長江中游坡陡流急河段枯水位變化及其影響研究

0 引言

自三峽水庫蓄水運用以來，水庫攔截了大量泥沙，水電站清水下泄使得下游河道發生普遍沖刷[1-7]，再加上下游枯水位下降的溯源傳遞作用，長江中游枝城一大埠街河段的枯水位不斷下降，同時由于控制性節點的存在，該河段“坡陡流急”的現象也隨之加劇，對船舶的通航產生了不利的影響[8-9]。此外，該河段屬于砂卵石河段，其河床底質構成復雜。如Vendit-ti[10]、Frings[1]等的研究發現，在河寬達數百米以上的砂卵石過渡河段，卵石和細砂交錯分布的特征十分明顯。因此，該河段對水文與來沙變化的響應十分難以預測[12] 。

關于長江中游的“坡陡流急”現象，早期孫昭華等[13]將其成因描述為：天然河流具有“低水阻于灘”的特點，上下游水位差的增加必然使得淺灘位置出現坡陡流急現象，而河床組成的抗沖性又使得該現象在短時期內難以通過河床沖刷而自動緩解。隨后，針對“坡陡流急”所產生的礙航影響，孫昭華等[14]還提出了相應的治理對策。目前，對長江中游“坡陡流急”河段的研究大多采用實則資料分析和數值模擬的方法，認為壩下游河道枯水河槽的沖刷是枯水位下降的主要原因[15]，且2009年之前沙卵石河段枯水位下降速度快，之后趨于緩慢，深泓高凸段相對穩定，河床粗化、航道整治工程等是造成該種現象的主要原因[16-19]。枯水位的沿程下降存在突變現象，昌門溪一馬家店以上的河段水位降幅小，以下河段水位降幅大[20]，枯水位發生突變后，江口附近在沖刷過程中發展為新的枯水位控制節點，“坡陡流急”河段的范圍有可能進一步擴大[21]。“坡陡流急\"現象給枯水期淺灘段的通航帶來不利影響[22]，特別是蘆家河水道等沙卵石河段，該類型河段抗沖性強，河床下切和枯水位下降不能同步進行，淺灘出露的現象可能進一步加劇[23]。此外，還有研究認為，受清水下泄的持續影響，長江中下游河道的沖刷仍將進一步發展，河道水位也將持續下降[24]

總的來說，目前的研究主要集中在“坡陡流急”河段的枯水位變化特征以及對流速和比降等通航要素的預測分析上。然而在“坡陡流急”河段中，下游水位下降是否會產生溯源傳遞效應，以及當面對不同的下游水位降幅時，溯源傳遞的影響范圍有何變化，還缺乏相應的研究和關注。因此，開展不同水位降幅下溯源傳遞對河道水流條件以及通航條件的影響對提前制定航道維護措施具有重要意義。本文基于實測資料分析和數值模擬的方法，對“坡陡流急”河段的河道水沙變化過程、枯水位變化特征作進一步研究，同時分析預測枯水位下降后沿程水深、典型橫斷面水位及流速的變化趨勢。

1 研究區域概況

枝城一大埠街河段為典型的“坡陡流急”河段（圖1），也是本文研究的重點河段，該河段位于長江中游上荊江河段，由關洲水道、蘆家河水道、枝江水道、江口水道組成，全長 57km 。該河段整體河勢變化復雜，其中關洲水道為急彎分漢型河道，其余3條水道為微彎放寬分漢型河道。4條水道的河床組成及粗化過程存在差異，其中關洲和蘆家河水道河床組成主要為沙卵石，枝江和江口水道為沙卵石-沙質過渡段。4條水道存在不同程度的礙航淺灘，也是整個河段地形突起的集中位置，其中蘆家河水道河床抗沖性較強，為河段的重要控制卡口，“坡陡流急”現象尤為明顯，同時由于河床組成的差異性，蘆家河水道以下河段河床存在進一步沖刷粗化的可能

2 研究數據及方法

2.1 研究數據

本文對河道沖刷過程及特征研究的數據主要來自枝城一大埠街河段上下游各重要水文站的實測水沙資料，包括三峽水庫蓄水前（ 1990～2002 年）、圍堰蓄水與初期蓄水（ 2003～2007 年）、試驗性蓄水以來（2008＼～2020年）的徑流量、輸沙量數據；用于構建二維水流數學模型的地形數據為2020年3月的實測地形資料。

2.2 研究方法

本文主要通過分時段、分河段地分析年均徑流量、年均輸沙量的變化，得到研究河段的水沙過程變化及沖淤變化特征，從而分析預測枯水位變化趨勢，并基于構建的枝城一大埠街河段平面二維水流數學模型分析枯水位下降后研究河段通航水流條件的變化特征。數學模型研究范圍全長約 57km ，采用非結構三角形網格劃分計算區域，河道岸邊界的網格節點間距設置為50m ，淺灘區域的網格節點間距設置為 10m ，網格總數為393258個，模型網格見圖2。

模型采用2021年、2020年 6000m³/s 枯水流量下枝城一大埠街河段的沿程水尺實測數據以及2021年馬家店水文站（枝江）的實測水位資料進行水面線的驗證，采用2021年3月 9～11 日的實測流速資料對研究河段沿程流速進行驗證，水位最大誤差在 0.05m 以內，流速最大誤差在 0.2m/s 以內。本文模型的時間步長分兩種情況考慮： ① 模型驗證時所選擇的時間步長，經過不斷調試，確定為 86400s;② 模型用于工況分析時的時間步長，經過不斷調試，確定為 30s 。以典型枯水流量 6000m³/s 作為模型進口條件，通過不斷調整大埠街出口水位設置多種工況以探究水位下降后研究河段水流條件的變化，其中工況1作為原始工況，工況8作為極端工況，以分析大幅度水位下降情況下所帶來的影響。由于自三峽水庫蓄水以來，該河段最大水位降幅為 3.2m ，因此將工況8的水位降幅設置為 3.5m 具有合理性。由于研究時段為枯水期，松滋河支流近乎斷流，因此本節將松滋河支流出口流量設置為0。模擬工況如表1所列。

3 研究結果

3.1 河道水沙過程及特征

3.1.1 年均徑流量變化特征

從表2可以看出，宜昌、枝城、沙市3個水文站各時期年均徑流量在時間上均表現為圍堰蓄水與初期蓄水年均徑流量最小，且試驗性蓄水以來，除了枝城站的年均徑流量較蓄水前增加了57.05億 m³ 以外，其余兩站均相對減小。

從年均徑流量的年內分布上看（圖3），3個水文站月均徑流量年內分布情況基本一致，徑流量集中在6＼～9月份的汛期，占全年 50%～60% ，最大徑流量均發生在7月份。各個水文站枯水期各月份的月均徑流量相對于蓄水前都有所提高，而洪水期的月均徑流量則相對減小。

3.1.2 河道輸沙和沖淤變化特征

枝城一大埠街河段上下游主要水文站年均輸沙量變化如圖4（a）所示，從時間變化上看，三峽水庫蓄水運用后，宜昌、枝城和沙市水文站的年均輸沙量大幅度下降，相對蓄水前的變幅分別達到了 -94.27% ，91.55% ， 88.89% 。從沿程分布上看，蓄水前沿程各站年均輸沙量整體呈減少趨勢，而圍堰蓄水和試驗性蓄水兩個時期年均輸沙量表現為沿程增大的趨勢。與此同時，蓄水前后兩個時期年均輸沙量的差值沿程呈明顯的減小趨勢（圖4（b）），結合河床組成分析結果可知，位于宜昌一枝城河段的關洲水道床沙粗化比下游河段床沙粗化更加顯著，說明上游河段沖刷造成下游河段床沙補給，從而使得輸沙量有沿程增加的趨勢。

三峽水庫蓄水以來，隨著水沙條件的變化，河道沖淤過程也發生重大調整。統計宜昌一枝城河段、枝江河段的實測泥沙數據，計算各河段枯水河槽年際沖淤量，如圖5所示，其中宜昌一枝城河段為沙卵石河床，蓄水后河道開始大量沖刷。枝江河段為沙質-沙卵石過渡段河床。蓄水后，該河段出現大量沖刷的現象，沖刷量和沖刷強度變化趨勢一致，均表現為先增大后減小。

3.2 枯水位變化特征及成因分析

3.2.1 枯水位變化特征

從圖6可以看出，以枝城一毛家花屋河段為節點，枯水位下降幅度總體呈現出“中間小、兩端大”的特點。其中枝城站蓄水以來水位下降約 0.48m ，宜昌站水位下降 0.51m ，枝江站水位下降幅度是枝城站水位下降幅度的4倍，為 1.91m ；宜昌至宜都河段附近降幅最大，2014年以來基本穩定，部分年份出現小幅回升。枝城至昌門溪河段，毛家花屋以上河段各水尺水位降幅較為接近，2010年以前水位降幅總體較小，2010年后水位下降速率顯著加快，降幅為 0.05～0.19 m ；毛家花屋以下河段水位降幅沿程增加，昌門溪段累計水位降幅為 1.38m ；昌門溪至沙市河段，沿程水位降幅總體表現出距壩越遠、水位降幅越大的特點，從2003年至今水位降幅來看， 流量下枝江段水位下降 1.31m ，大埠街站水位下降 3.20m ，沙市站水位下降 2.50m 。

從水位下降過程來看，三峽水庫蓄水后，不同水文站的枯水位下降過程依然存在顯著的差異。宜昌站、枝城站、枝江站的同流量枯水位總體呈下降趨勢，但并非一直下降，以枝城站為例，2004年的枯水位高于2003年同流量枯水位， 2016～2018 年期間的同流量枯水位逐年增大。宜都站的同流量枯水位則是一致下降的過程，雖然每年的下降幅度大小不一，但卻是逐年下降。大埠街站、沙市站等同流量水位除個別年份有所抬升，其余年份均表現為下降，且近年下降幅度有所增大：例如大埠街站 2017～2021 年期間， 6000m³/s 流量下水位降幅為 18～36cm ，年均水位降幅達 26cm 。

3.2.2 枯水位變化成因

“坡陡流急”河段枯水位下降的原因比較復雜，由河床組成的差異性、河道水沙條件的變化、水位下降溯源傳遞等因素共同決定，抗沖能力較強的上游河道往往粗化進程較快，而粗化過程趨勢不明顯的下游河道抗沖能力往往較弱，再加上抗沖能力較強的河段有利于穩定河底侵蝕基準面，弱化了下游枯水位下降溯源傳遞的影響。因此，在粗化程度較高以及抗沖能力較強的河段，由河床沖刷所引起的枯水位下降現象相對不明顯。而對于粗化程度較低的河床，床面更容易發生沖刷，進而導致枯水位的不斷下降。特別是昌門溪至沙市河段，該河段主要為沙質河床，其床面難以形成穩定的粗化層，因此其水位降幅十分明顯。

此外，枯水位變化不僅受河床沖刷的影響，還與河段控制節點的變化有關。受河道沖刷調整影響，沿程水面比降隨時間出現了一定的變化（圖7），同時不同河段節點的控制作用也發生了相應變化。其中，陳二口至沙市河段的比降呈衰減趨勢，即枯水節點的控制作用正在減弱或消失，這也是該河段枯水位下降幅度加大的重要原因。此外，宜昌至陳二口河段比降基本不變，即當前枯水節點的控制作用相對穩定，因此該河段區間水位變化相對較小。

3.3 枯水位下降對坡陡流急河段通航條件的影響研究

3.3.1 對河道沿程水流條件的影響

根據數值模擬結果，得到各工況下的沿程水面線變化特征如圖8（a）所示，同時計算得到相對于工況1的水位變幅并繪制于圖8（b）。當不考慮地形的變化時，大埠街出口水位的不斷下降會造成上游一定范圍內水位的下降，但到達某一位置時，水位不再下降，即使大埠街站水位下降 3.50m ，昌門溪站水位僅下降了0.03m ，兩者相差10倍以上，昌門溪站水位相對降幅僅有 0.1% 左右，到達陳二口站時水位相對降幅接近0，定床條件下，枯水位下降的向上影響范圍大約在29.02km 左右；同時，相鄰兩個工況之間的水位相對變幅隨著枯水位下降值的增加而減小，隨著下游出口水位不斷下降，即使相對工況1的水位降幅不斷增大，但下降的幅度卻趨于平緩，例如工況7和工況8的相對水位變幅幾乎沒有太大差距。此外，計算枝城一大埠街河段的 200m 范圍河道沿程比降，結果顯示，當大埠街站水位下降了 3.50m 時，蘆家河水道、枝江水道、江口水道200m 局部比降將達到 1.2%o，0.9%o，0.5% 以上。

如圖9（a）所示，工況1條件下，關洲水道、蘆家河水道、枝江水道、江口水道范圍內最大流速分別為2.21，2.86，2.68，1.96m/s ，其中枝江一江口河段流速受下游水位影響相對較大，當下游水位下降了 3.50m 后，即工況8條件下江口水道最大流速為 2.66m/s ，相對于工況1增加了 0.7m/s 。相對流速變化如圖9（b）所示，大埠街枯水位下降會使上游流速增大，但對上游河道流速的影響沿程存在差異，表現為越往上游流速增幅越小，直至昌門溪河段流速增幅幾乎為0，同時各斷面的流速增幅有限。

3.3.2 對典型橫斷面水流條件的影響

選取“坡陡流急”現象比較顯著、地形落差較大、受水位下降向上傳遞影響程度不同的10個典型橫斷面，如圖10所示，根據數學模型結果提取典型斷面的水深，如圖 11～12 所示。

從各橫斷面水深變化上看，蘆家河水道1＼～6號斷面水深并沒有隨著下游枯水位的下降而發生明顯變化，水深的變幅幾乎為0，因此所有工況斷面水深線重合（圖11），除了1號斷面和6號斷面航槽范圍內的水深超過 10m ，其余各斷面均在 10m 以下，其中4號斷面航槽水深最小，僅為 5.49m 左右，毛家花屋一姚港河段（3＼～5號斷面）的航槽水深較淺，航槽呈現窄淺的特征。

江口水道7～10號斷面形態各異，呈現不規則的斷面形態，整體主要表現為窄深（圖12）。當大埠街水位下降 0.50m 后（工況2）， 7～10 號斷面水深分別降低了0.11，0.24，0.29，0.33m ，當大埠街水位下降 3.50m 后，7～10號斷面水深分別降低了 0.24，0.66，0.88，1.01m_? 由此可見，當下游水位逐漸下降時，對該河段的水深影響較大，特別是局部淺水段隨著水深的下降，通航條件勉強能夠滿足要求。同時，7＼～9號斷面為分汊斷面，橫斷面的地形對水位的分布有著重要的影響作用，例如7號斷面右汊航槽由于橫向地形的作用產生了微小的橫向陡比降，達到 1‰ ，影響著船舶通航，并且隨著下游大埠街站下水位的降，左右兩汊作出的反應有明顯差別，表現為窄淺段對枯水位下降向上傳遞的反應比較明顯。

3.3.3 對通航水深的影響

枝城一大埠街河段各工況下水深沿程變化如圖13所示，該河段的水深分布沿程差異較大，以毛家花屋一姚港河段為界限，上游水深普遍明顯大于下游水深，工況1條件下，上游水深在 8.00m 以上，平均水深超過 13.00m ，航道條件較好，而下游水深在陳二口至毛家花屋河段開始急劇減小，平均水深約為 7.15m ，姚港附近 1.6km 范圍內平均水深僅 5.48m ，從毛家花屋至昌門溪河段平均水深僅為 6.41m ，還不足上游水深的0.5倍，航道條件較差。昌門溪以下河段平均水深約為 7.50m ，而枝江水道、江口水道局部存在極端淺段，水深勉強能夠滿足通航水深，但當大埠街站水位下降了 3.50m 后，在距枝城站 45km 左右的極淺河段水位小于 3.50m 通航水深，僅為 3.35m ，不滿足通航要求。因此，在地形不變的情況下，下游水位下降幅度過大會導致上游局部河段出淺，影響船舶通航。

4結論

（1）枝城一大埠街河段是典型的“坡陡流急”河段，基于實測資料對該河段三峽工程蓄水前后的水沙變化、河道沖淤變化、枯水位變化的特征及其原因進行了研究。結果表明：三峽工程蓄水運用以來，研究河段的年均輸沙量大幅度減少，徑流量主要集中在汛期，枯水流量有明顯增加的趨勢，枝城一枝江河段近年來仍呈現沖刷狀態；枯水位仍將不斷下降，但隨著沖刷量的減少，其下降幅度逐漸變緩，呈現“中間小，兩頭大”的特征。

（2）建立了枝城一大埠街河段的二維水流數學模型，通過調整大埠街出口水位研究枯水位下降幅度對該河段通航水流條件的影響。結果表明：大埠街站枯水位下降幅度僅對昌門溪以下河段有明顯影響，隨著下游枯水位下降，蘆家河水道、枝江水道、江口水道 200m 局部比降將會達到 1.2%o，0.9%o，0.5% 以上，流速繼續增大，部分淺段的通航水深難以滿足通航要求，不利于船舶通航。

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（編輯：謝玲嫻）

Study on variation and impact of low water levels in steep riverbed and rapid flowing sections of middle reaches of Changjiang River

GUO Shuai' ，ZHOU Rishun2，ZHANG Rangang2，GUAN Jianchao2，ZHANG Peng2 （1.China Thre Gorges CorporationYichang 4430o，China;；2.ColegeofRiverand Ocean Enginering，Chongqing Jiaotong U 1 niversity，Chongqing40oo74，China;3.SedimentResearch Institute，China Instituteof WaterResoucesandHydropowerResearch，Beijing 100038，China）

Abstract：Zhicheng—Dabujiesectionisa typical steep riverbedandrapidflowingsectioninthemiddlereaches of the ChangjiangRiver.Afectedbythedischargeofclearwater，thewaterlevelduringdryseasonsinthissectionhasbeencontinuously decliningalong thecourse，severely impacting navigation.Basedon measureddata，the historical hydrological andsedimntary procesesandthecharacteristicsofwaterlevelchanges duringdryseasons intheZhicheng—Dabujiesection wereanalyzed.Combiningwithatwo-dimensional hydrodynamicnumericalsimulationmethod，wepredictedtheupstream influencerangeduetothe different downstream water level drops and their impact on navigation conditions.The results indicate that： ① Since the impoundmentoftheThreeGorges Reservoir，thesedimenttransporthavesignificantlydecreased.Thewaterleveldeclineduringdryseasons inthe studysection exhibitsapaternoflowinthe middlereachandhighatbothends，andthestepriverbedandrapid flowing phenomenon in the section has worsened. ② The retrogressive influence caused by the water level decline during dry seasonsatDabujiemainlyafects thesectionbelowChangmenxi，withtheZhijiang—Jiangkousectionbeing mostsignificantlyinfluenced in terms of flow velocity and water depth. ③ The local gradients of the 200-m sections in the Lujia River channel，Zhijiang channel，and Jiangkou channel will reach above 1.2%o，0.9%o ，and 0.5‰ ，respectively. The navigable water depth in some shallowsections willfailtometnavigationrequirements，moreover，thereareseveralsections withnavigable waterdepthslessthan 3.50m ，which willseverelyimpact navigation.Theresearch findings can providereferences for navigationand channel planning in the middle and lower reaches of the Changjiang River.

Keywords：steepriverbedandrapidflowingsection；declineoflowwaterlevels；navigationconditions；retrogresivetransmis sion；Zhicheng—Dabujie section；middle reaches of the Changjiang River