三峽工程蓄水后長江中游城陵磯-漢口河段過流能力變化及影響因素分析*

姚記卓，夏軍強(qiáng)，鄧珊珊，周美蓉，許全喜

(1：武漢大學(xué)水資源與水電工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430072) (2：長江水利委員會(huì)水文局，武漢 430010)

近年來，隨著三峽工程的運(yùn)行及壩下游各類河道整治工程的實(shí)施，長江中游河段的水沙條件及河床邊界條件發(fā)生顯著變化，引起下游河床沖刷[1-2]. 在河床持續(xù)沖刷過程中，崩岸險(xiǎn)情頻發(fā)威脅堤防安全；中游河段的河槽蓄泄能力和過流能力相應(yīng)調(diào)整，二者的變化將進(jìn)一步影響到長江中游地區(qū)的防洪形勢. 考慮到城陵磯-漢口河段(以下簡稱“城漢河段”)在長江經(jīng)濟(jì)帶建設(shè)中的重要戰(zhàn)略地位，有必要研究由于近期河床調(diào)整所導(dǎo)致的城漢河段過流能力變化，為長江中下游的防洪安全提供技術(shù)參考.

三峽水庫蓄水初期(2003-2008年)，長江中游城漢河段雖總體微沖9.9×106m3，但110 km長的城陵磯-嘉魚段反而淤積0.66億m3；隨后該河段雖整體呈沖刷趨勢，但實(shí)測數(shù)據(jù)表明城陵磯附近水位仍在抬高，進(jìn)一步降低了河道的泄流能力[3-4]. 受歷史洪水影響，長江中下游地區(qū)長期以來開展過大量的堤防加固工程及河道整治工程，形成了較為完整的堤防體系，但由于兩岸平原地帶通常低于汛期河道內(nèi)高水位，一旦決堤將引發(fā)更大的洪水災(zāi)害[5].

現(xiàn)有研究多從河道沖淤變化[6-8]、水位變化[9-10]及洪水演進(jìn)[11]等方面描述河段的防洪能力變化特征，較少分析河道自身過流或泄流能力的變化. 過流斷面的形態(tài)及大小是決定河道泄流能力的重要參數(shù). 在非平衡狀態(tài)下，沖積河流受到來水來沙條件變化的影響，河床形態(tài)將作出相應(yīng)調(diào)整，重塑的河床又將進(jìn)一步影響水流結(jié)構(gòu)，這一影響表現(xiàn)為水位-流量關(guān)系的變化. 在某一特征水位下的流量變化是衡量河道過流能力的重要指標(biāo)[12-13]. 近年來，有關(guān)長江中游河床演變的研究表明[6,14-15]，受三峽水庫運(yùn)用的影響，長江中游河段普遍沖刷下切，整體呈現(xiàn)沖深展寬的趨勢. 但該河段的過流能力受以下幾方面因素綜合影響：(1)上游水庫的調(diào)控作用；(2)河床普遍沖刷引起的河床調(diào)整；(3)床沙粗化、洲灘植被等原因引起的河道阻力變化. 上述幾方面因素在不同流量下對(duì)河道過流能力的影響程度各不相同，應(yīng)當(dāng)分別予以分析.

本研究基于城漢河段2003-2016年117個(gè)固定斷面的實(shí)測地形資料及沿程重要水文站的水位-流量關(guān)系，采用一維水動(dòng)力學(xué)模型確定各固定斷面在不同特征流量下的河床形態(tài)參數(shù)，并計(jì)算了河段尺度的斷面形態(tài)變化過程；從特征水位下的流量變化、水位-流量關(guān)系等方面分析河段過流能力的變化特點(diǎn)，同時(shí)利用實(shí)測資料及遙感影像資料，分析引起河道過流能力變化的影響因素.

1 研究河段概況

1.1 河道概況

城漢河段上起荊江與洞庭湖出口交匯處城陵磯，承接長江干流荊江來水及洞庭湖水系，下至長江中游重要城市武漢，全長約275 km(圖1). 按照平面形態(tài)特征劃分，城漢河段可劃分為彎曲型和分汊型兩種河型. 河段沿程分布有南陽洲、鐵板洲、天興洲等洲灘. 河道兩岸沿江分布有較多低山節(jié)點(diǎn). 河段左岸有東荊河、淪水及長江最大支流漢江入?yún)R，右岸有陸水、金水入?yún)R；兩岸均分布有湖泊. 研究河段內(nèi)有城陵磯、螺山、石磯頭、漢口等水位站或水文站.

城漢河段干流兩岸有洪湖干堤、四邑公堤、武漢市堤等重要堤防，堤防的堤頂高程一般在1954年最高水位以上1～2 m，以干砌石結(jié)構(gòu)形式居多[16]. 干堤總長約為460.24 km，其中左岸239.4 km，右岸220.84 km(長江水利委員會(huì)水文局). 多年來城漢河段總體河勢基本穩(wěn)定，河道演變的主要特點(diǎn)為深泓擺動(dòng)、主支汊交替及分流點(diǎn)的上提下移. 近期城漢河段陸續(xù)實(shí)施了陸溪口水道、嘉魚-燕子窩航道、界牌河段航道整治等工程，對(duì)河段整體水流結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了一定影響[16-17].

圖1 長江中游城陵磯-漢口河段示意圖Fig.1 Sketch maps of the middle Yangtze River and the Chenglingji-Hankou reach with the location of hydrometric stations

1.2 水沙條件

城漢河段的徑流量和含沙量主要來自上游荊江來水、洞庭湖水系、漢江支流以及沿程其它支流，并隨著湖泊與支流入?yún)R沿程增大. 河段汛期通常為5-10月，最大洪水一般出現(xiàn)在7月，沙量的年內(nèi)分配與徑流過程對(duì)應(yīng). 2003年后，受長江上游來水來沙條件變化及三峽水庫運(yùn)用的影響，近期進(jìn)入城漢河段的徑流量與沙量出現(xiàn)不同程度的減小，年內(nèi)分配更為均勻. 本研究收集了城漢河段內(nèi)螺山站1954-2016年的流量與含沙量數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖2所示. 從圖2中結(jié)果來看，與2003年前(1954-2002年)相比，該河段2003-2016年的多年平均徑流量從6459億m3減小為 6021億m3，減小幅度約為7%；城漢河段輸沙量的變化則更為明顯，多年平均輸沙量減小約78%，從2003年之前的4.08億t降低至0.89億t(圖2a); 多年月平均徑流量與輸沙量曲線趨于坦化，汛期徑流量有所減小(圖2b,c).

圖2 1954-2016年螺山站徑流量和輸沙量變化特點(diǎn)Fig.2 Temporal variations in runoff and sediment load at the Luoshan Station from 1954 to 2016

1.3 河床沖淤過程

受三峽水庫蓄水?dāng)r沙的影響，近期城漢河段整體呈現(xiàn)沖刷趨勢. 根據(jù)長江水利委員會(huì)水文局的統(tǒng)計(jì)結(jié)果， 2003-2016年，城漢河段枯水河槽、基本河槽和平灘河槽總沖刷量分別約為4.3億、4.5億和4.2億m3. 沖刷強(qiáng)度呈增強(qiáng)趨勢，如圖3a所示. 通常定義枯水河槽與基本河槽之間為低灘，基本河槽與平灘河槽之間為高灘. 圖3b比較了2003-2016年城漢河段灘地沖淤量. 由圖3b可知，2003-2008年河段有沖有淤，整體表現(xiàn)出沖槽淤灘的特點(diǎn)；2008年后，上游三峽工程進(jìn)入試驗(yàn)性蓄水階段，進(jìn)入城漢河段的含沙量進(jìn)一步減小，河槽沖刷加劇，低灘開始沖刷，高灘淤積減弱；2013年后，受上游梯級(jí)水庫運(yùn)行的影響，沖刷進(jìn)一步加劇.

圖3 城陵磯-漢口河段累計(jì)沖淤量(a)和灘地年際沖淤量(b)的變化Fig.3 Cumulative (a) and interannual (b) volume of channel scour in the Chenglingji-Hankou reach

圖4 城陵磯-漢口河段平灘河槽形態(tài)的逐年變化Fig.4 Temporal adjustments in reach-scale bankfull channel dimensions in the Chenglingji-Hankou reach

1.4 河槽形態(tài)調(diào)整過程

2 過流能力的計(jì)算方法

2.1 水文斷面過流能力的確定

針對(duì)研究河段各水文斷面，本文著重從水位-流量關(guān)系，最大流量下對(duì)應(yīng)的水位值，警戒水位下的流量及平灘流量4個(gè)方面來分析其過流能力隨時(shí)間的變化特點(diǎn). 其中水位-流量關(guān)系采用2003-2016年螺山站、漢口站的實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行確定，當(dāng)水位-流量關(guān)系曲線在坐標(biāo)系中右移，即同水位下流量增加時(shí)，可以表明該河段過流能力有所增強(qiáng)，反之過流能力減?。蛔畲罅髁肯碌乃恢捣从沉撕拥烂磕昝媾R最大洪水風(fēng)險(xiǎn)時(shí)的過流能力；警戒水位是指江河堤防可能出險(xiǎn)的起始水位，該水位下的流量(警戒流量)通常是防洪設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，警戒流量越大表明出現(xiàn)洪水的風(fēng)險(xiǎn)越低，河道過流能力越強(qiáng)；平灘流量是指水位平灘時(shí)對(duì)應(yīng)的流量，通?？捎糜诒硎舅髀┑钠鹗剂髁?，是衡量河道過流能力的重要指標(biāo)，平灘流量越大表明過流能力越強(qiáng).

2.2 河段尺度過流能力的確定

針對(duì)整個(gè)研究河段，本文采用河段尺度的平灘流量來表示其整體過流能力的變化特點(diǎn)，同時(shí)分析各斷面過流能力的沿程變化(空間)及河段平均過流能力隨時(shí)間的變化特點(diǎn).

2.2.1 各斷面平灘流量的計(jì)算方法 將某一斷面主槽內(nèi)水位與灘面齊平時(shí)的水位定義為平灘水位，該水位下對(duì)應(yīng)的流量定義為該斷面的平灘流量[18]. 以2003-2016年城漢河段的汛后地形作為河床邊界條件，采用一維水動(dòng)力學(xué)模型計(jì)算平灘流量. 模型的主要控制方程為：

根據(jù)以往的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)來看，城市居民供水系統(tǒng)多會(huì)采取管道分流方式，從城市給水系統(tǒng)中分流至各大住宅小區(qū)當(dāng)中，目的在于及時(shí)供給人們?nèi)粘ｏ嬘盟?。針?duì)于此，建筑施工單位在進(jìn)行給排水設(shè)計(jì)過程中，需要在住宅小區(qū)的管道處安裝倒流防止閥裝置，這樣做的主要目的在于避免水流出現(xiàn)嚴(yán)重的倒流問題，造成供水壓力的明顯提升。

(1)

(2)

式中，Q為流量，m3/s；q1為支流流量，m3/s；Z為斷面平均水位，m；A為斷面過水面積，m2；J1為斷面擴(kuò)大或收縮引起的局部能坡；Jf為斷面能坡；αf為動(dòng)量修正系數(shù)；g為重力加速度，m/s2；x為沿程距離，m. 以螺山站流量作為進(jìn)口條件，漢口站水位-流量關(guān)系作為出口條件，通過調(diào)節(jié)水文站之間的糙率使計(jì)算水位-流量關(guān)系與實(shí)測值相吻合(如圖5所示，Z為斷面平灘水位，Q為相應(yīng)的平灘流量)，即可根據(jù)斷面的平灘水位確定相應(yīng)的平灘流量.

圖5 不同控制斷面計(jì)算值與實(shí)測值的對(duì)比Fig.5 Comparison between the simulated and observed rating curves at different sections

2.2.2 河段尺度平灘流量的計(jì)算方法 在計(jì)算河段尺度的平灘流量時(shí)，采用Xia等[19]提出的河段平均方法，計(jì)算河段平均的平灘流量，可表示為：

(3)

3 近期城漢河段過流能力變化特點(diǎn)

過流能力是衡量河道防洪能力的重要指標(biāo)之一[20]，近期由于河床持續(xù)調(diào)整的影響，長江中游城漢河段的過流能力相應(yīng)變化，故此處著重分析了該河段各水文斷面及河段尺度的河道過流能力變化特點(diǎn).

3.1 水文斷面過流能力變化特點(diǎn)

3.1.1 水位-流量關(guān)系 選取2003、2010、2012與2014年4個(gè)豐水年，根據(jù)實(shí)測水位流量資料分別繪制螺山、漢口站枯水期與洪水期的水位-流量關(guān)系(圖6). 洪水期河道過流受下游河段頂托作用影響，故洪水期的水位-流量關(guān)系采用連時(shí)序法繪制的繩套曲線表示(圖6a, b)，枯水期則采用擬合曲線表示(如圖6c, d). 兩站洪水期的水位-流量關(guān)系均表現(xiàn)為逆時(shí)針繩套曲線(圖6a, b)，比較各年洪水過程可以看出，螺山站與漢口站洪水過程相同流量下對(duì)應(yīng)的水位均無明顯的下降趨勢，與2003年漲洪過程相比，2010年螺山站45000 m3/s流量下水位抬升1.31 m，2012和2014年同流量下水位與2003年相比基本保持不變；漢口站2010年45000 m3/s流量下水位與2003年相比抬升1.13 m，2012、2014年僅分別降低0.06和0.19 m. 枯水期小流量下，兩站同流量下水位呈現(xiàn)減小趨勢(圖6c, d). 螺山站2010、2012和2014年15000 m3/s流量下對(duì)應(yīng)的水位較2003年分別下降0.21、0.56、0.65 m；漢口站則分別下降0.59、0.80、1.07 m. 這一現(xiàn)象表明，近年來城漢河段河床沖刷引起的河槽過流面積增大，降低了枯水期同流量下的水位，但對(duì)洪水過程中河道過流能力的影響并不明顯；除過流面積增大外，洪水期水位-流量關(guān)系的變化還應(yīng)受到其他因素的影響. 另外，大流量高水位的變化趨勢進(jìn)一步增大了城漢河段的防洪壓力，對(duì)長江中下游防洪造成了不利影響.

圖6 城陵磯-漢口河段主要水文站水位-流量關(guān)系變化Fig.6 Variation in the stage-discharge curves at hydrometric stations of Luoshan and Hankou Stations in the Chenglingji-Hankou reach

3.1.2 警戒水位下的流量變化特點(diǎn) 螺山站與漢口站分別位于城漢河段上游LSZH斷面及下游HL13斷面，其水位-流量關(guān)系的變化可以在一定程度上反映城漢河段整體過流. 兩斷面近年來受上游清水下泄的影響，斷面形態(tài)主要表現(xiàn)為沖刷下切，2003與2016年斷面形態(tài)變化如圖7a、b所示. 螺山站與漢口站的警戒水位分別為30.04和25.2 m(85高程). 利用水位-流量關(guān)系即可確定兩站相應(yīng)警戒水位下的過流流量，結(jié)果如圖7c所示. 由圖7c可知，2003-2016年城漢河段螺山站及漢口站警戒水位下的過流量分別減小9%和16%. 警戒流量在兩站的變化趨勢基本一致，但在2007和2011年有所差異，這兩個(gè)年份都屬于枯水年與豐水年的交替年份，水沙條件較上一年變化較大，因此河道上下游對(duì)水沙條件的響應(yīng)存在差異. 從警戒水位下流量的變化趨勢看：(ⅰ)警戒流量隨水沙條件的變化有增有減，當(dāng)豐水年與枯水年交替時(shí)，警戒流量上升，當(dāng)枯水年與豐水年交替時(shí)，警戒流量下降；(ⅱ)兩站所在斷面的警戒流量整體呈下降趨勢，且下游漢口站警戒流量的減小程度較上游螺山站更為顯著. 該兩站警戒流量的減小表明河床過流能力減小，不利于河道的防洪.

圖7 螺山站與漢口站警戒水位下的斷面形態(tài)及流量變化： (a) 螺山站斷面形態(tài)；(b) 漢口站斷面形態(tài)；(c) 螺山站與漢口站警戒流量Fig.7 Variations in cross-sectional geometry and water discharge corresponding to the warning level: (a) cross-sectional geometry at Luoshan Station; (b) cross-sectional geometry at Hankou Station; (c) variations in discharge under the warning level at Luoshan and Hankou Stations

洪水漫灘時(shí)，水位-流量關(guān)系的擬合線將不能準(zhǔn)確描述河道的水位-流量關(guān)系，因此圖8給出了螺山站與漢口站年實(shí)測最大流量下的水位變化，可以看出兩站在最大流量下的水位-流量關(guān)系曲線左移，相同流量下對(duì)應(yīng)的水位均有所抬升，且螺山站的左移現(xiàn)象更為明顯. 螺山站水位在大流量級(jí)下整體抬高約0.92 m，而漢口站水位抬升的幅度隨流量的增大而減小，50000 m3/s以上流量下的水位基本與2003年之前保持一致. 2016年汛期，螺山站流量超過43000 m3/s，漢口站流量超過50000 m3/s時(shí)，兩站水位均超出防洪警戒水位. 僅2016年7月，螺山站水位有18 d處于30 m以上，漢口站水位有23 d處于25 m以上，導(dǎo)致堤防長時(shí)間處于高水位浸泡中，出險(xiǎn)幾率增大，威脅到堤防安全.

圖8 螺山站(a)與漢口站(b)最大流量下的水位變化Fig.8 Variations in the stages under the annually maximum discharges at Luoshan Station (a) and Hankou Station (b)

3.2 河段平灘流量的變化特點(diǎn)

螺山站與漢口站是城漢河段的重要水文站，其所在斷面的過流能力變化能夠在一定程度上反映河段整體的變化情況. 但為了避免斷面沿程變化帶來較大的影響，此處仍然采用一維水動(dòng)力學(xué)模型及河段平均方法計(jì)算河段尺度的平灘流量，以此分析河段尺度的過流能力變化.

3.2.1 各斷面平灘流量的沿程變化特點(diǎn) 采用2.1和2.2節(jié)所述方法計(jì)算了城漢河段117個(gè)固定斷面的平灘面積和平灘流量，其中2016年的計(jì)算結(jié)果如圖9所示. 由圖9可知，2016年城漢河段平灘面積最大值(AMax)出現(xiàn)在CZ37斷面，約為67273 m2；最小值(AMin)出現(xiàn)在CZ48-1斷面，約為18990 m2；各斷面平灘流量最大值(QMax)約為60000 m3/s；最小值(QMin)約為28798 m3/s，位于CZ37-1斷面. 由圖9可知，平灘流量與平灘面積沿程變化劇烈，但變化趨勢并不完全一致：平灘流量的最大值與平面面積的最大值所在斷面并不相同，說明平灘面積的變化對(duì)平灘流量的影響有限，大流量下的河道過流能力還受其他因素變化的影響.

圖9 2016年城陵磯-漢口河段各斷面平灘流量與平灘面積的變化Fig.9 Variations in the section-scale bankfull discharge and bankfull area in the Chenglingji-Hankou reach in 2016

3.2.2 河段尺度平灘流量隨時(shí)間的變化特點(diǎn) 根據(jù)2003-2016年城漢河段117個(gè)固定斷面汛后實(shí)測地形資料，采用式(3)計(jì)算得到河段尺度平灘流量，模型采用的擬合關(guān)系如圖10a所示. 由圖10b可知，城漢河段尺度的平灘流量沒有明顯的單向變化趨勢；總體平均值約為45553 m3/s，變化幅度為43663～47482 m3/s. 不同時(shí)段內(nèi)該河段平灘流量的變化規(guī)律有所區(qū)別，2003-2004年有所上升，2004-2005年下降，隨后保持平穩(wěn)至2007年后再次上升，2009-2011年先降后增，2014年后再次下降.

通過對(duì)比分析研究河段內(nèi)典型水文/水位斷面(螺山、石磯頭與漢口站)的平灘流量變化趨勢(圖10b)，可知：河段尺度平灘流量的變化趨勢與這幾個(gè)水文/水位斷面的變化趨勢總體上保持一致，但特定年份內(nèi)有所區(qū)別(如2005年漢口站所在斷面的平灘流量增加，而河段平均平灘流量則有所下降). 在2009-2010年內(nèi)，研究河段平灘流量大幅度降低，較上一年降低了約9%，主要原因可能在于：2010年為豐水年，來流量大且洪水持續(xù)時(shí)間長，流量大于30000 m3/s的時(shí)間為109 d，遠(yuǎn)大于2009年的64 d和2011年的8 d. 受洪水頂托作用，相同流量下的水位大幅抬升，因此平灘水位下的流量相應(yīng)降低. 此外，漢口站由于受到漢江入?yún)R的影響，平灘流量較其余斷面及河段平均較大.

圖10 平灘流量計(jì)算：(a) 漢口站水位-流量關(guān)系擬合；(b) 平灘流量計(jì)算結(jié)果的時(shí)間變化Fig.10 Calculations of bankfull discharge: (a) simulated and observed rating curves at Hankou Station; (b) temporal variations in calculated bankfull discharges at different sections

4 河道過流能力的影響因素分析

三峽水庫蓄水后，城漢河段河床發(fā)生明顯調(diào)整，床面比降先增后減，床沙粗化且平灘河槽面積明顯增加；另外，由于近年來洪水期縮短，洲灘植被的生長也對(duì)漫灘水流產(chǎn)生了一定的阻力. 此處著重分析這些變化過程對(duì)研究河道過流能力變化的影響.

4.1 水文斷面過流能力變化的影響因素分析

一般來說，河道過流能力與水面比降及過流面積呈正相關(guān)關(guān)系，而與河道阻力呈反相關(guān)關(guān)系. 由圖6～8可知，2003-2016年螺山站與漢口站所在斷面在洪水期的過流能力降低，主要表現(xiàn)為：(1)洪水期同流量下水位無明顯變化；(2)警戒水位下的流量降低；(3)年最大流量下對(duì)應(yīng)的水位整體抬升. 由螺山站和漢口站所在水文斷面的平灘面積和水面比降變化過程可知，螺山站平灘面積增加8%，水面比降增加19%；漢口站水面比降變化較小，僅減少2%，但平灘面積增大18%(圖11). 總體上，該兩站河槽面積和水面比降的綜合變化朝著有利于過流能力提高的方向發(fā)展.

圖11 螺山站與漢口站過流面積(a)與水面比降(b)的變化Fig.11 Temporal variations in wetted area (a) and water surface slope (b) at Luoshan and Hankou Stations

劉鑫等[21]比較了長江中游河段的動(dòng)床阻力計(jì)算公式，其中基于水流能態(tài)分區(qū)的動(dòng)床阻力計(jì)算公式所計(jì)算的結(jié)果與實(shí)測資料具有較好的擬合效果. 長江中游河段水流主要處于低能態(tài)區(qū)和過渡區(qū)，根據(jù)相應(yīng)公式計(jì)算得到的螺山站與漢口站斷面糙率在2003-2016年分別增大17%和10%，其部分原因可能在于沖刷引起的床沙粗化過程：2016年城漢河段平均床沙中值粒徑由2003年的0.159 mm增大到0.206 mm[16]，增幅近30%. 圖12給出了螺山站與漢口站的警戒流量與糙率的相關(guān)關(guān)系，可知兩者呈較為明顯的反相關(guān)關(guān)系，表明該兩斷面洪水期過流能力降低與其動(dòng)床阻力的增大密切相關(guān).

另外，值得注意的是，對(duì)于復(fù)式河槽，在灘槽寬度比一定的情況下，斷面阻力系數(shù)隨相對(duì)水深Dr(灘地水深與主槽水深之比)的減小而增大[22-23]. 近期城漢河段主槽沖深，而灘地較少受到水流塑造[3](圖4河段尺度的平灘河槽形態(tài)計(jì)算結(jié)果表明，河段平灘河寬僅增大2%)，導(dǎo)致在相同高水位情況下，灘槽相對(duì)水深Dr減小. 這增大了河道阻力，一定程度上會(huì)降低河道過流能力.

圖12 螺山站(a)與漢口站(b)警戒流量變化與河道阻力的關(guān)系Fig.12 Relationships between warning discharge and bed resistance at different stations of Luoshan Station (a) and Hankou Station (b)

4.2 局部河段植被覆蓋變化對(duì)過流能力的影響

從河段整體看，雖然以平灘面積為代表的河段整體過流面積在增大(圖4)，但斷面及河段尺度的過流能力均未出現(xiàn)明顯的提升，除了河段床沙粗化導(dǎo)致的河道阻力增大，局部河段的植被覆蓋也成為影響大流量下河道過流能力的重要因素. 近年來，隨著生態(tài)優(yōu)先、綠色發(fā)展的河道治理理念進(jìn)一步深入，長江中下游在護(hù)岸及護(hù)灘工程實(shí)踐中大力提倡采用生態(tài)技術(shù)，加上水流漫灘時(shí)間減小，導(dǎo)致局部河段的灘地植被生長茂盛，一定程度上增大了岸灘阻力. 為具體分析城漢河段灘地植被變化情況，此處利用美國陸地衛(wèi)星Landsat 7系列遙感影像資料進(jìn)行分析. 相對(duì)于傳統(tǒng)實(shí)測資料，河道遙感影像資料能夠與地理信息系統(tǒng)相結(jié)合，更加準(zhǔn)確的表示植被覆蓋情況. 選取城漢河段中洲及新洲作為研究對(duì)象. 汛期及汛后遙感影像表明，新洲在汛期幾乎被完全淹沒，被淹沒的植被會(huì)改變水流結(jié)構(gòu)，繼而影響流速. 如圖13所示，圖中紅色區(qū)域?yàn)橹脖桓采w區(qū)域，可以看出與2003年相比，2016年新洲上的植被明顯增多.

歸一化植被指數(shù)(NDVI)可使植被從水和土中分離出來，常被用于表示植被覆蓋度. 其高值部分越高表明植被覆蓋度越高. 利用ARCGIS處理遙感影像資料，可得到2003年及2016年同一時(shí)期中洲和新洲的NDVI指數(shù). 選取洲灘上斷面HL12-1，計(jì)算該斷面在平灘流量下的曼寧糙率系數(shù). 結(jié)果顯示：與2003年相比，2016年同一時(shí)期中洲和新洲的NDVI高值增大6.8%，相應(yīng)的HL12-1斷面糙率系數(shù)增大42.6%. 采用同樣的方法計(jì)算了城漢河段上游新淤洲、南門洲和下游天興洲的NDVI值與斷面糙率變化，結(jié)果如表1所示：NDVI高值與斷面擦率均有增加. 這主要是由于三峽水庫運(yùn)用后洪水期縮短，洪水對(duì)灘地植被的影響減小，植被生長更加旺盛. 當(dāng)水位平灘或漫灘時(shí)，植被對(duì)過流的阻力作用增大，從而導(dǎo)致河道在高水位下過流能力降低.

圖13 城陵磯-漢口河段中洲及新洲植被覆蓋變化：(a) 2003年11月1日；(b) 2016年11月4日Fig.13 Remote-sensing images of the Zhong & Xin central bars in the Chenglingji-Hankou reach at different times: (a) on Nov. 1st, 2003; (b) on Nov. 4th, 2016

表1 城陵磯-漢口河段洲灘植被覆蓋與斷面糙率變化

5 結(jié)論

基于城漢河段2003-2016年的實(shí)測地形及水文資料，分析了近期城漢河段過流能力的變化特點(diǎn)及影響因素，得到如下結(jié)論：

1)受上游水庫運(yùn)行的影響，城漢河段近年來河槽持續(xù)沖刷，且沖刷幅度呈增長趨勢；河床調(diào)整特點(diǎn)主要為過流面積增大以及床沙粗化：其中河段尺度的平灘面積增大10.6%，河段平均床沙中值粒徑增大近30%.

2)城漢河段重要水文站2003-2016年的水位-流量關(guān)系表明，螺山站及漢口站在同流量下的水位呈現(xiàn)出枯水位下降、洪水位變化不明顯的特征；警戒水位下的流量則分別減小9%和16%；河段尺度的平灘流量變化顯示，2003-2016年，城漢河段平灘流量有增有減，變化幅度為8.7%，2014年后呈減小趨勢.

3)分析螺山站與漢口站的河槽形態(tài)與斷面糙率，發(fā)現(xiàn)警戒流量與河床糙率之間關(guān)系密切，因此引起過流能力降低的主要原因是河道阻力的增大降低了流速；另外，河道相對(duì)水深和局部河段洲灘植被覆蓋度也是影響河道過流能力的重要因素.

綜上所述，近年來城漢河段河槽沖深，一定程度上提升了河段的槽蓄能力，但大流量下的河道過流能力沒有得到顯著提升，河段整體的防洪形勢依然險(xiǎn)峻.