长江武汉河段近期河床演变特性探讨

2017-12-05

水利水电快报 2017年11期

(长江科学院河流研究所，湖北武汉 430010)

长江武汉河段近期河床演变特性探讨

岳红艳朱勇辉卢金友姚仕明

(长江科学院河流研究所，湖北武汉430010)

在统计分析三峡水库蓄水运用前后汉口和仙桃水文站近期水沙变化特性的基础上，初步探讨了长江中游武汉河段近期河道演变特性。研究成果表明，三峡水库蓄水后汉口站多年平均流量和径流量略有降低，蓄水后汉口站输沙量出现大幅度减小。1968年丹江口水库蓄水运用后，仙桃站水位年最大变幅明显减小，下泄沙量明显减少，含沙量减小；三峡水库建成后，近几年汉口站含沙量减小明显，2011～2016年武汉河段河床冲刷明显。武汉河段内多年来除局部滩槽冲刷变幅较大外，滩槽平面位置和形态总体而言相对较为稳定，预计武汉河段整体河势不会发生重大变化。从工程安全和防洪方面考虑，建议对武汉河段特别是工程密集局部区域，进行水下地形监测和跟踪分析研究工作。该成果可为武汉河段未来治理方案的研究提供一定的技术支撑。

河床演变；水沙变化；河势变化；三峡水库；武汉河段

1 研究背景

武汉市是我国中部地区的中心城市和全国重要的综合交通枢纽，是防洪的重点城市之一。武汉河段沿江岸线的开发利用与跨江设施(包括桥梁、隧道、管道等)的建设在城市的经济、社会发展中发挥着重要作用。随着城市经济建设的持续蓬勃发展，今后将对河势稳定、河道治理和防洪安全等方面提出更高的要求。已有许多研究者针对武汉河段河床演变开展了大量研究工作[1-7]，大多结合某一工程建设进行的局部河床演变特点或机理分析，所采用的水沙和地形资料以2009年前为主，缺少近期资料分析。目前，长江武汉河段已有的桥梁或越江隧道共11条，未来几年内武汉河段在建或拟建的桥梁或隧道工程还有10条，再加上三峡水库蓄水运用后水库下泄水沙情况和过程发生了显著变化，水沙条件的改变或人类活动加强可能对长江武汉河段的滩槽演变、河势稳定、防洪安全和航道条件产生一定影响。因此，首先需要根据三峡水库蓄水运用前后水沙和地形资料对武汉河段河床演变特性进行对比研究，然后再从维护健康长江、促进人水和谐的治江新理念出发，研究武汉河段综合整治方案。

武汉河段上起武汉市江夏区纱帽山，下至新洲区阳逻镇，全长约70.3 km(见图1)。其中，白沙洲长江大桥以上左岸有通顺河入汇，长江大桥以下左岸有汉江、朱家河及新河入汇，长江大桥附近有武昌深槽，江中依次分布有铁板洲、白沙洲、潜洲及天兴洲，左岸主要有荒五里边滩、汉阳边滩与汉口边滩等分布。该河段共受5对节点控制，分别为纱帽山和赤矶山，金口的大军山和龙船矶，沌口的小军山和杨泗矶，蛤蟆矶和石咀，龟山和蛇山以及十里长山和青山，其中龟、蛇山处江面宽最窄，仅1 100 m。蛤蟆矶和石咀，龟山和蛇山两对节点将该河段分为上、中、下3段，其中上段金口河段纱帽山至沌口长约20.0 km，为铁板洲顺直分汊河段，左汊为主汊，右汊为支汊；中段沌口至龟山为白沙洲顺直分汊河段，长约15.0 km，江中有白沙洲和潜洲，左汊为主汊，右汊为支汊；下段龟山至阳逻为天兴洲微弯分汊河段，长约35.3 km，天兴洲分汊河道为南北两汊，其中，南汊为主汊，北汊为支汊。

图1 武汉河段河势

本文主要对三峡水库蓄水前后汉口站水文资料进行了统计计算，初步分析探讨了三峡水库蓄水运用前后汉口水文站水沙变化特性、滩槽演变特性、河床冲淤变化及河道演变趋势。

2 武汉河段水沙特性分析

2.1 汉口站水沙特性

三峡水库蓄水前(即建库前和蓄水前1952～2002年)，汉口站多年平均水位为19.10 m(冻结基面)；蓄水后(2003～2015年)，汉口站平均水位18.72 m(冻结基面)。

汉口水文站三峡水库蓄水前1952～2002年的多年平均流量为22 600 m3/s，径流量为7 131亿m3；三峡水库蓄水后，2003～2015年多年平均流量为21 209 m3/s，径流量为6 690亿m3。三峡水库蓄水后汉口站多年平均流量和径流量略有降低。全年径流量主要集中在汛期，三峡水库蓄水前和蓄水后5～10月的径流量分别约占全年径流量的74%和69%。

1954～2002年三峡水库蓄水前，汉口站多年平均输沙量3.97亿t，含沙量0.565 kg/m3。汉口站来沙年内分配极不均匀，汛期5～10月输沙量占全年的87.8%；三峡水库蓄水运用后，汉口站输沙量出现大幅度减小，2003～2015年平均输沙量为1.02亿t，较蓄水前多年均值减少74.2%，年均含沙量也减小至0.158 kg/m3。汛期5～10月输沙量占全年的80.6%，较蓄水前略有减小。

2.2 支流汉江来水来沙特性

本次分析选择距离汉江河口157 km的仙桃水文站代表汉江水沙特性。

丹江口水库建库前，汉江中下游水位暴涨暴落，峰型尖瘦，仙桃站水位年最大变幅为13.13 m；全年水量分配极不均匀，7～9月的水量约占全年的55%左右。各站最大流量均出现在7月份，最小流量则出现在3月份；多年(1955～1959年)平均输沙量为0.831亿t。

1968年丹江口水库蓄水运用后，由于水库调节影响，中下游枯季水位抬高，汛期水位有所降低。仙桃站水位年最大变幅明显减小；下泄沙量明显减少，含沙量减小。根据统计建库后1972～2015年资料表明，输沙量减少至1 842万t，为建库前(1955～1959年)的22%。

建库后仙桃站水沙量年内分配较均匀，汛期占全年比例减小，枯水期占比增大。建坝后仙桃站水沙量占汉口站同期水沙量比例有所减小。年均径流量由建库前的6.41%减至5.95%，年内1～3月及12月建库后有所增加；年均输沙量减少更多，由建库前17.35%减至6.24%，其中1～3月、12月增加，其它月份均减少。

3 三峡水库蓄水运用前后河道演变

由于沿江两岸受节点控制与护岸工程的实施，武汉河段自20世纪30年代至今河道平面外形基本稳定，沿江两岸岸线变化相对较小，河道演变主要表现为河床冲淤、洲滩消长和汊道的兴衰交替变化[1]。

3.1 深泓线变化

多年来，武汉河段天兴洲左汊尾部深泓线在三峡水库蓄水运用后摆幅较蓄水运用前增大，其余河道在蓄水后的深泓线摆动幅度都较蓄水前要小，摆动幅度较大处主要为分汇流区或河岸边界条件突变段。

3.2 洲滩和深槽演变规律

三峡水库蓄水后铁板洲洲体冲淤变幅较蓄水前略小；蓄水前后白沙洲洲体面积呈现减小趋势，且蓄水后的减小幅度较蓄水前略大。年内变化呈现汛期淤长，汛后冲刷还原；潜洲洲体冲刷较蓄水前有所缩小，蓄水后年际间累积略有淤长增大。年内变化表现为汛前至汛初洲头淤长上伸并向左展宽，主汛期冲刷，汛后冲刷还原。

荒五里边滩和汉阳边滩年际间其平面位置和冲淤变幅较大。荒五里边滩年内变化为枯季上游东风闸至老关一带近岸淤积，汛前随流量、水位增大，泥沙逐渐下移至荒五里边滩附近，汛期荒五里边滩淤积，汛后边滩冲刷，次年又重复此过程。汉阳边滩年内变化过程与荒五里边滩相反，一般枯季1～2月边滩淤长至最宽，汛前涨水期，边滩冲刷后退，汛期汉阳边滩冲刷至最窄，汛后开始回淤，至次年水位最低时又淤长最宽，此后往返循环；汉口10m高程边滩多年来(1986～2016年)冲淤交替演变，整个边滩有累积向下游发展的趋势。汉口边滩年内变化规律为滩首枯季淤积，汛初冲刷，汛期淤长，汛末冲刷。当滩首滩尾淤积，则边滩中段冲刷；当滩首滩尾冲刷，则边滩中段淤积；青山边滩多年来(1986～2016年)年际间冲淤交替变化，边滩运动的总趋势是逐渐下移。三峡水库蓄水后边滩主要表现为滩体头部和中部淤积扩大、滩尾有所冲刷：其中2004～2011年滩体中上部淤积扩宽明显，累积最大扩宽约400 m；2011～2016年滩体头部冲刷后退约1 200 m；三峡水库蓄水运用前多年(1991～2002年)来天兴洲主要演变特点为洲头的大幅冲刷后退，累积冲刷后退约1 300 m。三峡水库蓄水运用后多年(2004～2016年)来主要演变特点表现为天兴洲洲头的冲淤变化上，累积向上游淤长约1 800 m。年际间一般是大水年洲头冲刷，洲尾淤积，中小水年则相反。年内一般表现为汛期洲头冲刷，洲尾淤积，枯水期洲头淤积，洲尾冲刷。

三峡水库蓄水运用前多年来武昌0 m深槽多以2～3个独立的0 m深槽存在；蓄水后多年(2004～2016年)来武昌0 m深槽均为完整封闭的0 m高程等高线，且外形较为稳定，较蓄水前有所变长缩窄，且深槽最深点高程略有降低；汉江入汇口0 m深槽在蓄水后较蓄水前总体上呈现淤积缩小趋势；天兴洲右汊0 m深槽近年来上下深槽均呈冲刷趋势，河床冲刷下切、河槽面积增加。

从以上分析可知，武汉河段内多年来洲滩及深槽平面位置和形态相对较为稳定，洲滩及深槽随水文年不同而发生冲淤变化。

3.3 河床冲淤量近期变化

根据1981～2011年武汉河段河床冲淤情况(平滩河槽计算水位取为20 m)可知[8]，三峡水库蓄水运用前多年(1981～2001年)来平滩水位条件下，武汉河段(军山-阳逻段)河床有冲有淤，总体表现为淤积，主要表现为滩槽均淤，其平滩河槽累计淤积泥沙1 569万m3。天兴洲左汊多年来累计淤积多于冲刷，右汊累计冲刷多于淤积，有利于天兴洲右汊的冲刷发展；2001～2004年，平滩条件下武汉河段(沌口-阳逻段)除长江大桥-天兴洲头段表现为冲刷外，其它各段都表现为淤积。天兴洲左右汊均表现为淤积，且左汊淤积量少于右汊淤积量。

三峡水库蓄水运用后，2004～2010年，平滩水位下河床年际间表现为冲淤交替，累计表现为冲刷。该河段沿程各分段河床均表现为不同程度的冲刷。天兴洲左汊和右汊多年来均表现为冲刷，但天兴洲右汊冲刷多于左汊，有利于天兴洲汊道右汊的继续发展。

表1 武汉河段近期河床冲淤量统计(铁板洲头-阳逻镇)

注：表中冲淤量计算取平滩河槽计算水位，“-”表示冲刷，“+”表示淤积。

由表1可知，武汉河段河床2011～2016年河床冲刷下降明显，河床累计冲刷约12 017万m3，河床平均冲刷下降约0.98 m。

从三峡水库蓄水运用前后河床冲淤变化情况来看，蓄水前多年来累计有所淤积，天兴洲左汊多年来累计淤积多于冲刷，天兴洲右汊累计冲刷多于淤积，有利于天兴洲右汊的冲刷发展；蓄水后多年来河床累计有所冲刷。特别是2011～2016年武汉河段河床冲刷下降明显，其中天兴洲右汊冲刷明显，有利于汊道右汊的继续发展。

3.4 河道演变趋势

从武汉河段多年河道演变情况来看，影响该河段河道演变的因素众多，情况较复杂。上游河势变化、水沙与河床边界条件耦合作用是影响河道演变的主要因素，汉江支流入汇、丹江口水库兴建、沿江两岸桥梁、码头等涉水工程的兴建以及近10 a来武汉河段建筑采砂或工程采砂等人类活动，也对该河段河道演变起到了一定的作用。

近几十年来，由于沿岸有多处节点控制，两岸的崩岸险工段均已实施护岸工程，因此武汉岸线基本稳定；目前铁板洲、白沙洲和天兴洲河段仍将维持分汊河型，河势格局相对稳定；三峡水库蓄水运用后，特别是近几年汉口站含沙量减小明显，武汉河段河床发生了一定冲刷，武汉河段内多年来除局部滩槽冲刷变幅较大外，滩槽平面位置和形态总体而言相对较为稳定。随着河床冲刷，中枯水位降低和水沙过程的改变，预计武汉河段整体河势不会发生重大变化。