荆江南岸藕池河东支典型河段河床调整特点研究

孙启航 夏军强 石林 李代军

摘要：为研究荆江南岸藕池河东支注滋河段河床调整特点，利用实测水沙及地形等资料，计算了1995～2019年的河段沖淤过程;采用河段平均的方法，计算了该河段平滩河槽形态的调整过程，同时分析了该河段的崩岸过程及其影响因素。结果表明：注滋河段1995～2005年为淤积状态，累计淤积量为667万 m  3 ;2005～2019年为持续冲刷状态，累计冲刷量为786万 m  3 。2005～2019年该河段上游崩岸数量大于下游，且2005～2006年崩岸次数较其他时间段多。此外还分析了水沙条件与河床边界等因素对崩岸过程的影响，其中水流冲刷强度的持续增加和岸坡土体相对松散（砂土）是造成注滋河段崩岸经常发生的两个主要原因。

关 键 词：河床调整; 平滩河槽形态; 崩岸特点; 注滋河段; 藕池河

中图法分类号：  TV147

文献标志码：  A

DOI： 10.16232/j.cnki.1001-4179.2022.03.004

0 引 言

河岸崩退是冲积河流河床演变过程的重要组成部分。三峡工程运用后，因上游入库沙量减少及三峡水库拦沙作用，荆江三口分流及分沙量大幅减少，三口洪道河床出现了一定程度的冲刷，局部河段崩岸险情时有发生  [1-3] 。例如，在藕池河东支下游注滋河段（南县北景港-华容县团洲乡），汛期时常发生着危及大堤的崩岸现象，给当地政府汛期巡堤、查险及抢险带来了巨大负担，严重威胁了沿岸人民的生命财产安全。

关于洞庭湖区河流的河床形态调整，已有研究多集中于三口水沙条件的变化特点及其影响  [4-6] 、洞庭湖入汇区河床演变  [7-8] 及湖区整体冲淤变化  [9] 等。然而，对支流及局部河段河床调整过程的定量研究成果相对较少。贺方舟等  [10] 通过实测资料，分析了澧水洪道及七里湖槽蓄量变化、洪道重点部位冲淤变化特征、纵断面及典型横断面冲淤演变规律等。邹振华等  [11] 研究了松虎洪道河道演变特点及冲淤变化情况。匡威等  [12] 分析了松滋河区域河床演变的特点，对三峡水库运行后松滋河河床演变有关问题进行了初步探讨。陈帮等  [13] 通过遥感影像分析了藕池河形态变化与冲淤过程。这些研究较为细致地阐述了洞庭湖区局部河段水沙输移及河床演变特征，但其中有关藕池河注滋河段的研究相对匮乏。因此亟需定量研究该河段的河床形态调整及崩岸特点。

洞庭湖区河道与注滋河段崩岸在主要影响因素（来水来沙与河岸边界条件）方面有诸多共性：如两岸岸坡土质多为砂土、粉土及低液限黏土，容易发育裂缝和引发崩岸，并且河岸坡脚紧邻大堤，因此河床调整及崩岸直接威胁到沿岸城镇的防洪及人民生命财产安全。故本文选取注滋河段为研究对象，利用注滋河段固定断面的地形资料，首先通过断面法计算不同年份的河段冲淤情况，然后采用Xia等  [14] 提出的基于河段尺度的平滩河槽形态参数计算方法，计算注滋河段不同年份的平滩河槽形态参数;其次分析该河段河岸土体组成及力学特性，以及典型断面的崩岸过程;最后研究该河段崩岸现象的分布特点，以及水沙条件与河床边界等因素对崩岸过程的影响。研究成果可为洞庭湖区崩岸研究和治理提供借鉴。

1 研究区域概况

1.1 研究河段概况

注滋河段西起南县北景港镇，东至华容县团州乡，全长约41 km。本文以藕59断面为界，将该河段划分为上游段（23 km）和下游段（18 km）。注滋河段进口处设有南县水文站，且距离入湖口约10 km处设有注滋口水位站。注滋河段河道蜿蜒，藕54至61断面之间洲滩较多。左右两岸有堤防，左岸藕51至59段（23 km）为二级干堤，藕59至65段（18 km）为三级干堤;右岸藕51至57段（18 km）为二级干堤，藕57至65段（23 km）为三级干堤（见图1）。该河段华阁镇南华港大堤段为崩岸险工段，全长1 260 m，由于该段河道呈90°急弯，急流冲刷，其中有600 m（桩号0+500～1+100）洪道紧靠堤脚，且坡脚陡悬。2001年4月，该段发生垮坡崩岸，随后南县水利局于2008年对该段大堤进行了整治，方式为抛石固脚，抛石量达600 m  3 。然而近期局部区域险情频发，例如2019年春季，华容县插旗镇任耳垸发生垮塌滑动，垮塌裂缝长达1 250 m。险情出现的原因是垸内降水较多，外河水位较低，导致反向渗流，当地藕池河大堤外坡出溢点渗透压力较大，进而发生了渗透破坏。险情出现后，当地政府对建丰剅至幸福剅（桩号2+219～3+246）堤段进行了滑坡整治，整治措施包括修整堤坡，裂缝抽槽筑缝及抛石护脚  [15] 。

1.2 水沙条件

上游藕池河东支是注滋河段水沙的主要来源，汛期通常从5月持续到10月。三峡工程运用后，藕池河进口（管家铺、康家岗站）分流、分沙比均有所减小，且分沙比的减小幅度大于分流比  [13] 。受藕池河进口水沙条件变化的影响，近期进入注滋河段的水量及沙量均发生大幅改变。此处采用南县（罗文窖）水文站的实测水沙数据近似代表进入注滋河段的水沙条件。图2（a）给出了1968～2017年河段进口水沙变化过程，由图可知：2007～2017年进入注滋河段的汛期水量减少，且沙量大幅降低。多年平均汛期水量从蓄水前（1968～2003年）的146亿m  3 降至蓄水后（2007～2017年）的76亿m  3 ，减少了48%。多年平均汛期沙量从蓄水前的0.210亿t降至蓄水后的0.009亿t，减少了96%。

低含沙量河流上，水沙条件可采用水流冲刷强度 F f    来表示，计算公式见文献[16]。由此计算了南县站 F f    的变化过程，如图2（ a ）所示。可以看出，三峡工程运用后，由于含沙量的大幅度降低，注滋河段 F f    呈现增大趋势。多年平均 F f    从蓄水前的6.8×10  -3 增大至28.4×10  -3 ，增幅为318 % 。图2（ b ）给出了南县水文站不同年份内的水位流量关系，可以看出，相同水位下的流量呈减小趋势。且由于洞庭湖的顶托作用，2017年南县水文站在高水位期间水位流量关系出现了顺时针绳套现象。

2 注滋河段河床调整特点

2.1 冲淤过程及比降调整

本文收集了注滋河段不同年份內15个固定断面的地形资料，并运用断面法计算了该河段的冲淤量及河床纵比降。图3（a）给出了河床累计冲淤量与纵比降的变化过程。从图中可知：1995～2003年该河段处于淤积状态，总淤积量为244万m  3 ，年平均淤积量达30万m  3 ，且淤积主要发生在河段上游，河段下游呈冲刷状态;2003～2005年该河段同样为淤积状态，总淤积量为423万m  3 ，且年平均淤积量较大，达212万m  3 。其原因主要在于三峡工程运用后（2003～2005年）上游管家铺站来水及来沙量较2002年变化不大，因此冲淤状态也未发生改变。2005～2019年，管家铺站来水量变化不大，但来沙量持续减小，导致下游注滋河段处于冲刷状态，冲刷强度先减小后增大，分别为332，24，69，119万m  3 /a，总冲刷量达786万m  3 ，其中2018年以前河段冲刷主要发生在上游，上游冲刷量占河段总冲刷量的比重大于69%，如图3（b）所示。但持续冲刷导致上游河床逐渐粗化，冲刷量逐渐减小，而下游冲刷加剧。由此在2018～2019年内下游段的冲刷量大于上游段，前者占河段总冲刷量的85%。此外，近期注滋河段河床冲刷，使得局部区域河岸坡脚位置冲深下切，导致岸坡变陡，容易引发崩岸险情。河床纵比降随冲淤过程相应发生了调整，且总体调整趋势为先增大后减小。2006年平均河床纵比降为0.49×10  -4 ，相比于1995年的0.31×10  -4 ，增大了59%;而2019年平均河床纵比降为0.23×10  -4 ，相比于2006年减小了54%。

2.2 横断面形态变化

由于注滋河段河床冲淤状态的变化，导致部分断面的形态调整较为明显。图4给出了藕54和藕58断面的形态变化过程。藕54断面位于南县水文站下游约10 km处，2003～2019年该断面平滩河宽由201 m增大至234 m，水深由5.9 m增大至7.4 m，面积由 1 183  m  2 增大至1 723 m  2 ，而断面宽深比由2003年的2.40减小至2019年的2.08，断面形态趋于窄深。其中2006～2016年断面形态变化最为剧烈，近岸深泓冲深约1.8 m，导致岸坡变陡，不利于河岸稳定。藕58断面位于南县水文站下游约20 km处，2003～2019年平滩河宽由268 m增大至274 m，水深由10.4 m减小至10.3 m，面积由2 778 m  2 增大至2 809 m  2 。整体而言，藕58断面的平滩河槽形态变化幅度相对较小，断面宽深比也仅由2003年的1.58增大至2019年的 1.61 ，断面形态略趋于宽浅。然而，该断面局部深槽区域冲刷较为显著，2016～2019年右侧近岸处最大冲深约2.7 m，使得该侧岸坡变陡，而深泓呈现出由靠近左岸转移至右岸的变化趋势。

2.3 河段尺度平滩河槽形态变化

此处采用Xia等  [14] 提出的河段平均方法，计算了注滋河内河段尺度的平滩河槽形态参数。假定在计算长度为 L的河段上设置有若干个固定的观测断面，第i个断面的平滩河槽形态参数以G i  bf 表示，其对应的河段尺度的平滩河槽形态参数G -   bf 计算公式为

G -   bf = exp   1 2L    N-1   i=1  （ ln G  i+1   bf + ln G i  bf ）×（x  i+1 -x i）  （1）

式中：x  i 表示第i个断面距大坝的距离， G -    bf 为河段尺度的平滩河槽形态参数，如平滩面积、宽度及水深。

图5给出了河段尺度的平滩河槽形态参数变化过程，可以看出，三峡工程运用后，注滋河段平滩河槽总体趋于冲深下切，河宽变化不大。2003年的平滩河槽形态参数相比于1995年有较大变化，其中面积减少了4%，河宽减少了10%，水深增加了6%，平滩河槽趋于窄深。2003～2005年水深减小了8%，河宽增加了2%，面积减少了6%，因此该段时间平滩河槽整体趋于宽浅。2005～2016年平滩河槽趋于窄深，其中河宽无明显变化，水深于2005～2006年和2006～2016年分别增加了7%和6%。2016～2019年平滩河槽形态参数变化不大，变化幅度均在2%以内，面积于2016～2018年和2018～2019年分别减少了0.4%和0.5%。

3 河岸土体组成及特性

冲积河流的河床横向调整不仅与近岸水流动力作用有关，还与河岸土质条件（土体组成及物理力学特性等）密切相关。为分析注滋河段河岸的土体组成，于2020年4月28～30日对罗帐湖附近的典型断面进行了实地查勘和土体取样。共收集了3个断面（藕58、藕60及藕62）的河岸土体。取土地点均位于河道北岸（左岸），取样点具体位置如图1所示。此外，根据各取样点的河岸土体组成及性质沿垂向的差异，分别对藕58和藕60断面上、中、下3层的土体进行了取样，对藕62断面的河岸土体则分4层进行了取样。

3.1 垂向组成特点

图6分别给出了藕58，60及藕62断面河岸土体的分层结构图。其中藕58断面左岸主要由上层粉土质砂和中、下层黏土质砂组成。从上至下土体颗粒逐渐变细，黏粒含量分别为8.6%，10.2%和20.0%，粉粒含量分别为20.3%，24.4%和28.6%，砂粒含量分别为71.1%，65.4%和51.4%。藕60断面左岸主要由上层黏土质砂、中层粉土质砂和下层含细粒砂土组成。从上至下土体颗粒逐渐变粗，黏粒含量分别为13.5%，6.9%和5.2%，粉粒含量分别为30.0%， 12.2% 和1.0%，砂粒含量分别为52.5%，80.9%和93.8%。藕62断面左岸为粉土质砂与低液限黏土交错分层，从上至下土体颗粒有粗有细，其中占砂粒含量分别为 73.3% ，36.1%，77.8%和11.2%。由此可知，注滋河段河岸主要由砂土组成，局部区域存在有低液限黏土。

3.2 主要物理性质及起动特点

对取样土体，开展室内土工试验，试验中测试参数主要包括原状土体的密度、含水率、抗剪强度、黏聚力和内摩擦角等。表1给出了土工试验结果，由表可知所取原状土体的内摩擦角介于22.7°～32.6°，黏聚力介于8.7～24.1 kPa，含水率介于9.2%～39.6%，干密度介于1.35～1.57 g/cm  3 。采样断面河岸土体的干密度较小，土体颗粒相对松散。此外，河岸土体的渗透系数范围介于8.94×10  -5 ～4.16×10  -3  cm/s，渗透能力较强。

由于砂土受水流冲刷时主要以单颗粒为主，所以用起动流速来表示砂土抗冲性能较直观。根据泥沙起动流速公式  [17] ，起动流速与水深及粒径之间关系为

U c=   h d     0.14   17.6 ρ s-ρ ρ d+6.05× 10   -7  10+h d  0.72      0.5  （2）

式中： h 为水深，m; d 为泥沙粒径，m; g 为重力加速度，m/s  2 ， ρ  s  为砂土密度，g/cm  3 ; ρ 为水的密度，g/cm  3 。

采用注滋口水位站及南县水文站的实测数据进行插值，近似得到藕58，60及耦62断面的水位，而流量采用南县水文站的实测流量。将日均流量除以相应水位下的过水断面面积得到断面的平均流速。为推求水深 h 处的流速，将曼宁公式代入谢才公式得：

V = n   -1  R  2/3 J  1/2  （3）

式中： V 为水流流速，m/s; n 为糙率; R 为水力半径，m; J 为水力坡度。

在天然冲积性河流中，通常将水力半径R近似为水深h，因此，通过式（3） 可以得到水深h處的流速V与断面平均流速U 的关系为

V U =   h H     2/3  （4）

式中： U 为断面平均流速，m/s; H 为断面平均水深，m。

采用式（2）和式（4）计算了2017年汛期藕58，藕60及耦62断面下层砂土起动流速 U  c 及相应水深处的水流流速V 。藕58断面下层土体处流速介于0～0.51 m/s，砂土颗粒的起动流速介于0.11～0.40 m/s;藕60断面下层土体处流速介于0.01～0.62 m/s，砂土颗粒的起动流速介于0.28～0.53 m/s;藕62断面下层土体处流速介于0～0.55 m/s，砂土颗粒的起动流速介于0.18～0.48 m/s。为进一步研究水流流速与土体颗粒起动流速的相对大小关系，图7给出了2017年汛期相应水深处水流流速 V与起动流速U  c 比值ξ的分布情况。当ξ ≥1时，大于50%的土体颗粒起动;当 ξ <1时，小部分土体颗粒起动或不起动。藕58，藕60及耦62三个断面土体发生起动（或冲刷）的历时分别为9，7，15 d。由图7可以看出，该河段河岸土体颗粒起动主要集中在7月份。

4 注滋河段崩岸特点及影响因素

实地查勘表明，注滋河段岸坡坡脚距大堤普遍偏近（见图8），崩岸的发生极大地威胁了沿岸堤防安全，一旦出现裂缝预兆或是崩岸已经发生，则会对险工段进行应急整治。故而，崩岸的宽度因堤脚位置而限制在一个较小的范围内。

4.1 注滋河段崩岸区域分布

三峡工程运用前（1995～2003年），藕池河除口门段、沱江有所冲刷外其余河段均表现为淤积，其中藕池河东支（包括注滋河段）受1998年洪水影响，高滩发生淤积。因此1995～2003年注滋河段崩岸较少发生。因1995，2003年与后续年份的地形资料有较大差异，很难利用其得到有效的统计结果。因此利用注滋河段2005～2019年内部分年份的断面地形资料进行套汇。根据套汇结果统计了15个固定断面的河岸崩退情况（见表2）。相对于崩岸宽度，测点间距较大，因此统计结果只能反映该河段部分宏观特性。2005～2019年注滋河段左岸与右岸崩岸数量相同，均为7次。2005～2006年发生崩岸的数量为6次，占总次数14次的43%。上游崩岸次数为9次，下游崩岸次数为5次。原因主要在于2005～2006年河段冲刷量较大且2005～2018年河段冲刷主要集中在上游。

4.2 注滋河段典型断面崩岸过程

图9给出了典型断面（藕52、藕53）的河岸崩退过程。藕52断面位于南县水文站下游约3.5 km处，该断面2005～2019年左岸崩退约18.0 m，且崩岸现象主要集中在2006～2016年，近岸地形变化不大，崩退后的近岸坡度从2006年的50°减缓为2016年的18°，使得岸坡的稳定性有所增加。藕53断面位于南县水文站下游约7 km处，2005～2019年右岸崩退约9.8 m，且崩退现象主要集中在2005～2006年。该断面近岸河床整体持续冲刷，2005～2019年累计冲深约1.3 m。但近岸坡脚处，河床在2005～2006年为淤积状态，2006～2016年为冲刷状态。

4.3 崩岸影响因素分析

崩岸的影响因素主要包括两方面：水流动力条件和河岸边界条件  [18] 。国内外许多研究者认为，水流冲刷是造成崩岸的主要因素，其他因素是通过改变水流与河床边界条件来影响崩岸的强度  [16，19] 。

（1） 来水来沙条件。三峡工程的运用大幅改变了进入藕池河的水沙条件，一方面沙量急剧减少，但另一方面水量除2006年和2011年特枯年外变幅不大  [1，13] 。上游来水来沙条件的改变使注滋河段水流次饱和程度逐渐增加，水流冲刷强度明显增强，更易引发崩岸。图10给出了2007～2017年南县水文站汛期水沙及水流冲刷强度的变化趋势。由图可知，注滋河段平均流量变化基本不大，平均变化速率（斜率/截距）为1%。汛期平均含沙量与水流冲刷强度  F f     的平均变化速率较大，分别为8%，49%。近期  F f    呈逐渐增大的趋势，且 F f     的增大会加剧近岸深槽的冲刷，导致岸坡变陡，引发崩岸。另外，由图2（b）可以看出：南县水文站相同流量下的水位一直呈增高趋势，并且高水位状态下，河岸土体的浸没范围增大，浸泡后的土体物理力学特性发生改变，更容易发生崩岸。因此，这样的趋势性变化增大了崩岸发生的概率。

（2） 河床边界条件。影响崩岸的河床边界条件主要包括河岸土体特性、岸坡形态、岸顶植被等。注滋河段河岸土体多为砂土，颗粒较为松散且渗透系数较大，土体结构易破坏，引起裂隙发育或滑坡。此外植被的分布极大地影响了注滋河段的崩岸发生与发展。在该河段左岸40%及右岸53%的断面，堤外脚与水边线之间种植了树木。根及砂根复合物对松散岸坡具有明显的加固作用，能有效地减弱岸坡侵蚀，提高河岸稳定性  [21-22] 。另外，相同河岸土体条件下，弯道段较顺直段的崩岸速率大1倍以上  [23] 。华阁镇南华港附近弯道段（藕60至藕61）的曲折系数 R 达1.59，易受水流顶冲，引发土体崩落。而且一些工程设施的建设也会改变河岸边界条件，如注滋河段两岸大堤的修建、抛石护脚及浆砌石护坡（见图6），对岸坡土体起到了一定程度的固化作用，增加了河岸的稳定性，减少了崩岸的发生。

5 结 论

本文利用实测水沙及地形资料，分析了注滋河段河床形态调整特点，计算了河段尺度平滩河槽形态特征参数，并分析了该河段土体组成及物理力学特点，研究了该河段崩岸的分布特性及影响因素，得到如下结论。

（1） 三峽工程运用前，注滋河段为淤积状态，淤积量为244万m  3 ，三峡工程运用后，注滋河段平滩河槽总体趋于冲深，平滩河宽变化不大，2003～2005年为淤积状态，累计淤积量为423万m  3 ，2005～2019年为持续冲刷状态，累计冲刷量为786万m  3 。河床纵比降随河床冲淤过程发生了相应的调整，且总体调整趋势为先增大后减小。

（2） 注滋河段2005～2019年崩岸次数上游大于下游，且主要发生在2005～2006年，其原因主要在于该时段内河段冲刷量较大。此外，为保护临近河岸的堤防而实施的应急抢险措施限制了该河段前期崩岸的发展。

（3） 近期注滋河段汛期水流冲刷强度呈明显增大趋势，河床持续冲刷，造成岸坡变陡，不利于河岸稳定。并且该河段河岸土体基本为砂土，局部区域存在有低液限黏土，土体颗粒较为松散且主要集中在7月份起动。

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（编辑：谢玲娴）

Study on characteristics of riverbed adjustment in typical reach of east branch of  Ouchi River on south bank of Jingjiang River

SUN Qihang 1，XIA Junqiang 1，SHI Lin 2，LI Daijun 2

（ 1.State Key Laboratory of Water Resources and Hydropower Engineering Science，Wuhan University，Wuhan 430072，China;  2.Hunan  Institute of Water Resources and Hydropower Research，Changsha 410006，China ）

Abstract：

In order to study the characteristics of riverbed adjustment in the Zhuzihe reach，east branch of Ouchi River on south bank of Jingjiang River，we calculated the scouring and silting volume during the period 1995-2019 based on the measured water，sediment and topographic data.The geometry of this bankfull channel were calculated by the reach-averaged method，and the bank collapse process and its influencing factors were analyzed.The results showed that the Zhuzihe reach was in a deposition state from 1995 to 2005，with a cumulative deposition volume of 6.67 million cubic meters，while it was in a continuous erosion state from 2005 to 2019，with a cumulative erosion volume of 7.86 million cubic meters.From 2005 to 2019，the number of bank collapses in the upper reaches of the river was more than that in the lower reaches，and the times of bank collapses from 2005 to 2006 was more than that in other time periods.In addition，we analyzed the influence of factors such as water and sediment conditions and riverbed boundary on the bank collapse process，among which the continuous increase of scouring intensity and the relatively loose soil （sandy soil） on the bank slope were the two main reasons for the frequent bank collapse in the Zhuzihe reach.

Key words：

riverbed adjustment;geometry of bankfull channel;characteristic of bank collapse;Zhuzihe reach;Ouchi River