湖北荊江河道演變監測及分析項目綜述

(1.荊州市長江勘察設計院，湖北 荊州 434000； 2. 湖北省水利廳，湖北 武漢 430000)

由于荊江河段距離三峽大壩較近，2003年6月三峽水庫蓄水運用后，在較長時期內難以恢復其下泄的嚴重次飽和水流含沙量。因此，荊江河道的沖刷不僅發生時間早，沖刷幅度也較大，引起局部河段的河勢調整。2007～2016年開展了荊江河道演變監測及分析項目，經過10 a來不斷摸索總結監測分析方法，在傳統的典型斷面比較法、沖刷坑面積法、最深點分析法等基礎上，首次提出了監測導線分析方法，并綜合影響岸坡穩定各因素之間關系，整理了一套“岸坡穩定性綜合評估體系”。荊江河道演變監測分析成果可為荊江防洪及河道工程建設管理提供決策支持。

目前，國內外學者模擬預測河床(含河岸)橫向變形的研究方法主要包括：經驗方法、極值假說方法和水動力學-土力學方法[1]。對崩岸預測理論方面的研究方法還不成熟，預測結果往往與實際情況相差較大，距離實際應用仍存在差距。

荊江河道演變監測及分析項目采用傳統及創新的分析方法，能夠較全面地反映近岸河床變化情況，實現了原來定性判斷到定量分析的轉變，便于實際操作。

1 項目背景

三峽水庫已于2003年6月蓄水運用，同年11月蓄水至139 m，2006年10月壩前水位抬高至156 m，2008年汛后開始試驗性蓄水，同年11月抬高至172.8 m，此后自2010年起連續5 a成功蓄水至175 m。三峽水庫的蓄水運用改變了壩下游河段的來水來沙過程，尤其是來沙過程，必將引起壩下游河段發生新的演變，會對河道防洪、河勢以及堤岸穩定等方面帶來一定影響。

荊江河道的沖刷可能對現有水流頂沖范圍內與貼岸段的未護段岸線以及已護工程的穩定造成不利影響，同時由于長期沖刷可能引起局部河段的河勢調整。尤其是上荊江河段，發生沖刷時間更早，且沙市河彎、郝穴河彎等河段的迎流頂沖段，堤外基本無灘，一旦因沖刷而引起岸線的崩塌，將對荊江防洪安全構成極大威脅。因此，開展三峽水庫蓄水運用后荊江河道監測與分析研究工作是十分必要的。

為及時了解荊江河段河道演變規律，進行河勢演變監測和分析，為河道治理和領導決策提供科學依據，以加強河道崩岸的可預見性，避免崩岸的突發性，爭取崩岸整治的主動性。2006年7月起開展荊江河道演變監測及分析工作，至2016年12月，已連續監測10 a。

2 監測范圍及方法

2.1 監測范圍

水下監測僅對重點河段進行監測。重點河段確定的主要原則是：①近年崩岸劇烈及河床變化較大的岸段；②堤外灘地較窄或者無灘，迎流頂沖，深泓貼岸，防洪地位重要及對河勢變化較大的岸段。

根據“全面監測，重點加強”的原則，該項目又將重點監測河段劃分為3類:

(1)近年來崩岸嚴重的河段，如文村夾、北門口、茅林口等河段。

(2)深泓貼岸迎流頂沖,無灘及窄灘的河段，如沙市觀音磯到谷碼頭、沖和觀到郝穴、公安河灣等河段。

(3)應急性的測量，即突然發生崩岸的河段。

主要監測方法是定時半江水道地形測量和岸上定期觀測。第一類河段75 km，每年測量兩次，汛前一次，汛后一次；第二類河段95 km，每年測量一次，在汛后實施；第三類是應急測量2 km。保持監測范圍相對固定。根據河勢變化情況，在年度任務中局部調整監測河段類型及范圍。

以谷碼頭至觀音磯為例，局部監測范圍導線圖見圖1。

圖1 谷碼頭至觀音磯段監測導線(部分)平面布置

2.2 測量方法

2.2.1 控制測量

據查勘，測區內有國家二、三等平面和高程控制點。平面系統為北京54坐標系，高斯正形投影，3°分帶。高程系統為1956年黃海高程系。

在荊江河段,以國家二、三等平面控制點為引據點布設D級GPS控制網。沿監測河段按劃分每5 km布設一對可通視D級GPS點，GPS點布置在大堤堤肩上。最少聯測12個國家級二、三等平面控制點。

以國家二等高程控制點為引據點布設四等水準路線。用NA2型水準儀按四等水準測量規范施測。最少聯測20個以上二等水準點。每公里高差中數中誤差應小于3 mm。

一級導線測量用TOPCON全站儀按5″級導線測量規范施測，以靜態GPS點為引據點，沿監測河段平均每500 m布設一個埋石導線點。導線測角中誤差應小于5″，最弱點點位中誤差應小于5 cm。

2.2.2 水下地形測量

測圖比例尺為1 ∶2 000，在D級GPS控制點或5″導線點上設置基站，用RTK+回聲儀測量。GPS水下地形測量采用垂直于河道的斷面法測量，斷面間距約為30 m，測量至深泓線以外。一般寬度約300 m，個別重點險段為400 m。

2.3 荊江河勢查勘

原型觀測采用定量的重點河段半江水下地形測量與定性的實地查勘相結合。定性的實地查勘主要是定期、不定期的陸上查勘；每年下半年汛后安排一次河勢查勘，一般在10月中旬至11月上旬。河勢查勘采用乘船方式，從枝城到城陵磯行經近340 km，重點查勘湖北、湖南荊江河段兩岸的河勢變化及新老險工、險段。通過聽介紹、看河勢、查現場、座談會等形式，理論聯系實際，增強感觀認識。通過河道實際發生的河勢變化驗證河道演變分析結果的有效性，合理調整河道演變分析結論。

2007～2013年采用普通照相機拍照的方式記錄現場情況。2014～2016年改進了查勘方法：采用查勘記錄儀記錄拍照地點地理坐標信息，定位行船航跡線；無人機航拍俯瞰總體河勢及岸坡情況；重點河段岸坡土料取樣，實驗采集土料物理力學指標數據。

2.4 監測分析方法

在2007～2009年的河道演變分析中，采用的是典型斷面分析法、沖刷坑面積變化法。典型斷面分析法通過典型斷面的沖淤變化來分析該河段的整體近岸河床變化情況，由于所選取的典型斷面是間隔、不連續的，具有“代表”的局限性，不能全面地反映整個河段的變化情況。沖刷坑面積變化法通過跟蹤近岸河床變化劇烈岸段沖刷坑的面積變化來分析重點河段的近岸沖淤變化情況，由于沖刷坑的選取通常都是彎道迎流頂沖段、磯頭等重點河段，不能代表全河段的情況，只能真實反映局部重點河段的近岸沖淤變化情況。

典型斷面分析方法是從橫向來分析該典型斷面的橫向沖淤變化分布關系，形象、直觀，而在縱向上具有不連續性，無法對其進行量化分析。

考慮到傳統典型斷面分析法、沖刷坑面積變化法的種種局限性，在該項目2008年度報告中，首次提出并使用“監測導線分析法”對近岸河床沖淤變化進行分析。該分析法通過近岸河床變化的若干因素確定一定數量的監測導線平面控制點，并將這些平面控制點連接成一條平順的曲線，該曲線為監測導線，通過監測導線在不同時段的沿程高程變化來研究近岸河床的分析方法。

按以下內容要素確定監測導線的平面位置：① 荊江水下護岸工程的守護寬度一般在50～70 m；② 近岸深槽的內邊緣線距多年平均枯水位線60～150 m；③ 荊江水下護岸工程的水毀一般是從水下坡腳前沿開始，逐漸向河岸方向發展，最終引起岸線崩塌；④ 枯水位水邊線的不平順性；⑤ 枯水期近岸主流線的順暢。

監測導線法分析近岸河床變化，可全面直接反映監測岸段沿線近岸河床的變化情況，克服典型斷面法分析近岸河床變化的代表局限性，達到可直接發現監測岸段近岸河床沖淤變化的沿程(順水流方向，縱向)分布關系，具有總體量化分析的特點。通過監測導線縱向上的連續性，可以明顯發現近岸河床沖淤變化的情況。

以谷碼頭至觀音磯河段為例進行具體分析。三峽水庫蓄水運用以來，該河段演變過程為：沙市觀音磯～谷碼頭段近岸河床經歷了較大幅度→沖淤窄幅調整→進一步小幅沖刷；在年內同一水文時段內，沿程各分區段間呈沖淤交替變化(上段沖刷下段淤積或下段沖刷上段淤積)；在年內不同水文時段內，沿程各分區段近岸河床沖淤變化主要表現為汛期沖刷、汛后中枯水期回淤的沖淤交替變化特點。

2006年6月到2016年11月期間該段近岸河床歷年總的沖刷情況是：水下坡腳前沿平均沖刷幅度5.11 m；沖刷幅度較大的區段主要集中在樁號758+200～755+200段，沖刷量主要發生在2006年6月到2008年11月期間；沖刷幅度較大的部位主要在水下坡腳附近。

為更好地分析海量沖淤數據，2013年引入包絡線，在沖淤監測導線高程沿程變化圖上按間距20 m選取最大值、平均值、最小值，進而連接成沿線高程高位包絡線、沿線高程中位線、沿線高程低位包絡線，完善了基于近岸地形監測成果資料的數據處理方法。

為了發現監測岸段地形變化趨勢和簡化后續分析工作，2014年引入相關的時程變化圖，以監測岸段近岸河床水下坡腳前沿的監測導線高程平均值、監測斷面水下坡比值、沖刷坑面積和最深點高程值為基本資料，建立相關的時程變化圖。一般來說，從時程變化圖可以判斷監測岸段的各個區段目前的狀況和近幾年可能的變化趨勢。

2.5 岸坡穩定性評估體系

影響荊江河道岸坡穩定的因素有：近岸河床的沖淤變化，護岸工程的質量、守護范圍和運行年限，近岸河床的水下坡度變化，岸坡的地質條件、來水來沙條件等。河道岸坡出現不穩定現象不是偶然的，都有隱患產生、積累和爆發的過程，為了便于荊江河道的防洪安全管理，應對有防洪安全隱患的岸段進行及時治理，需要弄清荊江河道岸坡穩定狀態，根據影響荊江河道岸坡穩定的多方面因素，進行綜合評估分類。

綜合考慮影響荊江河道岸坡穩定的各個因素，參考河道行洪安全管理慣例和氣象預報提示慣例，將岸坡穩定風險評估分為一般、二級設防、一級設防、警戒4個等級，對應的顏色提示分別為藍色岸段、黃色岸段、橙色預警岸段、紅色預警岸段。

3 主要成果

40多年來，荊江河道經歷了下荊江裁彎、葛洲壩工程和三峽水庫蓄水運用、系統的護岸工程和航道整治工程、荊南四河和洞庭湖的淤積萎縮等，現在的荊江河道演變基本是人類活動控導影響下的演變，具有趨向穩定性特點。

3.1 枯水、漫灘洪水河勢總體格局

在葛洲壩工程、三峽工程等干流上游大型水庫聯合調度作用下，荊江枯水期水情呈相對平穩狀態，加之航道工程和護岸工程逐段對枯水河床起到明顯的控制作用，工程實施后使整治河段的灘槽平面位置相對確定、枯水河勢格局長期穩定，河勢變化主要表現為工程保護區域前沿砂質河床的沖淤交替變化、以及其變化所引起的主流線小范圍擺動。

葛洲壩、三峽等干流上游大型水庫聯合調度，使大洪峰流量被消減調平，荊江洪水漫灘的水情概率變小；沿江護岸工程使岸線基本穩定，護灘工程使洲體沖刷調整處于可控狀態，對河勢變化可能有影響的河床邊界現基本被護岸、護灘工程所控制，主流的擺動范圍基本穩定在某個區域；在水情被控制、河床邊界基本穩定的情況下，荊江的洪水河勢格局逐漸被工程所控制，主流基本被限定在一定區域內擺動；限定區域內的河床呈沖淤調整變化和少量的崩岸點，不影響荊江總體洪水河勢格局。

表1 上、下荊江河段分時段沖淤深度統計 m

注：“-”表示沖刷，“+” 表示淤積，2003年具體是指2002年10月～2003年10月。

3.2 河床沖淤調整變化

三峽水庫蓄水運用以來，2002年10月至2015年10月，荊江河段枯水河槽累計沖刷泥沙 7.051 6億m3，年均沖刷量為 0.54億m3，遠大于蓄水前1972～2002年的年均沖刷量 0.137億m3。

以2013年荊江固定測量斷面在沙市水文站流量5 640 m3/s(對應枯水河槽)、10 000 m3/s(對應基本河槽)和30 000 m3/s(對應平灘河槽)時的水面寬度為基本資料，計算確定上荊江平均河寬：枯水河槽1 047 m、基本河槽1 223 m、平灘河槽1 503 m；計算確定下荊江平均河寬：枯水河槽914 m、基本河槽1 005 m、平灘河槽1 685 m；上荊江河長171.7 km(荊3～荊82)、下荊江河長175.5 km(荊83～荊186)。計算上下荊江的平均沖刷深度：2002年10月～2015年10月上、下荊江枯水河槽平均沖深分別為2.46 m、1.83 m；2002年10月～2015年10月上、下荊江基本河槽平均沖深分別為2.17 m、1.80 m； 2002年10月～2015年10月上、下荊江平灘河槽平均沖深分別為1.85 m、1.20 m。上、下荊江河段分時段沖淤深度見表1。

荊江不同的區間河道沿時程和流程呈沖淤交替變化，大多數地段河床總的情況是沿程沖刷，沖刷的部位主要是枯水河床，尤其是彎道凹岸中下段的近岸河床沖刷幅度相對較大。

3.3 分汊、彎道、過渡段河勢演變

分汊性河段的的洲頭沖刷后退、靠近主流的洲體側緣崩塌；洲體一經人工控制，在比較長的時期內，出現洲體滅失和主支汊易位的概率較小。以關洲為例，見圖2。

圖2 關洲近期平面(35.0 m高程線)變化

急彎段普遍出現主流撇彎切灘現象，彎道凸岸上邊灘沖刷、下邊灘有所回淤；彎道凸岸上邊灘沖刷發展較快，彎道凸岸下邊灘淤積相對較慢，但持續的時間相對較長，伴隨著彎道頂沖點和凹岸近岸深槽向下游延伸，整個局部河段河勢具有向下游緩慢蠕動的特點。

彎道凹岸近岸河床沖刷區的調整變化，使得部分護岸工程段出現滑挫崩岸現象、護岸工程段緊鄰下游的未護岸段出現崩岸現象；已護岸工程段出現滑挫崩岸現象對河勢影響有限，但對防洪影響明顯；未護岸段出現崩岸現象對河勢影響明顯。

枯水河床沖刷使過渡段散灘游動性增強，在航道工程的控導作用下，散灘基本被穩定在規劃設計的平面范圍內淤長聯片，枯水河勢趨向穩定變化。

3.4 歷史險工段、河道崩岸特性

從歷史深槽的監測分析成果來看：其沖刷下切已基本到達了一個極值，歷史深槽所在局部河段枯水河床的沖刷拓寬比沖刷下切要更容易；新深槽往往在彎道凹岸下段近岸河床逐步形成；主流線平面位置不因河道深槽的沖淤變化而調整，主流線平面位置變化影響河道深槽沖淤分布。

隨著荊江河段人類工程的密度加大，對河勢的控制力度將逐步增強，在較長時期內，主流將被控制在一定平面范圍內變動，河道崩岸是河道演變的表現形式之一[2]。部分護岸近岸河床長期沖刷下切，在不進行水下工程維護加固的前提下，水下工程將逐步水毀失效，相關護岸段岸坡穩定風險經歷了相當長時間的積累，發生崩岸將是必然的，護岸段崩岸具有時間周期性；少量局部護岸段小范圍區域可能提前出現崩岸，呈現偶發性。主流貼岸下行的未護岸段，近岸河床長期沖刷下切具有持續性，在不進行守護的前提下，河岸崩塌將持續較長的時期。2006～2016年荊江河道崩岸統計見表2。

表2 2006～2016年荊江河道崩岸統計

4 成果應用

荊江河道演變監測及分析項目從2007年開始，實施10 a來，每年進行河勢查勘、水下地形測量、河道演變分析，編制年度河勢查勘報告、河道演變分析成果報告等工作，并接受湖北省水利廳組織的專家驗收，獲得驗收專家一致認可。

根據河道監測分析成果，有助于確定荊江(湖北段)河勢控制工程及三峽后續工作項目的規劃范圍和工程實施的先后次序，作為部分河道工程項目申報、規劃設計的技術支撐。目前，已在河勢控制應急工程、崩岸應急整治工程、碼頭防洪評價等方面得到了具體應用，效果良好。

年度監測分析成果報告提供了荊江河道實時變化動態，為準確把握防汛重點、及時有效應對突發險情和應急整險提供了技術支持。

5 結 語

該項目探討了荊江河勢監測的分析研究方法，2007年使用傳統的典型斷面比較法、沖刷坑面積法、最深點分析法；2008年對研究方法進行了創新，首次提出了監測導線分析方法；2009～2010年在監測導線分析方法的基礎上，結合傳統分析方法，綜合影響岸坡穩定各因素之間關系，整理了一套“岸坡穩定性綜合評估體系”[3]；2013年引入包絡線，完善了基于近岸地形監測成果資料的數據處理方法；2014年引入相關的時程變化圖，用于發現監測岸段地形變化趨勢和簡化后續分析工作。

通過以上分析評估體系，可以較全面、完整地反映荊江河道監測岸段岸坡穩定性狀況，并對其進行風險預警。目前岸坡穩定性綜合評估體系還不夠完善，希望通過不斷的研究探討，逐步修訂完善綜合評估體系，摸索出荊江河道的演變規律，為荊江河道的治理提供科學決策。