沖刷及整治工程疊加作用下武漢河段灘槽調(diào)整特征與成因

摘要：大型水庫的修建引起了壩下游的灘槽調(diào)整，進(jìn)而對河勢、航運(yùn)、防洪及生態(tài)等產(chǎn)生顯著影響。為探究灘槽調(diào)整的驅(qū)動(dòng)機(jī)制，采用1952—2022年水沙和1959—2021年地形觀測資料，以長江武漢河段為例，分析了床沙組成、來水來沙及整治工程等因素的影響。研究表明：① 武漢河段枯水河槽沖刷量占全河槽沖刷量的90.4%，斷面趨向窄深化，河相系數(shù)減小。不同江心洲及汊道沖淤出現(xiàn)差異性調(diào)整，2001—2021年，鐵板洲和白沙洲洲體面積分別減少了63.1%和61.5%，潛洲和天興洲洲體面積分別增大了212.3%和14.5%;2013年后，鐵板洲左右汊均沖，天興洲汊道左淤右沖。② 來沙量銳減，河床以0.125 mm≤d＜0.25 mm的細(xì)沙居多，抗沖性較弱，是沖刷加劇的先決條件;三峽水庫的削峰補(bǔ)枯作用加劇了枯水傾向汊河的沖刷幅度;整治工程改變了灘槽沖淤的橫向分布，是江心洲差異性調(diào)整的主導(dǎo)因素，也是天興洲保持左淤右沖的重要原因。③ 三峽水庫蓄水前，洲灘之間演變聯(lián)動(dòng)性強(qiáng);三峽水庫蓄水后，來沙減少和中水期時(shí)間延長導(dǎo)致洲灘沖刷萎縮，洲灘之間演變聯(lián)動(dòng)性變?nèi)?整治工程實(shí)施后，工程保持了心灘穩(wěn)定且其緩流滯沙效應(yīng)提高了抗沖性，心灘淤長的同時(shí)限制了邊灘發(fā)育，疊加來沙進(jìn)一步減少，邊灘之間、心灘之間演變聯(lián)動(dòng)性進(jìn)一步變?nèi)?，邊灘與心灘之間演變聯(lián)動(dòng)性再次增強(qiáng)。

關(guān)鍵詞：灘槽調(diào)整;水沙變化;整治工程;洲灘聯(lián)動(dòng);武漢河段;三峽水庫

中圖分類號：TV121.4

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1001-6791（2024）04-0629-16

大型水庫的修建往往會改變水庫下游的水沙時(shí)空分布過程從而打破河道原有的穩(wěn)定性，造成壩下游灘槽格局產(chǎn)生相應(yīng)改變，進(jìn)而對河勢、航運(yùn)、防洪及生態(tài)等產(chǎn)生影響。漢江丹江口水庫下游分汊河道出現(xiàn)了小灘并大灘、支汊萎縮的現(xiàn)象［1-2］，歐洲易北河出現(xiàn)了洲灘消失的現(xiàn)象［3］，尼羅河阿斯旺大壩下游出現(xiàn)了河道擺動(dòng)、主槽萎縮的現(xiàn)象［4］等。綜上，不同河流壩下游灘槽調(diào)整表現(xiàn)出巨大差異性。

三峽水庫2003年起蓄水后20余年，長江中下游河道沖刷范圍已發(fā)展至長江口河段，且沖刷重心不斷下移，沖刷強(qiáng)度明顯增強(qiáng)［5-7］，不同河型灘槽形態(tài)出現(xiàn)了較為明顯的調(diào)整。如下荊江彎曲河段普遍從蓄水前“凸淤凹沖”的演變規(guī)律調(diào)整為“凸沖凹淤”以及發(fā)展到近期“凸沖凹淤”和“凸淤凹沖”交替出現(xiàn)［8］;分汊河段出現(xiàn)“主消支長”和“主長支消”等差異性變化［9-10］;界牌順直河段交錯(cuò)邊灘復(fù)歸性演變周期變長［11］，左汊淤積衰退［12］等。與此同時(shí)，過去20余年也是長江整治工程等建設(shè)最密集的時(shí)期，灘槽調(diào)整與工程影響相互疊加，雖有研究提到工程對洲灘形態(tài)、局部演變等有明顯影響［13-14］，但由于沖刷強(qiáng)度和建設(shè)規(guī)模等不同，工程在不同河段灘槽調(diào)整中的影響差異較大，因此，針對具體河段研究沖刷及整治工程疊加作用下的灘槽調(diào)整特征是十分必要的。

在灘槽調(diào)整機(jī)理方面，已有研究多聚焦于灘槽調(diào)整對水沙過程的響應(yīng)，如有研究認(rèn)為2008年后洪水傾向汊河淤積特征更加顯著，含沙量減小不是汊河沖淤調(diào)整的決定性因素［10］;同時(shí)，許多學(xué)者建立了不同河槽特征參數(shù)與水沙因子的函數(shù)關(guān)系，如河槽形態(tài)與水流沖刷強(qiáng)度的經(jīng)驗(yàn)函數(shù)［15-16］。近期也有研究關(guān)注洲灘演變的聯(lián)動(dòng)關(guān)系，并分析了沙市、落成洲等河段洲灘聯(lián)動(dòng)的調(diào)整過程［17-18］，認(rèn)為航道工程減弱了洲灘聯(lián)動(dòng)性。但多數(shù)研究均致力于三峽水庫蓄水對灘槽調(diào)整的影響，對于沖刷及工程疊加對灘槽調(diào)整影響的研究仍然較少。且已有研究多集中在灘槽調(diào)整最為劇烈的近壩沙質(zhì)河段，目前強(qiáng)沖刷已發(fā)展至城陵磯以下［19］，在沖刷和整治工程疊加作用下，灘槽沖淤調(diào)整與三峽建庫前后相比是否有新的變化，影響不同區(qū)域?yàn)┎壅{(diào)整的主控因素是否一致，都需進(jìn)一步探索研究。

武漢河段是長江中游礙航河段之一，受水沙條件影響較大，洲灘年內(nèi)沖淤消長，局部灘槽調(diào)整頻繁［20-23］，對河勢穩(wěn)定及通航條件影響較大，受到水利及航道部門的廣泛關(guān)注；其既有分汊河型汛枯期主支消長特征，又有順直河型邊灘縱向下移演變規(guī)律，同時(shí)在白沙洲和天興洲等處實(shí)施了多期航道整治工程，極具研究的典型性和代表性。因此，本文采用1952—2022年觀測資料，探究了沖刷及整治工程疊加作用下武漢河段的灘槽調(diào)整特征與成因，以期為航道整治、河道治理等提供參考。

1 研究區(qū)域、資料與方法

1.1 研究區(qū)域

長江武漢河段全長約70.3 km（圖1）。河段內(nèi)有鐵板洲、白沙洲、潛洲、天興洲等心灘和漢陽邊灘、漢口邊灘等邊灘分布;龜山以上為順直分汊河型，長約35 km，左汊為主汊，右汊為支汊;龜山以下為微彎分汊河型，長約35.3 km，右汊為主汊，左汊為支汊。為改善通航條件、守護(hù)洲灘穩(wěn)定，潛洲處于2011年4月至2012年2月實(shí)施了武橋水道整治工程（圖1（b）），其長順壩和5道魚骨壩的長度分別為3 185、70、90、110、130和100 m。

天興洲分別于2003年12月至2004年5月和2013年1月至2014年12月實(shí)施了洲頭護(hù)岸和洲頭低灘守護(hù)魚骨壩工程（圖1（c））。魚骨壩工程中Y#1縱向布置，總長為2 062 m，前端沒入水下800 m，陸上守護(hù)與水下守護(hù)相結(jié)合，與2003年已建3 279 m長的護(hù)岸首部平順銜接；Y#2橫向布置，長873 m；頭部扇形守護(hù)區(qū)最寬處為883 m；同時(shí)，在洲頭右緣低灘處建起2條條形護(hù)灘帶（T#1、T#2），分別長698、314 m。2003年建設(shè)的護(hù)岸也在此次工程中進(jìn)行了加固。

1.2 研究資料

收集了1952—2022年漢口站、1972—2020年仙桃站的年徑流量和輸沙量數(shù)據(jù)，以及1959—2021年的實(shí)測地形資料，同時(shí)采用了局部斷面床沙級配資料，上述資料來源于長江水利委員會水文局和長江航道局測量中心。高程系統(tǒng)采用85高程基準(zhǔn)。

1952—2022年漢口站年徑流量相對穩(wěn)定，年輸沙量1990年以前較為穩(wěn)定、之后為減少趨勢（圖2（a））。三峽水庫于2003年開始蓄水，2013年開始受上游梯級水庫群蓄水影響，2013—2022年與1952—2002年、2003—2012年比較，漢口站年徑流量分別增加約0.2%和7%，年輸沙量分別減少82.4%和38.6%。受漢江流域降水減少、外調(diào)水量增加、沿江取用水量增大等因素影響［24］，1972—2020年仙桃站年徑流量和輸沙量均為減少態(tài)勢（圖2（b））。2013—2020年與1972—2002年、2003—2012年比較，仙桃站年徑流量分別減少25.9%和28.5%，年輸沙量分別減少81.4%和75.2%。

1.3 研究方法

1.3.1 平灘河槽形態(tài)參數(shù)

1.3.2 泥沙起動(dòng)流速

武漢河段床沙主要由0.031～0.5 mm粒徑組泥沙組成。按照規(guī)范［26］通常將0.004～lt;0.062 mm和0.062～2 mm的泥沙劃分為粉沙和沙粒。為了本文研究方便，參考相關(guān)研究［27］，將武漢河段河床組成中泥沙按特定粒徑（d）大小進(jìn)行分組，劃分為d＜0.031 mm、0.031 mm≤d＜0.062 mm、0.062 mm≤d＜0.125 mm、0.125 mm≤d＜0.25 mm、0.25 mm≤d＜0.5 mm、d≥0.5 mm共6組。各粒徑組泥沙的起動(dòng)流速按張瑞瑾均勻沙起動(dòng)流速公式［28］計(jì)算：

式中：Uc為起動(dòng)流速，m/s;h為水深，m;γs為泥沙重度，N/m3;γ為水的重度，N/m3。該公式為散體及黏性泥沙的統(tǒng)一起動(dòng)流速公式。

2 武漢河段灘槽調(diào)整特征

2.1 灘槽沖淤調(diào)整

依據(jù)2003年實(shí)測的宜昌站5 000、30 000和50 000 m3/s流量和水面線，將河槽劃分了枯水河槽、平灘河槽和洪水河槽［18］，采用斷面法計(jì)算河槽沖淤量。2003—2020年研究河段為累積性沖刷態(tài)勢且沖刷強(qiáng)度持續(xù)增大，其中，枯水河槽、平灘河槽及洪水河槽總沖刷量分別為2.15億、2.18億和2.38億m3，枯水河槽沖刷量占洪水河槽沖刷量的90.4%（圖3（a））。

2001年9月至2021年3月，鐵板洲左右汊沖刷為主，灘體尾部淤積，總體減小明顯;白沙洲洲體沖退，左汊沖刷明顯，右汊沖幅較小;潛洲洲體略有淤積，左右汊均沖刷明顯，且武昌深槽處明顯刷深;漢口江灘呈淤積態(tài)勢;天興洲洲頭低灘處總體淤積明顯，最大淤積厚度達(dá)3 m以上，但洲頭右緣沖退明顯，右汊顯著沖刷，最大沖深達(dá)5 m 以上，左汊明顯淤積（圖4）。進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)典型分汊段（鐵板洲、天興洲）左右汊沖淤強(qiáng)度（圖3（b））發(fā)現(xiàn)，2013年以后鐵板洲左右汊均沖，表現(xiàn)出與以往研究（左汊淤積、右汊沖刷［10］）不同的沖淤特點(diǎn)，天興洲汊道繼續(xù)保持左淤右沖，但2個(gè)典型分汊段仍展現(xiàn)出枯水傾向汊河發(fā)展速率大于洪水傾向汊河的調(diào)整規(guī)律［10］。

2.2 河槽形態(tài)變化

由典型斷面圖（圖5，斷面位置見圖1）變化可知，三峽水庫蓄水后，枯水河槽明顯刷深，河床形態(tài)向窄深化發(fā)展，平灘河槽以上斷面形態(tài)幾乎沒有變化。鐵板洲右汊作為支汊沖刷幅度略大，中間洲體較為穩(wěn)定;白沙洲和潛洲左汊作為主汊均沖刷較為明顯，白沙洲洲體較為穩(wěn)定，潛洲洲體近期有所淤積抬高，右汊沖深幅度大于左汊;天興洲洲頭低灘淤積展寬，左汊略有淤積，右汊沖深6.7 m。

圖6為2003年和2020年武漢河段各斷面平灘河槽形態(tài)參數(shù)的空間變化及河段尺度的時(shí)間變化。以2020年為例，平灘河槽寬度值介于950～2 500 m（圖6（a）），平灘河槽平均水深值介于11～23 m（圖6（b）），相應(yīng)平灘河槽面積與寬深比的變化范圍分別為19 773～33 088 m2和1.4～4.0（圖6（c）、圖6（d））。圖6（a）顯示，天興洲洲頭附近平灘河寬有所減小，其余位置變化不大，這主要是由于武漢河段河道邊界穩(wěn)定，而天興洲洲頭工程促進(jìn)了洲頭淤積展寬從而使兩汊平灘河槽縮窄（圖4）。圖6（d）顯示，鐵板洲、白沙洲、潛洲和天興洲等分汊段寬深比降幅（14%）明顯大于單一段（7%），這主要是由于三峽水庫的削豐補(bǔ)枯作用使江心洲過水時(shí)間縮短，沖淤幅度較小，沖刷集中在枯水河槽，且江心洲往往植被孽生［29］，抗沖性強(qiáng);而天興洲洲頭處寬深比降幅最大（24%）則是由于洲頭工程促進(jìn)洲體淤積的同時(shí)，河槽沖刷下切更為劇烈。由此可知，整治工程加劇了河槽的窄深化趨勢。圖6（e）、圖6（f）顯示，2003—2020年，伴隨著河槽的沖刷下切，河段尺度平灘河寬在1 695 m附近波動(dòng)，并無趨勢性變化;平灘水深由14.13 m增加至15.84 m;平灘面積由23 776 m2增加至26 826 m2;寬深比由2.90減小至2.60，尤其是梯級水庫蓄水后，河槽窄深化趨勢更為明顯。

2.3 洲灘形態(tài)變化

選取鐵板洲、白沙洲、潛洲、天興洲、漢陽邊灘和漢口邊灘作為典型洲灘，統(tǒng)計(jì)三峽水庫蓄水前后鐵板洲、白沙洲和天興洲15 m等高線變化，潛洲10 m等高線變化，以及漢陽邊灘和漢口邊灘8 m等高線變化（圖7）。

三峽水庫蓄水前，江心洲洲體位置均較為穩(wěn)定，但受水沙條件影響，洲體面積先增大后減小，主要表現(xiàn)為洲頭的上提下移和左右緣的崩退與展寬。1959年4月至2001年9月，鐵板洲洲長變化不大，但整體右移明顯，左緣后退約200 m，右緣前進(jìn)約342 m，最大洲寬增加約285 m，洲頂最大高程由20.69 m增加為26.6 m，洲體面積增加約0.548 km2;白沙洲左右緣、洲寬和洲頂最大高程均變化不大，最大洲長增加約1 034 m，洲體面積增加約0.069 km2;潛洲形態(tài)年際間變化較大，受1998年大水影響，潛洲幾乎沖散消失，后又逐漸恢復(fù)，洲頂最大高程由12.1 m減小為10.7 m，洲體面積減小約0.644 km2;天興洲洲頭呈沖退趨勢，最大洲長縮小約2 280 m，左緣前進(jìn)約538 m，右緣后退約595 m，洲頂最大高程變化不大，洲體面積減小約2.8 km2。

三峽水庫蓄水后，江心洲洲體位置依然較為穩(wěn)定，但受整治工程影響，鐵板洲、白沙洲與潛洲、天興洲的洲體形態(tài)表現(xiàn)出截然不同的變化規(guī)律。2001年9月至2021年3月，鐵板洲和白沙洲均呈明顯沖退趨勢，洲體面積分別減少了63.1%和61.5%，其中，鐵板洲在2011年后已經(jīng)明顯分化為2個(gè)小洲，雖在2016—2018年間有過短暫合并，但在2021年繼續(xù)分化萎縮;潛洲和天興洲洲體則呈緩慢淤長態(tài)勢，洲體面積分別增加了212.3%和14.5%，均表現(xiàn)為洲頭低灘的發(fā)展和洲體右緣的沖退。

三峽水庫蓄水前后，漢陽邊灘和漢口邊灘均表現(xiàn)為周期性往復(fù)淤長，且近期邊灘寬度明顯變小。

2.4 洲灘聯(lián)動(dòng)性變化

以往研究認(rèn)識到成型淤積體周期下移是造成洲頭低灘出現(xiàn)反復(fù)性沖刷或淤積的主要原因［20］，即邊心灘之間存在往復(fù)沖淤的復(fù)歸性和上沖下淤的聯(lián)動(dòng)性。流域來沙減少疊加航道整治工程背景下的武漢河段，洲灘演變聯(lián)動(dòng)關(guān)系如何變化值得深入探討。

根據(jù)三峽水庫蓄水和整治工程實(shí)施時(shí)間，將灘群演變過程分為3個(gè)時(shí)段，分別為1959—2001年（自然水沙期）、2001—2011年（三峽工程影響期，天興洲洲頭護(hù)岸工程對低灘演變影響較小，可認(rèn)為魚骨壩工程前主要受三峽工程影響）、2013—2021年（沖刷疊加整治工程影響期），進(jìn)而得到灘群形態(tài)演變聯(lián)動(dòng)關(guān)系如下：

（1） 漢陽邊灘與漢口邊灘聯(lián)動(dòng)關(guān)系（圖8（a））。漢陽邊灘和漢口邊灘位于天興洲汊道上游順直河道的左側(cè)，從歷年灘形（圖7）看，邊灘上始終存在一個(gè)灘寬較大的淤積體。將漢口邊灘分為上段、下段兩部分，隨著漢陽邊灘面積減少，漢口邊灘上段面積為增加態(tài)勢（R2=0.71、0.48、0.44），聯(lián)動(dòng)性逐漸減弱。三峽水庫蓄水前，隨著漢口邊灘下段面積增加，漢口邊灘上段面積為減少態(tài)勢（R2=0.80），聯(lián)動(dòng)性強(qiáng);三峽水庫蓄水后，其聯(lián)動(dòng)性逐漸減弱（R2=0.23、0.10）。漢口邊灘整體和漢陽邊灘并沒有明顯相關(guān)性（R2＜0.1）。

（2） 天興洲與漢口邊灘聯(lián)動(dòng)關(guān)系（圖8（b））。三峽水庫蓄水前，當(dāng)漢口邊灘淤積體靠近上游時(shí)，洲頭低灘相對萎縮后退，當(dāng)漢口邊灘淤積體靠近尾部時(shí)，洲頭低灘相對高大完整，因而天興洲與漢口邊灘上、下段分別表現(xiàn)為負(fù)相關(guān)性（R2=0.36）和正相關(guān)性（R2=0.67）;三峽水庫蓄水后，聯(lián)動(dòng)性減弱（R2=0.19、0.36）;魚骨壩工程實(shí)施后，聯(lián)動(dòng)性再次增強(qiáng)（R2=0.63、0.77）。天興洲魚骨壩工程前，天興洲與漢口邊灘整體無相關(guān)性（R2=0.11、0.02），工程后兩者的聯(lián)動(dòng)性明顯增強(qiáng)（R2=0.63）。

（3） 白沙洲、潛洲與漢陽邊灘聯(lián)動(dòng)關(guān)系（圖8（c））。白沙洲與漢陽邊灘一直存在正相關(guān)的聯(lián)動(dòng)性（R2=0.77、0.73、0.53）。三峽水庫蓄水前，潛洲與漢陽邊灘演變存在負(fù)相關(guān)的聯(lián)動(dòng)性（R2=0.81）;蓄水后，兩者聯(lián)動(dòng)性減弱（R2=0.32）;武橋水道整治工程實(shí)施后，兩者的聯(lián)動(dòng)性再次增強(qiáng)（R2=0.86）。三峽水庫蓄水前后，潛洲與白沙洲演變聯(lián)動(dòng)性強(qiáng)（R2=0.93、0.97），武橋水道整治工程實(shí)施后，兩者不再表現(xiàn)出相關(guān)性（R2=0.07）。

綜上所述，三峽水庫蓄水使洲灘之間的聯(lián)動(dòng)性減弱，沖刷及整治工程疊加使邊灘與心灘之間的聯(lián)動(dòng)性增強(qiáng)，其余洲灘之間的聯(lián)動(dòng)性進(jìn)一步減弱。

3 武漢河段灘槽調(diào)整的驅(qū)動(dòng)成因

三峽建庫后，下游河道持續(xù)沖刷，灘槽形態(tài)出現(xiàn)響應(yīng)性調(diào)整。武漢河段多年來河勢穩(wěn)定，其沖淤變化主要與河床泥沙組成、來水來沙過程變化、整治工程等因素有關(guān)。

3.1 河床泥沙組成影響

1998—2019年，武漢河段上、下河段床沙中值粒徑分別由0.153、0.102 mm粗化為0.182、0.155 mm。同時(shí)由2002—2019年漢口站、白沙洲2011年10月和2020年11月HLZ07+HLZ08斷面、天興洲2009年4月和2011年10月HL13斷面及2020年11月HL14+HL16-1斷面的床沙級配（圖9，斷面位置見圖1）可知，三峽水庫蓄水以來，武漢河段床沙雖有一定粗化，但總體變化不大，主要由0.031～0.5 mm粒徑組泥沙組成，以0.125～0.25 mm的泥沙居多。由不同粒徑下散體及黏性泥沙的統(tǒng)一起動(dòng)流速（圖9（d））可知，0.125 mm 和0.25 mm這2種泥沙抗沖性相對較弱，1～10 m水深處起動(dòng)流速為0.3～0.5 m/s。三峽建庫后，螺山和漢口站d≥0.125 mm泥沙輸沙量大幅度下降，水流含沙量處于嚴(yán)重不飽和狀態(tài)［16］，這正是武漢河段處于持續(xù)劇烈沖刷的先決條件。

對于武漢河段的不同位置，2002—2019年，漢口站斷面處0.125～0.25 mm的泥沙占比最多，為54%～69%。2011年和2020年，白沙洲左汊HLZ07斷面處0.125～0.25 mm的泥沙占比最多，分別約為60%和53%；右汊HLZ08斷面處0.125～0.25 mm的泥沙占比由約59%降為約21%；2020年灘體處0.062～0.125 mm的泥沙占比最多，約34%。2009年和2011年，天興洲HL13斷面處0.125～0.25 mm的泥沙占比最多，分別約為60%和55%;2020年，天興洲左右汊0.125～0.25 mm的泥沙均占比最多，分別約為46%和69%，灘體處d＜0.031 mm的泥沙占比最多，約63%。由上述統(tǒng)計(jì)可知，洲灘粒徑組成比河床細(xì)，洲灘的抗沖性相對更強(qiáng);但建庫后床沙的時(shí)空尺度變化表明，不同河槽的床沙組成差別并不顯著，因此，床沙組成不是灘槽差異性調(diào)整的主要原因。

3.2 來沙過程的影響

由圖10（a）可知，1990年以前，漢口站年輸沙量較為穩(wěn)定，平均為4.26億t，武漢河段的洲灘總面積總體處于穩(wěn)定狀態(tài)；1990年以后，輸沙量逐漸降低，尤其是三峽建庫后，降低明顯，洲灘面積也呈明顯減少趨勢；但在整治工程實(shí)施后，兩者的相關(guān)性明顯減弱，R2由0.87減少為0.22（圖10（b））。由此說明來沙量減少是洲灘面積縮小的主導(dǎo)因素，但整治工程實(shí)施后工程因素是洲灘面積變化的主導(dǎo)因素。

同時(shí)由圖3（b）可知，2013年以后鐵板洲、天興洲分汊段呈現(xiàn)出不同變化特點(diǎn)，鐵板洲左汊由之前淤積狀態(tài)轉(zhuǎn)為沖刷狀態(tài)而天興洲左汊繼續(xù)淤積，同時(shí)該期間輸沙量進(jìn)一步減少，這說明來沙減少作為河道總體持續(xù)沖刷的前提條件，并不是主支汊沖淤調(diào)整的主導(dǎo)因素。

3.3 水流過程的影響

武漢河段不同河槽沖刷幅度不同與其主流位置和灘槽格局息息相關(guān)。根據(jù)2020年11月實(shí)測地形和水文資料，并使用二維水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型［30］模擬得到洪枯流量下主流線（圖1（a））可知，鐵板洲和天興洲汊道段主流位置隨流量增加逐漸左擺，白沙洲和潛洲汊道段主流位置隨流量增加逐漸右擺，而年內(nèi)汛枯期來流量差異導(dǎo)致主流位置不同，引發(fā)不同程度的主支汊沖淤。如圖11所示，2013年底至2014年底，鐵板洲左汊出現(xiàn)了明顯沖刷，右汊深槽有所沖深；2014年底至2015年底，鐵板洲左汊淤積明顯，右汊變化不大。而2014年和2015年漢口站來流大于35 000 m3/s（接近造床流量［16］）來流天數(shù)分別為69、36 d，可見，大水主流偏左，大水持續(xù)時(shí)間較長時(shí)左汊更易于沖刷。

進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)漢口站蓄水前后的來流流量（Q）數(shù)據(jù)（表1），蓄水后15 000 m3/s＜Q≤35 000 m3/s年均來流天數(shù)增加12.27 d，Q＞35 000 m3/s年均來流天數(shù)減少13.45 d?？梢娙龒{水庫的削峰補(bǔ)枯作用使得長時(shí)間大流量來流比例明顯縮短，中小水流量累積造床作用增加，這也是鐵板洲和天興洲右汊、白沙洲和潛洲左汊沖刷更為明顯的主導(dǎo)因素。由于天興洲左汊為洪水傾向汊河，大流量來流時(shí)間縮短使得左汊沖刷機(jī)會減小，汛期分流比由建庫初期的30%左右降到2020年的20%左右。

3.4 整治工程的影響

流域來沙持續(xù)減少背景下，為保持優(yōu)良的灘槽格局或塑造有利的航槽形態(tài)，武漢河段實(shí)施了大量整治工程，這些工程也影響著灘槽沖淤分布及洲灘聯(lián)動(dòng)性變化。

3.4.1 整治工程對灘槽沖淤的影響

由之前分析可知，鐵板洲和天興洲分汊段出現(xiàn)了沖淤的差異性調(diào)整，具體表現(xiàn)為鐵板洲分汊段由2013年以前的“左淤右沖”變?yōu)榱恕皟摄饩鶝_”，而天興洲分汊段則繼續(xù)保持“左淤右沖”態(tài)勢（圖3（b））。而2個(gè)分汊段最大的不同是天興洲分別于2003年12月至2004年5月和2013年1月至2014年12月實(shí)施了洲頭護(hù)岸和洲頭低灘守護(hù)魚骨壩工程，有必要分析工程對灘槽沖淤的影響。

以魚骨壩工程實(shí)施時(shí)間為界，分別套匯天興洲洲頭附近2004—2011年、2013—2020年的12 m等高線（圖12）。為了更好地對比工程對灘地演變的影響，魚骨壩工程均套匯在了工程前后的地形上。

魚骨壩工程實(shí)施前（圖12（a）），洲頭低灘（12 m等高線）呈散亂狀態(tài)，年際間沖淤幅度較大，左汊12 m線河槽貫通，右汊洲頭一側(cè)總體呈沖退態(tài)勢。其中，2003年、2004年和2005年均為大水年，大水主流偏左，不飽和水流沖刷左汊，因此左汊貫通;2008年、2009年和2011年均為小水年，尤其是2011年，全年漢口站最大流量只有35 200 m3/s，小水年主流偏右，左汊雖有縮窄，但依然貫通。

魚骨壩工程實(shí)施后（圖12（b）），洲頭低灘（12 m等高線）完整成片，年際間淤積發(fā)展，左汊12 m線逐漸縮窄，2016年以后不再貫通，右汊洲頭一側(cè)呈淤積發(fā)展態(tài)勢。2013年后來沙量進(jìn)一步減少（圖2），理應(yīng)在大水年左汊沖刷加劇，但在2013年和2016大水年后，左汊12 m河槽持續(xù)縮窄;且經(jīng)過2017大水年和2018中水年后，2018年10月左汊入口形成明顯攔門沙，12 m河槽不再貫通;這顯然是上游來沙在洲頭附近受工程緩流滯沙效應(yīng)淤積并堵塞左汊所致。2020年武漢河段經(jīng)歷了建庫后的最大洪水，且在輸沙量沒有明顯增多的情況下，左汊12 m河槽依然沒有沖開。有無工程的典型年及系列年試驗(yàn)和沖淤計(jì)算也表明，魚骨壩工程直接限制了洲頭低灘的沖刷，低灘形態(tài)始終保持了較為完整的狀態(tài)［31］。以上對比分析表明，天興洲洲頭的整治工程不僅使洲體由沖轉(zhuǎn)淤，而且改變了洲頭附近灘槽的橫向沖淤分布，灘體逐年淤積的同時(shí)，左汊淤積加重，更多的水流進(jìn)入右汊，進(jìn)而使右汊沖刷加劇。

3.4.2 整治工程對洲灘聯(lián)動(dòng)的影響

（1） 漢陽邊灘與漢口邊灘聯(lián)動(dòng)關(guān)系（圖8（a））。大量研究證實(shí)，漢陽邊灘的淤長和下移為漢口邊灘上段提供沙源，而漢口邊灘上段周期性下移又為下段提供沙源，水下低灘以接力的形式不斷往下傳遞，這也符合順直河型邊灘之間沙量交換多以底沙和成型淤積體運(yùn)移的特點(diǎn)［20］。三峽水庫蓄水后，由于上游沙源減少，邊灘上周期下移的淤積體必然減小，雖然成型淤積體緩慢下移的規(guī)律不會變，但其聯(lián)動(dòng)性表現(xiàn)為有所減弱。武橋水道整治工程和天興洲航道工程守護(hù)了潛洲和天興洲洲頭低灘的完整性，進(jìn)而限制了對岸邊灘的發(fā)育，疊加沖刷導(dǎo)致的邊灘萎縮，工程后邊灘與邊灘的聯(lián)動(dòng)性進(jìn)一步減弱。

（2） 天興洲與漢口邊灘聯(lián)動(dòng)關(guān)系（圖8（b））。分汊河段進(jìn)口一般具有汛枯期之間主流擺幅較大的特點(diǎn)。天興洲上游的順直河段受龜蛇山節(jié)點(diǎn)約束，具有將主流導(dǎo)向左側(cè)的趨向性，并且流量越大，這種作用越強(qiáng);下游河道右側(cè)有武昌深槽和天興洲右汊吸流，使得主流易偏于河道右側(cè)，并且流量越小這種作用越強(qiáng)。三峽水庫蓄水前，由于來沙處于接近飽和狀態(tài)，年際間來水波動(dòng)性大，導(dǎo)致洲頭低灘處主流位置在汛枯期左右擺動(dòng)。已有研究證實(shí)了中水期洲頭低灘漫灘斜流最強(qiáng)，且中水期越長，低灘沖刷幅度越大［20］。上述水沙輸移特點(diǎn)疊加漢口邊灘的周期性下移，導(dǎo)致當(dāng)漢口邊灘淤積體靠近上游時(shí)，洲頭低灘相對萎縮后退;當(dāng)漢口邊灘淤積體靠近尾部時(shí)，洲頭低灘相對高大完整，因而天興洲與漢口邊灘上、下段分別表現(xiàn)為較強(qiáng)的負(fù)相關(guān)性和正相關(guān)性。三峽水庫蓄水后至魚骨壩工程實(shí)施前，雖然漢口邊灘成型淤積體周期下移造成洲頭低灘反復(fù)性地沖刷或淤積的規(guī)律沒有變，但是由于三峽水庫導(dǎo)致的中水期時(shí)間延長，洲頭低灘漫灘斜流強(qiáng)度增大，疊加來沙總量逐漸減少，天興洲洲頭低灘年際間呈持續(xù)萎縮態(tài)勢，因而天興洲與漢口邊灘上下段的聯(lián)動(dòng)性減弱。魚骨壩工程實(shí)施后，雖然梯級水庫蓄水導(dǎo)致上游來沙進(jìn)一步減少，但是工程緩流滯沙效果明顯，且邊灘淤積體周期性下移規(guī)律不變，隨著漢口邊灘下段面積增大，天興洲洲體面積再次增加，因此天興洲與漢口邊灘下段的聯(lián)動(dòng)性表現(xiàn)為再次增強(qiáng)。

（3） 白沙洲、潛洲與漢陽邊灘聯(lián)動(dòng)關(guān)系（圖8（c））。白沙洲洲體的沖退可以為潛洲淤長提供沙源，而潛洲淤長會限制對岸漢陽邊灘的發(fā)育，因此，白沙洲與漢陽邊灘演變存在正相關(guān)的聯(lián)動(dòng)性，白沙洲與潛洲、潛洲與漢陽邊灘演變存在負(fù)相關(guān)的聯(lián)動(dòng)性。三峽水庫蓄水后，由于邊心灘的整體萎縮，洲灘之間的聯(lián)動(dòng)性有所減弱。武橋水道整治工程實(shí)施后，雖然上述聯(lián)動(dòng)性依然存在，但由于潛洲洲體表現(xiàn)為單向的淤積增大，其與漢陽邊灘的聯(lián)動(dòng)性增強(qiáng)，與白沙洲的聯(lián)動(dòng)性明顯減弱。

4 結(jié)" 論

本文以武漢河段為研究對象，采用1952年以來的實(shí)測水沙、地形、床沙等資料，研究沖刷及整治工程疊加作用下的河床沖淤量、灘槽形態(tài)調(diào)整和洲灘聯(lián)動(dòng)特征及驅(qū)動(dòng)成因，主要結(jié)論如下：

（1） 1952—2022年流域年徑流量相對穩(wěn)定，年來沙量為先穩(wěn)定后減少態(tài)勢。三峽水庫蓄水后，武漢河段累積沖刷且枯水河槽沖刷量占全河槽沖刷量的90.4%，斷面趨向窄深化，河相系數(shù)不斷減小。受整治工程影響，不同洲體形態(tài)出現(xiàn)差異性調(diào)整：2001—2021年，鐵板洲和白沙洲明顯沖退，洲體面積分別減少63.1%和61.5%;潛洲和天興洲緩慢淤長，洲體面積分別增加212.3%和14.5%。整治工程加劇了河槽的窄深化趨勢。

（2） 來沙量銳減，河床以0.125 mm≤d＜0.25 mm的細(xì)沙居多，抗沖性較弱，是河床沖刷加劇的先決條件。三峽水庫的削峰補(bǔ)枯作用加劇了鐵板洲和天興洲右汊、白沙洲和潛洲左汊等枯水傾向汊河的沖刷幅度。航道整治工程改變了灘槽沖淤的橫向分布，是江心洲差異性調(diào)整的主導(dǎo)因素，也是天興洲保持左淤右沖的重要原因。

（3） 三峽水庫蓄水前，水下低灘以接力的形式不斷往下傳遞，洲灘演變聯(lián)動(dòng)性強(qiáng)；三峽水庫蓄水至航道整治工程前，由于來沙減少和中水期時(shí)間延長導(dǎo)致洲灘沖刷萎縮，洲灘之間演變聯(lián)動(dòng)性變?nèi)?；航道整治工程?shí)施后，由于工程保持了心灘穩(wěn)定且其緩流滯沙效應(yīng)提高了抗沖性，心灘淤長的同時(shí)壓縮了河道橫向空間，限制了邊灘發(fā)育，疊加來沙的進(jìn)一步減少，邊灘之間、心灘之間演變聯(lián)動(dòng)性進(jìn)一步變?nèi)酰厼┡c心灘之間演變聯(lián)動(dòng)性再次增強(qiáng)。

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