韓 飛

（長江航道局，武漢430010）

長江中游牯牛沙水道整治后灘槽演變對水沙條件的響應

韓 飛

（長江航道局，武漢430010）

以牯牛沙水道為研究對象，探討三峽工程、航道整治工程作用下灘槽演變對水沙條件響應關系，闡明新治理目標下淺區(qū)礙航特性。主要結論為：三峽水庫蓄水初期牯牛沙邊灘演變規(guī)律為“洪季沖刷，枯季淤積”，其灘體面積、寬度與汛后退水期天數(shù)為正相關關系；伴隨汛后退水期縮短和輸沙量的減少，牯牛沙邊灘沖刷速率加快，在航道整治工程實施后，邊灘面積淤漲，枯水期水流集中沖刷淺區(qū)，航道條件得到改善；在6.0 m×200 m航道尺度規(guī)劃目標下，過渡段淺灘在汛后退水天數(shù)較短的年份，由于沖刷能力的減弱，進而出淺礙航；在一期和二期航道整治工程作用下牯牛沙邊灘面積淤漲，但尾部竄溝仍有發(fā)育態(tài)勢，航道邊界條件仍不穩(wěn)定；航道尺度提升過程中，仍需采取工程措施增強過渡段淺區(qū)沖刷動力，同時還需進一步增強灘體完整性和穩(wěn)定性。

灘槽演變；水沙條件；礙航特性；響應關系；牯牛沙水道

水庫的修建改變了河流下游水沙過程，破壞了原有的水文平衡，必然會引起水庫下游的水沙輸移特性改變、河道形態(tài)的調整［1］。三峽水庫蓄水后改變了壩下游年內流量過程［2-3］，攔蓄了大量泥沙，壩下游近乎于“清水下泄”［4-5］，其來水來沙條件的變化改變了河道泥沙沖淤特性。三峽水庫蓄水后，由于來沙量大幅減少，長江中下游微彎段凸岸邊灘沖刷萎縮，相應的凹岸深槽淤積［6］，部分急彎河段甚至出現(xiàn)切灘或撇彎現(xiàn)象。

牯牛沙水道處于長江中游，為微彎河型，三峽水庫蓄水初期航道尺度惡化，針對其河床演變及礙航特性的分析，國內學者開展了相關研究工作。主要有：閆軍［7］等從牯牛沙水道歷史時期演變出發(fā)，研究了牯牛沙邊灘的演變過程，建立了淺灘灘脊水深與河道水位關系，當河道水位大于5.0 m時，灘脊水深變化不大。張明進等［8］研究認為牯牛沙邊灘寬度、面積與汛后退水期天數(shù)關系較為密切。朱玉德［9］等分析認為，近年來牯牛沙邊灘蝕退，中枯水河寬增大［7］，水流動力軸線變化空間加大，同時淺區(qū)上深槽右偏、下深槽衰退，是牯牛沙水道航道條件惡化的原因。蔡大富［10］等分析認為牯牛沙水道一期航道整治工程實施后，總體河勢更趨穩(wěn)定，牯牛沙邊灘淤高展寬，利于枯水期水流集中，過渡段淺區(qū)得到有效沖刷，但凸岸邊灘仍不完整，淤積泥沙易于沖失，遇不利水文年過渡段出淺。李雨晨和李青云［11］總結了一期工程實施效果和河床演變過程，并提出了二期工程的治理思路。三峽水庫蓄水后，牯牛沙水道實施了兩期航道整治工程，航道尺度得到提升，其灘槽形態(tài)三峽工程及整治工程綜合作用下的變化仍不夠深入。在“十三五”期間牯牛沙水道擬將航道水深提升至6.0 m，新治理目標下牯牛沙水道的礙航特性仍需進一步探討。綜上，本文在以往研究基礎上，從水沙條件變化情況著手，研究牯牛沙水道灘槽演變對水沙條件的響應關系，并探討新治理目標航道尺度6.0 m×200 m條件下的牯牛沙水道礙航特性。

1研究河段及水沙特征

1.1研究河段

牯牛沙水道位于長江中游武漢至安慶段內，水道平面形態(tài)微彎，凸岸有牯牛沙邊灘，凹岸有團林岸邊灘（圖1）。三峽水庫蓄水后，牯牛沙水道實施了兩期航道整治工程，一期工程于2009年9月開工建設，2010年8月交工驗收，工程建設內容為在牯牛沙邊灘修建3條護灘帶，工程實施后實現(xiàn)了航道尺度4.5 m×200 m×1 050 m的目標。二期工程于2013年12月開工，2015年6月交工驗收，工程內容為在牯牛沙邊灘一期工程護灘帶的基礎上修建3道丁（順）壩，同時對左岸岸線進行加固。

圖1 牯牛沙水道河勢圖Fig.1 River regime of Guniusha waterway

1.2水沙特征

漢口水文站位于牯牛沙水道上游，漢口水文站至牯牛沙水道區(qū)間無大型支流匯入，其水沙條件可以代表牯牛沙水道的來水來沙特征（圖2）。漢口站年際水量和沙量變化規(guī)律：1955～2014年期間水量變化不大，沙量為減小趨勢；輸沙量減小呈現(xiàn)階梯性特點，1987～2002年較1955～1986年期間減幅為23.9％，2003～2014年期較1955～1986年期間減幅為74.9％。年內流量分配特征：1月～3月流量為增加趨勢，主要受三峽水庫枯水期補水作用影響；7月和8月流量先增加后減少，這主要是1998年和1999年大洪水流量集中在該月份引起；9月和10月流量為減少趨勢，主要是三峽水庫蓄水作用所致；其余月份變化不大。同流量下含沙量為減少趨勢，且洪季減幅大于枯季。

圖2 漢口水文站水文泥沙變化圖Fig.2 Variations of hydrologic and sediments process at Hankou Hydrologic Station

圖3 牯牛沙邊灘形態(tài)變化（1970～2003年）Fig.3 Shape variation of Guniusha side bar(1970～2003)

2三峽水庫蓄水前牯牛沙水道灘槽演變特點

2.1邊灘演變特點

2003年以前，牯牛沙水道基本處于自然演變狀態(tài)，凸岸的牯牛沙邊灘面積變化不大(航基面以下0 m等深線，下同)，維持相對高大完整的形態(tài)（圖3～圖4）。20世紀80年代中期開始，邊灘寬度有所減小，進入20世紀90年代這一減少趨勢更趨明顯。凹岸的團林岸邊灘長度約5.2 km，灘體年際間變幅較小，僅在絲茅徑一帶變化幅度略大，且主要發(fā)生在大洪水年份。如1998年和1999年期間，絲茅徑一帶邊灘向下游延展，其后經歷中小水年份，灘形逐漸得到恢復，至2003年基本恢復至1998年以前灘形。牯牛沙水道平面形態(tài)微彎，其凸岸和凹岸邊灘演變存在一定對應關系，遇大水年份凸岸邊灘沖刷，凹岸邊灘淤積；年內沖淤上看，汛期主流擺向凸岸，凸岸邊灘沖刷，枯水期主流擺向凹岸，凸岸邊灘淤積，符合一般微彎河型的邊灘演變規(guī)律。

2.2深槽演變特點

選取過渡段淺區(qū)橫截面（圖5），2002年10月～2003年3月、2003年9月～12月牯牛沙水道深槽明顯沖刷，而2003年3～9月深槽淤積，表明牯牛沙水道深槽遵循“洪季淤積，枯季沖刷”的基本規(guī)律，與長江中下游微彎河段深槽演變規(guī)律相一致［6］。灘槽沖淤與主流平面位置息息相關，主流位置與深泓變化密切相關（圖6）。牯牛沙水道在平常水文年，深泓較為穩(wěn)定，但遇大洪水年出現(xiàn)一定擺動，如1998年和1999年連續(xù)大水年，深泓右擺較為明顯，最大擺幅達820 m。大水年過后經歷了中小水年，深泓逐漸回擺，但仍未能恢復至20世紀90年代中期以前的位置。2002年11月與1995年12月相比較，過渡段深泓右擺約375 m。綜上，充分體現(xiàn)微彎河段水流運動特征，深泓年內遵循“洪水趨直，枯水坐彎”的變化規(guī)律。

圖4 牯牛沙邊灘面積和寬度變化Fig.4 Variation of area and width of Guniusha side bar

3三峽工程、航道整治工程作用下牯牛沙水道灘槽演變特點

3.1邊灘演變特點

已有研究表明［12］，三峽水庫蓄水初期，牯牛沙邊灘在年內“洪季淤積，枯季沖刷”的演變規(guī)律未發(fā)生變化。2003～2014年期間整體上牯牛沙邊灘的面積、寬度為減少趨勢，2009年之后受航道整治一期工程的影響，面積略有增加，但仍小于蓄水前多年均值，2014年2月～2016年3月牯牛沙邊灘面積較大幅度的淤長(圖4、圖7)。各階段牯牛沙邊灘的演變特點如下：（1）三峽水庫蓄水至一期航道整治工程前：2003～2009年期間邊灘沖刷后退，邊灘頭部及中上段左緣受沖后退，寬度變窄，面積減??；其中2003～2006年期間，0 m等深線累計后退約210 m（3#斷面），灘體面積減少約34％。（2）一期航道整治工程實施后：2009年以后受航道整治工程的影響，牯牛沙邊灘面積有所恢復，寬度略有增加，在風波港—九邊磯對開區(qū)域0 m等深線展寬較大；2009年1月～2013年3月年期間灘體面積增加，2014年2月灘體面積和寬度均略有減小，并在邊灘中部出現(xiàn)竄溝；右岸的團林岸邊灘形態(tài)變化不大，整體上仍維持為一個相對穩(wěn)定的凹岸邊灘。（3）二期航道整治工程實施后：2016年3月與2014年2月測圖比較，牯牛沙邊灘頭部淤漲較大，尾部的竄溝為發(fā)育趨勢，表明二期整治工程的實施對牯牛沙邊灘穩(wěn)定起到控制作用，團林岸邊灘變化不大。

圖5 牯牛沙水道深槽年內變化（2002～2003年）Fig.5 Intra?annual variation of the deep trough in the Guniusha waterway

圖6 牯牛沙水道深泓變化(1983～2002年)Fig.6 Thalweg evolution in the Guniusha waterway

3.2深槽變化特點

2003年以來，深泓年內仍遵循“洪水取直，枯水坐彎”的基本規(guī)律，過渡段深泓年際間擺動仍較為頻繁，2003～2009年最大擺幅達570 m。在三峽水庫蓄水至在一期航道整治工程前，2006年11月與2002年11月相比較，深泓縱向上在道士泭附近大幅沖刷，最大沖刷深度達22 m。在一期航道整治工程實施后，深泓縱向上為沖淤交替變化，整體為沖深趨勢（圖8）。過渡段淺區(qū)深槽的形態(tài)在整治工程前呈現(xiàn)“W”型，整治工程作用下淺區(qū)得到沖刷，深槽形態(tài)逐漸轉為“U”型，過渡段淺區(qū)上下深槽錯開格局消失，整個水道4.5 m航道水深貫通。

圖7 牯牛沙邊灘變化(2003～2016年)Fig.7 Shape evolution of Guniusha side bar(2003～2016)

圖8 2003年以來牯牛沙水道深槽變化Fig.8 Thawed evolution in the Guniusha waterway since 2003

4牯牛沙水道灘槽演變對水沙條件的響應關系

4.1灘槽演變對來水來沙條件的響應

三峽水庫蓄水后和蓄水前比較，漢口站水沙條件發(fā)生顯著變化，勢必影響牯牛沙水道灘槽演變過程。統(tǒng)計牯牛沙邊灘面積和寬度變化與漢口站汛后退水天數(shù)（漢口水文站10 000 m3/s＜Q＜20 000 m3/s）關系（圖9），分析表明：2010年以前（除2006年）牯牛沙邊灘寬度及面積與汛后退水期天數(shù)呈正相關關系，即年內退水時間越短，汛后水位的回落速度越快，邊灘寬度和面積越小，河道寬淺化程度越高；其中2006年為特枯年，漢口站Q＞30 000 m3/s，且水位高于現(xiàn)行航行基面上10 m的時間僅為20 d，全年基本處于沖刷狀態(tài)，故未出現(xiàn)寬淺礙航現(xiàn)象。整體上，三峽水庫蓄水至一期工程完工以前，牯牛沙邊灘形態(tài)變化與水沙條件表現(xiàn)出較好的適應性。

2011年為枯水年份，同時三峽水庫175 m蓄水，使得流量調節(jié)更為明顯，使得全年處于沖刷狀態(tài)。2010年牯牛沙水道一期航道整治工程完工，牯牛沙邊灘面積在工程作用下有所淤漲，2014年2月邊灘存在明顯竄溝發(fā)育，邊灘面積減小，這與2013年汛后退水天數(shù)較長相矛盾。綜上，2010年以來，牯牛沙邊灘面積和寬度與汛后退水天數(shù)的關系未表現(xiàn)出正相關關系，與流量過程的關系變弱，表明整治工程對維持邊灘形態(tài)起到較好的控制作用。1980～2003年期間汛后退水天數(shù)平均為92 d/a［8］，2003～2009年期間為46 d/a，2010～2014年期間為47 d/a。雖然牯牛沙邊灘形態(tài)變化因整治工程的影響與流量過程適應性趨差，但退水期天數(shù)減少仍是邊灘面積減小的重要成因。

三峽水庫蓄水后，漢口站壩下游干線河道輸沙量大幅減少，同時大流量被削減，使得汛期可淤積泥沙量減少，不利于邊灘的淤長。1990年左右牯牛沙邊灘受輸沙量減小影響，開始沖刷后退，灘面逐漸刷低，這一趨勢一直持續(xù)至2006年。2009年以來，牯牛沙水道實施了邊灘守護工程，牯牛沙邊灘面積小幅淤長，航道整治工程一定程度上促進邊灘淤長，但在汛后退水其天數(shù)縮短、輸沙量減少等綜合作用下，邊灘形態(tài)大小仍未能完全淤長至蓄水前的多年平均均值水平。

4.2航道整治工程對灘槽演變的影響

牯牛沙水道近期實施了兩期航道整治工程，工程位置在牯牛沙邊灘區(qū)域，一期工程主要是采用護灘帶形式對牯牛沙邊灘實施守護，屬于守護型治理工程，二期工程在一期工程已建護灘的基礎上實施了?。槪喂こ?，屬于調整型工程。由于治理工程力度的不同，對灘槽演變的影響也存在差異，主要體現(xiàn)在：

（1）牯牛沙邊灘面積上，針對微彎河段的凸岸邊灘，在三峽水庫蓄水后，由于汛后退水天數(shù)減少，同時含沙量也為減小趨勢，邊灘面積為減少趨勢［6］。牯牛沙邊灘在兩期航道整治工程實施后面積均有所增加，雖受水沙條件的影響，但2010年以來牯牛沙邊灘面積為淤長趨勢，主要受航道整治工程的作用，這也是面積與汛后退水期天數(shù)減少的相關性減弱的原因。

（2）灘槽形態(tài)上，一期航道整治工程實施前，過渡段淺區(qū)的斷面形態(tài)為“W”型，工程實施后，斷面形態(tài)逐漸轉為“U”型，過渡段淺區(qū)的航道水深得到提高（圖8、圖10）。在河相系數(shù)上（航行基準面），2007年2月、2011年11月和2014年3月分別為8.44、7.85和7.46，河相系數(shù)逐漸減小，斷面趨于窄深化發(fā)展。

圖9 牯牛沙邊灘寬度、面積與汛后退水期天數(shù)關系Fig.9 Relationship between width and area of Guniusha side bar and days of flood recession

圖10 過渡段淺區(qū)斷面形態(tài)變化Fig.10 Morphological changes of regional section in transition section

5新治理目標下牯牛沙水道的淺灘礙航特性分析

牯牛沙水道航道整治一期和二期工程的治理目標是使航道尺度為4.5 m×200 m，工程實施后治理目標已經實現(xiàn)。但隨著沿江地區(qū)經濟快速發(fā)展，對航道尺度的提升提出了更高的要求。為適應長江干線航運發(fā)展需求，《長江干線“十三五”航道治理建設規(guī)劃》提出“十三五”期長江干線武漢至安慶河段的航道治理目標為：實現(xiàn)6.0 m水深貫通，航道尺度建設標準為6.0 m×200 m。就新治理目標下的航道尺度而言，牯牛沙主要礙航問題是水深不足及局部洲灘不穩(wěn)定，具體表現(xiàn)為：

（1）大水年份過渡段淺區(qū)在洪水期淤積，同時三峽水庫蓄水后汛后退水天數(shù)減少，水位快速降落，過渡段淺區(qū)沖刷時間縮短，使得汛期淤積泥沙在汛末退水期未能得到有效沖刷而出淺礙航。

三峽水庫蓄水后的2010年大水年，洪水期過渡段淺區(qū)淤積明顯，汛后退水期天數(shù)較短（圖10），汛期深槽淤積的泥沙未能得到有效沖刷，使得6.0 m航槽斷開，甚至是上、下深槽錯開，航道條件較差；2011年為枯水年，同時洪水流量（漢口站Q＞30 000 m3/s）持續(xù)時間減少，汛后退水期天數(shù)較長，過渡段淺區(qū)得到有效沖刷，6.0 m航槽貫通；2012年為大水年，汛期過渡段也出現(xiàn)了淤積現(xiàn)象，6.0 m航槽雖貫通，但寬度較2011年有所減小，僅190 m左右；2013年為中水年，汛后退水天數(shù)較長，航道條件相對較好，6.0 m航槽貫通，寬度在200 m以上。

（2）在三峽水庫蓄水和一期航道整治工程作用下，過渡段淺區(qū)為沖刷趨勢，但近期邊灘面積為減小趨勢，同時存在竄溝發(fā)育，航道邊界條件仍不穩(wěn)定。

2003年11月與20世紀70年代相比，牯牛沙灘體的寬度減少約300 m，2009年8月與2003年11月比，邊灘頭部沖刷后退約160 m。一期工程實施后，一定程度上抑制了牯牛沙邊灘持續(xù)沖刷后退趨勢，至二期工程實施邊灘頭部有所淤長，上延約100 m，二期工程實施后，牯牛沙邊灘雖存在沖淤調整，但位置的變化不大。從縱向流速和含沙量分布情況上看（圖11），縱向上過渡段淺區(qū)段為流速大，含沙量小，在上游流域的來沙量減小和航道整治工程綜合作用下，過渡段（包含邊灘和深槽）存在沖刷趨勢。在橫向上，牯牛沙邊灘竄溝區(qū)域的流速大，含沙量小，在短時間內該竄溝仍存在發(fā)育趨勢，不利于航道邊界條件的長期穩(wěn)定(圖11)。

圖11 牯牛沙水道典型斷面流速和含沙量分布圖(測量時間2014年2月)Fig.11 Distribution of velocity and sediment concentration at typical section in Guniusha waterway

因此，針對6.0 m×200 m航道尺度目標而言，仍需采取的工程措施除能達到增強過渡段淺區(qū)沖刷動力，增加航道尺度的目的外，還需進一步增強灘體完整性和穩(wěn)定性。

6結論

以三峽水庫蓄水時間和航道整治工程作為時間節(jié)點，分析了不同階段牯牛沙水道灘槽的演變過程和規(guī)律，針對擬實施的武漢至安慶段6.0 m×200 m航道尺度提升目標，對礙航特性進行分析。認識如下：

（1）三峽水庫蓄水初期牯牛沙邊灘仍遵循蓄水前“洪季沖刷，枯季淤積”演變規(guī)律，其面積（0 m等深線）和寬度與汛后退水期天數(shù)呈正比例關系，體現(xiàn)了灘槽格局與新水沙條件的適應性。

（2）由于三峽水庫蓄水初期汛后退水天數(shù)減少，不利于邊灘形態(tài)的穩(wěn)定，同時輸沙量銳減進一步加速了邊灘的沖蝕過程。

（3）一期和二期航道整治工程實施后，邊灘面積呈現(xiàn)淤漲的態(tài)勢，灘體形態(tài)得到一定恢復，枯水期水流集中沖刷過渡段淺區(qū)，航道條件得到改善，實現(xiàn)了航道尺度為4.5 m×200 m的治理目標。

（4）針對航道尺度提高至6.0 m×200 m而言，牯牛沙水道在不利水文年作用下，尤其是汛后退水期較短的年份，由于過渡段淺區(qū)的沖刷能力減弱，進而導致出淺礙航；牯牛沙邊灘在航道整治工程作用下雖有所淤漲，但近期邊灘尾部的竄溝呈現(xiàn)發(fā)育態(tài)勢，航道邊界條件仍不穩(wěn)定。因此，采取的工程措施除能達到增強過渡段淺區(qū)沖刷動力，增加航道尺度的目的外，還需進一步增強灘體完整性和穩(wěn)定性。

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Response of channel?floodplain evolution to water?sediment conditions after regulation at Guniusha Waterway in the mid reach of the Yangtze River

HAN Fei
（Changjiang Waterway Bureau，Wuhan 430010，China）

This paper focused on the Guniusha Channel in the middle reaches of the Yangtze River,explored the evolution rules of shoals and channels under the combined action of many factors such as the operation of Three Gorges Project and the channel improvement project,and thus gained an in?depth understanding of the navigation obstacle characteristics of the Guniusha Channel under the new governance goal.Main conclusion:after the im?poundment of the TGR,the point bar in the Guniusha Channel still followed the rules before the impoundment,i.e., the scouring in flood season and the sedimentation in dry season,and the area(within the 0-m depth contour)and the width were in proportion to the number of days in the water?falling stage after flooding;after the impoundment of the TGR,the water?falling stage after flooding was shortened,which was adverse to the maintaining of point bar pat?tern;meanwhile,the sharp decline in sediment discharge further accelerated the washout process of the point bar, and therefore,the first?stage channel improvement project was implemented;after the implementation of the chan?nel improvement project,the area of the point bar exhibited the siltation and the pattern of beach body was restored to a certain degree;in dry season,the flow mainly scoured the shallow region in the transition section and improved the channel condition.If the channel dimension of the Guniusha Channel was increased to 6.0 m×200 m,a short wa?ter?falling period could reduce the flow′s scouring ability in the shallow region of the transition section,and there?fore the shallow region tended to be shallower and obstructed the navigation in adverse hydrologic years especially in the years with short water?falling stages after flooding.After the implementation of channel improvement mea?sures,although the point bar in Guniusha Channel exhibited the siltation,the chutes in the tail of the point bar were developed,i.e.,the boundary conditions of the Channel were still unstable.Therefore,with the aim of achieving a de?sirable channel dimension,the completeness and stability of the beach body should be further enhanced while the engineering measures are implemented for increasing the flow′s scouring ability in the shallow region of the transi?tion section.

Guniusha Waterway;beach trough evolution;water and sediment conditions;navigation character?istics;response relation

TV 147

A

1005-8443（2016）04-0392-07

2016-02-17；

2016-03-17

韓飛（1963-）,女,山西省盂縣人,高級工程師,主要從事長江中游河床演變和航道整治措施等相關研究。

Biography：HAN Fei（1963-）,female,senior engineer.