姚記卓，夏軍強(qiáng)，鄧珊珊，周美蓉，許全喜

(1：武漢大學(xué)水資源與水電工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430072) (2：長(zhǎng)江水利委員會(huì)水文局，武漢 430010)

近年來(lái)，隨著三峽工程的運(yùn)行及壩下游各類(lèi)河道整治工程的實(shí)施，長(zhǎng)江中游河段的水沙條件及河床邊界條件發(fā)生顯著變化，引起下游河床沖刷[1-2]. 在河床持續(xù)沖刷過(guò)程中，崩岸險(xiǎn)情頻發(fā)威脅堤防安全；中游河段的河槽蓄泄能力和過(guò)流能力相應(yīng)調(diào)整，二者的變化將進(jìn)一步影響到長(zhǎng)江中游地區(qū)的防洪形勢(shì). 考慮到城陵磯-漢口河段(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“城漢河段”)在長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶建設(shè)中的重要戰(zhàn)略地位，有必要研究由于近期河床調(diào)整所導(dǎo)致的城漢河段過(guò)流能力變化，為長(zhǎng)江中下游的防洪安全提供技術(shù)參考.

三峽水庫(kù)蓄水初期(2003-2008年)，長(zhǎng)江中游城漢河段雖總體微沖9.9×106m3，但110 km長(zhǎng)的城陵磯-嘉魚(yú)段反而淤積0.66億m3；隨后該河段雖整體呈沖刷趨勢(shì)，但實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明城陵磯附近水位仍在抬高，進(jìn)一步降低了河道的泄流能力[3-4]. 受歷史洪水影響，長(zhǎng)江中下游地區(qū)長(zhǎng)期以來(lái)開(kāi)展過(guò)大量的堤防加固工程及河道整治工程，形成了較為完整的堤防體系，但由于兩岸平原地帶通常低于汛期河道內(nèi)高水位，一旦決堤將引發(fā)更大的洪水災(zāi)害[5].

現(xiàn)有研究多從河道沖淤變化[6-8]、水位變化[9-10]及洪水演進(jìn)[11]等方面描述河段的防洪能力變化特征，較少分析河道自身過(guò)流或泄流能力的變化. 過(guò)流斷面的形態(tài)及大小是決定河道泄流能力的重要參數(shù). 在非平衡狀態(tài)下，沖積河流受到來(lái)水來(lái)沙條件變化的影響，河床形態(tài)將作出相應(yīng)調(diào)整，重塑的河床又將進(jìn)一步影響水流結(jié)構(gòu)，這一影響表現(xiàn)為水位-流量關(guān)系的變化. 在某一特征水位下的流量變化是衡量河道過(guò)流能力的重要指標(biāo)[12-13]. 近年來(lái)，有關(guān)長(zhǎng)江中游河床演變的研究表明[6,14-15]，受三峽水庫(kù)運(yùn)用的影響，長(zhǎng)江中游河段普遍沖刷下切，整體呈現(xiàn)沖深展寬的趨勢(shì). 但該河段的過(guò)流能力受以下幾方面因素綜合影響：(1)上游水庫(kù)的調(diào)控作用；(2)河床普遍沖刷引起的河床調(diào)整；(3)床沙粗化、洲灘植被等原因引起的河道阻力變化. 上述幾方面因素在不同流量下對(duì)河道過(guò)流能力的影響程度各不相同，應(yīng)當(dāng)分別予以分析.

本研究基于城漢河段2003-2016年117個(gè)固定斷面的實(shí)測(cè)地形資料及沿程重要水文站的水位-流量關(guān)系，采用一維水動(dòng)力學(xué)模型確定各固定斷面在不同特征流量下的河床形態(tài)參數(shù)，并計(jì)算了河段尺度的斷面形態(tài)變化過(guò)程；從特征水位下的流量變化、水位-流量關(guān)系等方面分析河段過(guò)流能力的變化特點(diǎn)，同時(shí)利用實(shí)測(cè)資料及遙感影像資料，分析引起河道過(guò)流能力變化的影響因素.

1 研究河段概況

1.1 河道概況

城漢河段上起荊江與洞庭湖出口交匯處城陵磯，承接長(zhǎng)江干流荊江來(lái)水及洞庭湖水系，下至長(zhǎng)江中游重要城市武漢，全長(zhǎng)約275 km(圖1). 按照平面形態(tài)特征劃分，城漢河段可劃分為彎曲型和分汊型兩種河型. 河段沿程分布有南陽(yáng)洲、鐵板洲、天興洲等洲灘. 河道兩岸沿江分布有較多低山節(jié)點(diǎn). 河段左岸有東荊河、淪水及長(zhǎng)江最大支流漢江入?yún)R，右岸有陸水、金水入?yún)R；兩岸均分布有湖泊. 研究河段內(nèi)有城陵磯、螺山、石磯頭、漢口等水位站或水文站.

城漢河段干流兩岸有洪湖干堤、四邑公堤、武漢市堤等重要堤防，堤防的堤頂高程一般在1954年最高水位以上1～2 m，以干砌石結(jié)構(gòu)形式居多[16]. 干堤總長(zhǎng)約為460.24 km，其中左岸239.4 km，右岸220.84 km(長(zhǎng)江水利委員會(huì)水文局). 多年來(lái)城漢河段總體河勢(shì)基本穩(wěn)定，河道演變的主要特點(diǎn)為深泓擺動(dòng)、主支汊交替及分流點(diǎn)的上提下移. 近期城漢河段陸續(xù)實(shí)施了陸溪口水道、嘉魚(yú)-燕子窩航道、界牌河段航道整治等工程，對(duì)河段整體水流結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了一定影響[16-17].

圖1 長(zhǎng)江中游城陵磯-漢口河段示意圖Fig.1 Sketch maps of the middle Yangtze River and the Chenglingji-Hankou reach with the location of hydrometric stations

1.2 水沙條件

城漢河段的徑流量和含沙量主要來(lái)自上游荊江來(lái)水、洞庭湖水系、漢江支流以及沿程其它支流，并隨著湖泊與支流入?yún)R沿程增大. 河段汛期通常為5-10月，最大洪水一般出現(xiàn)在7月，沙量的年內(nèi)分配與徑流過(guò)程對(duì)應(yīng). 2003年后，受長(zhǎng)江上游來(lái)水來(lái)沙條件變化及三峽水庫(kù)運(yùn)用的影響，近期進(jìn)入城漢河段的徑流量與沙量出現(xiàn)不同程度的減小，年內(nèi)分配更為均勻. 本研究收集了城漢河段內(nèi)螺山站1954-2016年的流量與含沙量數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖2所示. 從圖2中結(jié)果來(lái)看，與2003年前(1954-2002年)相比，該河段2003-2016年的多年平均徑流量從6459億m3減小為 6021億m3，減小幅度約為7%；城漢河段輸沙量的變化則更為明顯，多年平均輸沙量減小約78%，從2003年之前的4.08億t降低至0.89億t(圖2a); 多年月平均徑流量與輸沙量曲線(xiàn)趨于坦化，汛期徑流量有所減小(圖2b,c).

圖2 1954-2016年螺山站徑流量和輸沙量變化特點(diǎn)Fig.2 Temporal variations in runoff and sediment load at the Luoshan Station from 1954 to 2016

1.3 河床沖淤過(guò)程

受三峽水庫(kù)蓄水?dāng)r沙的影響，近期城漢河段整體呈現(xiàn)沖刷趨勢(shì). 根據(jù)長(zhǎng)江水利委員會(huì)水文局的統(tǒng)計(jì)結(jié)果， 2003-2016年，城漢河段枯水河槽、基本河槽和平灘河槽總沖刷量分別約為4.3億、4.5億和4.2億m3. 沖刷強(qiáng)度呈增強(qiáng)趨勢(shì)，如圖3a所示. 通常定義枯水河槽與基本河槽之間為低灘，基本河槽與平灘河槽之間為高灘. 圖3b比較了2003-2016年城漢河段灘地沖淤量. 由圖3b可知，2003-2008年河段有沖有淤，整體表現(xiàn)出沖槽淤灘的特點(diǎn)；2008年后，上游三峽工程進(jìn)入試驗(yàn)性蓄水階段，進(jìn)入城漢河段的含沙量進(jìn)一步減小，河槽沖刷加劇，低灘開(kāi)始沖刷，高灘淤積減弱；2013年后，受上游梯級(jí)水庫(kù)運(yùn)行的影響，沖刷進(jìn)一步加劇.

圖3 城陵磯-漢口河段累計(jì)沖淤量(a)和灘地年際沖淤量(b)的變化Fig.3 Cumulative (a) and interannual (b) volume of channel scour in the Chenglingji-Hankou reach

圖4 城陵磯-漢口河段平灘河槽形態(tài)的逐年變化Fig.4 Temporal adjustments in reach-scale bankfull channel dimensions in the Chenglingji-Hankou reach

1.4 河槽形態(tài)調(diào)整過(guò)程

2 過(guò)流能力的計(jì)算方法

2.1 水文斷面過(guò)流能力的確定

針對(duì)研究河段各水文斷面，本文著重從水位-流量關(guān)系，最大流量下對(duì)應(yīng)的水位值，警戒水位下的流量及平灘流量4個(gè)方面來(lái)分析其過(guò)流能力隨時(shí)間的變化特點(diǎn). 其中水位-流量關(guān)系采用2003-2016年螺山站、漢口站的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行確定，當(dāng)水位-流量關(guān)系曲線(xiàn)在坐標(biāo)系中右移，即同水位下流量增加時(shí)，可以表明該河段過(guò)流能力有所增強(qiáng)，反之過(guò)流能力減??；最大流量下的水位值反映了河道每年面臨最大洪水風(fēng)險(xiǎn)時(shí)的過(guò)流能力；警戒水位是指江河堤防可能出險(xiǎn)的起始水位，該水位下的流量(警戒流量)通常是防洪設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，警戒流量越大表明出現(xiàn)洪水的風(fēng)險(xiǎn)越低，河道過(guò)流能力越強(qiáng)；平灘流量是指水位平灘時(shí)對(duì)應(yīng)的流量，通常可用于表示水流漫灘的起始流量，是衡量河道過(guò)流能力的重要指標(biāo)，平灘流量越大表明過(guò)流能力越強(qiáng).

2.2 河段尺度過(guò)流能力的確定

針對(duì)整個(gè)研究河段，本文采用河段尺度的平灘流量來(lái)表示其整體過(guò)流能力的變化特點(diǎn)，同時(shí)分析各斷面過(guò)流能力的沿程變化(空間)及河段平均過(guò)流能力隨時(shí)間的變化特點(diǎn).

2.2.1 各斷面平灘流量的計(jì)算方法 將某一斷面主槽內(nèi)水位與灘面齊平時(shí)的水位定義為平灘水位，該水位下對(duì)應(yīng)的流量定義為該斷面的平灘流量[18]. 以2003-2016年城漢河段的汛后地形作為河床邊界條件，采用一維水動(dòng)力學(xué)模型計(jì)算平灘流量. 模型的主要控制方程為：

根據(jù)以往的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，城市居民供水系統(tǒng)多會(huì)采取管道分流方式，從城市給水系統(tǒng)中分流至各大住宅小區(qū)當(dāng)中，目的在于及時(shí)供給人們?nèi)粘ｏ嬘盟?。針?duì)于此，建筑施工單位在進(jìn)行給排水設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要在住宅小區(qū)的管道處安裝倒流防止閥裝置，這樣做的主要目的在于避免水流出現(xiàn)嚴(yán)重的倒流問(wèn)題，造成供水壓力的明顯提升。

(1)

(2)

式中，Q為流量，m3/s；q1為支流流量，m3/s；Z為斷面平均水位，m；A為斷面過(guò)水面積，m2；J1為斷面擴(kuò)大或收縮引起的局部能坡；Jf為斷面能坡；αf為動(dòng)量修正系數(shù)；g為重力加速度，m/s2；x為沿程距離，m. 以螺山站流量作為進(jìn)口條件，漢口站水位-流量關(guān)系作為出口條件，通過(guò)調(diào)節(jié)水文站之間的糙率使計(jì)算水位-流量關(guān)系與實(shí)測(cè)值相吻合(如圖5所示，Z為斷面平灘水位，Q為相應(yīng)的平灘流量)，即可根據(jù)斷面的平灘水位確定相應(yīng)的平灘流量.

圖5 不同控制斷面計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的對(duì)比Fig.5 Comparison between the simulated and observed rating curves at different sections

2.2.2 河段尺度平灘流量的計(jì)算方法 在計(jì)算河段尺度的平灘流量時(shí)，采用Xia等[19]提出的河段平均方法，計(jì)算河段平均的平灘流量，可表示為：

(3)

3 近期城漢河段過(guò)流能力變化特點(diǎn)

過(guò)流能力是衡量河道防洪能力的重要指標(biāo)之一[20]，近期由于河床持續(xù)調(diào)整的影響，長(zhǎng)江中游城漢河段的過(guò)流能力相應(yīng)變化，故此處著重分析了該河段各水文斷面及河段尺度的河道過(guò)流能力變化特點(diǎn).

3.1 水文斷面過(guò)流能力變化特點(diǎn)

3.1.1 水位-流量關(guān)系 選取2003、2010、2012與2014年4個(gè)豐水年，根據(jù)實(shí)測(cè)水位流量資料分別繪制螺山、漢口站枯水期與洪水期的水位-流量關(guān)系(圖6). 洪水期河道過(guò)流受下游河段頂托作用影響，故洪水期的水位-流量關(guān)系采用連時(shí)序法繪制的繩套曲線(xiàn)表示(圖6a, b)，枯水期則采用擬合曲線(xiàn)表示(如圖6c, d). 兩站洪水期的水位-流量關(guān)系均表現(xiàn)為逆時(shí)針繩套曲線(xiàn)(圖6a, b)，比較各年洪水過(guò)程可以看出，螺山站與漢口站洪水過(guò)程相同流量下對(duì)應(yīng)的水位均無(wú)明顯的下降趨勢(shì)，與2003年漲洪過(guò)程相比，2010年螺山站45000 m3/s流量下水位抬升1.31 m，2012和2014年同流量下水位與2003年相比基本保持不變；漢口站2010年45000 m3/s流量下水位與2003年相比抬升1.13 m，2012、2014年僅分別降低0.06和0.19 m. 枯水期小流量下，兩站同流量下水位呈現(xiàn)減小趨勢(shì)(圖6c, d). 螺山站2010、2012和2014年15000 m3/s流量下對(duì)應(yīng)的水位較2003年分別下降0.21、0.56、0.65 m；漢口站則分別下降0.59、0.80、1.07 m. 這一現(xiàn)象表明，近年來(lái)城漢河段河床沖刷引起的河槽過(guò)流面積增大，降低了枯水期同流量下的水位，但對(duì)洪水過(guò)程中河道過(guò)流能力的影響并不明顯；除過(guò)流面積增大外，洪水期水位-流量關(guān)系的變化還應(yīng)受到其他因素的影響. 另外，大流量高水位的變化趨勢(shì)進(jìn)一步增大了城漢河段的防洪壓力，對(duì)長(zhǎng)江中下游防洪造成了不利影響.

圖6 城陵磯-漢口河段主要水文站水位-流量關(guān)系變化Fig.6 Variation in the stage-discharge curves at hydrometric stations of Luoshan and Hankou Stations in the Chenglingji-Hankou reach

3.1.2 警戒水位下的流量變化特點(diǎn) 螺山站與漢口站分別位于城漢河段上游LSZH斷面及下游HL13斷面，其水位-流量關(guān)系的變化可以在一定程度上反映城漢河段整體過(guò)流. 兩斷面近年來(lái)受上游清水下泄的影響，斷面形態(tài)主要表現(xiàn)為沖刷下切，2003與2016年斷面形態(tài)變化如圖7a、b所示. 螺山站與漢口站的警戒水位分別為30.04和25.2 m(85高程). 利用水位-流量關(guān)系即可確定兩站相應(yīng)警戒水位下的過(guò)流流量，結(jié)果如圖7c所示. 由圖7c可知，2003-2016年城漢河段螺山站及漢口站警戒水位下的過(guò)流量分別減小9%和16%. 警戒流量在兩站的變化趨勢(shì)基本一致，但在2007和2011年有所差異，這兩個(gè)年份都屬于枯水年與豐水年的交替年份，水沙條件較上一年變化較大，因此河道上下游對(duì)水沙條件的響應(yīng)存在差異. 從警戒水位下流量的變化趨勢(shì)看：(ⅰ)警戒流量隨水沙條件的變化有增有減，當(dāng)豐水年與枯水年交替時(shí)，警戒流量上升，當(dāng)枯水年與豐水年交替時(shí)，警戒流量下降；(ⅱ)兩站所在斷面的警戒流量整體呈下降趨勢(shì)，且下游漢口站警戒流量的減小程度較上游螺山站更為顯著. 該兩站警戒流量的減小表明河床過(guò)流能力減小，不利于河道的防洪.

圖7 螺山站與漢口站警戒水位下的斷面形態(tài)及流量變化： (a) 螺山站斷面形態(tài)；(b) 漢口站斷面形態(tài)；(c) 螺山站與漢口站警戒流量Fig.7 Variations in cross-sectional geometry and water discharge corresponding to the warning level: (a) cross-sectional geometry at Luoshan Station; (b) cross-sectional geometry at Hankou Station; (c) variations in discharge under the warning level at Luoshan and Hankou Stations

洪水漫灘時(shí)，水位-流量關(guān)系的擬合線(xiàn)將不能準(zhǔn)確描述河道的水位-流量關(guān)系，因此圖8給出了螺山站與漢口站年實(shí)測(cè)最大流量下的水位變化，可以看出兩站在最大流量下的水位-流量關(guān)系曲線(xiàn)左移，相同流量下對(duì)應(yīng)的水位均有所抬升，且螺山站的左移現(xiàn)象更為明顯. 螺山站水位在大流量級(jí)下整體抬高約0.92 m，而漢口站水位抬升的幅度隨流量的增大而減小，50000 m3/s以上流量下的水位基本與2003年之前保持一致. 2016年汛期，螺山站流量超過(guò)43000 m3/s，漢口站流量超過(guò)50000 m3/s時(shí)，兩站水位均超出防洪警戒水位. 僅2016年7月，螺山站水位有18 d處于30 m以上，漢口站水位有23 d處于25 m以上，導(dǎo)致堤防長(zhǎng)時(shí)間處于高水位浸泡中，出險(xiǎn)幾率增大，威脅到堤防安全.

圖8 螺山站(a)與漢口站(b)最大流量下的水位變化Fig.8 Variations in the stages under the annually maximum discharges at Luoshan Station (a) and Hankou Station (b)

3.2 河段平灘流量的變化特點(diǎn)

螺山站與漢口站是城漢河段的重要水文站，其所在斷面的過(guò)流能力變化能夠在一定程度上反映河段整體的變化情況. 但為了避免斷面沿程變化帶來(lái)較大的影響，此處仍然采用一維水動(dòng)力學(xué)模型及河段平均方法計(jì)算河段尺度的平灘流量，以此分析河段尺度的過(guò)流能力變化.

3.2.1 各斷面平灘流量的沿程變化特點(diǎn) 采用2.1和2.2節(jié)所述方法計(jì)算了城漢河段117個(gè)固定斷面的平灘面積和平灘流量，其中2016年的計(jì)算結(jié)果如圖9所示. 由圖9可知，2016年城漢河段平灘面積最大值(AMax)出現(xiàn)在CZ37斷面，約為67273 m2；最小值(AMin)出現(xiàn)在CZ48-1斷面，約為18990 m2；各斷面平灘流量最大值(QMax)約為60000 m3/s；最小值(QMin)約為28798 m3/s，位于CZ37-1斷面. 由圖9可知，平灘流量與平灘面積沿程變化劇烈，但變化趨勢(shì)并不完全一致：平灘流量的最大值與平面面積的最大值所在斷面并不相同，說(shuō)明平灘面積的變化對(duì)平灘流量的影響有限，大流量下的河道過(guò)流能力還受其他因素變化的影響.

圖9 2016年城陵磯-漢口河段各斷面平灘流量與平灘面積的變化Fig.9 Variations in the section-scale bankfull discharge and bankfull area in the Chenglingji-Hankou reach in 2016

3.2.2 河段尺度平灘流量隨時(shí)間的變化特點(diǎn) 根據(jù)2003-2016年城漢河段117個(gè)固定斷面汛后實(shí)測(cè)地形資料，采用式(3)計(jì)算得到河段尺度平灘流量，模型采用的擬合關(guān)系如圖10a所示. 由圖10b可知，城漢河段尺度的平灘流量沒(méi)有明顯的單向變化趨勢(shì)；總體平均值約為45553 m3/s，變化幅度為43663～47482 m3/s. 不同時(shí)段內(nèi)該河段平灘流量的變化規(guī)律有所區(qū)別，2003-2004年有所上升，2004-2005年下降，隨后保持平穩(wěn)至2007年后再次上升，2009-2011年先降后增，2014年后再次下降.

通過(guò)對(duì)比分析研究河段內(nèi)典型水文/水位斷面(螺山、石磯頭與漢口站)的平灘流量變化趨勢(shì)(圖10b)，可知：河段尺度平灘流量的變化趨勢(shì)與這幾個(gè)水文/水位斷面的變化趨勢(shì)總體上保持一致，但特定年份內(nèi)有所區(qū)別(如2005年漢口站所在斷面的平灘流量增加，而河段平均平灘流量則有所下降). 在2009-2010年內(nèi)，研究河段平灘流量大幅度降低，較上一年降低了約9%，主要原因可能在于：2010年為豐水年，來(lái)流量大且洪水持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，流量大于30000 m3/s的時(shí)間為109 d，遠(yuǎn)大于2009年的64 d和2011年的8 d. 受洪水頂托作用，相同流量下的水位大幅抬升，因此平灘水位下的流量相應(yīng)降低. 此外，漢口站由于受到漢江入?yún)R的影響，平灘流量較其余斷面及河段平均較大.

圖10 平灘流量計(jì)算：(a) 漢口站水位-流量關(guān)系擬合；(b) 平灘流量計(jì)算結(jié)果的時(shí)間變化Fig.10 Calculations of bankfull discharge: (a) simulated and observed rating curves at Hankou Station; (b) temporal variations in calculated bankfull discharges at different sections

4 河道過(guò)流能力的影響因素分析

三峽水庫(kù)蓄水后，城漢河段河床發(fā)生明顯調(diào)整，床面比降先增后減，床沙粗化且平灘河槽面積明顯增加；另外，由于近年來(lái)洪水期縮短，洲灘植被的生長(zhǎng)也對(duì)漫灘水流產(chǎn)生了一定的阻力. 此處著重分析這些變化過(guò)程對(duì)研究河道過(guò)流能力變化的影響.

4.1 水文斷面過(guò)流能力變化的影響因素分析

一般來(lái)說(shuō)，河道過(guò)流能力與水面比降及過(guò)流面積呈正相關(guān)關(guān)系，而與河道阻力呈反相關(guān)關(guān)系. 由圖6～8可知，2003-2016年螺山站與漢口站所在斷面在洪水期的過(guò)流能力降低，主要表現(xiàn)為：(1)洪水期同流量下水位無(wú)明顯變化；(2)警戒水位下的流量降低；(3)年最大流量下對(duì)應(yīng)的水位整體抬升. 由螺山站和漢口站所在水文斷面的平灘面積和水面比降變化過(guò)程可知，螺山站平灘面積增加8%，水面比降增加19%；漢口站水面比降變化較小，僅減少2%，但平灘面積增大18%(圖11). 總體上，該兩站河槽面積和水面比降的綜合變化朝著有利于過(guò)流能力提高的方向發(fā)展.

圖11 螺山站與漢口站過(guò)流面積(a)與水面比降(b)的變化Fig.11 Temporal variations in wetted area (a) and water surface slope (b) at Luoshan and Hankou Stations

劉鑫等[21]比較了長(zhǎng)江中游河段的動(dòng)床阻力計(jì)算公式，其中基于水流能態(tài)分區(qū)的動(dòng)床阻力計(jì)算公式所計(jì)算的結(jié)果與實(shí)測(cè)資料具有較好的擬合效果. 長(zhǎng)江中游河段水流主要處于低能態(tài)區(qū)和過(guò)渡區(qū)，根據(jù)相應(yīng)公式計(jì)算得到的螺山站與漢口站斷面糙率在2003-2016年分別增大17%和10%，其部分原因可能在于沖刷引起的床沙粗化過(guò)程：2016年城漢河段平均床沙中值粒徑由2003年的0.159 mm增大到0.206 mm[16]，增幅近30%. 圖12給出了螺山站與漢口站的警戒流量與糙率的相關(guān)關(guān)系，可知兩者呈較為明顯的反相關(guān)關(guān)系，表明該兩斷面洪水期過(guò)流能力降低與其動(dòng)床阻力的增大密切相關(guān).

另外，值得注意的是，對(duì)于復(fù)式河槽，在灘槽寬度比一定的情況下，斷面阻力系數(shù)隨相對(duì)水深Dr(灘地水深與主槽水深之比)的減小而增大[22-23]. 近期城漢河段主槽沖深，而灘地較少受到水流塑造[3](圖4河段尺度的平灘河槽形態(tài)計(jì)算結(jié)果表明，河段平灘河寬僅增大2%)，導(dǎo)致在相同高水位情況下，灘槽相對(duì)水深Dr減小. 這增大了河道阻力，一定程度上會(huì)降低河道過(guò)流能力.

圖12 螺山站(a)與漢口站(b)警戒流量變化與河道阻力的關(guān)系Fig.12 Relationships between warning discharge and bed resistance at different stations of Luoshan Station (a) and Hankou Station (b)

4.2 局部河段植被覆蓋變化對(duì)過(guò)流能力的影響

從河段整體看，雖然以平灘面積為代表的河段整體過(guò)流面積在增大(圖4)，但斷面及河段尺度的過(guò)流能力均未出現(xiàn)明顯的提升，除了河段床沙粗化導(dǎo)致的河道阻力增大，局部河段的植被覆蓋也成為影響大流量下河道過(guò)流能力的重要因素. 近年來(lái)，隨著生態(tài)優(yōu)先、綠色發(fā)展的河道治理理念進(jìn)一步深入，長(zhǎng)江中下游在護(hù)岸及護(hù)灘工程實(shí)踐中大力提倡采用生態(tài)技術(shù)，加上水流漫灘時(shí)間減小，導(dǎo)致局部河段的灘地植被生長(zhǎng)茂盛，一定程度上增大了岸灘阻力. 為具體分析城漢河段灘地植被變化情況，此處利用美國(guó)陸地衛(wèi)星Landsat 7系列遙感影像資料進(jìn)行分析. 相對(duì)于傳統(tǒng)實(shí)測(cè)資料，河道遙感影像資料能夠與地理信息系統(tǒng)相結(jié)合，更加準(zhǔn)確的表示植被覆蓋情況. 選取城漢河段中洲及新洲作為研究對(duì)象. 汛期及汛后遙感影像表明，新洲在汛期幾乎被完全淹沒(méi)，被淹沒(méi)的植被會(huì)改變水流結(jié)構(gòu)，繼而影響流速. 如圖13所示，圖中紅色區(qū)域?yàn)橹脖桓采w區(qū)域，可以看出與2003年相比，2016年新洲上的植被明顯增多.

歸一化植被指數(shù)(NDVI)可使植被從水和土中分離出來(lái)，常被用于表示植被覆蓋度. 其高值部分越高表明植被覆蓋度越高. 利用ARCGIS處理遙感影像資料，可得到2003年及2016年同一時(shí)期中洲和新洲的NDVI指數(shù). 選取洲灘上斷面HL12-1，計(jì)算該斷面在平灘流量下的曼寧糙率系數(shù). 結(jié)果顯示：與2003年相比，2016年同一時(shí)期中洲和新洲的NDVI高值增大6.8%，相應(yīng)的HL12-1斷面糙率系數(shù)增大42.6%. 采用同樣的方法計(jì)算了城漢河段上游新淤洲、南門(mén)洲和下游天興洲的NDVI值與斷面糙率變化，結(jié)果如表1所示：NDVI高值與斷面擦率均有增加. 這主要是由于三峽水庫(kù)運(yùn)用后洪水期縮短，洪水對(duì)灘地植被的影響減小，植被生長(zhǎng)更加旺盛. 當(dāng)水位平灘或漫灘時(shí)，植被對(duì)過(guò)流的阻力作用增大，從而導(dǎo)致河道在高水位下過(guò)流能力降低.

圖13 城陵磯-漢口河段中洲及新洲植被覆蓋變化：(a) 2003年11月1日；(b) 2016年11月4日Fig.13 Remote-sensing images of the Zhong & Xin central bars in the Chenglingji-Hankou reach at different times: (a) on Nov. 1st, 2003; (b) on Nov. 4th, 2016

表1 城陵磯-漢口河段洲灘植被覆蓋與斷面糙率變化

5 結(jié)論

基于城漢河段2003-2016年的實(shí)測(cè)地形及水文資料，分析了近期城漢河段過(guò)流能力的變化特點(diǎn)及影響因素，得到如下結(jié)論：

1)受上游水庫(kù)運(yùn)行的影響，城漢河段近年來(lái)河槽持續(xù)沖刷，且沖刷幅度呈增長(zhǎng)趨勢(shì)；河床調(diào)整特點(diǎn)主要為過(guò)流面積增大以及床沙粗化：其中河段尺度的平灘面積增大10.6%，河段平均床沙中值粒徑增大近30%.

2)城漢河段重要水文站2003-2016年的水位-流量關(guān)系表明，螺山站及漢口站在同流量下的水位呈現(xiàn)出枯水位下降、洪水位變化不明顯的特征；警戒水位下的流量則分別減小9%和16%；河段尺度的平灘流量變化顯示，2003-2016年，城漢河段平灘流量有增有減，變化幅度為8.7%，2014年后呈減小趨勢(shì).

3)分析螺山站與漢口站的河槽形態(tài)與斷面糙率，發(fā)現(xiàn)警戒流量與河床糙率之間關(guān)系密切，因此引起過(guò)流能力降低的主要原因是河道阻力的增大降低了流速；另外，河道相對(duì)水深和局部河段洲灘植被覆蓋度也是影響河道過(guò)流能力的重要因素.

綜上所述，近年來(lái)城漢河段河槽沖深，一定程度上提升了河段的槽蓄能力，但大流量下的河道過(guò)流能力沒(méi)有得到顯著提升，河段整體的防洪形勢(shì)依然險(xiǎn)峻.