謝思泉，劉 亞，盧金友

（長江科學(xué)院 水利部江湖治理與防洪重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430010）

1 研究背景

水庫大壩通過攔蓄泥沙調(diào)蓄洪水，改變了下游河道的水文和泥沙過程［1］。三峽工程運(yùn)用后，下游河道表現(xiàn)出洪峰削減、枯水期流量增大、水庫下泄水流中的含沙量銳減等現(xiàn)象。20世紀(jì)50年代以來，多家單位就長江中下游河道的河道演變規(guī)律展開了研究分析，得出了諸多結(jié)論。如：天然狀況下，由于河道兩岸多為現(xiàn)代松散沉積物，且無穩(wěn)定河岸坡的控制，下荊江表現(xiàn)為河勢不穩(wěn)，河道擺動，江流迂回曲折［2］；三峽水庫運(yùn)行后下游河床沖刷隨時間自上而下發(fā)展［3］；斷面逐漸趨向窄深化，斷面沖淤分布逐漸由蓄水前“沖槽淤灘”轉(zhuǎn)為“灘槽均沖”［4］；彎曲河道也由“凸沖凹淤”“凸淤凹沖”兩種形態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐恢碌摹巴箾_凹淤”［5］。水沙過程的重分配［6］、凸岸的守護(hù)工程及波浪淘刷［7］均可能是造就上述演變特征的因素。在這種狀態(tài)下，河道內(nèi)各河段的沖淤分布呈現(xiàn)明顯的不均勻性［8］。對于不同形式的河槽如高水河槽與低水河槽［9］、V型河槽和W型河槽、彎曲河槽和順直河槽，其沖淤分布常常會表現(xiàn)出差異化，甚至在同樣的來水來沙條件下表現(xiàn)出截然不同的沖淤特征［10］。因此，特定的河道邊界下河床沖淤調(diào)整規(guī)律依然需要進(jìn)一步深入研究。目前國內(nèi)外對連續(xù)彎道特別是急彎河道研究多以水流特性為研究目標(biāo)，研究手段多以定床試驗(yàn)為主［11］。本文以三峽水庫下游連續(xù)急彎河道為例，探究水庫運(yùn)用后急彎河道的沖淤調(diào)整特性，以期完善彎曲河道的演變理論，并對下荊江河床演變預(yù)測、河道整治及河道保護(hù)工作提供技術(shù)支撐。

2 研究區(qū)域與資料來源

2.1 研究河段

長江干流石首—城陵磯段稱下荊江，該段河道全長約175 m，歷史上崩岸頻發(fā)，曾多次發(fā)生人工裁彎和自然裁彎，是典型的蜿蜒性河段，如圖1所示。由于河床抗沖性較差，河道沖刷調(diào)整十分劇烈。多數(shù)研究表明，水庫蓄水后下荊江的河型屬性及演變趨勢不會發(fā)生大的變化［12-14］，但最近幾年實(shí)測資料表明主河道依然處于擺動調(diào)整的過程中，各彎道產(chǎn)生撇灘切彎的可能性依舊存在，局部河道的沖淤及河勢變化對防洪、航運(yùn)、取水等涉水工程的影響不可忽略。

2.2 資料來源

本文選取下荊江七弓嶺與觀音洲2個急彎河道作為研究對象。研究數(shù)據(jù)來源于長江水利委員會水文局及長江航道測量中心，如表1所示。2002年實(shí)測地形可代表三峽水庫蓄水前河勢特征，2006—2018年可表征三峽水庫蓄水后河勢變化。高程系統(tǒng)均采用1954年北京坐標(biāo)系及1985國家基準(zhǔn)高程。

圖1 下荊江急彎河道區(qū)位Fig.1 Location of sharp bends in lower Jingjiang River

表1 數(shù)據(jù)選取Table 1 Data selection

依據(jù)《長江流域綜合利用規(guī)劃報告》，設(shè)定研究河段高水位為30 m，平灘水位約22 m，枯水位采用監(jiān)利站多年平均最枯3個月平均水位，為19 m。橫斷面劃分依據(jù)為：枯水位以下河槽為枯水河槽，枯水位至平灘水位之間為低灘，平灘水位至高水位之間則為高灘。

3 三峽水庫運(yùn)用后下游水文泥沙特性

3.1 蓄水前后徑流、輸沙量年際變化

三峽水庫蓄水前、后長江中下游主要水文站多年平均徑流量與輸沙量見圖2。由圖2可知：三峽工程蓄水運(yùn)用后，除監(jiān)利站外，長江中下游各站的徑流量較蓄水前略有減少；上游的來沙受攔截影響，過水庫后下游來沙大幅減少，過壩水流基本為清水。

圖2 研究河段主要水文站多年平均年徑流量和輸沙量變化Fig.2 Changes in annual average runoff and sediment discharge of main hydrological stations in the studied channel

3.2 蓄水前后徑流、輸沙量年內(nèi)變化

三峽水庫蓄水前、后監(jiān)利站平均月徑流及輸沙量年內(nèi)分配變化如圖3所示。對比水庫蓄水前監(jiān)利站多年平均水沙年內(nèi)分布，河道水沙年內(nèi)分配不均勻，來水來沙主要集中在汛期，其中以7月份最大，以2月份最?。凰畮煨钏?，對比蓄水前、后徑流量年內(nèi)分配比例，監(jiān)利站汛期洪峰削減，中水持續(xù)時間延長，枯水期流量增加；受上游水庫攔蓄作用，輸沙量減少明顯，減幅最大可達(dá)84.4%，最小約60.9%。

圖3 三峽水庫蓄水前、后監(jiān)利站平均月徑流量及輸沙量年內(nèi)分配變化Fig.3 Annual distribution of average monthly runoff and sediment discharge at Jianli station before and after the impoundment of TGR

4 清水沖刷條件下彎道演變特征

4.1 總體河勢變化特征

圖4 研究河段歷年河勢變化Fig.4 River regime changes over years

三峽水庫蓄水前、后研究河段河勢發(fā)生了顯著變化，如圖4所示。由圖4可知：蓄水前各彎道深槽居于凹岸，深槽走向符合典型的彎道規(guī)律，即上游河段（熊家洲）凹岸（左岸）—第1個急彎河道（七弓嶺）凹岸（右岸）—第2個急彎河道（觀音洲）凹岸（左岸），深槽在整個河道內(nèi)左右交替；水庫蓄水后，上游河段深槽仍在凹岸，而研究河段內(nèi)深槽逐漸向凸岸偏移，最終表現(xiàn)為上游河段凹岸（左岸）—第1個急彎河道凸岸（左岸）—第2個急彎河道凸岸（右岸）的平面形態(tài)。上游河道雖然凸岸產(chǎn)生了沖刷，但河道主流并未發(fā)生變化，即在上游河道河勢保持總體穩(wěn)定的條件下，研究河段內(nèi)的急彎河道均發(fā)生了深槽由凹岸移向凸岸的現(xiàn)象。

深泓線的擺動與深槽類似，由圖5（a）可知：在上游河道深泓平面位置較為穩(wěn)定的前提下，河道內(nèi)2個急彎段的深泓線均發(fā)生了顯著的自凹岸向凸岸的擺動。由圖5（b）可知：兩彎道凹岸岸線變化不大，其岸線變化主要發(fā)生在凸岸，由于深泓線由凹岸向凸岸的移動，第一個彎道凸岸和第二個彎道凸岸岸線呈現(xiàn)西沖東淤、整體向下游移動的狀態(tài)。

圖5 七弓嶺—觀音洲河道平面變化Fig.5 Plane changes of river channel from Qigongling to Guanyinzhou

4.2 河床沖淤調(diào)整特征

4.2.1 年際沖淤特征

隨著水庫的蓄水運(yùn)用，研究河段沖刷逐漸減緩，局部年份甚至出現(xiàn)淤積，如表2所示。

表2 七弓嶺—觀音洲河段河槽沖淤變化Table 2 Change of channel erosion and deposition in river reach from Qigongling to Guanyinzhou

河床總體沖淤特性呈現(xiàn)從“灘槽均沖”向“灘淤槽沖”轉(zhuǎn)化的趨勢：水庫運(yùn)用初期，研究河段呈“灘槽均沖”的態(tài)勢，沖刷主要發(fā)生在枯水河槽；隨著水庫的持續(xù)運(yùn)用，研究河段逐步轉(zhuǎn)變?yōu)椤盀┯俨蹧_”，淤積主要集中在枯水位至平灘水位之間的低灘部位。

圖6 研究河段河床沖淤發(fā)展過程Fig.6 Development process of riverbed erosion and deposition

從沖淤的沿程分布來看（圖6），除了2006—2010年間上、下2個急彎表現(xiàn)出相反的沖淤性質(zhì)，即上游彎道（七弓嶺）沖刷，下游彎道（觀音洲）淤積；其余年份兩彎道均表現(xiàn)為沖刷的狀態(tài)，但總的沖刷量級隨著時間變化逐漸減小。

各斷面沖淤對比情況如圖7所示。各斷面均表現(xiàn)為河槽最低點(diǎn)持續(xù)向下發(fā)展，邊灘向凸岸處展寬；過渡段平穩(wěn)向下沖刷，Cs1斷面由于深槽的擺動，斷面形態(tài)發(fā)生了從左至右的偏移；彎曲段總體表現(xiàn)為主槽下沖，副槽與水下潛洲淤積，凸岸崩退嚴(yán)重，凹岸沖淤并不明顯。

圖7 典型斷面沖淤調(diào)整規(guī)律Fig.7 Law of erosion and deposition in typical sections

在蓄水初期的全面沖刷階段（2002—2006年），僅在2個急彎段之間的過渡段發(fā)生明顯淤積，呈現(xiàn)出“沖淤均一條線”的特征，如圖8所示。隨后全河段沖刷淤積的河床面積幾近相等，彎頂段凸岸沖刷凹岸淤積；兩急彎段之間的過渡段則全河床淤積。

圖8 研究河段歷年沖淤變化Fig.8 Changes of erosion and deposition in the studied channel over years

沖淤量的分布不均，勢必會導(dǎo)致河道沿程斷面河相系數(shù)調(diào)整。統(tǒng)計近期不同水位下典型斷面寬深比的發(fā)展趨勢，如圖9所示。

圖9 不同水位下典型斷面寬深比變化Fig.9 Variation of width-depth ratio of typical sections under different water levels

由圖9可知：整體上各斷面寬深比以減小為主，從不同水位情況來看，各斷面寬深比降幅隨水深的減小而增大；從斷面位置上看，連續(xù)彎道在上游過渡段至第一個彎道寬深比降幅較大，而在上、下彎道之間的過渡段及第二個彎道表現(xiàn)為小幅增長?？梢娺B續(xù)彎道上游過渡段至第一個彎道以下切沖深為主，之后的河段則以展寬為主。

對比各水位下的斷面面積變化（圖10），斷面以沖刷為主，但兩彎道之后的過渡段（Cs4、Cs5、Cs8）均呈現(xiàn)淤積的形態(tài)；其中彎道段斷面（Cs3、Cs6、Cs7）面積變化曲線與過渡段斷面（Cs4、Cs5）面積變化曲線基本呈現(xiàn)相反的形態(tài)，兩者的沖淤關(guān)系總是呈現(xiàn)相反的狀態(tài)。

圖10 不同水位下典型斷面面積變化Fig. 10 Variation of area of typical sections underdifferent water levels

4.2.2 年內(nèi)沖淤特征

計算各水位河床沖淤量如表3所示。由表 3可得知：枯水期連續(xù)急彎河段總體表現(xiàn)為沖刷狀態(tài)，汛期連續(xù)急彎河段總體呈現(xiàn)淤積狀態(tài)；上、下彎道之間沖淤表現(xiàn)出相反的態(tài)勢，即枯水期上游彎道（七弓嶺）淤積，下游彎道（觀音洲）沖刷，而在汛期則反之。對比不同枯水期間的差異，2013年枯水期無論是淤積河段還是沖刷河段，量級都遠(yuǎn)超 2016年枯水期，同樣的情況也發(fā)生在 2018年汛期和 2017年汛期。

表3 不同水位淤積河段沖淤量Table 3 Amount of scour and deposition in the depositedreach under different water levels

5 結(jié) 論

本文以三峽水庫運(yùn)行后下游連續(xù)急彎河段為研究對象，對水庫下游急彎河道沖淤特性進(jìn)行了研究，得到結(jié)論如下：

（1）受水庫調(diào)度影響，上游來水含沙量銳減，基本表現(xiàn)為清水，年內(nèi)徑流量重分配，枯水期流量增加，汛期洪峰削減。

（2）水庫運(yùn)行后，上、下2個急彎河段首先沖刷，然后轉(zhuǎn)變?yōu)椤吧蠜_下淤”的相反的沖淤性質(zhì)，后又恢復(fù)為同時沖刷的狀態(tài)。年內(nèi)沖淤整體上表現(xiàn)為枯水期沖刷，汛期淤積；上、下彎道總是表現(xiàn)出相反的沖淤形態(tài)，即枯水期“上淤下沖”，汛期“上沖下淤”。

（3）水庫運(yùn)行后，連續(xù)急彎河道上游過渡段至第1個彎道以下切沖深為主，之后的河段則以展寬為主；彎道段斷面面積變化曲線與過渡段總是呈相反的變化，兩者的沖淤關(guān)系總是呈現(xiàn)相反的狀態(tài)。