三峽水庫蓄水后長江中游典型彎曲分汊河道的調整響應

(1.武漢大學 水資源與水電工程科學國家重點實驗室，湖北 武漢 430072；2.長江科學院 河流研究所，湖北 武漢 430010)

三峽水庫蓄水后長江中游典型彎曲分汊河道的調整響應

黃莉1,2姚仕明2朱勇輝2藺秋生2岳紅艷2張慧2

(1.武漢大學水資源與水電工程科學國家重點實驗室，湖北武漢430072；2.長江科學院河流研究所，湖北武漢430010)

三峽水庫已蓄水運用10余年，壩下游長江中游各彎曲分汊河道已出現不同程度的沖淤響應，呈現出一定的河道調整規律。鑒于此，采用宜昌站、沙市站和漢口站水文觀測數據，在分析三峽水庫蓄水前后長江中游水沙變異特征的基礎上，以監利河段、武漢天興洲河段和戴家洲河段為典型分析河段，就河道平面變化、主支汊沖淤調整與汊道分流比3個方面，探析了三峽水庫蓄水運用以來長江中游彎曲分汊河道的調整響應特點。結果表明，三峽水庫蓄水運用后，長江中游彎曲分汊河道平面形態基本穩定，河道沖刷主要發生在枯水河槽；蓄水后分汊河段兩汊中短汊發展較快，支汊有所萎縮。江心洲洲體沖刷萎縮，但受近年來實施的航道整治工程制約，這一沖刷趨勢有所減緩。研究成果可為壩下游彎曲分汊河段的河道規劃、設計及治理等提供參考。

沖淤調整;彎曲分汊河道;分流比;長江中游;三峽大壩

河流系統是一個隨著流量和輸沙量變化而河道形狀、梯度、平面等調整趨于平衡的開放式動態系統。為開發利用河流豐富的水(能)資源，人們在河流上修建了諸多水利工程。大量的研究結果表明，水利工程在發揮效益的同時將會對下游河道來水來沙造成一定影響，而這種水沙條件往往受上游水庫的數量及運行調度方式等影響較大，從而形成下游河道較為復雜的響應變化。Chien和Petts早在1979年和1985年就對多座水庫建設后河道形態的復雜響應進行了研究[1-2]。針對三峽水庫蓄水運用后壩下游水沙變化和河道調整影響問題，一些學者開展了研究[3-15]，發現三峽水庫蓄水后，長江中游河道出現劇烈調整，之前河道的季節性沖淤幾乎消失。分汊型河段是沖積平原河流中一種常見的河型，在長江中下游河道中普遍存在。據統計，長江中下游城陵磯至徐六涇段分汊河道汊道段總長906.2 km，占河段全長的69.5%[16]。彎曲分汊河道作為分汊河道的一種，其演變既有分汊河道的演變特性，同時也遵循彎曲河道的一般演變規律。因此，開展三峽水庫蓄水運用后彎曲分汊河道的調整規律研究具有重要的理論及現實意義。

本文選取長江中游監利、天興洲、戴家洲3個彎曲分汊河道，在分析長江中游水沙變化的基礎上，從河道平面變化、主支汊沖淤調整和汊道分流比變化3個方面總結歸納了三峽水庫蓄水運用以來長江中游彎曲分汊河道的調整響應特點。該研究進一步深化了對水庫下游彎曲分汊河段演變規律的認識，可為三峽水庫及類似水庫下游彎曲分汊河段的河道治理規劃提供參考。

1 河道概況

研究河段均位于三峽大壩以下的長江中游(圖1)。其中監利彎曲分汊河段位于江湖關系復雜的荊江河段，地處下荊江河段中部，下臨上車灣人工裁彎段(1969年實施裁彎)，左岸有受荊江大堤和監利江堤保護的廣袤的江漢平原、江漢油田及武漢市等，其地理位置十分重要。河段上起姚圻腦，下至鋪子灣，全長14.7 km，江中烏龜洲將水流分為左、右兩汊，汊道段最大曲折率為1.75[17]。自分汊河型形成以來，監利分汊河段的河道形式始終保持不變，但左、右汊存在興衰交替變化，自1995年冬以來右汊一直為主汊。

天興洲彎曲分汊河段，上起余家頭，下迄廻家咀，全長約14 km，汊道段最大曲折率1.18。河段兩岸均有堤防控制，加之河段內實施了大量的整治工程，近100多年來，河道外形基本穩定，但主支汊存在交替變化，自20世紀70年代以來基本維持右汊為主汊的格局未變。目前該河段呈枯水位為單一河道，高中水期為分汊河道的河勢。

戴家洲彎曲分汊河段上起燕磯，下廻風磯，全長34 km，汊道段最大曲折率1.47，為長江中游重點礙航淺灘河段。江心洲戴家洲分河道為左、右兩汊，左汊彎曲，右汊順直。20世紀50年代前，戴家洲左汊一直為主汊，1954年特大洪水后，左汊逐步衰退，右汊逐漸發展。1965年該河段發生了主支汊易位，右汊發展為主汊，但近幾年左、右汊分流比較接近。

圖1 三峽大壩下游典型彎曲分汊河道位置

2 蓄水前后長江中游水沙變化

2.1 年徑流量與年輸沙量

三峽水庫蓄水以來，受水庫的調蓄影響，壩下游長江中游來水來沙條件發生變化[18]。據統計(表1)，三峽水庫蓄水以來，宜昌站、沙市站、漢口站多年平均年徑流量變化均不大，但輸沙量大幅度減少，較蓄水前分別減小89.7%，81.2%，66.2%，減小幅度沿程變小。蓄水后，多年平均含沙量也有所減少，但宜昌-沙市區間，含沙量有所增加，說明沿程有所恢復，而沙市-漢口區間含沙量稍有減小，除了沿程懸移質泥沙存在落淤外，這與洞庭湖出流含沙量較低有一定關系，三峽水庫蓄水以來(2003～2012年)，城陵磯(七里山)站多年平均含沙量為0.076 kg/m3。另外，三峽水庫蓄水以來，長江中游(除宜昌站)年平均懸移質泥沙中值粒徑小于蓄水前數值，其余各站點均大于蓄水前的數值[18]。

表1 長江中游典型水文站水沙特征值

注：表中三峽水庫蓄水前統計時段為1991～2002年，蓄水后統計時段為2003～2015年。

2.2 徑流過程與輸沙過程

在三峽水庫調節作用下，壩下游盡管總下泄水量與天然來水量基本一致，但徑流過程發生一定調整，主要表現為原有小流量級(如監利站以上小于5 000 m3/s流量級、監利站以下小于10 000 m3/s流量級)持續時間明顯縮短；中水流量持續時間加長，尤其是中小水流量級，如宜昌、沙市、監利站5 000～10 000 m3/s流量級，螺山、漢口站10 000～20 000 m3/s流量級；洪峰流量削減，大于30 000 m3/s流量級的中高水持續時間有所減少。總之，與蓄水前相比，三峽水庫蓄水后長江中游各站汛期來水比例有所減小，枯期來水比例相應增加。此外，蓄水后，下泄的不同粒徑組沙量均大幅度減少，并且懸移質不同粒徑組沙量恢復速率與距離也截然不同[19]，dlt;0.125 mm沙量在長江中游沿程恢復緩慢，宜昌-監利河段dgt;0.125 mm泥沙恢復速率較快，在監利站附近基本接近恢復飽和。

3 蓄水后壩下游河道調整特征

3.1 河道平面變化

自監利分汊河段形成以來，一直保持著雙汊的河勢格局，受兩岸堤防及護岸工程制約影響，多年來河道平面形態較為穩定，但主流在左、右汊之間交替變化，三峽水庫蓄水運行以來，右汊一直為主汊。主流在進口放寬段及匯流段以下擺動頻繁，從而導致烏龜洲右緣及河段左岸太和嶺-鋪子灣、右岸丙寅洲邊灘一帶岸線崩退嚴重。烏龜洲在三峽水庫蓄水運用以來呈現沖刷萎縮，2008年以后隨著烏龜洲洲頭、洲體右緣及尾部一系列航道整治工程的實施，洲體基本穩定。

武漢天興洲分汊河段自20世紀70年代以來主流一直位于右汊，僅在分流區和匯流區主流平面擺幅較大，其余位置相對較為穩定。三峽水庫蓄水運用以來，分流區主流最大擺幅達830 m，匯流區最大擺幅約1 100 m；天興洲洲體整體較為穩定，2003～2004年在天興洲洲頭局部實施了洲頭守護工程，隨后洲頭雖有沖淤，但累積向上游淤長。

戴家洲分汊河段右汊自1965年發展為主汊后，一直維持主汊地位。上游水流經分流后分別進入左、右汊道，由于右汊河道相對較寬，主流在分流區及右汊擺動最為劇烈。戴家洲洲體的變化主要表現為洲頭消長，洲體中部與尾部均沒有明顯變化。

3.2 主支汊沖淤調整

(1) 沖淤量與沖淤分布。自三峽水庫蓄水運用以來，長江中游典型彎曲分汊河道左、右汊有沖有淤，右汊均累積表現為沖刷，監利河段左汊與戴家洲河段左汊雖累積也表現為沖刷，但沖刷幅度不及右汊，且越往下游，右汊與左汊沖刷幅度懸殊越大，如2006年2月～2014年2月，戴家洲分汊河道右汊累積沖刷量是左汊的近9倍；武漢天興洲分汊段左汊在統計年份內則累積表現為淤積，以2008年10月～2014年12月的淤積最為嚴重(表2)。此外，河道主要以枯水位以下河槽沖刷為主，枯水位與平灘水位之間的河槽有沖有淤，但沖淤幅度均不及枯水河槽，彎道兩岸堤防、護岸工程的制約與三峽水庫下泄水沙條件的變化等是影響以上變化的主因。

表2 長江中游典型彎曲分汊河道左、右汊沖淤變化 萬m3

注：“+”為淤，“-”為沖

(2) 深泓高程縱向變化。三峽水庫蓄水運用以來，監利分汊河段左、右汊均呈現沖刷發展，深泓高程均表現為不斷降低，右汊進口附近深泓降低幅度最大(圖2(a))，達14.0 m，這與上游主流頂沖點下移及右岸邊灘淤長壓縮河槽等密切相關；武漢天興洲分汊河段左、右汊深泓高程變化相對較為穩定，左汊累積稍有淤高，右汊在節點位置深泓高程變化不大，其余部分累積有所降低(圖2(b))；戴家洲分汊河段左、右汊深泓高程整體較為接近，左汊一開始深泓高程均低于右汊，隨著右汊的不斷沖刷發展，右汊深泓高程降低，左汊下半段深泓高程較穩定，上半段深泓高程累積略有抬高，左、右汊深泓高程逐漸接近，但至2014年2月右汊大部分位置深泓高程仍略高于左汊(圖2(c))。

圖2 三峽水庫蓄水運用以來長江中游典型彎曲分汊河段深泓線縱剖面變化

綜上所述，三峽水庫蓄水運用以來，長江中游彎曲分汊河道兩汊中較短的一汊得到了進一步發展，長汊則以淤積或小幅度沖刷為主。

3.3 汊道分流比變化

20世紀90年代初，監利分汊河段左汊逐漸萎縮，右汊沖刷發育，至1995年冬，右汊正式發展成為主汊；2001年后至三峽水庫蓄水運用前，左汊枯水期分流比為3.5%～7.2%；中洪水期分流比稍大，為8.4%～14.1%。三峽水庫蓄水運用以來(2003年6月～2008年10月)，左汊分流比有所減小，枯水期與中洪水期平均分流比分別為3.0%和9.1%，較蓄水前進一步萎縮。

20世紀80年代中期至今，天興洲分汊河段左汊枯水期分流比較小，小流量時基本斷流，但汛期分流比仍占30%左右，主要是由于汛期流量增大時，天興洲上游河道順直，水流動力軸線左移，左汊隨之迎流。三峽水庫蓄水運用以來，天興洲左汊枯水期與中洪水期分流比均有所減小，枯水期時，左汊分流比大于分沙比，中、洪水期分流比小于分沙比[20]。

自20世紀60年代中期以來，戴家洲分汊河段左汊一直為支汊，2003年8月在流量27 900 m3/s時該汊分流比為49.9%，隨后左、右汊分流比基本維持這一接近的狀態，2003-2010年左汊枯水期平均分流比為51.0%，中洪水期為46.2%，即中洪水期左汊分流比較枯水期略小。左汊河床高程偏低以及上游來流大水趨直、小水走彎影響是造成這一變化的主因。

由此可見，三峽水庫蓄水運用以來，長江中游彎曲分汊河道支汊分流比無論在枯水期，還是在中洪水期均呈現減小趨勢，即支汊有所萎縮。

4 結 語

受水庫調蓄影響，三峽水庫蓄水運用后，壩下游河道水沙條件發生變異，從而引起下游河道發生相應調整。彎曲分汊河道是長江中下游典型的分汊河型，在三峽水庫蓄水運用以來河道平面形態基本穩定，江心洲主要表現為洲體沖刷萎縮，以洲頭及洲體右緣沖刷為主，但受近年來實施的航道整治工程制約，這一沖刷趨勢有所減緩。整個河道累積表現為沖刷，且主要沖刷枯水河槽；雙汊分汊河道中較短的一汊發展較快，長汊則以淤積或小幅度沖刷為主。支汊分流比呈現減小的趨勢，即支汊有所萎縮。建議加強彎曲分汊河道主流頂沖岸段的河勢監測，以防新的崩岸險情發生。

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(編輯：唐湘茜)

2017-09-15

科技部重點研發專項項目(2016YFC0402305)；中央級公益性科研院所基本科研業務費項目(CKSF2017041/HL)

黃 莉，女，武漢大學水資源與水電工程科學國家重點實驗室和長江科學院河流研究所，高級工程師，博士研究生.

1006-0081(2017)11-0035-04

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