三峽水庫(kù)蓄水后荊江河段沙質(zhì)推移質(zhì)特征分析

謝靜紅　唐劍　王琴

摘要：為了研究三峽水庫(kù)蓄水后長(zhǎng)江中下游河道沖淤及發(fā)展趨勢(shì)，采用2003～2017年實(shí)測(cè)水文資料，分析了三峽水庫(kù)蓄水后荊江河段沙質(zhì)推移質(zhì)變化特征，并從來沙條件、斷面沖淤及流速、流量變化等方面闡述了變化原因。分析結(jié)果表明：三峽水庫(kù)蓄水運(yùn)用后，荊江河段沙質(zhì)推移質(zhì)輸沙量基本呈逐年減小沿程.增加趨勢(shì);推移質(zhì)輸沙主要集中在汛期5～10月;枝城站沙質(zhì)推移質(zhì)中值粒徑變化復(fù)雜，沙市站沙質(zhì)推移質(zhì)中值粒徑基本呈逐年增大趨勢(shì)，監(jiān)利站沙質(zhì)推移質(zhì)中值粒徑變化不大且基本呈沿程減小趨勢(shì)。沙質(zhì)推移質(zhì)中值粒徑變化主要受斷面沖淤以及流速、流量變化影響。

關(guān)鍵詞：沙質(zhì)推移質(zhì);輸沙量;中值粒徑;沖淤變化;三峽水庫(kù)蓄水;荊江河段

中圖法分類號(hào)：TV142.2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2020.07.009

三峽水庫(kù)蓄水運(yùn)用后，壩下游水沙條件發(fā)生變化。由于受枯水流量補(bǔ)償、河床沖刷的影響，壩下游河段枯水期水位發(fā)生不同幅度下降。同時(shí)，近年來，壩下游河段懸移質(zhì)沿程恢復(fù)，礫卵石推移質(zhì)極少，沙質(zhì)推移質(zhì)輸移成為該河段河床主要運(yùn)動(dòng)形式之一。荊江河段為長(zhǎng)江中游段重要的航道，尤其是關(guān)洲水道、蘆家河水道、枝江水道等，河床演變特征對(duì)通航和航道整治具有十分重要的意義。

荊江河段上游為沙夾卵石河床，下游為沙質(zhì)河床。許多研究對(duì)三峽水庫(kù)蓄水以來荊江河段的水沙變化進(jìn)行了分析的，并取得了豐碩的成果，但針對(duì)荊江河段沙質(zhì)推移質(zhì)變化特征研究較少。因此，本文將利用2003～2017年間的實(shí)測(cè)資料，對(duì)三峽水.庫(kù)蓄水后荊江河段沙質(zhì)推移質(zhì)的變化特征進(jìn)行分析，為研究三峽水庫(kù)蓄水后長(zhǎng)江中下游河道沖淤及發(fā)展趨勢(shì)提供科學(xué)依據(jù)。

1研究區(qū)域與數(shù)據(jù)來源

荊江河段起于湖北枝城，止于湖南洞庭湖口的城陵磯，以藕池口為界分為上、下荊江。上荊江河段河床為微彎分漢河段，千流有枝城、沙市控制站;下荊江河段為蜿蜒型河段，有石首、監(jiān)利控制站（見圖1）。荊江河段北岸為荊江大堤，南岸為荊南長(zhǎng)江干堤及岳陽(yáng)長(zhǎng)江千堤，河段南岸有松滋口、太平口、藕池口及調(diào)弦口（于1958年建閘）分長(zhǎng)江水入洞庭湖[6，8]

三峽水庫(kù)于2003年6月開始蓄水運(yùn)用，為分析水庫(kù)蓄水后荊江河段沙質(zhì)推移質(zhì)的變化情況，本文采用的資料為三峽水庫(kù)蓄水后（2003～2017年）荊江千流3個(gè)水文站（枝城站、沙市站、監(jiān)利站）的實(shí)測(cè)水沙資料。

2荊江河段水沙變化特征

荊江河段來水量主要由包括宜昌以上長(zhǎng)江千流來水量以及清江人匯水量（人匯水量約占宜昌來水量的3%）。上游有瑪瑙河和沮漳河人匯，其中瑪瑙河人匯水量極小，沮漳河入?yún)R水量約占宜昌來水量的0.6%。以2003年為界，分為三峽水庫(kù)蓄水運(yùn)行前（1993～2002年）和運(yùn)行后（2003～2017年）2個(gè)時(shí)期，該河段來水來沙特征以枝城、沙市、監(jiān)利站為代表。荊江河段來水來沙特征見表1。

統(tǒng)計(jì)成果表明：三峽水庫(kù)蓄水運(yùn)行前、后，荊江河段多年平均來水量（枝城站徑流量）分別為4346億m'和4146億m'，三峽水庫(kù)蓄水運(yùn)行后枝城來水量相對(duì)蓄水運(yùn)行前減少了4.6%。

荊江河段泥沙主要來自枝城以上長(zhǎng)江干流，清江來沙量極小。20世紀(jì)90年代后長(zhǎng)江上游來沙量逐漸減少，三峽水庫(kù)蓄水運(yùn)行后，長(zhǎng)江上游泥沙大量沉降在庫(kù)區(qū)內(nèi)，河段來沙量大幅減少，三峽水庫(kù)蓄水前后多年平均來沙量（枝城站輸沙量）分別為38160萬(wàn)t和4339萬(wàn)t，三峽水庫(kù)蓄水運(yùn)行后枝城來沙量相對(duì)蓄水運(yùn)行前減少了88.8%。

同時(shí)，三峽水庫(kù)蓄水近13a來，荊江河段沙市站、監(jiān)利站均未測(cè)到卵石沙樣，且根據(jù)三峽水文泥沙觀測(cè)河演分析，近期河槽內(nèi)卵石沙樣將不會(huì)推移到沙市斷面。枝城站卵石沙樣也很少，甚至幾乎沒有。因此，荊江河段泥沙主要為懸移質(zhì)、推移質(zhì)及床沙。沙質(zhì)推移質(zhì)變化特征

3.1輸沙量年際變化

表2為3個(gè)水文站的沙質(zhì)推移質(zhì)年輸沙量統(tǒng)計(jì)結(jié)果。從表2可看出：三峽水庫(kù)蓄水以來，枝城站2003～2006年推移質(zhì)輸沙量逐年減小，2007年突然增大，2008～2017年又基本呈減小趨勢(shì);沙市站2005～2008年推移質(zhì)輸沙量有明顯變小趨勢(shì);監(jiān)利站基本呈逐年減小趨勢(shì)，但變幅不大。

枝城站2003～2017年間多年平均沙質(zhì)推移質(zhì)輸沙量為152萬(wàn)t，最大為2003年的520萬(wàn)t，最小為2016年的10.5萬(wàn)t;沙市站2003～2017年多年平均沙質(zhì)推移質(zhì)輸沙量為183萬(wàn)t，最大為2005年的327萬(wàn)t，最小為2017年的103萬(wàn)t;監(jiān)利站2009～2017年多年平均沙質(zhì)推移質(zhì)輸沙量為276萬(wàn)t，最大為2011年的382萬(wàn)t，最小為2016年的177萬(wàn)t。從各年變幅來看，枝城站變幅最大，沙市站其次，監(jiān)利站最小。

三峽水庫(kù)蓄水運(yùn)用后，荊江河段沙質(zhì)推移質(zhì)基本呈逐年減小趨勢(shì)。2017年，枝城站、沙市站、監(jiān)利站推移質(zhì)輸沙量分別為37.6萬(wàn)、103萬(wàn)t和183萬(wàn)t。從沿程變化來看，枝城至監(jiān)利河段推移質(zhì)輸沙量沿程增加，由枝城站的37.6萬(wàn)t增至監(jiān)利站的183萬(wàn)t。各站沙質(zhì)推移質(zhì)年輸沙量變化見圖2。

3.2輸沙量年內(nèi)變化

表3為3個(gè)水文站沙質(zhì)推移質(zhì)多年月平均輸沙量統(tǒng)計(jì)結(jié)果。由表3可看出：荊江河段沙質(zhì)推移質(zhì)主要集中在汛期5～10月，枝城站、沙市站、監(jiān)利站5～10月沙質(zhì)推移質(zhì)輸沙量分別占全年的93.4%、78.7%、77.1%。

三峽水庫(kù)蓄水以來，枝城站、沙市站、監(jiān)利站沙質(zhì)推移質(zhì)多年月平均輸沙量變化見圖3。從沿程變化來看，荊江河段沙質(zhì)推移質(zhì)月輸沙量從枝城至監(jiān)利呈沿程增加趨勢(shì)，與沙質(zhì)推移質(zhì)年輸沙量變化規(guī)律基本一致。

3.3顆粒粒徑變化

表4為3個(gè)水文站的沙質(zhì)推移質(zhì)年中值粒徑統(tǒng)計(jì)結(jié)果。從表4可以看出，三峽水庫(kù)蓄水以來，2003～2017年枝城站沙質(zhì)推移質(zhì)多年中值粒徑為0.348mm，最大為2007年的0.820mm，最小為2003年的0.240mm;2003～2017年沙市站沙質(zhì)推移質(zhì)多年中值粒徑為0.249mm，最大為2016年的0.297mm，最小為2003年的0.191mm;2009～2017年監(jiān)利站沙質(zhì)推移質(zhì)多年中值粒徑為0.213mm，最大為2011年的0.225mm，最小為2013年與2017年的0.203mm。

三峽水庫(kù)蓄水運(yùn)用后，荊江河段枝城沙質(zhì)推移質(zhì)中值粒徑變化復(fù)雜：2003～2007年，枝城站沙質(zhì)推移質(zhì)中值粒徑呈逐年增大趨勢(shì)，2010～2016年呈逐年減小趨勢(shì)，這與枝城站床沙變化規(guī)律基本一致[10]，即2003～2009年，枝城站斷面床沙發(fā)生不同程度的粗化，2007年粗化程度最為明顯，2010～2017年粗化速率慢于2003～2009年粗化速率。沙市站沙質(zhì)推移質(zhì)中值粒徑基本呈增大趨勢(shì)，監(jiān)利站沙質(zhì)推移質(zhì)中值粒徑變化不大。2017年3個(gè)站年平均中值粒徑分別為0.320，0.282mam和0.203mmo從沿程變化來看，枝城至監(jiān)利河段推移質(zhì)中值粒徑沿程減小，由0.320mm減小至0.203mm。各站沙質(zhì)推移質(zhì)年中值粒徑變化見圖4。

4變化原因分析

荊江河段3個(gè)水文站沙質(zhì)推移質(zhì)測(cè)驗(yàn)均采用Y78-1型采樣器，在一定的水沙條件下，床沙、推沙（推移質(zhì)泥沙）、懸沙（懸移質(zhì)泥沙）相互交換。因此，荊江河段沙質(zhì)推移質(zhì)不僅受采樣設(shè)備的影響，也受上游來沙條件、河道沖淤以及水力要素等諸多因素的影響。

4.1上游來沙條件

1993年以來，按照三峽水庫(kù)建設(shè)及蓄水過程分為蓄水前（1993～2002年）、圍堰蓄水期（2003～2005年）、初期蓄水期（2006～2008年）和試驗(yàn)性蓄水期（2009～2017年）4個(gè)階段，根據(jù)3個(gè)站實(shí)測(cè)資料分時(shí)段統(tǒng)計(jì)荊江河段懸移質(zhì)含沙量變化特征，見表5。

表5表明：1993～2000年間，河段內(nèi)年均懸移質(zhì)含沙量呈現(xiàn)震蕩波動(dòng)變化;2001～2003年間，河段年均懸移質(zhì)含沙量大幅減小;2003年三峽水庫(kù)蓄水運(yùn)行后，河段年均懸移質(zhì)含沙量沿時(shí)震蕩減小，枝城站、沙市站、監(jiān)利站沿程逐漸增大，與三峽水庫(kù)蓄水運(yùn)行后壩下游河床沖刷補(bǔ)充懸移質(zhì)情況相符。

3個(gè)站1993年以來歷年輸沙率及懸移質(zhì)級(jí)配測(cè)驗(yàn)整編成果計(jì)算分析表明：三峽水庫(kù)蓄水運(yùn)行以來，隨著上游來沙量逐漸減少，3站含沙量相應(yīng)減少，各分組（<0.031mm，0.031～0.125mm，0.125～2.00mm）含沙量亦同步減小。受壩下游河床沖刷影響，3站的含沙量沿程逐漸增大，各分組含沙量沿程變化則顯現(xiàn)不同特點(diǎn)。其中，對(duì)于s0.031mm組含沙量，2003～2017年枝城至監(jiān)利段沿程無(wú)明顯變化;對(duì)于0.031～0.125mm及0.125～2.00mm組含沙量，2003～2017年枝城至監(jiān)利段全程補(bǔ)充，且0.125～2.00mm組含沙量補(bǔ)充更加明顯，沿程級(jí)配粗化愈加明顯。

同時(shí)，三峽工程運(yùn)用后大量泥沙在庫(kù)前淤積，下泄水流含沙量處于嚴(yán)重不飽和狀態(tài)，下泄清水持續(xù)沖刷河床，造成長(zhǎng)江中游河段床沙逐年粗化，其中枝城河段粗化情況最為明顯，且沖刷部位集中在枯水河槽I9-10]：2003～2017年，枝城站床沙逐年粗化（2007年粗化最為明顯）;斷面床沙中值粒徑總體呈.上升趨勢(shì)（中值粒徑在2007年發(fā)生突變），并在2010年以后有一定波動(dòng)，但波動(dòng)幅度較小。

總體來看，三峽工程運(yùn)用后荊江河段來沙大幅減少，但懸移質(zhì)含沙量從枝城至監(jiān)利斷面沿程增加，同時(shí)清水下泄導(dǎo)致河床粗化，沿程級(jí)配粗化愈加明顯。由于在一定水沙條件下，床沙、推沙（推移質(zhì)泥沙）、懸沙（懸移質(zhì)泥沙）相互交換，從而導(dǎo)致荊江河段推移質(zhì)基本呈逐年減少、但沿程增加變化特點(diǎn)。

4.2河道沖淤變化

由枝城站、沙市站、監(jiān)利站3個(gè)站2003～2017年典型年份實(shí)測(cè)大斷面資料點(diǎn)繪大斷面圖（圖5～7）可見：枝城斷面左岸沙質(zhì)河床沖刷明顯，右岸礁板河床基本穩(wěn)定，但大斷面總體呈逐年沖刷趨勢(shì)，且變幅越來越小，深泓線變化很小，河床基本處于穩(wěn)定狀態(tài)。沙市斷面年際間變化沖淤互現(xiàn)，低水部分沖刷明顯，近岸部分岸坡變陡，深泓不斷加深。監(jiān)利大斷面變化劇烈，但未有明顯的沖深變化趨勢(shì)。

從沿程變化來看，荊江河段千流從枝城至監(jiān)利沿程沖刷，整體趨勢(shì)增強(qiáng)：枝城站斷面近幾年河床較為穩(wěn)定，沖刷逐年減弱、變幅越來越小;沙市站斷面沖淤互現(xiàn)，低水部分沖刷明顯;監(jiān)利站斷面沖淤變化劇烈。

根據(jù)該河段2003～2017年實(shí)測(cè)資料計(jì)算成果，枝城至監(jiān)利河段枯水河槽、平均河槽、平灘河槽（相應(yīng)宜昌流量5000，10000，30000m'/s水面線下河槽）的沖淤量計(jì)算成果見表6。

計(jì)算結(jié)果表明：2003～2005年圍堰蓄水期，河段河床加速?zèng)_刷，以枯水河槽沖刷為主，枯水河槽沖刷量占平均河槽沖刷量的93.3%。2005～2008年初期蓄水期，河段枯水河槽繼續(xù)沖刷，但沖刷強(qiáng)度較圍堰蓄水期有所減緩，10000m'/s水面線以上至30000m'/s水面線有所復(fù)淤。2008～2017年試驗(yàn)蓄水期，河段河床再次加速?zèng)_刷，并以枯水河槽沖刷為主，枯水河槽沖刷量占平灘河槽沖刷量的97.6%?？傮w來看，自2003年以來，研究河段河床以枯水河槽沖刷為主，平均河槽至平灘河槽之間則略有淤積。

由于枝城斷面一直呈沖刷狀態(tài)，沖刷逐年減弱、變幅越來越小。沙市站斷面沖淤互現(xiàn)，低水部分沖刷明顯。監(jiān)利站斷面沖淤變化劇烈。因此，荊江河段枝城至監(jiān)利段推移質(zhì)輸沙量逐年減少，但沿程增加。推移質(zhì)中值粒徑變幅沿程減小。同時(shí)，2003～2005年河段河床加速?zèng)_刷，2005～2008年沖刷強(qiáng)度減緩，2008～2017年該河段河床再次加速?zèng)_刷，枝城站推移質(zhì)輸沙量變化明顯，沙市站2005～2008年推移質(zhì)輸沙量有所減小。

4.3斷面流速、流量影響

枝城站采用與流速建立指數(shù)公式的方法對(duì)2003～2007年沙質(zhì)推移質(zhì)輸沙量進(jìn)行擬合推求，采用與流量建立指數(shù)公式的方法對(duì)2008～2017年沙質(zhì)推移質(zhì)輸沙量進(jìn)行擬合推求;沙市站采用與流速建立指數(shù)公式的方法對(duì)2003～2009年沙質(zhì)推移質(zhì)輸沙量進(jìn)行擬合推求，采用與流量建立指數(shù)公式的方法對(duì)2010～2017年沙質(zhì)推移質(zhì)輸沙量進(jìn)行擬合推求;監(jiān)利站采用與流量建立指數(shù)公式的方法對(duì)2009～2017年沙質(zhì)推移質(zhì)輸沙量進(jìn)行擬合推求?？傮w來看，3站沙質(zhì)推移質(zhì)輸沙量隨著流量（或流速）的增大而增大則。汛期流速、流量均較大，與沙質(zhì)推移質(zhì)輸沙量年內(nèi)分配規(guī)律吻合。

根據(jù)實(shí)測(cè)流量資料，點(diǎn)繪枝城站2004～2007年斷面平均流速變化圖（見圖8）。由圖8可看出，2007年汛期枝城站流速較大，導(dǎo)致該站推移質(zhì)輸沙量及中值粒徑均發(fā)生突變。

同時(shí)，2007年枝城站沙質(zhì)推移質(zhì)中值粒徑較大的原因還包括：①汛期（6～9月）沙質(zhì)推移質(zhì)粒徑較大，導(dǎo)致年中值粒徑也大;2枝城段河床泥沙粒徑逐年粗化，粒徑范圍變寬，并在2007年發(fā)生突變[I0d。6～9月枝城站沙質(zhì)推移質(zhì)月平均顆粒級(jí)配成果見表7。

5結(jié)論

本文利用三峽水庫(kù)蓄水后（2003～2017年）的實(shí)測(cè)資料對(duì)荊江河段沙質(zhì)推移質(zhì)變化特征進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論。

（1）三峽水庫(kù)蓄水運(yùn)用后，荊江河段沙質(zhì)推移質(zhì)輸沙量基本呈逐年減小趨勢(shì)。從沿程變化來看，枝城至監(jiān)利河段沙質(zhì)推移質(zhì)量沿程增加，多年平均值由152萬(wàn)t增至276萬(wàn)t。

（2）荊江河段的沙質(zhì)推移質(zhì)輸沙量主要集中在汛期5～10月，枝城站、沙市站、監(jiān)利站5～10月沙質(zhì)推移質(zhì)輸沙量分別占全年的93.4%、78.7%和77.1%。

（3）三峽水庫(kù)蓄水運(yùn)用后，2003～2009年間，枝城站沙質(zhì)推移質(zhì)中值粒徑呈逐年增大趨勢(shì)，2010～2016年呈逐年減小趨勢(shì)，與該站床沙變化規(guī)律基本一致。沙市站沙質(zhì)推移質(zhì)中值粒徑基本呈逐年增大趨勢(shì)。監(jiān)利站沙質(zhì)推移質(zhì)中值粒徑變化不大。從沿程變化來看，枝城至監(jiān)利河段推移質(zhì)中值粒徑沿程減小，多年平均值由0.348mm減全0.213mm。

（4）荊江河段沙質(zhì)推移質(zhì)主要受上游來沙條件、河道沖淤以及水力要素等諸多因素的影響。但由于長(zhǎng)江中下游水沙條件變化復(fù)雜，且泥沙之間相互交換多變，其內(nèi)在機(jī)理有待進(jìn)一步研究。

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（編輯：李慧）