漢江興隆-澤口河段演變及枯水位變化分析

賓貝麗，由星瑩

(湖北省水利水電規劃勘測設計院，武漢 430064)

歷史上漢江河道位置不穩定、變遷頻繁且幅度大。漢江下游流經寬闊的江漢沖積平原，河床為第四紀和近代河湖相沉積物組成，抗沖能力較差，可動性極強。漢魏六朝時期，漢江下游河道位于當今河道之北。隋唐至北宋時期，漢江下游河道南遷至今東荊河一線。北宋中期至南宋，漢江下游有兩條河道并存。明朝末年，漢江下游河道的具體位置與今河道基本一致。近100 a以來，漢江河道的變遷主要表現為主槽擺動、洲灘增多、洲灘兼并、彎道凹岸侵蝕、凸岸淤積、彎頂上下移動等。1959年以后，隨著守護工程的實施，漢江河道現有河勢格局逐漸趨于穩定[1-4]。2003年漢江興隆水利樞紐建成后[5]，壩下興隆～澤口河段發生大幅度沖刷，枯水位明顯下降，嚴重威脅沿江地市的防洪、供水、航運安全，以及岸線資源保護與合理利用[6]，因此研究興隆～澤口河段演變機理及趨勢，并預測未來枯水位下降值，意義十分重大。

本文通過分析泗港彎道和澤口彎道近期河床沖淤、灘槽形態變化的特點和規律，以及興隆樞紐蓄水后壩下典型河道斷面的變化情況，預測未來演變趨勢[7]；根據實測資料，總結庫區淤積量與壩下年均輸沙量，年輸沙量與興隆壩址斷面年均沖刷面積、年均水位下降值等的經驗關系[8,9]，并基于壩下河床沖刷的一般機理及強烈沖刷帶下移的規律[10,11]，估算了興隆、澤口2030年枯水位下降值區間，并對成果合理性展開分析，從而對漢江河道防洪、生態治理提供對策及先進經驗，也為其他壩下河道沖刷趨勢及水位下降值的研究提供借鑒。

1 興隆-澤口河段近期演變分析

1.1 泗港彎道演變分析

20世紀70年代以來，泗港彎道平面形態及河勢格局基本保持穩定，河床演變的特點主要表現如下。

(1)河段整體以沖刷為主，河道主槽沖刷強度大于灘地沖刷強度。泗港彎道河寬變化較小，平均寬度約為2 400 m，河道無明顯的放寬或收縮；主河槽平均寬度約為450 m。丹江口水庫蓄水運用以來，泗港彎道河段逐年沖刷。沖刷的部位包括河道主槽、代河口邊灘尾部、代河口邊灘局部灘面，淤積的部位包括進口左岸邊灘、梁灘頭部及代河口邊灘局部灘面。

(2)河段彎頂新老泗港附近主流頂沖點逐年下移，出口段主流位置逐年右移，河段內深槽的變化規律與主流的變化規律基本一致。漢江下游河床組成物質較細、可動性較強，主流位置難趨于穩定。近年來泗港彎道河段內主流擺動頻繁，彎道頂沖點位置呈逐年下移的趨勢。由圖1可知，1977年頂沖點位置位于左岸巴家灣附近，1987年頂沖點下移至左岸老泗港附近，2004年下移至左岸新泗港附近，2015年下移至左岸泗港村附近。頂沖點多年累計下移幅度約為4 000 m，年均下移速率約為100 m/a。頂沖點下移一方面導致枯水水流流路更加曲折、泄流不暢，另一方面導致河道邊界對水流的頂托作用加強，彎道出口水流提前偏離左岸向右岸過渡。1977-2015年河段罐頭尖村附近主流逐年右擺，多年累計擺動幅度約為1 100 m，年均右擺幅度約為30 m。出口段主流的右擺導致右岸代河口邊灘中下段灘體右緣水動力作用加強，泥沙易于淘刷。左岸梁灘頭部水動力作用減緩，泥沙易于在河心或邊灘頭部落淤，形成新的江心洲或邊灘。

圖1 漢江河道深泓線平面變化(1977-2018年)

(3)右岸代河口灘平面形態基本穩定，灘體中上段局部灘面略有淤高，灘尾左緣明顯沖刷崩退，左岸梁灘頭部明顯淤積長大。由表1可知：近年來，泗港彎道凸岸的代河口邊灘平面形態基本保持穩定，灘體面積呈緩慢減小的趨勢，灘面最大高程無明顯的趨勢性變化；局部高灘與河槽的過渡區域內沖淤變化幅度相對較大，如灘體頭部左緣經歷了先沖刷、后淤積的過程，1977-2004年灘頭28 m等高線向右岸崩退，2004-2015年頭部28 m等高線向左岸淤長；灘體中下段由于受主流右擺的影響明顯沖刷，1977-2004年中下段28 m等高線向右岸崩退，2004-2015年中下段28 m等高線繼續向右崩退。

表1 代河口邊灘灘形特征值變化

出口河段左岸梁灘頭部與右岸代河口邊灘尾部存在此消彼長的對應關系，代河口邊灘尾部沖刷崩退的過程中，梁灘頭部則大幅淤長。1977年主流沿左岸下行，右岸唐家臺-小陳臺間枯水河槽內存在淺灘，淺灘頭尾部灘體與右岸代河口邊灘尾部灘體間存在明顯的右側夾槽。2015年左汊明顯淤積，淺灘與左岸梁灘頭部合并。目前梁灘頭部已布置丁壩，灘體穩定性明顯加強。

1.2 澤口彎道演變分析

澤口彎道平面形態較為穩定，1977年以來演變特點主要表現如下。

(1)近年來河道整體明顯沖刷，但沖刷強度小于泗港彎道的沖刷強度，河道主槽的沖刷強度大于灘地的沖刷強度。澤口彎道平面形態較為不規則，呈先放寬后縮窄的藕節狀，至陳家臺附近河寬達到最大，陳家臺以下河寬逐漸縮窄，至下游澤口閘處河寬達到最小，收縮率約為0.47；澤口閘以下河寬變化不大。近年來河段整體以沖刷為主，1977-2015年累計沖刷為1 613.3 萬m3，小于上游泗港彎道的沖刷速率。年際間河段有沖有淤，1977-2004年小幅淤積，2004-2015年大幅沖刷。河段的沖刷主要集中在主河槽及東荊河進口河槽，河段的淤積主要集中在梁灘局部、黃家場邊灘局部、河口攔門沙洲。

(2)受上游河段主流右擺的影響，澤口彎道進口段主流右擺。東荊河進口河槽分流點呈逐年下移右擺的變化趨勢，有利于東荊河進口河槽的發展。彎道分汊段河槽由多汊向雙汊演變，出口段河槽基本保持相對穩定。澤口閘以上主流較為不穩定、擺動頻繁且幅度大，河槽內淺灘眾多；澤口閘以下主流則保持相對穩定，河槽亦較為穩定。由圖1可知：1977年水流在河段內進行了3次分汊，第1次分汊位于右岸小陳臺-新村之間；黃家場邊灘中部處第2次分汊，部分水流進入左汊漢江，部分水流進入東荊河進口河槽內；東荊河河槽內水流下行至龍頭拐處第3次分汊。1987年河道演變為2次分汊，第2次分汊后部分水流走新出現的灘面串溝回到漢江左汊內，而另一部分水流則進入東荊河。2015年，2次分流格局基本保持穩定，灘面串溝一直存在且位置較為不穩定。

本河段主槽極不穩定、淺灘密布；深槽右移、明顯沖刷發展。由表2可知：河段內25 m深槽范圍亦明顯擴大，1977年河槽最低點高程約為20.1 m，2015年河槽最低點高程約為16.2 m，表明河道深槽發生明顯沖刷。深槽沖刷加大了灘槽高差，有利于枯水水流集中歸槽。

表2 澤口彎道25 m深槽特征值變化

(3)河段左岸梁灘平面形態變化不大，灘體右緣明顯淤積長大，右岸黃家場邊灘平面形態保持穩定，灘體左緣明顯沖刷崩退。由表3可知：近年來，左岸梁灘灘體平面形態基本保持穩定，灘體呈緩慢淤積長大的趨勢，平面面積逐漸增大，但灘面最大高程基本保持不變。灘體的沖淤變化主要集中在右緣，灘體頭部由于受上游河段主流下移右擺的影響，明顯淤積長大，1977-2015年28 m等高線累計向右淤長1 100 m左右。梁灘灘體中下部沖淤演變與河口攔門沙及對岸黃場邊灘的變化有關。灘體中部右緣小幅沖刷，28 m等高線存在左移的趨勢，1977-2004年左移幅度約為160 m，2004年以后基本保持不變；灘體尾部右緣局部淤積，28 m等高線沖淤變化頻繁，左右擺動幅度大。

表3 梁灘灘體特征值變化

(4)河口攔門沙位置較不穩定，沙體呈逐漸淤積長大的趨勢。灘面串溝長期存在，不利于攔門沙沙體的整體穩定。目前沙體上部已實施守護工程，穩定性加強。由表4可知：1977年攔門沙沙體由上下2部分組成，上、下部分沙體最大高程分別為29.9 m和34.3 m，2部分沙體間存在中汊河槽。1987年攔門沙上部分沙體并入左岸梁灘中部，下部分沙體淤積長大；沙體表面出現斜向串溝，串溝分東荊河進口水流進入漢江。2004年攔門沙沙體淤積變大，沙體表面斜向串溝明顯沖刷發展。2015年攔門沙沙體面積變化不大，但灘面串溝出現萎縮。

表4 攔門沙沙體特征值變化

1.3 典型斷面變化分析

本次采用2005、2010、2012、2016、2018年實測河道地形分析典型斷面的變化情況。

由圖2可知：1號斷面位于興隆壩下1.3 km。在2005年時主槽深泓點高程為25 m；2009年興隆水利樞紐開工后，左岸邊灘遭到大幅度開挖，2010年斷面呈雙汊狀態，左汊深槽下切近10 m；2012年后左汊導流明渠開挖完畢，深泓高程降至25 m，與此同時右汊原深槽被封堵，興隆水利樞紐竣工后，左汊導流明渠逐漸淤廢，深泓高程恢復至27 m左右，壩下水流集中沖刷原右汊深槽；2016年右汊深泓降低至22 m；至2018年左汊明渠底部高程基本不變，右汊深槽回淤，深泓點高程抬升至23.2 m。

圖2 1號斷面(興隆壩下)歷年變化

由圖3可知：2號斷面在2005年斷面呈分汊型，主槽位于左汊；2010年左岸發生大幅度崩塌，左汊變寬邊淺；2012年，受深泓大幅度右擺影響，左汊內大幅度淤積，興隆樞紐運用后，右側深槽大幅度沖刷，深泓點降低至21 m左右；2018年貼右岸深泓繼續沖深0.5 m，左汊河槽基本淤平為邊灘，子堤以外的原右汊倒套有所沖刷發展。

圖3 2號斷面(張新民垸)歷年變化

由圖4可知：3號斷面2010年較2005年小陳臺岸線崩退110 m多，右汊深泓高程從25 m沖深至23 m；其后，受興隆樞紐運行影響，2016年右汊深泓高程從23 m沖深至20 m，左汊深槽及心灘淤積；2018年心灘繼續淤高至34 m，而右汊深泓沖刷至17 m，左汊深泓也沖刷至25 m。

圖4 3號斷面(代河口邊灘)歷年變化

由圖5可知：4號斷面2010年較2005年竄溝沖刷發展，槽口沖深至22 m，左汊深槽淤積；2012年左汊深泓沖深至19 m，攔門洲竄溝明顯回淤，右汊東荊河進口處深泓下降至23 m；2016年左汊深泓回淤至20 m，右汊深槽寬度明顯增加；2018年左汊深泓回淤至21 m，攔門洲槽口也從24 m回淤至27 m，右汊深泓沖深至22 m。

圖5 4號斷面(謝灣閘)歷年變化

2 興隆-澤口河段枯水位下降值分析

導致同流量下水位下降的原因主要有2種：一是河道明顯展寬，伴隨著強烈崩岸及河勢劇烈調整；二是河床顯著沖刷下切。近年來漢江干流堤防逐步整險加固，險工險段得到有效控制，水位下降主要體現在漢江梯級水利樞紐建設后，壩下河道來沙量銳減，“清水”沖刷造成的河床下切。

2.1 興隆壩下2030年水位下降值

2.1.1 興隆壩下2030年來沙量估算

來沙量銳減是樞紐下游河床下切的主要原因。漢江中下游干流規劃有7處梯級水利樞紐，丹江口大壩于1958年動工，1967年大壩下閘蓄水，1974年初期完工，二期加高工程于2005年開工，2014年汛后開始蓄水。王甫洲水利樞紐于1995年開工，2000年蓄水發電。崔家營航電樞紐于2005年開工，2010年蓄水發電。興隆水利樞紐于2009年開工，2013年建成發電。丹江口水庫建庫后，壩下河道來沙過程受到調節控制，主要表現為大量泥沙被攔在庫內，壩下基本是“清水”下泄，漢江中下游河道含沙量主要來自河床沖刷、河岸坍塌和支流來沙。經統計，建庫前黃家港、襄陽、皇莊站多年平均含沙量分別為3.24、2.59、2.50 kg/m3，建庫后分別減小為0.022、0.100、0.284 kg/m3；建庫后各站輸沙量分別僅占建庫前輸沙量的0.6%、3.8%、10.5%。

為估算2030年興隆壩下水位流量關系，須考慮水庫攔蓄泥沙對下游河道來沙過程的削減作用。雖然新集、碾盤山水利樞紐為低水頭水電站，特別在對河道沖刷影響較大的洪水期，水電站敞泄運行，下泄水沙過程與天然情況基本相同，對河道沖淤特性的影響不大，但建壩改變了來沙過程，壩體枯水期抬高了庫區水位，導致流速減小、泥沙落淤，勢必造成庫區泥沙淤積，壩下游輸沙量減少。

由表5可知：崔家營水庫運行近10 a，庫區嚴重淤積時段已過，對興隆輸沙量影響有限；擬建新集水庫運行10 a末庫區累積淤積量較大，但新集水庫位于崔家營水庫上游，考慮2壩址間河道自身沖淤調整、區間內重要挾沙支流入匯等影響，新集水庫的直接影響有限，因此對興隆壩下輸沙量影響最為直接的是碾盤山建庫。根據表5，碾盤山水庫與興隆水庫聯合運行前10 a，碾盤山庫區年均泥沙淤積量為195.5 萬t，碾盤山壩址-興隆壩址年均淤積量為21.9 萬t。以沙洋站2017年年均輸沙量為基礎(已包含丹庫大壩加高，王甫洲、崔家營、興隆正常運用的影響)，減去碾盤山樞紐運行前10 a庫區泥沙年均淤積量，以及碾盤山壩址-興隆壩址區間泥沙年均淤積量，得到2030年興隆壩下年均輸沙量，約為461.6 萬t。

表5 上游梯級水庫對興隆壩址輸沙量的影響

2.1.2 興隆壩下水位下降值

丹江口水庫清水下泄導致床面沖深并粗化，加大灘槽高差；中洪水時間縮短，沖刷時間延長，壩下河床發生單向沖刷，由微堆積型向侵蝕型轉變。由圖6可知：根據地形法統計結果，1978-2005年漢江中下游河道總沖刷量為2 611 萬t/a，2005-2012年沖刷量為7 033 萬t/a，2012-2016年沖刷量為6 832 萬t/a。由圖7可知：碾盤山-沙洋河段年均沖刷強度從2005-2012年的6.7 萬t/(a·km)降低為2012-2016年的2.7 萬t/(a·km)，沖刷速度放慢；沙洋-仙桃河段年均沖刷強度從2005-2012年的4.8 萬t/(a·km)增加至2012-2016年的8.8 萬t/(a·km)，沖刷速度加快，主要受興隆樞紐建庫的影響。

圖6 漢江中下游河道沖刷量注：“-”為沖刷。

圖7 漢江中下游河道年均沖淤強度注：“-”為沖刷。

興隆水利樞紐建設后，壩下輸沙量減少，河床沖刷，2018年較2005年壩下深泓高程下降2 m，深槽平均高程下降1.36 m，過水斷面面積累計增大600～800 m2，可見輸沙量的減少與河道斷面面積的增大具有明顯的相關關系。

圖8為沙洋站不同時段的年平均輸沙量與同時段興隆壩址處年均沖刷面積的相關曲線，可見2者呈較好的對數關系，點據均位于趨勢線2側，較為集中。2030年興隆壩下年均輸沙量約461.6 萬t時，查圖8中相關關系曲線。2020-2030年間興隆壩下斷面的年平均沖刷面積在105.6 m2左右，該值小于2012-2016年興隆壩下斷面實測年均沖刷面積163.4 m2，結果較為合理。

圖8 沙洋年平均輸沙量與興隆壩址年均沖刷面積的關系注：“-”為沖刷。

在多年來興隆壩下河寬變化不大的前提下，河道過水斷面面積縮減值與水位下降值呈正相關關系。由于興隆水利樞紐2013年建成，2014年正常蓄水運用，缺乏歷史資料，因此本次從1964-2012年沙洋站同流量水位下降值展開分析，見圖9和表6。

表6 沙洋站同流量水位下降值

圖9 沙洋站水位流量關系變化曲線注：“-”為沖刷。

點繪各時段興隆壩址附近斷面的年平均沖刷面積與沙洋站600、1 000、2 000 m3/s流量條件下的年均水位下降值的相關關系，見圖10。某時段興隆壩址處年均沖刷面積越大，沙洋站同流量下年均水位下降值越大；隨著近年來護岸工程逐漸增多，岸線趨于穩定，同流量下水位下降的幅度變緩；年均沖刷面積為120 m2/a時，流量600 m3/s時年均水位下降值為0.084 m/a；流量1 000 m3/s時年均水位下降值為0.061 m/a。以此類推，若2020-2030年間興隆壩下斷面年平均沖刷面積為105.6 m2，流量600 m3/s時年均水位下降值為0.074 m/a；流量1 000 m3/s時年均水位下降值為0.053 m/a。因此，2030年興隆壩下枯水位將繼續下降0.53～0.74 m左右。

圖10 興隆壩址年平均沖刷面積與沙洋站年均水位下降值的關系注：橫坐標“-”表示斷面年均沖刷面積，縱坐標“-”表示沙洋水位下降值。

2.2 澤口站2030年水位下降值

澤口站位于興隆壩下近30 km處，興隆-澤口區間并無其他水利樞紐攔截泥沙。近年來，東荊河枯水期分流分沙比較低，根據2015年9月澤口水文測驗結果，漢江干流懸移質斷面輸沙率為33.5 kg/s，東荊河潛江懸移質斷面輸沙率僅為0.074 kg/s，可見東荊河分沙對澤口斷面來沙過程的影響較小。

由圖11可知：5號斷面左、右岸高灘維持在34～36 m高程。2010年較2005年深泓左擺，導致右岸深槽變為左岸深槽，深泓點高程保持在23 m不變；2012年深泓擺回至右岸，深槽略有沖刷?？梢娕d隆建庫前澤口斷面的水位流量關系相對穩定。興隆樞紐運用后，2016年深泓大幅度沖刷，高程降至19 m；2018年深泓再次回淤至22 m左右，過水斷面面積變化不大。

圖11 5號斷面(澤口閘上游)歷年變化

由圖12可知：隨水位增加過水面積呈逐年增大趨勢。中枯水條件下，2010年較2005年淤積，經歷2010年、2011年2場漢江大洪水后，至2012年河槽沖刷幅度較大；興隆樞紐運行后，2014-2016年沖刷主要發生在26～33 m水位，中水河槽面積變化不大；興隆運行第4年的2018年，31 m水位下的中枯水河槽發生顯著沖刷，可見澤口河段進入強烈沖刷時段。因此，興隆建壩以及漢江大洪水是導致澤口河段河床下切、水位下降的主要動因。

圖12 澤口斷面近年來不同水位下的過水面積

建立同沙洋流量下興隆壩下水位流量關系變化曲線見圖13，建立同仙桃流量下澤口站水位流量關系變化曲線見圖14，同流量下，興隆壩下水位下降值與澤口水位下降值的關系見表7。

圖13 興隆壩址處水位流量關系變化曲線

圖14 同仙桃流量下澤口站水位流量關系變化曲線

由表7可知：在興隆水利樞紐運用前，澤口水位與興隆水位基本同步下降，流量級為600 m3/s時，2015年較2005年澤口水位下降值為興隆水位下降值的62.7%；興隆樞紐運用后，興隆壩下河床下切速度明顯加快，導致2017年較2005年澤口水位下降值僅為興隆的47.6%；后續隨著壩下強烈沖刷帶的逐漸下移，澤口水位下降速度將加快，也可能超過興隆下降速度，再逐漸回落。綜上所述，未來10 a澤口水位下降值取興隆樞紐運用前、后下降值比例的平均值即55%。因此，澤口站2030年枯水位較目前將繼續下降0.29～0.41 m(見圖14)。

表7 2005-2018年興隆、澤口處同流量下水位下降值

2.3 成果合理性分析

首先，從分析方法原理來看，一方面，基于實測資料，2010-2013年沙洋站平均輸沙量為841.8萬t，2014-2017年沙洋站平均輸沙量為341.5 萬t，可見興隆建庫后年均輸沙量減少約500 萬t；另一方面，根據《南水北調中線工程漢江興隆水利樞紐初步設計報告》，水庫運行第4年末，庫區泥沙累積淤積量將達到1 894 萬t，這與興隆建庫后年均輸沙量減少500 萬t的成果基本一致。以上均說明低水頭水電站仍然會導致庫區泥沙的淤積及壩下游來沙量的減少，且壩下年均輸沙減少量近似等于上游庫區泥沙年均淤積量。

其次，從壩下沖刷的發展趨勢來看，興隆樞紐自2013年建庫發電以來，2013-2016年年均輸沙量僅為204.3 萬t，4 a年均排沙比達到60%，這顯然是造成庫區迅速淤積、壩下強烈沖刷的時段。根據興隆初設報告，水庫運行第4～8 庫區泥沙年均淤積量僅67.8 萬t，淤積速度大幅度放緩；之后向沖淤平衡方向發展，水庫運行第8～12 a的年均排沙比達到93%。事實上，2017年沙洋年均輸沙量已從2016年124 萬t恢復至679 萬t，說明興隆對壩下沖刷的影響已經開始削弱，與前文分析的壩下沖刷發展趨勢一致。

再次，從2030年水位下降值成果來看，沙洋流量600 m3/s時，2018年水位較建庫前2012年水位下降值為1.10 m，興隆水庫運行后的壩下河床強烈沖刷期已過。根據《南水北調中線工程漢江興隆水利樞紐初步設計報告》，推薦興隆樞紐船閘的閘檻和下引航道按水位下降值1.5～1.8 m考慮。因此本次預計2030年興隆壩下枯水位較2012年繼續下降0.53～0.74 m基本合理。

3 結 語

(1)興隆壩下-澤口屬于河勢變化較為劇烈的河段，不同年份主流擺動頻繁，洲灘沖淤消長，隨著漢江梯級樞紐建設，下泄水流含沙量減少、挾沙力增強，從游蕩性河道向下切型河道轉變。興隆樞紐的建設改變了壩下來沙過程，枯水期泄沙少而洪水期挾沙多，2016年較2012年壩下枯水河槽普遍沖刷，低灘有所淤積，灘槽高差加大。

(2)興隆水庫運行前4 a是庫區泥沙淤積、壩下河床沖刷最劇烈的時段，沙洋流量600 m3/s時，興隆壩下2018年水位較2005年水位下降值為1.49 m。目前，興隆壩下強烈沖刷期已過，進入穩定沖刷階段。本文根據庫區淤積量成果估算壩下年均輸沙量，再基于年輸沙量與興隆壩址斷面年均沖刷面積、年均水位下降值的經驗關系，預測2030年興隆壩下枯水位將繼續下降0.53～0.74 m?？紤]到興隆樞紐管理部門正采取降低運行水位等應急措施，該水位下降值有可能進一步減小。

(3)興隆建壩以及漢江大洪水是導致澤口河段河床下切、水位下降的主要動因。從2005-2018年實測資料來看，同沙洋流量下興隆水位與同仙桃流量下澤口水位基本同步下降。分析興隆壩下強烈沖刷帶的發展趨勢，未來10 a澤口水位下降值可能為興隆下降值的55%左右，因此澤口2030年枯水位較目前將繼續下降0.29～0.41 m左右。