涉河工程影響下長(zhǎng)江中游河道演變及水力特性變化研究

王 超，王福良，李 浩，柴元方

(1.水發(fā)規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司，山東 濟(jì)南 250000； 2.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院，北京 100038； 3.阿姆斯特丹自由大學(xué)，荷蘭 阿姆斯特丹 1011)

0 引 言

三峽工程運(yùn)行后，長(zhǎng)江中游河道發(fā)生了長(zhǎng)距離、長(zhǎng)歷時(shí)沖刷，河道水位及形態(tài)出現(xiàn)顯著調(diào)整[1-2]。在河床縱向形態(tài)調(diào)整方面，何廣水等[3]基于演變分析發(fā)現(xiàn)上荊江河段普遍發(fā)生沖刷。姚仕明等[4]基于河道實(shí)測(cè)地形分析發(fā)現(xiàn)，2002～2012年間宜昌至枝城河段年均沖刷強(qiáng)度約為 24.6萬(wàn)m3，平均沖刷深度約為2.2 m。許全喜[5]基于實(shí)測(cè)資料分析發(fā)現(xiàn)：三峽水庫(kù)蓄水前城陵磯以上河段沖刷，城陵磯以下淤積，三峽水庫(kù)蓄水后的河道沖刷已發(fā)展至感潮河段，在河口段也表現(xiàn)出沖刷態(tài)勢(shì)。在河床橫向形態(tài)調(diào)整方面，黃莉等[6]研究發(fā)現(xiàn)荊江監(jiān)利河段烏龜洲左汊不斷萎縮，右汊不斷沖深展寬，整體向窄深化發(fā)展。余蕾等[7]基于滑動(dòng)平均法研究發(fā)現(xiàn)沙市河段橫斷面形態(tài)對(duì)水沙條件的響應(yīng)存在滯后性，三峽水庫(kù)運(yùn)行后，河床沖刷使得長(zhǎng)江近壩段河床顯著粗化，并逐漸向下游延伸。郭小虎等[8]研究發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)江中游河段的粗化明顯，粒徑小于0.125 mm的沙量在長(zhǎng)江中游沿程恢復(fù)緩慢且遠(yuǎn)小于蓄水前水平，而大于0.125 mm的沙量在宜昌至監(jiān)利河段恢復(fù)較快。李文萍等[9]研究發(fā)現(xiàn)河床粗化使床面糙率顯著抬升。

本文旨在探究長(zhǎng)江中游河床沖淤、深泓變化、橫向調(diào)整、床面糙率變化以及岸灘植被生長(zhǎng)等在三峽水庫(kù)運(yùn)行前后的變化規(guī)律，并分析其與同流量下洪、中、枯水位變化之間的聯(lián)系。

1 研究區(qū)域

本文的研究河段為三峽大壩下游宜昌至螺山站河段(圖1)，該河段受水庫(kù)調(diào)蓄影響最大。沿線主要水文站有宜昌站、枝城站、沙市站、監(jiān)利站和螺山站。三峽水庫(kù)下泄水流進(jìn)入長(zhǎng)江中游河段，部分水流于荊江河段三口(松滋口、太平口和藕池口)匯入洞庭湖，另一部分水流則從干流流出。因此，長(zhǎng)江中游河床沖淤受三峽水庫(kù)調(diào)蓄影響最大。

圖1 研究區(qū)域示意Fig.1 Sketch map of study area

2 工程影響下長(zhǎng)江中下游河道演變

2.1 航道整治工程建設(shè)影響

為了滿足經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需求，長(zhǎng)江沿岸線建設(shè)了大量涉水工程，如港口、碼頭和橋梁等。工程的建設(shè)不同程度占據(jù)了部分河道面積，束窄了河床，從而改變河床橫向形態(tài)，影響河道過流能力。

航道整治工程的實(shí)施，有效守護(hù)了岸線，穩(wěn)定了關(guān)鍵洲灘，穩(wěn)定或提高了主航道分流比，護(hù)底工程限制了河道的不利沖深，一定程度上改變了工程區(qū)域局部斷面形態(tài)，有效提高了航道水深[10]。單體工程洪水位的影響較?。号撼乜诤佣巫o(hù)灘帶和護(hù)岸工程使水位最大壅值為0.5 cm，且壅水影響多集中在護(hù)灘帶上游約910 m的范圍內(nèi)，對(duì)洪水位的影響小[11]。武穴水道順壩在設(shè)計(jì)洪水條件下的橫斷面阻水面積約為130 m2，僅占行洪斷面面積的0.3%，且該工程最大壅水值小于1 cm[12]。可見，航道整治工程對(duì)河道行洪的影響較小，對(duì)長(zhǎng)江中游洪水位抬升的貢獻(xiàn)有限。

2.2 岸灘植被影響

三峽工程對(duì)中小洪水進(jìn)行調(diào)度后，灘面植被覆蓋度增加，特別是雜草等柔性植被密度增加[13]。當(dāng)水流漫灘時(shí)，岸灘植被會(huì)壅高一定的洪水位。三峽水庫(kù)的調(diào)度運(yùn)行改變了壩下游河道流量年內(nèi)的分配過程，使枯水流量增大，中枯水流量持續(xù)時(shí)間延長(zhǎng)[14]。對(duì)于洪水流量，2003～2016年宜昌站流量大于30 000 m3/s的持續(xù)天數(shù)較水庫(kù)運(yùn)行前大幅減少，年均減少約13 d(圖2(a))。三峽工程運(yùn)行后，洲灘淹沒概率減小，植被生長(zhǎng)時(shí)間相對(duì)增加，植被密度及植株高度增加，引起同流量洪水位的相對(duì)抬升。岸灘植被的生長(zhǎng)雖有利于維持河岸的穩(wěn)定，但也增加了河道糙率，可造成洪水位壅高(圖2(b))。

圖2 宜昌至螺山站各典型斷面沖淤形態(tài)Fig.2 Erosion and deposition patterns of typical sections from Yichang Station to Luoshan Station

2.3 河床糙率變化特征

三峽大壩近壩段水流含沙量低，水流不飽和度大，細(xì)沙易被帶走，河床易粗化。近壩段宜昌至枝城河段為卵石夾沙河床，三峽水庫(kù)運(yùn)行后床沙中值粒徑顯著增加，河床明顯粗化。2001年宜昌至宜都河段床沙中值粒徑為0.63 mm；水庫(kù)運(yùn)行后第2年(2004年)床沙中值粒徑為15.02 mm，為2001年的23.8倍(表1)；2009年床沙中值粒徑為37.54 mm，為2001年的59.6倍。2009年以來，該河段床沙中值粒徑有所減小，2011年為21.90 mm。類似地，2003年以來，荊江河段床沙呈現(xiàn)逐年粗化的態(tài)勢(shì)，枝江河段、沙市河段、公安河段、石首河段和監(jiān)利河段的床沙中值粒徑總體呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)。其中，泥沙粒徑的增大有利于增加河床糙率，河床阻力增加，有利于抬升水位(表2)。

表1 三峽水庫(kù)運(yùn)用前后長(zhǎng)江中游宜昌河段床沙中值粒徑變化

基于實(shí)測(cè)資料分析，床沙中值粒徑與河床糙率之間的關(guān)系[15]：

(1)

式中：D50為床沙中值粒徑，mm；m為綜合系數(shù)，不同河流的m取值不同，且取值范圍在19～24之間(為便于計(jì)算，本文取其中值21.5)。

表2 三峽水庫(kù)運(yùn)用前后長(zhǎng)江中游荊江河段床沙中值粒徑變化

故基于宜昌至螺山站河段床沙中值粒徑及式(1)，可粗略估算三峽水庫(kù)蓄水后各河段床面糙率變化特征。結(jié)果表明：宜昌至宜都河段及宜都至枝城河段的糙率在2001～2009年間顯著抬升，且2009年較2001年分別增加了97.6%和108.3%。枝城至螺山站河段蓄水后的糙率也逐年增加。其中，枝江河段、沙市河段、公安河段、石首河段和監(jiān)利河段在2015年(枝江河段為2014年)的糙率較1998年分別增加了2.7%，2.4%，4.7%，5.3%和3.9%，增幅較小，對(duì)水位影響有限。

2.4 岸坡崩岸及河床沖深情況

三峽水庫(kù)運(yùn)行后，近壩段近乎于“清水下泄”，河道出現(xiàn)累積性沖刷，改變了河床斷面及灘槽形態(tài)。河道深槽沖深的同時(shí)，伴隨河道橫向展寬，高灘區(qū)域沖刷較為明顯，部分河段出現(xiàn)崩岸現(xiàn)象(圖3)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2003～2015年期間，長(zhǎng)江中游干流河道共發(fā)生崩岸險(xiǎn)情826處，崩岸總長(zhǎng)度約643.6 km，主要發(fā)生在蓄水運(yùn)用前的崩岸段和險(xiǎn)工段范圍內(nèi)。在三峽水庫(kù)蓄水運(yùn)用初期，長(zhǎng)江中游崩岸較多；在初期運(yùn)行期和試驗(yàn)性蓄水期，隨著護(hù)岸工程的逐漸實(shí)施，崩岸強(qiáng)度減弱、頻次降低。三峽水庫(kù)蓄水后，2003～2015年期間荊江河段173個(gè)斷面中枯水河槽、平灘河槽和洪水河槽展寬。以平灘河槽為例，展寬0，20 m和50 m的斷面比例分別為60.1%，34.1%和23.1%(表3)。從不同展寬寬度上看，荊江河段大部分的斷面均發(fā)生展寬且以枯水河槽展寬為主。盡管長(zhǎng)江中游部分汊道可能因?yàn)榉至鞣稚潮鹊母淖儯蛘罨较虬l(fā)展，但總體而言長(zhǎng)江中游河道多為展寬現(xiàn)象。

圖3 三峽水庫(kù)蓄水以來長(zhǎng)江中游崩岸長(zhǎng)度及次數(shù)變化Fig.3 Length and frequency of bank collapse in the middle reaches of Yangtze River since impoundment of Three Gorges Reservoir

表3 三峽水庫(kù)蓄水后荊江河段斷面形態(tài)展寬占比

三峽水庫(kù)運(yùn)行后，壩下游河道深槽沖深，相對(duì)增加了灘槽高差及岸坡高度。宜昌至螺山站河段各典型斷面均處于沖刷狀態(tài)且沖刷部位主要體現(xiàn)在枯水河床，枯水河床高程逐時(shí)段顯著下降(圖4)。根據(jù)宜昌62號(hào)和69號(hào)斷面變化可知，2002～2006年期間宜昌河段河床下切深度較大，2006～2015年期間下切幅度顯著降低。2003～2008年期間各斷面的河床均沖刷下切，其下切深度較??；2008～2015年期間下切深度有所增加。

綜上，三峽水庫(kù)運(yùn)行后，長(zhǎng)江中游河段斷面的沖深和展寬有利于高洪水位的下降，但同時(shí)也使長(zhǎng)江中游中枯水位呈現(xiàn)明顯的下降趨勢(shì)，導(dǎo)致礙航現(xiàn)象頻繁發(fā)生。

圖4 宜昌站典型斷面沖淤形態(tài)Fig.4 Erosion and deposition patterns of typical sections of Yichang Station

2.5 河段內(nèi)沖淤調(diào)整對(duì)水位的影響

受三峽水庫(kù)調(diào)蓄影響，近壩段宜昌至枝城河段以縱向沖刷下切為主，河勢(shì)總體較為穩(wěn)定。由圖5可知，宜昌至枝城河段深泓線自2002年后處于沖刷下切狀態(tài)。與2002年相比，2015年該河段深泓線沿程平均下切約4.61 m。宜昌至宜都河段，2003～2008年和2009～2015年深泓平均下切1.65 m和0.93 m，年均下切深度0.33 m和0.13 m；上述兩個(gè)時(shí)段，宜都至枝城河段深泓平均下降3.85 m和4.00 m，年均下切幅度為0.77 m和0.57 m。綜上，宜昌至枝城河段的深泓高程變化具有明顯的時(shí)空變異性：宜都至枝城河段的下切幅度明顯大于宜昌至宜都河段；2009～2015年該河段深泓平均高程的年均下切幅度明顯小于2003～2008年。

枝城至沙市河段在水庫(kù)蓄水后大幅沖刷，與2002年相比，2015年深泓平均高程下切3.45 m(圖6)。從沿程變化特征上看，枝城至楊家腦河段與楊家腦至沙市河段深泓分別平均下切3.35 m和3.70 m，降幅較為接近。從沿時(shí)變化特征來看，2003～2008年枝城至沙市河段、枝城至楊家腦河段和楊家腦至沙市河段深泓分別下切0.78，0.77 m和0.71 m。2009～2015年深泓平均高程下切幅度顯著增大，分別為2.67，2.58 m和2.89 m。與2002年相比，2015年沙市至監(jiān)利河段深泓平均下切2.49 m。從沿程變化特征上看，沙市至石首河段和石首至監(jiān)利河段深泓平均下切2.16 m和2.91 m。從沿時(shí)變化特征來看，2003～2008年期間沙市至監(jiān)利河段、沙市至石首河段和石首至監(jiān)利河段深泓平均下切1.17，0.98 m和1.41 m，2009～2015年分別下切1.32，1.18 m和1.50 m。與2002年相比，2015年監(jiān)利至螺山站河段深泓平均下切1.16 m，監(jiān)利至荊江門深泓下切達(dá)3.15 m，荊江門至螺山站河段深泓平均高程增加約1.18 m。從沿時(shí)變化特征來看，2003～2008年期間監(jiān)利至荊江門河段、荊江門至螺山站河段深泓高程分別下切0.94 m和0.06 m，2009～2015年分別下切2.21 m和1.24 m。綜上，枝城至螺山站河段深泓平均高程的變化具有時(shí)空變異性。在空間上，不同河段深泓平均高程的下切幅度最大差值達(dá)4.88 m，自上而下深泓下切幅度呈減小的特點(diǎn)；在時(shí)間上，深泓在2003～2008年下切幅度較小，而在2009～2015年下切幅度明顯增加，深泓不斷下切是長(zhǎng)江中游中枯水位下降的主要影響因素之一。

圖5 三峽水庫(kù)蓄水后宜昌至枝城河段深泓線沿程變化Fig.5 Changes of thalweg from Yichang to Zhicheng Reach after impoundment of Three Gorges Reservoir

圖6 三峽水庫(kù)蓄水運(yùn)用后荊江河段深泓線沿程變化Fig.6 Thalweg variation along Jingjiang Reach after impoundment and operation of Three Gorges Reservoir

3 工程影響下長(zhǎng)江中游河道水力特性變化

3.1 長(zhǎng)江中游洪、枯、中水位變化

在三峽水庫(kù)蓄水運(yùn)行后，2003～2012年宜昌站、枝城站、沙市站和螺山站在枯水流量級(jí)(表4)下的水位分別下降了0.44，0.57，1.87 m和0.74 m。在中水流量級(jí)(表4)下，2003～2012年各水文站中水位降幅分別為0.72，0.36，1.39 m和0.70 m。由此可見，自三峽水庫(kù)運(yùn)行后，長(zhǎng)江中游中枯水位呈明顯的下降趨勢(shì)。與之相比，2003～2012年宜昌站、枝城站、沙市站和螺山站的洪水位略有抬升趨勢(shì)，分別增加0.12，0.19，0.15 m和0.25 m。

表4 長(zhǎng)江中游各水文站流量級(jí)選取

3.2 影響因素與水位變化關(guān)系

不同流量下水文變化規(guī)律與流域自然地理特征及洪水流量變化規(guī)律直接相關(guān)?；谏鲜鰧?duì)各影響因素在三峽水庫(kù)運(yùn)行前后的變化特征及其與水位變化之間關(guān)系的分析，將各影響因素與洪、中、枯水位變化的關(guān)系列于表5。

(1) 針對(duì)枯水位。崩岸的頻繁發(fā)生導(dǎo)致了岸線不斷展寬(H下1)，加之河床沖深抬升了岸坡高程(H下2)，“清水下泄”使河床沖刷(H下3)以及人工采砂導(dǎo)致床面高程下降，均有助于同流量下枯水位的下降。與之相比，岸線工程的建設(shè)束窄了河床(H上1)且增大了河道的糙率(H上4)，加之床面粗化使得河床糙率抬升(H上2)，則均有助于同流量下枯水位的抬升。H下1，H下2，H下3和人工采砂等因素對(duì)水位下降的影響程度強(qiáng)于H上1，H上2，H上4等因素對(duì)水位抬升的影響，即滿足公式(2)，故壩下游各水文站的枯水位自三峽水庫(kù)運(yùn)行后呈下降趨勢(shì)。需要注意的是，此處不考慮岸灘植被生長(zhǎng)以及江湖關(guān)系變化對(duì)干流枯水位的變化影響。

表5 各影響因素與洪、中、枯水位變化關(guān)系

(2) 針對(duì)中水位。各個(gè)因素對(duì)水位的影響滿足公式(3)，與枯水位的公式(2)比較，額外增加了三口分流分沙變化在分流量層面上對(duì)干流水位變化的影響(H1)。在各因素作用下，使公式(3)小于0，即在水庫(kù)運(yùn)行后，壩下游各水文站的中水位均呈明顯下降趨勢(shì)。

(3) 針對(duì)洪水位。當(dāng)來流流量小于臨界轉(zhuǎn)換流量時(shí)，則各因素對(duì)洪水位的影響滿足公式(4)，公式(4)較公式(3)額外增加了岸灘植被生長(zhǎng)(H上3)對(duì)洪水位的影響。因小于臨界轉(zhuǎn)換流量，則洪水位仍然呈下降趨勢(shì)(公式(4)小于0)。當(dāng)來流流量等于臨界轉(zhuǎn)換流量時(shí)，也即滿足公式(5)，則洪水位不出現(xiàn)抬升或下降趨勢(shì)，整體維持穩(wěn)定。當(dāng)來流流量大于臨界轉(zhuǎn)換流量時(shí)，有助于洪水位抬升的影響因素影響程度強(qiáng)于有助于洪水位下降的影響因素，也即滿足公式(6)，此時(shí)洪水位呈抬升趨勢(shì)。以宜昌站為例，郭怡等[16]利用一維水沙數(shù)值模擬研究發(fā)現(xiàn)，地形沖刷下切(H下1+H下2+H下3)使宜昌站2003～2014年期間枯水位下降0.26 m，河道糙率的增加則使枯水位抬升約0.22 m。河床沖刷下切的作用大于河道糙率增加的影響，最終導(dǎo)致宜昌站枯水位為減小趨勢(shì)。

H=(H上1+H上2+H上4)-

(H下1+H下2+H下3+H下4)<0

(2)

H=(H上1+H上2+H上4)-

(H下1+H下2+H下3+H下4)±H1<0

(3)

H=(H上1+H上2+H上3+H上4)-

(H下1+H下2+H下3+H下4)±H1<0

(4)

H=(H上1+H上2+H上3+H上4)-

(H下1+H下2+H下3+H下4)±H1=0

(5)

H=(H上1+H上2+H上3+H上4)-

(H下1+H下2+H下3+H下4)±H1>0

(6)

式中：在枝城站同流量條件下，當(dāng)三口分流量在年際間的變化有助于抬升干流水位時(shí)，H1前的符號(hào)取正號(hào)，反之則取負(fù)號(hào)；式中各符號(hào)的數(shù)值均為絕對(duì)值。

4 結(jié) 論

本文利用實(shí)測(cè)資料分析，研究了宜昌至螺山站河段河床橫向形態(tài)、河床糙率、河床縱向形態(tài)(沖淤)和江湖關(guān)系在三峽水庫(kù)運(yùn)行前后的變化特征，及其與水位變化之間的關(guān)聯(lián)性，取得的主要結(jié)論如下。

(1) 河床橫向形態(tài)調(diào)整特征。三峽水庫(kù)蓄水后，崩岸現(xiàn)象頻繁發(fā)生，有助于岸線的展寬。在2003～2015年，荊江河段枯水河槽、平灘河槽和洪水河槽的斷面展寬比分別為71.7%，60.1%和55.5%，斷面的展寬以枯水河槽最為普遍。而港口、碼頭、橋梁及航道整治工程等岸線工程的建設(shè)在一定程度上會(huì)束窄河床，且有壅水作用。

(2) 河床糙率變化特征。2001～2009年間宜都至枝城河段的糙率顯著增加。2009～2011年期間，該河段的糙率略有降低趨勢(shì)。2003～2008年間宜昌站中、枯水位下降幅度較小，這與宜昌至枝城河段河床大幅粗化有關(guān)。2009年以來，該河段粗化作用基本完成，糙率變化較小。

(3) 沿程深泓變化。宜昌至枝城、枝城至沙市、沙市至監(jiān)利和監(jiān)利至螺山站河段，2015年較2002年深泓線沿程分別平均下切約4.61，3.45，2.49 m和1.16 m。2008～2015年宜昌至枝城河段深泓的下切幅度明顯小于2003～2008年，這主要是因?yàn)殡S著河床的沖刷，該河段床面逐漸粗化，可沖粒徑減少。與之相比，枝城至螺山站河段普遍存在深泓在2003～2008年下切幅度較小，而在2009～2015年呈下切幅度明顯增加的變化特征。枝城至螺山站河段深泓平均高程在時(shí)間尺度上的變化特征與該河段同流量下中、枯水位在2003～2008年降幅小而在2008～2016年降幅明顯增加的變化特征一致。