曾 濤，范鵬朋，陳 希

(長江重慶航運(yùn)工程勘察設(shè)計院，重慶 401147)

20世紀(jì)以來，長江上游采砂活動頻繁，據(jù)統(tǒng)計，宜賓—涪陵河段因挖采造成河道地形變化量約3.95億m3[1]；且采砂活動造成局部過水?dāng)嗝嬖龃?、流速減緩從而引起采砂河段泥沙淤積[2]，威脅通航安全；加之金沙江上游樞紐運(yùn)行后來沙大量減少[3]，前期破壞的灘面基本無法恢復(fù)至原有形態(tài)[4]，甚至殘存的洲灘沖刷加劇致使航道條件進(jìn)一步惡化。為保證通航安全，開展治理十分必要。本文以長江上游羊石盤—上白沙河段中的蓮石灘為例，結(jié)合近年水沙條件及河道地形變化，針對魚鰍石段彎窄淺、關(guān)刀磧段急淺的礙航特性[5-6]，立足于“綠色發(fā)展、生態(tài)優(yōu)先”，提出生態(tài)航道整治方案，并采用模型驗證其整治效果，以期為類似灘險的治理提供參考。

1 灘險概況

蓮石灘(長江上游航道里程838～834 km)是著名的復(fù)雜灘險，兼具彎、窄、急、淺等礙航特性，目前航道尺度為2.9 m×50 m×560 m(水深×航寬×轉(zhuǎn)彎半徑)，為枯水期通航控制河段[7]。上段魚鰍石暗礁橫臥江中，與關(guān)刀磧頭部水下暗磧部分連成一片；下段關(guān)刀磧心灘縱臥，將河道分為左右兩汊，左汊為枯水通航主槽，坡陡流急。江中卵石磧壩關(guān)刀磧長約3 km、最寬處約500 m，挖沙采石等人為活動使其80%以上灘體遭受破壞，見圖1a)；近年心灘進(jìn)一步?jīng)_刷，導(dǎo)致關(guān)刀磧中水期束水能力進(jìn)一步減弱，航槽內(nèi)出現(xiàn)淤積，且枯水期坡陡流急的現(xiàn)象愈加突出，威脅通航安全，急需進(jìn)行治理，見圖1b)。

圖1 蓮石灘河勢

2 朱沱水文站近年水沙特性

朱沱水文站位于蓮石灘下游約30 km處，其間無支流匯入，該站資料豐富，以此為控制站分析蓮石灘近年水沙特性。如圖2所示，從近十余年朱沱水文站年徑流量、年輸沙量累計變化過程來看，金沙江等上游樞紐運(yùn)行前后年徑流量累計過程呈直線分布，表示年徑流量未受蓄水影響，多年來沒有明顯增加或減小，在多年平均值附近波動；而年輸沙量累計過程線在2012年10月向家壩下閘蓄水后明顯變緩，年均輸沙量較蓄水前多年平均值減小86%左右。

圖2 朱沱水文站累計年徑流量、輸沙量變化過程

3 蓮石灘河床演變

由圖3蓮石灘近年0 m等深線變化可看出：2007年關(guān)刀磧心灘高大完整；隨后遭受大肆開挖，2015年心灘0 m等深線僅剩左緣部位且下段有6 m長的小豁口；心灘破壞后其穩(wěn)定性大幅降低，近幾年心灘沖刷加劇，2020年下段缺口沖刷至180 m。

圖3 蓮石灘近年0 m等深線變化

從圖4中的3.5 m等深線可看出：魚鰍石暗礁左側(cè)3.5 m等深線貫通，但寬度僅20 m左右，暗礁與關(guān)刀磧水下暗磧連成一片，該部位3.5 m等深線常年不貫通。關(guān)刀磧心灘開挖后，中洪水期束水能力減弱，且心灘左緣下段近年沖刷明顯，灘體內(nèi)深坑與下深槽3.5 m等深線相連；航槽內(nèi)出現(xiàn)明顯淤積，2020年大土地一線3.5 m等深線斷開長度約385 m，航槽內(nèi)最小水深約3.3 m，較2015年減小0.4 m。

圖4 蓮石灘近年3.5 m等深線變化

從圖5中的2015—2020年河床沖淤變化可看出，位于推移質(zhì)輸沙帶卵石停留區(qū)的關(guān)刀磧心灘上段局部淤積較明顯。關(guān)刀磧心灘下段左緣缺口近年沖刷加劇，形成了一長300 m、寬60 m、最大沖深7 m的沖刷坑，枯水期主槽分流減小、沖刷不足，而中水期心灘的束水沖沙能力也大幅減弱，導(dǎo)致大土地一線淤積厚度多在0.5 m左右。

圖5 2015—2020年蓮石灘河床沖淤變化

4 礙航特性及灘險成因

蓮石灘上段由于魚鰍石暗礁潛于江中與關(guān)刀磧水下暗磧部分連成一片，3.5 m等深線年際間不能貫通，航道既彎又淺。中水控制較弱、流速分布均勻無法集中沖刷是魚鰍石段出淺的主要原因。

下段受關(guān)刀磧心灘擠壓，主航槽無狹窄且明顯的深槽，枯水期過水?dāng)嗝婷娣e較小，比降、流速均較大，船舶上水較困難，河槽窄淺是關(guān)刀磧段成為枯水急灘的關(guān)鍵原因。此外，關(guān)刀磧心灘受挖沙采石影響灘體破壞嚴(yán)重，形成串溝分流，近年串溝沖刷發(fā)育，致使大土地一線主槽內(nèi)3.5 m等深線斷開，航道出淺礙航。因此，心灘破壞且中水期沖沙能力減弱、主槽枯水期沖刷不足是出口段出淺的主要原因。

5 航道生態(tài)整治方案

5.1 建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)

蓮石灘位于長江上游宜賓—重慶河段中段，根據(jù)水運(yùn)發(fā)展趨勢、航道規(guī)劃、代表船型及環(huán)境保護(hù)的需要，確定航道整治的標(biāo)準(zhǔn)為：航道尺度3.5 m×50.0 m×800.0 m，通航保證率98%，設(shè)計代表船型：2 000噸級貨船和150 TEU集裝箱船。

5.2 治理思路

魚鰍石淺區(qū)的治理思路為“疏槽維穩(wěn)”，即開挖魚鰍石暗礁及淺區(qū)、滿足建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)的要求；同時筑壩束水攻沙、維持航槽穩(wěn)定。

關(guān)刀磧急淺段的治理思路為“擴(kuò)枯穩(wěn)中”，即擴(kuò)大過水?dāng)嗝?、滿足航道水深和減小枯水流速；并采取措施修復(fù)心灘、穩(wěn)定中水流速，延長泥沙沖刷歷時。

關(guān)刀磧右汊歷史產(chǎn)卵場近年魚類產(chǎn)卵繁殖和棲息洄游活動并不集中，因此，蓮石灘的治理方案需兼顧生態(tài)修復(fù)和生境營造的需要。此外，大量開挖的疏浚土和清礁石料可再利用，以避免渣石轉(zhuǎn)運(yùn)、上岸對環(huán)境的不利影響。

5.3 整治方案

1)為滿足航道尺度及改變局部底流結(jié)構(gòu)，疏清魚鰍石淺區(qū)至設(shè)計水位下4 m，基線長約737 m；

2)為擴(kuò)大泄水枯水期過水?dāng)嗝?、減緩流速、調(diào)整比降、改善通航水流條件，疏浚關(guān)刀磧磧翅至設(shè)計水位下3.5 m，基線長約2 262 m；

3)為束水攻沙、維持挖槽穩(wěn)定，在右岸掌灘石盤上游拋筑丁壩2道，整治水位均為2.5 m，上丁壩長230 m(勾頭段40 m)，下丁壩長135 m(勾頭段20 m)；

4)治理區(qū)域灘面低矮、灘貌凌亂、磧壩散亂、坑包遍布，為將其恢復(fù)成原本完整、高大的形態(tài)以保證心灘中水流量對主流的導(dǎo)控作用，同時促進(jìn)原生生境的修復(fù)，擬在心灘建設(shè)魚骨壩群，并采用疏浚土回填固灘。魚骨壩群包括江心順壩1道和刺壩3道，其中江心順壩長1 353 m，1#刺壩長235 m，2#刺壩長154 m，3#刺壩長196 m(勾頭長87 m)。利用疏浚土回填關(guān)刀磧心灘中下段左側(cè)深坑，固灘區(qū)面積約5.3萬m2。

5)采用清礁石料在關(guān)刀磧右汊中下段、石梁下游拋筑1道淺埂，并在淺埂和已建蓮石灘順壩壩后采用生態(tài)魚巢磚構(gòu)建生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)，增加水流多樣性，構(gòu)造淺灘深槽型良好生境。

圖6 蓮石灘生態(tài)航道治理方案

5.4 整治效果研究

5.4.1數(shù)學(xué)模型

5.4.1.1模型原理及驗證

鑒于河道邊界較復(fù)雜，采用平均水深有限元法平面二維水流泥沙數(shù)學(xué)模型進(jìn)行整治效果和生態(tài)水力學(xué)試驗研究。模型范圍為菜壩—梁石子，含赤水河口1.5 km?；诓豢蓧豪字Z應(yīng)力平均、Boussinesq假設(shè)和靜水壓力分布，建立了水流模型。工程河段泥沙主要包括卵石推移質(zhì)，采用Van-Rijn泥沙模型。主要針對2020年9月、2015年3月實測資料進(jìn)行模型驗證，內(nèi)容包括水位、流速分布、浮標(biāo)流向、沖淤量及部位、典型橫斷面變化等。

5.4.1.2水流階段

1)整治后枯水期航中線水位總體降落，隨流量增大水位降幅減小，局部略有增加。魚鰍石淺區(qū)最大降幅和平均降幅分別為0.27、0.20 m、關(guān)刀磧段分別為0.17、0.07 m。

2)枯水期淺區(qū)流速增大、急流段流速減小，淺區(qū)流速平均增幅約0.2 m/s，急流區(qū)流速平均減幅約0.18 m/s。

3)整治后急流段消灘判數(shù)均小于成灘臨界值，急灘消灘。

4)數(shù)模浮標(biāo)跡線走向與航槽邊界總體一致，水流流向與航槽邊界夾角較小，航槽內(nèi)水流流態(tài)較好。

5.4.1.3沖淤分析

1)典型年(2012年)。整治前主槽內(nèi)沖淤相間且沖淤變化幅度不大，關(guān)刀磧下段出現(xiàn)不連通的淤積帶，平均寬度約20.0 m，平均厚度約0.5 m。

整治后魚鰍石淺區(qū)呈現(xiàn)沖刷趨勢，最大沖深0.5 m；關(guān)刀磧疏浚區(qū)基本不出現(xiàn)回淤，疏浚及挖槽區(qū)總體較為穩(wěn)定，航道尺度滿足建設(shè)目標(biāo)的要求。關(guān)刀磧心灘在魚骨壩群的作用下，普遍淤積在0.5 m左右。

2)系列年(2011—2020年)。整治前淺區(qū)部位洪淤枯沖，年內(nèi)變化較?。桓髂昴瓿踔裂雌谟俜e形態(tài)較接近，均表現(xiàn)為魚鰍石和關(guān)刀磧下段淺區(qū)約有0.5 m的淤積體；汛期至年末微沖。

整治后第1年年末，蓮石灘心灘魚骨壩群壩田區(qū)有所回淤；魚鰍石淺區(qū)呈現(xiàn)沖刷趨勢，局部最大沖深1 m；關(guān)刀磧疏浚區(qū)基本不出現(xiàn)淤積，疏浚及挖槽區(qū)總體較為穩(wěn)定。第3年和第10年末沖淤規(guī)律與第1年末基本一致。

5.4.1.4生態(tài)水力學(xué)試驗

基于前述模型及研究成果，以4大家魚水動力指標(biāo)為基礎(chǔ)開展了生態(tài)水力學(xué)試驗研究，指標(biāo)主要包括流速適宜度V、水深適宜度H、棲息地適宜度HIS、微生物適宜性面積WUA。

1)V分布及其變化。整治前V值較大區(qū)域位于灘段進(jìn)口和右側(cè)關(guān)刀磧附近，一般大于0.8，較適合魚類產(chǎn)卵繁殖；整治后關(guān)刀磧附近V值略有減小，但關(guān)刀磧右汊生態(tài)工程區(qū)V值有所增加，整體來看，整治后V值較大區(qū)域有所增加。

2)H分布及其變化。整治前后H分布較為接近，全河段內(nèi)H>0.8的范圍較大，魚類產(chǎn)卵繁殖具有良好的水深條件。

3)HIS分布及其變化。整治后HIS值有所增加，主要出現(xiàn)在右汊和整治建筑物壩后區(qū)域。

4)WUA變化。整治后，中、枯水期WUA與工程前較為接近，隨流量增大WUA略有減小。

5.4.2物理模型

5.4.2.1模型建立及驗證

采用1:100正態(tài)模型以及卵石推移質(zhì)局部動床模型開展了試驗研究。模型主要對2020年9月中水進(jìn)行檢驗，同時對2015年3月實測的枯水進(jìn)行了補(bǔ)充檢驗；經(jīng)過定床水位、大斷面流速及浮標(biāo)流向的檢驗，模型與原型的水流條件達(dá)到相似；經(jīng)動床水位、流速的相似性檢驗，原型與模型的流速分布以及中水水位吻合較好，枯水水位的偏差也不大，滿足阻力相似的枯水弗勞德數(shù)僅偏差8.42%。

5.4.2.2定床研究成果

1)整治后航道尺度滿足建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)的要求；

2)魚鰍石和關(guān)刀磧下段淺區(qū)航道內(nèi)流速增值在0.2～0.6 m/s，對淺區(qū)航深穩(wěn)定有利；

3)急流段灘勢明顯減緩、基本消灘，中、枯水期消灘指標(biāo)較整治前減小0.4～0.6，各級流量下船模均能自航上灘；

4)特大洪水下，水位升高在0.1 m以內(nèi)，流速變化在±0.10 m/s以內(nèi)，不會明顯影響河段的防洪安全。

5.4.2.3動床研究成果

整治前，河段總體表現(xiàn)為洪淤枯沖，全年沖淤變化不大；魚鰍石及關(guān)刀磧下段淺區(qū)均呈現(xiàn)淤積，普遍淤積厚度分別為0～0.2 m、0.2～0.5 m；關(guān)刀磧心灘上段局部淤積明顯，而其左側(cè)下段灘緣則有一定沖刷，缺口存在展寬的可能，對關(guān)刀磧下段淺區(qū)不利。

整治后，典型年末航道尺度滿足建設(shè)目標(biāo)的要求；魚鰍石淺區(qū)普遍沖刷0.5～1.0 m，關(guān)刀磧疏浚區(qū)未見淤積；關(guān)刀磧魚骨壩群促淤作用明顯，特別是3#刺壩，壩田普遍淤厚1～2 m、局部淤厚3～5 m，且連片性較好，有利于心灘高大形態(tài)的恢復(fù)。

5.4.3小結(jié)

工程實施后整治效果較好。魚鰍石淺區(qū)水流增速恰當(dāng)，關(guān)刀磧急灘上灘指標(biāo)基本滿足船舶自航上灘要求，各級流量船模均能自航上灘。無論典型年還是系列年年末，航道尺度均能滿足3.5 m×50.0 m×800.0 m的建設(shè)目標(biāo)要求。關(guān)刀磧心灘回填固灘區(qū)沖淤變化較小，魚骨壩壩田區(qū)有所回淤，對恢復(fù)原有灘貌、穩(wěn)定河勢、避免串溝等具有明顯作用。最適宜4大家魚產(chǎn)卵繁殖的區(qū)域位置以及水流動力軸線變化不大，棲息地適宜度較整治前有所提高，除高水位期略有減小外、微生物適宜性面積與整治前接近。

6 結(jié)論

1)蓮石灘上段魚鰍石段常年彎窄淺，而關(guān)刀磧心灘受前期挖采影響，灘面低矮、灘貌凌亂，基本喪失了原有功能，導(dǎo)致主槽下段淤積出淺。

2)遵循生態(tài)優(yōu)先、綠色發(fā)展的原則，提出了魚鰍石段“疏槽維穩(wěn)”、關(guān)刀磧段“擴(kuò)枯穩(wěn)中”的治理方案，并將疏浚土回填至深坑、以原生土體恢復(fù)洲灘高大的外形，采用清礁石料構(gòu)建淺灘深槽型生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)。

3)模型試驗表明，工程實施后航道尺度滿足建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)的要求，且基本恢復(fù)了關(guān)刀磧原有外形和功能，工程建設(shè)對4大家魚產(chǎn)卵繁殖無明顯不利影響。

4)本灘治理方案是對長江大保護(hù)的一次重要探索，可為長江航道綠色發(fā)展、生態(tài)建設(shè)提供一定的參考。