三峡工程运用前后沙市段河床形态调整特点

，，，

(武汉大学 水资源与水电工程科学国家重点实验室，武汉 430072)

1 工程背景

荆江河段位于三峡水库下游，又分为上、下荆江，其江口以下沙质河段边滩及心滩低平、可动性大，且主流摆动频繁而无规律，碍航问题突出[1]。沙市段位于上荆江中上段，属于弯曲分汊型河段。近50 a来受人为活动及来水来沙条件改变的影响，沙市段河床相应调整，先后经历冲刷—冲淤平衡—冲刷过程，且局部河势调整剧烈[2]。受1967年下荆江裁弯工程的影响，沙市段深泓摆动频繁，分汊段主支汊交替易位，成为荆江河势调整剧烈的河段之一[3]。三峡工程运用后，除深泓摆动及主支汊易位外，沙市段局部河段岸线崩退、洲滩萎缩、边滩下移等现象也较严重，严重影响了该河段的通航安全。

水库下游河流出现的各种变化多可归因于水沙条件的改变[4]。三峡工程运用后，部分学者致力于研究改变的水沙条件对坝下游河段冲淤的影响。如韩剑桥等[5]指出运用后荆江河段的冲刷主要由10 000～25 000 m3/s之间的流量造成，且冲刷导致荆江河段断面形态沿程趋于均一化。沙市段位于荆江沙质河段进口处，受水流冲刷影响较为明显。Zhang等[6]分析了该河段沿程各断面的下切情况，指出该河段局部宽浅区域的冲刷较相对窄深区域的冲刷更为剧烈。沙市段沿程不同位置的冲刷改变了其整体深泓的走势。Zhao等[7]通过研究沙市段主支汊各自深泓线的走势，发现三峡工程运用后沙市河段右汊深泓调整较左汊剧烈，且此现象在三八滩以下尤甚。此外，沙市段内洲滩演变及汊道的发展也成为不少研究者关注的对象。如朱玲玲等[8]通过分析沙市河段主要汊道段南北槽分流比变化及枯期主流走向，解释了三峡工程运用前后沙市分汊河段的演变机理。汪飞等[9]的研究指出河道内相邻洲滩的兴衰变化相互关联，腊林洲边滩在滩群演变中占据着主导地位。然而这些研究则多是宏观以及定性上描述该河段的河道演变规律，较少从定量上研究该河段河床演变的特点。

因此，本文利用沙市水文站1955—2015年实测水沙数据及沙市段33个固定断面地形资料，采用Xia等[10]提出的河段平均的方法，计算河段尺度的深泓摆幅、摆向参数及平滩河槽形态参数，定量分析了近50 a来沙市段河床平面及断面形态调整特点，研究了平滩河槽形态参数变化与水沙条件变化的响应关系。

2 研究河段概况

2.1 地理位置

沙市段上起杨家脑(荆25断面)，下至观音寺(荆52断面)，属于弯曲分汊型河段，由太平口过渡段、三八滩及金城洲微弯分汊段组成(图1)。

图1 沙市河段示意图Fig.1 Sketch of the Shashi reach

该河段距三峡大坝约194 km，是三峡大坝下游沙质河段的进口段。沙市段以杨林矶为界分为上下两段：上段为涴市河弯和沙市河弯之间的直线过渡段，被太平口心滩分为了南北两槽；下段有三八滩分河道为南北两汊，筑有荆江长江公路大桥横跨三八滩，主通航道位于北汊。顺直过渡段左岸有沮漳河汇入，右岸处有虎渡河从太平口处分流进洞庭湖。20世纪90年代以前，该河段崩岸范围较广，如学堂洲段崩岸长度约6 km，最大崩岸宽度达220 m[11]。1998年大洪水后，部分护岸工程的加固或新建基本维持了沙市段河势的稳定。三峡工程运用后，进入沙市段的沙量大幅度降低，局部河段崩岸现象时有发生，特别是在一些稳定性较差的分汊河段[12]，危及河道防洪安全。此外，三八滩及金城洲受水流冲刷明显萎缩，对汊道段的稳定也造成了不利的影响。

2.2 水沙条件变化

沙市段水、沙量主要来源于干流河道。图2给出了该河段内沙市水文站汛期水量及输沙量的变化过程。可以看出，裁弯对沙市段水沙条件影响较小，其多年平均汛期径流量基本不变，输沙量略有减少。1968—2002年多年平均汛期径流量为3 024亿m3/a，较裁弯前(1955—1967年)的3 005亿m3/a增大了仅0.63%。三峡工程运用后(2003—2015年)沙市水文站汛期水量有一定程度的减小，多年平均汛期径流量为2 696.33亿m3/a，较运用前(1955—2002年)的3 019亿m3/a减小了10.7%。同时期内沙市段汛期输沙量显著减少，由运用前4.07亿t/a减至运用后0.55亿t/a，减幅达86.39%。此外，沙市段汛期集中输水输沙的现象较为明显，汛期水量占全年水量的75.72%，输沙量占94.23%。

图2 1955—2015年沙市站汛期水量和输沙量Fig.2 Variations in the water amount and sediment load at Shashi station in flood seasons of 1955-2015

2.3 河段冲淤变化

近50 a来沙市段河床先后经历了冲刷、冲淤平衡和冲刷过程，图3给出了沙市段1966—2015年平滩河槽累计冲淤量的变化过程。

图3 沙市河段1966—2015年累计冲淤过程Fig.3 Cumulative channel evolution volume in the Shashi reach in 1966-2015

由图3可以看出：1967年下荆江裁弯工程实施后，沙市段水流的比降增加，流速加大，使得该河段河床发生剧烈冲刷，1966—1980年该河段平滩河槽年均冲刷强度为0.046亿m3/a。1980—1985年沙市段平滩河槽稍有淤积，累计淤积量为0.096亿m3。1985—1993年该河段河道呈现出冲淤平衡的状态。由此可知，下荆江裁弯引起的溯源冲刷作用在20世纪90年代中期已基本结束。1993—1996年、1996—1999年的大洪水过程致使沙市段高水位时间持续较长，河槽发生剧烈冲刷。1993—2002年该河段平滩河槽年均冲刷强度达0.066亿m3/a。

三峡工程运用后，沙市段冲刷加剧。2003—2015年沙市段平滩河槽累计冲刷1.58亿m3，年均冲刷强度达0.132亿m3/a，远大于河道裁弯所引起的冲刷。但由于2007—2008年内该河段水流含沙量相对较高，使得平滩河槽稍有淤积，约为0.014 6亿m3。此外，该时期内，2009—2015年沙市段河床冲刷相对较为剧烈，年均冲刷强度为0.16亿m3/a，较2003—2008年增大了70.9%。其原因主要在于2008年后三峡水库进入175 m蓄水试运行阶段，从而导致沙市段河床冲刷加剧。

3 河床平面形态调整特点

沙市河段总体河势保持稳定但局部河势调整较为剧烈[2]，主要表现为长顺直过渡段深泓摆动，局部河段岸线崩退及分汊段主、支汊交替易位等方面。故此处从深泓线变化、岸线变化及滩槽格局调整出发，分析三峡工程运用前后该河段河床平面形态的调整特点。

3.1 深泓线变化

受裁弯工程及三峡工程的影响，沙市段深泓摆动较为明显，故此处着重于研究近50 a内该河段深泓摆动幅度及方向的变化过程。

3.1.1 深泓摆动幅度

(1)

式中:xi表示第i个断面距大坝的距离；N表示河段断面总数。

图4给出了深泓年均摆幅的计算结果。

图4 沙市河段深泓摆动幅度及位置参数的变化Fig.4 Parameters of reach-scale thalweg shifting amplitude and location in the Shashi reach

3.1.2 深泓摆动方向

3.2 岸线变化

下荆江裁弯工程实施后，沙市段局部河段崩岸现象时有发生。1955—1987年太平口顺直过渡段左侧岸线崩退长度200～250 m[15-16]。1981—2002年学堂洲、陈家台、西流堤和龙州垸等处时有发生崩岸险情，崩岸总长达5 340 m[2]。三峡工程运用后，受河床冲刷的影响，沙市段局部河段岸线崩塌。如2002—2006年柳林洲发生窝崩，而2002—2008年腊林洲处河岸的最大累积崩退宽度约310 m。此外，据统计三峡工程运用后沙市段年均崩岸次数为运用前的3倍，年均长度约为运用前的5.6倍[17]。

图5(a)和图5(b)分别给出了沙市段典型断面荆29左岸和荆34右岸的崩退过程。荆29断面位于顺直过渡段进口处，2002—2015年该断面左岸累计崩退宽度达32 m(图5(a))。其中2010年以前该河岸崩退较为明显，之后基本维持稳定。荆34断面位于腊林洲上段，主流靠近右岸，导致该河岸在2002—2015年间累计崩退约170 m(图5(b))，且2011年前该河岸持续崩退，之后相对稳定。

图5 三峡工程运用后沙市河段典型断面河岸崩退过程Fig.5 Bank retreat processes at two typical sections of Shashi reach after the operation of TGP

3.3 滩槽格局调整

沙市段洲滩互为消长，极不稳定[9]。20世纪80年代，水流切割腊林洲边滩尾部形成三八滩。90年代初期，腊林洲边滩头部受水流冲刷，形成太平口心滩。三峡工程运用后，沙市段河床冲刷加剧，太平口心滩、三八滩、金城洲随水沙条件表现出不同的演变过程。

太平口心滩位于沙市段中上段，1986—2001年，该心滩逐年淤积下移，2002年滩体受到水流冲刷切割而一分为三。三峡工程运用后，2003—2010年滩体以淤积为主，且分散的滩体于2008年合并成一个完整的心滩，2010年滩体淤长至最大，其面积达2.17 km2。之后滩体逐年冲刷萎缩，2015年滩体面积减小至0.9 km2，同时洲长大幅度减小，较2010年减小了约61.9%。

三八滩位于沙市段中段，多年来三八滩冲刷萎缩，具体表现为滩体面积缩小，洲长及洲宽缩短。1998年大洪水期间，老三八滩冲刷消失，随后泥沙在原老三八滩下半部淤积形成新三八滩。三峡工程运用后三八滩总体依然呈冲刷趋势，滩体面积大幅度萎缩，到2015年仅为0.18 km2，缩小幅度达91.2%，同时滩体宽度较2002年明显束窄，减幅达78.5%。三八滩应急守护工程及新三八滩护滩带的实施维持了三八滩中上段滩脊的稳定和滩体的完整，故2011年后滩体面积、洲长及洲宽变幅相对较小，基本维持稳定。

金城洲位于沙市段下段，20世纪80年代中后期与埠河边滩连为一体，无汊道出现。1990年前后，洲体右槽发育，形成左、右汊道[11]。1998年大洪水后金城洲与右岸野鸭洲连为一体，且于2002年洲体面积增至4.32 km2。三峡工程运用后，金城洲洲体逐年冲刷萎缩，洲体头部冲退而尾部上提，且其右缘受水流冲刷明显崩退。2004年7月水流切割金城洲右侧边滩形成新的金城洲。2015年洲体受水流冲刷而一分为二，面积大幅度缩减，较2002年减幅达74.8%。

图6 典型断面形态变化过程Fig.6 Temporal changes in the cross-sectional profiles at three typical sections

4 河床断面形态调整特点

从断面及河段尺度出发，研究沙市段平滩河槽形态的调整过程，并建立其与汛期水沙条件的滞后响应关系。

4.1 断面尺度的平滩河槽形态调整

为研究水沙条件改变对沙市段平滩河槽断面形态的影响，此处以该河段河槽调整最为显著的3个典型断面为例，分析其平滩河槽形态与水沙条件之间的响应关系，包括太平口心滩处的荆32、三八滩汊道段的荆42及金城洲汊道段的荆49断面。

荆32断面处于太平口心滩中部，三峡工程运用前该断面河床下切与展宽均有发生[18]，运用后河床调整主要表现为左、右槽河床下切和中心滩体先淤后冲，但总体形态较为稳定。中洲子裁弯工程实施后，其断面形态由非对称“W”型逐步往对称发展。1966—1987年该断面主流贴近左岸，右槽淤积，断面形态逐渐呈偏 “V”型(图6(a))。随后1988—2002年右槽受水流冲刷，与1966年相比，2002年右槽最低点高程下降了约6.7 m。左槽在1975年之前有所冲深，随后逐渐回淤。此外，1966—2002年该断面左岸累计崩退近143 m，而中心滩体无明显冲淤变化，调整幅度较小。三峡工程运用后，该断面左、右槽均呈冲刷趋势，断面基本维持对称的“W”型，且左、右岸保持稳定。2003—2006年右槽基本冲刷完成，至2015年其最低点累计冲深约4.4 m。左槽在运用初期冲刷下切，2006年后逐渐回淤。中心滩体明显淤高，2003—2015年其最高点高度增加了约5.04 m(图6(b))。

荆42断面位于三八滩尾部，其河槽形态在三峡工程运用前、后均有较大幅度的调整，且右槽及中心滩体极不稳定。下荆江裁弯后尽管该断面河槽形态调整较为剧烈，但始终呈非对称“W”型。1966—1975年右槽最低点及中心滩体均向左移动，左槽有所淤积(图6(c))。1975—1987年右岸崩退了约160 m，右槽整体右移，同时左槽发生冲刷。1993—1998年的洪水过程使得右槽发生大幅度冲刷，而左槽较1987年却有所淤积。1998年后左、右槽均呈淤积趋势，至2002年其右槽最低点高程增加了约13 m，左槽最低点高程增加了约3.9 m。三峡工程运用后，该断面左、右槽冲淤变化较大，2003—2015年右槽最低点高程增加了约17.2 m；左槽河床持续冲刷，且2012年以后的冲刷幅度相对较大，断面过水面积明显增大(图6(d))。同时期内，中心滩体右移且逐渐萎缩。

荆49断面处于金城洲汊道段，三峡工程运用前、后该断面河槽形态相对较为稳定，且其形态调整与中心洲体的演变密切相关。下荆江裁弯工程实施后(1966—1975年)，该断面右槽最低点冲深约10.1 m(图6(e))。1987年右槽面积增大，中心洲体明显左移，致使左槽面积明显缩小。1998年大洪水期间右槽回淤，左槽冲刷，中心洲体逐渐右移。到2002年右槽持续回淤，但与1966年相比其最低点高程仍下降了约4.5 m。三峡工程运用后右槽发生明显冲刷，2003—2012年累计最大冲深约为16.3 m，同时中心洲体左缘受水流淘刷崩退。到2015年，右槽最低点高程增加了约12.1 m，中心洲体基本消失。相反，左槽在三峡工程运用后并无太大的冲淤变化，形态较为稳定(图6(f))。

4.2 河段尺度的平滩河槽形态调整

(2)

图7 河段平滩河槽形态参数变化过程Fig.7 Temporal variations in reach-scale bankfull dimensions

4.3 平滩河槽形态调整与水沙条件关系

相关研究[10,19]表明,荆江河段平滩河槽形态调整与汛期水沙条件具有密切的联系。三峡工程运用后，沙市段汛期(5—10月份)水沙集中输移现象明显。造床作用主要在汛期发生，非汛期的影响可以忽略。在低含沙水流河段，如沙市河段，可采用汛期水流冲刷强度参数(Ff)来表征汛期的水沙条件[11]，即

(3)

式中：Nf为汛期的总天数；Qj为汛期日均流量(m3/s)；Sj为汛期日均悬移质含沙量(kg/m3)。

(4)

图8 河段平滩河槽形态参数与5 a平均的汛期 冲刷强度的关系Fig.8 Relationship between the reach-scale bankfull dimensions and the five-year average fluvial erosion intensity during flood seasons

5 结 论

本文利用近50 a沙市段实测水沙及地形资料，分析了三峡工程运用前、后该河段的河床平面及断面形态调整的特点，得到如下结论：

(1)受下荆江裁弯工程和三峡工程的影响，沙市段深泓摆动较为明显。裁弯后的1966—1987年内该河段深泓左、右剧烈摆动，平均摆幅约30.8 m/a。1993—1998年受洪水过程的影响，深泓摆动较强，平均摆幅约25.3 m/a。三峡工程运用后2003—2015年深泓摆动有所加剧，平均摆幅约32.6 m/a。其中2014年摆幅最大，约51.0 m/a。

(2)太平口心滩在三峡工程运用后先淤后冲，2010年滩体面积达到最大值2.17 km2，随后滩体逐年萎缩。三八滩多年均呈冲刷萎缩趋势，2011年后滩体较为稳定，2015年滩体面积仅为0.18 km2。2002—2015年金城洲洲长缩短了约69%，且洲体头部冲退尾部上提。

(3)太平口心滩及金城洲处典型断面的平滩河槽形态较为稳定，且其调整过程与中心滩体的演变密切相关。三八滩处典型断面的平滩河槽形态调整较为剧烈，受下荆江裁弯工程影响，1975—1987年该断面右岸崩退了约160 m。三峡工程运用前，该断面右槽面积远大于左槽，而运用后2015年其右槽几乎消失，左槽面积增加。

(4)三峡工程运用后，沙市段平滩河槽形态调整主要表现为平滩水深和面积的增大，而受护岸及航道整治工程的限制作用，总体上该河段平滩河槽宽度变化较小。此外，该河段平滩河槽形态特征参数与前5 a汛期平均水流冲刷强度具有良好的幂函数关系。