監(jiān)利水文站斷面特性變化初步分析

(長江水利委員會水文局荊江水文水資源勘測局沙市分局，湖北 荊州 434000)

斷面特性變化規(guī)律的研究是河道演變規(guī)律研究的基礎，也是水文測驗精度控制的重要內容[1]。監(jiān)利水文站位于監(jiān)利河段，是監(jiān)利河段水沙代表站，也是長江中下游荊江河段重要控制站。監(jiān)利水文站下游5 km左右為烏龜洲，所在河段為典型的彎曲分叉型河段。1998年開始，烏龜洲水流主泓移到右汊，對監(jiān)利斷面的形態(tài)產(chǎn)生一定的影響。同時，20世紀90年代以來，監(jiān)利站的輸沙量呈逐年遞減的趨勢，2003年6月三峽水庫蓄水運用后，該站的輸沙量進一步減小[2]。2009年，黃莉等[3]對監(jiān)利水沙特性進行分析，指出三峽水庫蓄水運用初期，上游來沙的60%被攔在庫內，出庫及壩區(qū)下游水流含沙量大幅減小，監(jiān)利站同流量條件下含沙量明顯減小，并且低含沙水流下泄，壩下游河床沿程沖刷，各站懸移質輸沙均發(fā)生粗化，監(jiān)利站2006年來沙粗化最為明顯。在上游來水來沙條件發(fā)生變化的情況下，監(jiān)利水文站斷面以及監(jiān)利河段形態(tài)必然會有一定的調整。2008年，黃莉等[2]對監(jiān)利河段橫斷面幾何形態(tài)變化進行研究后得出，監(jiān)利河段在三峽水庫蓄水后發(fā)生調整，且調整仍在進行中。研究監(jiān)利水文站斷面特性變化規(guī)律，并分析斷面變化原因，對研究監(jiān)利河段河道演變以及提高水文測驗精測度具有重要意義，可為進一步分析監(jiān)利水文站測驗方式創(chuàng)新及單值化分析提供依據(jù)，并可對三峽清水下泄條件下監(jiān)利河段演變規(guī)律形成初步認識，同時也能夠為彎曲分汊河段上游河道斷面變化規(guī)律提供參考。

1 研究背景

1.1 研究區(qū)概況

監(jiān)利水文站位于東經(jīng)112°38′，北緯29°42′。1950年設立，1970年下遷至湖南華容洪山頭，1975年遷回監(jiān)利，1996年水位觀測遷往城南，2010年遷往上游鄢鋪汽渡碼頭上游約1 300 m，更改站名為監(jiān)利(二)站。

監(jiān)利水文站斷面位于基上30 m，斷面上、下游各有約500 m長的順直河段，中高水河槽寬1 100～1 300 m，低枯水水位受上游磯頭影響，右岸起點距1 250 m附近偶爾出現(xiàn)回流。河床多為中細沙，右岸為陡坡，有水泥塊護岸，岸線順直穩(wěn)定?；录s4 km和 5.5 km處分別是監(jiān)利西門淵閘和一磯頭。位于一磯頭附近的烏龜洲上下延伸約6 km，面積約8.4 km2，將干流分南北兩股下泄，從1998年開始該水流主泓移到右汊，對監(jiān)利斷面水流產(chǎn)生一定影響。在下游約95 km處，洞庭湖與長江交匯，使監(jiān)利站水位-流量關系受回水頂托影響明顯。監(jiān)利河段受長江上游來水以及洞庭湖頂托的綜合影響，斷面變化頻繁劇烈。監(jiān)利水文站測驗河段平面見圖1。

圖1 監(jiān)利水文站測驗河段平面

1.2 數(shù)據(jù)來源

采用1998～2016年監(jiān)利站數(shù)據(jù)資料。2003年6月三峽水庫開始蓄水，1998～2002年為三峽水庫蓄水之前斷面數(shù)據(jù)，2003～2016年為三峽水庫蓄水后斷面數(shù)據(jù)，每年斷面數(shù)據(jù)包括汛前和汛后數(shù)據(jù)，其中水下數(shù)據(jù)由回聲儀施測，岸上部分由水準儀、經(jīng)緯儀(或全站儀)施測。監(jiān)利站懸移質輸沙率采用橫式采樣器采樣。1998～2009年采用轉子式流速儀施測了流量數(shù)據(jù)，2010～2016年則采用ADCP施測。

2 懸移質輸沙量、徑流量變化

水沙條件的改變對斷面變化的影響較大，1998～2016年監(jiān)利站懸移質輸沙量、徑流量變化如圖2所示。

圖2 懸移質輸沙量、徑流量過程

分析結果表明：1998～2016年，監(jiān)利站徑流量和懸移質輸沙量呈遞減趨勢。1998年徑流量為4 413億m3，在2016年減小至3 853億m3，徑流量最小年為2006年，僅為2 718億m3。懸移質輸沙量1998年為 4.070億t，2016年減小至3 290萬t，最小年為2016年。在2003年之前，徑流量與懸移質輸沙量呈同規(guī)律變化；2003～2011年徑流量與懸移質輸沙量只在極小年呈相同的變化趨勢；2011～2016年，徑流量與懸移質輸沙量變化規(guī)律大致相同，但懸移質輸沙量變化幅度明顯減小。

3 斷面特性變化

3.1 斷面形態(tài)變化

分析1998～2016年斷面數(shù)據(jù)，繪制大斷面圖，通過分析斷面變化過程，發(fā)現(xiàn)監(jiān)利水文站斷面變化分為3個階段。

(1)第一階段：1998～2001年。斷面呈“U”型，整個斷面沖淤變化較大。1998～2001年，監(jiān)利水文站斷面平均輸沙量為34 300萬t，含沙量較大，斷面呈現(xiàn)明顯的“汛淤枯沖”的特點。選取典型年份圖形，以2000年4月為例，斷面變化過程如圖3所示。

圖3 2000年4月斷面

(2)第二階段：2002～2009年。2002～2008年監(jiān)利斷面左右岸變化劇烈，左岸逐漸淤積，右岸不斷下切，高中水位時斷面呈“U”型，低水位時呈“W”型。從2001年汛期結束到2002年5月，斷面左岸河底高程迅速下切，連續(xù)7 a枯水期斷面呈明顯“W”型。經(jīng)過探討排除人為違禁采沙因素的影響，經(jīng)過查閱資料未發(fā)現(xiàn)2002年有特殊水情，該變化原因有待商榷，初步考慮是由于1998年大水以及烏龜州1998年主汊變化后的河道調整滯后作用引起變化。2016年，廖治棋等[4]對監(jiān)利站平灘面積對水沙條件變化的滯后響應進行研究后發(fā)現(xiàn)，滯后響應時間為3 a，從時間上來說該解釋符合，但合理性有待考證。以2007年2月為例，繪制斷面變化過程圖(見圖4)。

圖4 2007年2月斷面

(3)第三階段：2009～2016年。經(jīng)過上一階段沖刷變化，監(jiān)利斷面呈偏“V”型，深泓線偏右， 2009～2016年監(jiān)利水文站斷面平均輸沙量為3 070萬t，較小的輸沙量致使監(jiān)利斷面沖淤變化小，斷面形狀基本穩(wěn)定，左岸沖淤變化頻繁，右岸沖淤變化較小。以2009年3月為例，繪制斷面變化過程圖(見圖5)。

圖5 2009年3月斷面

3.2 斷面面積變化

根據(jù)監(jiān)利水文站1998～2016年實測大斷面資料，選取2003年三峽水庫蓄水后最高水位 36.36 m(2012年),計算斷面面積，繪制斷面面積變化曲線，如圖6所示，對斷面面積變化進行分析。

圖6 面積變化曲線

從監(jiān)利水文站斷面面積變化曲線圖可以看出，2003年之前，監(jiān)利斷面呈現(xiàn)出明顯的“汛淤枯沖”特點，年內面積變化較大，在2003年尤其是2008之后，斷面不再呈現(xiàn)“汛淤枯沖”特點，斷面面積年內變化減小，因此可將斷面面積變化過程分為兩個時期。

(1)第一時期：2003年之前。斷面年內變化大，枯季斷面面積增大，斷面沖刷大于淤積；汛期斷面面積減小，斷面淤積大于沖刷；斷面呈現(xiàn)逐年緩慢淤積的趨勢。

(2)第二時期：2003年以后。斷面2003年內變化減小，斷面呈逐步輕微沖刷態(tài)勢，引起該變化的原因主要在于：2003年6月，三峽水庫開始蓄水，引起清水下泄，斷面輸沙量大幅度減少，斷面以沖刷為主。由于河床演變對來水來沙條件存在普遍的滯后響應[5]，所以該變化在2004年之后逐步明顯。

3.3 斷面深泓變化

河道主流線是決定河勢變化的重要因素，而深泓擺動在一定程度上可以反映主流的擺動[6]。單個斷面的深泓雖然不能完全代表河段的深泓線擺動情況，但仍具有一定的參考意義。1998～2016年，監(jiān)利水文站斷面深泓的位置變化如圖7所示，除個別年份稍微左移，基本穩(wěn)定在起點距1 200 m左右。深泓高程變化如圖8所示，1998～2003年，趨勢線略微上升，主要是由于1991年深泓高程變小，5 a間斷面深泓高程極大值與極小值相差1.63 m；2000～2003年，深泓高程基本不變。因此，1998～2003年，斷面深泓高程基本穩(wěn)定；2004～2016年，趨勢線斜率為負值，深泓高程呈減小趨勢，斷面深泓逐年沖刷，斷面高程極大值與極小值間相差 8.51 m，且年間變化幅度增大。該變化主要是斷面輸沙率減小以及斷面形態(tài)變化引起的，監(jiān)利斷面左岸為砂質河床，右岸為護坡，左岸不斷淤積，致使斷面右側過水面積不斷增大。由于護坡的存在，水流繼續(xù)向右沖刷受到阻礙，水流開始沖刷右岸底部的泥沙，由于斷面輸沙率減小，所以逐年沖刷大于淤積，致使斷面深泓呈逐年沖刷的趨勢。

圖7 監(jiān)利站深泓位置變化

圖8 監(jiān)利站深泓高程變化

4 特殊水情年份斷面變化分析

通過研究分析大水年大斷面變化特征，能夠很好地指導水文測報工作。2012年徑流量、懸移質輸沙量較大，最大流量值35 300 m3/s，具備一定的代表性。繪制斷面圖9，分析2012年年內年際斷面變化情況以及大水年監(jiān)利斷面變化特點。通過全年實測流量測點，繪制大水年2012年及平水年2015年與2016年斷面水位面積關系曲線圖，并進行了分析比較。

圖9 2011～2013年大斷面變化

圖10 2012年水位面積關系曲線

從圖9和圖10可看出，在大水年份，由于攜沙量變大、水流的沖刷作用增強，大斷面年內年際變化較大，在同水位條件下(2012年最高水位36.36 m)，2012年10月斷面面積比2012年3月減小了1 000 m2，比2011年8月減小了1 100 m2。汛期左岸淤積明顯，右岸深泓繼續(xù)沖刷。大洪水過程：表現(xiàn)為漲洪時，水流攜帶大量泥沙，沖刷斷面；落洪時，水流依舊攜帶大量泥沙，流速減小，一部分推移質轉化為床沙質，斷面不斷變化，洪水漲落使水位面積關系呈散亂狀且不穩(wěn)定。平水年2015較2016年水流的輸沙能力減弱，水流攜沙能力小，床沙質與推移質轉換小，水位面積關系線基本穩(wěn)定。從圖11可看出，監(jiān)利水文斷面變化與水流作用關系密切，在大水年份，斷面變化劇烈，應加密大斷面測次。

圖11 2015年與2016年水位面積關系曲線

5 結 論

通過對1998～2016年監(jiān)利水文站斷面資料分析，得出以下結論。

(1)監(jiān)利水文站斷面1998～2016年經(jīng)歷了3個變化階段。第一階段，斷面呈“U”型；第二階段，高中水位時斷面呈“U”型，低水位時呈“W”型；第三階段，為穩(wěn)定的偏“V”型，深泓線偏右，斷面左岸受沖淤作用以及人為因素影響較大。

(2)2003年之前，監(jiān)利水文站斷面面積年內變化大，斷面呈緩慢淤積趨勢；2003年以后，三峽水庫開始蓄水，引起清水下泄，斷面年內變化變小，斷面呈逐年輕微沖刷趨勢。

(3)1998～2016年，監(jiān)利水文站斷面深泓位置除個別年份稍微左移外，基本穩(wěn)定在起點距1 200 m左右。1998～2003年，深泓高程基本不變；2004～2016年，斷面深泓逐年沖刷，且年內變化幅度增大。

(4)監(jiān)利水文斷面變化與水流作用關系密切，在大水年份，斷面變化劇烈，應加密大斷面測次。