(長江科學(xué)院 河流研究所，湖北 武漢 430010)

長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

(長江科學(xué)院河流研究所，湖北武漢430010)

在統(tǒng)計分析三峽水庫蓄水運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年丹江口水庫蓄水運用后，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?。蝗龒{水庫建成后，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)總體而言相對較為穩(wěn)定，預(yù)計武漢河段整體河勢不會發(fā)生重大變化。從工程安全和防洪方面考慮，建議對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)測和跟蹤分析研究工作。該成果可為武漢河段未來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； 河勢變化； 三峽水庫；武漢河段

1 研究背景

武漢市是我國中部地區(qū)的中心城市和全國重要的綜合交通樞紐，是防洪的重點城市之一。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，今后將對河勢穩(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，長江武漢河段已有的橋梁或越江隧道共11條，未來幾年內(nèi)武漢河段在建或擬建的橋梁或隧道工程還有10條，再加上三峽水庫蓄水運用后水庫下泄水沙情況和過程發(fā)生了顯著變化，水沙條件的改變或人類活動加強(qiáng)可能對長江武漢河段的灘槽演變、河勢穩(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)三峽水庫蓄水運用前后水沙和地形資料對武漢河段河床演變特性進(jìn)行對比研究，然后再從維護(hù)健康長江、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)陽邏鎮(zhèn)，全長約70.3 km(見圖1)。其中，白沙洲長江大橋以上左岸有通順河入?yún)R，長江大橋以下左岸有漢江、朱家河及新河入?yún)R，長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、漢陽邊灘與漢口邊灘等分布。該河段共受5對節(jié)點控制，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，龜山和蛇山兩對節(jié)點將該河段分為上、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；下段龜山至陽邏為天興洲微彎分汊河段，長約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

本文主要對三峽水庫蓄水前后漢口站水文資料進(jìn)行了統(tǒng)計計算，初步分析探討了三峽水庫蓄水運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。

2 武漢河段水沙特性分析

2.1 漢口站水沙特性

三峽水庫蓄水前(即建庫前和蓄水前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%；三峽水庫蓄水運用后，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 支流漢江來水來沙特性

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。

丹江口水庫建庫前，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年丹江口水庫蓄水運用后，由于水庫調(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)計建庫后1972～2015年資料表明，輸沙量減少至1 842萬t，為建庫前(1955～1959年)的22%。

建庫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。年均徑流量由建庫前的6.41%減至5.95%，年內(nèi)1～3月及12月建庫后有所增加；年均輸沙量減少更多，由建庫前17.35%減至6.24%，其中1～3月、12月增加，其它月份均減少。

3 三峽水庫蓄水運用前后河道演變

由于沿江兩岸受節(jié)點控制與護(hù)岸工程的實施，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較小，河道演變主要表現(xiàn)為河床沖淤、洲灘消長和汊道的興衰交替變化[1]。

3.1 深泓線變化

多年來，武漢河段天興洲左汊尾部深泓線在三峽水庫蓄水運用后擺幅較蓄水運用前增大，其余河道在蓄水后的深泓線擺動幅度都較蓄水前要小，擺動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，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，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增大。年內(nèi)變化表現(xiàn)為汛前至汛初洲頭淤長上伸并向左展寬，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)此過程。漢陽邊灘年內(nèi)變化過程與荒五里邊灘相反，一般枯季1～2月邊灘淤長至最寬，汛前漲水期，邊灘沖刷后退，汛期漢陽邊灘沖刷至最窄，汛后開始回淤，至次年水位最低時又淤長最寬，此后往返循環(huán)；漢口10m高程邊灘多年來(1986～2016年)沖淤交替演變，整個邊灘有累積向下游發(fā)展的趨勢。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，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(1986～2016年)年際間沖淤交替變化，邊灘運動的總趨勢是逐漸下移。三峽水庫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；三峽水庫蓄水運用前多年(1991～2002年)來天興洲主要演變特點為洲頭的大幅沖刷后退，累積沖刷后退約1 300 m。三峽水庫蓄水運用后多年(2004～2016年)來主要演變特點表現(xiàn)為天興洲洲頭的沖淤變化上，累積向上游淤長約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。

三峽水庫蓄水運用前多年來武昌0 m深槽多以2～3個獨立的0 m深槽存在；蓄水后多年(2004～2016年)來武昌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，較蓄水前有所變長縮窄，且深槽最深點高程略有降低；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；天興洲右汊0 m深槽近年來上下深槽均呈沖刷趨勢，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)多年來洲灘及深槽平面位置和形態(tài)相對較為穩(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(平灘河槽計算水位取為20 m)可知[8]，三峽水庫蓄水運用前多年(1981～2001年)來平灘水位條件下，武漢河段(軍山-陽邏段)河床有沖有淤，總體表現(xiàn)為淤積，主要表現(xiàn)為灘槽均淤，其平灘河槽累計淤積泥沙1 569萬m3。天興洲左汊多年來累計淤積多于沖刷，右汊累計沖刷多于淤積，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-陽邏段)除長江大橋-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。

三峽水庫蓄水運用后，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(鐵板洲頭-陽邏鎮(zhèn))

注：表中沖淤量計算取平灘河槽計算水位，“-”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，河床累計沖刷約12 017萬m3，河床平均沖刷下降約0.98 m。

從三峽水庫蓄水運用前后河床沖淤變化情況來看，蓄水前多年來累計有所淤積，天興洲左汊多年來累計淤積多于沖刷，天興洲右汊累計沖刷多于淤積，有利于天興洲右汊的沖刷發(fā)展；蓄水后多年來河床累計有所沖刷。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

從武漢河段多年河道演變情況來看，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、丹江口水庫興建、沿江兩岸橋梁、碼頭等涉水工程的興建以及近10 a來武漢河段建筑采砂或工程采砂等人類活動，也對該河段河道演變起到了一定的作用。

近幾十年來，由于沿岸有多處節(jié)點控制，兩岸的崩岸險工段均已實施護(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，河勢格局相對穩(wěn)定；三峽水庫蓄水運用后，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)總體而言相對較為穩(wěn)定。隨著河床沖刷，中枯水位降低和水沙過程的改變，預(yù)計武漢河段整體河勢不會發(fā)生重大變化。

4 結(jié)論與建議

(1) 三峽水庫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年丹江口水庫蓄水運用后，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。

(2) 三峽水庫建成后，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)總體而言相對較為穩(wěn)定，預(yù)計武漢河段整體河勢不會發(fā)生重大變化。

(3) 近10 a來，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)測和跟蹤分析研究工作。

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

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(編輯：李慧)

2017-09-15

國家自然科學(xué)基金重點項目(51339001)；水利部公益性行業(yè)科研專項經(jīng)費項目(201401011)；科技部重點研發(fā)專項(2016YFC0402305)；十二五科技支撐項目(2013BAB12B02)；國家自然科學(xué)基金面上項目(51479008)

岳紅艷，女，長江科學(xué)院河流研究所，高級工程師.

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