三峽工程運(yùn)行前后的長(zhǎng)江中游河段沖淤變化(1975-2017年)*

李少希，楊云平,2，張華慶，朱玲玲，朱玉德，張明進(jìn)

(1：交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所，工程泥沙交通運(yùn)輸行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300456) (2：河海大學(xué)，水文水資源與水利工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210098) (3：長(zhǎng)江水利委員會(huì)水文局，武漢 430010)

近幾十年來(lái)，極端自然條件和人類活動(dòng)嚴(yán)重影響了河床變形[1]. 人類活動(dòng)導(dǎo)致的擾動(dòng)往往會(huì)迅速加速或改變自然過(guò)程和趨勢(shì)，使得河道調(diào)整的時(shí)間尺度縮短[2]. 河流筑壩改變了原有的水沙輸移過(guò)程，壩下游河道出現(xiàn)沖刷、水位調(diào)整等變化，來(lái)適應(yīng)流量變化及沙量減少等影響[3-5]. 隨著水庫(kù)運(yùn)行的時(shí)間推移，壩下游河道形態(tài)調(diào)整存在時(shí)空差異性[6]，如長(zhǎng)江[3-5]、黃河[7]、密西西比河[8]、密蘇里河[9]、巴拉那河[10]等.

三峽工程是全球最大的綜合性水利樞紐工程，具有防洪、發(fā)電、航運(yùn)、供水和節(jié)能減排等巨大的綜合效益[11]，其運(yùn)行對(duì)水沙通量、河床變形、生態(tài)環(huán)境等影響一直備受研究人員關(guān)注. 三峽水庫(kù)運(yùn)行采用“削峰補(bǔ)枯”的調(diào)度方式[11-12]，調(diào)節(jié)了年內(nèi)徑流過(guò)程[13-14]，徑流總量影響較小，但下游輸沙量大幅減少[15-16]. 三峽工程運(yùn)行后，荊江河段已出現(xiàn)河槽沖刷及深泓下切，且沖刷集中在枯水河槽[17-19]，部分河段橫向展寬明顯[20-21]，由于岸線防護(hù)工程的實(shí)施，崩岸長(zhǎng)度低于蓄水前[22]. 河床組成不同，使得河道形態(tài)調(diào)整存在時(shí)空差異[23]. 三峽大壩下游近壩段砂卵石段(昌門(mén)溪-大埠街)，河床形態(tài)調(diào)整存在突變現(xiàn)象[24]，沙質(zhì)河段沖刷集中在枯水位以下[17,25]. 一般而言，河道沖刷為航道水深的提高創(chuàng)造了有利條件[26]，同時(shí)，長(zhǎng)江中游河道沖刷未使得同流量-洪水位表現(xiàn)出下降趨勢(shì)[3,26]，其防洪情勢(shì)依然嚴(yán)峻. 三峽工程運(yùn)行后，改變了特征流量在汊道間的擺動(dòng)及持續(xù)時(shí)間，汊道沖刷發(fā)展速度不均衡，部分汊道出現(xiàn)了交替現(xiàn)象[27-29]；急彎河段的演變特征主要表現(xiàn)為“凸岸邊灘沖刷，凹岸側(cè)深槽淤積”[30-31]. 截至2020年，三峽工程蓄水運(yùn)行已有17年，不同蓄水期對(duì)壩下游河道演變的影響程度存在時(shí)空差異. 上述研究中，重點(diǎn)分析了長(zhǎng)江中游的整體沖刷強(qiáng)度及灘槽分布等差異性特征，同時(shí)關(guān)注了汊道分流關(guān)系、邊心灘形態(tài)、水位調(diào)整等方面. 但是，伴隨三峽工程運(yùn)行影響程度的加深、長(zhǎng)江中游階段性航道整治工程等實(shí)施，需深入探討長(zhǎng)江中游河床沖淤的時(shí)空差異性，明確分汊河段分流比及江心洲面積、彎曲段灘槽演變等特征對(duì)三峽工程及航道整治整治工程的響應(yīng)關(guān)系.

本研究收集了1975-2017年實(shí)測(cè)地形數(shù)據(jù)，采用地形法計(jì)算長(zhǎng)江中游(宜昌至湖口段)河段的河槽容積，研究河道沖淤、深泓、灘槽沖淤分布等參數(shù)變化，明確分汊河段分流比及江心洲面積、彎曲段灘槽演變等特征對(duì)三峽工程及航道整治整治工程的響應(yīng)關(guān)系.

1 研究河段概況

1.1 研究區(qū)域

長(zhǎng)江干流河道總長(zhǎng)度約為6397 km，其中宜昌以上為上游(4504 km)，宜昌-湖口為中游(955 km)，湖口以下為下游(938 km). 其中枝城-藕池口段為上荊江，藕池口-城陵磯段為下荊江(圖1). 宜昌至大埠街河段為砂卵石和砂卵石-沙質(zhì)過(guò)渡河床(長(zhǎng)約116.4 km)，大埠街以下為沙質(zhì)河床(長(zhǎng)約1776.6 km)[5]. 洞庭湖和鄱陽(yáng)湖位于長(zhǎng)江南岸，由松滋口、太平口和藕池口分流進(jìn)入洞庭湖，洞庭湖和鄱陽(yáng)湖分別在城陵磯和湖口匯入長(zhǎng)江. 長(zhǎng)江中下游干流自上至下分布有宜昌、枝城、沙市、監(jiān)利、螺山、漢口、大通等水文站. 漢江位于長(zhǎng)江北岸，在武漢市入?yún)R至長(zhǎng)江干流.

圖1 長(zhǎng)江流域(a)及研究區(qū)域(b)概況Fig.1 Overview of the Yangtze River Basin (a) and the study area (b)

依據(jù)2003年宜昌站5000、10000、30000和50000 m3/s對(duì)應(yīng)的宜昌-湖口河段水面線，將河道劃分為枯水河槽、基本河槽、平灘河槽、洪水河槽；其中，枯水河槽為深槽區(qū)域，枯水河槽-基本河槽之間為低灘，基本河槽-平灘河槽之間為中高灘，平灘河槽-洪水河槽之間為岸灘. 1975-2017年期間的河床地形和斷面資料來(lái)源于長(zhǎng)江水利委員會(huì)水文局、長(zhǎng)江航道測(cè)量中心等單位.

1.2 研究區(qū)域的水沙條件

2004-2017年，三峽水庫(kù)入庫(kù)沙量和出庫(kù)沙量均呈減少態(tài)勢(shì)(圖2). 2015-2017年三峽水庫(kù)年均入、出庫(kù)沙量?jī)H分別為2004-2012年的19.2%、12.9%. 三峽入庫(kù)沙量的減少主要與上游梯級(jí)水庫(kù)運(yùn)行、水土保持、氣候變化等有關(guān)[32]，其中主要受三峽大壩的影響，其次為降雨的影響[33]，2012年以來(lái)則受上游溪洛渡、向家壩等水庫(kù)建成運(yùn)用等的影響較大[34-35].

圖2 三峽水庫(kù)入庫(kù)和出庫(kù)沙量變化Fig.2 Changes in the sediment input and output of the Three Gorges Reservoir

三峽工程蓄水運(yùn)用后，2003-2017年與1955-2002年相比，宜昌、枝城、沙市、監(jiān)利、螺山和漢口等水文站年均徑流量分別減少6.54%、14.46%、10.41%、4.28%、12.56%和3.60%(圖3a)，年均輸沙量則分別減少92.70%、91.37%、87.478%、82.32%、79.71%和74.80%(圖3b)，含沙量分別減少92.19%、89.91%、86.01%、81.53%、76.87%和73.86%.

圖3 長(zhǎng)江中下游徑流量和輸沙量Fig.3 Runoff and sediment load of the middle and lower reaches of the Yangtze River

2 長(zhǎng)江中游河道沖淤?gòu)?qiáng)度變化

2.1 河道沖淤量及灘槽沖淤分布

2002年10月-2017年11月期間，宜昌-湖口河段枯水河槽、基本河槽、平灘河槽及洪水河槽的沖刷量分別為19.54×108、20.57×108、21.24×108和22.78×108m3(圖4a). 2002年10月-2017年11月期間，宜昌-城陵磯河段(408 km)、城陵磯-漢口河段(251 km)、漢口-湖口河段(295.4 km)枯水河槽沖刷量分別為11.01×108、3.69×108、4.85×108m3，沖刷強(qiáng)度為17.98×104、9.18×104和10.26×104m3/(km·a)；洪水河槽沖刷量分別為12.76×108、4.23×108、5.70×108m3，沖刷強(qiáng)度為20.85×104、10.76×104和12.06×104m3/(km·a) (圖4b～d). 從空間上看，三峽工程運(yùn)行后近壩的宜昌-城陵磯河段沖刷強(qiáng)度較大，向下游逐漸減弱；主要原因?yàn)椋航鼔味问芮逅滦沟挠绊懽顬檠杆?，同時(shí)宜昌-監(jiān)利河段沙質(zhì)段河床補(bǔ)給較為充足，尤其是d>0.125 mm粒徑組的泥沙在監(jiān)利站補(bǔ)給程度達(dá)到最大[36-38]，即河床沖刷集中在宜昌-城陵磯河段. 從時(shí)間上看，三峽工程運(yùn)行初期，近壩段的沖刷強(qiáng)度較大，集中在宜昌-城陵磯河段，自2012年以來(lái)城陵磯-漢口河段、漢口-湖口河段的沖刷強(qiáng)度呈增強(qiáng)態(tài)勢(shì).

圖4 三峽大壩下游河道沖淤量變化Fig.4 Changes in the river scouring and siltation volumes of the downstream of the Three Gorges Dam

2002-2017年期間，宜昌-湖口河段枯水河槽沖刷量占洪水河槽沖刷量的85.78%，其中宜昌-城陵磯河段、城陵磯-漢口河段和漢口-湖口河段比例分別為86.36%、85.31%和85.09%；2002-2017年期間，宜昌-湖口河段平灘河槽沖刷量占洪水河槽沖刷量的93.24%，其中宜昌-城陵磯河段、城陵磯-漢口河段和漢口-湖口河段比例分別為95.45%、90.74%和90.18%(表1). 河床沖刷以枯水河槽為主，向下游枯水河槽沖刷比例略有減小，岸灘沖刷比例逐漸增加.

表1 河道沖淤量及灘槽分布的關(guān)系

2.2 河道縱向深泓變化

2017年11月與2002年10月比較(圖5)，宜昌站下游0～166 km河段內(nèi)的深泓為整體下切，166～392 km河段內(nèi)沖淤交替變化，以沖刷為主. 宜昌-城陵磯河段深泓淤積長(zhǎng)度占22.1%，最大淤積厚度為17.4 m；宜昌-湖口河段內(nèi)深泓沖刷的河道長(zhǎng)度占河道總長(zhǎng)度的78.9%，最大沖深為19.98 m，且深泓沖深幅度集中在0～5 m之間，占宜昌-湖口河段總長(zhǎng)度的51.18%.

圖5 長(zhǎng)江中游河道縱向深泓線變化(橫軸負(fù)值為沖刷,正值為淤積)Fig.5 Variations in the thalweg of the middle reaches of the Yangtze River

2008年10月與2002年10月、2017年11月與2008年10月進(jìn)行比較，宜昌-枝城河段平均下切2.43和2.11 m，上荊江河段平均下切0.79和2.47 m，下荊江河段平均下切0.81和1.54 m，城陵磯-漢口河段平均下切0.56和1.69 m，漢口-湖口河段平均下切-0.22 m(淤積)和2.33 m(表2). 已有研究證實(shí)[36-38]，三峽工程運(yùn)行后長(zhǎng)江中游宜昌-枝城段河床明顯粗化，河床抗沖性增強(qiáng)，是該段河床沖刷強(qiáng)度減弱的原因之一.

表2 長(zhǎng)江中游河道深泓沖淤變化

2.3 河道沖淤?gòu)?qiáng)度與水沙條件的關(guān)系

對(duì)1975-2017年長(zhǎng)江中游河道的沖淤量及沖刷強(qiáng)度變化(圖6)進(jìn)行分析表明：1) 宜昌-城陵磯河段. 三峽工程運(yùn)行前1975-2002年河床沖淤交替變化，2002-2017年為沖刷趨勢(shì)，年均沖刷強(qiáng)度顯著高于三峽工程運(yùn)行前的各時(shí)段. 2) 城陵磯-漢口河段. 三峽工程運(yùn)行前、運(yùn)行后河道均為沖刷態(tài)勢(shì)，2012年以來(lái)河道沖刷強(qiáng)度增強(qiáng). 1996-2012年4個(gè)時(shí)段，輸沙量顯著減少，水流次飽和程度增加，水流沖刷強(qiáng)度增加. 3) 漢口-湖口河段. 三峽工程運(yùn)行前沖淤交替且幅度較大，運(yùn)行后沖淤幅度呈增大趨勢(shì). 2003-2017年河道輸沙量減少，徑流量變化不大，引起水流次飽和程度增加，是河床沖刷強(qiáng)度增強(qiáng)的主控因素. 同時(shí)，漢口-湖口河段的河床組成為沙質(zhì)，雖然河床存在一定的粗化態(tài)勢(shì)，其表層的沙質(zhì)覆蓋層仍較厚[36-38]，即河床沖刷強(qiáng)度仍存在進(jìn)一步增強(qiáng)的態(tài)勢(shì).

圖6 平灘河槽沖淤?gòu)?qiáng)度與徑流量和輸沙量的關(guān)系(平均沖淤量的正值表示河床淤積，負(fù)值表示河床沖刷)Fig.6 Relationships between scouring and siltation intensity in flat beaches and river channels with runoff and sediment load

3 三峽工程運(yùn)行后長(zhǎng)江中游不同河型的河床沖淤特性

本節(jié)重點(diǎn)分析分汊河型枯水期主汊分流比及江心洲面積、單一彎曲河段灘槽沖淤分布及邊灘面積等變化，明確航道整治工程階段性的影響及差異性.

3.1 分汊河型沖淤特性變化

以沙市河段為對(duì)象，分析近壩段沙質(zhì)河床及多分汊河型的河床沖淤?gòu)?qiáng)度、汊道分流比及邊心灘面積等變化. 沙市河段處于近壩段的沙質(zhì)河床，河道形態(tài)為微彎分汊型，其河床的抗沖性較差[36-38]. 2004年11月-2018年8月期間，沙市河段河床顯著沖刷，其枯水河槽、基本河槽、平灘河槽及洪水河槽沖刷量分別為2.09×108、2.15×108、2.21×108和2.20×108m3；枯水河槽沖刷占總沖刷量的94.14%，沖刷深度集中在3～5 m，僅在馬羊洲、楊林磯邊灘、臘林洲邊灘及金城洲中部區(qū)域略有淤積(圖7a). 以2006、2013年為分界年份，太平口心灘、三八灘汊道在枯水期均發(fā)生了主汊和支汊交替現(xiàn)象(圖7b). 火箭洲、馬羊洲、太平口心灘、三八灘和金城洲的面積減幅為27.75%、2.92%、83.68%、86.42%和77.72%，臘林洲邊灘的面積淤漲10.68%(圖7c).

圖7 長(zhǎng)江中游典型分汊河段的河床沖淤變化Fig.7 Changes in the riverbed scouring and siltation in typical branching streams of the middle reaches of the Yangtze River

分汊河段的江心洲演變劃分為4種類型(圖8)：持續(xù)減小、先增大后減小、先減小后增大、持續(xù)增大. 面積持續(xù)減小的江心洲有關(guān)洲、蘆家河、水陸洲、柳條洲、火箭洲、馬羊洲、太平口心灘、三八灘及金城洲，其中火箭洲、馬羊洲、太平口心灘為實(shí)施航道治理工程，受清水下泄影響面積為減少態(tài)勢(shì)，關(guān)洲、蘆家河、水陸洲、柳條洲、三八灘及金城洲的面積在航道工程實(shí)施后仍處于減少態(tài)勢(shì)，航道整治工程穩(wěn)定了灘槽格局，由于處于近壩段受清水下泄的影響最為直接且程度較大，其江心洲洲體及洲頭低灘的面積仍為減小態(tài)勢(shì)；面積先減小后增大的江心洲有南星洲、烏龜洲、新洲、鐵板洲、鳊魚(yú)灘、張家洲，這類洲體的規(guī)模相對(duì)較大，洲頭的低灘范圍有限，在航道整治工程的實(shí)施后面積為增加態(tài)勢(shì)；面積先增大后減小的江心洲有天興洲、戴家洲、官洲等，這類灘體在航道整治工程實(shí)施后面積為增大態(tài)勢(shì)，但洲頭低灘仍存在一定的沖刷，在航道水深提升中仍需要實(shí)施維持江心洲完整性的守護(hù)工程；面積持續(xù)增大的江心洲有倒口窯、東槽洲，這類洲體實(shí)施了連續(xù)的多期航道整治工程，工程效果得到了較好的發(fā)揮，江心洲面積為增大態(tài)勢(shì).

圖8 長(zhǎng)江宜昌-湖口段江心洲面積變化Fig.8 Changes in the area of the alluvial islands in the Yichang-Hukou section of the Yangtze River

以枯水期主汊為對(duì)象(1998-2005年期間為枯水主汊)，統(tǒng)計(jì)相近枯水流量條件下的主汊分流比變化(圖9). 分流比變化劃分為4種類型：持續(xù)減小、先增大后減小、先減小后增大、持續(xù)增大. 枯水期主汊分流比持續(xù)減小的汊道主要有關(guān)洲、蘆家河、柳條洲、太平口心灘、三八灘、金城洲、鐵板洲和戴家洲等，其中關(guān)洲、蘆家河、柳條洲所在分汊段江心洲持續(xù)沖刷，汊道進(jìn)口水流擺動(dòng)空間增加，主汊分流比有所減?。煌瑫r(shí)多分汊段的沙市河段(太平口心灘、三八灘)汊道分流受灘群演變、采砂活動(dòng)、橋梁工程等影響，已發(fā)生了主汊和支汊交替變化；鐵板洲和戴家洲汊道因航道整治工程實(shí)施中，考慮外部環(huán)境限制枯水期通航主汊道選擇了通航環(huán)境相對(duì)較好的支汊(分流比在40%～50%之間)，由于航道整治工程作用及功能的發(fā)揮，這類河段的枯水期主汊(1998-2005年期間的枯水期主汊)分流比為減少態(tài)勢(shì). 枯水期主汊分流比先增大后減小的汊道有烏龜洲與南陽(yáng)洲，2010年以前監(jiān)利河段右岸側(cè)新河口邊灘沖刷及烏龜洲右緣崩退，使得右汊分流比增大；隨著河勢(shì)控制及航道整治工程的實(shí)施，監(jiān)利河段枯水期主汊和支汊分流關(guān)系基本穩(wěn)定. 枯水期主汊分流先減小后增大的汊道有水陸洲、南星洲、南門(mén)洲、陸溪口新洲、嘉魚(yú)白沙洲，這類汊道主要是由于航道整治工程的實(shí)施穩(wěn)定了灘槽格局，隨著工程效果的發(fā)揮，枯水期主汊分流比在工程后為增大態(tài)勢(shì). 枯水期分流比持續(xù)增大的汊道有倒口窯、天興洲、羅湖洲、張家洲和官洲等，這類汊道在三峽工程運(yùn)行后主要是洲灘形態(tài)不穩(wěn)定，由于及時(shí)實(shí)施了航道整治工程，枯水期主汊分流比得到維持并有所增大.

圖9 長(zhǎng)江宜昌-湖口段枯水期主汊分流比變化Fig.9 Changes in the branching ratio in the Yichang-Hukou section of the Yangtze River in the dry season

3.2 彎曲型河段的沖淤特性變化

三峽工程運(yùn)行前，長(zhǎng)江中游彎曲河段演變特征為“凸岸邊灘淤積，凹岸沖刷”[30]. 三峽工程運(yùn)行后，中枯水流量天數(shù)增加，水流作用在凸岸側(cè)灘地的天數(shù)增加. 在不飽和水流作用下，急彎段的調(diào)關(guān)-萊家鋪、熊家洲-城陵磯表現(xiàn)為“凸岸邊灘沖刷，凹岸側(cè)深槽淤積”的特征(圖10).

圖10 長(zhǎng)江中游典型彎曲河段的河床沖淤變化(2002-2013年)[31]Fig.10 Scouring and silting variations on the riverbed in typical curved sections of the middle reaches of the Yangtze River (2002-2013)[31]

圖11為長(zhǎng)江中游宜昌-湖口河段內(nèi)的邊灘面積變化，分析表明：臘林洲邊灘、徐家灣邊灘由于航道整治工程的實(shí)施，其面積為增大態(tài)勢(shì). 金城洲、牧鵝洲、趙家磯及牯牛沙等邊灘的面積為減小態(tài)勢(shì)，其中金城洲處于近壩段，受清水沖刷的影響程度大，航道整治工程穩(wěn)定了邊灘的位置，其面積仍為減小態(tài)勢(shì)；牧鵝洲邊灘面積略有減小，對(duì)趙家磯邊灘受水流頂沖的掩護(hù)作用減弱，使得趙家磯邊灘在航道整治工程實(shí)施后面積仍為一定程度的減小態(tài)勢(shì)；牯牛沙邊灘實(shí)施了兩期的航道整治工程，整體形態(tài)位置較為穩(wěn)定，面積仍維持減小態(tài)勢(shì)，但凹岸側(cè)主槽的航道水深相對(duì)較好. 七弓嶺和七弓嶺心灘處于急彎段，邊灘發(fā)育的規(guī)模相對(duì)較小，近期的面積為減小態(tài)勢(shì). 人民洲邊灘面積為先減小后增大，表明航道整治工程有效守護(hù)了邊灘的形態(tài).

圖11 長(zhǎng)江中游宜昌至湖口河段內(nèi)邊灘面積變化Fig.11 Changes in the areas of inner beaches in the Yichang-Hukou section of the middle reaches of the Yangtze River

4 結(jié)論

1) 三峽工程運(yùn)行后，2003-2017年期間長(zhǎng)江中游河道發(fā)生了累積性沖刷，其中枯水河槽沖刷量占總沖刷量的85.78%；砂卵石河段沖刷強(qiáng)度先增強(qiáng)后減弱，河床沖刷進(jìn)程逐漸向下游沙質(zhì)河段推進(jìn)，目前強(qiáng)沖刷區(qū)域已達(dá)距壩約400 km，其下游的河道沖刷強(qiáng)度仍呈持續(xù)增強(qiáng)態(tài)勢(shì).

2) 三峽工程運(yùn)行以來(lái)，長(zhǎng)江中游分汊河段江心洲以沖刷為主，上荊江河段內(nèi)實(shí)施的航道整治工程穩(wěn)定了江心洲形態(tài)，但面積受清水下泄的影響為減少態(tài)勢(shì)，枯水期主汊分流比為減少態(tài)勢(shì)，部分汊道發(fā)生了主支汊交替變化；下荊江及下游分汊河段江心洲面積雖然交替變化，整體上航道整治工程有效控制了江心洲規(guī)模. 彎曲河段凸岸側(cè)邊灘以沖刷為主，急彎段的凹岸側(cè)深槽淤積，微彎段凸岸邊灘沖刷，凹岸側(cè)深槽相對(duì)穩(wěn)定.