新水沙條件下長江中游蘆家河水道“坡陡流急”段演變機理分析

李 明，胡春宏，周成成，彭松柏

（1.長江航道規(guī)劃設(shè)計研究院，湖北 武漢 430040；2.中國水利水電科學(xué)研究院 流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國家重點實驗室，北京 100038）

1 研究背景

長江中游蘆家河水道位于三峽大壩下砂卵石河段，距離宜昌72 km，如圖1所示，該水道內(nèi)江心磧壩枯水出露，分河道為左、右兩槽，分別習(xí)稱沙泓、石泓。該水道年內(nèi)主流擺動明顯，汛期主流走石泓，枯水期主流走沙泓。2003年三峽水庫蓄水運用以前，汛期蘆家河水道沙泓存在大范圍緩流區(qū)，泥沙大量淤積，主航道走石泓；汛后水位退落，石泓水深不足時，若受當(dāng)年來沙量大、退水速度快等因素影響，沙泓沖刷不及難以順利轉(zhuǎn)換為主航道，則形成嚴重礙航局面，被形象地稱之為“青黃不接”礙航問題[1]。

圖1 蘆家河水道河勢圖

三峽水庫蓄水運用以來，進入壩下游河道的泥沙大幅減少，“青黃不接”現(xiàn)象不復(fù)出現(xiàn)，目前蘆家河水道礙航特性主要表現(xiàn)為沙泓中段“坡陡流急”。該問題由來已久，自上個世紀中葉以來，受荊江中段枯水同流量下水位持續(xù)下降并溯源傳遞的影響，沙泓中段因河床高凸難沖，枯水比降逐漸局部集中，從而形成“坡陡流急”[2-3]?！捌露噶骷薄爆F(xiàn)象主要與流量、河床邊界、出口水位等因素有關(guān)，一般認為，蘆家河水道沙泓中段河床高凸處可能為膠結(jié)卵石，抗沖層將保持穩(wěn)定[4]；對于“坡陡流急”發(fā)展趨勢問題，早期的研究就存在一定的分歧[5]，三峽水庫蓄水運用初期仍未統(tǒng)一認識，有研究指出隨著壩下游水位下降持續(xù)溯源傳遞，“坡陡流急”將愈演愈烈[2-3]，也有研究認為“坡陡流急”變化不明顯[6-7]。

對此，本文基于實測資料，系統(tǒng)分析了蘆家河水道沙泓近年來的水流條件變化及局部沖淤變化，提出了對沙泓中段河床組成情況的基本判斷，形成了對坡陡流急段演變機理的認識，并對演變趨勢進行了預(yù)判，試圖為壩下游砂卵石河段的航道治理與維護提供科技支撐。

2 蘆家河水道水沙條件及沖淤變化

2.1 水沙邊界條件變化蘆家河水道沙泓中段在中洪水期為緩流區(qū)，枯水期為急流灘險，與水道內(nèi)懸沙輸移特征關(guān)系不大，因此，三峽水庫清水下泄難以對沙泓中段造成直接影響。但因整個壩下游河道劇烈沖刷[8]，引起沿程枯水位不均勻下降，卻是影響蘆家河水道沙泓中段演變的最主要因素。

據(jù)實測資料統(tǒng)計，截至2018年，從宜昌自上而下分段來看，宜昌至枝城、枝城至楊家腦（枝江河段）、楊家腦至藕池口（上荊江沙質(zhì)河段部分）、藕池口至城陵磯（下荊江）、城陵磯至漢口、漢口至湖口6個河段枯水河槽的累積沖刷強度分別為約為253萬、357萬、379萬、225萬、175萬和204萬m3/km，如圖2所示，相應(yīng)的累積沖刷總量分別為1.54億、2.06億、4.32億、3.86億、4.39億和6.03億m3。

圖2 三峽水庫蓄水運行以來壩下游各河段枯水河槽累計沖淤強度變化過程（“+”表示淤積，“-”表示沖刷）

圖3 三峽水庫運行以來宜昌至沙市河段枯水水面線變化（Q=6000m3/s）

與此同時，壩下沿程各水文站枯水水位均不同程度下降。在河段水位的形成機制中，主要影響因素包括：沖淤總量及其分布、河床組成、出口水位等，沙市站所在上荊江河段（枝城至藕池口）沖刷最為劇烈，疊加下游水位下降影響，壩下游各站中，沙市站枯水水位降幅最大。根據(jù)長江航道局每年歲末年初的水尺數(shù)據(jù)，三峽水庫蓄水運行以來，沙市水位降幅自下而上溯源傳遞過程中，沿程逐漸衰減，如圖3所示。陳二口至大埠街沿程水面線（對應(yīng)沙市站枯水流量6000 m3/s）有較為明顯的變陡，是消納沙市水位降幅的主要區(qū)段，而陳二口以上受沙市水位下降的影響不大。與2003年相比，2019年初沙市站枯水流量6000 m3/s對應(yīng)水位下降約2.3 m，受此以及蘆家河水道以下砂卵石河段沖刷的影響，蘆家河水道出口昌門溪（距宜昌75 km）2019年初枯水同流量下水位較2003年下降約0.91 m，但蘆家河水道進口陳二口（距宜昌64 km）同期同流量下僅下降約0.34 m。

表1給出了砂卵石河段沿程比降變化情況，陳二口至大埠街區(qū)段內(nèi)，陳二口至昌門溪、昌門溪至枝江、枝江至大埠街3個子段的比降均有明顯的增加，這在一定程度上說明，三峽水庫蓄水運行以來，砂卵石河段對枯水位的控制作用主要由陳二口至大埠街區(qū)段提供。蘆家河水道的“坡陡流急”現(xiàn)象雖然最為突出，但比降增幅相對較小，2003年以來進出口水位落差增加了0.57 m，整體比降增加約0.5?。

表1 三峽水庫運行以來宜昌至沙市河段沿程比降變化（Q=6000m3/s）

2.2 總體沖淤特征三峽水庫蓄水運行以前，蘆家河水道的演變主要表現(xiàn)為沙泓年內(nèi)汛淤枯沖，且年內(nèi)沖淤基本平衡，多年資料統(tǒng)計表明，沙泓最深點高程年內(nèi)變幅為10～12 m[1]。三峽水庫蓄水運行以來，沙泓年內(nèi)往復(fù)性沖淤幅度明顯減小，主要表現(xiàn)為年際間的持續(xù)沖刷。如圖4所示，水道進口深槽大幅向松滋口口門處延伸；沙、石泓深槽相對較為穩(wěn)定，局部有沖刷，磧壩灘面萎縮，0 m灘體明顯趨于散亂；水道下段沖刷較為明顯，磧壩尾部暗灘大幅萎縮。另外，整個磧壩，以及石泓內(nèi)存在大量亂石堆。

圖4 蘆家河水道河勢變化

結(jié)合蘆家河水道進出口整體比降加大的情況來看，伴隨著河道沖刷過程，河床綜合糙率是有所加大的。這與如下原因有關(guān)：（1）河床粗化。河床粗化必然會在一定程度上增加河床糙率，有研究指出近壩段河床粗化是減小宜昌水位降幅的重要因素[9-10]。2003年蘆家河水道進口、中部、出口三個部位斷面的汛后中值粒徑分別為0.219、0.159、0.156 mm，到2019年，各斷面均呈現(xiàn)為寬級配卵石夾沙河床，斷面上各取樣點極不連續(xù)，難以計算平均中值粒徑，進口、中部、出口三個部位斷面各取樣點的汛后中值粒徑大致粗化為20～50、40～80、30～50 mm，河床整體粗化較為明顯。（2）河道形態(tài)。雖然河道總體沖刷，但石泓仍無順暢的枯水過流通道，沙泓也仍然彎窄；同時磧壩以及石泓因采砂活動形成的大量亂石堆，均有助于維持甚至增加綜合糙率。

坡陡流急所在的沙泓中段，其演變與整個水道的總體特征有本質(zhì)不同。該區(qū)域中洪水期是緩流甚至回流區(qū)，對應(yīng)淤積時段；而在枯水期則出現(xiàn)強水流條件，對應(yīng)沖刷時段。因此，來沙減少會減小懸沙汛期淤積幅度，但沙泓中段的河床形態(tài)乃至河床組成主要取決于枯水水流條件，是枯水過程造床的結(jié)果。即使是汛后中值粒徑粗化的現(xiàn)象，在很大程度上也只能反映其與年內(nèi)汛期淤積大幅減弱而導(dǎo)致床面卵石部分在汛末即已出露有關(guān)。

3 沙泓中段“坡陡流急”現(xiàn)象演變分析

沙泓中段“坡陡流急”現(xiàn)象在三峽水庫蓄水以前就已顯現(xiàn)，但實測資料較少，已難以掌握其具體形成過程。長程比降分析表明[2]，1960年代在天然情況的5300 m3/s流量級下，枝城-沙市河段沿程比降相對均勻，隨后蘆家河水道所在的枝城-馬家店（枝江）段比降持續(xù)增大，1980年代開始，就已成為比降最大的區(qū)段。從宏觀的角度來看，是河床組成的差異性造成了上下游沖刷厚度、水位降幅的區(qū)別，這在山區(qū)河流至平原河流之間的過渡性河段具有一定的普遍性。從微觀層面來看[11]，蘆家河水道較高的深泓高程、寬窄相間的平面形態(tài)所具備的卡口效應(yīng)是導(dǎo)致比降集中，進而形成坡陡流急的主要原因。

三峽水庫蓄水以后，隨著蘆家河水道進出口水位落差加大，水道內(nèi)水流條件必然出現(xiàn)新的變化。根據(jù)三峽水庫蓄水以來沙泓中段枯水期臨時比降的監(jiān)測資料，本文統(tǒng)計分析了沙泓中段整體比降（毛家廠至姚港航道站4 km范圍比降）和最陡局部比降（本文中特指寧化1#碼頭上游附近比降最陡區(qū)域，200 m范圍）兩個比降指標(biāo)的變化情況。

3.1 整體比降變化圖5（a）實測數(shù)據(jù)點分布表明，蘆家河水道沙泓中段毛家廠至姚港航道站4 km范圍比降的變化有較強的趨勢性。在7000～8000 m3/s流量范圍內(nèi)，比降實測資料連續(xù)性較好，顯示4 km范圍整體比降是明顯增加的。雖因數(shù)據(jù)點較為有限，難以擬合出較為精確的定量關(guān)系，但可大致估計7000 m3/s左右流量的沙泓中段整體比降增加了約0.7～0.8?，顯著高于蘆家河水道進出口比降增幅。

圖5 三峽水庫蓄水運用以來蘆家河水道沙泓中段比降變化

另外，從變化過程來看，2006—2010年沙泓中段整體比降變化不大，2010年以后比降增速明顯加快，這與圖3中昌門溪以下水位下降過程大體一致，說明4 km范圍比降的變化與下游枯水位下降并溯源傳遞密切相關(guān)。

3.2 最陡局部比降變化及分析圖5（b）顯示，蘆家河水道沙泓中段最陡局部比降隨時間、流量的分布離散度較大，各流量級的最陡局部比降隨時間沒有明顯的規(guī)律性變化，且即使是同一時間段，流量基本相當(dāng)，最陡局部比降也會有較大的差異。圖5（b）中有兩點信息相對較為確定，一是最陡局部比降在8?～9?左右，各流量級均有測得；二是近期最陡局部比降的小值增加，整個數(shù)據(jù)點分布的重心上提。

文獻[2]中通過數(shù)學(xué)模型的數(shù)值計算分析曾指出，隨著出口水位的下降，蘆家河水道沙泓中段的最陡局部比降增幅趨于縮窄，主要表現(xiàn)為陡比降范圍的擴展。這一認識有助于理解比降的實際變化特點，即最陡局部比降變化幅度要明顯小于較長范圍的比降變化。實際上，短距離的比降變化對水位變化的響應(yīng)可以通過差分一維恒定流運動方程（式（1））并簡化后進行識別。

式中：Q為流量；A為過水?dāng)嗝婷娣e；z為水位；n為糙率；R為水力半徑；J為離散斷面之間比降；j為離散斷面標(biāo)號；Δx為斷面間距；φ為權(quán)重因子。

令式（2）中右側(cè)第一項為Jv，為速度水頭比降；第2、3項合計為Jf，為能量損失比降。根據(jù)長江中下游河道特性，短距離范圍內(nèi)流量一致，過水?dāng)嗝婷娣e變化不大，Jf可適當(dāng)簡化：

以200 m范圍內(nèi)最陡局部比降作為分析對象，目前實測最大比降約8?～9?，按9?計，則落差約為18 cm。為便于分析最陡局部比降區(qū)域末端水位下降對J的影響，需根據(jù)沙泓中段的實際情況進行一系列合理概化：分析范圍概化為矩形河槽，河寬統(tǒng)一按500 m計，平均水深按3 m計；流量按大江流量6000 m3/s時，沙泓分流比約50%，取為3000 m3/s；參考下文中的圖6，流速沿程增加梯度取為每百米增加0.1 m/s?；谏鲜龈呕??的水面比降中，速度水頭比降、能量損失比降分別約為2?和7?。

假設(shè)下游水位下降引起最陡局部比降末端水位下降10 cm，忽略式（3）左側(cè)糙率與河寬變化，則Jf增大約0.8?，在此基礎(chǔ)上，引入一維連續(xù)性方程（式（4）），可試算進口水位，得J增大約1.1?，落差僅增加約2.2 cm。

上述數(shù)值計算分析表明，當(dāng)水位變幅與平均水深不在一個數(shù)量級時，即使是坡陡流急區(qū)，因流速水頭以及局部能量損失的變化幅度有限，距離較短，消納下游水位降幅的能力也較為有限。具體到蘆家河水道沙泓中段而言，雖然近年來一直將200 m范圍內(nèi)的最陡局部比降作為衡量坡陡流急的重要指標(biāo)，但實際上并不能完全反映下游水位下降對坡陡流急現(xiàn)象的影響，其變化方向確實與整體比降變化一致，可是幅度必然較弱。即最陡局部比降自三峽水庫蓄水運用以來總體應(yīng)是略有增加的，但增幅有限，這與圖5中近年來實測最陡局部比降最大值基本穩(wěn)定于8?～9?左右較為吻合。至于圖5中最陡局部比降的反復(fù)變化可能并非實際情況，而是與局部水尺的設(shè)置無法準確捕捉最陡區(qū)段，以及江心定位、浪涌等因素造成的干擾有關(guān)，導(dǎo)致實測數(shù)據(jù)未能如實反映真實最陡比降。

3.3 流速變化三峽水庫蓄水運用以來，對坡陡流急段表面流速間或有測量。表面流速所反映的流速沿程變化特點較為一致，結(jié)合圖1與圖6來看，流速在沙泓進口段逐漸增大，但在毛家廠開始的放寬段又逐漸減小，進入毛家花屋窄段后，存在一個明顯的表流加速段，流速再度迅速增加，在三寧1號碼頭稍上游處達到最大峰值。

圖6 蘆家河水道沙泓2018年主流區(qū)表面流速及床面高程

實測最大流速如圖7所示，三峽水庫蓄水運用初期，5000 m3/s以下流量監(jiān)測到超過3 m/s的最大表面流速，但隨著流量的增加，最大表面流速迅速減小，6500 m3/s左右最大為2.65 m/s。近幾年來表面流速增加明顯，2017、2018年7000～8000 m3/s時，實測最大表面流速均超過3.2 m/s，較蓄水初期該流量區(qū)間的流速增加了約1 m/s。

圖7 三峽水庫蓄水運用以來蘆家河水道沙泓實測最大表面流速

4 沙泓中段沖淤分析

4.1 沖淤變化沙泓中段就淺灘形態(tài)來看，如圖8所示，以毛家花屋和三寧化工碼頭交接處為界，分為上下兩段，毛家花屋前沿為順直窄槽，而三寧化工碼頭前沿為逐漸放寬型淺槽。從三峽水庫蓄水運用以來的情況來看，毛家花屋窄槽并不穩(wěn)定，2004年，窄槽航基面下4 m等深線接近貫通；到2017年，窄槽航基面下5 m等深線貫通，窄槽末端出現(xiàn)深度大于6 m的水深點。與此同時，2017年三寧化工碼頭前沿形成航基面下深度約為3 m的小型堆積體。

圖8 蘆家河水道沙泓中段地形變化

順毛家花屋中部而下取一縱剖面，位置如圖8所示，作三峽水庫蓄水運行以來歷年縱剖面變化過程，如圖9所示。由圖可見，毛家花屋窄槽段一直處于逐漸沖刷下切的狀態(tài)。相比較而言，毛家花屋窄槽進口區(qū)域相對穩(wěn)定，下切幅度有限；越往下游，下切幅度越大。沖深幅度最大的區(qū)域位于寧化1號碼頭上游約100 m處，三峽水庫蓄水運用以來，河床最大沖深超過3 m。結(jié)合圖6來看，毛家花屋窄槽自上而下的沖刷下切強度與水動力特征較為吻合，即沖刷強度最大的部位，對應(yīng)了流速最大的區(qū)域。

圖9 蘆家河水道沙泓中段縱剖面變化

伴隨著毛家花屋窄槽的沖刷，寧化碼頭放寬段較三峽水庫蓄水初期的地形有所淤高，如圖8中所示的小型堆積體。因該堆積體的存在，航道需繞行堆積體右側(cè)航槽上行，但此航法與毛家花屋窄槽下泄的急流流向存在一定的夾角，船舶上行姿態(tài)難以控制，航行安全隱患突出，近期航道部門對該堆積體進行持續(xù)性的疏浚，確保航路與急流流向基本一致，這也是圖9中2018年初堆積體所在位置的縱剖面有明顯下切的原因。

4.2 淤積物分析

（1）淤積物組成。2017年汛后在蘆家河水道三寧化工碼頭前沿堆積體區(qū)域進行疏浚過程中，對疏浚棄土隨機選取7個樣品進行分析。7個樣品均為卵石混砂，雜色，以卵石為主。樣品分析表明，各樣品級配組成極不均勻，平均情況來看，粒徑大于20 mm 的卵石含量超過70%，粒徑大于60 mm 的鵝卵石含量超過20%，粒徑小于5 mm的泥沙含量不足10%。

表2 蘆家河水道疏浚棄土樣品級配

（2）淤積物來源分析。結(jié)合圖6、9來看，寧化1號碼頭下游1 km范圍內(nèi)為卵石主要落淤區(qū)域，但淤積區(qū)流速略高于沙泓中上段較大流速區(qū)，只比毛家花屋上游緊鄰的毛家花屋窄槽段，即沖刷區(qū)域要??；同時，沙泓中上段與毛家花屋之間還存在500 m左右長的流速減緩段。在此水流特性下，卵石不可能在流速較緩的區(qū)域運動輸移，反而進入急流段后發(fā)生落淤。另外，圖9的縱剖面變化反映出落淤區(qū)的淤高與沖刷區(qū)的下切有較為密切的關(guān)聯(lián)性。因此，可以判斷大部分落淤的卵石，尤其是粒徑較粗的卵石，只可能來自于緊鄰的上游急流段沖刷區(qū)，是一種卵石短程搬運現(xiàn)象。

4.3 沖刷區(qū)河床組成分析毛家花屋窄槽段一直被認為是壩下游最為重要的水位控制節(jié)點，其河床組成是多年關(guān)注重點，也是淺灘沖淤機理的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。但是，因毛家花屋窄槽段是枯水航道的唯一通道，且航道窄、水流急，難以實施鉆探，直接掌握其河床組成難度較大。本文通過間接分析的方式對其河床組成進行判斷：

（1）從窄槽段的沖刷過程來看，沖刷下切是隨著比降、流速的增加持續(xù)進行的，并非在保持一段時期穩(wěn)定不動后出現(xiàn)大幅沖刷下切。這說明該區(qū)域可能并不存在由膠結(jié)卵石構(gòu)成的強抗沖致密表層，其河床組成沿深度是相對均質(zhì)的。

（2）上述分析表明，下游落淤物主要來自于窄槽段的沖刷區(qū)。在沙泓“坡陡流急”段短程搬運過程中，考慮到膠結(jié)卵石完全解體的可能性不大，而對疏浚棄土的現(xiàn)場考察以及疏浚棄土取樣分析表明，如圖10所示，落淤物均為松散卵石，夾帶少量泥沙，未見塊狀膠結(jié)卵石。因此，至少可以判斷膠結(jié)卵石層在毛家花屋窄槽段并非主要組成成分。

（3）對磧壩鄰近毛家花屋窄槽區(qū)域進行地勘表明（勘探點見圖1），鉆孔最大揭露厚度大于10 m（低于窄槽床底高程），河床地層多為砂卵石，礫石、卵石含量約60%～80%，粒徑20～100 mm，如圖11所示。3個鉆孔構(gòu)成的縱向地質(zhì)剖面與窄槽深泓的橫向平均距離僅300 m 左右，距離窄槽邊緣不到200 m，但鉆孔取樣同樣并未揭示有膠結(jié)卵石層的存在。

綜合上述分析，基本可以確定毛家花屋窄槽段的河床組成應(yīng)主要為寬級配卵石，膠結(jié)卵石層存在的可能性較低。

圖10 疏浚棄土

圖11 鉆孔樣品

5 “坡陡流急”段演變機理及趨勢分析

以上分析已指出，水面比降由速度水頭比降與能量損失比降兩部分組成，短距離內(nèi)緩流條件下（坡陡流急段弗雷德數(shù)目前遠小于1），一定幅度的水位下降引起的流速水頭以及局部能量損失的變化幅度是有限的。因此，雖然三峽水庫蓄水以來蘆家河水道出口的水位仍在繼續(xù)下降，但在短距離最陡局部比降區(qū)域，比降進一步集中加大的趨勢并不明顯。

坡陡流急段的流速變化并不完全取決于最陡局部比降的大小，在某一區(qū)段內(nèi)，只要水面比降大于能量損失比降，則水流流速沿程增加。圖6中反映的表流加速段長度約1.7 km，對該區(qū)段歷年來比降進行統(tǒng)計分析表明（見圖12），該區(qū)段的比降接近沙泓中段整體比降的兩倍，其變化與沙泓中段整體比降的變化規(guī)律較為一致，三峽水庫蓄水運用以來8000 m3/s 以下流量級的比降值增加較為明顯，其中7000 m3/s 左右流量的比降增加了約1.5?以上，落差增加值達到了沙泓中段4 km 增加值的約80%。這一方面說明毛家花屋前沿的表流加速段是蘆家河沙泓中段最核心的水位控制段；另一方面，表明該段比降的加大，必然增加勢能向動能的轉(zhuǎn)化，流速隨之逐漸增加。

圖12 三峽水庫蓄水運用以來蘆家河水道沙泓中段流速加速區(qū)比降

按照3.2節(jié)中的概化數(shù)值分析認識，在地形邊界固定、糙率穩(wěn)定的假定條件下，水流只能通過加大流速，增加能量損失比降以逐級消減水位降幅向上游的溯源傳遞。在流量不變的前提下，流速加大必然引起水位下降，因此，長達1.7 km的核心水位控制段亦無法完全消納下游水位降幅，即使控制段進一步延長，也只是會加大水位降幅的削減幅度，而無法維持進口水位的完全穩(wěn)定。需要特別指出的是，只有當(dāng)控制段水流條件因下游水位大幅下降進入急緩流臨界狀態(tài)后，則下游水位的繼續(xù)下降將不再對上游水位產(chǎn)生影響。

較假定情形，實際河道中因下游水位下降引起的坡陡流急段的變化要更為復(fù)雜。（1）上述分析已經(jīng)指出坡陡流急段有沖刷下切的情形發(fā)生，這顯然會加大過流面積，影響流速增幅，進而減小能量損失比降；（2）若河床沖刷過程中，床面隨之粗化，則又會產(chǎn)生增加能量損失比降的效果；（3）蘆家河水道是枯水分汊型河道，若沙泓在沖刷過程中綜合糙率發(fā)生調(diào)整，其分流比會發(fā)生反向調(diào)整，沙泓內(nèi)的能量損失比降則將與分流比同向調(diào)整。

因沙泓枯水期河床組成資料的缺失，以及磧壩、石泓卵石堆林立，分流比精準測量難度極大等實際困難，上述三方面調(diào)整機制之間難以定量區(qū)分，但可以通過對坡陡流急水流條件與沖淤之間的關(guān)系，從定性層面探討其中的主次。三峽水庫蓄水以來，坡陡流急中下段平均沖深1～2 m，同流量下水位降幅在1 m以內(nèi)，但水流流速反而有所增加，這說明沙泓分流比是有所增加的，且其加大流速的效應(yīng)要大于過流斷面增加所產(chǎn)生的減速效應(yīng)。比較難于確定的問題在于，河床沖刷過程中河床組成發(fā)生了何種調(diào)整。

寬級配卵石的沖刷機制十分復(fù)雜，主要取決于流速、級配和水深3個指標(biāo)。從近年來對卵石落淤區(qū)的疏浚維護情況來看，卵石落淤主要發(fā)生在枯水中前期，且根據(jù)近期疏浚量推算，每年枯水期落淤的總量在2萬m3左右，可見毛家花屋窄槽段每年的沖刷下切幅度以及總的沖刷量均較為有限。這存在兩種可能，其一是沖刷主要發(fā)生在流急特別嚴重的部分小流量級，因而沖刷歷時較為有限；其二是每年枯水期床面能夠達到當(dāng)年的基本穩(wěn)定狀態(tài)。目前的實測資料難以明確排除其中任意一種可能性，但這兩種可能性存在一定的共通之處，前一種可能性下，枯水期一般狀態(tài)下可以視為基本穩(wěn)定狀態(tài)；而對于后一種可能性，枯水期中后期可以視為基本穩(wěn)定狀態(tài)。因此，每年枯水期中后期的水深與流速組合能夠在一定程度上反映坡陡流急段的抗沖能力，而抗沖能力與級配特征密切相關(guān)。

基于坡陡流急段的沖刷特征，參考沙莫夫公式（式（5）），構(gòu)建通過基本穩(wěn)定狀態(tài)下水深流速關(guān)系反映抗沖能力的式（6），床面級配的變化會使得這種相關(guān)關(guān)系發(fā)生移動。

式中：Uc為起動流速；Uh為基本穩(wěn)定狀態(tài)下水深h區(qū)域的垂線平均流速；C、k0、k1為系數(shù)；γs為卵石比重；γ為水比重；D為卵石粒徑；h為水深。需要特別說明的是，根據(jù)實測資料與水槽試驗成果，m一般取1/6，但式（6）與式（5）在物理含義上有一定區(qū)別，k1應(yīng)大于m。

圖13 近期坡陡流急區(qū)水深、流速的對數(shù)值相關(guān)關(guān)系

根據(jù)2017年5月、2018年3月實測地形以及當(dāng)年枯水期實測表面流速，提取毛家花屋窄槽中下段河心主要沖刷區(qū)地形以及表面流速Us，將表面流速按式（7）處理為垂線平均流速，可得到圖13，由圖可見，水深與流速的相關(guān)性良好。按此相關(guān)性，三峽水庫145 m運行期蘆家河水道沙泓中段地形條件下，枯水期急流區(qū)水深在5 m左右，計算Uh僅1.79 m/s，對應(yīng)Us僅2.04 m/s。但是，三峽水庫145 m運行期急流區(qū)有3 m/s以上流速出現(xiàn)。即，三峽水庫蓄水運用以來坡陡流急區(qū)的水深、流速的對數(shù)值相關(guān)關(guān)系已發(fā)生顯著移動，抗沖能力有所削弱，可見沖刷過程中未見河床明顯粗化，甚至在一定程度上說明，毛家花屋窄槽段在蓄水初期可能存在較粗的表層，且已受到破壞。

綜合上述分析可知，三峽工程蓄水以來，蘆家河水道坡陡流急段演變的內(nèi)在機理是十分復(fù)雜的，隨著下游水位持續(xù)下降，沙泓中段流速加速區(qū)比降加大，流速持續(xù)增加，中下段大流速區(qū)河床逐步?jīng)_刷下切，且在此過程中粗化不明顯，沙泓中段綜合糙率（或稱水位控制作用）實際有所下降，引起分流比增加，以致出現(xiàn)沖刷幅度大于水位下降幅度，且沖刷區(qū)流速持續(xù)增加的現(xiàn)象。沙泓中段水位控制作用削弱、沙泓分流比增加等調(diào)整的影響，在蘆家河水道沙泓進口亦有所顯現(xiàn)，圖3顯示，蘆家河水道沙泓進口段3.6 km范圍內(nèi)，枯水比降已由蓄水之初的0.5?左右增至當(dāng)前的1.5?左右。

基于上述機理分析，若下游沙質(zhì)河段枯水位的進一步下降并溯源傳遞影響至昌門溪，毛家花屋沙泓中段局部大比降繼續(xù)增加的幅度將較為有限，但沙泓中段沖刷、分流比加大、流速增加、較長程的比降增加均有可能進一步發(fā)展。這一系列變化實際對應(yīng)了沙泓綜合糙率的減小，整個蘆家河水道的水位控制作用也是相應(yīng)削弱的，昌門溪水位降幅向上傳遞的比例將加大。

6 主要認識

本文基于實測資料分析，系統(tǒng)研究了蘆家河水道沙泓“坡陡流急”段演變規(guī)律、內(nèi)在機理及趨勢，得到了如下主要認識，可為蘆家河水道乃至整個砂卵石河段的航道維護與治理提供技術(shù)支撐。

（1）蘆家河水道對于枯水水面線具有強控制作用，三峽水庫蓄水運用以來，受蘆家河水道下游枯水位持續(xù)下降的影響，蘆家河水道進出口落差加大，枯水比降在沙泓中段進一步集中。研究認為，沙泓中段毛家花屋前沿長達1.7 km左右的表流加速段是水位控制核心區(qū)段，比降增加最為明顯，并導(dǎo)致急流段流速持續(xù)增加，估計三峽水庫蓄水運用以來7000～8000 m3/s流量區(qū)間的最大表面流速增加了約1 m/s。最陡局部比降段因長度僅200 m，對下游水位下降的消納能力有限，近年來比降變化不明顯，最陡局部比降這一指標(biāo)難以較好反映下游水位下降對坡陡流急的影響。

（2）蘆家河水道沙泓中段毛家花屋窄槽的強抗沖性是維持沙泓中段坡陡流急現(xiàn)象的前提條件，但急流區(qū)河床組成難以直接探明，通過分析研究沙泓中段沖淤特點、淤積物組成、以及臨近地勘資料，指出急流區(qū)河床組成以寬級配卵石為主，并揭示了近年來急流區(qū)河床在持續(xù)沖刷下切過程中，存在卵石短程輸移搬運的現(xiàn)象。

（3）三峽水庫蓄水以來，蘆家河水道坡陡流急段演變的內(nèi)在機理是十分復(fù)雜的，隨著下游水位持續(xù)下降，沙泓中段流速加速區(qū)比降加大，流速持續(xù)增加，中下段大流速區(qū)河床逐步?jīng)_刷下切，且在此過程中粗化不明顯，沙泓中段綜合糙率實際有所下降，引起分流比增加，以致出現(xiàn)沖刷幅度大于水位下降幅度，且沖刷區(qū)流速持續(xù)增加的現(xiàn)象。若下游沙質(zhì)河段枯水位的進一步下降并溯源傳遞影響至昌門溪，毛家花屋沙泓中段局部大比降繼續(xù)增加的幅度將較為有限，但沙泓中段沖刷、分流比加大、流速增加、較長程的比降增加均有可能進一步發(fā)展，且將影響蘆家河水道對上游水位的控制能力。