夏軍強(qiáng)，劉 鑫，鄧珊珊，周美蓉，李志威，彭玉明

(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)水文局荊江水文水資源勘測(cè)局，荊州 434020)

沖積河流上修建水庫(kù)后，不僅改變了進(jìn)入下游河道的水沙條件，同時(shí)會(huì)引起壩下游河流的再造床過(guò)程. 尤其在水庫(kù)運(yùn)用初期，壩下游河流將發(fā)生自上而下的普遍沖刷，使河床形態(tài)發(fā)生顯著調(diào)整，主要包括床面沖深與河岸崩退[1-4]. 三峽工程運(yùn)用后(2003-2018年)，進(jìn)入長(zhǎng)江中游河道的水量略有減少，但沙量減少幅度高達(dá)70%～90%，使得壩下游河流發(fā)生長(zhǎng)距離、長(zhǎng)時(shí)間的河床沖刷，長(zhǎng)江中游河道已累計(jì)沖刷24.1億m3(平灘河槽). 在河床持續(xù)沖刷過(guò)程中，岸坡變陡、主流頂沖或深泓貼岸導(dǎo)致局部河段崩岸現(xiàn)象頻發(fā). 據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，三峽工程運(yùn)用后中下游干流河道共發(fā)生崩岸險(xiǎn)情937處，累計(jì)崩岸長(zhǎng)度約701 km，尤以荊江河段最為嚴(yán)重[5-6]. 長(zhǎng)江中游河道崩岸，不僅影響防洪安全及河勢(shì)穩(wěn)定，還嚴(yán)重威脅沿江經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和群眾生命財(cái)產(chǎn)安全[3]. 但以往多研究荊江河段的崩岸機(jī)理與數(shù)值模擬方法，很少考慮較長(zhǎng)時(shí)段內(nèi)的崩岸土體總量及其對(duì)河床調(diào)整的影響. 因此如何估算三峽工程運(yùn)用后荊江河段的崩岸土體總量，定量分析崩岸對(duì)該河段河床調(diào)整的影響，對(duì)全面掌握荊江段的河床演變規(guī)律具有重要意義.

估算某一特定時(shí)段內(nèi)河道崩岸土體的體積，通常需要采用固定斷面地形、河道地形圖、高精度的航測(cè)或遙感影像數(shù)據(jù)[7-8]. 三峽工程運(yùn)用后，長(zhǎng)江中游宜昌-湖口段共設(shè)有固定斷面578個(gè)，平均間距約1.7 km[9]. 通常采用斷面地形數(shù)據(jù)，直接計(jì)算平灘河寬的變化或河岸崩退速率，用于近似表示單位河長(zhǎng)的崩岸體積. 夏軍強(qiáng)等[7]采用固定斷面地形資料，分析了三峽工程運(yùn)用后荊江河段的崩岸過(guò)程及特點(diǎn)：2002-2015年約有21%斷面存在明顯的崩岸現(xiàn)象，且近74%的崩岸斷面位于下荊江. 可采用不同時(shí)期的河道地形圖估算某一研究河段的崩岸土體總量. 例如許炯心和師長(zhǎng)興[10]采用不同年份漢江丹江水庫(kù)下游游蕩段的河道地形圖，計(jì)算了該河段的年均河岸土體沖刷量為0.127億t/a(1968-1983年)，略大于同期的床面沖刷量0.106億t/a. 隨著現(xiàn)代測(cè)量技術(shù)的發(fā)展，崩岸測(cè)量逐漸采用地面攝影、航空攝影以及遙感影像與數(shù)字地形高程模型(DEM)相結(jié)合的方法，這些方法能較為精確地捕捉岸線變形，直接計(jì)算兩個(gè)測(cè)次間的崩岸土體總量[11-14]. Payne等[8]將高精度的遙感影像資料與DEM結(jié)合，確定了美國(guó)Colville河沿主河道分布4個(gè)懸崖點(diǎn)的崩退速率及土體體積，計(jì)算得到這4個(gè)點(diǎn)的平均崩退速率為0.9～1.5 m/a(1955-2015年). Williams等[12]將航空攝影照片與基于LiDAR技術(shù)的DEM結(jié)合，用于自動(dòng)測(cè)量崩岸土體的體積. Azuma[13]采用數(shù)字?jǐn)z影經(jīng)緯儀精確測(cè)量了日本Uji河一段250 m長(zhǎng)岸線的崩退過(guò)程，9個(gè)月內(nèi)該段河岸的崩塌體積達(dá)3000 m3. Leyland等[14]采用移動(dòng)激光掃描儀(MLS)與多波速測(cè)深儀(MBES)，結(jié)合多普勒流速剖面儀(ADCP)，詳細(xì)觀測(cè)了湄公河一長(zhǎng)約2 km河段汛期的崩岸及水沙輸移過(guò)程，發(fā)現(xiàn)該河段2014年汛期平均崩退速率為50.8 m/a.

河岸崩退是壩下游河床變形過(guò)程中的一個(gè)重要方面，它與河床的縱向變形同樣重要，因此需要研究河道崩岸與河床調(diào)整之間的定量關(guān)系，包括崩岸土體總量占河床沖淤量的比例、典型斷面或河段崩退速率與來(lái)水來(lái)沙條件之間的定量關(guān)系. 三門(mén)峽水庫(kù)蓄水?dāng)r沙運(yùn)用期間，黃河下游平均每年沖刷泥沙5.58億t，細(xì)沙占43.3%，其中有近35%的細(xì)沙來(lái)源于灘地的崩退. 長(zhǎng)時(shí)間的清水沖刷造成大量灘地坍塌，同時(shí)使花園口河段的河槽寬度增加近1 km[15]. 小浪底水庫(kù)運(yùn)用后(1999-2013年)，黃河下游游蕩段持續(xù)沖刷，花園口-夾河灘河段平灘河寬增加了666 m，累計(jì)灘岸崩退土體體積為2.1億m3，約占同期該河段河床沖刷量的37%[16]. 許炯心和師長(zhǎng)興[10]定量分析了丹江口水庫(kù)下游游蕩段崩岸與河床調(diào)整的復(fù)雜關(guān)系，包括崩岸與主槽下切展寬及洲灘演變的關(guān)系. 已有研究表明，壩下游平灘河寬的調(diào)整與來(lái)水來(lái)沙條件密切相關(guān)[17-18]. 夏軍強(qiáng)等[7]定量分析了河岸土體組成與分布、來(lái)水來(lái)沙條件等因素對(duì)荊江河段崩岸過(guò)程的影響，發(fā)現(xiàn)來(lái)水來(lái)沙條件的影響占主導(dǎo)地位，并建立了典型斷面平灘河寬與前期水沙條件之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系. Spiekermann等[18]分析了新西蘭Kaipara流域內(nèi)5個(gè)3～14 km長(zhǎng)河段的崩岸過(guò)程，發(fā)現(xiàn)多年年均的崩退速率與平均洪峰流量之間存在簡(jiǎn)單的線性關(guān)系.

本文采用荊江河段不同時(shí)段的河道地形圖，2002-2018年歷年汛后171個(gè)固定斷面地形，以及近期該河段內(nèi)各水文站的實(shí)測(cè)水沙等資料，計(jì)算荊江崩岸土體總量，并定量分析崩岸對(duì)河床調(diào)整的影響. 首先基于不同時(shí)段的岸線變化確定荊江段的崩岸位置及范圍，計(jì)算整個(gè)荊江河段內(nèi)崩岸土體的體積；然后建立典型局部河段的累積崩岸土體體積與來(lái)水來(lái)沙條件的函數(shù)關(guān)系；最后分析崩岸對(duì)河床調(diào)整的具體影響，包括崩岸土體對(duì)河道輸沙量的貢獻(xiàn)，以及崩岸對(duì)河床形態(tài)調(diào)整的影響.

1 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)來(lái)源

1.1 研究區(qū)域

荊江河段上起枝城，下迄城陵磯，全長(zhǎng)347.2 km，其間以藕池口為界，分為上、下荊江(圖1). 上荊江屬于典型的微彎分汊型河道，沿程彎道相對(duì)平順且洲灘密布. 江口以上河道兩岸主要為低山丘陵；江口以下河岸為上部黏性土層和下部沙土層組成的二元結(jié)構(gòu)，且在大部分河岸黏性土層厚度超過(guò)沙土層厚度[3]. 近期上荊江崩岸區(qū)域主要集中在臘林洲、青安二圣洲及南五洲等局部河段. 下荊江屬于典型的彎曲型河道，主要由石首、調(diào)關(guān)、監(jiān)利及七弓嶺等10 個(gè)彎曲段組成. 下荊江河岸也為二元結(jié)構(gòu)，不同之處在于上部黏性土層較薄，僅有1～3 m，而下部沙土層較厚且大于上部黏性土層厚度，故河岸抗沖性較差[19].

圖1 長(zhǎng)江荊江段河道示意圖

荊江河段水沙主要源于長(zhǎng)江上游干流及各級(jí)入?yún)R支流，其間通過(guò)松滋口、太平口及藕池口分流分沙至洞庭湖. 若忽略三口分流的影響，枝城站可視為荊江河段來(lái)水來(lái)沙的控制站. 枝城站1991-2018年的水沙資料表明：三峽工程運(yùn)用前(1991-2002年)、運(yùn)用后(2003-2018年)枝城站多年平均流量分別為4351.9×108和4182.4 ×108m3，后者減少約3.9%；多年平均輸沙量分別為3.9×108和0.4×108t，后者減少約89.7%(圖2a). 此外，2002-2018年荊江河段平灘河槽累計(jì)沖刷量為11.4×108m3，其中上、下荊江分別占60%和40%(圖2b).

圖2 荊江河段來(lái)水來(lái)沙條件(a)及河床沖淤過(guò)程(b)

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

崩岸土體總量估算首先需要計(jì)算崩退體積，主要包括崩退面積及河岸高度的確定. 采用長(zhǎng)程河道地形圖確定崩退面積，但該地形圖無(wú)法確定岸頂及坡腳位置，故河岸高度的確定需要收集斷面地形資料. 本研究采用的地形及水沙資料均源于長(zhǎng)江水利委員會(huì)水文局，包括若干測(cè)次的長(zhǎng)程河道地形資料(包含水下地形及岸上地形)，測(cè)量精度為1∶10000；每年汛后測(cè)量的固定斷面地形資料，測(cè)量精度為1∶5000；以及枝城、沙市等水文站的流量、含沙量等水文資料. 局部河段崩岸土體總量等于崩退體積與土體干密度之乘積(折算成實(shí)際沙量)，故還需收集主要崩岸區(qū)域的土體特性資料. 本研究采用的河岸土體特性數(shù)據(jù)主要源于研究團(tuán)隊(duì)多年來(lái)通過(guò)野外查勘與室內(nèi)土工試驗(yàn)獲取的資料，包括荊34、荊98等幾十個(gè)斷面[3].

2 崩岸土體總量估算方法

荊江段固定斷面地形每年汛后測(cè)量1次，長(zhǎng)程河道地形2～5年測(cè)量1次. 此處提出采用長(zhǎng)程河道地形、固定斷面地形及土體特性資料確定崩岸位置并估算崩岸土體總量的方法，具體包括崩岸面積、河岸高度的確定方法以及崩岸土體泥沙總量估算方法. 結(jié)合長(zhǎng)程河道地形及固定斷面地形只能反映初始及最終的河岸形態(tài)，無(wú)法區(qū)分河岸后退是河床橫向累積變形還是崩塌引起的，此處暫不將兩者分開(kāi)統(tǒng)計(jì).

2.1 崩岸面積確定方法

計(jì)算崩岸土體體積，首先需要在平面上確定研究河段內(nèi)主要崩岸區(qū)域及其對(duì)應(yīng)的崩岸面積. 此處采用長(zhǎng)程河道地形圖結(jié)合固定斷面地形，確定河岸崩退面積. 測(cè)量精度為1∶10000的長(zhǎng)程河道地形圖是目前長(zhǎng)江中下游精度較高的地形數(shù)據(jù)，測(cè)量范圍通常包括水下地形和岸上地形，一般含有測(cè)量控制點(diǎn)、水邊線、等高線、基礎(chǔ)地理標(biāo)記等圖層[20]. 考慮到河道地形圖中沿程岸(坎)線實(shí)測(cè)點(diǎn)殘缺不全，而水邊線的數(shù)據(jù)相對(duì)完整且可靠，此處結(jié)合水邊線及固定斷面地形確定崩岸區(qū)域及崩退面積. 具體計(jì)算步驟如下：(1)將兩個(gè)不同年份包含水邊線、測(cè)量控制點(diǎn)等圖層的長(zhǎng)程河道地形套繪到同一地形圖中；(2)對(duì)比圖中不同年份水邊線的相對(duì)位置，初步確定主要崩岸區(qū)域，同時(shí)套繪崩岸區(qū)域內(nèi)不同年份的固定斷面地形進(jìn)行驗(yàn)證；(3)將不同測(cè)次兩條水邊線包圍的崩岸區(qū)域面積視為河岸崩退面積. 應(yīng)當(dāng)指出，水邊線并不能完全代表岸線，但荊江段的河道地形圖中注明了測(cè)量當(dāng)天的河道水位，對(duì)于坡度較緩的河岸需要結(jié)合崩岸河段內(nèi)固定斷面地形對(duì)崩退面積按比例修正. 經(jīng)核對(duì)，2002與2018年水下地形圖中不同崩岸位置最大水位差為1.7 m，最小為0.1 m，均值為0.69 m. 因此采用水邊線確定崩退面積具有一定的可靠性. 采用上述方法確定了沙市河段及石首彎道內(nèi)3個(gè)主要崩岸位置(臘林洲、向家洲及北門(mén)口河段)，對(duì)應(yīng)的崩退面積分別為584377、384218和2175453 m2(圖3).

圖3 基于長(zhǎng)程河道地形圖與固定斷面地形確定的崩岸位置及崩退面積：臘林洲河段(a)；北門(mén)口河段(b)

2.2 河岸高度確定方法

要計(jì)算崩岸土體體積還需確定河岸高度，本研究通過(guò)點(diǎn)繪崩岸區(qū)域內(nèi)固定斷面地形，確定不同位置的崩退類型及河岸高度. 荊江河段橫斷面形態(tài)多為不規(guī)則“U”型、偏“V”型和“W”型，其中“U”型斷面多發(fā)生平行崩退，偏“V”型斷面多發(fā)生坡腳沖刷并逐步向“U”型斷面發(fā)展，而“W”型斷面則兩種類型均有發(fā)生. 采用固定斷面地形資料確定河岸高度，具體原則包括：(1)將灘唇視為河岸的頂部界面(圖4中A點(diǎn))；(2)對(duì)于“U”型斷面，將近岸深槽最低點(diǎn)視為河岸的底部界面(圖4a中B點(diǎn))；(3)對(duì)于偏“V”型或“W”型斷面，可將崩岸后岸坡上斜率突變的位置(圖4b中C點(diǎn))或者岸坡與枯水位的交點(diǎn)(圖4c中D點(diǎn))視為河岸底部界面. 頂部界面與底部界面的高程之差即為河岸高度. 此處選用的枯水位是2002-2018年各固定斷面5000 m3/s流量下水位的均值. 根據(jù)上述原則，圖4中荊81、荊62以及利2斷面的河岸高度分別為21.2、10.8和9.1 m.

圖4 不同岸坡形態(tài)下河岸高度的確定方法：荊81(a)；荊62(b)；利2(c)

2.3 崩岸土體泥沙總量估算方法

在確定崩岸面積及河岸高度的基礎(chǔ)上，將崩岸區(qū)域內(nèi)所有固定斷面河岸高度的均值視為一個(gè)崩岸點(diǎn)的平均河岸高度，采用體積公式計(jì)算崩退土體的體積. 若崩退區(qū)域的平面形態(tài)為四邊形(圖4a)，則采用四棱柱的體積公式(式1)；若崩退區(qū)域的平面形態(tài)呈三角形(圖4b)，則采用三棱柱的體積公式(式2)；若兩種類型均存在，則分段計(jì)算：

V=ΔA·Δh

(1)

V=(ΔA·Δh)/2

(2)

式中，V為崩退土體體積，m3；ΔA為崩退區(qū)域的平面面積，m2；Δh為崩退區(qū)域的平均河岸高度，m. 結(jié)合不同區(qū)域的崩退體積及土體干密度數(shù)據(jù)，可計(jì)算對(duì)應(yīng)區(qū)域崩退土體的泥沙總量，即：

M=V·ρd

(3)

式中，M為崩岸土體的泥沙總量，kg；ρd為土體干密度，kg/m3. 應(yīng)當(dāng)說(shuō)明，由于收集的土體干密度資料有限，此處將同一崩岸位置的土體干密度視為常數(shù). 此外，部分崩岸區(qū)域已實(shí)施了岸線守護(hù)工程，但此處統(tǒng)計(jì)的崩退體積不包括守護(hù)工程的土石方量.

3 荊江段崩岸土體總量計(jì)算結(jié)果

此處首先給出上、下荊江典型斷面的崩退過(guò)程，進(jìn)而給出荊江河段崩岸的沿程分布特點(diǎn)以及主要崩岸位置崩岸土體總量的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，在此基礎(chǔ)上分析崩岸土體體積與來(lái)水來(lái)沙條件之間的函數(shù)關(guān)系.

3.1 典型斷面崩退過(guò)程

荊江河段二元結(jié)構(gòu)河岸由上部黏性土層及下部沙土層組成，河岸崩塌方式主要有平面滑動(dòng)、圓弧滑動(dòng)及繞軸崩塌[3]. 受河勢(shì)調(diào)整的影響，不同位置崩岸原因及過(guò)程略有不同. 斷面形態(tài)的調(diào)整可直觀地反映河岸崩退速率及崩塌形態(tài)，故此處選取上荊江臘林洲、下荊江北門(mén)口兩個(gè)河段，分析典型斷面河岸崩退的具體過(guò)程及原因.

3.1.1 上荊江典型斷面崩岸過(guò)程 三峽工程運(yùn)用后，上荊江總體河勢(shì)較為穩(wěn)定，但在主流頂沖或深泓貼岸部位以及洲灘調(diào)整相對(duì)劇烈的局部河段，仍存在崩岸現(xiàn)象，主要崩岸位置有火箭洲、臘林洲及青安二圣洲等. 圖2a給出了臘林洲2002以來(lái)部分年份岸線、深泓線的具體位置. 臘林洲河段深泓線一直緊靠右岸，水流不斷淘刷近岸坡腳，導(dǎo)致河岸持續(xù)崩退，崩退面積約為58.4×104m2. 同時(shí)為更直觀地反映河岸崩退過(guò)程，圖2a給出了荊35斷面右岸岸坡形態(tài)的變化過(guò)程，2002-2011年該斷面右岸坡腳持續(xù)沖刷內(nèi)靠，橫向擺動(dòng)幅度約為137 m，相應(yīng)岸頂不斷崩退，寬度約為195 m. 2009年以來(lái)河道管理部門(mén)對(duì)臘林洲灘岸采取削坡減載、拋石鎮(zhèn)腳等工程措施，基本控制了險(xiǎn)情的發(fā)展，故右側(cè)岸坡形態(tài)基本保持穩(wěn)定.

3.1.2 下荊江典型斷面崩岸過(guò)程 下荊江河道蜿蜒曲折，主流擺動(dòng)頻繁，河岸土體抗沖能力較差，故多處河岸出現(xiàn)不同程度的崩退現(xiàn)象. 三峽工程運(yùn)用后，下荊江北門(mén)口河段崩岸現(xiàn)象尤為突出，崩退范圍及速率較大，主要是由于主流經(jīng)過(guò)石首彎道頂點(diǎn)后持續(xù)頂沖北門(mén)口右岸(圖2b)，深泓下切3～6 m. 此外，北門(mén)口河段右岸上層為粉質(zhì)黏土(約6 m厚)，下層為沙土(約20 m厚)，抗沖性均較差，容易發(fā)生崩岸現(xiàn)象. 圖2b顯示，荊98斷面右岸崩退強(qiáng)度較大，2002-2018年累計(jì)崩退寬度390 m，平均崩退速率為23 m/a. 雖然2013年以來(lái)河道部門(mén)采取了一系列工程措施加固河岸，大規(guī)模崩岸不再發(fā)生，但2017-2020年該河段已護(hù)岸段仍多次發(fā)生崩岸.

3.2 崩岸沿程分布及土體總量統(tǒng)計(jì)

采用上述方法首先確定了荊江河段主要崩岸區(qū)域，如圖5所示. 崩岸區(qū)域沿程分布的總體特點(diǎn)為左岸多于右岸，下荊江崩岸多于上荊江. 圖中大部分區(qū)域都已經(jīng)實(shí)施了護(hù)岸工程，僅下荊江部分凸岸邊灘，如向家洲、八姓洲等仍在持續(xù)崩退.

圖5 2002-2018年荊江河段主要崩岸位置

表1統(tǒng)計(jì)了2002-2018年荊江段主要崩岸位置的累計(jì)崩退長(zhǎng)度、寬度、面積、體積及土體總量. 荊江河段累計(jì)岸線崩退長(zhǎng)度約為123.7 km，占岸線總長(zhǎng)度的17.8%，上、下荊江分別占30%及70%；其中最大崩退寬度及崩退面積均為北門(mén)口河段，分別為490 m、2.2×106m2. 近65%的崩岸斷面位于下荊江，且主要發(fā)生在主流頂沖或者深泓貼岸的區(qū)域，由于石首、調(diào)關(guān)等彎道凹岸一側(cè)多有護(hù)岸工程守護(hù)，故凹岸一側(cè)崩岸并不明顯，而向家洲、來(lái)家鋪、八姓洲等凸岸邊灘近年來(lái)崩岸險(xiǎn)情加劇，且崩岸區(qū)域均集中在彎道上游一側(cè). 2002-2018年荊江段河岸累計(jì)崩退體積約為2.0億m3，占同期該河段平灘河槽沖刷量(11.4億m3)的17.5%. 就分河段而言，枝江、沙市、郝穴、石首及監(jiān)利河段崩岸體積占各自平灘河槽沖刷量的比例分別為3.5%、4.3%、8.8%、30.8%及41.5%，表現(xiàn)為沿程遞增趨勢(shì)，這也與下荊江崩岸多于上荊江的分布特點(diǎn)一致.

表1 2002-2018年荊江河段崩岸土體總量分段統(tǒng)計(jì)結(jié)果

已有研究表明：荊江段典型斷面平灘河寬調(diào)整與前期水沙條件之間存在較好的冪函數(shù)關(guān)系[21]. 此處選取臘林洲、北門(mén)口兩個(gè)典型崩岸位置，進(jìn)一步分析水沙條件變化對(duì)河岸崩退體積的影響，其中臘林洲河段選取了荊34與荊36之間的崩岸區(qū)域，北門(mén)口河段則選取了荊97與荊99之間的崩岸區(qū)域. 分別統(tǒng)計(jì)了臘林洲、北門(mén)口兩個(gè)崩岸段在不同時(shí)段內(nèi)的崩岸體積，如表2所示.

表2 不同時(shí)段內(nèi)臘林洲、北門(mén)口河段的崩岸體積(×106 m3)

(4)

最后點(diǎn)繪臘林洲與北門(mén)口河段累計(jì)崩岸體積與累計(jì)水流沖刷強(qiáng)度之間的關(guān)系曲線，如圖6所示. 結(jié)果表明，三峽工程運(yùn)用后，荊江臘林洲和北門(mén)口河段累計(jì)崩岸體積與累計(jì)水流沖刷強(qiáng)度呈較好的冪函數(shù)關(guān)系，決定系數(shù)(R2)分別為0.95和0.97. 累計(jì)水流沖刷強(qiáng)度指相應(yīng)崩岸時(shí)段每年汛期水流沖刷強(qiáng)度之和，用于體現(xiàn)水流沖刷河岸的累積作用. 由此可見(jiàn)，來(lái)水來(lái)沙條件很大程度上決定局部河段的崩岸體積.

圖6 不同河段累計(jì)崩岸體積與累計(jì)水流沖刷強(qiáng)度之間的關(guān)系：臘林洲(a)；北門(mén)口(b)

4 崩岸對(duì)荊江段河床調(diào)整的影響

崩岸不僅在平面上表現(xiàn)為岸線崩退，導(dǎo)致岸線資源受損，同時(shí)也會(huì)影響河床形態(tài)調(diào)整. 此處分析河岸崩退對(duì)河床調(diào)整的具體影響，包括崩岸土體對(duì)沿程泥沙輸移與崩岸對(duì)斷面形態(tài)調(diào)整的影響.

4.1 崩岸土體對(duì)輸沙量的貢獻(xiàn)

崩岸土體是河道輸沙的重要來(lái)源之一，河岸土體崩塌后，土體中的細(xì)顆粒泥沙被水流挾帶直接參與河道輸沙，而大塊或整塊的土體則堆落在坡腳位置，后期逐步被水流分解進(jìn)而參與河道輸沙，尤其是在汛期流量較大的時(shí)段[20]. 已有研究表明，崩岸土體對(duì)河道輸沙量的貢獻(xiàn)率可達(dá)5%～80%[22]. 表1統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，2002-2018年荊江河段崩岸土體產(chǎn)生的泥沙總量約為2.72億t，其中枝城-監(jiān)利河段為1.67億t，同期枝城站、監(jiān)利站累計(jì)輸沙量分別為9.42億和13.10億t，荊江三口總分沙量為1.76億t(圖7). 因此枝城-監(jiān)利河段沿程河床補(bǔ)給泥沙量約為5.44億t，包括床面泥沙補(bǔ)給和崩岸土體補(bǔ)給，其中細(xì)沙(粒徑小于0.125 mm)和粗沙(粒徑大于0.125 mm)補(bǔ)給量分別為2.52億和2.92億t. 若崩岸土體均參與輸沙，則占沿程泥沙補(bǔ)給總量的30.7%. 如考慮臨底懸沙漏測(cè)等情況，計(jì)算誤差約為5%～10%. 根據(jù)收集的河岸土體特性資料分析，荊江河段二元河岸土體上部黏土層的粒徑基本小于0.1 mm，屬于細(xì)沙，河岸下部沙土層中細(xì)沙比例約為50%～85%，故河岸土體主要為細(xì)沙. 因此崩岸過(guò)程很大程度上為壩下游河道細(xì)沙的沿程恢復(fù)做出了重要貢獻(xiàn).

圖7 2002-2018年枝城-監(jiān)利河段河床及河岸泥沙累計(jì)補(bǔ)給量

4.2 崩岸對(duì)斷面形態(tài)調(diào)整的影響

河岸持續(xù)崩退對(duì)斷面形態(tài)調(diào)整有顯著影響，一方面會(huì)導(dǎo)致斷面橫向展寬，另一方面會(huì)影響床面的沖淤部位. 2002-2018年荊江段主要崩岸區(qū)域的最大崩岸寬度為53～490 m，可見(jiàn)這些斷面存在明顯的橫向展寬(表1). 已有研究表明：主流頂沖導(dǎo)致河岸崩退，崩塌土塊堆積在近岸坡腳，分散水流并形成回流區(qū)淘刷河岸，崩岸范圍向下游延伸，一定程度上減緩了近岸床面的下切速率[23]. 由于部分崩岸區(qū)域靠近城鎮(zhèn)，岸線守護(hù)具有重要意義，沿江河道或航道管理部門(mén)修建了大規(guī)模的河勢(shì)控制及護(hù)岸工程，致使近岸坡腳不再?zèng)_刷內(nèi)靠，延緩或者阻止了大規(guī)模崩岸的發(fā)生，水流轉(zhuǎn)而沖刷河床其他部位，斷面形態(tài)調(diào)整趨勢(shì)也發(fā)生改變.

三峽工程運(yùn)用后臘林洲右岸明顯崩退，荊34-36斷面形態(tài)調(diào)整以展寬為主；2010年修建護(hù)岸工程后斷面形態(tài)調(diào)整以沖深下切為主(圖8a). 北門(mén)口河段荊97-99斷面形態(tài)調(diào)整也表現(xiàn)出類似特點(diǎn)，2002以來(lái)右岸持續(xù)崩退，斷面形態(tài)調(diào)整以橫向展寬為主，2013年護(hù)岸工程修建后，平灘河槽變形主要表現(xiàn)為沖深下切(圖8b). 圖8也給出了上述兩個(gè)局部河段2002-2018年平灘河槽寬深比均值與水流沖刷強(qiáng)度的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系：可見(jiàn)護(hù)岸工程修建前，由于臘林洲及北門(mén)口右岸均持續(xù)崩退，平灘河寬持續(xù)增大，而平灘水深變化不大，故平灘河槽寬深比呈增大趨勢(shì)，河槽趨于寬淺；護(hù)岸工程修建后，由于平灘河寬基本不變，而平灘水深均隨著水流沖刷強(qiáng)度的增加而顯著增加，此時(shí)平灘河槽寬深比明顯減小，臘林洲及北門(mén)口河段相應(yīng)寬深比分別從100、142減小至82、136，河床變形主要表現(xiàn)為沖刷下切，趨于窄深. 上述分析表明，兩個(gè)崩岸區(qū)域在河岸崩退以及不崩退階段表現(xiàn)出的河床調(diào)整模式略有不同. 在荊江段河床整體沖刷下切的趨勢(shì)下，河道崩岸對(duì)斷面形態(tài)調(diào)整的影響主要表現(xiàn)為：河岸崩退可以在一定程度上減緩河床沖深下切的速度，從而改變斷面形態(tài)的調(diào)整模式.

圖8 不同河段護(hù)岸工程修建前后平灘河槽形態(tài)變化與水流沖刷強(qiáng)度的關(guān)系：臘林洲(a)；北門(mén)口(b)

5 結(jié)論

1)采用長(zhǎng)程河道地形、固定斷面地形資料確定了荊江段主要崩岸區(qū)域，估算了崩岸土體體積及泥沙總量. 計(jì)算結(jié)果表明：2002-2018年荊江段崩岸區(qū)域分布總體特點(diǎn)為下荊江多于上荊江，左岸多于右岸；岸線累計(jì)崩退長(zhǎng)度為123.7 km，占總岸線長(zhǎng)度的17.8%，上、下荊江分別占30%、70%；累計(jì)河岸崩退體積約為2.0億m3，占該河段同期河道沖刷量的17.5%.

2)建立了臘林洲與北門(mén)口河段累計(jì)崩岸體積與累計(jì)水流沖刷強(qiáng)度的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系，結(jié)果表明：兩者呈較好的冪函數(shù)關(guān)系，R2分別為0.95、0.97. 因此來(lái)水來(lái)沙條件同樣能影響局部河段河岸崩退的土體體積.

3)定量分析了河岸崩退對(duì)荊江段河床調(diào)整的影響：2002-2018年該河段崩岸土體的泥沙總量為2.72億t，其中枝城-監(jiān)利河段崩岸土體總量為1.67億t，約占該河段沿程泥沙補(bǔ)給總量的30.7%，因此崩岸對(duì)沿程河道輸沙有重要貢獻(xiàn)；臘林洲及北門(mén)口局部河段的斷面形態(tài)調(diào)整表明，崩岸通常導(dǎo)致斷面形態(tài)趨于寬淺，而護(hù)岸工程修建后則明顯趨于窄深，說(shuō)明崩岸在一定程度上可以減緩河床沖刷下切速度并改變斷面形態(tài)的調(diào)整模式.