三峡工程运用初期石首河段冲淤试验及河势控制方案研究

黄 莉，朱勇辉，姚仕明

（长江科学院水利部江湖治理与防洪重点实验室，武汉 430010）

三峡工程运用初期石首河段冲淤试验及河势控制方案研究

黄 莉，朱勇辉，姚仕明

（长江科学院水利部江湖治理与防洪重点实验室，武汉 430010）

利用长江防洪实体模型动床模型试验，研究了三峡工程运用初期不同时期石首河段的冲淤变化规律，并预测其河势变化趋势；针对该河段出现的新情况进行研究分析，提出了该河段的河势控制方案。研究结果表明：三峡工程蓄水运用至2022年末，该河段总体河势与近期基本一致，依然维持目前新生滩左汊为主汊、左汊内左槽为主河槽的分汊格局，但局部河势仍有一定程度的调整变化。该河段的河势控制初步思路为：对深泓近岸及主流顶冲的险工段采用护岸守护，包括对已建护岸工程的加固及未护段的新护；另外，根据河势调整趋势，对局部洲滩进行守护，以稳定目前较为有利的河势格局或防止其向不利河势方向转化。

长江防洪实体模型；三峡工程；石首河段；河势控制

1 概 述

石首河段位于长江中游下荆江之首，是下荆江河势控制工程规划的6个整治河段之一［1］，多年来河势调整复杂多变。1997年以来，石首河弯的主流虽基本稳定在新生滩左汊，但河势仍处于不断的调整变化中，并且随着三峡工程的进一步蓄水运用及其上游向家坝、溪洛渡等干支流水库的陆续建成，水沙条件的改变，石首河段的河道变化趋势仍不明朗。

关于该河段河势控制规划，水利部1998年批准的《长江中下游干流河道治理规划报告》（以下简称《规划报告》）中指出［2］：“通过采取工程措施，稳定主流走新生滩（又名藕池口心滩，下同）右汊的河势，使主流沿右岸送江码头、孤岛和北门口一线下行，然后再向左岸鱼尾洲至北碾子湾一带过渡。”目前，石首河弯处新生滩分主流为两汊，以走左汊为主，左汊由于新生滩滩头左缘崩退，左汊变宽，江中淤出倒口窑心滩，枯水期将左汊水流分为左、右两槽，枯水航槽在左、右槽内摆动。现有的河道格局显然与《规划报告》提出的以右汊为主汊的发展方向是不相适应的。

正是基于以上考虑，本文以长江防洪实体模型为依托，研究了三峡工程运用初期不同时期石首河段的冲淤变化规律，并预测其河势变化趋势，最后针对该河段出现的新情况研究提出了该河段的河势控制方案。研究成果可为该段河道的治理和河势控制工程规划、设计等提供技术参考。

2 河道概况

石首河段上起茅林口，下至南碾子湾，全长约31 km，曲折率为2.72，由上下两段长顺直段和中间的急弯段组成，在本河段进口附近右岸有藕池口分流入洞庭湖。历史上该河道河势调整较为剧烈，自然裁弯频繁，在1887－1972年的近百年内，曾先后发生过1887年古丈堤、1910年左右河口、1949年碾子湾和1972年沙滩子等4次自然裁弯［3］；近几十年来，该段河势调整主要表现为急弯段水流的切滩撇弯，邻近东岳山的向家洲受水流不断撇弯的影响，于1994年6月被水流切掉洲尖约80 m，引起下游河势一系列的调整变化；三峡工程蓄水运用以来，该河段基本呈现新生滩左汊为主汊的河势格局，另外，倒口窑心滩分左汊为左、右两槽，随着倒口窑心滩左缘的不断崩退，左槽有所发展，右槽则有所萎缩，且有与下游新生滩并拢的趋势，目前河势仍在进一步的调整中。

石首河段两岸均建有堤防，左岸为荆江大堤前沿阵地人民大垸堤防，右岸为石首市城区长江干堤。河段两岸除右岸石首市附近受东岳山天然节点的控制外，其它均由河流松散冲积物组成。土层呈二元相结构：一般上部为粉质壤土和沙壤土，土层厚度不大，根据向家洲和北门口崩岸段钻孔资料分析，该段土层粉质壤土厚5.0～7.3 m，沙壤土厚5.6～10.6 m；以下为细砂，砂层较厚，卵石深埋于床面以下，河岸抗冲能力较弱。河床主要由细沙（0.10～0.25 mm）组成，约占床沙的70%，过渡段的床沙较弯道段略有偏粗。三峡工程蓄水运用以来，河床整体稍有所粗化，中值粒径在0.20 mm左右。

石首河段水沙主要来自上荆江，经藕池口分流后进入本河段。河段上游有沙市水文站，下游有监利水文站。根据沙市、监利水文站实测水沙资料分析可知：1955－2009年沙市站（1991年以前为新厂站）多年平均径流量为3 911亿m3，多年平均输沙量约为3.89亿t；1951－2009年监利站多年平均径流量为3 545亿m3，多年平均输沙量为3.27亿t；三峡工程蓄水运用以来（2003－2009年），长江干流沙市站年均径流量较蓄水前多年平均值有所减少，减少5.0%，但监利站年均径流量较蓄水前多年平均值稍有增加，这主要是因为荆江三口分流比继续减小而导致下荆江泄流量增加所致；两站年输沙量大幅度减少，分别减少81.4%，73.8%，这主要是因为三峡工程蓄水运用以来下泄的沙量大幅度减少，坝下游河道发生沿程冲刷而逐步恢复。

由藕池口（康家港站＋管家铺站）1951－2009年实测水、沙资料可知：自20世纪50年代以来，藕池口分流分沙比在荆江三口中减小最为明显，分别由裁弯前（1951－1966年）的14.73%和21.2%减小到三峡工程蓄水后的2.58%和5.76%。另外，三峡工程蓄水运用后，与蓄水前（1981－2002年）相比，藕池口分流分沙比均有所减少，分流比减少37.2%，分沙比变化幅度不大。

3 模型设计与验证

本模型试验是在水利部江湖治理与防洪重点实验室长江防洪模型上进行的，动床模拟范围上起马羊洲头部（荆27上游1.4 km）至北碾子湾附近（荆106），主要包括涴市河弯、沙市河弯、公安河弯、郝穴河弯、石首河弯及各弯道之间的过渡段，全长约121.9 km，石首河段模型平面布置图如图1所示。动床模型设计主要满足几何相似、水流运动相似及泥沙运动相似，选用长江防洪实体模型所采用的塑料合成沙［4］为本次试验的模型沙，密度为1.38 t／m3，干密度随模型沙粒径变化而略有改变，取0.65 t／m3。模型仅模拟进口输沙中粒径大于0.05 mm以上部分。

动床模型验证试验初始河床地形采用2006年6月底实测1∶10 000水下地形图制作而成，模型施放2006年6月至2008年10月的水沙过程，以复演2008年10月实测河床地形。验证试验结果表明：模型沿程水位及垂线平均流速沿河宽的分布与原型基本相似，各段不同流量级下河床冲淤量总的变化规律与原型基本一致，模型深泓位置、断面形态横向分布与原型基本吻合，较好地复演了原型滩槽泥沙运动冲淤规律。最终确定模型的各项比尺如表1。

表1 动床模型各类比尺汇总表Table 1 Scales of themovable river bed model

4 试验成果分析

本次模型主要通过长系列年动床模型试验，研究三峡工程蓄水运用至2022年石首河段的河道冲淤变化规律，进而研究其河势调整趋势。模型试验进、出口控制条件，采用1991－2000年系列年进库水沙条件和三峡水库泥沙淤积后出库水沙过程进行坝下游长河段长时段一维水沙数学模型计算成果经过概化得出。试验主要成果如下［5］。

4.1 河床冲淤量及平均冲淤分布

三峡工程蓄水运用不同时期石首河段冲淤变化情况见表2。由表2可以看出：三峡工程蓄水运用后2008－2012年，石首河段以冲刷为主，枯水河槽累计冲刷0.478 2亿m3，平均冲深1.39 m。2012年后冲刷有所减弱；2008－2017年，枯水河槽累计冲刷0.637 7亿m3，平均冲深1.86 m；2008－2022年，枯水河槽累计冲刷0.71亿m3，平均冲深2.07 m。三峡工程蓄水运行至2012年末、2017年末和2022年末，该河段均以枯水河槽冲刷为主，枯水河槽以上河滩冲刷幅度比较小，中水河槽以上整体还有所淤积。

表2 三峡工程蓄水运用不同时期石首河段（荆82－荆104）冲淤变化统计表Table 2 Scouring and sedimentation of Shishou reach（cross section J82 to J104）at different operation stages of TGP

4.2 深泓变化

三峡工程蓄水运用初期（2003－2008年）地形，与2002年10月比较，石首河段除古丈堤以上及鱼尾洲以下发生淤积外，其它部位主河槽整体呈现冲刷下切的趋势，深泓高程普遍下降，累积最大下降约14.5 m，位于向家洲前沿荆92附近。长系列年动床模型试验结果表明（图2）：三峡工程蓄水运用至2022年，石首河段主河槽仍以大幅度刷深为主，即深泓高程整体有所降低，冲刷较为严重的部位主要集中在北门口以下荆98附近，累计最大冲深为12.9 m，其余部位冲刷幅度基本在3～8 m，仅向家洲前沿荆92以上主河槽受天星洲至焦家铺之间过渡段主流不断下移的影响，整体有所淤积萎缩。

图2 石首河段深泓纵剖面图Fig.2 Longitudinal profile of thalweg in Shishou reach

4.3 典型横断面变化

三峡工程蓄水运用至2022年，石首河段断面冲淤变化幅度比较大，且在左右岸之间的过渡段内断面调整尤为剧烈。荆84断面位于石首河段进口过渡段内，断面形态呈“U”型，在三峡工程蓄水运用第6～20 a间（2008－2022年）断面冲淤变化主要表现为主河槽冲刷下切且向右展宽；石2断面位于天星洲与焦家铺之间的过渡段内，随着该过渡段主流的不断右摆下移，该断面整体表现为冲滩淤槽，倒口窑心滩左缘不断地冲刷崩退，原有的滩体遭受切割，主河槽随之右移，原有的位于左岸近岸河床的主河槽则有所淤积萎缩；荆95断面位于石首河段急弯段北门口附近，断面形态为偏右的“V”型，受上游焦家铺一带主流不断右摆趋直，下游石首附近的主流顶冲点随之上提，该断面主河槽与左侧滩体均有所冲刷；荆99断面位于北门口与北碾子湾之间的过渡段内，三峡工程蓄水运用至2022年，该断面右侧滩体大幅度冲刷降低，主河槽随之右移。各断面冲淤变化情况详见图3。

图3 石首河段典型断面冲淤变化图Fig.3 Transversal changes in Shishou reach

4.4 河势变化

长系列年动床模型试验结果表明，三峡工程蓄水运行第10年（即2012年）、第15年（即2017年）、第20年（即2022年）石首河段总体河势与近期（2008年10月）基本一致。依然维持目前石首河弯左、右两汊的分汊格局，左汊为主汊，左汊中的左、右两槽并存，左槽右摆，右槽淤积，但局部河势仍有一定程度的调整变化，随运行年限延长河床呈沿程逐步整体冲刷下切的趋势，深槽刷深拓展，过渡段主流整体有所下移，过渡段间主流平面摆动较大，局部区域江心洲滩及汊道段变化较为剧烈。具体变化如下：

（1）三峡工程蓄水运用至2022年末，石首河段整体呈现冲刷发展的趋势，茅林口附近、天星洲左侧及石首河弯凹岸主河槽均冲刷下切，20 m深槽贯穿整个河段的上下游；茅林口附近15 m深槽槽体面积扩大，至2022年，该处15 m深槽已与上游新厂附近15 m深槽合为一体，且槽尾已下延至荆84以上；天星洲左侧主河槽内15 m深槽刷深刷长，至2022年，槽首上伸至荆84以上，槽尾则下延至石2附近，且槽体向左有所扩宽。

（2）三峡工程蓄水运用至2022年末，石首河段由左岸茅林口向右岸天星洲一带过渡时过渡段主流累积有所上提，致使天星洲洲体及洲头心滩的左缘均有所冲刷崩退，30 m高程线累计最大崩退200 m（荆85＋1上游1 100 m附近），心滩头部则淤积上延，与2008年初始地形相比，30 m高程线累积上移约800 m，心滩的淤积上延在一定程度上限制了藕池口的进流条件，藕池口口门相应地有所淤积。

（3）三峡工程蓄水运用至2022年末，石首河段由右岸天星洲向左岸焦家铺一带过渡时，以及由右岸北门口以下过渡至左岸北碾子湾一带时，过渡段主流均累积有所下移、右摆，与2008年初始地形相比，该过渡段主流累计最大右摆分别为700，160 m（见图4），从而引起局部区域深槽及洲滩的冲淤变化。受焦家铺过渡段主流下移、右摆影响，石首河弯附近15，10 m深槽槽首均有所淤积萎缩，至2022年末，分别累计下移约1.3，0.87 km；深槽尾部则冲刷下延，15 m深槽与下游左岸北碾子湾处15 m深槽贯通，10 m深槽尾部下延至荆98下游820 m，北碾子湾处10 m冲刷坑则有所冲刷上延，并向右扩展；倒口窑心滩滩体左缘大幅度冲刷，25，30 m高程线急剧崩退，最大崩退分别约820，490 m，右缘向右淤长，有与下游新生滩并靠的趋势，即石首河弯左汊右槽呈淤积萎缩的趋势；新生滩多年来冲淤变化不大。

5 河势控制方案研究

石首河段多年来河势调整较为剧烈，航道问题突出，是长江中游重点的碍航河段之一。三峡工程蓄水运用后，该河段的河势调整仍在继续，目前整体河势基本维持新生滩左汊为主汊、左汊内左槽为主河槽的格局。显然，水利部1998年批准的《规划报告》中提出的以新生滩右汊为主汊的发展方向与目前的河势现状是不相适应的，而依据目前河势格局下的长江中下游河道治理规划修编工作已正在进行当中。因此，在石首河弯近期出现的新情况下，根据因势利导的原则，并协调防洪、航运及经济建设间的关系，研究提出该河段的河势控制方案是很有必要的，可为后期该河段的河道治理规划修编奠定基础。

图4 石首河段河势控制工程布置图Fig.4 Layout of the river regime control projects in Shishou reach

三峡工程蓄水运用以前，石首河段河势变化主要表现为急弯段主流的切滩撇弯。三峡工程蓄水运用以来，石首河段目前虽基本维持新生滩左汊为主汊、左汊内左槽为主河槽的河势格局不变，但主流在两岸之间频繁过渡，过渡段主流摆动较为剧烈，洲滩相应地呈现冲淤消长变化，主流贴岸部位及顶冲点随之上伸下延。从本河段长系列年动床模型试验成果还可以看出：①三峡工程蓄水运用至2022年末，石首河段河势仍有一定程度的调整，河段进口左岸茅林口一带主流仍长期贴岸，且近岸河床存在一定幅度的冲刷；②茅林口一带由左岸向右岸过渡的主流呈现逐渐上提的趋势，致使右岸天星洲及洲头心滩的左缘均出现不同程度的冲刷崩退；③由右岸天星洲附近向左岸焦家铺一带过渡的主流呈现下移的趋势，但仍顶冲向家洲右缘，江中倒口窑心滩左缘随之不断冲刷崩退，右缘有所淤长，有与下游新生滩合并的趋势；④北门口附近深槽急剧冲刷且向下游发展，主流贴岸的部位相应地延长，至2022年末，贴流段末端已下延至荆98附近；⑤北门口至北碾子湾的主流过渡段有所右摆、下移，左岸的顶冲部位累积稍有下移。

通过分析石首河段历史演变及近期演变规律，并结合本次长系列年动床模型试验等研究成果，在综合考虑影响防洪安全、河势稳定、航道安全3方面主要因素的基础上，提出该河段的河势控制初步思路：①对深泓近岸及主流顶冲的险工段采用护岸守护，包括对已建护岸工程的加固及未护段的新护；②根据河势调整趋势，对局部洲滩进行守护，以稳定目前较为有利的河势格局或防止其向不利河势方向转化。具体河势控制工程情况（见图4）如下：

（1）对石首河段进口左岸茅林口一带主流贴岸、近岸冲刷较为严重的部位进行加固，与2009－2010年度实施的新护工程（桩号36＋300至35＋000）相连，具体加固范围桩号35＋000至34＋200，长度800 m。

（2）受天星洲至焦家铺一带过渡段主流不断下移影响，左岸向家洲的右缘顶冲会有所加剧，建议对原有的已护岸段进行加固，具体加固范围为桩号26＋000至24＋000，长度2 000 m。另外，随着该段主流的不断下移，倒口窑心滩左缘会不断冲刷崩退，左汊左河槽进口江面势必变宽，流路会不稳定，并且江面变宽泥沙可能会落淤形成新的心滩，形成碍航的浅滩；为稳定该段的河势及航道条件，建议在该段处于有利河势且流路基本顺畅的情况下对倒口窑心滩滩体及左缘进行守护。与此同时，对对岸焦家铺一带的边滩进行固滩守护，形成较为顺畅的河道，具体的河势控制方案还需进一步论证确定。目前航道部门为了维护航道条件正在对焦家铺一带的边滩进行守护。

（3）北门口下游右岸主流贴岸部位会有所下延，且下延至北门口已护工程（S6＋000至S9＋000）以下，为稳定该段岸线，防止崩岸险情的发生，建议对北门口以下未护段进行新护，具体范围为桩号S9＋000至S11＋000，长度2 000 m。

（4）受北门口至北碾子湾一带过渡段主流不断下移影响，左岸北碾子湾岸段顶冲会有所加剧，建议对原有的已护岸段进行加固，具体加固范围为桩号1＋000至6＋000，长度5 000 m。

（5）茅林口一带由左岸向右岸天星洲过渡的主流呈现逐渐上提的趋势，致使右岸天星洲及洲头心滩的左缘均出现不同程度的冲刷崩退，洲体的冲刷崩退势必会对稳定下游石首河弯进口条件产生一定的影响，但考虑到这一段河势的调整变化与藕池口分流关系的复杂性，是否对天星洲洲体左缘进行守护还需今后进一步的研究论证。

6 结 论

本文通过长系列年动床模型试验，研究了三峡工程运用至2022年石首河段的冲淤变化规律，并预测其河势变化趋势，最后针对该河段出现的新情况，研究提出了该河段的河势控制方案，主要结论如下：

（1）三峡工程蓄水运用至2022年，石首河段主河槽仍以大幅度刷深为主，即深泓高程整体有所降低，仅向家洲前沿荆92以上主河槽受天星洲至焦家铺之间过渡段主流不断下移的影响，整体有所淤积萎缩。河段内断面冲淤变化幅度比较大，且以左右岸之间的过渡段内断面调整尤为剧烈。三峡工程蓄水运行第10年（即2012年）、第15年（即2017年）、第20年（即2022年）该河段总体河势与近期（2008年10月）基本一致，依然维持目前石首河弯左、右两汊的分汊格局，左汊为主汊，左汊中的左、右两槽并存，左槽右摆，右槽淤积，但局部河势仍有一定程度的调整变化。随运行年限延长，河床呈沿程逐步整体冲刷下切的趋势，深槽刷深拓展，过渡段主流整体有所下移，过渡段间主流平面摆动较大，局部区域江心洲滩及汊道段变化较为剧烈。

（2）石首河段河势控制的初步思路是对深泓近岸及主流顶冲的险工段采用护岸守护，包括对已建护岸工程的加固及未护段的新护；另外，根据河势调整趋势，对局部洲滩进行守护，以稳定目前较为有利的河势格局或防止其向不利河势方向转化。天星洲左缘岸线守护工程因涉及与藕池口分流的复杂关系等问题，需进一步研究论证；倒口窑心滩及对岸焦家铺一带边滩滩体守护的具体方案须采用河工模型试验进行深入研究确定。

［1］ 陈长江.石首河段治理探讨及整治效果分析［J］.水利管理技术，1997，17（4）：49－53.（CHEN Changjiang.Analysis on River Regulation Measures and Effects of Shishou Reach［J］.Water Management Technology，1997，17（4）：49－53.（in Chinese））

［2］ 长江水利委员会.长江中下游干流河道治理规划报告［R］.武汉：长江水利委员会，1997.（Changjiang Water Resources Commission.Planning of River Regulation in the Midstream and Downstream of Yangtze River［R］.Wuhan：ChangjiangWater Resources Commission，1997.（in Chinese））

［3］ 路彩霞.长江石首河段河床演变分析［J］.水利水电快报，1997，18（13）：15－19.（LU Cai-xia.Analysis on Riverbed Evolution of Shishou Reach of Yangtze River［J］.Express Water Resources＆Hydropower Information，1997，18（13）：15－19.（in Chinese））

［4］ 长江科学院.长江防洪模型利用世界银行贷款项目实体模型选沙报告［R］.武汉：长江科学院，2005.（Yangtze River Scientific Research Institute.Sand Selection for the Changjiang River Flood Protection Model of the World Bank Loan Project［R］.Wuhan：Yangtze River Scientific Research Institute，2005.（in Chinese））

［5］ 长江科学院.三峡工程运用初期荆江杨家脑至北碾子湾河段冲淤演变及其河势控制方案研究［R］.武汉：长江科学院，2011.（Yangtze River Scientific Research Institute.Fluvial Process and the River Regime Control Plans of the Reach from Yangjianao to Beinianziwan of Jingjiang River at the Initial Stage of Three Gorges Project［R］.Wuhan：Yangtze River Scientific Research Institute，2011.（in Chinese） ）

（编辑：周晓雁）

TV147

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1001－5485（2011）09－0080－07

2011-07-25

水利前期科研项目及水利行业公益专项资助（CKSC2010021）

黄 莉（1981-），女，湖北钟祥人，工程师，主要从事河流泥沙与河道整治研究，（电话）027-84238177转806（电子信箱）hl＿hls＠163.com。