涉河工程影响下长江中游河道演变及水力特性变化研究
时间：2023-04-20 22:40:02 来源：千叶帆 本文已影响人
王 超，王福良，李 浩，柴元方
(1.水发规划设计有限公司，山东 济南 250000；
2.中国水利水电科学研究院，北京 100038；
3.阿姆斯特丹自由大学，荷兰 阿姆斯特丹 1011)
三峡工程运行后，长江中游河道发生了长距离、长历时冲刷，河道水位及形态出现显著调整[1-2]。在河床纵向形态调整方面，何广水等[3]基于演变分析发现上荆江河段普遍发生冲刷。姚仕明等[4]基于河道实测地形分析发现，2002～2012年间宜昌至枝城河段年均冲刷强度约为 24.6万m3，平均冲刷深度约为2.2 m。许全喜[5]基于实测资料分析发现：三峡水库蓄水前城陵矶以上河段冲刷，城陵矶以下淤积，三峡水库蓄水后的河道冲刷已发展至感潮河段，在河口段也表现出冲刷态势。在河床横向形态调整方面，黄莉等[6]研究发现荆江监利河段乌龟洲左汊不断萎缩，右汊不断冲深展宽，整体向窄深化发展。余蕾等[7]基于滑动平均法研究发现沙市河段横断面形态对水沙条件的响应存在滞后性，三峡水库运行后，河床冲刷使得长江近坝段河床显著粗化，并逐渐向下游延伸。郭小虎等[8]研究发现长江中游河段的粗化明显，粒径小于0.125 mm的沙量在长江中游沿程恢复缓慢且远小于蓄水前水平，而大于0.125 mm的沙量在宜昌至监利河段恢复较快。李文萍等[9]研究发现河床粗化使床面糙率显著抬升。
本文旨在探究长江中游河床冲淤、深泓变化、横向调整、床面糙率变化以及岸滩植被生长等在三峡水库运行前后的变化规律，并分析其与同流量下洪、中、枯水位变化之间的联系。
本文的研究河段为三峡大坝下游宜昌至螺山站河段(图1)，该河段受水库调蓄影响最大。沿线主要水文站有宜昌站、枝城站、沙市站、监利站和螺山站。三峡水库下泄水流进入长江中游河段，部分水流于荆江河段三口(松滋口、太平口和藕池口)汇入洞庭湖，另一部分水流则从干流流出。因此，长江中游河床冲淤受三峡水库调蓄影响最大。
图1 研究区域示意Fig.1 Sketch map of study area
2.1 航道整治工程建设影响
为了满足经济发展的需求，长江沿岸线建设了大量涉水工程，如港口、码头和桥梁等。工程的建设不同程度占据了部分河道面积，束窄了河床，从而改变河床横向形态，影响河道过流能力。
航道整治工程的实施，有效守护了岸线，稳定了关键洲滩，稳定或提高了主航道分流比，护底工程限制了河道的不利冲深，一定程度上改变了工程区域局部断面形态，有效提高了航道水深[10]。单体工程洪水位的影响较小：藕池口河段护滩带和护岸工程使水位最大壅值为0.5 cm，且壅水影响多集中在护滩带上游约910 m的范围内，对洪水位的影响小[11]。武穴水道顺坝在设计洪水条件下的横断面阻水面积约为130 m2，仅占行洪断面面积的0.3%，且该工程最大壅水值小于1 cm[12]。可见，航道整治工程对河道行洪的影响较小，对长江中游洪水位抬升的贡献有限。
2.2 岸滩植被影响
三峡工程对中小洪水进行调度后，滩面植被覆盖度增加，特别是杂草等柔性植被密度增加[13]。当水流漫滩时，岸滩植被会壅高一定的洪水位。三峡水库的调度运行改变了坝下游河道流量年内的分配过程，使枯水流量增大，中枯水流量持续时间延长[14]。对于洪水流量，2003～2016年宜昌站流量大于30 000 m3/s的持续天数较水库运行前大幅减少，年均减少约13 d(图2(a))。三峡工程运行后，洲滩淹没概率减小，植被生长时间相对增加，植被密度及植株高度增加，引起同流量洪水位的相对抬升。岸滩植被的生长虽有利于维持河岸的稳定，但也增加了河道糙率，可造成洪水位壅高(图2(b))。
图2 宜昌至螺山站各典型断面冲淤形态Fig.2 Erosion and deposition patterns of typical sections from Yichang Station to Luoshan Station
2.3 河床糙率变化特征
三峡大坝近坝段水流含沙量低，水流不饱和度大，细沙易被带走，河床易粗化。近坝段宜昌至枝城河段为卵石夹沙河床，三峡水库运行后床沙中值粒径显著增加，河床明显粗化。2001年宜昌至宜都河段床沙中值粒径为0.63 mm；
水库运行后第2年(2004年)床沙中值粒径为15.02 mm，为2001年的23.8倍(表1)；
2009年床沙中值粒径为37.54 mm，为2001年的59.6倍。2009年以来，该河段床沙中值粒径有所减小，2011年为21.90 mm。类似地，2003年以来，荆江河段床沙呈现逐年粗化的态势，枝江河段、沙市河段、公安河段、石首河段和监利河段的床沙中值粒径总体呈现增大的趋势。其中，泥沙粒径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 三峡水库运用前后长江中游宜昌河段床沙中值粒径变化
基于实测资料分析，床沙中值粒径与河床糙率之间的关系[15]：
(1)
式中：D50为床沙中值粒径，mm；
m为综合系数，不同河流的m取值不同，且取值范围在19～24之间(为便于计算，本文取其中值21.5)。
表2 三峡水库运用前后长江中游荆江河段床沙中值粒径变化
故基于宜昌至螺山站河段床沙中值粒径及式(1)，可粗略估算三峡水库蓄水后各河段床面糙率变化特征。结果表明：宜昌至宜都河段及宜都至枝城河段的糙率在2001～2009年间显著抬升，且2009年较2001年分别增加了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、石首河段和监利河段在2015年(枝江河段为2014年)的糙率较1998年分别增加了2.7%，2.4%，4.7%，5.3%和3.9%，增幅较小，对水位影响有限。
2.4 岸坡崩岸及河床冲深情况
三峡水库运行后，近坝段近乎于“清水下泄”，河道出现累积性冲刷，改变了河床断面及滩槽形态。河道深槽冲深的同时，伴随河道横向展宽，高滩区域冲刷较为明显，部分河段出现崩岸现象(图3)。据统计，2003～2015年期间，长江中游干流河道共发生崩岸险情826处，崩岸总长度约643.6 km，主要发生在蓄水运用前的崩岸段和险工段范围内。在三峡水库蓄水运用初期，长江中游崩岸较多；
在初期运行期和试验性蓄水期，随着护岸工程的逐渐实施，崩岸强度减弱、频次降低。三峡水库蓄水后，2003～2015年期间荆江河段173个断面中枯水河槽、平滩河槽和洪水河槽展宽。以平滩河槽为例，展宽0，20 m和50 m的断面比例分别为60.1%，34.1%和23.1%(表3)。从不同展宽宽度上看，荆江河段大部分的断面均发生展宽且以枯水河槽展宽为主。尽管长江中游部分汊道可能因为分流分沙比的改变，向窄深化方向发展，但总体而言长江中游河道多为展宽现象。
图3 三峡水库蓄水以来长江中游崩岸长度及次数变化Fig.3 Length and frequency of bank collapse in the middle reaches of Yangtze River since impoundment of Three Gorges Reservoir
表3 三峡水库蓄水后荆江河段断面形态展宽占比
三峡水库运行后，坝下游河道深槽冲深，相对增加了滩槽高差及岸坡高度。宜昌至螺山站河段各典型断面均处于冲刷状态且冲刷部位主要体现在枯水河床，枯水河床高程逐时段显著下降(图4)。根据宜昌62号和69号断面变化可知，2002～2006年期间宜昌河段河床下切深度较大，2006～2015年期间下切幅度显著降低。2003～2008年期间各断面的河床均冲刷下切，其下切深度较小；
2008～2015年期间下切深度有所增加。
综上，三峡水库运行后，长江中游河段断面的冲深和展宽有利于高洪水位的下降，但同时也使长江中游中枯水位呈现明显的下降趋势，导致碍航现象频繁发生。
图4 宜昌站典型断面冲淤形态Fig.4 Erosion and deposition patterns of typical sections of Yichang Station
2.5 河段内冲淤调整对水位的影响
受三峡水库调蓄影响，近坝段宜昌至枝城河段以纵向冲刷下切为主，河势总体较为稳定。由图5可知，宜昌至枝城河段深泓线自2002年后处于冲刷下切状态。与2002年相比，2015年该河段深泓线沿程平均下切约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；
上述两个时段，宜都至枝城河段深泓平均下降3.85 m和4.00 m，年均下切幅度为0.77 m和0.57 m。综上，宜昌至枝城河段的深泓高程变化具有明显的时空变异性：宜都至枝城河段的下切幅度明显大于宜昌至宜都河段；
2009～2015年该河段深泓平均高程的年均下切幅度明显小于2003～2008年。
枝城至沙市河段在水库蓄水后大幅冲刷，与2002年相比，2015年深泓平均高程下切3.45 m(图6)。从沿程变化特征上看，枝城至杨家脑河段与杨家脑至沙市河段深泓分别平均下切3.35 m和3.70 m，降幅较为接近。从沿时变化特征来看，2003～2008年枝城至沙市河段、枝城至杨家脑河段和杨家脑至沙市河段深泓分别下切0.78，0.77 m和0.71 m。2009～2015年深泓平均高程下切幅度显著增大，分别为2.67，2.58 m和2.89 m。与2002年相比，2015年沙市至监利河段深泓平均下切2.49 m。从沿程变化特征上看，沙市至石首河段和石首至监利河段深泓平均下切2.16 m和2.91 m。从沿时变化特征来看，2003～2008年期间沙市至监利河段、沙市至石首河段和石首至监利河段深泓平均下切1.17，0.98 m和1.41 m，2009～2015年分别下切1.32，1.18 m和1.50 m。与2002年相比，2015年监利至螺山站河段深泓平均下切1.16 m，监利至荆江门深泓下切达3.15 m，荆江门至螺山站河段深泓平均高程增加约1.18 m。从沿时变化特征来看，2003～2008年期间监利至荆江门河段、荆江门至螺山站河段深泓高程分别下切0.94 m和0.06 m，2009～2015年分别下切2.21 m和1.24 m。综上，枝城至螺山站河段深泓平均高程的变化具有时空变异性。在空间上，不同河段深泓平均高程的下切幅度最大差值达4.88 m，自上而下深泓下切幅度呈减小的特点；
在时间上，深泓在2003～2008年下切幅度较小，而在2009～2015年下切幅度明显增加，深泓不断下切是长江中游中枯水位下降的主要影响因素之一。
图5 三峡水库蓄水后宜昌至枝城河段深泓线沿程变化Fig.5 Changes of thalweg from Yichang to Zhicheng Reach after impoundment of Three Gorges Reservoir
图6 三峡水库蓄水运用后荆江河段深泓线沿程变化Fig.6 Thalweg variation along Jingjiang Reach after impoundment and operation of Three Gorges Reservoir
3.1 长江中游洪、枯、中水位变化
在三峡水库蓄水运行后，2003～2012年宜昌站、枝城站、沙市站和螺山站在枯水流量级(表4)下的水位分别下降了0.44，0.57，1.87 m和0.74 m。在中水流量级(表4)下，2003～2012年各水文站中水位降幅分别为0.72，0.36，1.39 m和0.70 m。由此可见，自三峡水库运行后，长江中游中枯水位呈明显的下降趋势。与之相比，2003～2012年宜昌站、枝城站、沙市站和螺山站的洪水位略有抬升趋势，分别增加0.12，0.19，0.15 m和0.25 m。
表4 长江中游各水文站流量级选取
3.2 影响因素与水位变化关系
不同流量下水文变化规律与流域自然地理特征及洪水流量变化规律直接相关。基于上述对各影响因素在三峡水库运行前后的变化特征及其与水位变化之间关系的分析，将各影响因素与洪、中、枯水位变化的关系列于表5。
(1) 针对枯水位。崩岸的频繁发生导致了岸线不断展宽(H下1)，加之河床冲深抬升了岸坡高程(H下2)，“清水下泄”使河床冲刷(H下3)以及人工采砂导致床面高程下降，均有助于同流量下枯水位的下降。与之相比，岸线工程的建设束窄了河床(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)，则均有助于同流量下枯水位的抬升。H下1，H下2，H下3和人工采砂等因素对水位下降的影响程度强于H上1，H上2，H上4等因素对水位抬升的影响，即满足公式(2)，故坝下游各水文站的枯水位自三峡水库运行后呈下降趋势。需要注意的是，此处不考虑岸滩植被生长以及江湖关系变化对干流枯水位的变化影响。
表5 各影响因素与洪、中、枯水位变化关系
(2) 针对中水位。各个因素对水位的影响满足公式(3)，与枯水位的公式(2)比较，额外增加了三口分流分沙变化在分流量层面上对干流水位变化的影响(H1)。在各因素作用下，使公式(3)小于0，即在水库运行后，坝下游各水文站的中水位均呈明显下降趋势。
(3) 针对洪水位。当来流流量小于临界转换流量时，则各因素对洪水位的影响满足公式(4)，公式(4)较公式(3)额外增加了岸滩植被生长(H上3)对洪水位的影响。因小于临界转换流量，则洪水位仍然呈下降趋势(公式(4)小于0)。当来流流量等于临界转换流量时，也即满足公式(5)，则洪水位不出现抬升或下降趋势，整体维持稳定。当来流流量大于临界转换流量时，有助于洪水位抬升的影响因素影响程度强于有助于洪水位下降的影响因素，也即满足公式(6)，此时洪水位呈抬升趋势。以宜昌站为例，郭怡等[16]利用一维水沙数值模拟研究发现，地形冲刷下切(H下1+H下2+H下3)使宜昌站2003～2014年期间枯水位下降0.26 m，河道糙率的增加则使枯水位抬升约0.22 m。河床冲刷下切的作用大于河道糙率增加的影响，最终导致宜昌站枯水位为减小趋势。
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：在枝城站同流量条件下，当三口分流量在年际间的变化有助于抬升干流水位时，H1前的符号取正号，反之则取负号；
式中各符号的数值均为绝对值。
本文利用实测资料分析，研究了宜昌至螺山站河段河床横向形态、河床糙率、河床纵向形态(冲淤)和江湖关系在三峡水库运行前后的变化特征，及其与水位变化之间的关联性，取得的主要结论如下。
(1) 河床横向形态调整特征。三峡水库蓄水后，崩岸现象频繁发生，有助于岸线的展宽。在2003～2015年，荆江河段枯水河槽、平滩河槽和洪水河槽的断面展宽比分别为71.7%，60.1%和55.5%，断面的展宽以枯水河槽最为普遍。而港口、码头、桥梁及航道整治工程等岸线工程的建设在一定程度上会束窄河床，且有壅水作用。
(2) 河床糙率变化特征。2001～2009年间宜都至枝城河段的糙率显著增加。2009～2011年期间，该河段的糙率略有降低趋势。2003～2008年间宜昌站中、枯水位下降幅度较小，这与宜昌至枝城河段河床大幅粗化有关。2009年以来，该河段粗化作用基本完成，糙率变化较小。
(3) 沿程深泓变化。宜昌至枝城、枝城至沙市、沙市至监利和监利至螺山站河段，2015年较2002年深泓线沿程分别平均下切约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显小于2003～2008年，这主要是因为随着河床的冲刷，该河段床面逐渐粗化，可冲粒径减少。与之相比，枝城至螺山站河段普遍存在深泓在2003～2008年下切幅度较小，而在2009～2015年呈下切幅度明显增加的变化特征。枝城至螺山站河段深泓平均高程在时间尺度上的变化特征与该河段同流量下中、枯水位在2003～2008年降幅小而在2008～2016年降幅明显增加的变化特征一致。
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