林云發(fā)

(長江水利委員會水文局漢江水文水資源勘測局，湖北襄陽 441022)

1 漢江流域及漢江中游形勢

1.1 漢江流域形勢

漢江是長江最長支流，發(fā)源于秦嶺南麓，干流流經(jīng)陜西、湖北2省，支流旁及四川、河南，于武漢市匯入長江。干流總長1 577 km，總落差1 964 m，流域總面程159 000 km2。漢江干流通常分為3段:丹江口以上為上游，長925 km;丹江口至碾盤山(皇莊)為中游，長240 km，集水面積46 800 km2，為丘陵階地、平原區(qū)，其中平原面積占51.6%;碾盤山以下為下游，長382 km。漢江中游入?yún)R支流主要有南河、北河、小清河、唐白河及蠻河［1］。漢江流域如圖1所示。

圖1 漢江流域Fig.1 Map of the Hanjiang river basin

1.2 漢江中游形勢

丹江口水利樞紐是一座具有防洪、發(fā)電、灌溉、運輸、養(yǎng)殖、調(diào)水等綜合利用效益的大型水利工程，樞紐位于湖北省丹江口市，支流丹江與干流漢江的入?yún)R口下游0.8 km(見圖1)。

丹江口水庫大壩下游丹江口至鐘祥皇莊為漢江中游河段，河段長268 km，丹江口—碾盤山河段位于漢江中游，河段長223 km，該河段在平面上呈明顯的藕節(jié)狀，即山丘階地及人工束窄段與平原寬谷段相間分布，寬段主泓擺動較大，洲灘較多，常常出現(xiàn)礙航淺灘;窄段則河段較為單一，彎道較多。新月形彎道之間過渡段較長，在橫向上有著明顯的不對稱性。從河型看，漢江中游河道在丹江口建庫前為帶游蕩性的分汊河型，建庫后至今已形成主槽基本穩(wěn)定的分汊河型。河道支汊因上游泥沙被水庫攔截導(dǎo)致淤而不死，通常處于斷流狀態(tài)，僅在洪水時過流。

該河段形狀及固定斷面布設(shè)示意圖見圖2。

1.3 丹江口水庫調(diào)度情況

丹江口水庫一期工程設(shè)計壩頂高程162 m(吳淞高程，下同)，正常蓄水位為157 m，總庫容209.7億m3，秋汛防洪限制水位為152.5 m(8月21日至9月30日)、夏汛為149 m(6月21日至8月20日)，設(shè)計低水位為139 m。南水北調(diào)大壩加高后，壩頂高程抬高到176.6 m，正常蓄水位為170 m，相應(yīng)庫容為290.5 億 m3，具體參數(shù)見表 1［2］。蓄水運用至今，壩前最高平均水位152.9 m;最低平均水位138.1 m;歷年平均水位145.1 m。調(diào)度運用情況見表1。

圖2 漢江中游河道形勢Fig.2 River regime of middle stream of Hanjiang river

表1 丹江口水庫調(diào)度運用情況統(tǒng)計［2］Table 1 Statistics of the scheduling data of Danjiangkou reservoir［2］

2 水文泥沙特性

丹江口水庫興建后，由于水庫的調(diào)蓄，進入壩下游河道的水沙過程與建庫前天然河道時期相比，發(fā)生了根本的變化。

2.1 枯水流量加大

蓄水后，由于水庫調(diào)蓄，下泄枯水流量明顯加大。黃家港站建庫前(1956—1967年)枯季在1，2，12月份3個月的月平均流量為328 m3/s，蓄水后(1968—2012年)流量為740 m3/s，增加了1倍多。表2所示為該站建庫前后水量相當(dāng)?shù)拇砟攴?連續(xù)2a)月平均流量小于800 m3/s出現(xiàn)月數(shù)對照，由此可見:建庫前1955—1956年內(nèi)，該站月平均流量小于800 m3/s的月份高達13個月，占總月數(shù)的54%，而蓄水后1974—1975年的月均流量均大于800 m3/s。

2.2 中水期延長

建庫后，由于大壩在年內(nèi)大部分時間系電站出流，每臺機組的流量為200～250 m3/s，常開3～5臺，因而，1年當(dāng)中下泄流量在800～1 000 m3/s的天數(shù)為1個月左右，1年當(dāng)中近10個月的時間為大壩汛期開閘泄水，時常開2～3個深孔居多，加上電站出流，因而1 000～3 000 m3/s級流量在年內(nèi)出現(xiàn)的天數(shù)也較長。據(jù)統(tǒng)計，黃家港站建庫中前期，這級流量每年出現(xiàn)的天數(shù)50 d左右，建庫后則為150 d左右(見表3)。

表2 黃家港站800 m3/s月平均流量出現(xiàn)月數(shù)對照Table 2 Frequency of monthly average flow less than 800 m3/s at Huangjiagang station before and after reservoir impoundment

表3 黃家港站建庫前后1 000～3 000 m3/s流量出現(xiàn)天數(shù)對照Table 3 Number of days with flow rate between 1 000～3 000 m3/s at Huangjiagang station before and after reservoir construction

2.3 洪峰明顯削減

以防洪為主的丹江口水庫，削峰調(diào)洪是水庫的主要特征和任務(wù)。水庫蓄水45 a(1968—2012年)內(nèi)，入庫洪峰＞10 000 m3/s共有132次，而下泄流量＞10 000 m3/s共有28次，被水庫攔蓄和削峰次數(shù)達78.8%。1974年9月入庫洪峰流量27 600 m3/s，下泄流量僅為3 650 m3/s，削峰率達86.8%。

2.4 下泄水流的含沙量大幅減少

修建水庫后，上游來沙被大量攔在庫內(nèi)，尤其是進入蓄水期后，基本屬清水下泄。表4中列出黃家港站與襄陽站建庫前后多年平均含沙量數(shù)據(jù)，從表中可以看出，黃家港站建庫前多年平均含沙量為2.18 kg/m3，建庫后約為0.021 kg/m3，幾乎為清水下泄。

表4 建庫前后各站多年年平均含沙量Table 4 Annual average sediment concentration over years at two stations before and after reservoir construction

2.5 懸沙粒徑較之建庫前明顯

表5中列出了丹江口水庫下游漢江經(jīng)清水沖刷后襄陽站懸移質(zhì)泥沙D50的變化，從表中可以看出，D50建庫前為0.025 mm，1976—1979 年為0.077 mm，2006—2009年增大于0.095，可見增大很明顯，挾沙能力則會隨之明顯地減少。

表5 懸移質(zhì)粒徑變化Table 5 Variation of the grain size of suspended load

3 建庫后壩下游的沖刷

現(xiàn)將丹江口水庫壩下游1967—2012年沖刷量列于表6至表8中，建庫后，隨著時段的不同，大壩下游主要以沖刷為主，且已顯現(xiàn)出一定的規(guī)律。

3.1 1967—2005年沖刷規(guī)律

(1)一個固定河段由發(fā)生沖刷到?jīng)_刷強烈再至沖刷逐漸減弱，需要經(jīng)歷一個過程。表6中列出丹江口—襄陽河段沖淤量，從表中可看出本河段從建庫后至2005年均發(fā)生沖刷，且沖刷強度隨時段不同而不同，1967—1978年共沖刷6 369萬m3，平均年沖刷531萬m3;1978—1987年，沖刷強度繼續(xù)增大，多年累計沖刷6 055萬m3，平均年沖刷606萬m3;1987—2005年沖刷已大幅度衰退，多年累計沖刷2 159萬m3，僅為1978—2005年的35.6%，平均年沖刷114萬m3。

(2)沖刷自上往下發(fā)展，沖刷距離很長。由表6與表8中數(shù)據(jù)可得，1978—1987年以前，主要沖刷段在丹江口至襄陽河段，丹江口—襄陽河段沖刷量為6055萬m3，崔家營—碾盤山河段沖刷量為3 138萬 m3，總刷量之比接近2∶1。1987—2005 年丹江口—襄陽河段沖刷逐漸衰弱，崔家營—碾盤山河段沖刷加強，沖刷量比為1∶3，可見，隨著時間推移，強烈沖刷河段也向下游轉(zhuǎn)移，1987年后主要沖刷段發(fā)生在襄陽以下河段。

表6 漢江丹江口—襄陽河段沖淤量計算結(jié)果Table 6 Calculated results of scouring and deposition in the reach from Danjiangkou to Xiangyang

表7 漢江襄陽—崔家營河段沖淤量計算結(jié)果Table 7 Calculated results of scouring and deposition in the reach from Xiangyang to Cuijiaying

(3)在沖刷過程中，局部河段將會出現(xiàn)上沖下淤情況，強烈沖刷河段的下游河段有可能發(fā)生局部河段的淤積［3］。如表8可知，1967至1978年崔家營—碾盤山河段上段沖55－1至沖74－1斷面間累積沖刷3 499 m3，其下段沖74－1至沖79斷面間累積淤積185 m3。

表8 漢江崔家營—碾盤山河段沖淤量計算結(jié)果Table 8 Calculated results of scouring and deposition in the reach from Cuijiaying to Nianpanshan

3.2 近期沖刷狀況

3.2.1 丹江口—襄陽河段(平衡段和接近平衡段)

通過分析表6至表8中丹江口水庫壩下游的2005—2012年沖刷量可以發(fā)現(xiàn)，丹江口—襄陽河段2005—2012年所發(fā)生9 266 m3沖刷量從建庫后分析規(guī)律來看，此河段應(yīng)進入沖淤平衡階段，此段主槽河床的粗化已完成，卵石大量出露，全年已基本無懸移質(zhì)補給，此時推移質(zhì)仍有所移動，但數(shù)量也不大。因此，該沖刷量實為人為采挖，因南水北調(diào)丹江口大壩加高工程需要大量用沙，此部分用沙多從本河段采挖，不屬壩下游沖刷規(guī)律。

3.2.2 襄陽—崔家營河段(推移質(zhì)沖刷階段)

襄陽—崔家營河段1978—2005年多年累計沖刷2 388萬m3，平均年沖刷88萬m3;2005—2012年多年累計沖刷3 493萬4m3，平均年沖刷437萬m3。隨時間推移，沖刷強度大幅增加，沖刷主要以推移質(zhì)沖刷為主，汛期雖然有懸移質(zhì)補給，但推移質(zhì)沖刷量很大;沖刷階段，估魚粱洲兩汊沖刷仍為左汊沖刷量大于右汊。

3.2.3 崔家營—碾盤山河段(全年懸移質(zhì)沖刷階段)

崔家營—碾盤山河段沖刷逐年增強，近期沖刷強度為建庫以來最大，仍為沖刷的第1階段，此時河床中能懸浮的細顆粒泥沙較多，即使在枯水也能補給懸移質(zhì)。1967—1978年、1978—1987年、1987—2005年、2005—2012年沖刷量見表8，沖刷強度分別為:276，314，381，1 061 萬 m3/a，可見 2005—2012年達到分析時段中最大，沖刷量為8 489 m3，為建庫后1967—1978年的2倍多，因此，近期該河段成為漢江中游重點沖刷河段。

3.3 橫剖面沖刷特點

3.3.1 分汊河段

分汊河段演變的主要特征是主汊沖刷，支汊萎縮。從丹江口水庫壩下游河道看，在分汊河道，主汊不斷沖刷發(fā)展，支汊則發(fā)生萎縮，甚至在上游有一定來沙的情況下，支汊有淤堵的趨勢。圖3為丹江口水庫壩下游沖6、沖38斷面的橫斷面圖，可以看出，在主汊充分發(fā)展的同時，支汊一般都處于不死不活狀態(tài)。其原因主要是上段槽內(nèi)泥沙已大部分被沖走，泥沙來源已很少，因而無法將其淤死，但限于來水條件，以及主槽發(fā)展，主槽沖出卵礫石堆積在支汊口門，漢道口門與主槽河床高程相差較大等原因，要發(fā)展也不可能，從而形成不死不活狀態(tài)。

因此，丹江口水庫壩下游分汊河段支汊淤堵的條件為:流量削減，支汊分流比減少、流速降低;上游有泥沙來源。

3.3.2 游蕩河段

游蕩性河道在水庫下泄清水后，總的演變趨勢是游蕩性削弱或消失。其原因為:洪峰削減，流量起伏過程大幅度高平，流量穩(wěn)定，水力條件削弱;主槽處于明顯侵蝕狀態(tài);懸沙和床沙都較粗，河床變形幅度減小，從而也減小了游蕩的可能性(見圖4)。

圖3 沖6和沖38不同時期橫剖面圖Fig.3 Variation of cross section 6 and cross section 38 in the downstream of Danjiangkou reservoir

圖4 沖57－1橫剖面圖Fig.4 Variation of cross section 57－1 in the downstream of Danjiangkou reservoir

4 結(jié)語

綜上所述，丹江口水庫蓄水運用后，改變了原有的水沙輸移條件，由于清水下泄的影響，使下下游即漢江中游河段發(fā)生自上而下的沖刷，沖刷強度與長度隨時間變化而不同，近期沖刷規(guī)律為:漢江中游仍發(fā)生不同程度的沖刷，因人為因素影響，丹江口—襄陽河段沖刷量無法量算，但從壩下游沖刷規(guī)律來看，該河段應(yīng)為沖淤平衡段，隨著時間的推移重點沖刷河段由丹江口—襄陽向下發(fā)展，近期重點沖刷段為崔家營—碾盤山河段。丹江口水庫大壩加高后，丹江口水庫的運行高度方式將與以往不同，建議在今后的工作中，對丹江口水庫壩下游加強監(jiān)測與分析工作。

［1］章厚玉，林云發(fā).丹江口水庫泥沙淤積及河床演變觀測研究［M］.武漢:長江出版社，2012.(ZHANG Houyu，LIN Yun-fa.Sediment Deposition and Riverbed Development in Danjiangkou Reservoir［M］.Wuhan:Changjiang Press，2012.(in Chinese))

［2］張洪霞，林云發(fā)，周曉英，等.丹江口水利樞紐河床演變的研究［R］.襄陽:長江水利委員會水文局，漢江水文水資源勘測局，2005.(ZHANG Hong-xia，LIN Yunfa，ZHOU Xiao-ying，et al.Riverbed Development at Danjiangkou Hydropower Junction［R］.Xiangyang:Bureau of Hydrology and Water Resources of Hanjiang River，Hydrology Bureau of Changjiang Water Resources Commission，2005.(in Chinese))

［3］韓其為.水庫淤積［M］.北京:科學(xué)出版社，2003.(HAN Qi-wei.Deposition in Reservoir［J］.Beijing:Science Press，2003.(in Chinese))