三峽水庫蓄水后大通至江陰河段河床沖淤變化分析

朱玲玲，羅龍洪，曹 雙

（1.長江水利委員會(huì)水文局，湖北武漢 430010；2.江蘇省水利工程規(guī)劃辦公室，江蘇南京 210029；3.長江下游水文水資源勘測局，江蘇南京 210011）

長江干流自三峽水庫以上稱為上游，自三峽水庫往下至鄱陽湖湖口稱為中游，湖口至長江口為下游，其中湖口至大通為徑流作用河段，大通以下為感潮河段。自然條件下，大通以下的水沙主要來自于長江上游，1950—2000年宜昌站多年平均年徑流量占大通站的比例接近5成，年輸沙量更是超過大通站。三峽水庫運(yùn)行后，基本截?cái)嗔碎L江中下游的泥沙來源，同時(shí)對長江上游的徑流過程具有較強(qiáng)的調(diào)控作用［1］，中下游河道在水沙雙重變化的條件下，河床沖淤調(diào)整在所難免。三峽工程論證階段專家認(rèn)為，三峽水庫建設(shè)對中下游河道河床沖淤調(diào)整的影響范圍大致在湖口附近，最遠(yuǎn)可達(dá)大通附近，因此關(guān)于長江中下游河道沖淤的預(yù)測計(jì)算范圍一般為宜昌至大通河段［2］。然而，三峽水庫2003年蓄水后10年，長江中下游河床發(fā)生了長距離且較預(yù)測發(fā)展更快、強(qiáng)度更大的沖刷［3］。尤其是自2010年開始，金沙江中游、下游大型水利水電工程陸續(xù)建成運(yùn)行，三峽水庫入庫、出庫的水沙條件進(jìn)一步發(fā)生改變［4］，宜昌站2011—2021年輸沙量均值相較于三峽水庫蓄水前減少幅度超過95%，長江中游河道整體的沖刷強(qiáng)度明顯增大，長江下游2001年以來的觀測資料顯示，自湖口至徐六涇均呈沖刷狀態(tài)［5］。以往關(guān)于三峽及以上梯級(jí)水庫群運(yùn)行后，下游河道的沖淤調(diào)整關(guān)注重點(diǎn)主要集中在大通以上河段，對于大通以下河段沖刷沖淤特征的分析尚不多見。本文基于近20年大通至江陰河段的水文、泥沙、固定斷面及水下地形等觀測數(shù)據(jù)，對大通至江陰河段的水沙條件、河床沖淤量開展分析計(jì)算，以期為長江下游河道的綜合規(guī)劃治理及保護(hù)提供依據(jù)。

1 研究區(qū)域概況

本研究以長江下游大通至江陰河段為對象，采用大通站水文泥沙、大通至江陰河段地形及固定斷面觀測資料。其中，大通站位于研究區(qū)域入口，控制著大通至江陰河段的徑流水沙條件，分析時(shí)段為1981—2021年，根據(jù)地形資料情況劃分為1981—2000年和2001—2021年各歷時(shí)約20年的2個(gè)時(shí)段，2001—2021年各小時(shí)段的劃分主要依據(jù)觀測資料的時(shí)間序列。地形和固定斷面資料主要用于分級(jí)計(jì)算河床沖淤量。長江下游大通至江陰段全長約452.8 km（含大通河段），根據(jù)河道形態(tài)特征，可以劃分為大通、銅陵、黑沙洲、蕪裕、馬鞍山、南京、鎮(zhèn)揚(yáng)和揚(yáng)中等8個(gè)河段，采用斷面法計(jì)算各河段洪水河槽、平灘河槽和枯水河槽2001—2021年的河床沖淤量。文中河床沖淤量的統(tǒng)計(jì)時(shí)段如2001—2006年實(shí)際是指2001年10月至2006年10月，僅2021年為汛前4月。

2 大通站水沙變化

水沙條件改變是引起河床沖淤的動(dòng)力和物質(zhì)因素，大通站位于大通至江陰河段進(jìn)口，可以代表研究河段的水沙條件變化。1981年以來大通站年徑流量和年輸沙量逐年變化過程如圖1，其中1998年徑流量最大，為12 440億m3，年徑流量以周期性波動(dòng)變化為主，無明顯的趨勢性調(diào)整，1981—2000年和2001—2021年2個(gè)時(shí)段，大通站多年平均年徑流量大致相當(dāng)，后者略偏小2.0%。三峽水庫蓄水后以2007—2011年徑流量均值為最小，其中2011年是1981年以來，年徑流量最小的年份，僅6 671億m3，時(shí)段平均年徑流量為7 933億m3，較之1981—2000年偏小12.4%。此后，大通站徑流持續(xù)恢復(fù)，至2017—2021年間，其時(shí)段平均年徑流量增至9 669億m3，較之1981—2000年偏大6.8%。同時(shí)，從年內(nèi)的徑流過程來看，1981—2000年期間，大通站年內(nèi)超過平灘45 000 m3/s以上的出現(xiàn)歷時(shí)較2001—2021年偏大，尤其是60 000 m3/s以上洪水歷時(shí)偏大近1倍。30 000～45 000 m3/s中水持續(xù)時(shí)間變化較小，10 000～30 000 m3/s中低水持續(xù)時(shí)間明顯延長，年均延長34 d，小于10 000 m3/s持續(xù)時(shí)間明顯縮短，自2007年起日均不再出現(xiàn)小于10 000 m3/s的流量。

圖1 1981—2021年大通站逐年徑流量、年輸沙量變化

大通站輸沙變化相對劇烈（表1），1981年以來就開始出現(xiàn)輸沙減少的趨勢，統(tǒng)計(jì)時(shí)段內(nèi)年最大輸沙量為1981年的5.37億t，年最小輸沙量為2011年的0.718億t。1981—2000年和2001—2021年的年輸沙量均值分別為3.82億t和1.46億t，后者偏少61.8%，年均含沙量由0.422 kg/m3下降至0.165 kg/m3。尤其是2017—2021年，在徑流量整體偏豐的背景下，年輸沙量均值下降至1.18億t，相較于1981—2000年下降69.1%，含沙量均值減小至0.122 kg/m3，相較于2001—2006年偏小48.1%?？梢?，近20年受長江上游及其他流域大型控制性水利樞紐工程建設(shè)運(yùn)行的影響，大通站的輸沙量持續(xù)減少，含沙量大幅減小，進(jìn)而對河床沖淤產(chǎn)生顯著影響。

表1 南京站降水量變化趨勢分析

3 河床沖淤變化

在三峽水庫蓄水前的1975—2001年歷時(shí)26年的時(shí)間里，大通至江陰河段平灘河槽累計(jì)沖刷0.515億m3［5］，年均沖刷量為0.020億m3/a。三峽水庫蓄水后，統(tǒng)計(jì)2001—2021年，在大通來流為60 000 m3/s、45 000 m3/s和10 000 m3/s（分別代表洪水河槽、平灘河槽和枯水河槽）的水面線下，大通至江陰河段分別累計(jì)沖刷14.2億m3、12.5億m3和11.3億m3（表2），平灘河槽年均沖刷量為0.625億m3/a，是蓄水前的30多倍?？梢?，三峽水庫蓄水后，長江下游大通至江陰河段河床的年均沖刷強(qiáng)度明顯加大，主要與水流含沙量大幅減小有關(guān)。

表2 2001—2021年大通至江陰河段不同水位下河槽沖淤量

3.1 平面分布

從平面分布來看，河床沖刷呈現(xiàn)“灘槽均沖”的分布特征，其中高灘部分沖刷量（洪水河槽與平灘河槽沖刷量差值）為1.7億m3，中低灘部分沖刷量（平灘河槽與枯水河槽沖刷量差值）為1.2億m3，高中低灘累積沖刷2.9億m3，占洪水河槽沖刷總量的20.4%，灘體的累積沖刷量和占比明顯地大于長江中游宜昌至湖口河段的不足8%［5］。各河段灘體沖刷量占比在1.8%～42.8%之間不等，其中馬鞍山河段最小，黑沙洲河段最大。相較于長江中游段，一方面大通以下長江下游干流河道的河寬較為發(fā)育，分布有大量的規(guī)模不一的灘體，具有典型的多分汊屬性；另一方面，長江中游典型的中低灘體目前基本已實(shí)施護(hù)灘工程，因而下游河道的灘體沖刷特征更為明顯。

3.2 沿程分布

從沿程分布來看，長江干流安徽境內(nèi)的大通、銅陵、黑沙洲、蕪裕、馬鞍山河段總河長為195.5 km，占大通至江陰總長的43.2%，其洪水河槽、平灘河槽和枯水河槽沖刷量占大通至江陰段總沖刷量的比例分別為46.9%、42.5%和34.7%。江蘇境內(nèi)的南京、鎮(zhèn)揚(yáng)和揚(yáng)中河段總河長為257.3 km，占大通至江陰總長的56.8%，其洪水河槽、平灘河槽和枯水河槽沖刷量占大通至江陰段總沖刷量的比例分別為53.1%、57.5%和65.3%?？梢姡不站硟?nèi)干流河道的灘體沖刷較之江蘇境內(nèi)的更為明顯，枯水河槽的沖刷南京以下河段強(qiáng)度偏大。

3.3 沿時(shí)分布

從沖刷發(fā)展過程來看，前10年，洪水河槽、平灘河槽和枯水河槽河床沖刷量占總量的比例分別為44.6%、43.3%和41.4%，近10年，三級(jí)河槽沖刷量占總量的比例分別為55.4%、56.7%和58.6%，河床沖刷強(qiáng)度呈發(fā)展的態(tài)勢。再從5年時(shí)間尺度的發(fā)展過程來看，前3個(gè)5年內(nèi)，沿程都還呈現(xiàn)一定的沖淤交替的分布特征，如2001—2006年期間，上段銅陵和黑沙洲河段的沖刷強(qiáng)度最大，其下游的蕪裕、馬鞍山、南京和鎮(zhèn)揚(yáng)河段有所淤積或少量沖刷；2006—2011年期間，上段前期沖刷強(qiáng)度偏大的銅陵和黑沙洲河段進(jìn)入沖刷間歇期，前期沖刷較少的蕪裕、南京、鎮(zhèn)揚(yáng)和揚(yáng)中河段沖刷強(qiáng)度加大；2011—2016年期間，沿程又呈現(xiàn)出沖淤交替式分布特征。近5年，來流量顯著增大，但含沙量仍持續(xù)下降，水流沖刷強(qiáng)度加大，大通至江陰沿程各河段均呈現(xiàn)沖刷狀態(tài)，是河段整體沖刷強(qiáng)度最大的時(shí)期，但仍然有上段偏大、下段偏小的交替發(fā)展特征。

綜上可見，長江下游大通至江陰段自2001年以來的強(qiáng)沖刷狀態(tài)是十分明顯的，其主要原因在于大通以上來流的含沙量大幅減小，高強(qiáng)度的次飽和水流要不斷地從河床沖起泥沙攜帶輸移。同時(shí)，下游河道河床的沖刷發(fā)展具有一定的沖積河流屬性，在時(shí)空發(fā)展過程中，都有一定的交替式特征。上游沖多，下游就淤積或者沖少，如2001—2006年期間。上一時(shí)段沖多，下一時(shí)段就可能少，反之亦然，如2006—2011年期間，大通站含沙量相較于2001—2006年進(jìn)一步減小，且前期沖刷量相對偏少，盡管年內(nèi)45 000 m3/s以上高水持續(xù)時(shí)間偏短，但這一時(shí)期的洪水河槽和中高灘的沖刷量都明顯比2001—2006年偏大。再對比2006—2011年和2016—2021年，2個(gè)時(shí)段內(nèi)大通站的含沙量和45 000 m3/s以上高水持續(xù)時(shí)間均基本相當(dāng)，前一時(shí)段灘體沖刷1.22億t，后一時(shí)段灘體就基本處于微沖狀態(tài)。

4 結(jié)語

（1）2001—2021年，長江下游大通站徑流量相較于1980—2000年變化較小，輸沙量減少61.8%，尤其是在金沙江中游和下游梯級(jí)水庫陸續(xù)建成運(yùn)行后，大通站的含沙量進(jìn)一步減小，2017—2021年均值相較于2001—2006年再度下降近50%。

（2）受來沙減少的影響，長江下游大通至江陰河段2001—2021年各級(jí)河槽均出現(xiàn)沖刷，平灘河槽累計(jì)沖刷12.5億m3，年均沖刷量較1975—2001年偏大30多倍。

（3）2001—2021年期間，長江下游大通至江陰河段呈“灘槽均沖”的態(tài)勢，且灘體沖刷量的占比明顯高于長江中游河段。河床沿程和沿時(shí)沖淤都具有交替式發(fā)展的特征，并逐漸由沖淤交替發(fā)展為全程沖刷，整體沖刷強(qiáng)度呈增大趨勢。