三峡水库运用后连续急弯河道冲淤特性分析

2021-02-02谢思泉卢金友

长江科学院院报 2021年1期

谢思泉，刘亚，卢金友

（长江科学院水利部江湖治理与防洪重点实验室，武汉 430010）

1 研究背景

水库大坝通过拦蓄泥沙调蓄洪水，改变了下游河道的水文和泥沙过程［1］。三峡工程运用后，下游河道表现出洪峰削减、枯水期流量增大、水库下泄水流中的含沙量锐减等现象。20世纪50年代以来，多家单位就长江中下游河道的河道演变规律展开了研究分析，得出了诸多结论。如：天然状况下，由于河道两岸多为现代松散沉积物，且无稳定河岸坡的控制，下荆江表现为河势不稳，河道摆动，江流迂回曲折［2］；三峡水库运行后下游河床冲刷随时间自上而下发展［3］；断面逐渐趋向窄深化，断面冲淤分布逐渐由蓄水前“冲槽淤滩”转为“滩槽均冲”［4］；弯曲河道也由“凸冲凹淤”“凸淤凹冲”两种形态转变为一致的“凸冲凹淤”［5］。水沙过程的重分配［6］、凸岸的守护工程及波浪淘刷［7］均可能是造就上述演变特征的因素。在这种状态下，河道内各河段的冲淤分布呈现明显的不均匀性［8］。对于不同形式的河槽如高水河槽与低水河槽［9］、V型河槽和W型河槽、弯曲河槽和顺直河槽，其冲淤分布常常会表现出差异化，甚至在同样的来水来沙条件下表现出截然不同的冲淤特征［10］。因此，特定的河道边界下河床冲淤调整规律依然需要进一步深入研究。目前国内外对连续弯道特别是急弯河道研究多以水流特性为研究目标，研究手段多以定床试验为主［11］。本文以三峡水库下游连续急弯河道为例，探究水库运用后急弯河道的冲淤调整特性，以期完善弯曲河道的演变理论，并对下荆江河床演变预测、河道整治及河道保护工作提供技术支撑。

2 研究区域与资料来源

2.1 研究河段

长江干流石首—城陵矶段称下荆江，该段河道全长约175 m，历史上崩岸频发，曾多次发生人工裁弯和自然裁弯，是典型的蜿蜒性河段，如图1所示。由于河床抗冲性较差，河道冲刷调整十分剧烈。多数研究表明，水库蓄水后下荆江的河型属性及演变趋势不会发生大的变化［12-14］，但最近几年实测资料表明主河道依然处于摆动调整的过程中，各弯道产生撇滩切弯的可能性依旧存在，局部河道的冲淤及河势变化对防洪、航运、取水等涉水工程的影响不可忽略。

2.2 资料来源

本文选取下荆江七弓岭与观音洲2个急弯河道作为研究对象。研究数据来源于长江水利委员会水文局及长江航道测量中心，如表1所示。2002年实测地形可代表三峡水库蓄水前河势特征，2006—2018年可表征三峡水库蓄水后河势变化。高程系统均采用1954年北京坐标系及1985国家基准高程。

图1 下荆江急弯河道区位Fig.1 Location of sharp bends in lower Jingjiang River

表1 数据选取Table 1 Data selection

依据《长江流域综合利用规划报告》，设定研究河段高水位为30 m，平滩水位约22 m，枯水位采用监利站多年平均最枯3个月平均水位，为19 m。横断面划分依据为：枯水位以下河槽为枯水河槽，枯水位至平滩水位之间为低滩，平滩水位至高水位之间则为高滩。

3 三峡水库运用后下游水文泥沙特性

3.1 蓄水前后径流、输沙量年际变化

三峡水库蓄水前、后长江中下游主要水文站多年平均径流量与输沙量见图2。由图2可知：三峡工程蓄水运用后，除监利站外，长江中下游各站的径流量较蓄水前略有减少；上游的来沙受拦截影响，过水库后下游来沙大幅减少，过坝水流基本为清水。

图2 研究河段主要水文站多年平均年径流量和输沙量变化Fig.2 Changes in annual average runoff and sediment discharge of main hydrological stations in the studied channel

3.2 蓄水前后径流、输沙量年内变化

三峡水库蓄水前、后监利站平均月径流及输沙量年内分配变化如图3所示。对比水库蓄水前监利站多年平均水沙年内分布，河道水沙年内分配不均匀，来水来沙主要集中在汛期，其中以7月份最大，以2月份最小；水库蓄水后，对比蓄水前、后径流量年内分配比例，监利站汛期洪峰削减，中水持续时间延长，枯水期流量增加；受上游水库拦蓄作用，输沙量减少明显，减幅最大可达84.4%，最小约60.9%。

图3 三峡水库蓄水前、后监利站平均月径流量及输沙量年内分配变化Fig.3 Annual distribution of average monthly runoff and sediment discharge at Jianli station before and after the impoundment of TGR

4 清水冲刷条件下弯道演变特征

4.1 总体河势变化特征

图4 研究河段历年河势变化Fig.4 River regime changes over years

三峡水库蓄水前、后研究河段河势发生了显著变化，如图4所示。由图4可知：蓄水前各弯道深槽居于凹岸，深槽走向符合典型的弯道规律，即上游河段（熊家洲）凹岸（左岸）—第1个急弯河道（七弓岭）凹岸（右岸）—第2个急弯河道（观音洲）凹岸（左岸），深槽在整个河道内左右交替；水库蓄水后，上游河段深槽仍在凹岸，而研究河段内深槽逐渐向凸岸偏移，最终表现为上游河段凹岸（左岸）—第1个急弯河道凸岸（左岸）—第2个急弯河道凸岸（右岸）的平面形态。上游河道虽然凸岸产生了冲刷，但河道主流并未发生变化，即在上游河道河势保持总体稳定的条件下，研究河段内的急弯河道均发生了深槽由凹岸移向凸岸的现象。

深泓线的摆动与深槽类似，由图5（a）可知：在上游河道深泓平面位置较为稳定的前提下，河道内2个急弯段的深泓线均发生了显著的自凹岸向凸岸的摆动。由图5（b）可知：两弯道凹岸岸线变化不大，其岸线变化主要发生在凸岸，由于深泓线由凹岸向凸岸的移动，第一个弯道凸岸和第二个弯道凸岸岸线呈现西冲东淤、整体向下游移动的状态。

图5 七弓岭—观音洲河道平面变化Fig.5 Plane changes of river channel from Qigongling to Guanyinzhou

4.2 河床冲淤调整特征

4.2.1 年际冲淤特征

随着水库的蓄水运用，研究河段冲刷逐渐减缓，局部年份甚至出现淤积，如表2所示。

表2 七弓岭—观音洲河段河槽冲淤变化Table 2 Change of channel erosion and deposition in river reach from Qigongling to Guanyinzhou

河床总体冲淤特性呈现从“滩槽均冲”向“滩淤槽冲”转化的趋势：水库运用初期，研究河段呈“滩槽均冲”的态势，冲刷主要发生在枯水河槽；随着水库的持续运用，研究河段逐步转变为“滩淤槽冲”，淤积主要集中在枯水位至平滩水位之间的低滩部位。

图6 研究河段河床冲淤发展过程Fig.6 Development process of riverbed erosion and deposition

从冲淤的沿程分布来看（图6），除了2006—2010年间上、下2个急弯表现出相反的冲淤性质，即上游弯道（七弓岭）冲刷，下游弯道（观音洲）淤积；其余年份两弯道均表现为冲刷的状态，但总的冲刷量级随着时间变化逐渐减小。

各断面冲淤对比情况如图7所示。各断面均表现为河槽最低点持续向下发展，边滩向凸岸处展宽；过渡段平稳向下冲刷，Cs1断面由于深槽的摆动，断面形态发生了从左至右的偏移；弯曲段总体表现为主槽下冲，副槽与水下潜洲淤积，凸岸崩退严重，凹岸冲淤并不明显。

图7 典型断面冲淤调整规律Fig.7 Law of erosion and deposition in typical sections

在蓄水初期的全面冲刷阶段（2002—2006年），仅在2个急弯段之间的过渡段发生明显淤积，呈现出“冲淤均一条线”的特征，如图8所示。随后全河段冲刷淤积的河床面积几近相等，弯顶段凸岸冲刷凹岸淤积；两急弯段之间的过渡段则全河床淤积。

图8 研究河段历年冲淤变化Fig.8 Changes of erosion and deposition in the studied channel over years

冲淤量的分布不均，势必会导致河道沿程断面河相系数调整。统计近期不同水位下典型断面宽深比的发展趋势，如图9所示。

图9 不同水位下典型断面宽深比变化Fig.9 Variation of width-depth ratio of typical sections under different water levels

由图9可知：整体上各断面宽深比以减小为主，从不同水位情况来看，各断面宽深比降幅随水深的减小而增大；从断面位置上看，连续弯道在上游过渡段至第一个弯道宽深比降幅较大，而在上、下弯道之间的过渡段及第二个弯道表现为小幅增长。可见连续弯道上游过渡段至第一个弯道以下切冲深为主，之后的河段则以展宽为主。

对比各水位下的断面面积变化（图10），断面以冲刷为主，但两弯道之后的过渡段（Cs4、Cs5、Cs8）均呈现淤积的形态；其中弯道段断面（Cs3、Cs6、Cs7）面积变化曲线与过渡段断面（Cs4、Cs5）面积变化曲线基本呈现相反的形态，两者的冲淤关系总是呈现相反的状态。

图10 不同水位下典型断面面积变化Fig. 10 Variation of area of typical sections underdifferent water levels

4.2.2 年内冲淤特征

计算各水位河床冲淤量如表3所示。由表 3可得知：枯水期连续急弯河段总体表现为冲刷状态，汛期连续急弯河段总体呈现淤积状态；上、下弯道之间冲淤表现出相反的态势，即枯水期上游弯道（七弓岭）淤积，下游弯道（观音洲）冲刷，而在汛期则反之。对比不同枯水期间的差异，2013年枯水期无论是淤积河段还是冲刷河段，量级都远超 2016年枯水期，同样的情况也发生在 2018年汛期和 2017年汛期。