长江中下游干流河道洪中枯水位统筹治理探讨
2023-06-25丁兵姚仕明渠庚
丁兵 姚仕明 渠庚
摘 要:长江中下游干流河道治理事关长江中下游区域的防洪安全和社会经济发展大局。在分析长江中下游干流河道自然属性与社会属性的基础上,剖析了不同水位下河道治理与河道属性的关系,探讨了长江中下游干流河道洪中枯水统筹治理的思路,提出了“枯水期给水流以定路、中水期给水流以顺路、洪水期给洪水以出路”的统筹治理目标。
关键词:河道治理;河道属性;洪中枯水统筹;长江中下游河道
中图法分类号:TV85 文献标志码:A
长江中下游地区是长江流域的精华地带,在我国经济社会发展和生态环境保护中的战略地位日益凸显[1-2]。随着城市化的推进以及人类对河流过度的索取,长江中下游干流河道(上起宜昌,下迄长江河口)出现洪涝频繁、污染加剧、水生态调节能力失衡等一系列问题。在长江中下游河道功能保护与综合性利用的过程中,应当使长江中下游河道自然功能与社会功能相匹配,对河道的综合性利用维持在河流自身调节能力限度范围内,促进人与河流之间的和谐共生[3-5]。长江中下游河道自然功能、社会功能的保护和开发利用与不同水位下河床治理息息相关[6],迫切需要在长江中下游河道自然属性和社会属性的基础上,研究洪、中、枯不同水位下干流河道统筹治理思路,为新形势下长江中下游河道治理与保护提供技术支撑。
1 长江中下游干流河道属性
河流系统一般都具有两种属性:一种是河流的自然属性,包括河流的自然形态、边界组成和物质通量等;另一种是河流的社会属性,一般包括防洪、航运、岸滩利用、人文景观塑造等。河流孕育了人类文明,反映了河流自然属性与社会属性之间的密切关系[3-4]。
1.1 自然属性
长江中下游干流河道从宜昌至长江口,长度约
1 893 km。其中宜昌至湖口为长江中游,长约955 km;湖口以下为下游,长约938 km。沿江两岸汇入的支流,北岸主要有沮漳河、汉江、华阳河、皖河、巢湖水系、滁河、淮河入江水道等;南岸主要有清江、洞庭湖水系、鄱阳湖水系、青弋江、水阳江、太湖水系等[1]。长江下游干流河道水深江阔,水位变幅较小,其中大通以下长约600 km河段受潮汐影响。由于独特的自然条件和人类活动影响作用,长江中下游干流河道有其不同于其他河流的自然特性。
(1)水多沙少和水沙异源特性。三峡蓄水以前,宜昌站、大通站多年平均径流量分别为4 455亿m3 和9 051亿m3,多年平均输沙量分别为4.92亿t和4.21亿t。三峡蓄水运用后的2003—2020年,宜昌站、大通站多年平均径流量分别为4 092亿m3和8 597亿m3,多年平均输沙量仅为0.36亿t和1.34亿t,平均含沙量仅为0.09 kg/m3和0.16 kg/m3。相较而言,尼罗河、亚马逊河、密西西比河、黄河多年平均含沙量分别为1.6 kg/m3、0.22 kg/m3、0.53 kg/m3、37.8 kg/m3。长江中下游干流河道水沙异源性表现在两个方面:一是受水库调节影响,三峡水库蓄水运用后长江干流最大和最小流量出现的频率减少,中间和次小流量频率增加,洪水过程坦化,导致中下游进口水沙过程不同步;二是中下游进口水沙近似“清水下泄”,汉江、洞庭湖、鄱阳湖等入汇支流水沙差异化较大。
(2)河型众多且河势复杂多变。长江中下游河道流经广阔的冲积平原,造就了多变的河流形态。通过对长江中下游干支流河道河型的调查,可将长江中下游干流河道平面形态分为四种基本类型:顺直微弯型、弯曲型、蜿蜒型和分汊型[7],典型的蜿蜒型河道主要分布在长江中游下荆江河段。长江中下游分汊型河段占据主要地位,分汊河段可细分为顺直分汊型,弯曲分汊型和鹅头分汊型三类[8]。不同河型的河道演变特性差异较大。理想状态下,顺直河段,中水河槽顺直,边滩成犬牙交错状分布,并在洪水期向下游平移;弯曲河段中水河槽具有弯曲外形,深槽紧靠凹岸,边滩依附凸岸,凹岸冲刷,凸岸淤涨;分汊河段,中水河槽分汊,一般为双汊,也有多汊,各汊道周期性交替消长。但是天然条件下,众多因素共同作用与交互,长江中下游河道演变异常复杂,主流摆动幅度大、崩岸频繁、主支汊易位时有发生,河势稳定性差,尤其是下荆江蜿蜒型河道演变更为剧烈。2003年三峡工程蓄水运用后,改变了长江中下游的水沙条件,下泄水流挟沙能力处于严重次饱和状态,长江中下游干流河床发生长时期、长距离、大幅度冲刷调整,迎流顶冲段岸坡普遍变陡,崩岸强度将明显加剧,部分河段的河势发生变化,引起新的崩岸和汊道分流形势的变化,更是加剧了其复杂性和不确定性。
(3)独特且重要的生态基因宝库。长江中下游河道及沿岸地区拥有独特且丰富的生态系统,河道范围共有4 300多种水生生物,其中有170多种为长江特有的种类,不仅有中华鲟、长江江豚和长江鲟等珍稀动物,还有银杉、水杉等珍稀植物,是我国珍稀濒危野生动植物宝库集中区。受人类开发的影响,长江中下游河道生态环境恶化,水生生物资源呈现急剧衰退趋势,长江生物完整性指数到了最差的“无鱼”等级。在近年来的持续禁渔和保护下,珍稀濒危物种的自然栖息生境得到一定的恢复。
1.2 社会属性
长江中下游河道的社会属性主要体现在以下几个方面:首先是防洪,这是河流社会属性的首要方面;其次是河流资源的综合性利用,包括通航、供水、岸滩利用、休闲娱乐等功能,特别是经过漫长的历史沉淀,长江中下游河道拥有大量的历史文化遗迹。
(1)防洪。防洪仍然是长江治理开发与保护的首要任务[9]。长江中下游沿江地区经济社会发达、人口稠密,但也是洪水灾害最严重、最频繁的地区。随着沿江各区域城市经济带的逐步形成,产业加速向沿江集聚,沿江人口、经济所占比重与日俱增,如发生洪涝灾害,造成的损失将比以前更大。三峡等干支流水库運用后,长江中下游河道来沙大幅减少,河道发生剧烈的长程冲刷,局部河段河势变化,导致原有防护工程发生破坏,同时出现新的险工险段,威胁堤岸稳定与防洪安全。据崩岸巡查的不完全统计,2003—2020年,中下游干流河道发生崩岸多达1010处,总长度达729.6 km(见表1)。
表1 2003—2020年长江中下游干流河道崩岸情况统计[10-12]
不同时段 崩岸长度/km 崩岸处数
总数 平均 总数 平均
2003—2006 310.9 77.7 319 80
2007—2008 40.4 20.2 81 41
2009—2019 358.2 32.6 566 51
2020 20.1 20.1 44 44
2003—2020 729.6 40.5 1 010 56
(2)航运。长江干线航道是我国唯一贯穿东、中、西部地区的水路运输大通道,长江中下游干线航道自宜昌至长江口,连接武汉、南京、上海等大型城市,是货运量位居全球内河第一的黄金水道,承担了沿江地区83%的煤炭、85%铁矿石和85%的外贸货物运输。2021年长江干线港口完成货物吞吐量超35亿t,对长江经济带建设起到了重要的支撑作用。
(3)岸滩利用。长江中下游岸线的开发利用与防洪、河势、供水以及水生态、水环境保护密切相关,需要兼顾不同部门的管理要求,合理利用、有效保护好岸线资源,才可满足长江经济带建设的综合性功能要求。截至2013年末,长江中下游已利用岸线总长度为1 713.1 km,利用率为20.6%。从岸线利用格局来看,港口码头岸线利用最多,占已利用岸线的53.2%;取排水口次之,占已利用岸线的16.4%;跨(穿)江设施占7.2%;生态景观利用占3.3%;其他方式占19.9%,总体呈现为生产生活岸线居多、生态岸线偏少的利用格局。长江干流岸线利用率与经济社会发展水平密切相关,从上游至下游岸线利用率呈增加态势,其中中游和下游的岸线利用率分别约为23.1%和28.0%,并明显呈现集中在城市江段的特征。
(4)生态景观与历史人文。一首《临江仙》道尽了长江的历史人文风流。长江中下游河道,串联起沿岸瑰丽奇绝的自然風光,孕育出经济繁荣的商业重镇,造就了江南水乡的千年文脉。长江人文景观的典故数不胜数,有“北通巫峡,南极潇湘”的浩浩荡荡的洞庭水,有“乱石穿空,惊涛拍岸,卷起千堆雪”的赤壁矶头,有“晴川历历汉阳树,芳草萋萋鹦鹉洲”的黄鹤楼,有李白《望天门山》的浩浩长江水在天门山壮美的拐弯。
2 不同水位下河道治理与河道属性的关系
河势是在一定的水沙条件、河床边界条件和侵蚀基准面条件等诸多因素的相互作用下,构成一定的水流运动和河床平面形态相对关系的综合态势[13]。从自然属性来看,河势包括两个方面,一方面为水沙等物质通量,这是促使河床演化再造的主导性因子;另一方面为河床形态,是河流造床作用产生的河道轮廓,是约束河道水流的因素。水沙运动与河道形态相适应则为优良的河势,而水沙运动和河道形态不相适应则为不优良的河势。河势需要服务的社会属性包括三个方面的内容:一是防洪功能,主要是河流能够充分输送河道内的洪水和携带的泥沙,这是河流自然属性与洪水的水沙输移与河道形态相适应,并满足两岸防洪要求;二是河流的航运功能,表现为河势自然属性与中枯水的水沙输移与河道形态相适应,并满足航运需求;三是为了满足人们对河流的综合利用需求,包括取水、涉水工程安全运用、生态环境、人文景观等。因此,优良河势应当包含两方面:一是河势平顺且稳定性好,二是河势与沿岸社会功能布局协调[13]。稳定且优良的河势是防洪保安、航道安全、岸滩利用和水生态环境保护的基础,是多重目标实现所依赖的边界条件。长江中下游干流河道治理应基于优良河势塑造,调整河道水、沙、物质与能量等通量和边界形态等自然属性,进而实现多目标协同治理。
长江中下游治理的定位是维持和改善河势、保障防洪安全和泄洪通畅、保障黄金水道建设和运行、促进岸滩资源保护与高效利用、修复水生态与水环境、塑造历史人文景观等。构建泄洪通畅、堤防稳固的泄洪通道主要与洪水位有关;构建滩槽稳定、枯水通畅的黄金航道和生物栖息、和谐自然的生态通道主要与枯水位有关;构建岸线稳定、高效利用的经济廊道,历史底蕴、人文画卷的文化通道则以中水位为主。因此长江中下游河道治理表现出鲜明的水位特征,从河流的河床边界来看,可以把河道治理分为洪水河床、中水河床和枯水河床治理。
3 长江中下游干流河道洪中枯水统筹治理
长江中下游干流河道治理的发展,贯穿着由洪水河床治理,到中水河床治理,直到枯水河床治理的演进过程。以修筑堤防为主的洪水河床治理,体现了自古以来人民群众生存、繁衍和发展的安全性需求。新中国成立后,人们在延续洪水河床治理的基础上,逐步认识到河道崩岸防治与河势控制在综合利用水资源造福人类社会过程中的重要意义,并开展了大量的中水治理实践,修建了规模宏大的控制河势的护岸工程[14]。半个多世纪以来,以航道治理为主的枯水河床治理也得到了很大的发展,特别是近20年来,大规模的长江“黄金水道”建设实践取得重要进展。而三峡工程等控制性水库群建设导致的水沙变化以及长江大保护的新形势对长江河道洪中枯水统筹治理提出了更高的要求。
3.1 洪中枯统筹治理总体思路
从物质通量方面看,三峡工程拦截了大量的泥沙在库区,“清水下泄”现象比较明显,大通站输沙量明显减少。研究表明,以最新调度规程为基础,并考虑汛期沙峰调度和中小洪水调度,坝下游宜昌至大通河段年均冲刷量仅能减少3%。因此,长江中下游干流河道的治理,应当突出治水,兼顾治沙与生态;主要考虑上游来水来沙、支流与湖泊季节性吞吐与连通、洪水期可能的分蓄洪区分流等。
从治理对象方面看,应当以长江河道内堤防、洲滩、汊道、深槽等为主要对象,塑造合理的洪中枯多级断面形态。枯水期给水流以定路。枯水期流量较小,大通站多年平均枯水流量仅14 000 m3/s,水流如果过于分散,将会对航运、沿岸涉水工程运用、生态环境等造成影响,因此需要稳定枯水深槽,形成固定枯水流路,并为中水河床治理提供基础。中水期给水流以顺路。中水期河床治理涉及的河床地貌是河漫滩与江心洲和心滩与边滩,治理的目的是对河漫滩和江心洲形成的河床形态予以稳定或调整,对边滩和心滩构成的河床根据需要实施有关的措施,理顺水流流路,以满足国民经济各部门对河流开发、利用与保护的需要。洪水期给洪水以出路。洪水期利用河道堤防束水,洲滩、汊道、深槽等泄水,支流、湖泊、分蓄洪区分水;充分利用洲滩、汊道、深槽槽蓄量,支流、湖泊、分蓄洪区调蓄量来蓄泄洪水。
3.2 洪水治理
三峡水库蓄水后清水下泄导致局部河段堤脚高滩冲刷、崩岸频发,同时,近年来大洪水呈现干流水位高、高水位持续时间长等常态化特征。洪水河床治理,需要在流域综合规划、防洪规划和治理规划的指导下,统筹考虑高滩冲刷治理、崩岸防治、蓄滞洪区治理、堤防提档升级与生态化改造等多方面因素,提升新时期长江中下游干流河道泄洪能力和堤防保障能力。
(1)提升河道泄洪能力。三峡等控制性水库蓄水运用后,长江中下游河道沿程各站同流量的水位呈下降趋势,河道槽蓄量呈增加趋势,河道蓄泄能力增强,河道安全泄量增大。目前,河道泄洪能力提升方面,主要是统筹考虑洲滩民垸在防洪中的作用与保护,加大长江中下游部分洲滩的过流能力。湖口以上的分汊河道,洲滩承担的过洪量相对较小,主要是处理洪水河床山体卡口的拓宽问题,并考虑分蓄洪区分泄洪量;长江中下游湖口以下洲滩过流量较大,需对汊道段的河漫滩与江心洲利用做必要的限制,对现有节点处的民堤堤距的束窄作较强的限制,必要时应刨除某些节点处影响较大的民堤[6]。在大洪水的情况下,按照“蓄泄兼筹,以泄为主”的方针,洲滩民垸先于分蓄洪区运用。另外,加强长江故道水系与受阻隔湖泊水系的连通能力也是需要考虑的方面。
(2)提升堤防保障能力。三峡水库蓄水运用后,堤防安全保障能力有所提升,但是考虑三峡下游来沙大幅减少因素,需从稳定高水位下的河漫滩、治理险工段与崩岸、生态化改造提升堤防能力等方面开展综合治理。大洪水会导致险工段等区域发生崩岸,同时在特定条件下漫滩水流会导致河漫滩出现严重冲刷。需要深入研究具体河段大洪水条件下的河势问题,分析河漫滩及滩岸附近的流速、流向。对于水流直接顶冲的堤段,除直接加强堤坡的抗冲防护之外,还要在堤坡坡脚之外一定范围内的滩面上进行防护;对于窄滩堤段,滩面均要做平鋪的防护工程,并与堤面护坡和河岸护坡相衔接,特别是滩面过流流速较大的地段,滩面的铺护还应加强;对于弯顶段,尤其是蜿蜒型河段的弯顶段,由于河道形态曲率半径小,强烈的环流可能产生强烈的淘刷,需实施重点防护;对于堤外滩面较窄和堤岸合一的险工段,更要加强防护。
3.3 中水治理
中水河槽能主导整个河道的演变过程,对洪水河床及枯水河床的演变及治理有决定性的影响。中水治理应从中水河床内边滩与心滩控制、单一河道及分汊河道多目标调控、生态化岸坡防护和人文景观塑造等方面综合考虑,充分运用河床演变基本规律,提出综合性治理方案。
(1)稳定中水河床内边滩与心滩。当中水河床边滩遭到冲刷或边滩位移可能带来不利影响甚至影响河势的稳定时,需要采取护滩或固滩措施防止边滩的冲刷和位移,在维护河势稳定的基础上,为洪、枯水河床治理提供过渡条件。对于较为稳定的心滩,在河道治理中应重视其形态的作用;对于河槽中滩面高程较低,处于冲淤交替、演变较为频繁的心滩,应加强观测,根据其演变趋势和影响,研究是否采取相应的治理措施。处于边滩部位的心滩,可以考虑因势利导,采取缓流促淤工程使心滩并入边滩;对于江心洲边缘边滩部位的心滩和被切割的洲头心滩,一般宜采取缓流的促淤工程措施使其成为稳定的边滩形态。
(2)单一河道及分汊河道多目标调控。对于蜿蜒型和弯曲型河段,可通过裁弯等河势控制工程改造成为较稳定的微弯型河道。对于分汊型河段,应区别对待,分别考虑稳定主、支汊分流比现状、调整主支汊分流比、减小汊道数量等三种情况。调整汊道数量及分流比时,应综合考虑改善河势、防洪、航道、岸线利用和水生态环境等因素。采取生态型导流坝、锁坝、护底等工程来调控汊道的分流是比较有效的中水河床治理思路。
(3)维持河势稳定的生态化岸坡防护。基于长江中下游河道来沙锐减的长期态势,需要提出切实的岸坡防护方案,维持岸线的稳定性,避免岸坡崩塌对河势、防洪等产生不利影响。在岸坡防护的同时,应结合长江生态环境保护的要求,采用生态型防护措施,促进水、沙、土之间的通量交换与连通。
(4)兼顾人文景观塑造。在稳定河势的基础上,兼顾长江江湖连通关系、岸滩历史遗址与典故打造长江历史人文画卷。通过江湖连通治理,重现范仲淹《岳阳楼记》所描述的“浩浩汤汤、横无际涯”的江湖景观,“沙鸥翔集、锦鳞游泳,岸芷汀兰、郁郁青青”的美景;通过河道河势调整,塑造人水和谐的岸滩综合休闲景观廊道。汉口新江滩在建成之前,各种建筑物杂乱无序,既影响汛期河道行洪,又严重损害环境景观。为了充分实现城市滨水区的综合功能,提出了保障防洪和环境功能的多级滩地疏挖结合综合整治关键技术,既改善了防洪和环境条件,也稳定了通航条件。将“常受水患侵扰,直接影响武汉防汛”的险滩,改造成“两江四堤八林带,火树银花不夜天”“与沿江大道景观相邻,与黄鹤楼景区相望,与长江百舸争流相映”的汉口江滩美景,成为城市河段综合治理的典范[13]。
3.4 枯水治理
枯水河槽是各种地貌的基础,枯水河槽不仅容纳枯水期内的水流泥沙运动,而且它还是洪水河床和中水河床的一部分,每个时段的水沙过程都有可能使枯水河槽发生不同强度和不同幅度的冲淤变化。枯水治理应统筹考虑航道、水资源配置工程、生态适应性等方面的需求。
(1)稳定和控导深槽和浅滩。深槽与浅滩是枯水河槽中的基本地貌单元。深槽和浅滩的不稳定会带来一系列的影响。首先是航道问题,深槽和浅滩位置不固定,航道多变,可能会给航行带来困难;若浅滩移动至港口,则会造成港口的淤积,使船舶停靠困难。其次是对取水的影响,根据实测资料分析,三峡水库实施蓄丰补枯后,枝城以下至沙市河段最枯三个月建库后比建库前流量增大20.0%~28.6%,枯水季节河道生态流量能得到保证;但受河道冲刷影响,枝城至沙市河段水位下降0.04~0.60 m,郝穴至石首河段水位下降0.16~0.58 m。在枯水位下降的背景下,若浅滩淤积到取水口附近,会造成取水困难,甚至无法取水。因此,稳定深槽与浅滩是枯水治理的基本原则之一,主要措施是修建丁坝、护滩带等。
(2)稳定和调整分汊河道枯水分流。应采用治理措施使汊道有利形态固定或稳定下来,可分别在上游节点处、汊道入口处以及江心洲头部及尾部修建工程。江心洲头部一般采用鱼骨坝工程来调整或稳定枯水分流比。汊道内部可通过修建顺坝或导流坝来调整水流,可通过疏浚或爆破等措施来调整河床。江心洲尾部可修建导流顺坝来调整流态。
(3)综合考虑生态涵养需求。长江中下游干流河道涉及众多的自然保护区和水产种质资源保护区等,枯水治理中,水生态保护的需求需要统筹兼顾。研究发现,四大家鱼等鱼类更喜欢在弯曲、分汊和矶头等具有特殊形态和水深较浅的浅滩附近的水流环境中产卵繁殖;豚类喜在缓水区、洲头或洲尾活动,这些都是枯水治理需要考虑的重点部位。加强长江支汊、故道水系连通能力也是需要考虑的方面,需要在支汊及故道综合考虑当地水生生物需求,设置相关水生态涵养区,如马鞍山河段的江心洲右汊、扬中河段太平洲右汊等,实现鱼游虾嬉、钢铁巨轮各有其道的和谐画面。
4 结论
長江中下游干流河道拥有水多沙少且水沙异源、河势复杂且多变、独特的生态系统等自然属性和防洪、航运、岸线利用、生态环境与人文景观等社会属性,需要调整河道水、沙、物质等通量和边界形态等自然属性特征因子,进而实现多目标社会功能的发挥。构建泄洪通畅、堤防稳固的泄洪通道主要与洪水位有关;构建滩槽稳定、枯水通畅的黄金航道,生物栖息、和谐自然的生态通道主要与枯水位有关;构建岸线稳定、高效利用的经济廊道和历史底蕴、人文画卷的文化通道则以中水位为主。
基于优良河势与长江中下游干流河道自然属性和社会属性的关系,洪水河床治理可通过提升河道泄洪能力和堤防保障能力来开展;中水河床治理可通过稳定边滩心滩、单一及分汊河道多目标调控、生态化岸坡防护和人文景观塑造等来实现;枯水河床治理可通过调控滩槽格局与汊道枯水分流、涵养修复生态环境等来达到。通过“枯水期给水流以定路、中水期给水流以顺路、洪水期给洪水以出路”来实现中下游干流河道洪、中、枯水位统筹治理的目标。
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Coordinative Regulation of Different Water Levels in Flood Season,Normal Season,and Dry Season in the Mainstream of Middle and Lower Changjiang River
DING Bing1,2,YAO Shiming1,2,QU Geng1,2
(1.Changjiang River Scientific Research Institute,Wuhan 430010,China;2. Key Laboratory of River and Lake Regulation and Flood Control in the Middle and Lower Reaches of the Changjiang River of Ministry of Water Resources,Wuhan 430010,China)
Abstract:Regulation of the mainstream of middle and lower Changjiang River is closely related to the flood control safety and social development of the region. Having analyzed the natural and social attributes of the mainstream of middle and lower Changjiang River,we examined the relationship between channel regulation and the attributes under different water levels. In the light of an idea of integrated and coordinative regulation,we put forward the control goal of “determining the route for water supply in dry season,following the route for water supply in flat season,and providing a way out for flood in flood season”.
Key words:river regulation;channel attributes;coordinative regulation of different water levels;middle and lower reaches of the Changjiang River