杨绪海，熊海滨，李义天，李思璇

(1：武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室，武汉 430072) (2：长江水利委员会水文局，武汉 430010)

冲积河流河床上通常布满各种形式的成型淤积体，例如边滩、心滩等，作为河流基本组成单元，其演变形式对于河势稳定具有重要意义. 三峡水库运行后，坝下游滩槽格局出现了趋势性调整，长江中下游不同高程滩体冲淤部位及幅度存在显著差异，洲滩整体呈冲刷萎缩之势[1-3]，尤其是蜿蜒曲折、洲滩密布且抗冲性较弱的下荆江沙质河段，冲刷强度历来较大[4-5]. 为缓解防洪压力，荆江河段两岸已受人工控制，由于河宽受限，河道内滩体规模受发展空间制约而易于发生冲淤变形. 过渡放宽段因冲滩泥沙下移而频发碍航问题，疏浚后时而复发，已成为水利、航道部门关注与治理的重点. 因此，研究下荆江河段的洲滩演变特征及机理尤为重要和紧迫.

大型水库修建后，受水库调蓄模式、区域气候环境、初始边界条件等影响，不同河流上洲滩变化表现各异：三峡水库下游洲滩呈中低滩趋势性冲刷，高滩滩缘崩退趋势[6]，其他水库下游河道甚至存在多数洲滩已经消失的现象[7]. 相反，水库影响下粗沙的补给和水流能量的降低可导致下游河道滩体的形成和发展[8]，丹江口水库下游小滩普遍合并为大滩[9]. 而对于荆江河段，洲滩普遍冲刷萎缩已基本达成共识[2-3]，其河段内洲滩冲淤消长及位置迁移等变化，将会对河势变化、防洪安全、通航条件、生态环境等造成一系列的影响[10-12]. 在洲滩调整机理方面，已有研究[11,13-18]多从主流大小、特征流量级持续时间、含沙量大小等角度分析洲滩冲淤的演变特性，亦有学者[3]认为河道平面形态是影响洲滩变形的重要因素. 可见，水库下游洲滩冲淤调整对水沙条件变化十分敏感，且影响因素十分复杂，仅仅关注某一影响因子，均难以准确描述冲积河流洲滩变化对外界因素变化的响应特征. 因此，各因素对洲滩变化的影响程度到底如何有待系统研究.

下荆江铁铺顺直河段作为长江中游碍航河段之一，受水沙条件影响较大，滩体年内冲淤消长，位置变化频繁，对河势稳定及通航条件影响较大，受到航道部门及工程界广泛关注. 广兴洲边滩既有沙质河床众多洲滩普遍冲刷的共性变化特征，又兼具顺直边滩缓慢下移的演变特点，极具研究的典型性和代表性. 为此，本文以下荆江铁铺水道广兴洲边滩为例，采用近期观测资料，在漫滩流量持续作用时间的基础上考虑分组沙输移特性，探究了三峡水库蓄水前后及航道整治工程实施前后洲滩演变特征及其内在机理，以期为长江中下游航道整治提供参考.

1 研究区域

铁铺水道上起四十丈、下迄新堤子，全长约12 km，水道进口相对较窄，宽度为700 m，下游河道略有放宽，盐船套及新堤子处河道宽度约为1200 m. 上游约26 km处设监利水文站，下游约32 km处设城陵矶水文站. 广兴洲边滩位于水道右岸侧，是枯水期出露的长顺直低矮型边滩，滩面几乎无植被生长，其滩体年际间冲淤变化频繁，给通航、取水等带来一系列问题. 为约束边界条件、提高水流冲刷能力，2014年汛前在广兴洲边滩上段建设4条护滩带，长度分别为380 m(勾头长150 m)、294 m、348 m、503 m(勾头长150 m)，守护宽度均为180 m，并对护滩带根部进行守护，护岸长度为1960 m. 水文1#、2#、3#断面分别位于滩头进口处、滩体处、滩尾出口河道内(图1).

图1 研究区域位置及滩面实景Fig.1 Location and real scene of the study area

2 资料和方法

2.1 资料

水沙资料采用三峡水库蓄水前(1951-2002年)和蓄水后(2003-2016年)监利站日均流量、含沙量和水位资料，来自于长江水利委员会水文局. 河床地形资料采用蓄水前1981年、1997年、2000年以及蓄水后2003年、2005-2010年、2012年、2014-2017年1∶10000观测资料，同时采用了局部断面水文以及床沙级配资料，以上资料来源于长江航道部门.

2.2 方法

2.2.1 数据处理方法 采用铁铺水道的实测地形资料，并结合监利水文站逐日水位过程对洲滩露出水面部分(黄海高程航行基面以上)数据进行处理，以获取三峡水库运用前后典型洲滩的滩体形态(如最大洲长、最大洲宽、滩顶高程)及面积资料. 洲滩形态数据通过CAD软件获取. 为尽可能排除不同月份下水位不同造成的误差，统一采取汛后枯水期(12月-次年3月，此时水位相差较小)的数据资料，优先采用次年数据来反映上年水沙过程后的形态特征. 若资料缺乏，则采用12月份数据，其中2003年例外，由于该年数据源较少，以11月份数据代替.

2.2.2 泥沙起动流速 泥沙颗粒大小不一，受重力或粘结力作用，其起动与沉降特性不同，水流对其携带程度有所差异. 泥沙起动与沉降常以起动流速做表征，水流动力大小常以断面流速做表征，以两者大小来判断洲滩组成中泥沙可动性强弱. 参考已有研究[19]，将河床组成中泥沙按特定粒径大小进行分组，划分为d<0.031 mm的中粉沙及黏土、0.031 mm

(1)

式中，Uc为起动流速，m/s；h为水深，m；d为泥沙粒径，mm；γs为泥沙重度，N/m3；γ为水的重度，N/m3.

2.2.3 平均水流冲刷强度 荆江河段在汛期(5-10月)水沙集中输移现象明显，在低含沙水流河段，可采用汛期平均水流冲刷强度F来表征汛期内冲刷特征的水沙条件[21]：

(2)

式中，Qj为汛期日均流量，m3/s；Sj为汛期日均含沙量，kg/m3；N为汛期时间,d.

本文把影响洲滩冲刷变形的漫滩流量作为主要影响因素，并考虑了水流持续时间和含沙量，以反映漫滩流量下平均水流冲刷强度：

(3)

式中，N为漫滩流量持续作用的总时间,d；Qtj为漫滩流量下日均流量，m3/s；Stj为漫滩流量下日均悬移质含沙量，kg/m3.

河床调整对水沙变化有滞后响应，还需考虑前期累积效应[22-23]. 因此前N年漫滩流量下平均水流冲刷强度可表示为：

(4)

式中，FTi为第i年漫滩流量下平均水流冲刷强度.

3 洲滩形态调整

3.1 平面形态变化

3.1.1 年际演变特点 三峡水库蓄水前，广兴洲边滩整体冲刷下移，但受水沙条件影响，年际间冲而复淤. 1981年后滩体头部冲刷切割，1997年滩体冲退，面积大幅减小，2000年滩体得以淤积恢复，滩头上移，期间滩体变化极不稳定. 2003年以来边滩不断冲刷后退，面积萎缩；2008年滩头冲退330 m，滩体面积萎缩了8.5%；2014年相比2008年滩头进一步冲退1130 m，滩体面积仅为2003年的72.6%，最大滩宽位置也相应下移(表1). 2014年守护工程实施后，滩体稳定呈微淤上移趋势，工程发挥了一定效果. 2015年与2014年相比，滩头上移约600 m，至2017年滩体面积增加了15.7×104m2，增幅达15.3%，最大滩宽增加22.4 m(图2).

3.1.2 年内演变特点 广兴洲边滩在年内水文过程中遵循“涨冲落淤”的演变规律. 如图2所示，2009年3-9月滩体面积冲刷缩小近30×104m2，至11月滩体面积回淤至3月相同水平，滩体长度相比3月增加274.8 m，最大滩宽减少35.5 m，滩顶高程略有增加.

表1 三峡水库蓄水前后广兴洲边滩滩体特征值*

图2 广兴洲边滩年际与年内变化Fig.2 Intra-annual and inter-annual variation of the Guangxingzhou point bar

3.2 典型断面调整与航道条件变化

如图3所示，2002-2012年1#断面形态总体呈冲刷之势，洲头前侧总体冲深，河槽右侧冲淤交替变化. 2002年通航条件较差，3 m等深线下航宽(以下称航宽)仅为70 m. 2008年航宽增加至328 m，之后伴随滩体冲退，2012年航槽中心处淤高2.5 m左右，范围达200 m左右，航宽减少了67.4 m. 2014年后滩体稳定且小幅淤积，河槽断面形态冲刷变深， 2017年航宽达591.3 m，航道条件大幅提升. 2002-2008年2#断面滩体右侧冲刷严重，滩顶高程降低2 m左右，伴随2012年滩顶高程进一步冲刷降低，深槽有所淤积，淤积深度1.5 m左右，航宽减少38.1 m. 2014年后，滩顶高程淤高至23.7 m，滩宽也略有增加，2017年航宽相比2012年增加了78 m.

图3 广兴洲边滩1#与2#断面年际变化Fig.3 Annual variation of 1# and 2# cross section profiles of the Guangxingzhou point bar

4 洲滩调整影响因素

三峡水库蓄水后，水沙量及过程改变引起下游河道普遍冲刷[24]，洲滩形态出现响应性调整，其冲淤变化主要受河床边界条件、水沙过程变化、整治工程等因素影响.

4.1 边界条件影响

长江中下游河床由非均匀沙组成，其河床组成为二元结构，且洲滩、河槽泥沙组成存在差异，洲滩粒径组成比河床细[25-26]. 由2#断面上不同测点的级配变化(图4)可知，2014年洲滩颗粒主要由0.125～0.36 mm粒径组泥沙组成，其中细沙(0.125 mm

4.2 水流过程的影响

滩体演变与主流摆动关系密切，不同流量下主流流路不同，主流位置影响滩槽冲刷部位[13]. 从图6可以看出，枯水流量下主流位于深槽内，流速介于0.75 ～1.25 m/s，滩体基本不过流. 流量增加后，主流右摆至河心，边滩侧流速增大幅度比深槽处大. 随流量进一步增大，边滩全部淹没于水面之下，滩上断面平均流速约为1.2 m/s ，滩体左侧因靠近河心，流速相对更大，而细沙的泥沙起动流速在8 m水深时仅为0.47 m/s(图5)，滩面泥沙易受水流冲刷，脱离洲滩运动. 由流量大小变化可知，枯水流量下水流冲刷河槽，而中洪水流量时边滩受冲.

图4 2014-2016年2#断面床沙级配变化Fig.4 Transversal distribution of grain size of bed material of 2# cross section profile from 2014 to 2016

图5 不同泥沙粒径下起动流速Fig.5 Incipient velocity of different grain sizes of sediment

图6 1#与2#断面流速分布Fig.6 Velocity distribution of 1# and 2# cross section profiles

当某一特征流量下的水位与边滩、心滩高程平齐(平滩流量)时，对塑造洲滩形态起一定作用. 参照平滩流量确定方法[27]，以监利站附近乌龟洲等几个典型断面历年平滩高程的平均值所对应的漫滩流量代表下荆江河段众多滩体的漫滩流量，因为同流量下乌龟洲及边滩漫滩时，下荆江绝大多数滩体处于漫滩淹没状态，其平滩高程平均值约为31.54 m，结合2003-2016年监利站水位与流量的关系(图7)，得到相应的漫滩流量约为15000 m3/s，与马卡维耶夫法(QmJP)计算得出的造床流量值16000 m3/s相接近，说明此漫滩流量对洲滩及河床断面形态起一定的造床作用. 图8统计了15000 m3/s流量下持续时间与边滩面积大小的关系，可以看出，年内漫滩流量持续时间越长，其对洲滩冲刷作用历时越长，滩体面积一般变小，而漫滩流量持续时间越短，滩体冲刷历时得不到保证，面积反而增大. 然而2009年漫滩流量持续作用时间相对于其他年份较少，而滩体面积反而相对更小，这说明漫滩流量持续时间并非影响滩体变化的决定性因素. 由于三峡水库175 m试验性蓄水后，流量坦化，洪峰消减，导致漫滩流量频率有所减少，与此同时，汛期来沙量也呈减少趋势，其对洲滩变形可能起主导作用.

图7 2003-2016年监利站水位与流量的关系Fig.7 Relationship between water level and discharge from 2003 to 2016 in Jianli Station

图8 滩体面积变化与漫滩流量持续时间的关系Fig.8 Relationship between point bar area and over-bar discharge duration

4.3 来沙过程的影响

4.3.1 汛期悬沙来量的影响 由边滩面积、滩长、最大滩宽与监利站汛期悬沙来量关系(图9)可以看出，面积、滩长与汛期悬沙输沙量的相关性较好，滩长和面积随汛期悬沙来量减少而减小. 最大滩宽和汛期悬沙来量相关性较差，这是因为边滩迎流冲刷整体向下游运移，最大滩宽的位置也相应下移，但其大小变化不明显，年际间有所波动. 三峡水库蓄水后，年均汛期悬沙来量与蓄水前多年平均值3.23×108t相比大幅减少，汛期锐减幅度更大，滩体在漫滩水流冲刷后缺少回淤来源而冲刷萎缩. 2006和2011年汛期悬沙来量均减小至0.32×108t，减幅达90.1%，占蓄水后其余年份均值0.85×108t的37.6%，减幅相对更大，因而相比之下，滩体萎缩程度更加明显.

4.3.2 悬沙级配下分组沙输移影响 三峡水库蓄水后，监利站细沙、极细沙、粗粉沙总体均呈减少趋势，中沙整体表现为轻微增长，中粉沙、细粉沙及黏土变化以2008年为分界点先减后增. 为进一步分析分组沙中哪组沙量变化与滩体变化之间关系密切，统计了监利站汛期各组悬沙来量与洲滩变形的可决系数R2(表2)，发现细沙变化与滩体各特征参数拟合效果最好，与面积和滩长的R2分别为0.900和0.602. 由上文可知，洲滩床沙级配多由细沙组成，故本文选取汛期细沙来量进行重点分析，如图10所示，滩体面积及滩长随细沙来量的增加而增大，但最大滩宽相关性较差，这是因为滩体向下运移时最大滩宽位置也相应发生了变化，其大小年际间上下波动.

表2 汛期监利站分组输沙量与滩体特征参数的可决系数

4.4 水沙综合作用的影响

为进一步分析水沙过程对洲滩演变的共同影响，并考虑洲滩演变的滞后效应，选取边滩面积与前N年漫滩流量下平均水流冲刷强度进行拟合，由于2006年为特枯水文年，漫滩流量历时仅为21 d，为其余年份均值(100 d)的21%，且汛期来沙量锐减至0.32×108t，占其余年份均值(0.77×108t)的41.6%，水沙过程影响程度极不协调，因而分析时未作考虑. 由图11可以看出，边滩面积与前3年漫滩流量平均水流冲刷强度拟合

图9 汛期悬沙来量与滩体特征值的相关关系Fig.9 Correlation between the amount of suspended sediment in flood season and the characteristic value of point bar

图10 汛期细沙来量与滩体特征值的相关关系Fig.10 Correlation between the amount of fine sediment in flood season and the characteristic value of point bar

效果最好，R2=0.93，2003、2008和2013年的漫滩流量平均水流冲刷强度分别为11.69、16.45和20.94，其相应面积分别为141.2×104、125.56×104和102.2×104m2(表3)，年际间漫滩流量平均水流冲刷强度逐渐增大，与此同时边滩面积不断冲刷减少. 这是由于无守护工程时，漫滩流量持续时间较长，含沙量较小，其平均水流冲刷强度越大，导致漫滩水流处于严重次饱和状态，滩体越容易冲退萎缩.

4.5 工程效应

无守护工程时广兴洲边滩在水沙主导作用下呈冲刷萎缩趋势，守护工程实施后，滩体保持稳定且小幅回淤(图12). 可见，航道整治工程能一定程度上影响洲滩冲淤变形，其作用有两个方面：一是改变局部河床边界条件，增强洲滩抗冲性，二是改变局部水流结构和输沙调整. 航道整治工程能降低洲滩处流速，减少次饱和水流对洲滩细沙的攫取，水流变缓导致泥沙落淤，但限于悬沙来量较少，洲滩呈微淤增长趋势. 综上可知，近期广兴洲边滩冲淤变化是水沙条件及整治工程双重作用的结果.

图11 前3年漫滩流量平均水流冲刷强度与 滩体面积的关系及可决系数变化Fig.11 Relationship and variation of determination coefficient between the average fluvial erosion intensity of over-bar discharge and point bar area in the first three years

图12 守护工程前、后 广兴洲边滩面积变化Fig.12 Variation of Guangxingzhou point bar area before and after the revetment project

5 讨论

三峡水库蓄水后各时段洲滩冲淤变形不同，各因素影响程度有所差异，表3统计了水沙因子表征参数和滩体面积，现以航道整治工程实施前后为例，初步分析各因素的影响程度.

边界条件中河床组成决定滩体的抗冲性强弱，洲滩颗粒多由细沙组成，抗冲性较弱，是滩体冲刷的前提条件.

为分析来沙量变化对洲滩形态的影响程度，选取2009和2013年做比较，2013年汛期径流量减少6.5%，漫滩流量历时减少2 d，与2009年流量过程较为相似，而汛期细沙来量由0.23×108t减至0.07×108t，减幅达69.6%. 边滩面积由115.64×104m2减少至102.2×104m2，萎缩率达11.6%. 可见，滩体面积随汛期细沙量减少而减小，且汛期细沙量减幅越大，滩体萎缩越明显. 与其余年份相比，2006年属于小水小沙年，漫滩流量持续天数仅21 d，远小于其余年份均值(100 d)，漫滩历时大幅减少，但该年洲滩萎缩程度十分严重，这是由细沙来量大幅度减少导致的，进一步说明悬沙来量的减少是洲滩萎缩的主要原因.

为分析漫滩流量持续时间变化对洲滩形态的影响程度，对比2005和2007年，2007年汛期细沙量均为0.31×108t，漫滩流量历时分别为125和91 d，降幅达27.2%，滩体面积反而增加1.99×104m2，增长了1.6%. 再对比分析2011和2013年，汛期细沙量分别为0.08×108和0.07×108t，量值基本变化不大，而漫滩流量历时分别为74和92 d，增幅达19.6%，洲滩减少了2.57×104m2，萎缩率仅达2.5%. 可以看出，漫滩流量历时增加时，滩体面积有所减少，但变幅不大，这说明漫滩流量持续时间对滩体变化有一定程度的影响，与细沙量相比，影响程度相对较小.

航道整治工程实施前，水沙条件是影响洲滩变形的主要因素. 在漫滩水流长时间作用下，洲滩迎头冲刷，整体下移，同时面积变小. 汛期细沙来量为滩体提供沙源补充，其大幅减少使得洲滩在漫滩水流冲刷后淤积幅度变小. 滩体年内冲多淤少，从而年际间冲退萎缩. 经过对比分析可知，细沙来量贡献度比漫滩流量持续时间更大. 因两者均有一定贡献度，为了考虑水沙耦合作用，以漫滩流量平均水流冲刷强度作为水流不饱和程度的指标. 由表3可知，年际间漫滩流量平均冲刷强度不断增大，由2003年的11.69逐渐增大至2013年的20.94，导致水流不饱和程度不断加剧，滩体冲刷萎缩严重. 航道整治工程实施后，2016年漫滩流量平均水流冲刷强度仍然较大，若无守护工程时滩体应呈冲退趋势，然而滩体面积与2014年相比增加了40.8%，工程作用占据主导地位. 这是因为工程改变了河床边界条件，增加了河床的抗冲性，同时降低了滩体处流速，导致泥沙落淤.

表3 水沙因子表征参数和滩体特征参数统计

6 结论

1)三峡水库蓄水后，下荆江沙质河段边心滩普遍冲刷萎缩，广兴洲边滩作为典型顺直边滩，年际间冲刷下移，变化幅度较大，至2014年2月滩体面积减少了39×104m2，萎缩率达38.2%，滩头年均冲退113 m. 航道整治工程实施后，滩体有所微淤，至2017年3月面积增加至102.82×104m2，滩头上移576 m.

2)下荆江河段洲滩河床多由细沙组成，导致滩体抗冲性较弱，此为不饱和水流冲刷的先决条件. 其次，水动力条件对下荆江河段洲滩冲淤变形有一定影响，漫滩流量(Q>15000 m3/s)上滩后，持续作用时间变长，滩体一般表现为冲刷后退，面积变小. 悬移质细沙量为洲滩提供沙源补充，汛期悬移质分组沙输移过程中，细沙(0.125 mm

3)通过水沙单因素变量对比分析，细沙来量相较于漫滩水流持续时间，对洲滩变形程度的影响更大. 漫滩水流历时相近，细沙量减幅越大时，滩体萎缩率越大. 当汛期细沙来量基本相同时，漫滩流量历时增加，滩体特征参数有所减少，但变幅不大.

4)在水沙耦合机理上，滩体面积与前3年漫滩流量(Q>15000 m3/s)平均水流冲刷强度拟合效果最好，水流冲刷强度越大时，水流不饱和程度加剧，则滩体面积越小. 航道整治工程实施后，漫滩流量平均水流冲刷强度仍然较大，但滩体稳定且微淤上移，说明工程作用占据主导地位. 这将对揭示下荆江河段洲滩演变规律和机理以及发挥航道整治工程效果具有重要参考价值.