长江回水顶托对汉江兴隆至汉川
2014-11-27瞿月平黄勇何志高吴国君
瞿月平+黄勇+何志高+吴国君
摘 要：通过对汉江、长江口水位站的来水来沙资料的收集与分析，得出了长江不同时期水位变化情况对汉江来水、来沙过程的影响范围及程度。为兴隆至汉川段航道整治工程完善设计提供理论依据。
关键词：长江 汉江 回水 顶托
汉江于武汉市的集家咀汇入长江，长江水位的高低直接影响到汉江下游河段的水动力条件。据历史资料分析，长江水位对汉江顶托影响的范围较长，一般年份均可影响到仙桃，最远还可影响到岳口、泽口。影响的程度和范围与汉口水位的高低和汉江来流量的大小直接相关。
汉江及长江汉口站来水情况
根据汉口水文站1954～2011年实测资料统计，多年最高水位为27.63m（1954年8月18日，黄海高程），最低水位为7.99m（1965年2月4日），多年平均水位为17.42m，多年月平均水位统计见表1。
表1 多年月平均水位统计表 水位：m（黄海高程）
注：表中水位统计年份自1972年至2011年。仙桃（二）为建库前仙桃水位统计年份为1952年至1959年。
从汉川-汉口和仙桃-汉口月平均水位差来看，在不受顶托情况下，汉川汉口水位差在4.27～5.34m左右，平均比降为0.055～0.068‰，仙桃至汉口水位差在11.46～12.55m，0.073～0.08‰。
在4～5月，汉川河段受到弱顶托影响，顶托使得水位抬高在2m左右，此时顶托的主要原因在于汉口水位抬高速度大于汉江来水变化速度。6、8、9月汉川水位受到顶托作用最强，主要是汉口水位上涨较快，汉江来水比例相对减少，7月受顶托相对较小，主要原因为7月汉江来水处于最大月份，9、11月顶托则由于汉江退水速度快远汉江，12月至翌年3月，汉川河段基本不受顶托。对于仙桃河段而言，受顶托的过程与汉川类似，只是受顶托的程度有所不同。
长江回水顶托影响范围
长江回水顶托对汉江下游影响的程度和范围与两江来水情况密切相关，当长江出现洪峰而汉江未发生洪峰时，顶托范围就大；如两江同时出现洪峰，顶托的范围就小。长江洪峰一般出现在七、八月份，丹江口水库建库前汉江洪峰也是在七、八月份出现较多，两江洪峰经常遭遇。建库后，由于水库的控制运用，大流量多在九、十月份下泄，改变了两江洪水遭遇的情况，因此，长江对汉江顶托的时间一般都发生在四月至十月。距河口53km的新沟和距河口78km的汉川，在长江汛期时，每年均存在一定时间的顶托情况；距河口157km的仙桃，在长江出现较大洪峰时，也会对其产生顶托；当长江特大洪峰时，长江水位最大顶托范围可至泽口。汉川以上河段顶托影响最早发生在4月中旬，结束时间最迟在九月中下旬，不同位置顶托持续时间不一。
下图1为假设受顶托河段比降统一为0.02‰情况下，汉江下游不同流量回水末端位置图。
图1 汉江下游不同流量下回水末端位置图
图2 不同流量下长江回水顶托影响范围示意图
由图2可知，在不同顶托情况下，汉江不同来流其回水末端位置和受顶托程度均不同。
1、仙桃至汉川河段
汉川至仙桃河段全长79km，多年平均水位落差4.35m。图2-3为汉口站不同水位时期仙桃站水位流量关系，从图中可明显看出，当汉口水位超过21.0m时，仙桃站水位流量出现明显多值关系，这一现象说明，当汉口水位超过21.0m时，长江回水顶托影响的末端即越过仙桃站，延伸至仙桃上游河段。在长江汉口站水位处于16.0～21.0m区间时，长江回水末端区域汉川至仙桃河段。通过统计汉口站水位过程知，仙桃水文站在5～11月均受到长江回水顶托影响，但顶托较强烈的是在6月、8月和9月，6月受顶托强烈是因为汉江长江来流差距最大，汉江来水仅占长江汉口站流量的3.46%，此时长江水位已升至高位，但汉江来流较小，相对顶托作用强；8～9月顶托作用强则是因为长江水位此时处于最高位，其顶托影响距离远。从仙桃汉口水位差值看，汉川至仙桃段自5月开始受到长江回水顶托影响，随后随着长江水位上涨，到6月顶托影响达到小水期最大，7月随着汉江来水将增大，顶托影响程度有所减小，到8～9月，长江水位洪峰季节，回水末端延伸至仙桃上游，汉川至仙桃段全段受回水影响，10月开始，随着长江水位的回落，长江回水影响范围逐渐下移，至11月下旬至12月，回水末端移至汉川以下，12月至翌年3月，汉川至仙桃段不受长江回水顶托影响，4月份一般来说长江回水少数时间可达汉川以上，基本不对仙桃至汉川河段造成大的顶托影响。
图3 不同汉口水位级下仙桃站水位流量关系图
2、岳口至仙桃段
图3显示，当长江水位超过21.0m时，长江回水顶托影响就超过仙桃，开始影响仙桃以上河段。长江水位超过21.0m时段基本在7～9月的洪水期，此时汉江亦处于高水期，汉江在本身水面线较高情况下，长江回水影响距离相对较小。长江洪水时最高水位（24.0～27.0m）岳口站设计最低通航水位为24.76m，按照岳口与仙桃间水位相关关系分析，考虑到岳口与仙桃间自然落差在3～4m间，因此，长江高水对汉江的影响范围最远可达岳口河段。长江回水对仙桃至岳口河段的影响时间一般自7月始，9月长江开始退水时顶托回水末端随之下移，进而移出仙桃至岳口河段。
3、兴隆坝下至岳口河段
该河段由于距离河口距离远，河床底高程较高，泽口站设计最低通航水位为27.35m，汉口水位升高引起的顶托作用较少，因此，该河段不计长江回水顶托影响。其河床变化仅受上游来水来沙及边界条件影响。
长江回水顶托对来水过程影响
依据汉江及长江来水过程及时间的不同，汉江下游受长江顶托影响呈现复杂的多值关系。以汉川站为例，下图4为汉川站的水位流量关系可见，受长江水位顶托影响，汉川站水位流量呈现较为明显的多值关系，同流量下水位变化很大，如流量约800m3/s时，汉川站水位在19m～29m间变化，变幅达10m。endprint
图4 汉川站的水位流量关系图
这种现象的产生同长江汛期来水过程呈胖峰型、而汉江来水则更多呈尖峰型密切相关，当汉江出现较小流量，长江水位仍然较高，故而顶托明显，小流量则对应高水位。
同时，汉江流量较大时，长江顶托相对较小，如汉江流量为9000m3/s时，长江水位对汉江汉川站的顶托作用几近消失。
即长江对汉川站的顶托作用在汉江汛期小流量时顶托最为严重，随着汉江汛期流量的加大顶托作用减弱，直至汉江大洪峰时顶托作用消弭。
统计1994～2009年资料显示，长江一般在3月中下至4月开始进入涨水期，而汉江涨水一般在6月～7月，在4月至7月这段时间里，汉江流量变化不大，但长江水位持续上涨，从而影响汉川站水位在流量变化不大的情况下水位变化明显，如在1999年的4月11日至5月4日，汉江流量在600m3/s附近窄幅变动，最小520m3/s，最大流量不超过670m3/s，但汉川水位却从4月11日的18.41m涨至5月4日的21.78m。
长江洪水一般在8月下旬至9月开始回落，汉江洪峰消落开始时间与长江几乎同步，但汉江洪峰消落时长明显小于长江，在汉江已进入中低水时，长江水位仍未降到低位，此时 汉川水位仍受顶托影响，此影响一般持续至10月下旬。如1999年的9月24日，汉川流量已消落至530m3/s，但汉川水位却仍高达25.17m，其原因是此时汉口水位为24.93m，仍处在较高水位，长江对汉江下游的水位顶托作用依然较强。
汉江枯水期流量稳定，比降变化主要受汉口水位顶托影响；中洪水期比降基本与流量变化同步，比降大小取决于汉江流量与汉口水位的对比关系。
由汉江流量与比降过程图3-2可知，自汉江的枯季（12月～翌年3月），汉江流量变化不大，比降变化也不大，在长江未涨水前，汉川至汉口比降基本维持在0.05‰～0.08‰之间。当长江开始涨水，汉江继续处在枯水期时（4月～5月），汉川至汉口比降急剧减小，比降仅有0.01‰～0.03‰。6月～9月，汉江和长江均进入涨水期和洪水期，如汉江无大的洪峰（1999年），则汉川至汉口比降长期在低比降值附近窄幅变化。当汉江出现较大洪峰（如2008年），则汉江比降随着流量的增大而迅速增大，但汉江洪水消退后，比降也随即变小。10～11月份，汉江比降的变化则较为复杂，在一般情况下汉江和长江在11月份均进入退水期或低水期，汉川至河口段比降开始增大。但在11月份，汉江和长江均可能发生秋季洪水，在长江发生秋季洪水时，汉川-汉口段比降减小，形成一个与长江对应的“V”型比降变化（2008年）；当汉江发生秋季洪水时，则此时汉川比降随着秋汛的到来形成一个比降尖峰（2005年），在10至11月份易出现汉江的极大比降，汉川至汉口实测的最大三个比降时段即有2个出现在10～11月的洪峰中（1996年11月19日的0.096‰和2005年10月6日的0.099‰），之所以出现这种情况是因为此时长江水位已明显回落，汉川-汉口段比降主要受汉江大流量影响。
图5 汉江下游流量比降过程图
长江回水对来沙过程影响
图6为汉口不同水位时马口滩某断面水位、流量、流速之间关系，图7为此断面的流速断面分布情况（图形数据来自汉江下游马口滩河工模型试验研究定床试验报告）。由图可知：①在本河段不受长江回水顶托情况下，马口滩段各级流量下断面流速均在0.8m/s以上，参照本河段床沙粒径在0.08～0.5mm，河段内大部分泥沙均是可以冲刷启动的。②当汉口水位超过19.0m时（此时尾门水位为21.0m左右），则在马口滩段顺直过渡段断面流速平面分布均化，流速在枯水流量下（800m3/s以下）小于0.6m/s，河段是处于全面淤积的，在中水流量下（800～1800m3/s）流速为0.5～0.9m/s，河段处于冲淤平衡。③当河段不受顶托影响时，河段主槽及两边流速有明显差别，但当河段受到顶托后，断面流速迅速均化，这反映了河道在受顶托较弱时，河道主槽冲刷明显，但在河道受到顶托时，淤积则表现为全断面的。④从不同受顶托程度流速变化趋势来看，河道淤积主要发生在长江涨水而汉江流量较小的4～6月份，在7～8月份时，由于河道来流量大，断面仍具有较大的流速，河道基本处于冲淤平衡，到9～11月份，长江汉江均处于退水期，不同的遭遇则反映河道不同的冲淤态势，从而影响航道不同的通航条件。
图6 各级流量下不同水位情况下断面平均流速变化图（马口滩过渡段）
图7 不同水位情况下断面流速分布图（马口滩过渡段）
参考文献：
[1] 瞿月平、程小兵等，复杂水沙条件下汉江下游长河段长低水历时航道整治关键技术研究，2013.12
[2] 长江航道局.川江航道整治[M]. 北京：人民交通出版社.1997年.
[3] 中华人民共和国行业标准.航道整治工程技术规范（JTJ312-2003）.中华人民共和国交通运输部发布，1999年.
[4] 张瑞瑾，谢鉴衡等.河流泥沙动力学[M].北京：水利电力出版社， 1989..
[5] 谢鉴衡，丁君松，王运辉.河床演变及整治[M].武汉：武汉水利电力学院， 1990.
[6] 常福田.航道整治[M].人民交通出版社，1995.
[7] 湖北省交通规划设计院，汉江下游航道整治工程（兴隆至汉川段）工程可行性研究报告，2006年8月
[8] 湖北省交通规划设计院，汉江下游航道整治工程（兴隆至汉川段）工程初步设计报告，2010年2月
[9] 长江水利委员会水文局&武汉大学，汉江下游航道整治工程（兴隆至汉川段）一维水沙数学模型计算分析报告，2007年7月
[10] 交通运输部天津水运工程科学研究所，汉江下游航道整治工程河工模型试验研究（定床试验报告），2011年1月
（第一、二、四作者单位：湖北省交通规划设计院，第三作者单位：湖北省航道工程公司）endprint
图4 汉川站的水位流量关系图
这种现象的产生同长江汛期来水过程呈胖峰型、而汉江来水则更多呈尖峰型密切相关，当汉江出现较小流量，长江水位仍然较高，故而顶托明显，小流量则对应高水位。
同时，汉江流量较大时，长江顶托相对较小，如汉江流量为9000m3/s时，长江水位对汉江汉川站的顶托作用几近消失。
即长江对汉川站的顶托作用在汉江汛期小流量时顶托最为严重，随着汉江汛期流量的加大顶托作用减弱，直至汉江大洪峰时顶托作用消弭。
统计1994～2009年资料显示，长江一般在3月中下至4月开始进入涨水期，而汉江涨水一般在6月～7月，在4月至7月这段时间里，汉江流量变化不大，但长江水位持续上涨，从而影响汉川站水位在流量变化不大的情况下水位变化明显，如在1999年的4月11日至5月4日，汉江流量在600m3/s附近窄幅变动，最小520m3/s，最大流量不超过670m3/s，但汉川水位却从4月11日的18.41m涨至5月4日的21.78m。
长江洪水一般在8月下旬至9月开始回落，汉江洪峰消落开始时间与长江几乎同步，但汉江洪峰消落时长明显小于长江，在汉江已进入中低水时，长江水位仍未降到低位，此时 汉川水位仍受顶托影响，此影响一般持续至10月下旬。如1999年的9月24日，汉川流量已消落至530m3/s，但汉川水位却仍高达25.17m，其原因是此时汉口水位为24.93m，仍处在较高水位，长江对汉江下游的水位顶托作用依然较强。
汉江枯水期流量稳定，比降变化主要受汉口水位顶托影响；中洪水期比降基本与流量变化同步，比降大小取决于汉江流量与汉口水位的对比关系。
由汉江流量与比降过程图3-2可知，自汉江的枯季（12月～翌年3月），汉江流量变化不大，比降变化也不大，在长江未涨水前，汉川至汉口比降基本维持在0.05‰～0.08‰之间。当长江开始涨水，汉江继续处在枯水期时（4月～5月），汉川至汉口比降急剧减小，比降仅有0.01‰～0.03‰。6月～9月，汉江和长江均进入涨水期和洪水期，如汉江无大的洪峰（1999年），则汉川至汉口比降长期在低比降值附近窄幅变化。当汉江出现较大洪峰（如2008年），则汉江比降随着流量的增大而迅速增大，但汉江洪水消退后，比降也随即变小。10～11月份，汉江比降的变化则较为复杂，在一般情况下汉江和长江在11月份均进入退水期或低水期，汉川至河口段比降开始增大。但在11月份，汉江和长江均可能发生秋季洪水，在长江发生秋季洪水时，汉川-汉口段比降减小，形成一个与长江对应的“V”型比降变化（2008年）；当汉江发生秋季洪水时，则此时汉川比降随着秋汛的到来形成一个比降尖峰（2005年），在10至11月份易出现汉江的极大比降，汉川至汉口实测的最大三个比降时段即有2个出现在10～11月的洪峰中（1996年11月19日的0.096‰和2005年10月6日的0.099‰），之所以出现这种情况是因为此时长江水位已明显回落，汉川-汉口段比降主要受汉江大流量影响。
图5 汉江下游流量比降过程图
长江回水对来沙过程影响
图6为汉口不同水位时马口滩某断面水位、流量、流速之间关系，图7为此断面的流速断面分布情况（图形数据来自汉江下游马口滩河工模型试验研究定床试验报告）。由图可知：①在本河段不受长江回水顶托情况下，马口滩段各级流量下断面流速均在0.8m/s以上，参照本河段床沙粒径在0.08～0.5mm，河段内大部分泥沙均是可以冲刷启动的。②当汉口水位超过19.0m时（此时尾门水位为21.0m左右），则在马口滩段顺直过渡段断面流速平面分布均化，流速在枯水流量下（800m3/s以下）小于0.6m/s，河段是处于全面淤积的，在中水流量下（800～1800m3/s）流速为0.5～0.9m/s，河段处于冲淤平衡。③当河段不受顶托影响时，河段主槽及两边流速有明显差别，但当河段受到顶托后，断面流速迅速均化，这反映了河道在受顶托较弱时，河道主槽冲刷明显，但在河道受到顶托时，淤积则表现为全断面的。④从不同受顶托程度流速变化趋势来看，河道淤积主要发生在长江涨水而汉江流量较小的4～6月份，在7～8月份时，由于河道来流量大，断面仍具有较大的流速，河道基本处于冲淤平衡，到9～11月份，长江汉江均处于退水期，不同的遭遇则反映河道不同的冲淤态势，从而影响航道不同的通航条件。
图6 各级流量下不同水位情况下断面平均流速变化图（马口滩过渡段）
图7 不同水位情况下断面流速分布图（马口滩过渡段）
参考文献：
[1] 瞿月平、程小兵等，复杂水沙条件下汉江下游长河段长低水历时航道整治关键技术研究，2013.12
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[6] 常福田.航道整治[M].人民交通出版社，1995.
[7] 湖北省交通规划设计院，汉江下游航道整治工程（兴隆至汉川段）工程可行性研究报告，2006年8月
[8] 湖北省交通规划设计院，汉江下游航道整治工程（兴隆至汉川段）工程初步设计报告，2010年2月
[9] 长江水利委员会水文局&武汉大学，汉江下游航道整治工程（兴隆至汉川段）一维水沙数学模型计算分析报告，2007年7月
[10] 交通运输部天津水运工程科学研究所，汉江下游航道整治工程河工模型试验研究（定床试验报告），2011年1月
（第一、二、四作者单位：湖北省交通规划设计院，第三作者单位：湖北省航道工程公司）endprint
图4 汉川站的水位流量关系图
这种现象的产生同长江汛期来水过程呈胖峰型、而汉江来水则更多呈尖峰型密切相关，当汉江出现较小流量，长江水位仍然较高，故而顶托明显，小流量则对应高水位。
同时，汉江流量较大时，长江顶托相对较小，如汉江流量为9000m3/s时，长江水位对汉江汉川站的顶托作用几近消失。
即长江对汉川站的顶托作用在汉江汛期小流量时顶托最为严重，随着汉江汛期流量的加大顶托作用减弱，直至汉江大洪峰时顶托作用消弭。
统计1994～2009年资料显示，长江一般在3月中下至4月开始进入涨水期，而汉江涨水一般在6月～7月，在4月至7月这段时间里，汉江流量变化不大，但长江水位持续上涨，从而影响汉川站水位在流量变化不大的情况下水位变化明显，如在1999年的4月11日至5月4日，汉江流量在600m3/s附近窄幅变动，最小520m3/s，最大流量不超过670m3/s，但汉川水位却从4月11日的18.41m涨至5月4日的21.78m。
长江洪水一般在8月下旬至9月开始回落，汉江洪峰消落开始时间与长江几乎同步，但汉江洪峰消落时长明显小于长江，在汉江已进入中低水时，长江水位仍未降到低位，此时 汉川水位仍受顶托影响，此影响一般持续至10月下旬。如1999年的9月24日，汉川流量已消落至530m3/s，但汉川水位却仍高达25.17m，其原因是此时汉口水位为24.93m，仍处在较高水位，长江对汉江下游的水位顶托作用依然较强。
汉江枯水期流量稳定，比降变化主要受汉口水位顶托影响；中洪水期比降基本与流量变化同步，比降大小取决于汉江流量与汉口水位的对比关系。
由汉江流量与比降过程图3-2可知，自汉江的枯季（12月～翌年3月），汉江流量变化不大，比降变化也不大，在长江未涨水前，汉川至汉口比降基本维持在0.05‰～0.08‰之间。当长江开始涨水，汉江继续处在枯水期时（4月～5月），汉川至汉口比降急剧减小，比降仅有0.01‰～0.03‰。6月～9月，汉江和长江均进入涨水期和洪水期，如汉江无大的洪峰（1999年），则汉川至汉口比降长期在低比降值附近窄幅变化。当汉江出现较大洪峰（如2008年），则汉江比降随着流量的增大而迅速增大，但汉江洪水消退后，比降也随即变小。10～11月份，汉江比降的变化则较为复杂，在一般情况下汉江和长江在11月份均进入退水期或低水期，汉川至河口段比降开始增大。但在11月份，汉江和长江均可能发生秋季洪水，在长江发生秋季洪水时，汉川-汉口段比降减小，形成一个与长江对应的“V”型比降变化（2008年）；当汉江发生秋季洪水时，则此时汉川比降随着秋汛的到来形成一个比降尖峰（2005年），在10至11月份易出现汉江的极大比降，汉川至汉口实测的最大三个比降时段即有2个出现在10～11月的洪峰中（1996年11月19日的0.096‰和2005年10月6日的0.099‰），之所以出现这种情况是因为此时长江水位已明显回落，汉川-汉口段比降主要受汉江大流量影响。
图5 汉江下游流量比降过程图
长江回水对来沙过程影响
图6为汉口不同水位时马口滩某断面水位、流量、流速之间关系，图7为此断面的流速断面分布情况（图形数据来自汉江下游马口滩河工模型试验研究定床试验报告）。由图可知：①在本河段不受长江回水顶托情况下，马口滩段各级流量下断面流速均在0.8m/s以上，参照本河段床沙粒径在0.08～0.5mm，河段内大部分泥沙均是可以冲刷启动的。②当汉口水位超过19.0m时（此时尾门水位为21.0m左右），则在马口滩段顺直过渡段断面流速平面分布均化，流速在枯水流量下（800m3/s以下）小于0.6m/s，河段是处于全面淤积的，在中水流量下（800～1800m3/s）流速为0.5～0.9m/s，河段处于冲淤平衡。③当河段不受顶托影响时，河段主槽及两边流速有明显差别，但当河段受到顶托后，断面流速迅速均化，这反映了河道在受顶托较弱时，河道主槽冲刷明显，但在河道受到顶托时，淤积则表现为全断面的。④从不同受顶托程度流速变化趋势来看，河道淤积主要发生在长江涨水而汉江流量较小的4～6月份，在7～8月份时，由于河道来流量大，断面仍具有较大的流速，河道基本处于冲淤平衡，到9～11月份，长江汉江均处于退水期，不同的遭遇则反映河道不同的冲淤态势，从而影响航道不同的通航条件。
图6 各级流量下不同水位情况下断面平均流速变化图（马口滩过渡段）
图7 不同水位情况下断面流速分布图（马口滩过渡段）
参考文献：
[1] 瞿月平、程小兵等，复杂水沙条件下汉江下游长河段长低水历时航道整治关键技术研究，2013.12
[2] 长江航道局.川江航道整治[M]. 北京：人民交通出版社.1997年.
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[6] 常福田.航道整治[M].人民交通出版社，1995.
[7] 湖北省交通规划设计院，汉江下游航道整治工程（兴隆至汉川段）工程可行性研究报告，2006年8月
[8] 湖北省交通规划设计院，汉江下游航道整治工程（兴隆至汉川段）工程初步设计报告，2010年2月
[9] 长江水利委员会水文局&武汉大学，汉江下游航道整治工程（兴隆至汉川段）一维水沙数学模型计算分析报告，2007年7月
[10] 交通运输部天津水运工程科学研究所，汉江下游航道整治工程河工模型试验研究（定床试验报告），2011年1月
（第一、二、四作者单位：湖北省交通规划设计院，第三作者单位：湖北省航道工程公司）endprint
