韩 飞

（长江航道局，武汉430010）

长江中游牯牛沙水道整治后滩槽演变对水沙条件的响应

韩 飞

（长江航道局，武汉430010）

以牯牛沙水道为研究对象，探讨三峡工程、航道整治工程作用下滩槽演变对水沙条件响应关系，阐明新治理目标下浅区碍航特性。主要结论为：三峡水库蓄水初期牯牛沙边滩演变规律为“洪季冲刷，枯季淤积”，其滩体面积、宽度与汛后退水期天数为正相关关系；伴随汛后退水期缩短和输沙量的减少，牯牛沙边滩冲刷速率加快，在航道整治工程实施后，边滩面积淤涨，枯水期水流集中冲刷浅区，航道条件得到改善；在6.0 m×200 m航道尺度规划目标下，过渡段浅滩在汛后退水天数较短的年份，由于冲刷能力的减弱，进而出浅碍航；在一期和二期航道整治工程作用下牯牛沙边滩面积淤涨，但尾部窜沟仍有发育态势，航道边界条件仍不稳定；航道尺度提升过程中，仍需采取工程措施增强过渡段浅区冲刷动力，同时还需进一步增强滩体完整性和稳定性。

滩槽演变；水沙条件；碍航特性；响应关系；牯牛沙水道

水库的修建改变了河流下游水沙过程，破坏了原有的水文平衡，必然会引起水库下游的水沙输移特性改变、河道形态的调整［1］。三峡水库蓄水后改变了坝下游年内流量过程［2-3］，拦蓄了大量泥沙，坝下游近乎于“清水下泄”［4-5］，其来水来沙条件的变化改变了河道泥沙冲淤特性。三峡水库蓄水后，由于来沙量大幅减少，长江中下游微弯段凸岸边滩冲刷萎缩，相应的凹岸深槽淤积［6］，部分急弯河段甚至出现切滩或撇弯现象。

牯牛沙水道处于长江中游，为微弯河型，三峡水库蓄水初期航道尺度恶化，针对其河床演变及碍航特性的分析，国内学者开展了相关研究工作。主要有：闫军［7］等从牯牛沙水道历史时期演变出发，研究了牯牛沙边滩的演变过程，建立了浅滩滩脊水深与河道水位关系，当河道水位大于5.0 m时，滩脊水深变化不大。张明进等［8］研究认为牯牛沙边滩宽度、面积与汛后退水期天数关系较为密切。朱玉德［9］等分析认为，近年来牯牛沙边滩蚀退，中枯水河宽增大［7］，水流动力轴线变化空间加大，同时浅区上深槽右偏、下深槽衰退，是牯牛沙水道航道条件恶化的原因。蔡大富［10］等分析认为牯牛沙水道一期航道整治工程实施后，总体河势更趋稳定，牯牛沙边滩淤高展宽，利于枯水期水流集中，过渡段浅区得到有效冲刷，但凸岸边滩仍不完整，淤积泥沙易于冲失，遇不利水文年过渡段出浅。李雨晨和李青云［11］总结了一期工程实施效果和河床演变过程，并提出了二期工程的治理思路。三峡水库蓄水后，牯牛沙水道实施了两期航道整治工程，航道尺度得到提升，其滩槽形态三峡工程及整治工程综合作用下的变化仍不够深入。在“十三五”期间牯牛沙水道拟将航道水深提升至6.0 m，新治理目标下牯牛沙水道的碍航特性仍需进一步探讨。综上，本文在以往研究基础上，从水沙条件变化情况着手，研究牯牛沙水道滩槽演变对水沙条件的响应关系，并探讨新治理目标航道尺度6.0 m×200 m条件下的牯牛沙水道碍航特性。

1研究河段及水沙特征

1.1研究河段

牯牛沙水道位于长江中游武汉至安庆段内，水道平面形态微弯，凸岸有牯牛沙边滩，凹岸有团林岸边滩（图1）。三峡水库蓄水后，牯牛沙水道实施了两期航道整治工程，一期工程于2009年9月开工建设，2010年8月交工验收，工程建设内容为在牯牛沙边滩修建3条护滩带，工程实施后实现了航道尺度4.5 m×200 m×1 050 m的目标。二期工程于2013年12月开工，2015年6月交工验收，工程内容为在牯牛沙边滩一期工程护滩带的基础上修建3道丁（顺）坝，同时对左岸岸线进行加固。

图1 牯牛沙水道河势图Fig.1 River regime of Guniusha waterway

1.2水沙特征

汉口水文站位于牯牛沙水道上游，汉口水文站至牯牛沙水道区间无大型支流汇入，其水沙条件可以代表牯牛沙水道的来水来沙特征（图2）。汉口站年际水量和沙量变化规律：1955～2014年期间水量变化不大，沙量为减小趋势；输沙量减小呈现阶梯性特点，1987～2002年较1955～1986年期间减幅为23.9％，2003～2014年期较1955～1986年期间减幅为74.9％。年内流量分配特征：1月～3月流量为增加趋势，主要受三峡水库枯水期补水作用影响；7月和8月流量先增加后减少，这主要是1998年和1999年大洪水流量集中在该月份引起；9月和10月流量为减少趋势，主要是三峡水库蓄水作用所致；其余月份变化不大。同流量下含沙量为减少趋势，且洪季减幅大于枯季。

图2 汉口水文站水文泥沙变化图Fig.2 Variations of hydrologic and sediments process at Hankou Hydrologic Station

图3 牯牛沙边滩形态变化（1970～2003年）Fig.3 Shape variation of Guniusha side bar(1970～2003)

2三峡水库蓄水前牯牛沙水道滩槽演变特点

2.1边滩演变特点

2003年以前，牯牛沙水道基本处于自然演变状态，凸岸的牯牛沙边滩面积变化不大(航基面以下0 m等深线，下同)，维持相对高大完整的形态（图3～图4）。20世纪80年代中期开始，边滩宽度有所减小，进入20世纪90年代这一减少趋势更趋明显。凹岸的团林岸边滩长度约5.2 km，滩体年际间变幅较小，仅在丝茅径一带变化幅度略大，且主要发生在大洪水年份。如1998年和1999年期间，丝茅径一带边滩向下游延展，其后经历中小水年份，滩形逐渐得到恢复，至2003年基本恢复至1998年以前滩形。牯牛沙水道平面形态微弯，其凸岸和凹岸边滩演变存在一定对应关系，遇大水年份凸岸边滩冲刷，凹岸边滩淤积；年内冲淤上看，汛期主流摆向凸岸，凸岸边滩冲刷，枯水期主流摆向凹岸，凸岸边滩淤积，符合一般微弯河型的边滩演变规律。

2.2深槽演变特点

选取过渡段浅区横截面（图5），2002年10月～2003年3月、2003年9月～12月牯牛沙水道深槽明显冲刷，而2003年3～9月深槽淤积，表明牯牛沙水道深槽遵循“洪季淤积，枯季冲刷”的基本规律，与长江中下游微弯河段深槽演变规律相一致［6］。滩槽冲淤与主流平面位置息息相关，主流位置与深泓变化密切相关（图6）。牯牛沙水道在平常水文年，深泓较为稳定，但遇大洪水年出现一定摆动，如1998年和1999年连续大水年，深泓右摆较为明显，最大摆幅达820 m。大水年过后经历了中小水年，深泓逐渐回摆，但仍未能恢复至20世纪90年代中期以前的位置。2002年11月与1995年12月相比较，过渡段深泓右摆约375 m。综上，充分体现微弯河段水流运动特征，深泓年内遵循“洪水趋直，枯水坐弯”的变化规律。

图4 牯牛沙边滩面积和宽度变化Fig.4 Variation of area and width of Guniusha side bar

3三峡工程、航道整治工程作用下牯牛沙水道滩槽演变特点

3.1边滩演变特点

已有研究表明［12］，三峡水库蓄水初期，牯牛沙边滩在年内“洪季淤积，枯季冲刷”的演变规律未发生变化。2003～2014年期间整体上牯牛沙边滩的面积、宽度为减少趋势，2009年之后受航道整治一期工程的影响，面积略有增加，但仍小于蓄水前多年均值，2014年2月～2016年3月牯牛沙边滩面积较大幅度的淤长(图4、图7)。各阶段牯牛沙边滩的演变特点如下：（1）三峡水库蓄水至一期航道整治工程前：2003～2009年期间边滩冲刷后退，边滩头部及中上段左缘受冲后退，宽度变窄，面积减小；其中2003～2006年期间，0 m等深线累计后退约210 m（3#断面），滩体面积减少约34％。（2）一期航道整治工程实施后：2009年以后受航道整治工程的影响，牯牛沙边滩面积有所恢复，宽度略有增加，在风波港—九边矶对开区域0 m等深线展宽较大；2009年1月～2013年3月年期间滩体面积增加，2014年2月滩体面积和宽度均略有减小，并在边滩中部出现窜沟；右岸的团林岸边滩形态变化不大，整体上仍维持为一个相对稳定的凹岸边滩。（3）二期航道整治工程实施后：2016年3月与2014年2月测图比较，牯牛沙边滩头部淤涨较大，尾部的窜沟为发育趋势，表明二期整治工程的实施对牯牛沙边滩稳定起到控制作用，团林岸边滩变化不大。

图5 牯牛沙水道深槽年内变化（2002～2003年）Fig.5 Intra⁃annual variation of the deep trough in the Guniusha waterway

图6 牯牛沙水道深泓变化(1983～2002年)Fig.6 Thalweg evolution in the Guniusha waterway

3.2深槽变化特点

2003年以来，深泓年内仍遵循“洪水取直，枯水坐弯”的基本规律，过渡段深泓年际间摆动仍较为频繁，2003～2009年最大摆幅达570 m。在三峡水库蓄水至在一期航道整治工程前，2006年11月与2002年11月相比较，深泓纵向上在道士泭附近大幅冲刷，最大冲刷深度达22 m。在一期航道整治工程实施后，深泓纵向上为冲淤交替变化，整体为冲深趋势（图8）。过渡段浅区深槽的形态在整治工程前呈现“W”型，整治工程作用下浅区得到冲刷，深槽形态逐渐转为“U”型，过渡段浅区上下深槽错开格局消失，整个水道4.5 m航道水深贯通。

图7 牯牛沙边滩变化(2003～2016年)Fig.7 Shape evolution of Guniusha side bar(2003～2016)

图8 2003年以来牯牛沙水道深槽变化Fig.8 Thawed evolution in the Guniusha waterway since 2003

4牯牛沙水道滩槽演变对水沙条件的响应关系

4.1滩槽演变对来水来沙条件的响应

三峡水库蓄水后和蓄水前比较，汉口站水沙条件发生显著变化，势必影响牯牛沙水道滩槽演变过程。统计牯牛沙边滩面积和宽度变化与汉口站汛后退水天数（汉口水文站10 000 m3/s＜Q＜20 000 m3/s）关系（图9），分析表明：2010年以前（除2006年）牯牛沙边滩宽度及面积与汛后退水期天数呈正相关关系，即年内退水时间越短，汛后水位的回落速度越快，边滩宽度和面积越小，河道宽浅化程度越高；其中2006年为特枯年，汉口站Q＞30 000 m3/s，且水位高于现行航行基面上10 m的时间仅为20 d，全年基本处于冲刷状态，故未出现宽浅碍航现象。整体上，三峡水库蓄水至一期工程完工以前，牯牛沙边滩形态变化与水沙条件表现出较好的适应性。

2011年为枯水年份，同时三峡水库175 m蓄水，使得流量调节更为明显，使得全年处于冲刷状态。2010年牯牛沙水道一期航道整治工程完工，牯牛沙边滩面积在工程作用下有所淤涨，2014年2月边滩存在明显窜沟发育，边滩面积减小，这与2013年汛后退水天数较长相矛盾。综上，2010年以来，牯牛沙边滩面积和宽度与汛后退水天数的关系未表现出正相关关系，与流量过程的关系变弱，表明整治工程对维持边滩形态起到较好的控制作用。1980～2003年期间汛后退水天数平均为92 d/a［8］，2003～2009年期间为46 d/a，2010～2014年期间为47 d/a。虽然牯牛沙边滩形态变化因整治工程的影响与流量过程适应性趋差，但退水期天数减少仍是边滩面积减小的重要成因。

三峡水库蓄水后，汉口站坝下游干线河道输沙量大幅减少，同时大流量被削减，使得汛期可淤积泥沙量减少，不利于边滩的淤长。1990年左右牯牛沙边滩受输沙量减小影响，开始冲刷后退，滩面逐渐刷低，这一趋势一直持续至2006年。2009年以来，牯牛沙水道实施了边滩守护工程，牯牛沙边滩面积小幅淤长，航道整治工程一定程度上促进边滩淤长，但在汛后退水其天数缩短、输沙量减少等综合作用下，边滩形态大小仍未能完全淤长至蓄水前的多年平均均值水平。

4.2航道整治工程对滩槽演变的影响

牯牛沙水道近期实施了两期航道整治工程，工程位置在牯牛沙边滩区域，一期工程主要是采用护滩带形式对牯牛沙边滩实施守护，属于守护型治理工程，二期工程在一期工程已建护滩的基础上实施了丁（顺）坝工程，属于调整型工程。由于治理工程力度的不同，对滩槽演变的影响也存在差异，主要体现在：

（1）牯牛沙边滩面积上，针对微弯河段的凸岸边滩，在三峡水库蓄水后，由于汛后退水天数减少，同时含沙量也为减小趋势，边滩面积为减少趋势［6］。牯牛沙边滩在两期航道整治工程实施后面积均有所增加，虽受水沙条件的影响，但2010年以来牯牛沙边滩面积为淤长趋势，主要受航道整治工程的作用，这也是面积与汛后退水期天数减少的相关性减弱的原因。

（2）滩槽形态上，一期航道整治工程实施前，过渡段浅区的断面形态为“W”型，工程实施后，断面形态逐渐转为“U”型，过渡段浅区的航道水深得到提高（图8、图10）。在河相系数上（航行基准面），2007年2月、2011年11月和2014年3月分别为8.44、7.85和7.46，河相系数逐渐减小，断面趋于窄深化发展。

图9 牯牛沙边滩宽度、面积与汛后退水期天数关系Fig.9 Relationship between width and area of Guniusha side bar and days of flood recession

图10 过渡段浅区断面形态变化Fig.10 Morphological changes of regional section in transition section

5新治理目标下牯牛沙水道的浅滩碍航特性分析

牯牛沙水道航道整治一期和二期工程的治理目标是使航道尺度为4.5 m×200 m，工程实施后治理目标已经实现。但随着沿江地区经济快速发展，对航道尺度的提升提出了更高的要求。为适应长江干线航运发展需求，《长江干线“十三五”航道治理建设规划》提出“十三五”期长江干线武汉至安庆河段的航道治理目标为：实现6.0 m水深贯通，航道尺度建设标准为6.0 m×200 m。就新治理目标下的航道尺度而言，牯牛沙主要碍航问题是水深不足及局部洲滩不稳定，具体表现为：

（1）大水年份过渡段浅区在洪水期淤积，同时三峡水库蓄水后汛后退水天数减少，水位快速降落，过渡段浅区冲刷时间缩短，使得汛期淤积泥沙在汛末退水期未能得到有效冲刷而出浅碍航。

三峡水库蓄水后的2010年大水年，洪水期过渡段浅区淤积明显，汛后退水期天数较短（图10），汛期深槽淤积的泥沙未能得到有效冲刷，使得6.0 m航槽断开，甚至是上、下深槽错开，航道条件较差；2011年为枯水年，同时洪水流量（汉口站Q＞30 000 m3/s）持续时间减少，汛后退水期天数较长，过渡段浅区得到有效冲刷，6.0 m航槽贯通；2012年为大水年，汛期过渡段也出现了淤积现象，6.0 m航槽虽贯通，但宽度较2011年有所减小，仅190 m左右；2013年为中水年，汛后退水天数较长，航道条件相对较好，6.0 m航槽贯通，宽度在200 m以上。

（2）在三峡水库蓄水和一期航道整治工程作用下，过渡段浅区为冲刷趋势，但近期边滩面积为减小趋势，同时存在窜沟发育，航道边界条件仍不稳定。

2003年11月与20世纪70年代相比，牯牛沙滩体的宽度减少约300 m，2009年8月与2003年11月比，边滩头部冲刷后退约160 m。一期工程实施后，一定程度上抑制了牯牛沙边滩持续冲刷后退趋势，至二期工程实施边滩头部有所淤长，上延约100 m，二期工程实施后，牯牛沙边滩虽存在冲淤调整，但位置的变化不大。从纵向流速和含沙量分布情况上看（图11），纵向上过渡段浅区段为流速大，含沙量小，在上游流域的来沙量减小和航道整治工程综合作用下，过渡段（包含边滩和深槽）存在冲刷趋势。在横向上，牯牛沙边滩窜沟区域的流速大，含沙量小，在短时间内该窜沟仍存在发育趋势，不利于航道边界条件的长期稳定(图11)。

图11 牯牛沙水道典型断面流速和含沙量分布图(测量时间2014年2月)Fig.11 Distribution of velocity and sediment concentration at typical section in Guniusha waterway

因此，针对6.0 m×200 m航道尺度目标而言，仍需采取的工程措施除能达到增强过渡段浅区冲刷动力，增加航道尺度的目的外，还需进一步增强滩体完整性和稳定性。

6结论

以三峡水库蓄水时间和航道整治工程作为时间节点，分析了不同阶段牯牛沙水道滩槽的演变过程和规律，针对拟实施的武汉至安庆段6.0 m×200 m航道尺度提升目标，对碍航特性进行分析。认识如下：

（1）三峡水库蓄水初期牯牛沙边滩仍遵循蓄水前“洪季冲刷，枯季淤积”演变规律，其面积（0 m等深线）和宽度与汛后退水期天数呈正比例关系，体现了滩槽格局与新水沙条件的适应性。

（2）由于三峡水库蓄水初期汛后退水天数减少，不利于边滩形态的稳定，同时输沙量锐减进一步加速了边滩的冲蚀过程。

（3）一期和二期航道整治工程实施后，边滩面积呈现淤涨的态势，滩体形态得到一定恢复，枯水期水流集中冲刷过渡段浅区，航道条件得到改善，实现了航道尺度为4.5 m×200 m的治理目标。

（4）针对航道尺度提高至6.0 m×200 m而言，牯牛沙水道在不利水文年作用下，尤其是汛后退水期较短的年份，由于过渡段浅区的冲刷能力减弱，进而导致出浅碍航；牯牛沙边滩在航道整治工程作用下虽有所淤涨，但近期边滩尾部的窜沟呈现发育态势，航道边界条件仍不稳定。因此，采取的工程措施除能达到增强过渡段浅区冲刷动力，增加航道尺度的目的外，还需进一步增强滩体完整性和稳定性。

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Response of channel⁃floodplain evolution to water⁃sediment conditions after regulation at Guniusha Waterway in the mid reach of the Yangtze River

HAN Fei
（Changjiang Waterway Bureau，Wuhan 430010，China）

This paper focused on the Guniusha Channel in the middle reaches of the Yangtze River,explored the evolution rules of shoals and channels under the combined action of many factors such as the operation of Three Gorges Project and the channel improvement project,and thus gained an in⁃depth understanding of the navigation obstacle characteristics of the Guniusha Channel under the new governance goal.Main conclusion:after the im⁃poundment of the TGR,the point bar in the Guniusha Channel still followed the rules before the impoundment,i.e., the scouring in flood season and the sedimentation in dry season,and the area(within the 0-m depth contour)and the width were in proportion to the number of days in the water⁃falling stage after flooding;after the impoundment of the TGR,the water⁃falling stage after flooding was shortened,which was adverse to the maintaining of point bar pat⁃tern;meanwhile,the sharp decline in sediment discharge further accelerated the washout process of the point bar, and therefore,the first⁃stage channel improvement project was implemented;after the implementation of the chan⁃nel improvement project,the area of the point bar exhibited the siltation and the pattern of beach body was restored to a certain degree;in dry season,the flow mainly scoured the shallow region in the transition section and improved the channel condition.If the channel dimension of the Guniusha Channel was increased to 6.0 m×200 m,a short wa⁃ter⁃falling period could reduce the flow′s scouring ability in the shallow region of the transition section,and there⁃fore the shallow region tended to be shallower and obstructed the navigation in adverse hydrologic years especially in the years with short water⁃falling stages after flooding.After the implementation of channel improvement mea⁃sures,although the point bar in Guniusha Channel exhibited the siltation,the chutes in the tail of the point bar were developed,i.e.,the boundary conditions of the Channel were still unstable.Therefore,with the aim of achieving a de⁃sirable channel dimension,the completeness and stability of the beach body should be further enhanced while the engineering measures are implemented for increasing the flow′s scouring ability in the shallow region of the transi⁃tion section.

Guniusha Waterway;beach trough evolution;water and sediment conditions;navigation character⁃istics;response relation

TV 147

A

1005-8443（2016）04-0392-07

2016-02-17；

2016-03-17

韩飞（1963-）,女,山西省盂县人,高级工程师,主要从事长江中游河床演变和航道整治措施等相关研究。

Biography：HAN Fei（1963-）,female,senior engineer.