三峽水庫蓄水后荊江河段沙質(zhì)推移質(zhì)特征分析

謝靜紅　唐劍　王琴

摘要：為了研究三峽水庫蓄水后長江中下游河道沖淤及發(fā)展趨勢，采用2003～2017年實測水文資料，分析了三峽水庫蓄水后荊江河段沙質(zhì)推移質(zhì)變化特征，并從來沙條件、斷面沖淤及流速、流量變化等方面闡述了變化原因。分析結(jié)果表明：三峽水庫蓄水運用后，荊江河段沙質(zhì)推移質(zhì)輸沙量基本呈逐年減小沿程.增加趨勢;推移質(zhì)輸沙主要集中在汛期5～10月;枝城站沙質(zhì)推移質(zhì)中值粒徑變化復(fù)雜，沙市站沙質(zhì)推移質(zhì)中值粒徑基本呈逐年增大趨勢，監(jiān)利站沙質(zhì)推移質(zhì)中值粒徑變化不大且基本呈沿程減小趨勢。沙質(zhì)推移質(zhì)中值粒徑變化主要受斷面沖淤以及流速、流量變化影響。

關(guān)鍵詞：沙質(zhì)推移質(zhì);輸沙量;中值粒徑;沖淤變化;三峽水庫蓄水;荊江河段

中圖法分類號：TV142.2 文獻標志碼：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2020.07.009

三峽水庫蓄水運用后，壩下游水沙條件發(fā)生變化。由于受枯水流量補償、河床沖刷的影響，壩下游河段枯水期水位發(fā)生不同幅度下降。同時，近年來，壩下游河段懸移質(zhì)沿程恢復(fù)，礫卵石推移質(zhì)極少，沙質(zhì)推移質(zhì)輸移成為該河段河床主要運動形式之一。荊江河段為長江中游段重要的航道，尤其是關(guān)洲水道、蘆家河水道、枝江水道等，河床演變特征對通航和航道整治具有十分重要的意義。

荊江河段上游為沙夾卵石河床，下游為沙質(zhì)河床。許多研究對三峽水庫蓄水以來荊江河段的水沙變化進行了分析的，并取得了豐碩的成果，但針對荊江河段沙質(zhì)推移質(zhì)變化特征研究較少。因此，本文將利用2003～2017年間的實測資料，對三峽水.庫蓄水后荊江河段沙質(zhì)推移質(zhì)的變化特征進行分析，為研究三峽水庫蓄水后長江中下游河道沖淤及發(fā)展趨勢提供科學(xué)依據(jù)。

1研究區(qū)域與數(shù)據(jù)來源

荊江河段起于湖北枝城，止于湖南洞庭湖口的城陵磯，以藕池口為界分為上、下荊江。上荊江河段河床為微彎分漢河段，千流有枝城、沙市控制站;下荊江河段為蜿蜒型河段，有石首、監(jiān)利控制站（見圖1）。荊江河段北岸為荊江大堤，南岸為荊南長江干堤及岳陽長江千堤，河段南岸有松滋口、太平口、藕池口及調(diào)弦口（于1958年建閘）分長江水入洞庭湖[6，8]

三峽水庫于2003年6月開始蓄水運用，為分析水庫蓄水后荊江河段沙質(zhì)推移質(zhì)的變化情況，本文采用的資料為三峽水庫蓄水后（2003～2017年）荊江千流3個水文站（枝城站、沙市站、監(jiān)利站）的實測水沙資料。

2荊江河段水沙變化特征

荊江河段來水量主要由包括宜昌以上長江千流來水量以及清江人匯水量（人匯水量約占宜昌來水量的3%）。上游有瑪瑙河和沮漳河人匯，其中瑪瑙河人匯水量極小，沮漳河入?yún)R水量約占宜昌來水量的0.6%。以2003年為界，分為三峽水庫蓄水運行前（1993～2002年）和運行后（2003～2017年）2個時期，該河段來水來沙特征以枝城、沙市、監(jiān)利站為代表。荊江河段來水來沙特征見表1。

統(tǒng)計成果表明：三峽水庫蓄水運行前、后，荊江河段多年平均來水量（枝城站徑流量）分別為4346億m'和4146億m'，三峽水庫蓄水運行后枝城來水量相對蓄水運行前減少了4.6%。

荊江河段泥沙主要來自枝城以上長江干流，清江來沙量極小。20世紀90年代后長江上游來沙量逐漸減少，三峽水庫蓄水運行后，長江上游泥沙大量沉降在庫區(qū)內(nèi)，河段來沙量大幅減少，三峽水庫蓄水前后多年平均來沙量（枝城站輸沙量）分別為38160萬t和4339萬t，三峽水庫蓄水運行后枝城來沙量相對蓄水運行前減少了88.8%。

同時，三峽水庫蓄水近13a來，荊江河段沙市站、監(jiān)利站均未測到卵石沙樣，且根據(jù)三峽水文泥沙觀測河演分析，近期河槽內(nèi)卵石沙樣將不會推移到沙市斷面。枝城站卵石沙樣也很少，甚至幾乎沒有。因此，荊江河段泥沙主要為懸移質(zhì)、推移質(zhì)及床沙。沙質(zhì)推移質(zhì)變化特征

3.1輸沙量年際變化

表2為3個水文站的沙質(zhì)推移質(zhì)年輸沙量統(tǒng)計結(jié)果。從表2可看出：三峽水庫蓄水以來，枝城站2003～2006年推移質(zhì)輸沙量逐年減小，2007年突然增大，2008～2017年又基本呈減小趨勢;沙市站2005～2008年推移質(zhì)輸沙量有明顯變小趨勢;監(jiān)利站基本呈逐年減小趨勢，但變幅不大。

枝城站2003～2017年間多年平均沙質(zhì)推移質(zhì)輸沙量為152萬t，最大為2003年的520萬t，最小為2016年的10.5萬t;沙市站2003～2017年多年平均沙質(zhì)推移質(zhì)輸沙量為183萬t，最大為2005年的327萬t，最小為2017年的103萬t;監(jiān)利站2009～2017年多年平均沙質(zhì)推移質(zhì)輸沙量為276萬t，最大為2011年的382萬t，最小為2016年的177萬t。從各年變幅來看，枝城站變幅最大，沙市站其次，監(jiān)利站最小。

三峽水庫蓄水運用后，荊江河段沙質(zhì)推移質(zhì)基本呈逐年減小趨勢。2017年，枝城站、沙市站、監(jiān)利站推移質(zhì)輸沙量分別為37.6萬、103萬t和183萬t。從沿程變化來看，枝城至監(jiān)利河段推移質(zhì)輸沙量沿程增加，由枝城站的37.6萬t增至監(jiān)利站的183萬t。各站沙質(zhì)推移質(zhì)年輸沙量變化見圖2。

3.2輸沙量年內(nèi)變化

表3為3個水文站沙質(zhì)推移質(zhì)多年月平均輸沙量統(tǒng)計結(jié)果。由表3可看出：荊江河段沙質(zhì)推移質(zhì)主要集中在汛期5～10月，枝城站、沙市站、監(jiān)利站5～10月沙質(zhì)推移質(zhì)輸沙量分別占全年的93.4%、78.7%、77.1%。

三峽水庫蓄水以來，枝城站、沙市站、監(jiān)利站沙質(zhì)推移質(zhì)多年月平均輸沙量變化見圖3。從沿程變化來看，荊江河段沙質(zhì)推移質(zhì)月輸沙量從枝城至監(jiān)利呈沿程增加趨勢，與沙質(zhì)推移質(zhì)年輸沙量變化規(guī)律基本一致。

3.3顆粒粒徑變化

表4為3個水文站的沙質(zhì)推移質(zhì)年中值粒徑統(tǒng)計結(jié)果。從表4可以看出，三峽水庫蓄水以來，2003～2017年枝城站沙質(zhì)推移質(zhì)多年中值粒徑為0.348mm，最大為2007年的0.820mm，最小為2003年的0.240mm;2003～2017年沙市站沙質(zhì)推移質(zhì)多年中值粒徑為0.249mm，最大為2016年的0.297mm，最小為2003年的0.191mm;2009～2017年監(jiān)利站沙質(zhì)推移質(zhì)多年中值粒徑為0.213mm，最大為2011年的0.225mm，最小為2013年與2017年的0.203mm。

三峽水庫蓄水運用后，荊江河段枝城沙質(zhì)推移質(zhì)中值粒徑變化復(fù)雜：2003～2007年，枝城站沙質(zhì)推移質(zhì)中值粒徑呈逐年增大趨勢，2010～2016年呈逐年減小趨勢，這與枝城站床沙變化規(guī)律基本一致[10]，即2003～2009年，枝城站斷面床沙發(fā)生不同程度的粗化，2007年粗化程度最為明顯，2010～2017年粗化速率慢于2003～2009年粗化速率。沙市站沙質(zhì)推移質(zhì)中值粒徑基本呈增大趨勢，監(jiān)利站沙質(zhì)推移質(zhì)中值粒徑變化不大。2017年3個站年平均中值粒徑分別為0.320，0.282mam和0.203mmo從沿程變化來看，枝城至監(jiān)利河段推移質(zhì)中值粒徑沿程減小，由0.320mm減小至0.203mm。各站沙質(zhì)推移質(zhì)年中值粒徑變化見圖4。

4變化原因分析

荊江河段3個水文站沙質(zhì)推移質(zhì)測驗均采用Y78-1型采樣器，在一定的水沙條件下，床沙、推沙（推移質(zhì)泥沙）、懸沙（懸移質(zhì)泥沙）相互交換。因此，荊江河段沙質(zhì)推移質(zhì)不僅受采樣設(shè)備的影響，也受上游來沙條件、河道沖淤以及水力要素等諸多因素的影響。

4.1上游來沙條件

1993年以來，按照三峽水庫建設(shè)及蓄水過程分為蓄水前（1993～2002年）、圍堰蓄水期（2003～2005年）、初期蓄水期（2006～2008年）和試驗性蓄水期（2009～2017年）4個階段，根據(jù)3個站實測資料分時段統(tǒng)計荊江河段懸移質(zhì)含沙量變化特征，見表5。

表5表明：1993～2000年間，河段內(nèi)年均懸移質(zhì)含沙量呈現(xiàn)震蕩波動變化;2001～2003年間，河段年均懸移質(zhì)含沙量大幅減小;2003年三峽水庫蓄水運行后，河段年均懸移質(zhì)含沙量沿時震蕩減小，枝城站、沙市站、監(jiān)利站沿程逐漸增大，與三峽水庫蓄水運行后壩下游河床沖刷補充懸移質(zhì)情況相符。

3個站1993年以來歷年輸沙率及懸移質(zhì)級配測驗整編成果計算分析表明：三峽水庫蓄水運行以來，隨著上游來沙量逐漸減少，3站含沙量相應(yīng)減少，各分組（<0.031mm，0.031～0.125mm，0.125～2.00mm）含沙量亦同步減小。受壩下游河床沖刷影響，3站的含沙量沿程逐漸增大，各分組含沙量沿程變化則顯現(xiàn)不同特點。其中，對于s0.031mm組含沙量，2003～2017年枝城至監(jiān)利段沿程無明顯變化;對于0.031～0.125mm及0.125～2.00mm組含沙量，2003～2017年枝城至監(jiān)利段全程補充，且0.125～2.00mm組含沙量補充更加明顯，沿程級配粗化愈加明顯。

同時，三峽工程運用后大量泥沙在庫前淤積，下泄水流含沙量處于嚴重不飽和狀態(tài)，下泄清水持續(xù)沖刷河床，造成長江中游河段床沙逐年粗化，其中枝城河段粗化情況最為明顯，且沖刷部位集中在枯水河槽I9-10]：2003～2017年，枝城站床沙逐年粗化（2007年粗化最為明顯）;斷面床沙中值粒徑總體呈.上升趨勢（中值粒徑在2007年發(fā)生突變），并在2010年以后有一定波動，但波動幅度較小。

總體來看，三峽工程運用后荊江河段來沙大幅減少，但懸移質(zhì)含沙量從枝城至監(jiān)利斷面沿程增加，同時清水下泄導(dǎo)致河床粗化，沿程級配粗化愈加明顯。由于在一定水沙條件下，床沙、推沙（推移質(zhì)泥沙）、懸沙（懸移質(zhì)泥沙）相互交換，從而導(dǎo)致荊江河段推移質(zhì)基本呈逐年減少、但沿程增加變化特點。

4.2河道沖淤變化

由枝城站、沙市站、監(jiān)利站3個站2003～2017年典型年份實測大斷面資料點繪大斷面圖（圖5～7）可見：枝城斷面左岸沙質(zhì)河床沖刷明顯，右岸礁板河床基本穩(wěn)定，但大斷面總體呈逐年沖刷趨勢，且變幅越來越小，深泓線變化很小，河床基本處于穩(wěn)定狀態(tài)。沙市斷面年際間變化沖淤互現(xiàn)，低水部分沖刷明顯，近岸部分岸坡變陡，深泓不斷加深。監(jiān)利大斷面變化劇烈，但未有明顯的沖深變化趨勢。

從沿程變化來看，荊江河段千流從枝城至監(jiān)利沿程沖刷，整體趨勢增強：枝城站斷面近幾年河床較為穩(wěn)定，沖刷逐年減弱、變幅越來越小;沙市站斷面沖淤互現(xiàn)，低水部分沖刷明顯;監(jiān)利站斷面沖淤變化劇烈。

根據(jù)該河段2003～2017年實測資料計算成果，枝城至監(jiān)利河段枯水河槽、平均河槽、平灘河槽（相應(yīng)宜昌流量5000，10000，30000m'/s水面線下河槽）的沖淤量計算成果見表6。

計算結(jié)果表明：2003～2005年圍堰蓄水期，河段河床加速沖刷，以枯水河槽沖刷為主，枯水河槽沖刷量占平均河槽沖刷量的93.3%。2005～2008年初期蓄水期，河段枯水河槽繼續(xù)沖刷，但沖刷強度較圍堰蓄水期有所減緩，10000m'/s水面線以上至30000m'/s水面線有所復(fù)淤。2008～2017年試驗蓄水期，河段河床再次加速沖刷，并以枯水河槽沖刷為主，枯水河槽沖刷量占平灘河槽沖刷量的97.6%。總體來看，自2003年以來，研究河段河床以枯水河槽沖刷為主，平均河槽至平灘河槽之間則略有淤積。

由于枝城斷面一直呈沖刷狀態(tài)，沖刷逐年減弱、變幅越來越小。沙市站斷面沖淤互現(xiàn)，低水部分沖刷明顯。監(jiān)利站斷面沖淤變化劇烈。因此，荊江河段枝城至監(jiān)利段推移質(zhì)輸沙量逐年減少，但沿程增加。推移質(zhì)中值粒徑變幅沿程減小。同時，2003～2005年河段河床加速沖刷，2005～2008年沖刷強度減緩，2008～2017年該河段河床再次加速沖刷，枝城站推移質(zhì)輸沙量變化明顯，沙市站2005～2008年推移質(zhì)輸沙量有所減小。

4.3斷面流速、流量影響

枝城站采用與流速建立指數(shù)公式的方法對2003～2007年沙質(zhì)推移質(zhì)輸沙量進行擬合推求，采用與流量建立指數(shù)公式的方法對2008～2017年沙質(zhì)推移質(zhì)輸沙量進行擬合推求;沙市站采用與流速建立指數(shù)公式的方法對2003～2009年沙質(zhì)推移質(zhì)輸沙量進行擬合推求，采用與流量建立指數(shù)公式的方法對2010～2017年沙質(zhì)推移質(zhì)輸沙量進行擬合推求;監(jiān)利站采用與流量建立指數(shù)公式的方法對2009～2017年沙質(zhì)推移質(zhì)輸沙量進行擬合推求。總體來看，3站沙質(zhì)推移質(zhì)輸沙量隨著流量（或流速）的增大而增大則。汛期流速、流量均較大，與沙質(zhì)推移質(zhì)輸沙量年內(nèi)分配規(guī)律吻合。

根據(jù)實測流量資料，點繪枝城站2004～2007年斷面平均流速變化圖（見圖8）。由圖8可看出，2007年汛期枝城站流速較大，導(dǎo)致該站推移質(zhì)輸沙量及中值粒徑均發(fā)生突變。

同時，2007年枝城站沙質(zhì)推移質(zhì)中值粒徑較大的原因還包括：①汛期（6～9月）沙質(zhì)推移質(zhì)粒徑較大，導(dǎo)致年中值粒徑也大;2枝城段河床泥沙粒徑逐年粗化，粒徑范圍變寬，并在2007年發(fā)生突變[I0d。6～9月枝城站沙質(zhì)推移質(zhì)月平均顆粒級配成果見表7。

5結(jié)論

本文利用三峽水庫蓄水后（2003～2017年）的實測資料對荊江河段沙質(zhì)推移質(zhì)變化特征進行分析，得出以下結(jié)論。

（1）三峽水庫蓄水運用后，荊江河段沙質(zhì)推移質(zhì)輸沙量基本呈逐年減小趨勢。從沿程變化來看，枝城至監(jiān)利河段沙質(zhì)推移質(zhì)量沿程增加，多年平均值由152萬t增至276萬t。

（2）荊江河段的沙質(zhì)推移質(zhì)輸沙量主要集中在汛期5～10月，枝城站、沙市站、監(jiān)利站5～10月沙質(zhì)推移質(zhì)輸沙量分別占全年的93.4%、78.7%和77.1%。

（3）三峽水庫蓄水運用后，2003～2009年間，枝城站沙質(zhì)推移質(zhì)中值粒徑呈逐年增大趨勢，2010～2016年呈逐年減小趨勢，與該站床沙變化規(guī)律基本一致。沙市站沙質(zhì)推移質(zhì)中值粒徑基本呈逐年增大趨勢。監(jiān)利站沙質(zhì)推移質(zhì)中值粒徑變化不大。從沿程變化來看，枝城至監(jiān)利河段推移質(zhì)中值粒徑沿程減小，多年平均值由0.348mm減全0.213mm。

（4）荊江河段沙質(zhì)推移質(zhì)主要受上游來沙條件、河道沖淤以及水力要素等諸多因素的影響。但由于長江中下游水沙條件變化復(fù)雜，且泥沙之間相互交換多變，其內(nèi)在機理有待進一步研究。

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（編輯：李慧）