三峡工程蓄水后长江中游城陵矶-汉口河段过流能力变化及影响因素分析*

2021-05-10姚记卓夏军强邓珊珊周美蓉许全喜

湖泊科学 2021年3期

姚记卓，夏军强，邓珊珊，周美蓉，许全喜

(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)

近年来，随着三峡工程的运行及坝下游各类河道整治工程的实施，长江中游河段的水沙条件及河床边界条件发生显著变化，引起下游河床冲刷[1-2]. 在河床持续冲刷过程中，崩岸险情频发威胁堤防安全；中游河段的河槽蓄泄能力和过流能力相应调整，二者的变化将进一步影响到长江中游地区的防洪形势. 考虑到城陵矶-汉口河段(以下简称“城汉河段”)在长江经济带建设中的重要战略地位，有必要研究由于近期河床调整所导致的城汉河段过流能力变化，为长江中下游的防洪安全提供技术参考.

三峡水库蓄水初期(2003-2008年)，长江中游城汉河段虽总体微冲9.9×106m3，但110 km长的城陵矶-嘉鱼段反而淤积0.66亿m3；随后该河段虽整体呈冲刷趋势，但实测数据表明城陵矶附近水位仍在抬高，进一步降低了河道的泄流能力[3-4]. 受历史洪水影响，长江中下游地区长期以来开展过大量的堤防加固工程及河道整治工程，形成了较为完整的堤防体系，但由于两岸平原地带通常低于汛期河道内高水位，一旦决堤将引发更大的洪水灾害[5].

现有研究多从河道冲淤变化[6-8]、水位变化[9-10]及洪水演进[11]等方面描述河段的防洪能力变化特征，较少分析河道自身过流或泄流能力的变化. 过流断面的形态及大小是决定河道泄流能力的重要参数. 在非平衡状态下，冲积河流受到来水来沙条件变化的影响，河床形态将作出相应调整，重塑的河床又将进一步影响水流结构，这一影响表现为水位-流量关系的变化. 在某一特征水位下的流量变化是衡量河道过流能力的重要指标[12-13]. 近年来，有关长江中游河床演变的研究表明[6,14-15]，受三峡水库运用的影响，长江中游河段普遍冲刷下切，整体呈现冲深展宽的趋势. 但该河段的过流能力受以下几方面因素综合影响：(1)上游水库的调控作用；(2)河床普遍冲刷引起的河床调整；(3)床沙粗化、洲滩植被等原因引起的河道阻力变化. 上述几方面因素在不同流量下对河道过流能力的影响程度各不相同，应当分别予以分析.

本研究基于城汉河段2003-2016年117个固定断面的实测地形资料及沿程重要水文站的水位-流量关系，采用一维水动力学模型确定各固定断面在不同特征流量下的河床形态参数，并计算了河段尺度的断面形态变化过程；从特征水位下的流量变化、水位-流量关系等方面分析河段过流能力的变化特点，同时利用实测资料及遥感影像资料，分析引起河道过流能力变化的影响因素.

1 研究河段概况

1.1 河道概况

城汉河段上起荆江与洞庭湖出口交汇处城陵矶，承接长江干流荆江来水及洞庭湖水系，下至长江中游重要城市武汉，全长约275 km(图1). 按照平面形态特征划分，城汉河段可划分为弯曲型和分汊型两种河型. 河段沿程分布有南阳洲、铁板洲、天兴洲等洲滩. 河道两岸沿江分布有较多低山节点. 河段左岸有东荆河、沦水及长江最大支流汉江入汇，右岸有陆水、金水入汇；两岸均分布有湖泊. 研究河段内有城陵矶、螺山、石矶头、汉口等水位站或水文站.

城汉河段干流两岸有洪湖干堤、四邑公堤、武汉市堤等重要堤防，堤防的堤顶高程一般在1954年最高水位以上1～2 m，以干砌石结构形式居多[16]. 干堤总长约为460.24 km，其中左岸239.4 km，右岸220.84 km(长江水利委员会水文局). 多年来城汉河段总体河势基本稳定，河道演变的主要特点为深泓摆动、主支汊交替及分流点的上提下移. 近期城汉河段陆续实施了陆溪口水道、嘉鱼-燕子窝航道、界牌河段航道整治等工程，对河段整体水流结构产生了一定影响[16-17].

图1 长江中游城陵矶-汉口河段示意图Fig.1 Sketch maps of the middle Yangtze River and the Chenglingji-Hankou reach with the location of hydrometric stations

1.2 水沙条件

城汉河段的径流量和含沙量主要来自上游荆江来水、洞庭湖水系、汉江支流以及沿程其它支流，并随着湖泊与支流入汇沿程增大. 河段汛期通常为5-10月，最大洪水一般出现在7月，沙量的年内分配与径流过程对应. 2003年后，受长江上游来水来沙条件变化及三峡水库运用的影响，近期进入城汉河段的径流量与沙量出现不同程度的减小，年内分配更为均匀. 本研究收集了城汉河段内螺山站1954-2016年的流量与含沙量数据，统计结果如图2所示. 从图2中结果来看，与2003年前(1954-2002年)相比，该河段2003-2016年的多年平均径流量从6459亿m3减小为 6021亿m3，减小幅度约为7%；城汉河段输沙量的变化则更为明显，多年平均输沙量减小约78%，从2003年之前的4.08亿t降低至0.89亿t(图2a); 多年月平均径流量与输沙量曲线趋于坦化，汛期径流量有所减小(图2b,c).

图2 1954-2016年螺山站径流量和输沙量变化特点Fig.2 Temporal variations in runoff and sediment load at the Luoshan Station from 1954 to 2016

1.3 河床冲淤过程

受三峡水库蓄水拦沙的影响，近期城汉河段整体呈现冲刷趋势. 根据长江水利委员会水文局的统计结果， 2003-2016年，城汉河段枯水河槽、基本河槽和平滩河槽总冲刷量分别约为4.3亿、4.5亿和4.2亿m3. 冲刷强度呈增强趋势，如图3a所示. 通常定义枯水河槽与基本河槽之间为低滩，基本河槽与平滩河槽之间为高滩. 图3b比较了2003-2016年城汉河段滩地冲淤量. 由图3b可知，2003-2008年河段有冲有淤，整体表现出冲槽淤滩的特点；2008年后，上游三峡工程进入试验性蓄水阶段，进入城汉河段的含沙量进一步减小，河槽冲刷加剧，低滩开始冲刷，高滩淤积减弱；2013年后，受上游梯级水库运行的影响，冲刷进一步加剧.

图3 城陵矶-汉口河段累计冲淤量(a)和滩地年际冲淤量(b)的变化Fig.3 Cumulative (a) and interannual (b) volume of channel scour in the Chenglingji-Hankou reach

图4 城陵矶-汉口河段平滩河槽形态的逐年变化Fig.4 Temporal adjustments in reach-scale bankfull channel dimensions in the Chenglingji-Hankou reach

1.4 河槽形态调整过程

2 过流能力的计算方法

2.1 水文断面过流能力的确定

针对研究河段各水文断面，本文着重从水位-流量关系，最大流量下对应的水位值，警戒水位下的流量及平滩流量4个方面来分析其过流能力随时间的变化特点. 其中水位-流量关系采用2003-2016年螺山站、汉口站的实测数据进行确定，当水位-流量关系曲线在坐标系中右移，即同水位下流量增加时，可以表明该河段过流能力有所增强，反之过流能力减小；最大流量下的水位值反映了河道每年面临最大洪水风险时的过流能力；警戒水位是指江河堤防可能出险的起始水位，该水位下的流量(警戒流量)通常是防洪设计的重点，警戒流量越大表明出现洪水的风险越低，河道过流能力越强；平滩流量是指水位平滩时对应的流量，通常可用于表示水流漫滩的起始流量，是衡量河道过流能力的重要指标，平滩流量越大表明过流能力越强.

2.2 河段尺度过流能力的确定

针对整个研究河段，本文采用河段尺度的平滩流量来表示其整体过流能力的变化特点，同时分析各断面过流能力的沿程变化(空间)及河段平均过流能力随时间的变化特点.

2.2.1 各断面平滩流量的计算方法将某一断面主槽内水位与滩面齐平时的水位定义为平滩水位，该水位下对应的流量定义为该断面的平滩流量[18]. 以2003-2016年城汉河段的汛后地形作为河床边界条件，采用一维水动力学模型计算平滩流量. 模型的主要控制方程为：

根据以往的设计经验来看，城市居民供水系统多会采取管道分流方式，从城市给水系统中分流至各大住宅小区当中，目的在于及时供给人们日常饮用水源。针对于此，建筑施工单位在进行给排水设计过程中，需要在住宅小区的管道处安装倒流防止阀装置，这样做的主要目的在于避免水流出现严重的倒流问题，造成供水压力的明显提升。

(1)

(2)

式中，Q为流量，m3/s；q1为支流流量，m3/s；Z为断面平均水位，m；A为断面过水面积，m2；J1为断面扩大或收缩引起的局部能坡；Jf为断面能坡；αf为动量修正系数；g为重力加速度，m/s2；x为沿程距离，m. 以螺山站流量作为进口条件，汉口站水位-流量关系作为出口条件，通过调节水文站之间的糙率使计算水位-流量关系与实测值相吻合(如图5所示，Z为断面平滩水位，Q为相应的平滩流量)，即可根据断面的平滩水位确定相应的平滩流量.

图5 不同控制断面计算值与实测值的对比Fig.5 Comparison between the simulated and observed rating curves at different sections

2.2.2 河段尺度平滩流量的计算方法在计算河段尺度的平滩流量时，采用Xia等[19]提出的河段平均方法，计算河段平均的平滩流量，可表示为：

(3)

3 近期城汉河段过流能力变化特点

过流能力是衡量河道防洪能力的重要指标之一[20]，近期由于河床持续调整的影响，长江中游城汉河段的过流能力相应变化，故此处着重分析了该河段各水文断面及河段尺度的河道过流能力变化特点.

3.1 水文断面过流能力变化特点

3.1.1 水位-流量关系选取2003、2010、2012与2014年4个丰水年，根据实测水位流量资料分别绘制螺山、汉口站枯水期与洪水期的水位-流量关系(图6). 洪水期河道过流受下游河段顶托作用影响，故洪水期的水位-流量关系采用连时序法绘制的绳套曲线表示(图6a, b)，枯水期则采用拟合曲线表示(如图6c, d). 两站洪水期的水位-流量关系均表现为逆时针绳套曲线(图6a, b)，比较各年洪水过程可以看出，螺山站与汉口站洪水过程相同流量下对应的水位均无明显的下降趋势，与2003年涨洪过程相比，2010年螺山站45000 m3/s流量下水位抬升1.31 m，2012和2014年同流量下水位与2003年相比基本保持不变；汉口站2010年45000 m3/s流量下水位与2003年相比抬升1.13 m，2012、2014年仅分别降低0.06和0.19 m. 枯水期小流量下，两站同流量下水位呈现减小趋势(图6c, d). 螺山站2010、2012和2014年15000 m3/s流量下对应的水位较2003年分别下降0.21、0.56、0.65 m；汉口站则分别下降0.59、0.80、1.07 m. 这一现象表明，近年来城汉河段河床冲刷引起的河槽过流面积增大，降低了枯水期同流量下的水位，但对洪水过程中河道过流能力的影响并不明显；除过流面积增大外，洪水期水位-流量关系的变化还应受到其他因素的影响. 另外，大流量高水位的变化趋势进一步增大了城汉河段的防洪压力，对长江中下游防洪造成了不利影响.

图6 城陵矶-汉口河段主要水文站水位-流量关系变化Fig.6 Variation in the stage-discharge curves at hydrometric stations of Luoshan and Hankou Stations in the Chenglingji-Hankou reach

3.1.2 警戒水位下的流量变化特点螺山站与汉口站分别位于城汉河段上游LSZH断面及下游HL13断面，其水位-流量关系的变化可以在一定程度上反映城汉河段整体过流. 两断面近年来受上游清水下泄的影响，断面形态主要表现为冲刷下切，2003与2016年断面形态变化如图7a、b所示. 螺山站与汉口站的警戒水位分别为30.04和25.2 m(85高程). 利用水位-流量关系即可确定两站相应警戒水位下的过流流量，结果如图7c所示. 由图7c可知，2003-2016年城汉河段螺山站及汉口站警戒水位下的过流量分别减小9%和16%. 警戒流量在两站的变化趋势基本一致，但在2007和2011年有所差异，这两个年份都属于枯水年与丰水年的交替年份，水沙条件较上一年变化较大，因此河道上下游对水沙条件的响应存在差异. 从警戒水位下流量的变化趋势看：(ⅰ)警戒流量随水沙条件的变化有增有减，当丰水年与枯水年交替时，警戒流量上升，当枯水年与丰水年交替时，警戒流量下降；(ⅱ)两站所在断面的警戒流量整体呈下降趋势，且下游汉口站警戒流量的减小程度较上游螺山站更为显著. 该两站警戒流量的减小表明河床过流能力减小，不利于河道的防洪.

图7 螺山站与汉口站警戒水位下的断面形态及流量变化： (a) 螺山站断面形态；(b) 汉口站断面形态；(c) 螺山站与汉口站警戒流量Fig.7 Variations in cross-sectional geometry and water discharge corresponding to the warning level: (a) cross-sectional geometry at Luoshan Station; (b) cross-sectional geometry at Hankou Station; (c) variations in discharge under the warning level at Luoshan and Hankou Stations

洪水漫滩时，水位-流量关系的拟合线将不能准确描述河道的水位-流量关系，因此图8给出了螺山站与汉口站年实测最大流量下的水位变化，可以看出两站在最大流量下的水位-流量关系曲线左移，相同流量下对应的水位均有所抬升，且螺山站的左移现象更为明显. 螺山站水位在大流量级下整体抬高约0.92 m，而汉口站水位抬升的幅度随流量的增大而减小，50000 m3/s以上流量下的水位基本与2003年之前保持一致. 2016年汛期，螺山站流量超过43000 m3/s，汉口站流量超过50000 m3/s时，两站水位均超出防洪警戒水位. 仅2016年7月，螺山站水位有18 d处于30 m以上，汉口站水位有23 d处于25 m以上，导致堤防长时间处于高水位浸泡中，出险几率增大，威胁到堤防安全.

图8 螺山站(a)与汉口站(b)最大流量下的水位变化Fig.8 Variations in the stages under the annually maximum discharges at Luoshan Station (a) and Hankou Station (b)

3.2 河段平滩流量的变化特点

螺山站与汉口站是城汉河段的重要水文站，其所在断面的过流能力变化能够在一定程度上反映河段整体的变化情况. 但为了避免断面沿程变化带来较大的影响，此处仍然采用一维水动力学模型及河段平均方法计算河段尺度的平滩流量，以此分析河段尺度的过流能力变化.

3.2.1 各断面平滩流量的沿程变化特点采用2.1和2.2节所述方法计算了城汉河段117个固定断面的平滩面积和平滩流量，其中2016年的计算结果如图9所示. 由图9可知，2016年城汉河段平滩面积最大值(AMax)出现在CZ37断面，约为67273 m2；最小值(AMin)出现在CZ48-1断面，约为18990 m2；各断面平滩流量最大值(QMax)约为60000 m3/s；最小值(QMin)约为28798 m3/s，位于CZ37-1断面. 由图9可知，平滩流量与平滩面积沿程变化剧烈，但变化趋势并不完全一致：平滩流量的最大值与平面面积的最大值所在断面并不相同，说明平滩面积的变化对平滩流量的影响有限，大流量下的河道过流能力还受其他因素变化的影响.

图9 2016年城陵矶-汉口河段各断面平滩流量与平滩面积的变化Fig.9 Variations in the section-scale bankfull discharge and bankfull area in the Chenglingji-Hankou reach in 2016

3.2.2 河段尺度平滩流量随时间的变化特点根据2003-2016年城汉河段117个固定断面汛后实测地形资料，采用式(3)计算得到河段尺度平滩流量，模型采用的拟合关系如图10a所示. 由图10b可知，城汉河段尺度的平滩流量没有明显的单向变化趋势；总体平均值约为45553 m3/s，变化幅度为43663～47482 m3/s. 不同时段内该河段平滩流量的变化规律有所区别，2003-2004年有所上升，2004-2005年下降，随后保持平稳至2007年后再次上升，2009-2011年先降后增，2014年后再次下降.

通过对比分析研究河段内典型水文/水位断面(螺山、石矶头与汉口站)的平滩流量变化趋势(图10b)，可知：河段尺度平滩流量的变化趋势与这几个水文/水位断面的变化趋势总体上保持一致，但特定年份内有所区别(如2005年汉口站所在断面的平滩流量增加，而河段平均平滩流量则有所下降). 在2009-2010年内，研究河段平滩流量大幅度降低，较上一年降低了约9%，主要原因可能在于：2010年为丰水年，来流量大且洪水持续时间长，流量大于30000 m3/s的时间为109 d，远大于2009年的64 d和2011年的8 d. 受洪水顶托作用，相同流量下的水位大幅抬升，因此平滩水位下的流量相应降低. 此外，汉口站由于受到汉江入汇的影响，平滩流量较其余断面及河段平均较大.

图10 平滩流量计算：(a) 汉口站水位-流量关系拟合；(b) 平滩流量计算结果的时间变化Fig.10 Calculations of bankfull discharge: (a) simulated and observed rating curves at Hankou Station; (b) temporal variations in calculated bankfull discharges at different sections

4 河道过流能力的影响因素分析

三峡水库蓄水后，城汉河段河床发生明显调整，床面比降先增后减，床沙粗化且平滩河槽面积明显增加；另外，由于近年来洪水期缩短，洲滩植被的生长也对漫滩水流产生了一定的阻力. 此处着重分析这些变化过程对研究河道过流能力变化的影响.

4.1 水文断面过流能力变化的影响因素分析

一般来说，河道过流能力与水面比降及过流面积呈正相关关系，而与河道阻力呈反相关关系. 由图6～8可知，2003-2016年螺山站与汉口站所在断面在洪水期的过流能力降低，主要表现为：(1)洪水期同流量下水位无明显变化；(2)警戒水位下的流量降低；(3)年最大流量下对应的水位整体抬升. 由螺山站和汉口站所在水文断面的平滩面积和水面比降变化过程可知，螺山站平滩面积增加8%，水面比降增加19%；汉口站水面比降变化较小，仅减少2%，但平滩面积增大18%(图11). 总体上，该两站河槽面积和水面比降的综合变化朝着有利于过流能力提高的方向发展.

图11 螺山站与汉口站过流面积(a)与水面比降(b)的变化Fig.11 Temporal variations in wetted area (a) and water surface slope (b) at Luoshan and Hankou Stations

刘鑫等[21]比较了长江中游河段的动床阻力计算公式，其中基于水流能态分区的动床阻力计算公式所计算的结果与实测资料具有较好的拟合效果. 长江中游河段水流主要处于低能态区和过渡区，根据相应公式计算得到的螺山站与汉口站断面糙率在2003-2016年分别增大17%和10%，其部分原因可能在于冲刷引起的床沙粗化过程：2016年城汉河段平均床沙中值粒径由2003年的0.159 mm增大到0.206 mm[16]，增幅近30%. 图12给出了螺山站与汉口站的警戒流量与糙率的相关关系，可知两者呈较为明显的反相关关系，表明该两断面洪水期过流能力降低与其动床阻力的增大密切相关.

另外，值得注意的是，对于复式河槽，在滩槽宽度比一定的情况下，断面阻力系数随相对水深Dr(滩地水深与主槽水深之比)的减小而增大[22-23]. 近期城汉河段主槽冲深，而滩地较少受到水流塑造[3](图4河段尺度的平滩河槽形态计算结果表明，河段平滩河宽仅增大2%)，导致在相同高水位情况下，滩槽相对水深Dr减小. 这增大了河道阻力，一定程度上会降低河道过流能力.

图12 螺山站(a)与汉口站(b)警戒流量变化与河道阻力的关系Fig.12 Relationships between warning discharge and bed resistance at different stations of Luoshan Station (a) and Hankou Station (b)

4.2 局部河段植被覆盖变化对过流能力的影响

从河段整体看，虽然以平滩面积为代表的河段整体过流面积在增大(图4)，但断面及河段尺度的过流能力均未出现明显的提升，除了河段床沙粗化导致的河道阻力增大，局部河段的植被覆盖也成为影响大流量下河道过流能力的重要因素. 近年来，随着生态优先、绿色发展的河道治理理念进一步深入，长江中下游在护岸及护滩工程实践中大力提倡采用生态技术，加上水流漫滩时间减小，导致局部河段的滩地植被生长茂盛，一定程度上增大了岸滩阻力. 为具体分析城汉河段滩地植被变化情况，此处利用美国陆地卫星Landsat 7系列遥感影像资料进行分析. 相对于传统实测资料，河道遥感影像资料能够与地理信息系统相结合，更加准确的表示植被覆盖情况. 选取城汉河段中洲及新洲作为研究对象. 汛期及汛后遥感影像表明，新洲在汛期几乎被完全淹没，被淹没的植被会改变水流结构，继而影响流速. 如图13所示，图中红色区域为植被覆盖区域，可以看出与2003年相比，2016年新洲上的植被明显增多.

归一化植被指数(NDVI)可使植被从水和土中分离出来，常被用于表示植被覆盖度. 其高值部分越高表明植被覆盖度越高. 利用ARCGIS处理遥感影像资料，可得到2003年及2016年同一时期中洲和新洲的NDVI指数. 选取洲滩上断面HL12-1，计算该断面在平滩流量下的曼宁糙率系数. 结果显示：与2003年相比，2016年同一时期中洲和新洲的NDVI高值增大6.8%，相应的HL12-1断面糙率系数增大42.6%. 采用同样的方法计算了城汉河段上游新淤洲、南门洲和下游天兴洲的NDVI值与断面糙率变化，结果如表1所示：NDVI高值与断面擦率均有增加. 这主要是由于三峡水库运用后洪水期缩短，洪水对滩地植被的影响减小，植被生长更加旺盛. 当水位平滩或漫滩时，植被对过流的阻力作用增大，从而导致河道在高水位下过流能力降低.

图13 城陵矶-汉口河段中洲及新洲植被覆盖变化：(a) 2003年11月1日；(b) 2016年11月4日Fig.13 Remote-sensing images of the Zhong & Xin central bars in the Chenglingji-Hankou reach at different times: (a) on Nov. 1st, 2003; (b) on Nov. 4th, 2016