涉河工程影響下長江中游河道演變及水力特性變化研究

王 超，王福良，李 浩，柴元方

(1.水發規劃設計有限公司，山東 濟南 250000； 2.中國水利水電科學研究院，北京 100038； 3.阿姆斯特丹自由大學，荷蘭 阿姆斯特丹 1011)

0 引 言

三峽工程運行后，長江中游河道發生了長距離、長歷時沖刷，河道水位及形態出現顯著調整[1-2]。在河床縱向形態調整方面，何廣水等[3]基于演變分析發現上荊江河段普遍發生沖刷。姚仕明等[4]基于河道實測地形分析發現，2002～2012年間宜昌至枝城河段年均沖刷強度約為 24.6萬m3，平均沖刷深度約為2.2 m。許全喜[5]基于實測資料分析發現：三峽水庫蓄水前城陵磯以上河段沖刷，城陵磯以下淤積，三峽水庫蓄水后的河道沖刷已發展至感潮河段，在河口段也表現出沖刷態勢。在河床橫向形態調整方面，黃莉等[6]研究發現荊江監利河段烏龜洲左汊不斷萎縮，右汊不斷沖深展寬，整體向窄深化發展。余蕾等[7]基于滑動平均法研究發現沙市河段橫斷面形態對水沙條件的響應存在滯后性，三峽水庫運行后，河床沖刷使得長江近壩段河床顯著粗化，并逐漸向下游延伸。郭小虎等[8]研究發現長江中游河段的粗化明顯，粒徑小于0.125 mm的沙量在長江中游沿程恢復緩慢且遠小于蓄水前水平，而大于0.125 mm的沙量在宜昌至監利河段恢復較快。李文萍等[9]研究發現河床粗化使床面糙率顯著抬升。

本文旨在探究長江中游河床沖淤、深泓變化、橫向調整、床面糙率變化以及岸灘植被生長等在三峽水庫運行前后的變化規律，并分析其與同流量下洪、中、枯水位變化之間的聯系。

1 研究區域

本文的研究河段為三峽大壩下游宜昌至螺山站河段(圖1)，該河段受水庫調蓄影響最大。沿線主要水文站有宜昌站、枝城站、沙市站、監利站和螺山站。三峽水庫下泄水流進入長江中游河段，部分水流于荊江河段三口(松滋口、太平口和藕池口)匯入洞庭湖，另一部分水流則從干流流出。因此，長江中游河床沖淤受三峽水庫調蓄影響最大。

圖1 研究區域示意Fig.1 Sketch map of study area

2 工程影響下長江中下游河道演變

2.1 航道整治工程建設影響

為了滿足經濟發展的需求，長江沿岸線建設了大量涉水工程，如港口、碼頭和橋梁等。工程的建設不同程度占據了部分河道面積，束窄了河床，從而改變河床橫向形態，影響河道過流能力。

航道整治工程的實施，有效守護了岸線，穩定了關鍵洲灘，穩定或提高了主航道分流比，護底工程限制了河道的不利沖深，一定程度上改變了工程區域局部斷面形態，有效提高了航道水深[10]。單體工程洪水位的影響較?。号撼乜诤佣巫o灘帶和護岸工程使水位最大壅值為0.5 cm，且壅水影響多集中在護灘帶上游約910 m的范圍內，對洪水位的影響小[11]。武穴水道順壩在設計洪水條件下的橫斷面阻水面積約為130 m2，僅占行洪斷面面積的0.3%，且該工程最大壅水值小于1 cm[12]。可見，航道整治工程對河道行洪的影響較小，對長江中游洪水位抬升的貢獻有限。

2.2 岸灘植被影響

三峽工程對中小洪水進行調度后，灘面植被覆蓋度增加，特別是雜草等柔性植被密度增加[13]。當水流漫灘時，岸灘植被會壅高一定的洪水位。三峽水庫的調度運行改變了壩下游河道流量年內的分配過程，使枯水流量增大，中枯水流量持續時間延長[14]。對于洪水流量，2003～2016年宜昌站流量大于30 000 m3/s的持續天數較水庫運行前大幅減少，年均減少約13 d(圖2(a))。三峽工程運行后，洲灘淹沒概率減小，植被生長時間相對增加，植被密度及植株高度增加，引起同流量洪水位的相對抬升。岸灘植被的生長雖有利于維持河岸的穩定，但也增加了河道糙率，可造成洪水位壅高(圖2(b))。

圖2 宜昌至螺山站各典型斷面沖淤形態Fig.2 Erosion and deposition patterns of typical sections from Yichang Station to Luoshan Station

2.3 河床糙率變化特征

三峽大壩近壩段水流含沙量低，水流不飽和度大，細沙易被帶走，河床易粗化。近壩段宜昌至枝城河段為卵石夾沙河床，三峽水庫運行后床沙中值粒徑顯著增加，河床明顯粗化。2001年宜昌至宜都河段床沙中值粒徑為0.63 mm；水庫運行后第2年(2004年)床沙中值粒徑為15.02 mm，為2001年的23.8倍(表1)；2009年床沙中值粒徑為37.54 mm，為2001年的59.6倍。2009年以來，該河段床沙中值粒徑有所減小，2011年為21.90 mm。類似地，2003年以來，荊江河段床沙呈現逐年粗化的態勢，枝江河段、沙市河段、公安河段、石首河段和監利河段的床沙中值粒徑總體呈現增大的趨勢。其中，泥沙粒徑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 三峽水庫運用前后長江中游宜昌河段床沙中值粒徑變化

基于實測資料分析，床沙中值粒徑與河床糙率之間的關系[15]：

(1)

式中：D50為床沙中值粒徑，mm；m為綜合系數，不同河流的m取值不同，且取值范圍在19～24之間(為便于計算，本文取其中值21.5)。

表2 三峽水庫運用前后長江中游荊江河段床沙中值粒徑變化

故基于宜昌至螺山站河段床沙中值粒徑及式(1)，可粗略估算三峽水庫蓄水后各河段床面糙率變化特征。結果表明：宜昌至宜都河段及宜都至枝城河段的糙率在2001～2009年間顯著抬升，且2009年較2001年分別增加了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、石首河段和監利河段在2015年(枝江河段為2014年)的糙率較1998年分別增加了2.7%，2.4%，4.7%，5.3%和3.9%，增幅較小，對水位影響有限。

2.4 岸坡崩岸及河床沖深情況

三峽水庫運行后，近壩段近乎于“清水下泄”，河道出現累積性沖刷，改變了河床斷面及灘槽形態。河道深槽沖深的同時，伴隨河道橫向展寬，高灘區域沖刷較為明顯，部分河段出現崩岸現象(圖3)。據統計，2003～2015年期間，長江中游干流河道共發生崩岸險情826處，崩岸總長度約643.6 km，主要發生在蓄水運用前的崩岸段和險工段范圍內。在三峽水庫蓄水運用初期，長江中游崩岸較多；在初期運行期和試驗性蓄水期，隨著護岸工程的逐漸實施，崩岸強度減弱、頻次降低。三峽水庫蓄水后，2003～2015年期間荊江河段173個斷面中枯水河槽、平灘河槽和洪水河槽展寬。以平灘河槽為例，展寬0，20 m和50 m的斷面比例分別為60.1%，34.1%和23.1%(表3)。從不同展寬寬度上看，荊江河段大部分的斷面均發生展寬且以枯水河槽展寬為主。盡管長江中游部分汊道可能因為分流分沙比的改變，向窄深化方向發展，但總體而言長江中游河道多為展寬現象。

圖3 三峽水庫蓄水以來長江中游崩岸長度及次數變化Fig.3 Length and frequency of bank collapse in the middle reaches of Yangtze River since impoundment of Three Gorges Reservoir

表3 三峽水庫蓄水后荊江河段斷面形態展寬占比

三峽水庫運行后，壩下游河道深槽沖深，相對增加了灘槽高差及岸坡高度。宜昌至螺山站河段各典型斷面均處于沖刷狀態且沖刷部位主要體現在枯水河床，枯水河床高程逐時段顯著下降(圖4)。根據宜昌62號和69號斷面變化可知，2002～2006年期間宜昌河段河床下切深度較大，2006～2015年期間下切幅度顯著降低。2003～2008年期間各斷面的河床均沖刷下切，其下切深度較?。?008～2015年期間下切深度有所增加。

綜上，三峽水庫運行后，長江中游河段斷面的沖深和展寬有利于高洪水位的下降，但同時也使長江中游中枯水位呈現明顯的下降趨勢，導致礙航現象頻繁發生。

圖4 宜昌站典型斷面沖淤形態Fig.4 Erosion and deposition patterns of typical sections of Yichang Station

2.5 河段內沖淤調整對水位的影響

受三峽水庫調蓄影響，近壩段宜昌至枝城河段以縱向沖刷下切為主，河勢總體較為穩定。由圖5可知，宜昌至枝城河段深泓線自2002年后處于沖刷下切狀態。與2002年相比，2015年該河段深泓線沿程平均下切約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；上述兩個時段，宜都至枝城河段深泓平均下降3.85 m和4.00 m，年均下切幅度為0.77 m和0.57 m。綜上，宜昌至枝城河段的深泓高程變化具有明顯的時空變異性：宜都至枝城河段的下切幅度明顯大于宜昌至宜都河段；2009～2015年該河段深泓平均高程的年均下切幅度明顯小于2003～2008年。

枝城至沙市河段在水庫蓄水后大幅沖刷，與2002年相比，2015年深泓平均高程下切3.45 m(圖6)。從沿程變化特征上看，枝城至楊家腦河段與楊家腦至沙市河段深泓分別平均下切3.35 m和3.70 m，降幅較為接近。從沿時變化特征來看，2003～2008年枝城至沙市河段、枝城至楊家腦河段和楊家腦至沙市河段深泓分別下切0.78，0.77 m和0.71 m。2009～2015年深泓平均高程下切幅度顯著增大，分別為2.67，2.58 m和2.89 m。與2002年相比，2015年沙市至監利河段深泓平均下切2.49 m。從沿程變化特征上看，沙市至石首河段和石首至監利河段深泓平均下切2.16 m和2.91 m。從沿時變化特征來看，2003～2008年期間沙市至監利河段、沙市至石首河段和石首至監利河段深泓平均下切1.17，0.98 m和1.41 m，2009～2015年分別下切1.32，1.18 m和1.50 m。與2002年相比，2015年監利至螺山站河段深泓平均下切1.16 m，監利至荊江門深泓下切達3.15 m，荊江門至螺山站河段深泓平均高程增加約1.18 m。從沿時變化特征來看，2003～2008年期間監利至荊江門河段、荊江門至螺山站河段深泓高程分別下切0.94 m和0.06 m，2009～2015年分別下切2.21 m和1.24 m。綜上，枝城至螺山站河段深泓平均高程的變化具有時空變異性。在空間上，不同河段深泓平均高程的下切幅度最大差值達4.88 m，自上而下深泓下切幅度呈減小的特點；在時間上，深泓在2003～2008年下切幅度較小，而在2009～2015年下切幅度明顯增加，深泓不斷下切是長江中游中枯水位下降的主要影響因素之一。

圖5 三峽水庫蓄水后宜昌至枝城河段深泓線沿程變化Fig.5 Changes of thalweg from Yichang to Zhicheng Reach after impoundment of Three Gorges Reservoir

圖6 三峽水庫蓄水運用后荊江河段深泓線沿程變化Fig.6 Thalweg variation along Jingjiang Reach after impoundment and operation of Three Gorges Reservoir

3 工程影響下長江中游河道水力特性變化

3.1 長江中游洪、枯、中水位變化

在三峽水庫蓄水運行后，2003～2012年宜昌站、枝城站、沙市站和螺山站在枯水流量級(表4)下的水位分別下降了0.44，0.57，1.87 m和0.74 m。在中水流量級(表4)下，2003～2012年各水文站中水位降幅分別為0.72，0.36，1.39 m和0.70 m。由此可見，自三峽水庫運行后，長江中游中枯水位呈明顯的下降趨勢。與之相比，2003～2012年宜昌站、枝城站、沙市站和螺山站的洪水位略有抬升趨勢，分別增加0.12，0.19，0.15 m和0.25 m。

表4 長江中游各水文站流量級選取

3.2 影響因素與水位變化關系

不同流量下水文變化規律與流域自然地理特征及洪水流量變化規律直接相關?；谏鲜鰧Ω饔绊懸蛩卦谌龒{水庫運行前后的變化特征及其與水位變化之間關系的分析，將各影響因素與洪、中、枯水位變化的關系列于表5。

(1) 針對枯水位。崩岸的頻繁發生導致了岸線不斷展寬(H下1)，加之河床沖深抬升了岸坡高程(H下2)，“清水下泄”使河床沖刷(H下3)以及人工采砂導致床面高程下降，均有助于同流量下枯水位的下降。與之相比，岸線工程的建設束窄了河床(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)，則均有助于同流量下枯水位的抬升。H下1，H下2，H下3和人工采砂等因素對水位下降的影響程度強于H上1，H上2，H上4等因素對水位抬升的影響，即滿足公式(2)，故壩下游各水文站的枯水位自三峽水庫運行后呈下降趨勢。需要注意的是，此處不考慮岸灘植被生長以及江湖關系變化對干流枯水位的變化影響。

表5 各影響因素與洪、中、枯水位變化關系

(2) 針對中水位。各個因素對水位的影響滿足公式(3)，與枯水位的公式(2)比較，額外增加了三口分流分沙變化在分流量層面上對干流水位變化的影響(H1)。在各因素作用下，使公式(3)小于0，即在水庫運行后，壩下游各水文站的中水位均呈明顯下降趨勢。

(3) 針對洪水位。當來流流量小于臨界轉換流量時，則各因素對洪水位的影響滿足公式(4)，公式(4)較公式(3)額外增加了岸灘植被生長(H上3)對洪水位的影響。因小于臨界轉換流量，則洪水位仍然呈下降趨勢(公式(4)小于0)。當來流流量等于臨界轉換流量時，也即滿足公式(5)，則洪水位不出現抬升或下降趨勢，整體維持穩定。當來流流量大于臨界轉換流量時，有助于洪水位抬升的影響因素影響程度強于有助于洪水位下降的影響因素，也即滿足公式(6)，此時洪水位呈抬升趨勢。以宜昌站為例，郭怡等[16]利用一維水沙數值模擬研究發現，地形沖刷下切(H下1+H下2+H下3)使宜昌站2003～2014年期間枯水位下降0.26 m，河道糙率的增加則使枯水位抬升約0.22 m。河床沖刷下切的作用大于河道糙率增加的影響，最終導致宜昌站枯水位為減小趨勢。

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：在枝城站同流量條件下，當三口分流量在年際間的變化有助于抬升干流水位時，H1前的符號取正號，反之則取負號；式中各符號的數值均為絕對值。

4 結 論

本文利用實測資料分析，研究了宜昌至螺山站河段河床橫向形態、河床糙率、河床縱向形態(沖淤)和江湖關系在三峽水庫運行前后的變化特征，及其與水位變化之間的關聯性，取得的主要結論如下。

(1) 河床橫向形態調整特征。三峽水庫蓄水后，崩岸現象頻繁發生，有助于岸線的展寬。在2003～2015年，荊江河段枯水河槽、平灘河槽和洪水河槽的斷面展寬比分別為71.7%，60.1%和55.5%，斷面的展寬以枯水河槽最為普遍。而港口、碼頭、橋梁及航道整治工程等岸線工程的建設在一定程度上會束窄河床，且有壅水作用。

(2) 河床糙率變化特征。2001～2009年間宜都至枝城河段的糙率顯著增加。2009～2011年期間，該河段的糙率略有降低趨勢。2003～2008年間宜昌站中、枯水位下降幅度較小，這與宜昌至枝城河段河床大幅粗化有關。2009年以來，該河段粗化作用基本完成，糙率變化較小。

(3) 沿程深泓變化。宜昌至枝城、枝城至沙市、沙市至監利和監利至螺山站河段，2015年較2002年深泓線沿程分別平均下切約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顯小于2003～2008年，這主要是因為隨著河床的沖刷，該河段床面逐漸粗化，可沖粒徑減少。與之相比，枝城至螺山站河段普遍存在深泓在2003～2008年下切幅度較小，而在2009～2015年呈下切幅度明顯增加的變化特征。枝城至螺山站河段深泓平均高程在時間尺度上的變化特征與該河段同流量下中、枯水位在2003～2008年降幅小而在2008～2016年降幅明顯增加的變化特征一致。