漢江興隆水利樞紐下游近壩段水位下降成因及防治對策

黃建成，黃雪穎，周銀軍，高 瑜

(1.長江科學院 河流研究所，武漢 430010； 2.武漢科技大學 城市建設學院，武漢 430081)

1 研究背景

河道上修建水利樞紐后，水庫下泄水沙數(shù)量及過程較原壩下游河道來水來沙狀況發(fā)生不同程度的改變，壩下游河道將經(jīng)歷一個沖刷—平衡的發(fā)展過程[1]。在壩下游河道沖刷期間將首先引起近壩段中、枯水位的下降，下降幅度可達0.75～1.64 m，對船閘下游引航道水深及船閘閘檻水深帶來不利影響[2]。2013年興隆水利樞紐蓄水運用以來，壩下游來水來沙條件的變化，造成近壩段河床的沖刷，從而引起同流量下河道中、枯水位的下降，2018年流量500 m3/s時，壩下游水位較原設計水位下降約1.67 m，流量800 m3/s時，壩下游水位較原設計水位下降約1.47 m，使樞紐在中、枯水期需降低壩前運行水位，以滿足電站最大發(fā)電水頭的工作要求，從而造成樞紐船閘上閘檻水深不足，船舶過閘需減載通行，嚴重影響了工程航運效益的發(fā)揮。由于壩下游水位下降與來水來沙條件、河床地質(zhì)條件、壩下游河道沖刷等因素有關。因此，開展對興隆樞紐運用后壩下游近壩段中、枯水位下降主要原因及發(fā)展規(guī)律的研究，提出控制壩下游近壩段水位下降的工程措施及治理方案，對解決壩下游河道水位的持續(xù)下降，保證樞紐中、枯水期船舶過閘安全，充分發(fā)揮樞紐的航運效益具有重要的意義。

2 研究區(qū)概況

2.1 樞紐概況

漢江興隆水利樞紐位于漢江下游湖北省潛江高石牌鎮(zhèn)和天門市多寶鎮(zhèn)境內(nèi)，上距丹江口大壩約378 km，下距河口約273 km。工程主要任務是改善兩岸灌區(qū)的引水條件和漢江通航條件，兼顧水利發(fā)電 。樞紐由泄水閘(56孔)、電站廠房(4臺裝機)、船閘、魚道和兩岸灘地過流段及交通橋等建筑組成，軸線全長2 830 m(圖1)。水庫正常蓄水位36.20 m，相應庫容2.73億m3，總庫容4.85億m3，規(guī)劃灌溉面積2 184 km2，過船噸位1 000 t，設計流量19 400 m3/s，電站裝機40 kW，年發(fā)電量2.25億kW·h[3]。工程2009年2月開工，2013年建成運行。

圖1 漢江興隆水利樞紐工程河段Fig.1 Reach of the Xinglong Hydrojunction Project on Hanjiang River

根據(jù)興隆樞紐任務和本身特點，其調(diào)度運行方式為：洪水調(diào)度采用敞泄方式，起調(diào)水位為水庫正常蓄水位，當洪水來量大于發(fā)電最大引水流量1 156 m3/s、小于正常蓄水位36.20 m相應的下泄流量為7 080 m3/s 時，采用控制泄水閘孔數(shù)或閘門開度，使下泄量等于來水量；當洪水來量>7 080 m3/s時，泄水閘全部開啟敞泄[3]。

2.2 河道基本情況

興隆水利樞紐是漢江梯級開發(fā)方案中的最下一個樞紐。該處河段屬漢江下游的上段，河道寬淺，主流擺動較大，洲灘較多，河道兩岸建有堤防，一般高出地面3～5 m，河道枯水河寬約670 m，中水河寬約1 300～1 400 m，高水河寬約2 500～2 800 m，最小水深1.0～2.0 m(圖1)。受丹江口水庫清水下泄影響，該河段由原來的淤積變?yōu)闆_刷，目前仍以沖刷為主，但沖刷強度已趨于減弱。壩址區(qū)河道較順直，但順直段較短，上、下游均為彎道，斷面形式為復式，高程36.2 m(正常蓄水位)以下河面寬約1 200 m，主河槽位于河道偏右側(cè)，深泓高程25.4 m，主河槽左側(cè)為低-高河漫灘，寬約1 400 m，灘面高程34～37 m，右側(cè)為高漫灘，灘面高程約36～37 m，寬約700 m，兩岸堤防間河道寬度約2 800 m。

3 壩下游水位下降情況

興隆水利樞紐2013年10月蓄水運用以來，壩下游中、枯水位有不同程度的下降，高水位則變化不大。將2014—2018年壩址下游1.5 km處實測水位與建樞紐前設計水位進行比較分析，結果表明(表1、表2和圖2)：從每年水位變化情況看，2014年樞紐剛開始運行時壩下游河床沖刷較小，流量<800 m3/s時河道水位略有下降，流量>1 000 m3/s時水位基本不變；從2015年開始壩下游中、枯水位呈逐年下降的趨勢，2015年流量500～1 000 m3/s間水位下降0.39～0.63 m，流量2 000～3 000 m3/s間水位下降0.22～0.36 m；2016年流量500～1 000 m3/s間水位下降0.19～0.28 m，流量2 000～3 000 m3/s間水位下降0.04～0.05 m；2017年汛前中、枯水位下降值較小為0.03～0.23 m，同年9—10月漢江發(fā)生了大洪水，壩址處最大流量達13 500 m3/s，經(jīng)過這場洪水的沖刷，2018年流量500～1 000 m3/s間水位下降0.57～0.83 m，流量2 000～3 000 m3/s間水位下降0.43～0.64 m。從年際水位的累計下降情況看，到2018年流量500～1 000 m3/s間水位累計下降1.47～1.67 m，流量2 000～3 000 m3/s間水位累計下降0.82～1.26 m。

表1 壩址下游中、枯水期各年水位變化Table 1 Values of water level drawdown in the downstream of the dam site in middle and dry seasons of each year

表2 壩址下游中、枯水期各年水位累計變化Table 2 Cumulative values of water level drawdown in the downstream of the dam site in middle and dry seasons

圖2 壩址下游中、枯水期水位-流量關系Fig.2 Stage-discharge relationship in middle and dry seasons in the downstream of the dam site

由此可見，在水位下降的過程中，流量<1 000 m3/s時的水位下降幅度明顯大于流量1 000 m3/s時的水位下降幅度；洪水期大流量對河床沖刷造床作用明顯，洪水過后河道中、枯水位明顯下降。

4 水位下降主要影響因素

4.1 水沙條件的變化

興隆水利樞紐運行后，壩下游河段的來流量與建壩前相比變化不大；來沙量則發(fā)生一定改變，推移質(zhì)和部分懸移質(zhì)被攔截在水庫內(nèi)，水庫下泄水流的含沙量減少，泥沙粒徑變細。由于興隆樞紐是低水頭徑流式電站，以灌溉和航運為主，兼顧發(fā)電，不承擔防洪任務，其入庫水沙量主要由丹江口水庫下泄量及丹江口至興隆區(qū)間量組成，水庫自身調(diào)蓄水沙能力不強。因此興隆樞紐下泄水沙量，還與上游丹江口水庫的下泄水沙量密切相關。

丹江口水庫蓄水運用以后，下游河道的水沙條件發(fā)生較大改變，主要表現(xiàn)為：①漢江中下游洪峰大為削減，如1983年10月，入庫洪峰流量34 300 m3/s，下泄流量僅為20 000 m3/s，削峰率41.7%。②流量過程變得較為均勻平緩，中水期延長，枯水期增大，每年中水期流量(800～1 500 m3/s)天數(shù)由建庫前的平均35 d增加到建庫后的平均220 d；枯季流量由建庫前的月平均300 m3/s左右增加到建庫后的600 m3/s左右。③來沙量驟減，壩下游基本是清水下泄，襄陽站多年平均懸移質(zhì)含沙量由建庫前2.59 kg/m3減少至蓄水期的0.12 kg/m3，多年平均輸沙量由建庫前的1.13億 t減少至蓄水后的464萬 t[4]。

2014年丹江口大壩加高后水庫正常蓄水位由157 m抬高至170 m，新增庫容116億 m3，水庫由不完全年調(diào)節(jié)提升為不完全多年調(diào)節(jié)，使水庫下泄洪峰流量得到進一步的調(diào)控，如2021年8月30日，入庫洪峰流量23 400 m3/s，下泄流量7 720 m3/s，削峰率67%，中水期流量時間進一步延長，枯水期流量有所增加，出庫水流含沙量進一步減小。這些水沙條件的變化也將直接影響興隆樞紐的入庫水沙量和出庫水沙量。

4.2 河段地質(zhì)條件

興隆樞紐所在漢江河段地處江漢平原，兩岸灘地廣闊，地勢平坦，河床寬570～680 m，深槽靠右岸，左岸是寬廣的河漫灘，其中低灘寬750～800 m，灘面高程35～37 m，高灘寬430～800 m，灘面高程37～39 m。河床邊界全由第四紀沉積層組成，覆蓋層厚度約45～70 m，河床組成以中細沙為主，有較大的可動性，河岸組成為二元結構，上層為黏土，下層為中細沙，抗沖性較弱。2005年3月對該河段床沙取樣分析表明，河道床沙以中細沙為主，粒徑較細，組成較均勻，床沙中值粒徑在0.132～0.199 mm之間，平均中值粒徑為0.183 mm，有較大可動性[3，5]。這種河床地質(zhì)條件容易產(chǎn)生河床沖刷下切，引起枯水位下降。

4.3 壩下游河道沖刷

興隆樞紐蓄水運用后，部分泥沙淤積在庫區(qū)，下泄水流的含沙量不同程度減少，壩下游河道發(fā)生沖刷。根據(jù)2014—2018年興隆水文站(興隆樞紐下游24 km)實測大斷面資料的分析[6]，結果表明(表3、圖3)：2014年12至2018年12月，該斷面河床深泓高程累計沖刷下降了7.8 m，其中2016年、2017年沖刷較大，深泓高程分別下降了3.95 m和3.30 m；平灘河槽累計展寬65.8 m，其中2017年10月大水后，河槽沖刷較明顯，平灘河槽較汛前展寬40 m。而占整個河道寬度72.5%的灘地則因汛期上水時間較短，水流流速較小，灘面沖淤變化不大，仍保持原有36.5～38.0 m的灘面高程。由此可見，壩下游河道沖刷部位主要位于平灘河槽內(nèi)，河漫灘范圍的沖刷很少，因此相應的中、枯流量下的水位較建庫前有不同程度降低，而洪水期由于過洪斷面相對增加不多，同流量的水位變化不大，甚至有的地方因灘地雜草叢生或筑堤圍墾增加了河道行洪阻力，洪水位反而有所抬高。

表3 壩下游河床斷面沖淤變化Table 3 Variation of sediment deposition and erosion on river bed downstream of the dam

圖3 興隆站歷年實測大斷面沖淤變化Fig.3 Changes in erosion and deposition of large sections measured at Xinglong Station over years

隨著丹江口水庫大壩加高、調(diào)節(jié)庫容的增加和丹江口至興隆段新建梯級電站的完工，興隆樞紐入庫沙量將持續(xù)減少，水庫將持續(xù)清水下泄。根據(jù)葛洲壩下游宜昌河段的沖淤變化情況，1981年葛洲壩樞紐運用以來，宜昌河段經(jīng)歷了一個單向沖刷下切平衡的發(fā)展過程，到1990年河床達到基本沖淤平衡；2003年6月三峽工程蓄水運用后，宜昌河段再次發(fā)生持續(xù)性沖刷，到2013年河床才趨于穩(wěn)定[7]。因此預計未來興隆樞紐下游近壩段河床仍將有一個持續(xù)沖刷的過程，河道的中、枯水位仍有下降的趨勢。

5 防治水位下降措施

興隆樞紐通航建筑物按Ⅲ級航道配套設計，采用單線一級船閘，尺度為108 m×23 m×3.5 m(長×寬×檻上水深)。最大通航流量100 000 m3/s，最小通航流量420 m3/s，上游最高通航水位37.80 m，下游最低通航水位29.7 m[3]。為解決目前壩下游近壩段中、枯水位下降，造成船舶正常過閘受影響的問題，提出以下對策措施探討。

(1)根據(jù)近年來興隆樞紐河段的來水來沙量和壩下游河道實測地形資料，采用泥沙數(shù)學模型計算，預測未來壩下游河道的沿程沖刷情況和中、枯水位的下降趨勢。

(2)根據(jù)對該河段地形條件分析，在壩下游長約5.2 km的河段范圍內(nèi)，河道較順直，左側(cè)是寬闊的河漫灘，寬約1 500 m，右側(cè)為主河槽，寬約500 m，多年來灘槽位置相對穩(wěn)定[8]。由于河床沖刷主要發(fā)生在平灘河槽內(nèi)，灘地沖淤變化較小。因此，建議在壩下游2～5.2 km的河段范圍內(nèi)，首先對平灘河槽進行防護，在最小通航流量水位以下沿河槽濕周鋪一定厚度的塊石或沉排，阻止水流對河槽的進一步?jīng)_刷下切和展寬；其次在已防護的平灘河槽里修筑多道潛壩來適當抬升上游枯水位，潛壩壩頂高程以滿足最小通航水深為準。并通過物理模型試驗對工程整治效果進行試驗研究[9]，為工程措施的實施提供依據(jù)。

(3)優(yōu)化丹江口水庫的調(diào)度方式，適當增加枯水期下泄流量，加大對下游河道的補水量，同時，在丹江口大壩至興隆樞紐間的漢江干流河段兩岸嚴格控制引用水流量，科學合理分配水資源，以保證興隆樞紐的入庫流量，從而加大興隆樞紐的出庫流量，抬升下游水位。

(4)積極推進南水北調(diào)后續(xù)工程高質(zhì)量發(fā)展，加快對引江補漢工程方案的論證和實施，通過從長江調(diào)水增加興隆樞紐中、枯期的入庫流量，從根本上解決興隆樞紐船舶過閘航深不足問題，以及壩下游河道中、枯水期水位下降帶來的不利影響。

6 結論和建議

(1)興隆樞紐運行后，壩下游近壩段中、枯水位較建壩前累計下降了0.82～1.67 m，造成水位下降的主要原因是樞紐建成后的清水下泄和河床床沙組

成顆粒細、抗水流沖刷弱，引起河床深泓累計沖刷7.8 m，平灘河槽累計展寬65.8 m。預計未來壩下游河床仍將有繼續(xù)沖刷下切的可能。

(2)近期內(nèi)可實施在壩下游近壩段平灘河槽內(nèi)沿濕周鋪一定厚度的塊石或沉排，并在河槽內(nèi)修筑多道潛壩的工程措施，以有效阻止水流對河槽的近一步?jīng)_刷下切和展寬，并適當抬升上游枯水位。

(3)從長遠考慮需通過修建引江補漢工程，增加興隆樞紐中、枯水期的入庫流量，從根本上解決興隆樞紐船舶過閘航深不足問題和壩下游河道中、枯水期水位下降帶來的不利影響。

(4)在樞紐船閘設計中，除要考慮壩下游中枯水位下降對船閘下游引航道及下閘檻水深的影響外，對于低水頭徑流式電站還需考慮因壩下游中枯水位下降，樞紐為保發(fā)電需要降低壩前運行水位，從而引起船閘上閘檻水深不足的問題。