長江上游香爐灘河段航道提等升級關鍵問題

張有林　李文杰　張謐　李歡

摘 要：長江上游區(qū)域礦產(chǎn)資源豐富，蘊藏著巨大的投資與開發(fā)潛力，是培育長江流域經(jīng)濟新的增長極的迫切需要，長江四川段航道提等升級研究意義重大。通過對長江上游航道香爐灘水道實測資料的分析，提出向家壩及岷江下泄非恒定流、卵石推移質(zhì)運動以及人工采砂引起的河道地貌改變是航道提等升級的三個需要解決的關鍵問題，建議在未來的長江上游航道提等升級建設工程中予以考慮。

關鍵詞：長江上游；香爐灘；非恒定流；卵石推移質(zhì)；人工采砂

中圖分類號：U66 文獻標識碼：A 文章編號：1006—7973（2018）4-0043-03

一帶一路和長江經(jīng)濟帶國家戰(zhàn)略的提出對長江黃金水道綜合開發(fā)利用提出了更高的要求。加快長江上游水運發(fā)展，對構(gòu)建現(xiàn)代綜合運輸體系、調(diào)整優(yōu)化沿江地區(qū)產(chǎn)業(yè)布局、促進節(jié)能減排和區(qū)域經(jīng)濟協(xié)調(diào)發(fā)展等具有重要意義。長江上游地區(qū)經(jīng)濟的飛速發(fā)展和西部大開發(fā)帶來了長江上游水運需求的激增，尤其在大宗貨物、集裝箱、滾裝運輸?shù)确矫婢哂袕V闊的市場前景。為落實國家戰(zhàn)略目標，充分發(fā)揮長江運能大、成本低、能耗少等優(yōu)勢，開展長江上游河段航道提等升級研究，保障長江上游高等級航道暢通極為迫切。

隨著上游向家壩樞紐的蓄水運行，長江上游河段的水位日變幅與電站最小下泄流量、流量變幅、河床形態(tài)及其與壩址的距離等密切相關，且其產(chǎn)生的非恒定流可引起下游河道水位、流速、比降變幅過大，影響船舶通航。山區(qū)河流的卵石淺灘演變規(guī)律是洪淤枯沖，而深槽段則是洪沖枯淤，由于長江上游卵石推移質(zhì)的運動規(guī)律復雜，對航道影響極為明顯。此外，近年來長江上游大量集中采砂，造成河床地貌的大幅改變，其對河道演變的影響較為深遠，如大量的卵石灘磧消失，河床大幅下切，而大量人工堆砂又造成局部的劇烈抬升。這些人工采砂行為對航道條件的影響遠超過河道自然演變以及航道整治工程引起的河床局部調(diào)整，造成航道提等升級的困難。

本文擬通過對長江上游香爐灘水道實測資料的調(diào)研分析，詳細了解該段航道現(xiàn)狀，并分析向家壩及岷江下泄非恒定流、卵石推移質(zhì)運動以及人工采砂引起的河道地貌改變這三個關鍵問題的影響，以期為長江上游四川段航道高等級航道建設提供支撐。

1 航道現(xiàn)狀概況

香爐灘水道（上游航道里程981.0km-993.0km）屬于典型的山區(qū)河流，河床組成基本為基巖和卵石，受河床組成及邊界條件的約束，多年來河岸、深泓、灘槽以及河勢均基本穩(wěn)定，河床年際間變化不大，年內(nèi)沖淤演變較為明顯。上游下瀉的推移質(zhì)泥沙在河床中呈跳躍或間歇運動狀態(tài)，相當部分也將淤積在河床中。汛后水位消落時，沉積的大部分泥沙將隨著退水沖走，年內(nèi)沖淤基本保持平衡。該水道目前航道等級為Ⅲ級，航道維護尺度為2.7×50×560m。河段主要有香爐灘、落鍋灘、吊魚嘴三個灘險。

香爐灘為枯水淺險灘，灘段位于急彎河段下游的收縮段。江心州將水流分成南北兩汊，南汊彎窄水淺不能通航，北汊為主航槽，河道較為順直，枯水河寬230m。兩汊交匯處又有一個大深潭橫于北汊出口，在出口位置又有一片卵石心磧將北汊分為左右兩槽。在兩汊交匯處的下游右岸為亂石，左岸為香爐石突出巖嘴。主流短距離內(nèi)轉(zhuǎn)向頻繁，北汊出口左右岸橫向落差大，橫流強烈、水流掃灣，流態(tài)壞。下行船舶極易在主流的頂托下落灣觸碰香爐石礁石，發(fā)生海損事故。上水船舶由于灘段水流流態(tài)壞，轉(zhuǎn)彎頻繁，航道曲率半徑小，航行亦感困難。

落鍋灘處于一彎曲河段，為分汊河段枯水急流淺灘。設計水位6m以下時將長江分為左右兩汊，南汊彎窄水淺不能通航，只在進口段有趕集的余家灣鎮(zhèn)的小船進出，中下段逐漸淤廢，無船舶過往。北汊為主航槽，河道較為順直，主流由此通過。當水位高于設計水位6m時，南北兩汊水面匯合，汛后水位下退，水流逐漸回歸左汊深槽，在一個水文年內(nèi)，主流左右兩側(cè)擺動，擺動幅度達300～500m。灘段中洪水河寬達到900～1400m，枯水河寬350m～450m。枯水期灘段最大流速3.66m/s，相應比降1.76‰，河道條件較為復雜。

吊魚嘴灘位于南溪縣下游10km，為過渡段淺灘。灘段處于彎道頂點上游，在灘的上段江面較寬，江中淤成大的卵石磧名打狗磧。打狗磧將河道分為兩汊。左汊較窄，設計水位5m以上過流；右汊較寬，為枯水航槽，右汊下口與左汊交匯處，形成一道水下淺埂。灘段下游，河道向右彎曲，彎曲段凹岸有鯉魚腦和大石盤兩處突入江中的石盤。

2 提等升級關鍵問題分析

2.1 向家壩及岷江下泄非恒定流

流量與水位變化分析。對比宜賓典型非恒定流過程和恒定流過程可知，在波峰時刻自宜賓開始，流量沿程減小，都小于宜賓的流量；在波谷時刻自宜賓開始，沿程流量增加，均大于宜賓的流量?？傮w來看，沿程流量變幅縮小，向平均值靠攏。而在宜賓波峰、波谷的以外的其他時刻，沿程流量可能大于恒定流的流量，也可能小于恒定流的流量，具體與宜賓所處條件及沿程其所處位置有關。在宜賓早上8點波谷時刻，沿程流量相對于恒定流來說，變化范圍約為0～730m3/s。

流速和比降變化分析。對比早上8點宜賓全天最低水位和流量時沿程斷面平均流速和比降與恒定流情況下對應值可知，對比于恒定流，非恒定流的流速變化值多在-0.5～0.2 m/s之間，且多數(shù)情況有所減小；比降變化范圍多在±0.2‰之間，比降最大值在1.38‰左右。

由此可見，向家壩水電站蓄水后所產(chǎn)生的非恒定流，以及岷江非恒定流入?yún)R對于該河段的水力參數(shù)以及航運條件都有較大的影響，非恒定流條件對香爐灘水道的通航條件、卵石灘險的演變特性和礙航特征、以及整治方案等都有較大影響。

2.2 卵礫石推移質(zhì)運動

為分析工程河段推移質(zhì)輸移帶的分布及變化過程，收集了1957年以來工程河段內(nèi)歷年測圖，可以看出主要存在三個淺區(qū)，即余家灣、水沖壩磧翅和香爐磧磧翅。打魚磧左汊進口余家灣受三汊匯流影響，3.5m等深線變化較為頻繁，經(jīng)常需維護性疏浚才能保證枯水期航道暢通，2016年3.5m等深線往下游延伸可能是由于枯水期維護性疏浚引起。打魚磧左汊中部水沖壩磧翅伸入河心較開，與打魚磧磧翅相對，航道窄淺，2007年、2014年枯水期測圖顯示3.5m等深線不貫通，2016年枯水期顯示3.5m等深線貫通，可見該處3.5m等深線變化也較為頻繁。打魚磧左汊出口香爐磧磧翅與打魚磧尾相對，航道窄淺，該處3.5m等深線變化也較為頻繁，2014年前香爐磧磧壩較為完整，香爐灘3.5m等深線可達到40m，香爐磧磧壩破壞后，雖香爐磧磧翅邊3.5m向河岸移動，但打魚磧尾部3.5m等深線向河心延伸約170m，且打魚磧尾與香爐磧磧翅間有多處淺點，導致該灘險越來越淺。

由于下泄非恒定流過程改變了原有天然河道的水力及輸沙特性，從而改變卵石淺灘的演變。因此卵石灘險的演變特性及礙航特征研究，包括在連續(xù)的日調(diào)節(jié)過程下卵石沙波形成過程、尺度和推進速度的變化及引起的礙航特征，對洪、中、枯的水文過程中卵石輸移帶、輸移量的變化過程的研究以及對該河段卵石灘險的形成及演變過程的分析對于確定卵石灘險的治理思路及整治方案至關重要。

2.3 人工采砂引起的河道地貌改變

近年，河段采砂總體積為1897.66萬m3，受過度采砂的影響，灘段河道條件和航道條件均發(fā)生了較大變化。采砂區(qū)主要位于余家灣南汊和打魚磧洲灘，其中打魚磧洲灘面積減少了53%，原來的坡脊線已挖成深坑，造成分流比改變，北汊與南汊枯水分流比由8：2調(diào)整至6.5：3.5；余家灣主航槽位于彎道凸岸，航槽內(nèi)洪水期流速一般位于2.5m/s以下，北部有汊道入?yún)R，造成泥沙淤積，而中枯水期主航槽分流比減少，以致泥沙淤積于航槽，航道水深較淺；過度采砂造成該灘枯水水位大幅降低，最大降落幅度達1m，以致航槽水深越來越淺；由于枯水水位大幅降落，造成沿程水面比降增加，最大比降超過2‰，對應流速達到3.8m/s，從而造成局部河段船舶上灘困難。

因此，余家灣灘“淺”、“急”、“彎”的礙航特性越來越突出，余家灣主航槽分流比明顯降低，以致汛期淤積的泥沙難以沖刷，實際水深難以滿足維護需要。2014年以來每年均需進行航道維護性疏浚才能保障枯水期航道暢通。這些人工采砂行為，其對河道演變的影響遠遠超過河道自然演變以及航道整治工程引起的河床局部調(diào)整，造成未來對于航道演變趨勢的分析困難。

3 結(jié)論

本文通過對實測資料的整理與分析，建議長江上游河段航道提等升級建設工程中應重點考慮如下的關鍵問題：

（1）隨著向家壩和岷江下泄非恒定流的傳播，改變了香爐灘水道的水力及輸沙特性，引起航道通航水流條件的變化，對船舶通航具有較大影響。

（2）本河段在上游來水來沙條件發(fā)生改變以后，實際的卵石推移質(zhì)輸移時間、沙量及級配已經(jīng)很難確定，這給研究卵石推移質(zhì)運動規(guī)律和灘險演變規(guī)律帶來不小的難度。

（3）近幾年長江上游河中大量集中采砂，造成河床地貌的大幅改變，其對河道演變的影響較為深遠。大量的卵石灘、磧消失，河床大幅下切；而大量人工堆砂又造成局部的劇烈抬升。這些人工采砂行為導致了河段通航條件復雜，河床演變規(guī)律不明，嚴重制約了航道的升級和通航安全。

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基金項目：四川省交通運輸廳科技項目（2017-B-04）