。

圖1 研究區(qū)域河勢Fig.1 Sketch of study area

由于本研究數(shù)據(jù)來源于國家基礎(chǔ)水文站，因此，實際研究河段范圍為宜昌水文站至螺山水文站。其中包括了洞庭湖三口五站分流以及城陵磯入?yún)R。

1.2 資料來源

研究數(shù)據(jù)來源為長江委水文局實測水文、泥沙資料。資料來源、測量時間等如表1所列。水文資料主要來源于荊江河段宜昌水文站、沙市水文站、監(jiān)利水文站以及螺山水文站。由于該河段包括洞庭湖分、匯流，因此還收集了洞庭湖三口五站分流以及入?yún)R水沙的測量數(shù)據(jù)，主要包括：松滋口分流測站(新江口水文站、沙道觀水文站)，太平口分流測站(彌陀寺水文站)，藕池口分流測站(康家崗水文站、管家鋪水文站)，洞庭湖入?yún)R長江的測站(城陵磯水文站)。

表1 數(shù)據(jù)來源及測量時間Tab.1 Data sources and measuring time

受收集資料長度限制，三峽水庫蓄水前分析中并未考慮三口五站分流、分沙。僅根據(jù)實測情況，參照已有研究結(jié)論，按照一定比例對三口分流量進(jìn)行了估算[20]。

2002年前，松滋口年均分流量6.97%，太平口年均分流量2.50%，藕池口年均分流量3.50%，三口累計總分流量年均值約13.00%。三口分沙量按照分流量進(jìn)行估算。

1.3 研究方法

基于實測水文資料分析懸沙輸移規(guī)律，采用分時間段、流量分級的方式對流量、輸沙量資料進(jìn)行處理。按照2 000 m3/s流量一個分級進(jìn)行統(tǒng)計，以2003年為界分為三峽水庫蓄水前以及蓄水后兩類，而蓄水后又以2008年175 m試驗性蓄水為界，分為2004～2008年以及2009～2017年2個時間段進(jìn)行研究。

沖淤變化分析基于實測水文資料，采用10 d滑動平均值對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并用分時間段、流量分級的方式整理數(shù)據(jù)，按照5 000 m3/s流量一個分級進(jìn)行統(tǒng)計，分為1992～2002年、2003～2008年以及2009～2017年不同時間段進(jìn)行研究。計算方法為輸沙量法，根據(jù)已有研究結(jié)果，通過輸沙量法計算河段沖淤量是合理可信且具備分析結(jié)果更為細(xì)致的特點[21-22]，輸沙量法計算結(jié)果與地形法計算結(jié)果之間存在一定差別，這一差值產(chǎn)生的主要原因是河段沖淤尚未達(dá)到平衡[23]以及崩岸、采砂等突發(fā)現(xiàn)象的影響[24]。

2 懸沙輸移規(guī)律變化

三峽水庫蓄水后，壩下游輸沙顯著減少(見圖2)：尤其是2009年以來，水庫下泄泥沙進(jìn)一步減少，因此懸沙輸移量隨流量級的變化規(guī)律也同樣發(fā)生了一定變化。

圖2 宜昌水文站年徑流總量、輸沙量年際變化Fig.2 Annual discharge and sediment load variation of Yichang Station

根據(jù)統(tǒng)計結(jié)果可以看出：三峽水庫蓄水前后，宜昌、沙市、監(jiān)利、螺山等4個干流測站，流量與單位時間輸沙量之間呈現(xiàn)良好的冪指數(shù)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)R2值均在0.9以上(見表2)。

表2 擬合關(guān)系曲線結(jié)果分析Tab.2 Analysis of the fitting curves

2.1 宜昌水文站水沙關(guān)系

宜昌站為三峽水庫壩下游第一個國家基本水文站，自壩址至宜昌水文站，河床組成均為砂卵石，床面泥沙起動流速較大，由宜昌站擬合的相關(guān)關(guān)系可知(見表2)，冪指數(shù)m值最大，且三峽水庫蓄水后，河床進(jìn)一步?jīng)_刷粗化，m值有增大趨勢。

但從同流量下水流水沙量變化可以看出，宜昌上游床面已經(jīng)沖刷至保護(hù)層附近。從2004～2008年與2009～2017年的變化可以看出(見圖3)，同流量下水流輸沙量變化已經(jīng)很小，尤其在中小水流量下，河床表層泥沙起動非常困難。

圖3 宜昌水文站流量輸沙量相關(guān)關(guān)系Fig.3 Relationship between discharge and sediment transportation amount of Yichang Station

2.2 沙市水文站水沙關(guān)系

沙市站位于上荊江中段，自宜昌至沙市河段，存在松滋口、太平口兩個口門分流，同時沙市水文站上游的楊家垴附近為荊江砂卵石河床與沙質(zhì)河床的分界點。因河床泥沙組成的變化，楊家垴至沙市水文站這一段為三峽水庫蓄水初期沖刷較為劇烈的河段。但由于出庫泥沙的減幅較大，楊家垴至沙市僅32 km的沙質(zhì)河床無法完全補(bǔ)給出庫水流中減少的泥沙。因此，三峽水庫蓄水以來，沙市站同流量下水流輸沙強(qiáng)度出現(xiàn)了大幅度的減少(見圖4)。

圖4 沙市水文站流量輸沙量相關(guān)關(guān)系Fig.4 Relationship between discharge and sediment transportation amount of Shashi Station

從圖4可以看出，2004～2008年相較1992～2003年同流量下水流輸沙強(qiáng)度的減幅約70%。2009年以后減幅趨緩，m值增大，這表明宜昌至沙市河段河床同樣出現(xiàn)了泥沙補(bǔ)給不足、河床表層泥沙沖刷難度增大的現(xiàn)象。

2.3 監(jiān)利水文站水沙關(guān)系

監(jiān)利站位于下荊江中段，自沙市至監(jiān)利站，長江干流再次經(jīng)歷藕池口分流分沙。沙市至監(jiān)利河段均為沙質(zhì)河床，床面泥沙補(bǔ)給較為充足，從擬合曲線來看，監(jiān)利站2004～2008年相較1992～2003年同流量下水流輸沙量減幅約為60%，且主要以細(xì)顆粒泥沙為主[3]，粗顆粒泥沙基本維持不變。同時，m值在這一時段內(nèi)也基本維持不變(見圖5)。但2009年以后，m值明顯增大，同流量下水流輸沙量進(jìn)一步減小，但減幅已明顯減小。這表明監(jiān)利站以上河床床面粗化，表層泥沙沖刷難度增大，河床泥沙補(bǔ)給不足。在現(xiàn)狀的出庫水沙條件下，監(jiān)利站以下的河段河床沖刷將進(jìn)一步發(fā)展。

圖5 監(jiān)利水文站流量輸沙量相關(guān)關(guān)系Fig.5 Relationship between discharge and sediment transportation amount of Jianli Station

2.4 螺山水文站水沙關(guān)系

螺山站為荊江河段下游第一個水文站，距離荊江尾端、洞庭湖入?yún)R口城陵磯約20 km。長江干流監(jiān)利至螺山河段河床均為沙質(zhì)河床，而且河段存在洞庭湖入?yún)R水沙補(bǔ)給。因此，從圖6可以看出：在2004～2008年間，同流量下水流輸沙量相較1992～2003年減幅約50%，而2009年以來，仍有較大幅度的減少。以40 000 m3/s流量下的輸沙量為例，三峽水庫蓄水前(1992～2003年)，輸沙量約為22 t/s；2004～2008年，較蓄水前減小42.1%；2009～2017年較蓄水前，減小74.4%。這表明：螺山水文站同流量下水流輸沙量2009年以來仍維持了較為明顯的減小，但螺山站擬合公式的m值并未增大，這一現(xiàn)象既與監(jiān)利至螺山河段河床仍有較為豐富的泥沙補(bǔ)給有關(guān)，也與城陵磯站同流量下輸沙強(qiáng)度維持不變存在一定關(guān)聯(lián)(見圖6)。城陵磯泥沙補(bǔ)給影響了螺山站同流量下水流輸沙強(qiáng)度的變化。

圖6 螺山水文站流量輸沙量相關(guān)關(guān)系Fig.6 Relationship between discharge and sediment transportation amount of Luoshan Station

城陵磯測站為洞庭湖入?yún)R長江的唯一出口水文站，其測量數(shù)據(jù)反映了洞庭湖入?yún)R長江的水流、泥沙情況。從統(tǒng)計數(shù)據(jù)可以看出，洞庭湖入?yún)R泥沙同流量下并未發(fā)生明顯變化，洞庭湖湖區(qū)仍有充足的泥沙儲備補(bǔ)給長江，這也是螺山站同流量下輸沙量減幅不明顯(見圖7)，且m值并未增大的原因之一。

圖7 城陵磯水文站流量輸沙量相關(guān)關(guān)系Fig.7 Relationship between discharge and sediment transportation amount of Chenglingji Station

基于圖3～6對宜昌站、沙市站、監(jiān)利站以及螺山站不同時期的流量輸沙量經(jīng)驗曲線的擬合公式，分別計算了各站在10 000，20 000 m3/s以及40 000 m3/s流量下的輸沙量變幅。對比基礎(chǔ)為1992～2003年各站同流量下的輸沙量，其中“-”表明輸沙量減少(見表3)。

表3 各水文站同流量下輸沙量變化情況Tab.3 The sediment transport amount variation under the same water discharge in different stations

統(tǒng)計結(jié)果表明：自三峽水庫蓄水運(yùn)行以來，荊江河段各水文站同流量下輸沙量均有不同程度的減少，減幅最大的為宜昌站，2009～2017年較蓄水前10 000 m3/s流量下的輸沙量減少了97.2%；減幅最小的為螺山站，由于沿程河床泥沙沖刷補(bǔ)給以及洞庭湖入?yún)R泥沙補(bǔ)給，螺山站2009～2017年10 000 m3/s流量下，輸沙量減幅為57.8%。

綜上所述，以三峽水庫試運(yùn)行、175 m試驗性蓄水為節(jié)點，將荊江河段各水文站水文、泥沙數(shù)據(jù)劃分為3個時間段，并利用冪函數(shù)擬合單位時間水流輸沙量與流量之間相關(guān)關(guān)系這一研究方法是合理的。擬合結(jié)果顯示：各站流量輸沙量相關(guān)關(guān)系良好，R2值基本在0.9以上。隨著三峽水庫蓄水運(yùn)行，干流各站同流量下輸沙強(qiáng)度均有了顯著的降低，上荊江河段由于河床粗化同流量下水流輸沙量在2009年以來變化很小，而下荊江河床仍儲備較為豐富的泥沙，床面存在持續(xù)沖刷的可能。洞庭湖泥沙儲量豐沛，城陵磯同流量下水流輸沙強(qiáng)度并無明顯變化。

3 沖淤變化分析

基于荊江河段各水文測站流量、含沙量數(shù)據(jù)，采用10 d滑動平均法進(jìn)行處理后，利用輸沙量法計算了各河段不同流量級對應(yīng)的平均沖刷強(qiáng)度。

3.1 宜昌至沙市河段沖淤變化

三峽水庫蓄水運(yùn)行后，近壩段的宜昌至沙市河段沖刷較為劇烈。從圖8可以看出：該河段在三峽水庫蓄水前以淤積為主，三峽水庫蓄水后，該河段轉(zhuǎn)淤為沖，各流量下基本均呈現(xiàn)沖刷態(tài)勢；在30 000 m3/s以下，2004～2008年沖刷強(qiáng)度大于2009～2017年；當(dāng)流量級大于30 000 m3/s時，2009～2017年沖刷強(qiáng)度大于2004～2008年均值。在不同時期，最大沖刷強(qiáng)度所對應(yīng)的流量級略有增大，2004～2008年的最大沖刷流量級約為35 000 m3/s，2009～2017年增大至40 000 m3/s。

3.2 沙市至監(jiān)利河段沖淤變化

沙市至監(jiān)利河段在三峽水庫蓄水前同樣以淤積為主，與宜昌至沙市河段情況相似。三峽水庫蓄水后，該河段轉(zhuǎn)淤為沖，當(dāng)流量小于23 000 m3/s時，2004～2008年的沖刷強(qiáng)度大于2009～2017年；當(dāng)流量大于22 000 m3/s時，2009～2017年沖刷強(qiáng)度更大。最大沖刷強(qiáng)度對應(yīng)流量在2004～2008年約為22 000 m3/s，2009～2017年略有增大，最大沖刷強(qiáng)度對應(yīng)的流量級約為23 000 m3/s(見圖9)。

圖9 沙市至監(jiān)利河段不同時段各流量級沖刷強(qiáng)度變化Fig.9 Erosion intensity according to different water discharge in the reach from Shashi to Jianli

3.3 監(jiān)利至螺山河段沖淤變化

監(jiān)利至螺山河段在三峽水庫蓄水前同樣以淤積為主。而由于存在洞庭湖入?yún)R的水沙補(bǔ)給，三峽水庫蓄水后中小流量下，仍以淤積為主，2004～2008年，流量位于35 000～45 000 m3/s之間時，該河段沖刷，最大沖刷流量約為40 000 m3/s。2009～2017年，流量大于42 000 m3/s時，轉(zhuǎn)淤為沖，且隨著流量增大，沖刷強(qiáng)度增大，實測數(shù)據(jù)范圍內(nèi)最大沖刷強(qiáng)度對應(yīng)的流量超過50 000 m3/s(見圖10)。

圖10 監(jiān)利至螺山河段不同時段各流量級沖刷強(qiáng)度變化Fig.10 Erosion intensity according to different water discharge in the reach from Jianli to Luoshan

綜上所述，荊江河段整體沖淤規(guī)律由三峽水庫蓄水前(1992～2003年)淤積為主轉(zhuǎn)為蓄水后(2004～2017年)以沖刷為主。三峽水庫蓄水后各河段均存在引起沖刷最劇烈的流量級，宜昌至沙市河段沖刷最劇烈的流量級為35 000～40 000 m3/s(宜昌站流量)，沙市至監(jiān)利河段為22 000～23 000 m3/s(沙市站流量)，監(jiān)利至螺山河段為40 000～50 000 m3/s(螺山站流量)。最大沖刷強(qiáng)度對應(yīng)的流量級在蓄水后均有增大趨勢，2009～2017年沖刷最劇烈流量在各河段均大于2004～2008年均值。

4 結(jié) 論

三峽水庫蓄水后，出庫泥沙大幅度減少是引起壩下游河段劇烈沖刷的重要原因，已有研究結(jié)果表明：三峽水庫蓄水后，荊江河段由20世紀(jì)90年代淤積為主轉(zhuǎn)為劇烈沖刷，荊江河段最大沖深達(dá)18.2 m[13],荊江河段崩岸情況也有所加劇。因此，分析出庫泥沙減少后的荊江河段沖淤規(guī)律的變化很有必要。

本研究基于三峽水庫蓄水前后荊江河段水文測站實測流量、含沙量資料，采用輸沙量法分析了流量與輸沙量、沖淤強(qiáng)度之間的相關(guān)關(guān)系，結(jié)果表明：荊江河段輸沙量隨流量變化呈現(xiàn)冪指數(shù)相關(guān)關(guān)系，且相關(guān)性較好，干流宜昌、沙市、監(jiān)利、螺山等站在三峽水庫蓄水后不同階段均出現(xiàn)了同流量下輸沙量減小的現(xiàn)象。根據(jù)擬合結(jié)果，宜昌、沙市、監(jiān)利站蓄水后擬合曲線的冪指數(shù)值m均有增大，河床泥沙起動難度增大，表明床面粗化明顯。而城陵磯站湖區(qū)入?yún)R泥沙在不同時期并無明顯變化，從而影響了螺山站流量輸沙量關(guān)系，使螺山站流量輸沙量擬合曲線的m值并未增大。

根據(jù)輸沙量法分析沖淤結(jié)果表明：三峽水庫蓄水前(1992～2003年)，荊江河段各流量級均以淤積為主，部分中小流量略有沖刷；而三峽水庫蓄水后，荊江河段各流量級則轉(zhuǎn)而以沖刷為主，且存在沖刷最為劇烈的流量級，宜昌至沙市河段為35 000～40 000 m3/s，沙市至監(jiān)利河段為22 000～23 000 m3/s，監(jiān)利至螺山河段為40 000～50 000 m3/s。