盧 陽1，王玉璇1，曹 磊，張乾柱1，趙 東

(1.長江科學(xué)院 重慶分院，重慶 400026； 2.長江水利委員會(huì)水文局 長江上游水文水資源勘測局，重慶 400020)

1 研究背景

近年來，我國積極推動(dòng)和落實(shí)“一帶一路”及長江經(jīng)濟(jì)帶國家發(fā)展戰(zhàn)略[1]。而航運(yùn)作為沿江經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要依托，是發(fā)展戰(zhàn)略實(shí)現(xiàn)的重要基礎(chǔ)[2]。作為長江流域內(nèi)國家高等級航道的重要組成部分，烏江航道在協(xié)調(diào)區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展、降低遠(yuǎn)距離輸運(yùn)的經(jīng)濟(jì)能耗環(huán)境成本等方面發(fā)揮著重大作用[2]。同時(shí)，作為黔、渝鄰近地區(qū)對外交通要道，烏江自古便是沿岸老、少、邊山區(qū)人民生產(chǎn)生活的“生命線”和“致富線”，在繁榮黔、渝兩地經(jīng)濟(jì)方面承擔(dān)著巨大責(zé)任[3]。

三峽工程的建成為包括烏江在內(nèi)的庫區(qū)水運(yùn)騰飛增添了新的力量。庫區(qū)水面拓寬、水深增加、水流減緩，為以宜昌—重慶長江干流段為核心、以烏江等長江一級支流為骨干的庫區(qū)高等級水運(yùn)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)創(chuàng)造了有利局面[4]。當(dāng)非汛期三峽水庫蓄水至175 m時(shí)，烏江回水可至武隆中咀(距河口80 km)。當(dāng)汛期三峽大壩壩前水位為145 m時(shí)，回水可至涪陵白濤鎮(zhèn)網(wǎng)背沱(距河口22 km)，汛期及非汛期烏江河口水位較天然情況抬高3.7～10 m和19～39 m[5]。因此，三峽水庫蓄水后，烏江河口至網(wǎng)背沱河段處于常年回水區(qū)，網(wǎng)背沱至武隆中咀58 km河段處于變動(dòng)回水區(qū)[6]。三峽水利樞紐的投入使用為庫區(qū)水運(yùn)的發(fā)展增添了新的不確定性，其運(yùn)行方式成為控制庫區(qū)水流運(yùn)動(dòng)及泥沙局部沖淤規(guī)律變化的關(guān)鍵因素[7]。泥沙輸運(yùn)長期不平衡成為三峽庫區(qū)水沙輸運(yùn)的新常態(tài)[8-9]，航道整治面臨新的問題[7-11]。對烏江而言，除河口水位頂托將對其行洪走沙產(chǎn)生控制作用外，2000年后烏江中下游大型梯級水庫的陸續(xù)投產(chǎn)更為其下游的沖淤規(guī)律及航運(yùn)發(fā)展添加了新的變數(shù)[4,12]。

目前，對三峽成庫后庫區(qū)泥沙淤積及航運(yùn)問題的研究主要集中在長江干流，而對烏江的相關(guān)研究相對較少且主要集中在烏江河口附近尺度為10 km左右的灘群[4-5,11,13]。結(jié)合國家發(fā)展戰(zhàn)略及交通運(yùn)輸部、渝、黔兩省市協(xié)商共建烏江高等級航道等提出的要求，有必要在更大尺度上對三峽成庫后烏江重慶段河道泥沙沖淤情況進(jìn)行觀測分析。本文以重慶市烏江航道管理處2016—2020年對烏江重慶段(河口以上90 km范圍內(nèi))的原型觀測成果為基礎(chǔ)，分析烏江重慶段的泥沙沖淤特征以及規(guī)律，討論河道演變趨勢及其對航運(yùn)的影響。

2 研究區(qū)概況

烏江發(fā)源于貴州省西部威寧縣烏蒙山東麓，是長江上游右岸最大支流，流經(jīng)云南、貴州、湖北、重慶四省市，于重慶涪陵城區(qū)匯入長江。烏江全長1 070 km，流域面積8.79萬km2，流域內(nèi)人口約2 000萬。研究河段位于烏江下游銀盤至河口段，長約90 km(圖1)。該河段整體平面形態(tài)較為順直，局部彎曲。河道蜿蜒于峽谷之中，岸壁陡峭，灘陡流急，兩岸多為深切的“U”型、“V”型峽谷，兩峽之間河床開闊，構(gòu)成灘峽相間的河道形態(tài)。河道以狹窄為主，河寬一般為100～300 m，峽口處枯水河寬80～120 m，水流較深，峽口以下江面展寬至200～300 m[11]。

圖1 烏江重慶河段平面圖Fig.1 Plan of Chongqing segment of Wujiang River

烏江重慶市段航道灘險(xiǎn)以石質(zhì)灘為主，砂卵石灘次之。石質(zhì)灘多分布在峽谷河段，砂卵石灘則分布于開闊河段和河口附近[12]。建國后經(jīng)過7次大規(guī)模整治，全河段基本達(dá)到Ⅴ級航道標(biāo)準(zhǔn)。河口至白馬航道尺度(航道水深×寬度×彎曲半徑)達(dá)到1.6 m×30 m×300 m，可通行300～500 t級機(jī)駁；白馬至銀盤航道尺度為1.5 m×25 m×180 m，可通航300 t級以下機(jī)動(dòng)駁且中洪水期可通行500 t級機(jī)駁。2009年區(qū)間內(nèi)港區(qū)完成客運(yùn)吞吐量20萬人次，貨物吞吐量435萬t。按照烏江航道規(guī)劃，通過整治使河口至白馬段45 km航道達(dá)到Ⅲ級航道的通航標(biāo)準(zhǔn)(水深3.2 m，底寬45 m)，白馬以上至銀盤段達(dá)到Ⅳ航道通航標(biāo)準(zhǔn)(水深2.5 m，底寬40 m)。

3 水沙特性變化

武隆水文站距烏江河口約69 km，為烏江匯入長江的控制水文站(圖1)，該站實(shí)測的水沙數(shù)據(jù)可直接反映研究河段的來水來沙情況。從來水來沙年際變化來看，1952—2020年研究河段年來水總量無趨勢性變化，多年平均徑流總量約為480億m3。隨著烏江干流11座大型水利樞紐陸續(xù)建成投產(chǎn)(圖2)，上游水庫大量攔沙，加之20世紀(jì)80年代開始的水土保持措施[14]，年輸沙量從約3 000萬t銳減到約260萬t(圖3)，年均含沙量減少了約93%。

圖2 烏江大型梯級水電站分布Fig.2 Distribution of large cascade hydropowerstations on Wujiang River

圖3 武隆水文站年徑流量、年輸沙量和年均含沙量Fig.3 Annual runoff, sediment discharge and averagesediment concentration at Wulong hydrological station

從來水來沙的年內(nèi)變化來看(圖4)，研究河段5—8月份為主要徑流期。2011年之前，輸沙過程與流量過程基本一致，強(qiáng)輸沙主要發(fā)生在5—8月份。隨著三峽175 m水位蓄水運(yùn)行，研究河段大部分位于三峽變動(dòng)回水區(qū)。除主汛期6—7月份外，研究河段主要依靠汛前三峽水庫消落期和汛末9月份形成的水力坡降輸沙。

圖4 武隆水文站逐月徑流量、輸沙量及平均含沙量Fig.4 Monthly runoff, sediment discharge and averagesediment concentration at Wulong hydrological station

2011年以后，研究河段在來水不變、來沙大減的條件下[12,15-16]，無論三峽水庫蓄水位為145 m或者175 m，該河段的水動(dòng)力條件都足以輸送上游來沙，且仍有較大的富余挾沙能力。因此，當(dāng)前來水來沙條件對減少研究河段的淤積是有利的。

4 泥沙沖淤特征

4.1 深泓縱剖面變化

烏江重慶段深泓縱剖面線整體表現(xiàn)為鋸齒狀分布，河道比降為0.56‰。根據(jù)2016年10月—2020年10月深泓線的沿程變化可知(圖5)，該河段深泓高程有抬有降，河道比降總體呈減緩趨勢。其中，深泓最大下切4.2 m，發(fā)生在河道上游武隆峽谷段，距河口里程83.9 km。深泓最大抬升4.8 m，發(fā)生在河口寬闊河段，距河口里程10 km。從深泓線空間分布可以看出，深泓線下切的部位多位于峽谷段，抬升的部位多位于寬闊河谷段以及河口?？傮w來看，縱斷面形態(tài)特征仍為鋸齒狀，未發(fā)生根本性變化，表明該河段河勢較為穩(wěn)定。

圖5 烏江銀盤至河口段深泓縱剖面變化Fig.5 Longitudinal profile of thalweg of Wujiang Riverfrom Yinpan to Hekou

武隆城區(qū)及白馬鎮(zhèn)附近的開闊河谷段處于三峽水庫回水區(qū)，枯期最大水深(即深泓水深)分別可達(dá)13 m和28 m，汛期則恢復(fù)成天然河道。若邊灘、江心洲無顯著的趨勢性落淤，則該河段能保證足夠的通航水深。三門子處于峽谷的出口，汛期最大水深能到43 m，枯期水深13 m。從當(dāng)前的情況來看，該河段暫無礙航問題。考慮到此河段深泓線的抬升速率，該處河段通航仍存在隱患，需重點(diǎn)關(guān)注。

4.2 典型斷面沖淤變化

研究河段典型斷面的泥沙沖淤變化情況如圖6所示?？傮w來看，峽谷出口寬淺段易產(chǎn)生淤積，如位于三門子所在峽谷出口的斷面(a)及斷面(b)，河床逐年整體淤高，2016—2020年大致淤高3～5 m。此外，彎道附近斷面還表現(xiàn)出凸岸淤積凹岸沖刷的特點(diǎn)，如武隆所在峽谷出口斷面(c)，凸岸淤積量明顯超過了凹岸沖刷量，原本50 m左右的水面寬度被束窄約9 m，實(shí)現(xiàn)航道Ⅳ級通航標(biāo)準(zhǔn)困難。

圖6 2016—2020年典型斷面形態(tài)變化Fig.6 Morphology changes of some typical sectionsfrom 2016 to 2020

值得注意的是，斷面(d)位于江口鎮(zhèn)大拐彎段入口，原深泓線位于凹岸左汊，上游來沙主要沿江心洲左岸淤積，長此發(fā)展，可能會(huì)導(dǎo)致主汊右移；斷面(e)位于彎道出口，右岸(凹岸)沖刷明顯，左岸(凸岸)略有淤積，2016—2020年，由于凹岸沖刷斷面展寬約30 m，可能存在岸坡崩坍的安全隱患，通航部門宜密切注意。

4.3 重點(diǎn)險(xiǎn)灘段沖淤變化

為進(jìn)一步了解烏江重慶河段航道的沖淤演變規(guī)律，結(jié)合航道實(shí)際運(yùn)行情況，選取位于三峽水庫常年回水區(qū)的涪陵烏江大橋至白巖石河段以及位于三峽水庫變動(dòng)回水區(qū)的武隆城區(qū)河段2個(gè)重點(diǎn)險(xiǎn)灘段作為典型河段進(jìn)行觀測數(shù)據(jù)重點(diǎn)分析。

4.3.1 烏江大橋至白巖石河段

涪陵烏江大橋至白巖石河道位于烏江出口段，河道微彎，進(jìn)出口段河寬較窄，中間段放寬，處于三峽水庫常年回水區(qū)范圍內(nèi)。河段上游滬渝南線高速橋段河寬不足300 m，過高速橋后河寬沿程增加，至牛屎磧處河段達(dá)500 m。河寬的增加使得水流流速減小，導(dǎo)致主流兩側(cè)范圍內(nèi)易發(fā)生淤積。河段下游，汛期馬腳溪水流沖泄下來大量泥沙，匯入烏江后流速放緩，大量泥沙在匯入口處落淤。

根據(jù)2016—2020年觀測成果來看，該河段2016—2017年間無較大沖淤變化，僅在彎道凸岸、較寬的順直段邊灘略有淤積，航槽范圍內(nèi)稍有沖刷。2017—2018年間，該河段總體呈淤積狀態(tài)，淤積主要發(fā)生在深槽以及兩側(cè)邊灘范圍內(nèi)，主航槽內(nèi)最大淤積厚度約4.0 m，位于照成物流碼頭河段深槽內(nèi)。最大沖刷深度為4.0 m，位于出口處烏江大橋上游深槽內(nèi)(圖7)。2018—2020年間則無較大沖淤變化。

圖7 烏江大橋至白巖石河段沖淤分布(2017—2018年)Fig.7 Scouring and silting from Wujiang Bridge toBaiyanshi (2017-2018)

目前，主航道內(nèi)河底高程均位于140 m以下，暫無較明顯礙航問題。但由于河段位于常年回水范圍內(nèi)，淤積仍會(huì)繼續(xù)發(fā)展，故仍需對該河段進(jìn)行年際間的定時(shí)觀測，以便在淤積發(fā)展到一定程度阻礙通航前能及時(shí)采取措施。

圖8 武隆城區(qū)河段沖淤分布(2017—2018年)Fig.8 Scouring and silting of the segment in Wulongurban area(2017-2018)

4.3.2 武隆城區(qū)河段

武隆城區(qū)河段呈微彎狀，河道寬窄相間，處于三峽水庫175 m蓄水位變動(dòng)回水末端，受回水影響時(shí)間較短。2016—2020年該河段無大范圍淤積，航道范圍內(nèi)僅局部有淤高，主要淤積段位于武隆人行橋上游深槽內(nèi)及肖家壩左側(cè)深槽內(nèi)(圖8)。為更好地了解河段年內(nèi)沖淤變化規(guī)律，在2020年內(nèi)增加觀測頻次(圖9)。通過分析武隆三橋至二橋河段2020年3月—11月沖淤規(guī)律可知，三橋下游河寬較窄，深槽隨上游來水來沙條件的變化有小幅擺動(dòng)，主要表現(xiàn)為大流量下主槽左淤右沖，向右擺動(dòng)，中小流量下主槽左沖右淤，向左擺動(dòng)。武隆二橋至三橋間肖家壩彎道處，斷面形態(tài)呈“U”型，深泓位于河道右側(cè)，沖淤變化相對較大，深槽主要表現(xiàn)為汛淤枯沖，邊灘表現(xiàn)為淤積態(tài)勢。武隆二橋上游斷面形態(tài)呈“U”型，深泓位于河道右側(cè)，主要表現(xiàn)為汛沖枯淤，且兩側(cè)邊灘沖淤變化幅度大于主槽。

圖9 武隆河段年內(nèi)沖淤分布(2020年)Fig.9 Annual distribution of scour and siltation inWulong segment (2020)

從觀測結(jié)果來看，肖家壩邊灘以淤積為主，淤積發(fā)展態(tài)勢較緩，目前對航道影響較小。若淤積持續(xù)發(fā)展至擠壓航道時(shí)，可以采取疏浚措施維護(hù)。武隆三橋下游深槽擺動(dòng)幅度較小，對通航無明顯影響。出現(xiàn)大幅擺動(dòng)時(shí)，航行范圍要及時(shí)調(diào)整。

圖10 2016—2020年各河段逐年沖淤變化Fig.10 Year-on-year changes of scouring and siltingin different segments from 2016 to 2020

4.4 全河段沖淤變化

2016年10月—2020年10月全河段逐年沖淤量如圖10所示。其中，2016年汛期6、7月份大洪水以及10月份洪水退水期全河段強(qiáng)烈沖刷，尤以河口至白巖石河段最為顯著。2017年10月—2018年9月流量基本與多年平均水平相當(dāng)，沖刷河段有坳坪至紅石橋(白馬鎮(zhèn)峽谷段)、九里沱至焦村壩(武隆峽谷段)、紅石橋至鑼頂坡(寬峽谷交替段)及焦壩村至楊家沱(彎道)，其他河段基本淤積，特別是河口處淤積幅度最大。2018年10月—2019年9月的來流來沙條件與上一年相似。除三門子溝至坳坪(白馬鎮(zhèn)所在峽谷出口)、鑼頂坡至桃子溝(武隆所在峽谷出口)及九里坨至焦村壩(峽谷)外，其他河段沖淤變化與前一年一致。2019年10月—2020年9月，枯期偏干，汛期7月大洪水，汛末河口大幅度沖刷，僅白巖石至磨溪(寬谷)、坳坪至鑼頂坡(寬峽谷交替段)發(fā)生較強(qiáng)淤積，其余河段、尤其是河口及桃子溝至九里坨(武隆所在峽谷)發(fā)生較強(qiáng)沖刷。

從5 a累計(jì)沖淤來看，除白巖石至磨溪(寬谷段)、紅石橋至鑼頂坡(寬峽谷交替)及楊家坨至銀盤(寬谷)出現(xiàn)累計(jì)淤積外，其余河段基本沖刷。相對峽谷段，寬谷段各年沖淤變化幅度更大。在上一年淤積的情況下，由于過水?dāng)嗝媸乱荒昙词箒硭回S寬谷段也很有可能形成沖刷趨勢。

5 結(jié) 論

本文對烏江重慶段2016—2020年泥沙沖淤特征及其對航運(yùn)的影響進(jìn)行了分析，主要得到如下結(jié)論：

(1)烏江重慶段年徑流量無明顯下降趨勢，而年輸沙量下降趨勢顯著。除6—7月主汛期外，5月三峽庫區(qū)消落期及9月汛末是河段走沙、沖刷的主要時(shí)期。

(2)在烏江流域大型水電梯級陸續(xù)投產(chǎn)的前提下，武隆峽谷段河床有下降趨勢，而河口段河床有抬升趨勢。整體而言，烏江重慶段河床比降呈減緩趨勢。

(3)在走沙條件不變的情況下，常年回水區(qū)河道基本處于淤積狀態(tài)。變動(dòng)回水區(qū)以上河道沖淤主要受河道形態(tài)影響，如寬谷、彎道凸岸、江心洲是主要淤積部位，峽谷及彎道凹岸是主要沖刷部位。

(4)相對于峽谷河段而言，寬谷河段沖淤變幅更為顯著。除河道形態(tài)有利于泥沙淤積外，寬谷段泥沙沖淤還受來流及上一時(shí)間段的沖淤影響。來流特別大(洪水)或者上一時(shí)間段淤積對河槽束窄過多都可能導(dǎo)致寬谷段發(fā)生強(qiáng)沖刷。

(5)除局部河段出現(xiàn)累積性泥沙淤積外，其余河段均表現(xiàn)為泥沙沖刷。在泥沙沖淤變幅不大的前提下，全河段基本能滿足通航需求。但值得關(guān)注的是，河道岸坡崩滑、險(xiǎn)灘段河道深泓巨幅擺動(dòng)及局部河段泥沙累計(jì)淤積等問題可能會(huì)對航運(yùn)造成一定的影響。