三峽建庫(kù)后沙市—漢口河段懸移質(zhì)分組沖淤變化規(guī)律

陳 棟，朱勇輝，李凌云

(長(zhǎng)江科學(xué)院水利部長(zhǎng)江中下游河湖治理與防洪重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430010)

在河道上游修建大壩后，壩下游河床將在長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)進(jìn)行重新塑造與沖淤調(diào)整。受河道形態(tài)的復(fù)雜性、河床組成的差異性、懸移質(zhì)泥沙級(jí)配的不同及沿程支流水系的入?yún)R等因素影響，水庫(kù)下游河道沿程泥沙沖刷補(bǔ)給較為復(fù)雜[1-2]。因此，持續(xù)開(kāi)展水庫(kù)下游河床沖淤變化規(guī)律研究對(duì)保障水工程安全、水生態(tài)以及水資源利用具有重要意義。

2003年以來(lái)，長(zhǎng)江上游大量興建大型水庫(kù)，蓄水、調(diào)節(jié)和攔沙對(duì)中下游河川徑流和泥沙產(chǎn)生了深刻影響[3]，中下游河道由自然條件下的中沙河流變?yōu)樯偕澈恿?，江湖系統(tǒng)由累積性淤積轉(zhuǎn)為持續(xù)沖刷[4]，沖刷主要發(fā)生在宜昌至城陵磯河段[5]，河床沖淤形態(tài)為“灘、槽均沖”，枯水河槽沖刷強(qiáng)度大于中洪水河床，斷面形態(tài)趨向窄深[6]，175 m試驗(yàn)性蓄水運(yùn)用以來(lái)，宜昌至湖口河段河床沖刷強(qiáng)度有所增大[7]。水庫(kù)下游河道縱向調(diào)整一方面遵循“先上后下、先快后慢”的規(guī)律，各段達(dá)到最大沖刷量的時(shí)間依次從上游向下游推遲[8-9]，強(qiáng)沖刷帶呈從上向下逐漸推移的態(tài)勢(shì)；另一方面，在短期內(nèi)當(dāng)上游段劇烈沖刷時(shí)，下游段可能不沖甚至淤積[10-12]。陳飛等[13]發(fā)現(xiàn)在河床沖刷與沙量恢復(fù)過(guò)程中丹江口、三門峽等水庫(kù)下游各粒徑組輸沙量均不會(huì)超出建庫(kù)前水平；楊云平等[14]、郭小虎等[15]等通過(guò)分析得出粒徑d>0.125 mm沙量在宜昌—監(jiān)利河段得到補(bǔ)給，其下游為淤積趨勢(shì)；楊燕華等[16]認(rèn)為壩下懸移質(zhì)沿程存在含沙量恢復(fù)和粗細(xì)泥沙交換(二次恢復(fù))2種現(xiàn)象，非均勻懸移質(zhì)在沿程交換時(shí)，先淤粗后沖細(xì)，沖細(xì)過(guò)程中將發(fā)生“二次恢復(fù)”，潛于一次恢復(fù)之中，使恢復(fù)距離增長(zhǎng)?？梢?jiàn)，水庫(kù)下游粗細(xì)顆粒泥沙輸移規(guī)律不同，沖淤時(shí)空分布不均勻。從時(shí)間分布上看，受限于懸移質(zhì)級(jí)配資料不足，針對(duì)新水沙條件下不同粒徑組泥沙的沖淤變化，特別是年內(nèi)沖淤規(guī)律，研究較少。以洪水期、枯水期劃分年內(nèi)時(shí)段過(guò)于簡(jiǎn)單，不能反映三峽水庫(kù)年內(nèi)調(diào)度方式的復(fù)雜變化對(duì)河床沖淤的影響。從空間分布上，關(guān)于三峽水庫(kù)運(yùn)用后壩下游河道的沖淤預(yù)測(cè)工作一直在持續(xù)開(kāi)展，但這些成果在沖刷范圍和強(qiáng)度等方面多比實(shí)測(cè)值偏小[17]。另外，根據(jù)三門峽、丹江口水庫(kù)下游沿程分組沖淤的結(jié)果來(lái)看，往往存在淤粗沖細(xì)現(xiàn)象，且分界粒徑向下游逐漸變細(xì)[18]。

基于不平衡輸沙條件下沿程沖淤分布的復(fù)雜性，本文探索不同粒徑組泥沙沖淤規(guī)律及其影響因素，并結(jié)合最新資料預(yù)估壩下游河床的沖淤變化趨勢(shì)。研究成果以期為水庫(kù)下游沙質(zhì)河床河道年內(nèi)、年際演變趨勢(shì)的預(yù)測(cè)和不利變化的防控提供參考。

1 研究區(qū)和數(shù)據(jù)來(lái)源

長(zhǎng)江中下游河段為沖積性河流，泥沙輸移以懸移質(zhì)運(yùn)動(dòng)為主。三峽建庫(kù)后壩下游宜昌站、枝城站河床粗化明顯，建庫(kù)后已逐漸變?yōu)槁咽蚵咽瘖A沙河床。本研究范圍為長(zhǎng)江中游沙市—漢口河段(全長(zhǎng)約509 km)，河床組成主要為沙質(zhì)，其間包括沙市、監(jiān)利、螺山、漢口等4個(gè)水文測(cè)站，以及洞庭湖、漢江入?yún)R，河道位置見(jiàn)圖1。

圖1 長(zhǎng)江中游沙市—漢口河段地理位置示意Fig.1 Location of the Shashi—Hankou reach in the Middle Yangtze River

收集了1991—2018年沙市、監(jiān)利、螺山、漢口、七里山、仙桃6個(gè)水文站的逐日及逐月平均流量、平均含沙量、平均懸移質(zhì)輸沙率以及月平均懸移質(zhì)顆粒級(jí)配(來(lái)自長(zhǎng)江水利委員會(huì)水文局及長(zhǎng)江水利委員會(huì)泥沙公報(bào))。

采用輸沙量法統(tǒng)計(jì)了沙市—漢口河段區(qū)間懸移質(zhì)沖淤量(表1)，采用斷面法統(tǒng)計(jì)枝城—漢口河段沖淤量(表2)。雖然2種方法的計(jì)算時(shí)段和范圍略有差別，但斷面法和輸沙量法得到的結(jié)果均表明長(zhǎng)江中游沙市—漢口、枝城—漢口河床整體呈現(xiàn)沖刷趨勢(shì)。2種方法定性上一致而定量上存在差異，主要原因在于河道采砂活動(dòng)、臨底懸沙測(cè)驗(yàn)誤差等。由于本文研究分析的重點(diǎn)為不同粒徑組的年內(nèi)及年際沖淤分布，因此采用輸沙量法。

表1 2004—2018年沙市—漢口河段懸移質(zhì)沖淤量(輸沙量法)

表2 2003年10月至2018年10月枝城—漢口河段平灘河槽沖淤量(斷面法)

2 懸移質(zhì)分組沖淤分布特征

根據(jù)建庫(kù)前后長(zhǎng)江中游沙質(zhì)河床的床沙組成，小于0.062 mm粒徑組泥沙為沖瀉質(zhì)，大于0.125 mm粒徑組泥沙為床沙質(zhì)，因此將懸移質(zhì)泥沙分為3組，建庫(kù)后沙市—漢口河段區(qū)間分組懸移質(zhì)年均沖淤量見(jiàn)表3。建庫(kù)后沙市—監(jiān)利、螺山—漢口區(qū)間懸移質(zhì)泥沙整體均表現(xiàn)為沖刷，且各粒徑組均沖刷。監(jiān)利—螺山區(qū)間，呈現(xiàn)粗顆粒淤積、細(xì)顆粒沖刷，其分界粒徑大約在0.125 mm，即小于0.125 mm粒徑泥沙沖刷而大于0.125 mm的泥沙淤積。

表3 2004—2018年沙市—漢口區(qū)間懸移質(zhì)年均分組沖淤量 萬(wàn)t

考慮三峽水庫(kù)及其上游梯級(jí)水庫(kù)群的聯(lián)合調(diào)度的影響，年內(nèi)可分為枯水期(12月至次年4月)、消落期(5—6月)、汛期(7—8月)和蓄水期(9—11月)。統(tǒng)計(jì)了建庫(kù)后不同粒徑組泥沙沖淤量在4個(gè)時(shí)段內(nèi)的分布情況，見(jiàn)圖2。

圖2 建庫(kù)后不同粒徑組泥沙沖淤量年內(nèi)分布Fig.2 Annual distribution of erosion and deposition amount of different particle size groups after impoundment

從懸移質(zhì)區(qū)間沖淤量的年內(nèi)變化來(lái)看，建庫(kù)后沙市—監(jiān)利段除小于0.062 mm粒徑組泥沙在汛期有所淤積外，各粒徑組泥沙年內(nèi)均沖刷，其中0.125～0.250 mm粒徑組泥沙沖刷量最大，主要集中在蓄水期；監(jiān)利—螺山段小于0.062 mm細(xì)顆粒泥沙沖刷而大于0.125 mm粗顆粒泥沙淤積，粗顆粒泥沙淤積集中在蓄水期和汛期，細(xì)顆粒泥沙沖刷集中在枯水期與消落期，即蓄水期和汛期表現(xiàn)為“粗淤”，枯水期與消落期表現(xiàn)為“沖細(xì)”；螺山—漢口段各粒徑組泥沙年內(nèi)均表現(xiàn)為明顯沖刷，從時(shí)間分布來(lái)看，沖刷量從大到小對(duì)應(yīng)時(shí)段分別為汛期、蓄水期、消落期以及枯水期，從不同粒徑組泥沙來(lái)看，小于0.062 mm細(xì)顆粒泥沙沖刷最明顯。

3 討 論

3.1 懸移質(zhì)分組沖淤量與月均流量的關(guān)系

首先分析建庫(kù)后各粒徑組沖淤量與水動(dòng)力條件的關(guān)系，見(jiàn)圖3。沙市—監(jiān)利段，小于0.062 mm細(xì)顆粒泥沙大致以20 000 m3/s為分界流量，小于此流量時(shí)沖刷，大于此流量時(shí)淤積，淤積量隨流量增加而增大;0.062～0.125 mm粒徑組泥沙沖刷量整體上隨流量的增加而有所增大；大于0.125 mm粒徑組泥沙沖刷量并未隨流量增加而增大；而是在沙市流量10 000～25 000 m3/s范圍內(nèi)沖刷量較大。監(jiān)利—螺山段各粒徑組泥沙沖淤量與流量變化的相關(guān)性較差。螺山—漢口段各粒徑組均沖刷，且流量越大沖刷越大，建庫(kù)后上游來(lái)流量大小是螺山—漢口段各粒徑組沖刷的決定因素。

圖3 建庫(kù)后沙市—漢口不同區(qū)間懸移質(zhì)沖淤量與月均流量關(guān)系Fig.3 Relationship between suspended sediment erosion and deposition and average monthly discharge in Shashi—Hankou reach after impoundment

3.2 不同粒徑組泥沙的水沙關(guān)系分析

為進(jìn)一步研究來(lái)水來(lái)沙對(duì)分組沖淤的影響，分析建庫(kù)前后各站月均流量—輸沙量的關(guān)系。少沙河流中，流量(Q)和輸沙量(QS)一般關(guān)系為QS=aQb，a、b為參數(shù)。根據(jù)以往研究成果[19-20]，參數(shù)a反映了泥沙的可搬運(yùn)性，參數(shù)b反映了河流對(duì)泥沙的搬運(yùn)或侵蝕能力。對(duì)沙市、監(jiān)利、螺山、漢口各站建庫(kù)前后流量與不同粒徑組輸沙量關(guān)系進(jìn)行擬合，結(jié)果見(jiàn)圖4。由圖4可知，建庫(kù)后各站流量—分組輸沙量關(guān)系中相關(guān)系數(shù)大多低于建庫(kù)前，沙市站、監(jiān)利站相關(guān)系數(shù)高于螺山站、漢口站。根據(jù)輸沙量法將沙市站與監(jiān)利站以及螺山站與漢口站不同粒徑組流量—輸沙量擬合結(jié)果分別相減，得到沙市—監(jiān)利以及螺山—漢口分組沙的區(qū)間沖淤量，見(jiàn)圖5，其中螺山—漢口段雖未扣除仙桃站沙量，但并不影響該區(qū)間總體沖淤特性。

圖5 建庫(kù)后沙市—監(jiān)利、螺山—漢口懸移質(zhì)沖淤量與月均流量擬合結(jié)果Fig.5 Fitting results between suspended sediment erosion and deposition and average monthly discharge in Shashi—Jianli， Luoshan—Hankou reach after impoundment

由圖5可知，沙市—監(jiān)利以及螺山—漢口區(qū)間不同粒徑組泥沙月均沖淤量隨流量變化趨勢(shì)與區(qū)間總沖淤量變化趨勢(shì)(圖3)基本一致，a、b的變化直接影響區(qū)間分組沙的沖淤量變化。對(duì)于分組沙，a值較大說(shuō)明河道中該粒徑組泥沙可補(bǔ)給沙量較為豐富，a值較小說(shuō)明可補(bǔ)給沙量不足。由于水庫(kù)攔蓄，進(jìn)入下游泥沙特別是細(xì)顆粒泥沙大幅減少，各站流量—輸沙量關(guān)系中較細(xì)顆粒泥沙(小于0.062 mm)a值減小最明顯，沿程河床補(bǔ)給使得較粗顆粒泥沙(大于0.125 mm)對(duì)應(yīng)a值減幅小于細(xì)顆粒泥沙，至漢口站a值與蓄水前相比基本不變。建庫(kù)后來(lái)沙減少河床沖刷，b值增加說(shuō)明中小流量下輸沙量減小程度高于大流量。建庫(kù)后各站b值隨粒徑變粗而減小，說(shuō)明細(xì)顆粒泥沙輸移在時(shí)間分布上更不均勻，集中在流量較大的洪水期。

從沿程變化來(lái)看，從沙市到監(jiān)利流量—分組輸沙量關(guān)系中參數(shù)a數(shù)量級(jí)顯著增大而參數(shù)b減小，從螺山到漢口參數(shù)b增大而參數(shù)a數(shù)量級(jí)變化相對(duì)較小。參數(shù)a顯著增大說(shuō)明受沿程沖刷、泥沙補(bǔ)給等因素的影響，河道內(nèi)可輸移泥沙增大。b值減小說(shuō)明大流量輸沙能力減小程度高于中小流量，因此，輸沙量最大對(duì)應(yīng)的流量區(qū)間向中小流量移動(dòng)，造床流量減小，反之亦然，這與沙市—監(jiān)利造床流量減小而螺山—漢口造床流量增加的已有成果[21-23]是相符的，可見(jiàn)b值沿程變化與河道造床流量沿程變化是一致的。

為進(jìn)一步分析參數(shù)a、b變化與水沙因子的關(guān)系，將水流挾沙力公式改寫成冪函數(shù)形式：

(1)

圖6 建庫(kù)前后沙市、監(jiān)利、螺山、漢口各站Q和U3/h關(guān)系Fig.6 Relationship between Q and U3/h in Shashi，Jianli，Luoshan and Hankou stations

(2)

圖7 建庫(kù)前后沙市—漢口區(qū)間床沙、懸沙級(jí)配Fig.7 Bed material and suspended sediment gradation in Shashi—Hankou reach

3.3 監(jiān)利—螺山淤粗沖細(xì)現(xiàn)象的初步探討

韓其為[25]提出的二維穩(wěn)定非均勻水流穩(wěn)定不平衡輸沙時(shí)含沙量沿程變化表達(dá)式為

(3)

(4)

根據(jù)式(4)可以求出均勻沙含沙量恢復(fù)飽和距離：

(5)

由式(5)可知，粗顆粒泥沙沉速較大，相同水力因素下含沙量恢復(fù)飽和距離遠(yuǎn)小于細(xì)顆粒泥沙。由于沙市—監(jiān)利河段粗、細(xì)顆粒泥沙均在恢復(fù)過(guò)程中，因此粗細(xì)均沖；至監(jiān)利站細(xì)顆粒泥沙仍在恢復(fù)過(guò)程，大于0.125 mm粗顆粒泥沙已恢復(fù)，因此監(jiān)利—螺山河段的淤粗沖細(xì)與含沙量恢復(fù)特性密切相關(guān)。同時(shí)分析監(jiān)利—螺山河段此粒徑的淤積與上游河床的沖刷是否存在響應(yīng)關(guān)系。將建庫(kù)后大于0.125 mm粗顆粒泥沙在沙市—監(jiān)利河段沖刷量與在監(jiān)利—螺山段淤積量的年內(nèi)、年際分布點(diǎn)匯于圖8中，發(fā)現(xiàn)兩者呈現(xiàn)較好的正相關(guān)關(guān)系，且上一河段沖刷與下一河段淤積的數(shù)量級(jí)基本一致，可見(jiàn)受到上游河段強(qiáng)沖刷影響，存在上沖下淤，監(jiān)利—螺山河段大于0.125 mm粗顆粒泥沙的淤積主要來(lái)自上游沙市—監(jiān)利河段的河床沖刷。

圖8 建庫(kù)后沙市—監(jiān)利段與監(jiān)利—螺山段大于0.125 mm懸移質(zhì)沖淤量關(guān)系Fig.8 Relationship between deposition-erosion amount of suspended sediment greater than 0.125 mm in Shashi—Jianli reach and Jianli—Luoshan reach after the construction of the TGD

次飽和水流沖刷河床使含沙量沿程逐漸恢復(fù)，但由于沿程床沙組成差異其恢復(fù)特點(diǎn)有所不同[26]。建庫(kù)后從監(jiān)利到螺山，床沙粒徑有所變細(xì)(圖7(a))，圖6(c)中挾沙力判數(shù)較圖6(b)中明顯減小，水力因素減弱，當(dāng)上游粗、細(xì)懸移質(zhì)泥沙進(jìn)入監(jiān)利以下河段，運(yùn)動(dòng)過(guò)程中不斷與河床進(jìn)行交換，粗顆粒泥沙沉速較大有所淤積，河床中細(xì)沙起沖，與此同時(shí)細(xì)顆粒泥沙沖起較多占比增加，其挾沙能力不斷增大，粗顆粒泥沙挾沙能力相應(yīng)減小，進(jìn)一步限制了粗沙的沖刷，最后綜合起來(lái)表現(xiàn)為“細(xì)沖粗淤”，這種粗細(xì)交換本質(zhì)是挾沙能力級(jí)配發(fā)生了調(diào)整[27]。受懸沙及床沙級(jí)配共同粗化影響(圖7)，建庫(kù)后監(jiān)利站大于0.125 mm粗顆粒泥沙的輸沙能力甚至大于蓄水前(圖4(b)中建庫(kù)后流量—輸沙量關(guān)系曲線在建庫(kù)前上方)，而螺山站大于0.125 mm粗顆粒泥沙的輸沙能力減小，通過(guò)淤粗沖細(xì)調(diào)整挾沙能力級(jí)配后，將增大水流挾沙能力。

3.4 沙市—漢口河段沖淤趨勢(shì)變化

隨著上游梯級(jí)水庫(kù)的運(yùn)用，未來(lái)沙市—漢口河段上游來(lái)沙仍將持續(xù)減小，含沙量恢復(fù)距離隨之增大，細(xì)顆粒泥沙將始終處于恢復(fù)中，沙市—漢口河段細(xì)顆粒泥沙仍將沖刷。沙市—監(jiān)利段由于距離三峽水庫(kù)較近，且沙市以上沙質(zhì)河床范圍較小(楊家腦以上為砂卵石河床，僅楊家腦—沙市為沙質(zhì)河床)，未來(lái)受河床沖深、水力因素減弱、挾沙能力減小的影響，粗顆粒泥沙補(bǔ)給將減少，粗顆粒泥沙沖刷強(qiáng)度也將會(huì)減弱。對(duì)監(jiān)利—螺山河段，隨著上游河床沖刷減弱，粗顆粒泥沙補(bǔ)給減少，含沙量恢復(fù)距離將向下游發(fā)展(圖9)，粗顆粒泥沙沖刷強(qiáng)度將逐漸增大。由于洞庭湖入?yún)R稀釋了下荊江出口含沙量，使得城陵磯以下河道含沙量重新恢復(fù)，預(yù)計(jì)螺山—漢口河段未來(lái)粗顆粒泥沙沖刷還將持續(xù)，沖刷強(qiáng)度主要取決于江湖匯流后水動(dòng)力條件，當(dāng)造床流量未明顯變化情況下，整體還將表現(xiàn)為粗細(xì)均沖；當(dāng)洞庭湖出流稀釋長(zhǎng)江干流含沙量效果減弱時(shí)(洞庭湖流量較小或含沙量較大時(shí))，也將出現(xiàn)淤粗沖細(xì)。

圖9 建庫(kù)后枝城—漢口含沙量沿程恢復(fù)Fig.9 Suspended sediment concentration recovery in Zhicheng—Hankou reach after impoundment

4 結(jié) 論

利用實(shí)測(cè)水沙資料，系統(tǒng)分析了三峽建庫(kù)前后長(zhǎng)江中游沙市—漢口河段分組沖淤變化規(guī)律，主要得到以下結(jié)論：

(1) 建庫(kù)后，沙市—監(jiān)利河段各粒徑組泥沙均發(fā)生沖刷，沙市流量為10 000～25 000 m3/s時(shí)，0.125～0.250 mm粒徑組泥沙沖刷量最大。以0.125 mm為粗細(xì)顆粒分界粒徑，監(jiān)利—螺山段呈現(xiàn)汛期、蓄水期“粗淤”而枯水期、消落期“沖細(xì)”現(xiàn)象。螺山—漢口段各粒徑組泥沙均發(fā)生沖刷，且流量越大沖刷量越大。

(2) 流量—輸沙量關(guān)系中參數(shù)a、b的變化反映了泥沙因素、水力因素對(duì)輸沙能力的影響。沙市—監(jiān)利、螺山—漢口河段沖淤變化受泥沙因素(挾沙能力級(jí)配)和水力因素(挾沙力判數(shù))的共同影響。由于建庫(kù)后床沙級(jí)配對(duì)挾沙能力級(jí)配貢獻(xiàn)增大，泥沙因素對(duì)沙市—監(jiān)利河段沖淤的影響大于螺山—漢口河段。

(3) 建庫(kù)后，監(jiān)利—螺山河段“淤粗沖細(xì)”現(xiàn)象與含沙量恢復(fù)特性密切相關(guān)，上游河床沖刷補(bǔ)給是粗顆粒泥沙淤積的主要來(lái)源，即大于0.125 mm粗顆粒泥沙淤積量與沙市—監(jiān)利河段此粒徑組沖刷量呈現(xiàn)較好的正相關(guān)關(guān)系。隨著上游沙市—監(jiān)利河段河床沖刷減弱，含沙量恢復(fù)距離向下游發(fā)展，監(jiān)利—螺山河段粗顆粒泥沙沖刷強(qiáng)度將增大。螺山—漢口河段未來(lái)粗顆粒泥沙沖刷強(qiáng)度主要取決于江湖匯流后水動(dòng)力條件，當(dāng)洞庭湖出流稀釋長(zhǎng)江干流含沙量效果減弱時(shí)，將出現(xiàn)淤粗沖細(xì)。沖刷條件下挾沙能力級(jí)配通過(guò)粗細(xì)泥沙交換進(jìn)行調(diào)整，總的方向是增大河道挾沙能力。