三峽水庫蓄水后下荊江河段典型洲灘調整機理*

楊緒海，熊海濱，李義天，李思璇

(1：武漢大學水資源與水電工程科學國家重點實驗室，武漢 430072) (2：長江水利委員會水文局，武漢 430010)

沖積河流河床上通常布滿各種形式的成型淤積體，例如邊灘、心灘等，作為河流基本組成單元，其演變形式對于河勢穩(wěn)定具有重要意義. 三峽水庫運行后，壩下游灘槽格局出現(xiàn)了趨勢性調整，長江中下游不同高程灘體沖淤部位及幅度存在顯著差異，洲灘整體呈沖刷萎縮之勢[1-3]，尤其是蜿蜒曲折、洲灘密布且抗沖性較弱的下荊江沙質河段，沖刷強度歷來較大[4-5]. 為緩解防洪壓力，荊江河段兩岸已受人工控制，由于河寬受限，河道內灘體規(guī)模受發(fā)展空間制約而易于發(fā)生沖淤變形. 過渡放寬段因沖灘泥沙下移而頻發(fā)礙航問題，疏浚后時而復發(fā)，已成為水利、航道部門關注與治理的重點. 因此，研究下荊江河段的洲灘演變特征及機理尤為重要和緊迫.

大型水庫修建后，受水庫調蓄模式、區(qū)域氣候環(huán)境、初始邊界條件等影響，不同河流上洲灘變化表現(xiàn)各異：三峽水庫下游洲灘呈中低灘趨勢性沖刷，高灘灘緣崩退趨勢[6]，其他水庫下游河道甚至存在多數(shù)洲灘已經消失的現(xiàn)象[7]. 相反，水庫影響下粗沙的補給和水流能量的降低可導致下游河道灘體的形成和發(fā)展[8]，丹江口水庫下游小灘普遍合并為大灘[9]. 而對于荊江河段，洲灘普遍沖刷萎縮已基本達成共識[2-3]，其河段內洲灘沖淤消長及位置遷移等變化，將會對河勢變化、防洪安全、通航條件、生態(tài)環(huán)境等造成一系列的影響[10-12]. 在洲灘調整機理方面，已有研究[11,13-18]多從主流大小、特征流量級持續(xù)時間、含沙量大小等角度分析洲灘沖淤的演變特性，亦有學者[3]認為河道平面形態(tài)是影響洲灘變形的重要因素. 可見，水庫下游洲灘沖淤調整對水沙條件變化十分敏感，且影響因素十分復雜，僅僅關注某一影響因子，均難以準確描述沖積河流洲灘變化對外界因素變化的響應特征. 因此，各因素對洲灘變化的影響程度到底如何有待系統(tǒng)研究.

下荊江鐵鋪順直河段作為長江中游礙航河段之一，受水沙條件影響較大，灘體年內沖淤消長，位置變化頻繁，對河勢穩(wěn)定及通航條件影響較大，受到航道部門及工程界廣泛關注. 廣興洲邊灘既有沙質河床眾多洲灘普遍沖刷的共性變化特征，又兼具順直邊灘緩慢下移的演變特點，極具研究的典型性和代表性. 為此，本文以下荊江鐵鋪水道廣興洲邊灘為例，采用近期觀測資料，在漫灘流量持續(xù)作用時間的基礎上考慮分組沙輸移特性，探究了三峽水庫蓄水前后及航道整治工程實施前后洲灘演變特征及其內在機理，以期為長江中下游航道整治提供參考.

1 研究區(qū)域

鐵鋪水道上起四十丈、下迄新堤子，全長約12 km，水道進口相對較窄，寬度為700 m，下游河道略有放寬，鹽船套及新堤子處河道寬度約為1200 m. 上游約26 km處設監(jiān)利水文站，下游約32 km處設城陵磯水文站. 廣興洲邊灘位于水道右岸側，是枯水期出露的長順直低矮型邊灘，灘面幾乎無植被生長，其灘體年際間沖淤變化頻繁，給通航、取水等帶來一系列問題. 為約束邊界條件、提高水流沖刷能力，2014年汛前在廣興洲邊灘上段建設4條護灘帶，長度分別為380 m(勾頭長150 m)、294 m、348 m、503 m(勾頭長150 m)，守護寬度均為180 m，并對護灘帶根部進行守護，護岸長度為1960 m. 水文1#、2#、3#斷面分別位于灘頭進口處、灘體處、灘尾出口河道內(圖1).

圖1 研究區(qū)域位置及灘面實景Fig.1 Location and real scene of the study area

2 資料和方法

2.1 資料

水沙資料采用三峽水庫蓄水前(1951-2002年)和蓄水后(2003-2016年)監(jiān)利站日均流量、含沙量和水位資料，來自于長江水利委員會水文局. 河床地形資料采用蓄水前1981年、1997年、2000年以及蓄水后2003年、2005-2010年、2012年、2014-2017年1∶10000觀測資料，同時采用了局部斷面水文以及床沙級配資料，以上資料來源于長江航道部門.

2.2 方法

2.2.1 數(shù)據(jù)處理方法 采用鐵鋪水道的實測地形資料，并結合監(jiān)利水文站逐日水位過程對洲灘露出水面部分(黃海高程航行基面以上)數(shù)據(jù)進行處理，以獲取三峽水庫運用前后典型洲灘的灘體形態(tài)(如最大洲長、最大洲寬、灘頂高程)及面積資料. 洲灘形態(tài)數(shù)據(jù)通過CAD軟件獲取. 為盡可能排除不同月份下水位不同造成的誤差，統(tǒng)一采取汛后枯水期(12月-次年3月，此時水位相差較小)的數(shù)據(jù)資料，優(yōu)先采用次年數(shù)據(jù)來反映上年水沙過程后的形態(tài)特征. 若資料缺乏，則采用12月份數(shù)據(jù)，其中2003年例外，由于該年數(shù)據(jù)源較少，以11月份數(shù)據(jù)代替.

2.2.2 泥沙起動流速 泥沙顆粒大小不一，受重力或粘結力作用，其起動與沉降特性不同，水流對其攜帶程度有所差異. 泥沙起動與沉降常以起動流速做表征，水流動力大小常以斷面流速做表征，以兩者大小來判斷洲灘組成中泥沙可動性強弱. 參考已有研究[19]，將河床組成中泥沙按特定粒徑大小進行分組，劃分為d<0.031 mm的中粉沙及黏土、0.031 mm

(1)

式中，Uc為起動流速，m/s；h為水深，m；d為泥沙粒徑，mm；γs為泥沙重度，N/m3；γ為水的重度，N/m3.

2.2.3 平均水流沖刷強度 荊江河段在汛期(5-10月)水沙集中輸移現(xiàn)象明顯，在低含沙水流河段，可采用汛期平均水流沖刷強度F來表征汛期內沖刷特征的水沙條件[21]：

(2)

式中，Qj為汛期日均流量，m3/s；Sj為汛期日均含沙量，kg/m3；N為汛期時間,d.

本文把影響洲灘沖刷變形的漫灘流量作為主要影響因素，并考慮了水流持續(xù)時間和含沙量，以反映漫灘流量下平均水流沖刷強度：

(3)

式中，N為漫灘流量持續(xù)作用的總時間,d；Qtj為漫灘流量下日均流量，m3/s；Stj為漫灘流量下日均懸移質含沙量，kg/m3.

河床調整對水沙變化有滯后響應，還需考慮前期累積效應[22-23]. 因此前N年漫灘流量下平均水流沖刷強度可表示為：

(4)

式中，F(xiàn)Ti為第i年漫灘流量下平均水流沖刷強度.

3 洲灘形態(tài)調整

3.1 平面形態(tài)變化

3.1.1 年際演變特點 三峽水庫蓄水前，廣興洲邊灘整體沖刷下移，但受水沙條件影響，年際間沖而復淤. 1981年后灘體頭部沖刷切割，1997年灘體沖退，面積大幅減小，2000年灘體得以淤積恢復，灘頭上移，期間灘體變化極不穩(wěn)定. 2003年以來邊灘不斷沖刷后退，面積萎縮；2008年灘頭沖退330 m，灘體面積萎縮了8.5%；2014年相比2008年灘頭進一步沖退1130 m，灘體面積僅為2003年的72.6%，最大灘寬位置也相應下移(表1). 2014年守護工程實施后，灘體穩(wěn)定呈微淤上移趨勢，工程發(fā)揮了一定效果. 2015年與2014年相比，灘頭上移約600 m，至2017年灘體面積增加了15.7×104m2，增幅達15.3%，最大灘寬增加22.4 m(圖2).

3.1.2 年內演變特點 廣興洲邊灘在年內水文過程中遵循“漲沖落淤”的演變規(guī)律. 如圖2所示，2009年3-9月灘體面積沖刷縮小近30×104m2，至11月灘體面積回淤至3月相同水平，灘體長度相比3月增加274.8 m，最大灘寬減少35.5 m，灘頂高程略有增加.

表1 三峽水庫蓄水前后廣興洲邊灘灘體特征值*

圖2 廣興洲邊灘年際與年內變化Fig.2 Intra-annual and inter-annual variation of the Guangxingzhou point bar

3.2 典型斷面調整與航道條件變化

如圖3所示，2002-2012年1#斷面形態(tài)總體呈沖刷之勢，洲頭前側總體沖深，河槽右側沖淤交替變化. 2002年通航條件較差，3 m等深線下航寬(以下稱航寬)僅為70 m. 2008年航寬增加至328 m，之后伴隨灘體沖退，2012年航槽中心處淤高2.5 m左右，范圍達200 m左右，航寬減少了67.4 m. 2014年后灘體穩(wěn)定且小幅淤積，河槽斷面形態(tài)沖刷變深， 2017年航寬達591.3 m，航道條件大幅提升. 2002-2008年2#斷面灘體右側沖刷嚴重，灘頂高程降低2 m左右，伴隨2012年灘頂高程進一步沖刷降低，深槽有所淤積，淤積深度1.5 m左右，航寬減少38.1 m. 2014年后，灘頂高程淤高至23.7 m，灘寬也略有增加，2017年航寬相比2012年增加了78 m.

圖3 廣興洲邊灘1#與2#斷面年際變化Fig.3 Annual variation of 1# and 2# cross section profiles of the Guangxingzhou point bar

4 洲灘調整影響因素

三峽水庫蓄水后，水沙量及過程改變引起下游河道普遍沖刷[24]，洲灘形態(tài)出現(xiàn)響應性調整，其沖淤變化主要受河床邊界條件、水沙過程變化、整治工程等因素影響.

4.1 邊界條件影響

長江中下游河床由非均勻沙組成，其河床組成為二元結構，且洲灘、河槽泥沙組成存在差異，洲灘粒徑組成比河床細[25-26]. 由2#斷面上不同測點的級配變化(圖4)可知，2014年洲灘顆粒主要由0.125～0.36 mm粒徑組泥沙組成，其中細沙(0.125 mm

4.2 水流過程的影響

灘體演變與主流擺動關系密切，不同流量下主流流路不同，主流位置影響灘槽沖刷部位[13]. 從圖6可以看出，枯水流量下主流位于深槽內，流速介于0.75 ～1.25 m/s，灘體基本不過流. 流量增加后，主流右擺至河心，邊灘側流速增大幅度比深槽處大. 隨流量進一步增大，邊灘全部淹沒于水面之下，灘上斷面平均流速約為1.2 m/s ，灘體左側因靠近河心，流速相對更大，而細沙的泥沙起動流速在8 m水深時僅為0.47 m/s(圖5)，灘面泥沙易受水流沖刷，脫離洲灘運動. 由流量大小變化可知，枯水流量下水流沖刷河槽，而中洪水流量時邊灘受沖.

圖4 2014-2016年2#斷面床沙級配變化Fig.4 Transversal distribution of grain size of bed material of 2# cross section profile from 2014 to 2016

圖5 不同泥沙粒徑下起動流速Fig.5 Incipient velocity of different grain sizes of sediment

圖6 1#與2#斷面流速分布Fig.6 Velocity distribution of 1# and 2# cross section profiles

當某一特征流量下的水位與邊灘、心灘高程平齊(平灘流量)時，對塑造洲灘形態(tài)起一定作用. 參照平灘流量確定方法[27]，以監(jiān)利站附近烏龜洲等幾個典型斷面歷年平灘高程的平均值所對應的漫灘流量代表下荊江河段眾多灘體的漫灘流量，因為同流量下烏龜洲及邊灘漫灘時，下荊江絕大多數(shù)灘體處于漫灘淹沒狀態(tài)，其平灘高程平均值約為31.54 m，結合2003-2016年監(jiān)利站水位與流量的關系(圖7)，得到相應的漫灘流量約為15000 m3/s，與馬卡維耶夫法(QmJP)計算得出的造床流量值16000 m3/s相接近，說明此漫灘流量對洲灘及河床斷面形態(tài)起一定的造床作用. 圖8統(tǒng)計了15000 m3/s流量下持續(xù)時間與邊灘面積大小的關系，可以看出，年內漫灘流量持續(xù)時間越長，其對洲灘沖刷作用歷時越長，灘體面積一般變小，而漫灘流量持續(xù)時間越短，灘體沖刷歷時得不到保證，面積反而增大. 然而2009年漫灘流量持續(xù)作用時間相對于其他年份較少，而灘體面積反而相對更小，這說明漫灘流量持續(xù)時間并非影響灘體變化的決定性因素. 由于三峽水庫175 m試驗性蓄水后，流量坦化，洪峰消減，導致漫灘流量頻率有所減少，與此同時，汛期來沙量也呈減少趨勢，其對洲灘變形可能起主導作用.

圖7 2003-2016年監(jiān)利站水位與流量的關系Fig.7 Relationship between water level and discharge from 2003 to 2016 in Jianli Station

圖8 灘體面積變化與漫灘流量持續(xù)時間的關系Fig.8 Relationship between point bar area and over-bar discharge duration

4.3 來沙過程的影響

4.3.1 汛期懸沙來量的影響 由邊灘面積、灘長、最大灘寬與監(jiān)利站汛期懸沙來量關系(圖9)可以看出，面積、灘長與汛期懸沙輸沙量的相關性較好，灘長和面積隨汛期懸沙來量減少而減小. 最大灘寬和汛期懸沙來量相關性較差，這是因為邊灘迎流沖刷整體向下游運移，最大灘寬的位置也相應下移，但其大小變化不明顯，年際間有所波動. 三峽水庫蓄水后，年均汛期懸沙來量與蓄水前多年平均值3.23×108t相比大幅減少，汛期銳減幅度更大，灘體在漫灘水流沖刷后缺少回淤來源而沖刷萎縮. 2006和2011年汛期懸沙來量均減小至0.32×108t，減幅達90.1%，占蓄水后其余年份均值0.85×108t的37.6%，減幅相對更大，因而相比之下，灘體萎縮程度更加明顯.

4.3.2 懸沙級配下分組沙輸移影響 三峽水庫蓄水后，監(jiān)利站細沙、極細沙、粗粉沙總體均呈減少趨勢，中沙整體表現(xiàn)為輕微增長，中粉沙、細粉沙及黏土變化以2008年為分界點先減后增. 為進一步分析分組沙中哪組沙量變化與灘體變化之間關系密切，統(tǒng)計了監(jiān)利站汛期各組懸沙來量與洲灘變形的可決系數(shù)R2(表2)，發(fā)現(xiàn)細沙變化與灘體各特征參數(shù)擬合效果最好，與面積和灘長的R2分別為0.900和0.602. 由上文可知，洲灘床沙級配多由細沙組成，故本文選取汛期細沙來量進行重點分析，如圖10所示，灘體面積及灘長隨細沙來量的增加而增大，但最大灘寬相關性較差，這是因為灘體向下運移時最大灘寬位置也相應發(fā)生了變化，其大小年際間上下波動.

表2 汛期監(jiān)利站分組輸沙量與灘體特征參數(shù)的可決系數(shù)

4.4 水沙綜合作用的影響

為進一步分析水沙過程對洲灘演變的共同影響，并考慮洲灘演變的滯后效應，選取邊灘面積與前N年漫灘流量下平均水流沖刷強度進行擬合，由于2006年為特枯水文年，漫灘流量歷時僅為21 d，為其余年份均值(100 d)的21%，且汛期來沙量銳減至0.32×108t，占其余年份均值(0.77×108t)的41.6%，水沙過程影響程度極不協(xié)調，因而分析時未作考慮. 由圖11可以看出，邊灘面積與前3年漫灘流量平均水流沖刷強度擬合

圖9 汛期懸沙來量與灘體特征值的相關關系Fig.9 Correlation between the amount of suspended sediment in flood season and the characteristic value of point bar

圖10 汛期細沙來量與灘體特征值的相關關系Fig.10 Correlation between the amount of fine sediment in flood season and the characteristic value of point bar

效果最好，R2=0.93，2003、2008和2013年的漫灘流量平均水流沖刷強度分別為11.69、16.45和20.94，其相應面積分別為141.2×104、125.56×104和102.2×104m2(表3)，年際間漫灘流量平均水流沖刷強度逐漸增大，與此同時邊灘面積不斷沖刷減少. 這是由于無守護工程時，漫灘流量持續(xù)時間較長，含沙量較小，其平均水流沖刷強度越大，導致漫灘水流處于嚴重次飽和狀態(tài)，灘體越容易沖退萎縮.

4.5 工程效應

無守護工程時廣興洲邊灘在水沙主導作用下呈沖刷萎縮趨勢，守護工程實施后，灘體保持穩(wěn)定且小幅回淤(圖12). 可見，航道整治工程能一定程度上影響洲灘沖淤變形，其作用有兩個方面：一是改變局部河床邊界條件，增強洲灘抗沖性，二是改變局部水流結構和輸沙調整. 航道整治工程能降低洲灘處流速，減少次飽和水流對洲灘細沙的攫取，水流變緩導致泥沙落淤，但限于懸沙來量較少，洲灘呈微淤增長趨勢. 綜上可知，近期廣興洲邊灘沖淤變化是水沙條件及整治工程雙重作用的結果.

圖11 前3年漫灘流量平均水流沖刷強度與 灘體面積的關系及可決系數(shù)變化Fig.11 Relationship and variation of determination coefficient between the average fluvial erosion intensity of over-bar discharge and point bar area in the first three years

圖12 守護工程前、后 廣興洲邊灘面積變化Fig.12 Variation of Guangxingzhou point bar area before and after the revetment project

5 討論

三峽水庫蓄水后各時段洲灘沖淤變形不同，各因素影響程度有所差異，表3統(tǒng)計了水沙因子表征參數(shù)和灘體面積，現(xiàn)以航道整治工程實施前后為例，初步分析各因素的影響程度.

邊界條件中河床組成決定灘體的抗沖性強弱，洲灘顆粒多由細沙組成，抗沖性較弱，是灘體沖刷的前提條件.

為分析來沙量變化對洲灘形態(tài)的影響程度，選取2009和2013年做比較，2013年汛期徑流量減少6.5%，漫灘流量歷時減少2 d，與2009年流量過程較為相似，而汛期細沙來量由0.23×108t減至0.07×108t，減幅達69.6%. 邊灘面積由115.64×104m2減少至102.2×104m2，萎縮率達11.6%. 可見，灘體面積隨汛期細沙量減少而減小，且汛期細沙量減幅越大，灘體萎縮越明顯. 與其余年份相比，2006年屬于小水小沙年，漫灘流量持續(xù)天數(shù)僅21 d，遠小于其余年份均值(100 d)，漫灘歷時大幅減少，但該年洲灘萎縮程度十分嚴重，這是由細沙來量大幅度減少導致的，進一步說明懸沙來量的減少是洲灘萎縮的主要原因.

為分析漫灘流量持續(xù)時間變化對洲灘形態(tài)的影響程度，對比2005和2007年，2007年汛期細沙量均為0.31×108t，漫灘流量歷時分別為125和91 d，降幅達27.2%，灘體面積反而增加1.99×104m2，增長了1.6%. 再對比分析2011和2013年，汛期細沙量分別為0.08×108和0.07×108t，量值基本變化不大，而漫灘流量歷時分別為74和92 d，增幅達19.6%，洲灘減少了2.57×104m2，萎縮率僅達2.5%. 可以看出，漫灘流量歷時增加時，灘體面積有所減少，但變幅不大，這說明漫灘流量持續(xù)時間對灘體變化有一定程度的影響，與細沙量相比，影響程度相對較小.

航道整治工程實施前，水沙條件是影響洲灘變形的主要因素. 在漫灘水流長時間作用下，洲灘迎頭沖刷，整體下移，同時面積變小. 汛期細沙來量為灘體提供沙源補充，其大幅減少使得洲灘在漫灘水流沖刷后淤積幅度變小. 灘體年內沖多淤少，從而年際間沖退萎縮. 經過對比分析可知，細沙來量貢獻度比漫灘流量持續(xù)時間更大. 因兩者均有一定貢獻度，為了考慮水沙耦合作用，以漫灘流量平均水流沖刷強度作為水流不飽和程度的指標. 由表3可知，年際間漫灘流量平均沖刷強度不斷增大，由2003年的11.69逐漸增大至2013年的20.94，導致水流不飽和程度不斷加劇，灘體沖刷萎縮嚴重. 航道整治工程實施后，2016年漫灘流量平均水流沖刷強度仍然較大，若無守護工程時灘體應呈沖退趨勢，然而灘體面積與2014年相比增加了40.8%，工程作用占據(jù)主導地位. 這是因為工程改變了河床邊界條件，增加了河床的抗沖性，同時降低了灘體處流速，導致泥沙落淤.

表3 水沙因子表征參數(shù)和灘體特征參數(shù)統(tǒng)計

6 結論

1)三峽水庫蓄水后，下荊江沙質河段邊心灘普遍沖刷萎縮，廣興洲邊灘作為典型順直邊灘，年際間沖刷下移，變化幅度較大，至2014年2月灘體面積減少了39×104m2，萎縮率達38.2%，灘頭年均沖退113 m. 航道整治工程實施后，灘體有所微淤，至2017年3月面積增加至102.82×104m2，灘頭上移576 m.

2)下荊江河段洲灘河床多由細沙組成，導致灘體抗沖性較弱，此為不飽和水流沖刷的先決條件. 其次，水動力條件對下荊江河段洲灘沖淤變形有一定影響，漫灘流量(Q>15000 m3/s)上灘后，持續(xù)作用時間變長，灘體一般表現(xiàn)為沖刷后退，面積變小. 懸移質細沙量為洲灘提供沙源補充，汛期懸移質分組沙輸移過程中，細沙(0.125 mm

3)通過水沙單因素變量對比分析，細沙來量相較于漫灘水流持續(xù)時間，對洲灘變形程度的影響更大. 漫灘水流歷時相近，細沙量減幅越大時，灘體萎縮率越大. 當汛期細沙來量基本相同時，漫灘流量歷時增加，灘體特征參數(shù)有所減少，但變幅不大.

4)在水沙耦合機理上，灘體面積與前3年漫灘流量(Q>15000 m3/s)平均水流沖刷強度擬合效果最好，水流沖刷強度越大時，水流不飽和程度加劇，則灘體面積越小. 航道整治工程實施后，漫灘流量平均水流沖刷強度仍然較大，但灘體穩(wěn)定且微淤上移，說明工程作用占據(jù)主導地位. 這將對揭示下荊江河段洲灘演變規(guī)律和機理以及發(fā)揮航道整治工程效果具有重要參考價值.