三峡水库库尾重庆主城区河段冲淤特性

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(长江水利委员会 a.水文局,武汉 430010；b.长江上游水文水资源勘测局， 重庆 400021)

1 研究背景

早在三峡工程设计论证阶段，变动回水区泥沙冲淤对航运的影响和回水末端的洪水位抬高一直是三峡水库泥沙问题的重点研究内容。三峡水库175 m水位试验性蓄水后，回水范围覆盖到重庆主城区河段，汛后受坝前水位抬高的影响，河段走沙期推迟，历时缩短，年均冲刷强度下降。随着水库运行年限的增长，如何保证重庆主城区河段较少淤积量，或者始终使其处于天然的冲刷状态，对保障河道防洪、航运及码头正常作业具有十分重要的意义。

已有关于三峡水库正常蓄水后重庆主城区河段泥沙冲淤的研究以模型成果居多[1-3]，均认为坝前水位抬高后，会造成汛后河段水位壅高，流速减小，挟沙能力减弱而淤积，使得洪水位抬高。三峡水库175 m水位试验性蓄水以来，河段虽未出现明显的累积淤积的现象，但走沙期缩短，河段冲刷强度一度下降较为明显，总体规律与已有成果较为相符。以往研究还认为河段年内淤积主要发生在10月份—次年5月份，消落冲刷则会集中在6—9月份[1]，而实际上汛期河段仍然表现出较强的河道属性，延续了天然情况下淤积为主的规律，汛前消落期则成为主要的走沙冲刷期，汛后受水库蓄水抬高水位的影响，走沙现象不明显；但这种现象在上游向家坝、溪洛渡等大型梯级水库运行后，又发生了一定的变化，来沙量大幅减少使得重庆主城区河段的冲刷强度再次加大。目前，对三峡水库不同运行阶段，重庆主城区河段冲淤特性的对比分析研究较少，坝前水位变化与河段冲淤特性的相关关系的认识还存在不足，同时缺乏上游水库运行后对于该河段泥沙冲淤影响的分析。本文利用河段实测水沙及河道观测资料，对比分析水库不同运行期重庆主城区河段泥沙冲淤特性，以期为三峡水库优化调度和重庆主城区河段的规划治理提供参考。

2 研究区域及数据源

2.1 研究区域

重庆市主城港区一直承担着川、黔地区矿产资源及长江上游地区外贸进出口物资的中转任务，处于交通核心地位。三峡水库175 m水位试验性蓄水后，回水末端抵达江津附近，重庆主城区河段位于水库库尾。河段全长60 km，其中长江干流段自大渡口至铜锣峡长40 km；嘉陵江段自井口至朝天门长20 km。河段在平面上呈连续弯曲的形态，宽窄相间，岸线参差不齐，岸边常有石嘴突出(图1)。河段岸坡分为自然岸坡和人工岸坡，占比分别约63.5%和36.5%[3]。河床边界以基岩为总体框架，部分基岩表面堆积着主要由沙卵石组成的覆盖层，约占河床总面积的90%，厚度长江干流段一般为2～20 m，嘉陵江段约10 m左右。河段内洲滩较多，洲滩主要由粒径>10 mm的卵石组成，其含量在80%以上[4]。

重庆主城区河段水沙主要来自于长江干流和嘉陵江，水沙年内分布极不均匀。三峡水库蓄水前，寸滩站年内7—9月份径流量和输沙量多年平均值分别占全年的75%和78%；泥沙输移以悬移质为主，推移质年输沙量仅占悬沙的0.11%，且基本集中在汛期。嘉陵江年内水量分配不均匀，洪、枯流量比可达200～300倍，含沙量略大于长江干流，多年平均悬移质输沙量为1.48亿t，约占寸滩站输沙量的1/3。三峡水库蓄水以来(2003—2016年)与蓄水前多年均值相比，寸滩站年径流量和输沙量分别偏少5.4%和64.4%。

2.2 数据源及研究方法

早在三峡水库设计论证阶段，围绕重庆主城区河段，就水库淤积“翘尾巴”的可能性开展了大量的研究。因此，三峡水库蓄水后，该河段一直是重点观测对象，积累了大量的原观资料。本文冲淤量的分析计算均基于河段的固定断面观测资料(基于采砂调查，冲淤量计算初步去除了采砂量的影响)，以寸滩和北碚站作为河段水沙条件分析的控制站，所有的原型观测资料均来源于长江水利委员会水文局。

三峡水库初期运行阶段，回水末端尚未抵达重庆主城区河段，该河段尚处于天然状态下；围堰发电期(2003—2005年)，坝前水位较低，水库回水末端距坝480 km左右，位于重庆主城区河段下游的丰都县城附近；水库156 m水位蓄水后(2006—2007年)，回水末端上延，枯水期抵达重庆主城区河段出口铜锣峡附近；三峡水库175 m水位试验性蓄水后，回水末端上延至江津附近，重庆主城区河段位于变动回水区，年内水库蓄水期及消落期，河道水力要素受坝前水位影响较大，相应泥沙冲淤特性也发生变化。因此，重庆主城区河段泥沙冲淤特性需分天然状态和175 m水位试验性蓄水后2种情况进行研究。

3 天然状态下河段冲淤特性

2003—2007年，重庆主城区河段冲淤主要受来水来沙条件及河床边界形态的影响，河床冲淤的规律性较强，河床总体以冲刷为主。年内表现为“洪淤枯冲”，一般可概括为3 个阶段: 年初—汛初的冲刷阶段、汛期的淤积阶段、汛末及汛后的冲刷阶段，具有明显周期性。如图2，图中年初至汛前的统计时段为年底12 月份—次年5 月份; 汛期为5—9 月份; 汛末至年底即为9—12 月份。

图2 2003—2007年重庆主城区河段泥沙冲淤量Fig.2 Volume of sediment erosion and deposition at different stages in the tail area of TGR from 2003 to 2007

年初至汛初冲刷阶段结束时间大体在5月中下旬，如2003年、2004年和2006年，有的年份(2005年)推迟到6月上中旬。这一时段冲刷量的大小与上年剩余淤积量有关，上年底剩余淤积量较大，第二年初至汛初阶段的冲刷量则较大，反之则较小。这一特征也是由河段的床沙组成决定的，河床自身可以冲刷的泥沙量少，前期淤积留下的泥沙往往是后期冲刷的主要对象。如2003年底剩余的淤积量较大，达342.9万m3，2004年汛前冲刷量也较大，达564.3万m3，年底剩余淤积量较小，仅54.6万m3，故2005年汛前冲刷量亦较小，为52万m3；2005年底不但未有剩余淤积量，反而冲刷了252万m3，导致2006年汛前冲刷量很小，仅23.1万m3。

汛期淤积阶段起始时间大约是5月份下旬，少数年份为6月份上中旬，结束时间与本年度最后一次洪峰有关，多数年份为9月份中旬。入汛后，来流量增大，水位升高，水流开始漫滩，加上受铜锣峡卡口壅水[5]、干支流相互顶托等综合因素的影响，河段比降显著调平(图3)，尤其是汇流口上游的河段流速明显减缓，同时汛期集中输沙，致使河段总体呈淤积状态。另外，泥沙冲淤与洪水的涨落关系较密切，在一次洪水过程中，一般涨水期泥沙淤积，退水期冲刷泥沙。受干支流水沙总量及过程等差异的影响，各年淤积量不同。

图3 朝天门以上干流段比降与嘉陵江来流关系Fig.3 Correlation between discharge of Jialing River and surface slope of upstream Chaotianmen reach

汛末冲刷阶段起始时间多在9月份中旬，少数年份提前到8月份中、下旬或推迟到10月份中旬。汛后随着水位消落，水流逐渐归槽，流速增大，水流挟沙能力增强，加上来沙量减少，河床进入冲刷走沙的状态。该时期冲刷量大小与汛期泥沙淤积量大小密切相关，如2004年汛期河段泥沙淤积总量为725万m3，相应汛后泥沙冲刷量达670万m3，反之2007年汛期河道微冲48万m3，其汛后微淤泥沙23万m3。

综上分析，天然情况下，重庆主城区河段汛后主要走沙期多数在9月份中旬至10月份中旬(相应寸滩站流量25 000～12 000 m3/s)，次要走沙期在10月份中旬—12月份下旬(相应寸滩站流量12 000～5 000 m3/s)，当寸滩站流量<5 000 m3/s时，走沙过程基本结束(表1)。

表1 天然情况下重庆主城区河段走沙过程的水力特征Table 1 Hydraulic characteristics during sedimenttransport in Chongqing reach in natural condition

4 试验性蓄水(175 m)阶段河段冲淤特性

2008年10月份后三峡水库进入175 m水位试验性蓄水期，变动回水区范围进一步上延到长寿至重庆主城区河段，河段演变显现出天然河道和水库的双重属性。与天然情况相比，三峡水库175 m水位试验性蓄水后，河段内水力特性受坝前水位影响明显。水面比降的调整具有较强的代表性，分别以2007年和2012年为例进行统计分析(表2)。2007年河道基本处于天然状态，水面比降仅与来流有关，长江干流段朝天门(两江汇口)以上河段比降年内7月份最小，枯水期偏大，一方面河段位于铜锣峡卡口上游，洪水期卡口发挥较强的壅水作用，使得上游河段比降调平[5]；另一方面与嘉陵江的水流顶托作用有关，2007年7月份嘉陵江与长江干流汇流比为0.388，是全年最大值；长江干流朝天门以下河段比降较上游偏小，年内变化幅度也较小；嘉陵江河口段的比降年内变化规律与长江干流汇口上段类似，随着长江干流流量的增加，该段比降下降。总之，在天然情况下，重庆主城区河段年内在汛期比降小，非汛期比降则加大，是其河道泥沙“汛淤枯冲”的主要原因。2012年河段受水库回水影响，河道内水面比降与三峡水库坝前水位密切相关，年内5—9月份水面比降相对较大，其余时段由于坝前水位偏高，基本在164 m水位以上，河段内比降极小，均不足0.1‰，这一水力特性的改变使得重庆主城区河段年内的冲淤规律也发生调整。

与水力因素变化相应，重庆主城区河段泥沙年际间的冲淤强度、年内的冲淤规律等都产生了调整。此外，2012年开始金沙江下游的向家坝(2012年10月份蓄水)、溪洛渡(2013年5月份蓄水)水电站相继蓄水运行，显著改变了进入重庆主城区河段的泥沙条件，泥沙输移总量及颗粒级配都发生变化[6]。因此，上下游水库的运行，改变了重庆主城区河段的进、出口边界条件，河床冲淤调整逐步显现了出这两方面的影响。

表2 天然状态下(2007年)和175 m水位试验性蓄水后(2012年)重庆主城区河段不同月份的水面比降变化统计

表3 2003—2016年长江上游控制站年径流输沙统计Table 3 Annual runoff volume and sediment yield in the upstream of Yangtze River from 2003 to 2016

首先，三峡水库175 m水位试验性蓄水初期重庆主城区河段冲刷强度有所下降，金沙江梯级水库运行后，河段来沙量大幅减少，使得其冲刷强度显著加大。三峡水库初期蓄水期2003—2007年河段年均冲刷量为218万m3/a，2008年9月—2012年10月河段年均冲刷量为57.1万m3/a，年均冲刷强度下降了73.8%。然而，2012年之后，2012年10月—2016年12月重庆主城区河段累积冲刷约1 426万m3，年均冲刷量达到356万m3，有的年份年内各个时期河段均出现冲刷状态(图4)，与已有研究结论基本相符[7]。这一时期，河段出现大幅度冲刷的主要原因在于进入河段的泥沙大幅减少。受上游溪洛渡、向家坝水电站蓄水拦沙的作用，下游控制站向家坝站2013—2016年平均输沙量仅175万t，较2003—2012年输沙量均值减少了98.8%，进入重庆主城区河段的泥沙大幅减少，寸滩站2013—2016年平均悬移质输沙量为6 205万t，与2003—2012年均值相比减少约66.8%(径流量仅减少2.1%)，与2008—2012年均值相比也减少65.5%(径流量仅减少3.5%)(表3)。可见，来沙量大幅减少是2013年以来重庆主城区河段冲刷强度加大的重要原因之一。

图4 2009—2016年重庆主城区河段泥沙冲淤量Fig.4 Volume of sediment erosion and deposition in the tail area of TGR from 2009 to 2016

其次，汛前消落期成为主走沙期，汛期泥沙淤积强度大幅度下降，汛后河段的走沙强度也有所下降。汛期三峡水库坝前水位因调洪需要而降低，河道近似地处于天然的非壅水状态，河段泥沙冲淤规律基本上延续了蓄水初期的变化特点，但由于金沙江中下游梯级水库运行后，水库拦沙效应明显[8]，重庆主城区河段来沙大幅减少，因此河段汛期淤积强度大为减小，甚至出现冲刷。近8 a来，2009，2011，2012，2014，2015年河段汛期虽然出现了淤积，但泥沙淤积强度有所下降，2009—2016年汛期河段年均淤积量为57万m3，较2003—2008年同期平均值减少了81.7%；汛后蓄水期，坝前水位逐渐壅高，河道泥沙冲淤规律发生变化，主要表现为走沙期的推迟和历时缩短，两者综合影响下，重庆主城区河段2010—2011年连续2 a出现淤积情况，与蓄水初期2004—2005年大幅度冲刷形成鲜明对比，2012年之后汛后走沙强度有所加大，总体上2009—2016年汛后平均冲刷量为79万m3/a，较2003—2007年同期均值减少了73.7%。走沙推迟至汛前消落期，加之上游水库拦沙的作用[9]，2009—2016年汛前平均冲刷量为175万m3/a，明显比汛后的冲刷强度大，甚至较2003—2007年同期均值增大了69.9%。

5 结 论

(1)近年，天然情况下，重庆主城区河段年内表现为“洪淤枯冲”，一般可概括为3个阶段：年初—汛初的冲刷阶段、汛期的淤积阶段、汛末及汛后的冲刷阶段，具有明显周期性，且汛末及汛后为河道的主走沙期。

(2)三峡水库175 m水位试验性蓄水初期重庆主城区河段冲刷强度有所下降，2008年9月—2012年10月河段年均冲刷量为57.1万m3/a，相较于2003—2007年均冲刷强度下降了73.8%；金沙江梯级水库运行后，河段来沙量大幅减少，使得其冲刷强度显著加大，2012年10月—2016年12月河段年均冲刷量达到356万m3/a。

(3)三峡水库175 m水位试验性蓄水后，汛后重庆主城区河段的走沙强度下降，2009—2016年汛后平均冲刷量为79万m3/a，较2003—2007年同期均值偏小73.7%；汛前消落期成为主走沙期，2009—2016年汛前平均冲刷量为175万m3/a，较2003—2007年同期均值增大了69.9%；汛期仍以淤积为主，来沙减小使得泥沙淤积强度大幅度下降。

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