丹江口水庫蓄水以來漢江中下游河床沖淤變化研究

白亮 許全喜 董炳江

摘要：丹江口水庫蓄水運用后，漢江中下游河床發(fā)生了顯著調(diào)整。為了加深對水庫調(diào)蓄影響下漢江中下游河床整體沖淤規(guī)律的認識，根據(jù)大量實測資料，對漢江中下游水沙與河床沖淤變化進行了較為系統(tǒng)的分析。結(jié)果表明：丹江口水庫蓄水運用后，漢江中下游洪峰削減，枯水期流量增大，中水期延長，徑流年內(nèi)分配更加均勻，壩下游輸沙總量大幅度減少。南水北調(diào)中線工程運行后，徑流年內(nèi)分配更趨均勻，壩下游輸沙量進一步減少。1978～2020年，丹江口至河口河段平灘河槽沖刷了10.75億m3，沖刷強度自上而下逐步減小;中游丹江口至碾盤山河段仍是沖刷發(fā)展最為劇烈的河段。近期河床演變分析結(jié)果表明：丹江口至襄陽河段洲灘變化較大，江心灘面積有所淤長且整體下移;襄陽至碾盤山河段洲灘、汊道基本穩(wěn)定，河道游蕩性減弱;碾盤山至仙桃河段深泓線橫向擺動頻繁，洲灘沖淤變化較為劇烈;仙桃至河口河段河床演變強度相對較小，但局部彎道有裁彎取直現(xiàn)象發(fā)生。分析成果可為漢江中下游防洪減災、規(guī)劃設(shè)計、河道治理、采砂管理、航道整治等提供參考。

關(guān) 鍵 詞：水沙變化; 河床沖淤; 漢江中下游; 丹江口水庫; 南水北調(diào)中線工程

中圖法分類號： TV152

文獻標志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.12.003

0 引 言

漢江發(fā)源于陜西省秦嶺南麓，是長江中游北岸最大支流，干流流經(jīng)陜西、湖北兩省，全長1 577 km。全流域分3個典型河段：丹江口以上河段為上游，具峽谷、盆地交替特點，河長925 km;丹江口至鐘祥河段為中游，流經(jīng)丘陵地帶，河谷開闊、覆蓋層深厚，河長270 km;鐘祥以下至漢口為下游，流經(jīng)江漢平原，河道逐漸縮窄，河長382 km。

丹江口水利樞紐是漢江綜合利用開發(fā)治理的關(guān)鍵性水利工程，也是南水北調(diào)中線工程的供水水源工程[1]。丹江口水利樞紐采用分期興建的方案，初期工程正常蓄水位為157 m，于1967年7月開始攔洪，1973年底建成[2]。為了實施南水北調(diào)中線工程，丹江口水庫正常蓄水位需從157 m提高至170 m，大壩加高工程于2013年8月通過蓄水驗收，2014年12月正式向北方送水，標志著丹江口水利樞紐全面轉(zhuǎn)入正常運行期[3]。根據(jù)規(guī)劃，丹江口水庫以下有王甫洲、新集、崔家營、雅口、碾盤山和興隆6級開發(fā)方案，均為平原型河床式水電站，水庫容量和調(diào)節(jié)能力均較小，目前，王甫洲、崔家營、興隆等電站已陸續(xù)建成[4-5]。

大型水庫蓄水運用后，壩下游河段均出現(xiàn)了長時間、長距離的沖淤調(diào)整[6-8]。丹江口水庫蓄水運用后，漢江中下游河床也發(fā)生了顯著調(diào)整，專家學者們對此也開展了大量研究。如毛紅梅等分析了碾盤山至仙桃河段1978～2005年河道演變規(guī)律，認為受清水下泄影響，整個河段總體呈沖刷態(tài)勢，且沖淤尚未達到平衡[9];童輝等對漢江河口段1978～2010年河道演變規(guī)律進行了分析，認為受兩岸堤防和護岸工程的約束，河道橫向變形不大，河勢基本穩(wěn)定[10];林云發(fā)對漢江中游河段1978～2012年沖刷狀況進行了分析，認為壩下游河段沖刷強度隨時間及距壩里程的不同而發(fā)生變化，重點沖刷河段由丹江口至襄陽河段向下游發(fā)展，建議加強壩下河段沖刷的監(jiān)測與分析[11];盧婧等對興隆水利樞紐壩下游河段1978～2016年河床演變規(guī)律進行了分析，認為在今后較長時期內(nèi)，該河段河床仍將呈沖刷趨勢，但隨著河道沖刷下移及自身調(diào)整，將逐步向沖淤平衡方向發(fā)展，總體河勢將趨于穩(wěn)定[12]。此外，一些專家學者在更小范圍和更細分方向，對漢江中下游的河床沖淤進行了分析研究。如唐金武等對漢江中游仙人渡河段1978～2012年河道演變規(guī)律及趨勢進行了分析，認為該河段深泓平面位置總體基本穩(wěn)定，呈小幅度沖刷，不管洲中汊發(fā)展成為主汊的可能性很小[13];袁達全對漢江河口段河床演變及礙航特性進行了分析，認為白鴿嘴及以上灘段礙航較為嚴重，白鴿嘴以下灘段礙航情況相對較好，應(yīng)針對淺灘的礙航特性提出不同的治理思路[14];陳立等對漢江下游典型彎曲河段的單向沖刷特點進行了分析，認為仙桃至小陳家臺河段1977～2016年間處于單向沖刷階段，河床沖刷下切為主，彎曲段凸岸邊灘總體呈沖刷后退的趨勢，微彎河段凸岸邊灘則呈單向切灘后退，表現(xiàn)出樞紐下游彎曲河段由于中枯水期流量增加所呈現(xiàn)的撇彎切灘調(diào)整現(xiàn)象[15]?？偟膩碚f，通過專家學者們的大量分析研究，使人們對漢江中下游近期河床演變趨勢和特點有了更為深刻的認識。但以往研究成果多偏重于局部河段和局部對象，對全河段整體變化規(guī)律以及南水北調(diào)中線工程通水前后變化規(guī)律的分析研究相對較少。

本文在已有研究成果基礎(chǔ)上，基于1933～2020年大量實測資料，以整個漢江中下游干流河段為研究對象，全面系統(tǒng)分析丹江口水庫蓄水運用以來以及南水北調(diào)中線工程通水前后，漢江中下游水沙及河床沖淤變化，以期加深對水庫調(diào)蓄影響下漢江中下游干流河段整體沖淤規(guī)律的認識，并為漢江中下游防洪減災、規(guī)劃設(shè)計、河道治理、采砂管理、航道整治等提供參考。

1 數(shù)據(jù)源、研究區(qū)域與研究方法

1.1 數(shù)據(jù)源與研究區(qū)域

本文研究區(qū)域選取丹江口大壩至漢江河口的漢江中下游河段。采用數(shù)據(jù)包括漢江中下游主要水文站和水位站1933～2020年觀測資料，漢江中下游1978，1988，2005，2012，2015，2020年的長程河道地形與固定斷面觀測資料，以上資料均來源于長江水利委員會水文局。漢江中下游干流主要水文站點如圖1所示，包括黃家港、襄陽、皇莊、沙洋、潛江、仙桃站等，其中黃家港、皇莊、仙桃站分別可作為漢江中下游上、中、下河段的代表站。

1.2 研究方法

水沙分析采用水文學和數(shù)理統(tǒng)計學相結(jié)合的方法。以漢江中下游主要水文站流量、泥沙變化情況來反映漢江中下游水沙特性變化。

河道泥沙沖淤計算采用地形斷面法，即由某一測次河道實測地形圖沿程切割計算斷面或采用固定斷面，根據(jù)各水位（流量）級下（枯水位、平灘水位）各斷面過水面積，計算兩相鄰斷面間的槽蓄量;根據(jù)不同測次兩相鄰斷面間的槽蓄量差值確定斷面間的沖（淤）量，再由斷面間的沖（淤）量累加至河段的沖（淤）量。

某一測次、某一水位級下兩相鄰斷面間的槽蓄量計算公式為

Vi=Li3Ai+Ai+1+AiAi+1（1）

V=ni=1Vi（2）

式中：Vi為兩相鄰斷面i、i+1之間的槽蓄量;Li為斷面間距;Ai和Ai+1為兩相鄰斷面的過水面積;V為河道總槽蓄量。

2 漢江中下游水沙特性變化

以丹江口水庫建成蓄水（1968年）和南水北調(diào)中線工程實施運行（2014年）為節(jié)點，將研究系列劃分為建庫前（建站至1968年）、通水前（1969～2014年）、通水后（2015～2020年）3個時段，分析漢江中下游主要站點（黃家港、皇莊、仙桃站）流量和泥沙的變化特性。

2.1 流 量

丹江口水庫建成前，黃家港、皇莊、仙桃站多年平均流量分別為1 310，1 570，1 470 m3/s，徑流年內(nèi)分配不均，5～10月徑流量約占全年的75%～80%。各站最大流量多出現(xiàn)在7月或9月，歷年最大流量分別為27 500，26 700，14 600 m3/s;最小流量多出現(xiàn)在2月，歷年最小流量分別為44.2，180.0，198.0 m3/s（見表1）。

南水北調(diào)中線工程通水前，黃家港、皇莊、仙桃站多年平均流量分別為1 070，1 430，1 210 m3/s，徑流年內(nèi)分配不均，5～10月徑流量約占全年的65%。各站最大流量多出現(xiàn)在8月或9月，歷年最大流量分別為20 900，26 100，13 800 m3/s;最小流量多出現(xiàn)在2月，歷年最小流量分別為41.0，189.0，165.0 m3/s。

南水北調(diào)中線工程通水后，黃家港、皇莊、仙桃站多年平均流量分別為786，1 090，987 m3/s，徑流年內(nèi)分配不均，5～10月徑流量約占全年的60%～65%。各站最大流量多出現(xiàn)在7月或10月，歷年最大流量分別為7 750，13 600，9 240 m3/s;最小流量多出現(xiàn)在12月或2月，歷年最小流量分別為321，500，431 m3/s。

相比于丹江口水庫建成前，丹江口水庫蓄水運用后，漢江中下游洪峰削減明顯，枯水期流量增大，徑流年內(nèi)分配更加均勻，中水期延長;南水北調(diào)中線工程運行前后相比，工程運行后漢江中下游洪峰減小，枯水期流量略有增加，徑流年內(nèi)分配更趨于均勻。

2.2 泥 沙

丹江口水庫建成前，黃家港、皇莊、仙桃站多年平均輸沙量分別為0.873億，1.050億，0.787億t，輸沙量年內(nèi)年際變化較大，主要集中在汛期，7～9月輸沙量約占全年的80%以上。各站多年平均含沙量分別為2.03，2.04，1.58 kg/m3，最大含沙量多出現(xiàn)在8月，歷年最大含沙量分別為31.10，16.90，9.95 kg/m3;最小含沙量多出現(xiàn)在2月，歷年最小含沙量分別為0.004，0.038，0.035 kg/m3。

南水北調(diào)中線工程通水前，黃家港、皇莊、仙桃站多年平均輸沙量分別為0.006億，0.144億，0.189億t，輸沙量年內(nèi)年際變化較大，主要集中在汛期，占全年90%以上。各站多年平均含沙量分別為0.014，0.292，0.451 kg/m3，最大含沙量多出現(xiàn)在7月或10月，歷年最大含沙量分別為0.653，6.290，4.820 kg/m3;最小含沙量多出現(xiàn)在3月，歷年最小含沙量分別為0，0.004，0.035 kg/m3。

南水北調(diào)中線工程通水后，黃家港、皇莊、仙桃站多年平均輸沙量分別為0.000 3億，0.027億，0.042億t，輸沙量年內(nèi)年際變化較大，主要集中在汛期，占全年的90%以上。各站多年平均含沙量分別為0.001，0.076，0.128 kg/m3，最大含沙量多出現(xiàn)在7～8月，歷年最大含沙量分別為0.016，0.697，1.060 kg/m3;最小含沙量多出現(xiàn)在1～2月，歷年最小含沙量分別為0，0.009，0.017 kg/m3。

丹江口水庫建成前，漢江中下游各站多年平均輸沙量自上而下逐漸減小，泥沙落淤，河道總體上處于微淤狀態(tài);丹江口水庫蓄水運用后，大量泥沙被攔在庫內(nèi)，清水下泄，漢江中下游各站輸沙量和含沙量銳減，多年平均輸沙量自上而下逐漸增大，說明泥沙主要來自于沿程補給;

南水北調(diào)中線工程運行后漢江中下游各站輸沙量和含沙量進一步減小。整體來說，漢江中下游河道總體上由建庫前的微淤狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榻◣旌蟮难爻虥_刷狀態(tài)，而泥沙主要來自沿程的河床沖刷、河岸崩塌以及支流入?yún)R。

3 漢江中下游河床沖淤變化

根據(jù)計算需要并結(jié)合河道特點，將漢江中游分為丹江口至襄陽、襄陽至碾盤山2段;將漢江下游分為碾盤山至仙桃、仙桃至河口2段。受資料條件限制，時間尺度上主要以2015年為節(jié)點，劃分為南水北調(diào)工程通水前（1978～2015年）和通水后（2015～2020年）2個時段，在此基礎(chǔ)上，根據(jù)資料情況又劃分若干子時段，分別開展河床沖淤變化與演變特點分析。

3.1 河床總體沖淤變化

1978～2020年漢江中下游干流河段河道平灘河槽總體表現(xiàn)為沖刷，總沖刷量為10.75億m3（見表2）。其中：丹江口至襄陽河段沖刷量為2.83億m3，襄陽至碾盤山河段沖刷量為3.76億m3，碾盤山至仙桃河段沖刷量為3.46億m3，仙桃至漢江河口河段沖刷量為0.70億m3。

1978～2015年漢江中下游干流河段河道平灘河槽總體表現(xiàn)為沖刷，總沖刷量為9.05億m3。其中丹江口至襄陽河段、襄陽至碾盤山河段、碾盤山至仙桃河段、仙桃至河口河段沖刷量分別為2.38億，3.19億，2.96億，0.52億m3。

2015～2020年漢江中下游干流河段河道平灘河槽總體表現(xiàn)為沖刷，總沖刷量為1.69億m3。其中丹江口至襄陽河段、襄陽至碾盤山河段、碾盤山至仙桃河段沖刷量分別為0.45億，0.56億，0.50億m3，仙桃至河口河段淤積量為0.19億m3。

從圖2可以看出，漢江中下游干流河道沖刷強度隨距丹江口水庫壩址距離的增長而有所減弱。

3.2 河床演變特點

丹江口水庫蓄水運用后，由于漢江中下游水沙特性發(fā)生很大變化，加之堤防、護岸等工程影響，使得河床演變特點也隨之改變，總體表現(xiàn)為河道游蕩性降低，河床沖刷下切，局部灘槽變化劇烈。

（1） 丹江口至襄陽河段。

丹江口至襄陽河段為游蕩性河段，既有依附著左右岸的邊灘，又有心灘或江心洲。1978～2020年間，該河段主槽沖深下切，水流歸槽，游蕩性逐漸減弱，原有心灘大量消失，有的汊道支汊淤死，心灘并岸，洲灘兼并進一步發(fā)展，江心灘面積有所淤長且整體下移，灘槽格局更加分明（見圖3）。

（2） 襄陽至碾盤山河段。

襄陽至碾盤山河段也為游蕩性河段，既有依附著左右岸的邊灘，又有心灘或江心洲。1978～2020年間，該河段深泓縱剖面起伏變化較大，總體上以沖刷下切為主，水流歸槽，游蕩性減弱。1978～2012年深泓線基本維持穩(wěn)定，2012～2020年受采砂等人類活動影響的河段河床下切較嚴重，深泓走向也受較大影響（見圖4）。

（3） 碾盤山至仙桃河段。

碾盤山至仙桃河段有分汊、彎曲和微彎河型。碾盤山至澤口河段河道寬窄相間，寬段主泓擺動，洲灘較多;澤口至仙桃河段河道單一，為微彎段。1978～2020年間，碾盤山至澤口河段洲灘岸線變化劇烈，邊灘離岸、心灘并岸頻繁發(fā)生;澤口至仙桃河段洲灘較少，主流變化相對穩(wěn)定，岸線變化也相對較小，受河道沖刷影響，河段內(nèi)深槽均有所發(fā)展，但位置基本穩(wěn)定（見圖5）。

（4） 仙桃至河口河段。

仙桃至河口河段彎道較多，河道蜿蜒、窄深，灘槽高差大。河岸土質(zhì)較好，黏土層較厚，抗中力較強，兩岸筑有堤防，在崩岸嚴重的地段建有護岸工程，故多年來河勢變化不大。1978～2020年間，河道河槽沖刷下切，過流能力有所加大，受兩岸堤防約束，河床展寬幅度較小。在彎道段仍為凹岸沖刷，局部彎道發(fā)生裁彎取直現(xiàn)象。在順直微彎段，受兩岸堤防的約束主要以下切為主，河床下切以后在有些過渡頂沖及主流貼岸部位有崩岸發(fā)生（見圖6）。

4 結(jié) 論

（1） 丹江口水庫蓄水運用后，漢江中下游洪峰削減明顯，枯水期流量增大，徑流年內(nèi)分配更加均勻，中水期延長。壩下游輸沙總量大幅度減少，1969～2014年黃家港、皇莊、仙桃站多年平均輸沙量分別由建庫前的0.873億，1.050億，0.787億t減少至通水前的0.006億，0.144億，0.189億t;南水北調(diào)中線工程通水后，漢江中下游洪峰減小，枯水期流量略有增加，徑流年內(nèi)分配更趨于均勻。壩下游輸沙量進一步減少，分別為0.000 3億，0.027億，0.042億t，僅為建庫前的0.03%，2.60%和5.30%。

（2） 丹江口水庫蓄水運用后，漢江中下游河道發(fā)生了長距離沖刷，1978～2020年平灘河槽河床總體沖刷泥沙10.75億m3。各河段沖刷強度由上至下逐步減小，特別是2012～2020年沖刷強度沿程減小趨勢更為明顯，說明近期漢江中游丹江口至碾盤山河段仍然是沖刷發(fā)展最為劇烈的河段。

（3） 丹江口水庫蓄水運用后，受壩下游河道沖刷和航道整治等因素影響，丹江口至襄陽河段洲灘變化較大，江心灘面積有所淤長且整體下移;襄陽至碾盤山河段近年來洲灘、汊道基本穩(wěn)定，河道游蕩性有所減弱;碾盤山至仙桃河段深泓線橫向擺動頻繁，洲灘沖淤變化也較為劇烈;仙桃至河口段河床演變強度相對較小，但局部彎道有裁彎取直現(xiàn)象發(fā)生。

隨著丹江口水庫大壩加高工程和王甫洲、崔家營、興隆等水利樞紐以及南水北調(diào)中線和引江濟漢等調(diào)（引）水工程的陸續(xù)建成，漢江中下游河道水文情勢發(fā)生了顯著變化。南水北調(diào)中線工程通水后，漢江中下游洪峰流量進一步削減，流量年內(nèi)變化趨于均勻，河道比降變小，河道將向單一、穩(wěn)定、微彎型的方向發(fā)展。由于造床流量減少，河槽將朝窄深方向發(fā)展?？傮w上，隨著沖刷下移及河道自身調(diào)整，漢江中下游將向沖淤平衡方向發(fā)展，但若遇特殊水沙年份，河勢河型仍可能發(fā)生劇烈調(diào)整。

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（編輯：胡旭東）

Study on riverbed erosion and deposition change in middle and lower reaches of Hanjiang River since impoundment operation of Danjiangkou Reservoir

BAI Liang，XU Quanxi，DONG Bingjiang

（Hydrology Bureau，Changjiang Water Resources Commission，Wuhan 430010，China）

Abstract：

Since the impoundment operation of the Danjiangkou Reservoir，the riverbed of the middle and lower reaches of the Hanjiang River adjusted significantly.To deeply understand the riverbed evolution law under the impact of reservoir regulation，we analyzed the changes of flow，sediment，riverbed erosion and deposition in the middle and lower reaches of Hanjiang River based on long time series of measured data.After the initial impoundment of Danjiangkou Reservoir，the flood peak in the middle and lower reaches of Hanjiang River reduced，the flow rate in dry season increased，and the middle water period prolonged.So the annual distribution of runoff was more uniform，and the total sediment transport downstream of the dam was greatly reduced.After the operation of the Middle Route of South-to-North Water Diversion Project，the annual runoff distribution becomes more uniform，and the sediment discharge in the downstream of the dam furtherly decreases.From 1978 to 2020，the bankfull channel of Danjiangkou to Hekou reach scoured 1.075 billion m3，and the scour intensity gradually decreased from upstream to downstream，and the middle reach of Danjiangkou to Nianpanshan reach was still the most intensely scoured section.The results of recent river bed evolution analysis showed that the sand bars and beaches in Danjiangkou to Xiangyang reach changed greatly，and the beach area in river center became large and moved downstream in overall.The beaches and branches of Xiangyang to Nianpanshan reach were basically stable，and the river channel wandering was weakened.The horizontal swing of the thalweg line from Nianpanshan to Xiantao reach was frequent，and the erosion and deposition of the beach were more intense.The evolution intensity of riverbed from Xiantao to estuary reach was relatively small，but the local bend had the phenomenon of river bend straightening.The analysis results can provide reference for flood control and disaster reduction，planning and design，river regulation，sand mining management and waterway regulation in the middle and lower reaches of Hanjiang River.

Key words：

water-sediment change;riverbed scouring and silting;middle and lower reaches of Hanjiang River;Danjiangkou Reservoir;Middle Route of South-to-North Water Diversion Project