長江三峽水庫壩下游荊江段斷面形態(tài)沖刷調(diào)整成因分析

陳 立，余博聞*，許全喜，何小花，張康賀，房復康

(1.武漢大學 水資源與水電工程科學國家重點實驗室，湖北 武漢 430072；2.長江水利委員會 水文局，湖北 武漢 430010；3.湖北省水利水電規(guī)劃勘測設計院，湖北 武漢 430064)

大型水庫建成后，壩上游及下游水沙條件、水流輸沙能力發(fā)生顯著變化，庫區(qū)及壩下游河段發(fā)生趨勢性沖於調(diào)整：壩上游河段侵蝕基準面抬升，輸沙能力降低[1]，庫區(qū)發(fā)生累積性淤積[2–3]；水庫攔截泥沙，壩下游水流處于不飽和挾沙狀態(tài)[4–6]，河床持續(xù)沖刷[7]。

研究表明，壩下游河段沖刷過程中，河道斷面形態(tài)發(fā)生調(diào)整[8–10]，或先展寬、后刷深，或先刷深，后展寬，抑或展寬與刷深同時發(fā)生。三峽水庫蓄水運用后，研究者依據(jù)實測資料分析了壩下游河段河道斷面的沖刷調(diào)整特點。Xia[11]、周美蓉[12]等采用河段平均方法，研究了荊江河段河道斷面的變化情況，發(fā)現(xiàn)河道橫向展寬幅度不顯著，斷面形態(tài)的調(diào)整以沖刷下切為主，河道向窄深化發(fā)展。朱玲玲等[13]發(fā)現(xiàn)三峽水庫蓄水后，平灘水位及枯水位下，上、下荊江河段整體斷面寬深比均呈現(xiàn)減小趨勢。姚記卓[14]、孫啟航[15]等依據(jù)河段平均方法，分析了三峽水庫蓄水后長江城陵磯、武漢河段河槽斷面形態(tài)調(diào)整特點，同樣得到斷面形態(tài)向窄深化發(fā)展的認識。

與上述不同的是，部分研究者同時發(fā)現(xiàn)存在斷面向?qū)挏\化發(fā)展的現(xiàn)象。渠庚等[16]的研究表明，三峽蓄水后荊江河段中枯水位下部分斷面寬淺化；朱玲玲[17]、Li[18]等發(fā)現(xiàn)荊江彎曲河段也存在向?qū)挏\化發(fā)展的斷面。

研究者還從不同方面探討了斷面形態(tài)變化的影響因素。周美蓉[19]、林芬芬[20–21]、夏軍強[22]等曾建立河段平均斷面形態(tài)特征參數(shù)與上游水流沖刷強度之間的關系，發(fā)現(xiàn)水沙條件的變化是引起河段內(nèi)平灘水位下斷面形態(tài)特征參數(shù)的變化的原因；Lin等[23]發(fā)現(xiàn)監(jiān)利河段平灘水位下斷面形態(tài)特征參數(shù)與上游來水來沙條件、下游洞庭湖頂托水位存在相關性。劉慰等[24]還發(fā)現(xiàn)黃河小浪底水庫蓄水后，壩下游不同河型河道斷面形態(tài)和河床變化速率不同。

綜上所述，現(xiàn)有研究發(fā)現(xiàn)，不論河段平均還是典型斷面，三峽水庫壩下游均表現(xiàn)出斷面形態(tài)窄深化的特征，也認識到上游水沙條件、河型及侵蝕基準面對窄深化的影響；但是也有分析發(fā)現(xiàn)，荊江河段依然存在斷面形態(tài)寬淺化的現(xiàn)象。不同的河床形態(tài)對泥沙補給變化的響應機制存在本質(zhì)差異[25]，不同河型、不同水位下斷面形態(tài)的變化究竟有何不同，為何在不飽和水流作用下，不同河型的斷面形態(tài)表現(xiàn)出不同的變化，即除上游來水來沙條件和侵蝕基準面等，作為河道邊界條件之一的河型條件，如何影響斷面形態(tài)調(diào)整，現(xiàn)有的研究尚未系統(tǒng)觸及。

基于荊江河段2003—2018年實測河道斷面數(shù)據(jù)，分析荊江河段順直、彎曲和分汊河型典型斷面在平灘水位和枯水位下的形態(tài)變化特點，探尋不同河型之間斷面形態(tài)調(diào)整的異同及其成因，以期更加全面地認識水庫下游河道斷面形態(tài)變化規(guī)律和機制。

1 研究區(qū)域及數(shù)據(jù)

研究區(qū)域為三峽水庫下游荊江河段沙市至城陵磯段，該河段內(nèi)存在順直、彎曲、分汊3種河型單元。選取河段內(nèi)不同河型的典型斷面，其中，順直河型典型斷面10個，彎曲河型典型斷面16個，分汊河型典型斷面14個。典型斷面位置如圖1所示。

圖1 荊江河段及典型斷面位置示意圖Fig. 1 Jingjiang reach and location of typical cross sections

2 蓄水后不同河型斷面形態(tài)變化

2.1 平灘水位下不同河型斷面形態(tài)變化

平灘水位下，2003—2018年間不同河型典型斷面形態(tài)特征參數(shù)變化率如圖2所示，ΔB為2018年與2003年斷面寬之差，ΔH為2018年與2003年斷面平均水深之差，Δξ為2018年與2003年斷面寬深比之差。

圖2 平灘水位下不同河型典型斷面形態(tài)特征參數(shù)變化率Fig. 2 Variation rate of characteristic parameters of different river patterns under bankfull water level

由圖2可知，不同河型斷面總體趨向窄深化，順直河型所有斷面寬深比均減小，分汊河型和彎曲河型寬深比減小的斷面分別占93%和81%。不同河型寬深比減小的主要原因在于：平灘河寬有增有減，變化幅度較??；而平灘水深普遍呈增加趨勢，且增長率明顯大于河寬變化率。

由圖3可知，初期寬深比較大的斷面，寬深比變化幅度也大，即總體上初期寬深比大的斷面，窄深化程度也大。且其中，順直、彎曲河型寬深比與變幅的關系好于分汊河型。

圖3 平灘水位下不同河型斷面無量綱化的初始（2003年）寬深比與2003—2018年間寬深比變化幅度的關系Fig. 3 Relationship between initial (2003) dimensionless widthto-depth ratio and width-to-depth ratio variation rate between 2003 and 2018 under bankfull water level

2.2 枯水位下不同河型斷面形態(tài)變化

枯水位下2003—2018年間不同河型典型斷面形態(tài)特征參數(shù)變化率如圖4所示?？菟幌虏煌有蛿嗝鏌o量綱化的初始寬深比與2003—2018年間寬深比變化幅度的關系如圖5所示。

圖4 枯水位下不同河型典型斷面形態(tài)特征參數(shù)變化率Fig. 4 Variation rate of characteristic parameters of different river patterns under low water level

圖5 枯水位下不同河型斷面無量綱化的初始（2003年）寬深比與2003—2018年間寬深比變化幅度的關系Fig. 5 Relationship between initial (2003) dimensionless width-to-depth ratio and width-to-depth ratio variation rate between 2003 and 2018 under low water level

由圖4可知：不同河型斷面形態(tài)同樣發(fā)生變化，但彎曲河型斷面寬深比變化與順直河型和分汊河型截然不同。順直河型、分汊河型典型斷面的變化與平灘水位時一致，表現(xiàn)為枯水河寬有增有減，斷面水深增加，且水深增長率大于斷面寬度變化率，斷面趨窄深化。順直河型、分汊型段典型斷面中，枯水寬深比減小的斷面分別占比100%、93%。彎曲河型枯水河槽以展寬為主，斷面水深變化率小于寬度變化率，彎曲河型有63%的斷面呈寬淺化趨向。

由圖5可知，枯水位下初期寬深比較大的斷面，寬深比變化幅度也大。其中，順直河型、分汊河型寬深比與其變幅的關系好于彎曲河型。

綜合來看：

1）平灘水位和枯水位下不同河型斷面寬深比均發(fā)生調(diào)整，平灘水位下各河型斷面寬深比總體減小，斷面具有向窄深化發(fā)展的一致趨勢；枯水位下，順直和分汊河型寬深比減小，而彎曲河型寬深比以增加為主。

2）平灘水位和枯水位下，無論斷面寬深比增加抑或減小，寬深比系數(shù)越大的斷面，其寬深比變化幅度也越大。

3 討 論

3.1 平灘水位下斷面寬深比總體減小的成因

三峽水庫蓄水后，首先，下游河道來沙劇減，不飽和水流作用下，河床發(fā)生沖刷；其次，水流動力軸線、水流沖刷動力主要集中在平灘水位以下的主河槽內(nèi)[28]，因此平灘水位以下河槽沖刷為主，特別是由于沖刷發(fā)生在枯水河槽內(nèi)，導致平灘河槽斷面刷深。最后，隨著出庫徑流過程的調(diào)平，壩下游河段大洪水出現(xiàn)的概率降低，河道漫灘幾率減小，不同流量級下水流動力軸線的擺動范圍更加集中在平灘河槽以內(nèi)，一定程度上加劇了平灘河槽內(nèi)的沖刷。當然，河床刷深后局部崩岸的發(fā)生，也使局部斷面出現(xiàn)展寬的情形?？傮w而言，三峽水庫蓄水以后，荊江河段內(nèi)的沖刷集中在平灘河槽以下[29–30]，平灘水位下的斷面總體表現(xiàn)出窄深化特征。

不同河型典型斷面變化如圖6所示。由圖6可看出，2003—2018年間，各斷面的沖刷主要集中在平灘河槽以內(nèi)，平灘水位以上變化很小。平灘河槽水深增加，河寬變化不大，斷面形態(tài)主要向窄深化發(fā)展。

3.2 枯水位下不同河型斷面寬深比變化差異性成因

1）不同河型斷面沖刷的差異性導致枯水河槽寬深比調(diào)整特點不同。

順直河型斷面形態(tài)呈對稱U型（圖6（a）、（b）），蓄水后沖刷集中在枯水河槽以內(nèi)，枯水位和平灘水位之間的河槽幾乎未發(fā)生沖刷，河床平行下切，枯水河寬基本未變，因此順直斷面枯水河槽以窄深化為主。與順直河型類似，分汊河型斷面的沖刷也基本集中在枯水河槽以內(nèi)，且以沖刷下切為主，河寬變化不大（圖6（c）、（d）），因此分汊河型枯水河槽的寬深比減小。

圖6 不同河型典型斷面變化Fig. 6 Variation of typical cross sections of different river patterns

彎曲河型斷面呈不對稱偏V型（圖6（e）、（f）），平灘河槽以下存在凸岸邊灘，且凸岸邊灘一般構(gòu)成枯水河槽的邊界。三峽水庫蓄水后，彎曲河型發(fā)生普遍的撇彎切灘現(xiàn)象，凸岸邊灘沖刷明顯，枯水河槽的邊界沖刷后退，河寬顯著增加，與此同時，彎曲河型凹岸反而有所淤積，水深增加相對較小，因此彎曲河型枯水河槽斷面總體呈寬淺化特征。

2）水流動力軸線為斷面最大流速沿縱向的連線，水流動力軸線所在之處，即為水流主要沖刷部位，不同河型沖刷的差異性主要受水流動力軸線擺動幅度控制。

枯水流量下水流坐彎，中高水流量下水流趨直的特性，決定了彎曲河型汛期水動力軸線移至凸岸邊灘處，造成不飽和挾沙水流對凸岸邊灘的迅速沖刷。同時，隨著蓄水后中高水流量歷時的延長，汛期水流動力軸線在凸岸邊灘上擺動范圍減小，凸岸邊灘的沖刷更加集中，而枯水流量的增加使得枯水期水流動力軸線離開凹岸深槽，凹岸出現(xiàn)淤積，抵消了沖刷帶來的水深增加。

相比之下，順直河型及順直分汊河型水流動力軸線的擺動幅度明顯小于彎曲河型，沖刷部位相對集中于枯水河槽內(nèi)，因而順直河型、順直分汊河型斷面以沖刷下切為主；彎曲分汊河型雖然水流動力軸線擺動幅度超過順直分汊河型，但由于汊道內(nèi)的流量顯著小于單一彎曲河型，水流動力軸線擺動幅度也就顯著小于單一彎曲河型，因此凸岸邊灘沖刷及凹岸深槽的淤積幅度一般也顯著小于單一彎曲河型，斷面變化更多地呈現(xiàn)窄深化特征。

3）彎曲河型初期凸岸邊灘寬度越大，撇彎切灘導致的枯水河槽寬度增加越明顯，寬深比增加越多。

彎曲河型斷面凹岸岸坡較陡，無灘，而凸岸側(cè)因邊灘存在，枯水河槽寬度明顯小于平灘河槽寬度，初期（2003年）平灘河寬與枯水河寬之差基本能夠反映初始凸岸邊灘寬度（圖6（e））。

點繪彎曲河型2003年初始凸岸邊灘寬度與枯水河槽寬深比變化率關系，如圖7所示。

由圖7可見：2003—2018年彎曲河型斷面寬深比變化率與2003年邊灘寬度關系密切，表現(xiàn)為邊灘寬度越大，寬深比變化率越大。當然，個別斷面初始凸岸邊灘寬度較小，但寬深比變化率很大，例如圖6（f）的荊173斷面。實際上，荊173斷面也發(fā)生明顯的撇彎切灘，但由于該斷面平灘水位和枯水位之間的凸岸邊灘不發(fā)育，撇彎切灘沖刷的是凸岸側(cè)高灘，因此平灘和枯水河槽同步展寬，凹岸大幅度淤積。對于這種情形，平灘河寬與枯水河寬之差不能反映初期邊灘寬度大小。

圖7 彎曲河型枯水寬深比變化率與邊灘寬度關系Fig. 7 Relationship between low water level width-todepth ratio variation rate and low bar width in meandering reach

因此，凸岸邊灘的沖刷是彎曲河型枯水河槽展寬，寬深比增加，斷面向?qū)挏\化發(fā)展的主要原因。

3.3 斷面形態(tài)調(diào)整幅度差異性分析

寬深比越大的斷面，蓄水后寬深比變化幅度也越大，這一現(xiàn)象與蓄水前后水流動力橫向分布特性的變化有關。蓄水后水流動力橫向擺動范圍縮小，水流沖刷動力更加集中，且這種集中對于寬淺河段水流沖刷下切的影響更加顯著。

蓄水前，窄深河段水流相對集中，單寬流量大，水流動力軸線橫向擺動范圍小，床沙組成相對較粗；而寬淺河段水流相對分散，單寬流量小，水流動力軸線橫向擺動范圍大，河床組成相對較細。

蓄水后，水庫的調(diào)度作用使得水流動力軸線的擺動范圍減小，水流的沖刷動力更加集中，導致斷面先發(fā)生局部沖刷下切，從而引起水流進一步集中，加劇沖刷。這種水流集中、局部沖刷下切、水流進一步集中對寬淺河段的作用顯然超過水流本就集中的窄深河段，不論是順直河型和分汊河型的沖槽，抑或是彎曲河型的沖（凸岸邊灘）灘淤（凹岸深槽）槽，均是如此。因此寬淺河段斷面形態(tài)變化更大。

同時，寬深比大小不同，河床組成不同，河道抗沖性不同，也影響斷面形態(tài)的調(diào)整。表1給出蓄水后荊江各河段平均床沙中值粒徑的變化及各河段平均枯水寬深比。

由表1可知：

表1 河床中值粒徑及寬深比對比Tab. 1 Comparison of median particle size and width-todepth ratio

1）寬淺河段的床沙粒徑相對較細，窄深河段的床沙粒徑相對較粗。例如：監(jiān)利河段2003年寬深比最大，其床沙中值粒徑也最?。还埠佣?003寬深比最小，其中值粒徑也最大。

2）寬淺河段的平均床沙中值粒徑較細，河段抗沖性較弱，粒徑粗化程度較大，這也與寬淺河段寬深比系數(shù)變化相對較大是一致的。

4 結(jié) 論

1）三峽水庫蓄水后荊江河段不同河型斷面形態(tài)調(diào)整既有共性，也存在差異。平灘水位下順直、分汊和彎曲河型分別有100%、93%和81%斷面的寬深比系數(shù)減小，總體向窄深化發(fā)展；枯水位下順直、分汊河型寬深比仍總體減小，而彎曲河型有63%的斷面寬深比系數(shù)增加，即總體呈寬淺化態(tài)勢。初期寬深比越大的斷面，其寬深比變化也越大。

2）水流動力軸線擺動范圍的不同控制了平灘河槽和枯水河槽斷面寬深比調(diào)整的差異性。順直和分汊河型水流動力軸線的擺動位于平灘河槽和枯水河槽以內(nèi)，因此沖刷也集中在平灘和枯水河槽，斷面寬深比減?。欢鴱澢有退鲃恿S線的擺動超出枯水河槽，尤其是汛期水流趨直，沖刷凸岸邊灘，枯水河槽展寬，同時凹岸深槽淤積，斷面寬淺化。在彎曲河型凸岸沖刷的過程中，初期凸岸邊灘寬度越大，則斷面寬深比變化率越大。

3）在沖刷調(diào)整的過程中，相對寬淺（寬深比系數(shù)較大）的斷面往往寬深比變化幅度較大，原因是蓄水后水流動力軸線的擺動范圍減小，沖刷動力集中對寬淺河段沖刷下切的影響更加顯著，同時也與寬淺河段的河床組成相對較細、抗沖性較弱有關。