(長(zhǎng)江科學(xué)院 河流研究所，湖北 武漢 430010)

長(zhǎng)江武漢河段近期河床演變特性探討

岳紅艷朱勇輝盧金友姚仕明

(長(zhǎng)江科學(xué)院河流研究所，湖北武漢430010)

在統(tǒng)計(jì)分析三峽水庫(kù)蓄水運(yùn)用前后漢口和仙桃水文站近期水沙變化特性的基礎(chǔ)上，初步探討了長(zhǎng)江中游武漢河段近期河道演變特性。研究成果表明，三峽水庫(kù)蓄水后漢口站多年平均流量和徑流量略有降低，蓄水后漢口站輸沙量出現(xiàn)大幅度減小。1968年丹江口水庫(kù)蓄水運(yùn)用后，仙桃站水位年最大變幅明顯減小，下泄沙量明顯減少，含沙量減小；三峽水庫(kù)建成后，近幾年漢口站含沙量減小明顯，2011～2016年武漢河段河床沖刷明顯。武漢河段內(nèi)多年來(lái)除局部灘槽沖刷變幅較大外，灘槽平面位置和形態(tài)總體而言相對(duì)較為穩(wěn)定，預(yù)計(jì)武漢河段整體河勢(shì)不會(huì)發(fā)生重大變化。從工程安全和防洪方面考慮，建議對(duì)武漢河段特別是工程密集局部區(qū)域，進(jìn)行水下地形監(jiān)測(cè)和跟蹤分析研究工作。該成果可為武漢河段未來(lái)治理方案的研究提供一定的技術(shù)支撐。

河床演變；水沙變化； 河勢(shì)變化； 三峽水庫(kù)；武漢河段

1 研究背景

武漢市是我國(guó)中部地區(qū)的中心城市和全國(guó)重要的綜合交通樞紐，是防洪的重點(diǎn)城市之一。武漢河段沿江岸線的開發(fā)利用與跨江設(shè)施(包括橋梁、隧道、管道等)的建設(shè)在城市的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)發(fā)展中發(fā)揮著重要作用。隨著城市經(jīng)濟(jì)建設(shè)的持續(xù)蓬勃發(fā)展，今后將對(duì)河勢(shì)穩(wěn)定、河道治理和防洪安全等方面提出更高的要求。已有許多研究者針對(duì)武漢河段河床演變開展了大量研究工作[1-7]，大多結(jié)合某一工程建設(shè)進(jìn)行的局部河床演變特點(diǎn)或機(jī)理分析，所采用的水沙和地形資料以2009年前為主，缺少近期資料分析。目前，長(zhǎng)江武漢河段已有的橋梁或越江隧道共11條，未來(lái)幾年內(nèi)武漢河段在建或擬建的橋梁或隧道工程還有10條，再加上三峽水庫(kù)蓄水運(yùn)用后水庫(kù)下泄水沙情況和過(guò)程發(fā)生了顯著變化，水沙條件的改變或人類活動(dòng)加強(qiáng)可能對(duì)長(zhǎng)江武漢河段的灘槽演變、河勢(shì)穩(wěn)定、防洪安全和航道條件產(chǎn)生一定影響。因此，首先需要根據(jù)三峽水庫(kù)蓄水運(yùn)用前后水沙和地形資料對(duì)武漢河段河床演變特性進(jìn)行對(duì)比研究，然后再?gòu)木S護(hù)健康長(zhǎng)江、促進(jìn)人水和諧的治江新理念出發(fā)，研究武漢河段綜合整治方案。

武漢河段上起武漢市江夏區(qū)紗帽山，下至新洲區(qū)陽(yáng)邏鎮(zhèn)，全長(zhǎng)約70.3 km(見圖1)。其中，白沙洲長(zhǎng)江大橋以上左岸有通順河入?yún)R，長(zhǎng)江大橋以下左岸有漢江、朱家河及新河入?yún)R，長(zhǎng)江大橋附近有武昌深槽，江中依次分布有鐵板洲、白沙洲、潛洲及天興洲，左岸主要有荒五里邊灘、漢陽(yáng)邊灘與漢口邊灘等分布。該河段共受5對(duì)節(jié)點(diǎn)控制，分別為紗帽山和赤磯山，金口的大軍山和龍船磯，沌口的小軍山和楊泗磯，蛤蟆磯和石咀，龜山和蛇山以及十里長(zhǎng)山和青山，其中龜、蛇山處江面寬最窄，僅1 100 m。蛤蟆磯和石咀，龜山和蛇山兩對(duì)節(jié)點(diǎn)將該河段分為上、中、下3段，其中上段金口河段紗帽山至沌口長(zhǎng)約20.0 km，為鐵板洲順直分汊河段，左汊為主汊，右汊為支汊；中段沌口至龜山為白沙洲順直分汊河段，長(zhǎng)約15.0 km，江中有白沙洲和潛洲，左汊為主汊，右汊為支汊；下段龜山至陽(yáng)邏為天興洲微彎分汊河段，長(zhǎng)約35.3 km，天興洲分汊河道為南北兩汊，其中，南汊為主汊，北汊為支汊。

圖1 武漢河段河勢(shì)

本文主要對(duì)三峽水庫(kù)蓄水前后漢口站水文資料進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)計(jì)算，初步分析探討了三峽水庫(kù)蓄水運(yùn)用前后漢口水文站水沙變化特性、灘槽演變特性、河床沖淤變化及河道演變趨勢(shì)。

2 武漢河段水沙特性分析

2.1 漢口站水沙特性

三峽水庫(kù)蓄水前(即建庫(kù)前和蓄水前1952～2002年)，漢口站多年平均水位為19.10 m(凍結(jié)基面)；蓄水后(2003～2015年)，漢口站平均水位18.72 m(凍結(jié)基面)。

漢口水文站三峽水庫(kù)蓄水前1952～2002年的多年平均流量為22 600 m3/s，徑流量為7 131億m3；三峽水庫(kù)蓄水后，2003～2015年多年平均流量為21 209 m3/s，徑流量為6 690億m3。三峽水庫(kù)蓄水后漢口站多年平均流量和徑流量略有降低。全年徑流量主要集中在汛期，三峽水庫(kù)蓄水前和蓄水后5～10月的徑流量分別約占全年徑流量的74%和69%。

1954～2002年三峽水庫(kù)蓄水前，漢口站多年平均輸沙量3.97億t，含沙量0.565 kg/m3。漢口站來(lái)沙年內(nèi)分配極不均勻，汛期5～10月輸沙量占全年的87.8%；三峽水庫(kù)蓄水運(yùn)用后，漢口站輸沙量出現(xiàn)大幅度減小，2003～2015年平均輸沙量為1.02億t，較蓄水前多年均值減少74.2%，年均含沙量也減小至0.158 kg/m3。汛期5～10月輸沙量占全年的80.6%，較蓄水前略有減小。

2.2 支流漢江來(lái)水來(lái)沙特性

本次分析選擇距離漢江河口157 km的仙桃水文站代表漢江水沙特性。

丹江口水庫(kù)建庫(kù)前，漢江中下游水位暴漲暴落，峰型尖瘦，仙桃站水位年最大變幅為13.13 m；全年水量分配極不均勻，7～9月的水量約占全年的55%左右。各站最大流量均出現(xiàn)在7月份，最小流量則出現(xiàn)在3月份；多年(1955～1959年)平均輸沙量為0.831億t。

1968年丹江口水庫(kù)蓄水運(yùn)用后，由于水庫(kù)調(diào)節(jié)影響，中下游枯季水位抬高，汛期水位有所降低。仙桃站水位年最大變幅明顯減??；下泄沙量明顯減少，含沙量減小。根據(jù)統(tǒng)計(jì)建庫(kù)后1972～2015年資料表明，輸沙量減少至1 842萬(wàn)t，為建庫(kù)前(1955～1959年)的22%。

建庫(kù)后仙桃站水沙量年內(nèi)分配較均勻，汛期占全年比例減小，枯水期占比增大。建壩后仙桃站水沙量占漢口站同期水沙量比例有所減小。年均徑流量由建庫(kù)前的6.41%減至5.95%，年內(nèi)1～3月及12月建庫(kù)后有所增加；年均輸沙量減少更多，由建庫(kù)前17.35%減至6.24%，其中1～3月、12月增加，其它月份均減少。

3 三峽水庫(kù)蓄水運(yùn)用前后河道演變

由于沿江兩岸受節(jié)點(diǎn)控制與護(hù)岸工程的實(shí)施，武漢河段自20世紀(jì)30年代至今河道平面外形基本穩(wěn)定，沿江兩岸岸線變化相對(duì)較小，河道演變主要表現(xiàn)為河床沖淤、洲灘消長(zhǎng)和汊道的興衰交替變化[1]。

3.1 深泓線變化

多年來(lái)，武漢河段天興洲左汊尾部深泓線在三峽水庫(kù)蓄水運(yùn)用后擺幅較蓄水運(yùn)用前增大，其余河道在蓄水后的深泓線擺動(dòng)幅度都較蓄水前要小，擺動(dòng)幅度較大處主要為分匯流區(qū)或河岸邊界條件突變段。

3.2 洲灘和深槽演變規(guī)律

三峽水庫(kù)蓄水后鐵板洲洲體沖淤變幅較蓄水前略??；蓄水前后白沙洲洲體面積呈現(xiàn)減小趨勢(shì)，且蓄水后的減小幅度較蓄水前略大。年內(nèi)變化呈現(xiàn)汛期淤長(zhǎng)，汛后沖刷還原；潛洲洲體沖刷較蓄水前有所縮小，蓄水后年際間累積略有淤長(zhǎng)增大。年內(nèi)變化表現(xiàn)為汛前至汛初洲頭淤長(zhǎng)上伸并向左展寬，主汛期沖刷，汛后沖刷還原。

荒五里邊灘和漢陽(yáng)邊灘年際間其平面位置和沖淤變幅較大?；奈謇镞厼┠陜?nèi)變化為枯季上游東風(fēng)閘至老關(guān)一帶近岸淤積，汛前隨流量、水位增大，泥沙逐漸下移至荒五里邊灘附近，汛期荒五里邊灘淤積，汛后邊灘沖刷，次年又重復(fù)此過(guò)程。漢陽(yáng)邊灘年內(nèi)變化過(guò)程與荒五里邊灘相反，一般枯季1～2月邊灘淤長(zhǎng)至最寬，汛前漲水期，邊灘沖刷后退，汛期漢陽(yáng)邊灘沖刷至最窄，汛后開始回淤，至次年水位最低時(shí)又淤長(zhǎng)最寬，此后往返循環(huán)；漢口10m高程邊灘多年來(lái)(1986～2016年)沖淤交替演變，整個(gè)邊灘有累積向下游發(fā)展的趨勢(shì)。漢口邊灘年內(nèi)變化規(guī)律為灘首枯季淤積，汛初沖刷，汛期淤長(zhǎng)，汛末沖刷。當(dāng)灘首灘尾淤積，則邊灘中段沖刷；當(dāng)灘首灘尾沖刷，則邊灘中段淤積；青山邊灘多年來(lái)(1986～2016年)年際間沖淤交替變化，邊灘運(yùn)動(dòng)的總趨勢(shì)是逐漸下移。三峽水庫(kù)蓄水后邊灘主要表現(xiàn)為灘體頭部和中部淤積擴(kuò)大、灘尾有所沖刷：其中2004～2011年灘體中上部淤積擴(kuò)寬明顯，累積最大擴(kuò)寬約400 m；2011～2016年灘體頭部沖刷后退約1 200 m；三峽水庫(kù)蓄水運(yùn)用前多年(1991～2002年)來(lái)天興洲主要演變特點(diǎn)為洲頭的大幅沖刷后退，累積沖刷后退約1 300 m。三峽水庫(kù)蓄水運(yùn)用后多年(2004～2016年)來(lái)主要演變特點(diǎn)表現(xiàn)為天興洲洲頭的沖淤變化上，累積向上游淤長(zhǎng)約1 800 m。年際間一般是大水年洲頭沖刷，洲尾淤積，中小水年則相反。年內(nèi)一般表現(xiàn)為汛期洲頭沖刷，洲尾淤積，枯水期洲頭淤積，洲尾沖刷。

三峽水庫(kù)蓄水運(yùn)用前多年來(lái)武昌0 m深槽多以2～3個(gè)獨(dú)立的0 m深槽存在；蓄水后多年(2004～2016年)來(lái)武昌0 m深槽均為完整封閉的0 m高程等高線，且外形較為穩(wěn)定，較蓄水前有所變長(zhǎng)縮窄，且深槽最深點(diǎn)高程略有降低；漢江入?yún)R口0 m深槽在蓄水后較蓄水前總體上呈現(xiàn)淤積縮小趨勢(shì)；天興洲右汊0 m深槽近年來(lái)上下深槽均呈沖刷趨勢(shì)，河床沖刷下切、河槽面積增加。

從以上分析可知，武漢河段內(nèi)多年來(lái)洲灘及深槽平面位置和形態(tài)相對(duì)較為穩(wěn)定，洲灘及深槽隨水文年不同而發(fā)生沖淤變化。

3.3 河床沖淤量近期變化

根據(jù)1981～2011年武漢河段河床沖淤情況(平灘河槽計(jì)算水位取為20 m)可知[8]，三峽水庫(kù)蓄水運(yùn)用前多年(1981～2001年)來(lái)平灘水位條件下，武漢河段(軍山-陽(yáng)邏段)河床有沖有淤，總體表現(xiàn)為淤積，主要表現(xiàn)為灘槽均淤，其平灘河槽累計(jì)淤積泥沙1 569萬(wàn)m3。天興洲左汊多年來(lái)累計(jì)淤積多于沖刷，右汊累計(jì)沖刷多于淤積，有利于天興洲右汊的沖刷發(fā)展；2001～2004年，平灘條件下武漢河段(沌口-陽(yáng)邏段)除長(zhǎng)江大橋-天興洲頭段表現(xiàn)為沖刷外，其它各段都表現(xiàn)為淤積。天興洲左右汊均表現(xiàn)為淤積，且左汊淤積量少于右汊淤積量。

三峽水庫(kù)蓄水運(yùn)用后，2004～2010年，平灘水位下河床年際間表現(xiàn)為沖淤交替，累計(jì)表現(xiàn)為沖刷。該河段沿程各分段河床均表現(xiàn)為不同程度的沖刷。天興洲左汊和右汊多年來(lái)均表現(xiàn)為沖刷，但天興洲右汊沖刷多于左汊，有利于天興洲汊道右汊的繼續(xù)發(fā)展。

表1 武漢河段近期河床沖淤量統(tǒng)計(jì)(鐵板洲頭-陽(yáng)邏鎮(zhèn))

注：表中沖淤量計(jì)算取平灘河槽計(jì)算水位，“-”表示沖刷，“+”表示淤積。

由表1可知，武漢河段河床2011～2016年河床沖刷下降明顯，河床累計(jì)沖刷約12 017萬(wàn)m3，河床平均沖刷下降約0.98 m。

從三峽水庫(kù)蓄水運(yùn)用前后河床沖淤變化情況來(lái)看，蓄水前多年來(lái)累計(jì)有所淤積，天興洲左汊多年來(lái)累計(jì)淤積多于沖刷，天興洲右汊累計(jì)沖刷多于淤積，有利于天興洲右汊的沖刷發(fā)展；蓄水后多年來(lái)河床累計(jì)有所沖刷。特別是2011～2016年武漢河段河床沖刷下降明顯，其中天興洲右汊沖刷明顯，有利于汊道右汊的繼續(xù)發(fā)展。

3.4 河道演變趨勢(shì)

從武漢河段多年河道演變情況來(lái)看，影響該河段河道演變的因素眾多，情況較復(fù)雜。上游河勢(shì)變化、水沙與河床邊界條件耦合作用是影響河道演變的主要因素，漢江支流入?yún)R、丹江口水庫(kù)興建、沿江兩岸橋梁、碼頭等涉水工程的興建以及近10 a來(lái)武漢河段建筑采砂或工程采砂等人類活動(dòng)，也對(duì)該河段河道演變起到了一定的作用。

近幾十年來(lái)，由于沿岸有多處節(jié)點(diǎn)控制，兩岸的崩岸險(xiǎn)工段均已實(shí)施護(hù)岸工程，因此武漢岸線基本穩(wěn)定；目前鐵板洲、白沙洲和天興洲河段仍將維持分汊河型，河勢(shì)格局相對(duì)穩(wěn)定；三峽水庫(kù)蓄水運(yùn)用后，特別是近幾年漢口站含沙量減小明顯，武漢河段河床發(fā)生了一定沖刷，武漢河段內(nèi)多年來(lái)除局部灘槽沖刷變幅較大外，灘槽平面位置和形態(tài)總體而言相對(duì)較為穩(wěn)定。隨著河床沖刷，中枯水位降低和水沙過(guò)程的改變，預(yù)計(jì)武漢河段整體河勢(shì)不會(huì)發(fā)生重大變化。

4 結(jié)論與建議

(1) 三峽水庫(kù)蓄水后漢口站多年平均流量和徑流量略有降低，蓄水后，漢口站輸沙量出現(xiàn)大幅度減小，2003～2015年平均輸沙量為1.02億t，較蓄水前多年均值減少74.2%；1968年丹江口水庫(kù)蓄水運(yùn)用后，仙桃站水位年最大變幅明顯減?。幌滦股沉棵黠@減少，含沙量減小。

(2) 三峽水庫(kù)建成后，特別是近幾年漢口站含沙量減小明顯，2011～2016年武漢河段河床沖刷下降明顯。武漢河段內(nèi)多年來(lái)除局部灘槽沖刷變幅較大外，灘槽平面位置和形態(tài)總體而言相對(duì)較為穩(wěn)定，預(yù)計(jì)武漢河段整體河勢(shì)不會(huì)發(fā)生重大變化。

(3) 近10 a來(lái)，武漢河段橋梁、碼頭、隧道等工程建設(shè)較多，從工程安全和防洪考慮出發(fā)，建議對(duì)武漢河段特別是工程密集局部區(qū)域，進(jìn)行水下地形監(jiān)測(cè)和跟蹤分析研究工作。

(4) 20世紀(jì)70年代以來(lái)，有關(guān)單位作了多個(gè)方案對(duì)武漢河段的治理進(jìn)行研究[9-12]，由于整治方案涉及防洪、航運(yùn)、城市建設(shè)、洲灘利用、環(huán)境保護(hù)等方面問(wèn)題，至今尚未取得一致的認(rèn)識(shí)。在新的水沙情勢(shì)下，有必要從維護(hù)健康長(zhǎng)江、促進(jìn)人水和諧的治江新理念出發(fā)，繼續(xù)加強(qiáng)對(duì)武漢河段治理方案的研究。

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(編輯：李慧)

2017-09-15

國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(51339001)；水利部公益性行業(yè)科研專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)項(xiàng)目(201401011)；科技部重點(diǎn)研發(fā)專項(xiàng)(2016YFC0402305)；十二五科技支撐項(xiàng)目(2013BAB12B02)；國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(51479008)

岳紅艷，女，長(zhǎng)江科學(xué)院河流研究所，高級(jí)工程師.

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