汉江中游近期冲刷状况浅析

林云发

(长江水利委员会水文局汉江水文水资源勘测局，湖北襄阳 441022)

1 汉江流域及汉江中游形势

1.1 汉江流域形势

汉江是长江最长支流，发源于秦岭南麓，干流流经陕西、湖北2省，支流旁及四川、河南，于武汉市汇入长江。干流总长1 577 km，总落差1 964 m，流域总面程159 000 km2。汉江干流通常分为3段:丹江口以上为上游，长925 km;丹江口至碾盘山(皇庄)为中游，长240 km，集水面积46 800 km2，为丘陵阶地、平原区，其中平原面积占51.6%;碾盘山以下为下游，长382 km。汉江中游入汇支流主要有南河、北河、小清河、唐白河及蛮河［1］。汉江流域如图1所示。

图1 汉江流域Fig.1 Map of the Hanjiang river basin

1.2 汉江中游形势

丹江口水利枢纽是一座具有防洪、发电、灌溉、运输、养殖、调水等综合利用效益的大型水利工程，枢纽位于湖北省丹江口市，支流丹江与干流汉江的入汇口下游0.8 km(见图1)。

丹江口水库大坝下游丹江口至钟祥皇庄为汉江中游河段，河段长268 km，丹江口—碾盘山河段位于汉江中游，河段长223 km，该河段在平面上呈明显的藕节状，即山丘阶地及人工束窄段与平原宽谷段相间分布，宽段主泓摆动较大，洲滩较多，常常出现碍航浅滩;窄段则河段较为单一，弯道较多。新月形弯道之间过渡段较长，在横向上有着明显的不对称性。从河型看，汉江中游河道在丹江口建库前为带游荡性的分汊河型，建库后至今已形成主槽基本稳定的分汊河型。河道支汊因上游泥沙被水库拦截导致淤而不死，通常处于断流状态，仅在洪水时过流。

该河段形状及固定断面布设示意图见图2。

1.3 丹江口水库调度情况

丹江口水库一期工程设计坝顶高程162 m(吴淞高程，下同)，正常蓄水位为157 m，总库容209.7亿m3，秋汛防洪限制水位为152.5 m(8月21日至9月30日)、夏汛为149 m(6月21日至8月20日)，设计低水位为139 m。南水北调大坝加高后，坝顶高程抬高到176.6 m，正常蓄水位为170 m，相应库容为290.5 亿 m3，具体参数见表 1［2］。蓄水运用至今，坝前最高平均水位152.9 m;最低平均水位138.1 m;历年平均水位145.1 m。调度运用情况见表1。

图2 汉江中游河道形势Fig.2 River regime of middle stream of Hanjiang river

表1 丹江口水库调度运用情况统计［2］Table 1 Statistics of the scheduling data of Danjiangkou reservoir［2］

2 水文泥沙特性

丹江口水库兴建后，由于水库的调蓄，进入坝下游河道的水沙过程与建库前天然河道时期相比，发生了根本的变化。

2.1 枯水流量加大

蓄水后，由于水库调蓄，下泄枯水流量明显加大。黄家港站建库前(1956—1967年)枯季在1，2，12月份3个月的月平均流量为328 m3/s，蓄水后(1968—2012年)流量为740 m3/s，增加了1倍多。表2所示为该站建库前后水量相当的代表年份(连续2a)月平均流量小于800 m3/s出现月数对照，由此可见:建库前1955—1956年内，该站月平均流量小于800 m3/s的月份高达13个月，占总月数的54%，而蓄水后1974—1975年的月均流量均大于800 m3/s。

2.2 中水期延长

建库后，由于大坝在年内大部分时间系电站出流，每台机组的流量为200～250 m3/s，常开3～5台，因而，1年当中下泄流量在800～1 000 m3/s的天数为1个月左右，1年当中近10个月的时间为大坝汛期开闸泄水，时常开2～3个深孔居多，加上电站出流，因而1 000～3 000 m3/s级流量在年内出现的天数也较长。据统计，黄家港站建库中前期，这级流量每年出现的天数50 d左右，建库后则为150 d左右(见表3)。

表2 黄家港站800 m3/s月平均流量出现月数对照Table 2 Frequency of monthly average flow less than 800 m3/s at Huangjiagang station before and after reservoir impoundment

表3 黄家港站建库前后1 000～3 000 m3/s流量出现天数对照Table 3 Number of days with flow rate between 1 000～3 000 m3/s at Huangjiagang station before and after reservoir construction

2.3 洪峰明显削减

以防洪为主的丹江口水库，削峰调洪是水库的主要特征和任务。水库蓄水45 a(1968—2012年)内，入库洪峰＞10 000 m3/s共有132次，而下泄流量＞10 000 m3/s共有28次，被水库拦蓄和削峰次数达78.8%。1974年9月入库洪峰流量27 600 m3/s，下泄流量仅为3 650 m3/s，削峰率达86.8%。

2.4 下泄水流的含沙量大幅减少

修建水库后，上游来沙被大量拦在库内，尤其是进入蓄水期后，基本属清水下泄。表4中列出黄家港站与襄阳站建库前后多年平均含沙量数据，从表中可以看出，黄家港站建库前多年平均含沙量为2.18 kg/m3，建库后约为0.021 kg/m3，几乎为清水下泄。

表4 建库前后各站多年年平均含沙量Table 4 Annual average sediment concentration over years at two stations before and after reservoir construction

2.5 悬沙粒径较之建库前明显

表5中列出了丹江口水库下游汉江经清水冲刷后襄阳站悬移质泥沙D50的变化，从表中可以看出，D50建库前为0.025 mm，1976—1979 年为0.077 mm，2006—2009年增大于0.095，可见增大很明显，挟沙能力则会随之明显地减少。

表5 悬移质粒径变化Table 5 Variation of the grain size of suspended load

3 建库后坝下游的冲刷

现将丹江口水库坝下游1967—2012年冲刷量列于表6至表8中，建库后，随着时段的不同，大坝下游主要以冲刷为主，且已显现出一定的规律。

3.1 1967—2005年冲刷规律

(1)一个固定河段由发生冲刷到冲刷强烈再至冲刷逐渐减弱，需要经历一个过程。表6中列出丹江口—襄阳河段冲淤量，从表中可看出本河段从建库后至2005年均发生冲刷，且冲刷强度随时段不同而不同，1967—1978年共冲刷6 369万m3，平均年冲刷531万m3;1978—1987年，冲刷强度继续增大，多年累计冲刷6 055万m3，平均年冲刷606万m3;1987—2005年冲刷已大幅度衰退，多年累计冲刷2 159万m3，仅为1978—2005年的35.6%，平均年冲刷114万m3。

(2)冲刷自上往下发展，冲刷距离很长。由表6与表8中数据可得，1978—1987年以前，主要冲刷段在丹江口至襄阳河段，丹江口—襄阳河段冲刷量为6055万m3，崔家营—碾盘山河段冲刷量为3 138万 m3，总刷量之比接近2∶1。1987—2005 年丹江口—襄阳河段冲刷逐渐衰弱，崔家营—碾盘山河段冲刷加强，冲刷量比为1∶3，可见，随着时间推移，强烈冲刷河段也向下游转移，1987年后主要冲刷段发生在襄阳以下河段。

表6 汉江丹江口—襄阳河段冲淤量计算结果Table 6 Calculated results of scouring and deposition in the reach from Danjiangkou to Xiangyang

表7 汉江襄阳—崔家营河段冲淤量计算结果Table 7 Calculated results of scouring and deposition in the reach from Xiangyang to Cuijiaying

(3)在冲刷过程中，局部河段将会出现上冲下淤情况，强烈冲刷河段的下游河段有可能发生局部河段的淤积［3］。如表8可知，1967至1978年崔家营—碾盘山河段上段冲55－1至冲74－1断面间累积冲刷3 499 m3，其下段冲74－1至冲79断面间累积淤积185 m3。

表8 汉江崔家营—碾盘山河段冲淤量计算结果Table 8 Calculated results of scouring and deposition in the reach from Cuijiaying to Nianpanshan

3.2 近期冲刷状况

3.2.1 丹江口—襄阳河段(平衡段和接近平衡段)

通过分析表6至表8中丹江口水库坝下游的2005—2012年冲刷量可以发现，丹江口—襄阳河段2005—2012年所发生9 266 m3冲刷量从建库后分析规律来看，此河段应进入冲淤平衡阶段，此段主槽河床的粗化已完成，卵石大量出露，全年已基本无悬移质补给，此时推移质仍有所移动，但数量也不大。因此，该冲刷量实为人为采挖，因南水北调丹江口大坝加高工程需要大量用沙，此部分用沙多从本河段采挖，不属坝下游冲刷规律。

3.2.2 襄阳—崔家营河段(推移质冲刷阶段)

襄阳—崔家营河段1978—2005年多年累计冲刷2 388万m3，平均年冲刷88万m3;2005—2012年多年累计冲刷3 493万4m3，平均年冲刷437万m3。随时间推移，冲刷强度大幅增加，冲刷主要以推移质冲刷为主，汛期虽然有悬移质补给，但推移质冲刷量很大;冲刷阶段，估鱼粱洲两汊冲刷仍为左汊冲刷量大于右汊。

3.2.3 崔家营—碾盘山河段(全年悬移质冲刷阶段)

崔家营—碾盘山河段冲刷逐年增强，近期冲刷强度为建库以来最大，仍为冲刷的第1阶段，此时河床中能悬浮的细颗粒泥沙较多，即使在枯水也能补给悬移质。1967—1978年、1978—1987年、1987—2005年、2005—2012年冲刷量见表8，冲刷强度分别为:276，314，381，1 061 万 m3/a，可见 2005—2012年达到分析时段中最大，冲刷量为8 489 m3，为建库后1967—1978年的2倍多，因此，近期该河段成为汉江中游重点冲刷河段。

3.3 横剖面冲刷特点

3.3.1 分汊河段

分汊河段演变的主要特征是主汊冲刷，支汊萎缩。从丹江口水库坝下游河道看，在分汊河道，主汊不断冲刷发展，支汊则发生萎缩，甚至在上游有一定来沙的情况下，支汊有淤堵的趋势。图3为丹江口水库坝下游冲6、冲38断面的横断面图，可以看出，在主汊充分发展的同时，支汊一般都处于不死不活状态。其原因主要是上段槽内泥沙已大部分被冲走，泥沙来源已很少，因而无法将其淤死，但限于来水条件，以及主槽发展，主槽冲出卵砾石堆积在支汊口门，汉道口门与主槽河床高程相差较大等原因，要发展也不可能，从而形成不死不活状态。

因此，丹江口水库坝下游分汊河段支汊淤堵的条件为:流量削减，支汊分流比减少、流速降低;上游有泥沙来源。

3.3.2 游荡河段

游荡性河道在水库下泄清水后，总的演变趋势是游荡性削弱或消失。其原因为:洪峰削减，流量起伏过程大幅度高平，流量稳定，水力条件削弱;主槽处于明显侵蚀状态;悬沙和床沙都较粗，河床变形幅度减小，从而也减小了游荡的可能性(见图4)。

图3 冲6和冲38不同时期横剖面图Fig.3 Variation of cross section 6 and cross section 38 in the downstream of Danjiangkou reservoir

图4 冲57－1横剖面图Fig.4 Variation of cross section 57－1 in the downstream of Danjiangkou reservoir

4 结语

综上所述，丹江口水库蓄水运用后，改变了原有的水沙输移条件，由于清水下泄的影响，使下下游即汉江中游河段发生自上而下的冲刷，冲刷强度与长度随时间变化而不同，近期冲刷规律为:汉江中游仍发生不同程度的冲刷，因人为因素影响，丹江口—襄阳河段冲刷量无法量算，但从坝下游冲刷规律来看，该河段应为冲淤平衡段，随着时间的推移重点冲刷河段由丹江口—襄阳向下发展，近期重点冲刷段为崔家营—碾盘山河段。丹江口水库大坝加高后，丹江口水库的运行高度方式将与以往不同，建议在今后的工作中，对丹江口水库坝下游加强监测与分析工作。

［1］章厚玉，林云发.丹江口水库泥沙淤积及河床演变观测研究［M］.武汉:长江出版社，2012.(ZHANG Houyu，LIN Yun-fa.Sediment Deposition and Riverbed Development in Danjiangkou Reservoir［M］.Wuhan:Changjiang Press，2012.(in Chinese))

［2］张洪霞，林云发，周晓英，等.丹江口水利枢纽河床演变的研究［R］.襄阳:长江水利委员会水文局，汉江水文水资源勘测局，2005.(ZHANG Hong-xia，LIN Yunfa，ZHOU Xiao-ying，et al.Riverbed Development at Danjiangkou Hydropower Junction［R］.Xiangyang:Bureau of Hydrology and Water Resources of Hanjiang River，Hydrology Bureau of Changjiang Water Resources Commission，2005.(in Chinese))

［3］韩其为.水库淤积［M］.北京:科学出版社，2003.(HAN Qi-wei.Deposition in Reservoir［J］.Beijing:Science Press，2003.(in Chinese))