長江中游鹽船套至螺山河段航道整治工程對河道演變影響

(長江科學(xué)院 河流研究所，湖北 武漢 430010)

長江中游鹽船套至螺山河段航道整治工程對河道演變影響

唐峰朱勇輝姚仕明陳棟

(長江科學(xué)院河流研究所，湖北武漢430010)

長江干線航道以云南水富至長江口，素有“黃金水道”之稱。然而，長江干線部分河段河道蜿蜒曲折，灘多水淺，成為了長江黃金水道的“瓶頸”，有必要通過航道整治等措施來改善和提高長江干線航道通航能力。但是大規(guī)模的航道整治會對防洪、河勢帶來一些不利影響。為了研究這種不利因素的影響程度并提出對策措施，選取了長江中游典型河段鹽船套至螺山段作為研究對象，利用長江防洪實(shí)體模型開展了航道整治工程方案實(shí)施前后系列年動床模型試驗(yàn)，研究了工程方案實(shí)施前后該河段沖淤變化過程、沖淤規(guī)律、數(shù)量及分布，并在此基礎(chǔ)上研究了工程方案實(shí)施后對該河段的河勢及防洪產(chǎn)生的影響。研究成果可為該段航道治理工程方案的優(yōu)化及河勢控制工程規(guī)劃、設(shè)計(jì)等提供技術(shù)參考。

黃金水道；航道整治；河道演變；河勢；防洪

長江干線航道從云南水富至長江口，全長2 838 km，是國家綜合運(yùn)輸體系、長江運(yùn)輸大通道的核心，也是我國唯一一條貫穿東、中、西部地區(qū)的水路運(yùn)輸大通道，素有“黃金水道”之稱[1]。長江干線宜昌至安慶河段全長約1 087 km，河道蜿蜒曲折，灘多水淺，歷來是長江防洪和航道建設(shè)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。與上、下游相比，宜昌至安慶段航道標(biāo)準(zhǔn)明顯偏低，成為長江黃金水道的瓶頸，難以充分發(fā)揮其物流“動脈”暢通作用。因此，通過航道整治等工程措施改善和提高宜昌至安慶段的通航能力，具有十分重要的意義。

考慮到上游建庫后宜昌至安慶河段河道演變的復(fù)雜性，如部分河段河勢尚不穩(wěn)定、受人類活動影響顯著。航道整治一般為低水整治，屬于河道治理的一部分，而穩(wěn)定的河勢是整治的基礎(chǔ)，因此需要對河勢不穩(wěn)的河段采取河勢控制工程；同時航道整治還會對防洪、河勢帶來一些不利影響，尤其是大規(guī)模的航道整治，需在規(guī)劃階段開展其對防洪、河勢影響的研究，并針對不利影響提出對策措施。

本文針對長江宜昌至安慶段的地理位置及河型特點(diǎn)，選取了極具代表性的河段——鹽船套至螺山段作為研究對象，通過收集整理大量實(shí)測的水文、地形資料，對該河段的河道演變規(guī)律進(jìn)行了分析。在此基礎(chǔ)上，利用長江防洪實(shí)體模型開展了航道整治工程方案實(shí)施前后系列年動床模型試驗(yàn)，研究了工程前后該河段的沖淤變化規(guī)律及河勢變化趨勢，并在此基礎(chǔ)上分析了工程方案實(shí)施后對該河段的河勢及防洪產(chǎn)生的影響。研究成果可為該段航道治理工程方案的優(yōu)化及河勢控制工程規(guī)劃、設(shè)計(jì)等提供技術(shù)參考。

1 河道概況

模型試驗(yàn)河段上起下荊江鹽船套，下迄螺山，全長約86 km，包括下荊江出口段(鹽船套至城陵磯)、城螺河段以及洞庭湖出口洪道約7.5 km河段(岳陽至城陵磯)。其中下荊江出口段為重點(diǎn)研究河段，由荊江門、熊家洲、七弓嶺及觀音洲4個連續(xù)急彎段及彎道之間的過渡段組成，屬于典型的蜿蜒型河道[2]。

河段兩岸建有堤防工程，左岸有監(jiān)利長江干堤，右岸有岳陽長江干堤。近幾十年來，由于受下荊江裁彎、三口分流葛洲壩水利樞紐的建成運(yùn)行以及1998年大洪水等因素的影響，下荊江出口段的河道演變特點(diǎn)主要表現(xiàn)為凹岸不斷崩退、凸岸不斷淤長、彎頂逐漸下移以及河身向下游蠕動。三峽水庫蓄水運(yùn)用后，由于上游來沙量急劇減少，水沙條件的變化導(dǎo)致該河段河槽沖刷，河勢發(fā)生了較大調(diào)整，主要表現(xiàn)為：主流出熊家洲彎道后不再過渡到右岸而直接沿八姓洲西岸下行；七弓嶺和觀音洲彎道發(fā)生“撇彎切灘”；彎道凹岸深槽上段淤積、下段沖刷并向下游方向延伸；凸岸邊灘上游面沖刷、下游面回淤；洲頭“切灘撇彎”；彎道凹岸下游的未護(hù)岸地段岸線崩塌。

該試驗(yàn)段徑流和泥沙主要由宜昌上游來水來沙控制，同時受荊江三口分流分沙變化及洞庭湖匯流水沙變化的影響，選取監(jiān)利水文站為荊江進(jìn)口水沙特征代表站。三峽水庫蓄水運(yùn)用以前，根據(jù)監(jiān)利站1951～2002年的實(shí)測資料統(tǒng)計(jì)，多年平均流量11 400 m3/s，多年平均徑流量3 596億m3，徑流年內(nèi)分配不均，74.6%的徑流量集中在5～10月的汛期；多年平均懸移質(zhì)輸沙量3.51億t，多年平均輸沙率11 130 kg/s，多年平均含沙量1.00 kg/m3；輸沙量年內(nèi)分配極不均勻，汛期5～10月輸沙量占年輸沙總量的90.3%，相比水量更為集中。三峽水庫蓄水運(yùn)用以后，根據(jù)監(jiān)利站2003～2015年資料統(tǒng)計(jì)，多年平均流量11 576 m3/s，相應(yīng)徑流量3 649億m3；徑流年內(nèi)分配不均，71.3%的徑流量分布在汛期5～10月；多年平均輸沙量僅0.75億t，較建庫前減少78.6%，上游來沙的減少，導(dǎo)致荊江河段河道將在一段時期內(nèi)將受到?jīng)_刷。

2 動床模型設(shè)計(jì)

2.1 模型模擬范圍

動床模型模擬范圍上起鹽船套(荊171)，下至螺山，河段全長約85 km，包括下荊江出口段及江湖匯流段。由于該河段有洞庭湖匯入，匯流將直接影響該河段的水流條件及河床沖淤變化，因此模型對洞庭湖出口洪道進(jìn)行了模擬，范圍為南津港至蓮花塘，原型長約14 km。

2.2 模型相似條件

根據(jù)研究內(nèi)容和試驗(yàn)河段的水沙條件及河床組成情況，動床模型除滿足幾何相似和水流運(yùn)動相似外，還應(yīng)滿足泥沙運(yùn)動相似條件，動床模型各類比尺匯總于表1。最終的河床變形時間比尺、含沙量比尺需通過驗(yàn)證試驗(yàn)確定。

表1 動床模型各類比尺匯總

2.3 模型測控系統(tǒng)

試驗(yàn)河段模型試驗(yàn)放水要素采用計(jì)算機(jī)自動控制，其中長江和洞庭湖模型進(jìn)口流量分別由3臺電磁流量計(jì)交互控制，進(jìn)口沙量分別由3臺螺桿泵采用調(diào)頻器交互控制，出口水位由1臺梭拉式尾門自動調(diào)節(jié)。模型試驗(yàn)中采用自動水位儀來觀測模型沿程水位，采用多點(diǎn)式光電流速儀、自動測淤儀以觀測斷面流速分布及河床地形等。

2.4 模型驗(yàn)證

動床模型驗(yàn)證試驗(yàn)主要是通過對水面線、斷面流速分布和河床沖淤變形等要素的驗(yàn)證試驗(yàn)，以檢驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)、選沙及各項(xiàng)比尺的合理性，從而保證模型方案試驗(yàn)的可靠性，并最終確定模型的含沙量比尺與河床沖淤變形時間比尺，為后期開展航道整治工程方案實(shí)施前后河床沖淤變化試驗(yàn)研究奠定基礎(chǔ)。

驗(yàn)證試驗(yàn)初始河床地形采用2008年10月底實(shí)測1∶10 000水下地形圖，模型施放2008年10月至2011年11月的水沙過程，以復(fù)演2011年11月實(shí)測河床地形。

動床模型驗(yàn)證試驗(yàn)研究成果表明，模型沿程水位及垂線平均流速沿河寬的分布與原型基本相似，各段不同流量級下河床沖淤量總的變化規(guī)律與原型基本一致，模型深泓位置、斷面形態(tài)橫向分布與原型基本吻合，較好地復(fù)演了原型灘槽泥沙運(yùn)動沖淤規(guī)律，表明模型設(shè)計(jì)、選沙及各項(xiàng)比尺的運(yùn)用基本合理。

3 航道整治工程布置方案

根據(jù)航道部門提供的航道工程治理推薦方案[3]，如圖1所示，本次動床模型試驗(yàn)對擬實(shí)施的航道工程方案進(jìn)行了模擬，其航道治理思路為調(diào)整并改善彎道段的灘槽形態(tài)，增強(qiáng)水流歸槽沖刷能力，穩(wěn)定主槽地位，改善航道條件。具體布置方案為：①在荊江門彎道反咀凸岸側(cè)實(shí)施4道護(hù)底帶，并對反咀凸岸高灘實(shí)施守護(hù)；②在熊家洲彎道彎頂處布置4條護(hù)灘帶；③在七弓嶺彎頂凸岸側(cè)布置3條護(hù)灘帶，并對八姓洲西側(cè)岸線實(shí)施守護(hù)；④在觀音洲彎道下游布置4道勾頭丁字型護(hù)灘帶；⑤對南陽洲右緣及費(fèi)家墩邊灘實(shí)施守護(hù)。

圖1 航道整治工程布置方案

4 動床模型預(yù)測試驗(yàn)[4]

4.1 模型試驗(yàn)條件

(1) 邊界條件。長江鹽船套至螺山段河道沖淤試驗(yàn)?zāi)M范圍與動床模型驗(yàn)證試驗(yàn)范圍一致。試驗(yàn)初始地形采用2014年2月實(shí)測1∶10 000河道地形。本次動床模型沖淤試驗(yàn)研究按航道治理工程實(shí)施前后兩個條件進(jìn)行模型試驗(yàn)：①條件1根據(jù)試驗(yàn)河段已實(shí)施河道整治工程和航道整治工程，模型對荊江門、熊家洲、七弓嶺、觀音洲等部位護(hù)岸工程和已實(shí)施航道工程以及岳陽洞庭湖大橋、荊岳長江公路大橋等進(jìn)行了模擬；②條件2在條件1的基礎(chǔ)上增加此次航道部門提供的航道工程治理推薦方案。

(2) 水沙條件。模型試驗(yàn)時段為10 a，試驗(yàn)系列年可在距今較近的年份選擇，2008～2012年5 a中涵蓋了大、中、小水文年，具有一定的代表性。因此，初步選擇監(jiān)利站和七里山站實(shí)測10 a水沙組合(2008+2009+2010+2011+2012+2008+2009+2010+2011+2012)進(jìn)行系列年試驗(yàn)。依據(jù)實(shí)測資料對試驗(yàn)河段沿程水位、進(jìn)口流量與輸沙量等水沙條件進(jìn)行不同時段步長概化，其中模型模擬進(jìn)口的輸沙量取粒徑大于0.05 mm泥沙。

4.2 模型試驗(yàn)成果分析

4.2.1 河床沖淤量及枯水河槽平均沖淤分布

(1) 航道整治工程實(shí)施前，系列年動床模型試驗(yàn)全河段以沖刷為主，各河段沖刷強(qiáng)度有所不同，其中下荊江出口段(鹽船套至城陵磯)沖刷強(qiáng)度大于城螺河段沖刷強(qiáng)度；而下荊江出口各段沖刷強(qiáng)度差別不大，其中荊江門河段沖刷強(qiáng)度相對較弱。下荊江出口段(鹽船套至城陵磯)系列年第4 a末枯水河槽累計(jì)沖刷2 897.9萬m3，平均沖深0.55 m；第5 a后沖刷強(qiáng)度有所減弱，至10 a末枯水河槽累計(jì)沖刷4 636.5萬m3，平均沖深0.87 m。城螺河段系列年第4 a末枯水河槽累計(jì)沖刷1 028.5萬m3，平均沖深0.26 m；系列年第10 a末枯水河槽累計(jì)沖刷1 514.6萬m3，平均沖深0.39 m。

(2) 與航道整治工程實(shí)施前相比，工程實(shí)施后全河段仍以沖刷為主，但整體沖刷量小于工程實(shí)施前。其中荊江門河段(利5～荊175)10 a末累計(jì)沖刷387.3萬m3，較工程前減少6.8%；熊家洲河段(荊175～荊179)10 a末累計(jì)沖刷1 017.6萬m3，較工程前減少9.4%；七弓嶺河段(荊179～荊181)10 a末累計(jì)沖刷1 513.3萬m3，較工程前減少4.6%；觀音洲河段(荊181～利11)10 a末累計(jì)沖刷1 431.3萬m3，較工程前減少5.3%；城螺河段(利11～螺山)10 a末累計(jì)沖刷1 485.8萬m3，較工程前減少1.9%。經(jīng)統(tǒng)計(jì),下荊江鹽船套-城陵磯河段4 a末累計(jì)沖刷2 633.9萬m3，較工程前減少9.1%，平均沖深0.50 m；10 a末枯水河槽累計(jì)沖刷4 349.6萬m3，較工程前減少6.2%，平均沖深0.82 m。

4.2.2 汊道分流比變化

試驗(yàn)對運(yùn)行10 a末分汊河段南陽洲左右汊分流比進(jìn)行了觀測，不同流量條件下南陽洲右汊均為主汊，且隨流量的增加而增大，右汊分流比也略有增大；航道整治工程實(shí)施后，由于南陽洲右緣下段護(hù)岸工程及費(fèi)家墩右岸護(hù)岸工程的實(shí)施，制約了右汊河床的橫向擴(kuò)展，與工程實(shí)施前相比，不同流量下南陽洲右汊分流比略有減小，其中多年平均流量11 397 m3/s減小幅度最大。工程實(shí)施后右汊分流比為72.5%，較工程前減小2.3%；枯水流量6 495 m3/s時，工程后右汊分流比為71.8%，較工程前減小1.3%；平灘流量22 088 m3/s時，工程實(shí)施后右汊分流比為73.5%，較工程前減小1.9%。

4.2.3 航道整治工程實(shí)施前后河勢變化對比

通過分析航道整治工程實(shí)施前后兩組條件下模型試驗(yàn)成果可知，系列年動床模型試驗(yàn)第4 a及第10 a末，鹽船套至城陵磯河段河勢仍維持現(xiàn)有格局，從灘槽形態(tài)變化看，與工程實(shí)施前相比，工程實(shí)施后該河段灘槽格局基本穩(wěn)定，灘槽變化主要體現(xiàn)在工程區(qū)域附近。

以七弓嶺彎道段為例作進(jìn)一步說明(圖2)，其第4 a末地形主要特點(diǎn)有：經(jīng)過4 a水沙連續(xù)作用后，從灘槽形態(tài)變化看，七弓嶺河段工程實(shí)施后灘槽格局基本穩(wěn)定，灘槽變化主要體現(xiàn)在工程區(qū)域附近。工程方案實(shí)施后，在彎道凸岸實(shí)施的3道護(hù)灘帶以及八姓洲護(hù)岸工程，有效地遏制了彎道進(jìn)口過渡段凸岸邊灘的沖刷崩退，同時由于護(hù)灘帶能起到減緩水流流速的作用，凸岸邊灘回淤，促使河槽斷面縮窄，水流歸槽，有利于航道條件的改善。其中3道護(hù)灘帶之間的凸岸邊灘出現(xiàn)了一定程度的淤積，與工程實(shí)施前4 a末地形比較，工程實(shí)施后4 a末凸岸邊灘20 m等高線向右岸最大回淤約350 m，見圖2。由于彎道進(jìn)口過渡段凸岸邊灘不再沖刷崩退轉(zhuǎn)而向右岸回淤，致使河槽斷面縮窄，過渡段深泓右擺，促使水流向凹岸深槽過渡，增大了水流對右岸深槽沖刷的強(qiáng)度，右岸深槽相應(yīng)沖刷下切；與工程實(shí)施前4 a末地形比較，工程實(shí)施后4 a末過渡段深泓右擺約230 m，彎道主流頂沖點(diǎn)相應(yīng)有所上提，右岸深槽最大沖深約5.9 m。

圖2 工程前后4 a末七弓嶺彎道附近橫斷面變化

第10 a末地形主要特點(diǎn)(圖3)：經(jīng)過10 a水沙連續(xù)作用后，同第4 a后相似，七弓嶺河段工程實(shí)施后灘槽格局基本穩(wěn)定，灘槽變化也主要體現(xiàn)在工程附近，但工程對附近河勢的影響逐漸加強(qiáng)。3道護(hù)灘帶之間的凸岸邊灘發(fā)生明顯淤積，與工程實(shí)施前10 a末地形比較，工程實(shí)施后10 a末凸岸邊灘20m等高線向右岸最大回淤約400 m，見圖3，其范圍和淤積程度有一定增大。由于彎道進(jìn)口過渡段凸岸邊灘不再沖刷崩退轉(zhuǎn)而向右岸回淤，致使河槽斷面縮窄，過渡段深泓右擺，促使水流向凹岸深槽過渡，增大了水流對右岸深槽沖刷的強(qiáng)度，右岸深槽相應(yīng)沖刷下切；與工程實(shí)施前10 a末地形比較，工程實(shí)施

圖3 工程實(shí)施前后10 a末七弓嶺彎道附近橫斷面變化

后10 a末過渡段深泓右擺幅度增大，最大擺幅約380 m，彎道主流頂沖點(diǎn)繼續(xù)上提，右岸深槽沖刷下切幅度增大，最大沖深約8.6 m。

5 結(jié) 語

系列年動床模型試驗(yàn)研究成果表明，經(jīng)過10 a水沙連續(xù)作用后，航道整治工程實(shí)施后的鹽船套至螺山河段灘槽格局基本穩(wěn)定，灘槽變化也主要體現(xiàn)在工程附近。工程實(shí)施后，新建護(hù)灘帶之間的凸岸邊灘發(fā)生明顯淤積。由于彎道進(jìn)口過渡段凸岸邊灘不再沖刷崩退轉(zhuǎn)而向?qū)Π痘赜?，致使河槽斷面縮窄，過渡段深泓向?qū)Π稊[動，彎道主流頂沖點(diǎn)上提，促使水流向?qū)Π渡畈圻^渡，增大了水流對對岸深槽沖刷的強(qiáng)度，對岸深槽相應(yīng)沖刷下切。與工程實(shí)施前相比，工程實(shí)施后10 a末荊江門、熊家洲、七弓嶺原彎道凹岸深槽以及觀音洲彎道出口段左岸深槽均有不同程度沖深，建議對深槽沖刷下切及近岸流速增大的部位實(shí)施河勢控制工程。

[1] 長江科學(xué)院.長江干流武漢至安慶段提高航道標(biāo)準(zhǔn)可行性論證總報(bào)告[R]. 武漢：長江科學(xué)院，2014.

[2] 余文疇,盧金友.長江河道演變與治理[M].北京:中國水利水電出版社,2005.

[3] 長江航道規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院. 長江干流武漢至安慶段航道整治方案[R]. 武漢：長江航道規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院2015

[4] 唐峰，朱勇輝，陳棟．長江宜昌至安慶段提高航道標(biāo)準(zhǔn)治理工程實(shí)體模型試驗(yàn)報(bào)告(鹽船套至螺山段)[R]．武漢：長江水利委員會長江科學(xué)院，2015.

(編輯：李曉濛)

2017-09-15

國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(51339001)；國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(51579015)；國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃水資源高效開發(fā)利用重點(diǎn)專項(xiàng)課題資助(2016YFC0402305, 2016YFC0402310，2017YFC040306)；中央級公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)(CKSF2016032)

唐 峰，男，長江科學(xué)院河流研究所，高級工程師.

1006-0081(2017)11-0039-04

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