长江杨家脑至北碾子湾段河床冲淤规律试验研究

(长江科学院 河流研究所， 湖北 武汉 430010)

长江杨家脑至北碾子湾段河床冲淤规律试验研究

陶铭黄莉

(长江科学院河流研究所，湖北武汉430010)

溪洛渡、向家坝与三峡水库联合运用后，坝下游河道的水沙过程进一步调整变化，长江中下游河床将进入新一轮的冲淤变化过程。利用长江防洪实体动床模型试验研究了新水沙条件下，三峡工程建成后至2022年长江中游杨家脑至北碾子湾段河床变形冲淤变化趋势。利用定床模型试验，选取典型洪、枯水流量过程，分别在现状地形和向家坝、溪洛渡与三峡水库联合运用至2022年末地形条件下，预测杨家脑至北碾子湾河段的洪、枯水位和流量的变化情况，分析该河段河床冲淤调整过程对防洪形势和取水工程正常运用的影响，为荆江河道治理、防洪、供水、灌溉等提供技术支撑。

河床冲淤； 流量变化；防洪；取水工程

1 研究背景

三峡水库蓄水运用后，长期“清水”下泄引起坝下游干流河道长时期的冲淤变化。三峡水库蓄水后，荆江河段的年径流量较蓄水前变化不大，而年输沙量大幅度减少，导致荆江河道河床总体呈现滩槽均冲的状态[1]。原型观测资料分析表明，2002年10月至2015年10月，荆江河段平滩河槽冲刷泥沙8.318亿m3，年均冲刷量0.64亿m3，远大于三峡水库蓄水前1975～2002年的年均冲刷量0.137亿m3。其中，石首河段沿程冲刷更为显著，年均冲刷量(2002～2014年)达0.15亿m3[2]。随着溪洛渡、向家坝等上游梯级水库陆续建成，与三峡水库联合运用后，进入坝下游河道的水沙将进一步发生调整变化，长江中下游河床准平衡尺度的水沙条件将被打破，下游河道进入新一轮的冲淤变化过程，并将对坝下游河道的水文情势和冲淤变化产生更为深远的影响。

本研究基于以上考虑，通过长江防洪实体模型试验，深入开展长江上游梯级水库联合调度下长江中下游河道演变规律及冲淤变化预测研究。

2 试验河道

2.1 河道概况

荆江河段位于长江中游，上起枝城，下迄洞庭湖口的城陵矶，全长约347.2 km，有松滋口、太平口、藕池口、调弦口(已于1959年建闸封堵)将长江水沙通过分流道进入洞庭湖，并汇集湘、资、沅、澧四水经洞庭湖调蓄后于城陵矶汇入长江，形成复杂的江湖关系，见图1。

试验河段位于荆江河段内，主要由涴市河弯、沙市河弯、公安河弯、郝穴河弯、石首河弯及各弯道之间过渡段组成。模型范围上起上荆江火箭洲洲尾(涴2上游630 m)，下至北碾子湾(石4)，全长约127.7 km。多年来杨家脑至新厂河段河势变化主要发生在顺直过渡段及放宽分汊段，洲滩不稳定、主流线摆幅较大，导致河岸局部发生较剧烈的崩坍；新厂至石首河段河势复杂多变，主要表现为洲滩冲淤消长交替及过渡段主流的频繁摆动。

图1 荆江江湖关系示意

2.2 水文特征

试验河段的水沙主要来自长江上游干流，其间有支流沮漳河入汇，并有太平口、藕池口分流入洞庭湖。河段干流的水沙变化以沙市水文站为水沙特征代表站，其多年平均径流量为3 923亿m3(1950～2013年)，悬移质泥沙多年平均输沙量为4.022亿t(1950～2013年)。

三峡水库蓄水运用以来(2003～2013年)，年径流量较蓄水前多年平均值有所偏枯，减少约4.9%；年输沙量大幅度减少，由三峡水库蓄水运用以前多年平均量4.34亿t减少为蓄水运用后多年平均量0.857亿t，减少约80.3%；年均含沙量也明显小于蓄水以前的多年平均值。自三峡水库蓄水运用以来，由于河床冲刷，悬移质泥沙中粗颗粒与床面细颗粒泥沙的交换，沙市站悬移质泥沙的中值粒径稍有变粗，多年平均粒径由蓄水前的0.012 mm变为蓄水后的0.018 mm。

与三峡水库蓄水运用前(1981～2002年)相比，三峡水库蓄水运用后(2003～2013年)，荆江三口分流比均呈减少趋势，分别由蓄水运用前的8.32%，2.96%和4.11%减少为蓄水后的6.98%、2.24%和2.58%。

3 动床模型设计与验证

3.1 模型模拟范围

根据《河工模型试验规程》及试验内容要求，该河段的动床模拟范围为马羊洲头部(J27上游1.4 km)至北碾子湾附近(J106)，全长约121.9 km。

3.2 模型相似条件

根据研究内容和试验河段的水沙条件及河床组成情况，采用的模型沙为长江防洪实体模型所用的塑料合成沙，设计容重为1.38 t/m3，干容重为0.65 t/m3，确定本动床模型几何相似、水流运动相似以及泥沙运动相似的各项参数见表1。

表1 动床模型各类比尺汇总

3.3 模型验证

动床验证试验初始河床地形采用2008年11月底实测1∶10 000水下地形制作而成，根据试验河段已实施河道整治工程情况，模型模拟了该河段护岸工程及航道整治工程。在模型中施放2008年11月至2011年11月的水沙过程，以复演2011年11月实测河床地形。

动床模型验证试验研究成果表明：模型沿程水位、垂线平均流速沿河宽的分布及汊道分流比与原型基本相似；各段不同流量级下河床冲淤量总体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，表明模型设计、选沙及各项比尺的确定基本合理。

4 动床模型预测试验[3]

4.1 模型试验条件

4.1.1 边界条件

荆江杨家脑至北碾子湾河段冲淤变化试验模拟范围与动床验证试验一致，并同时考虑护岸工程、航道整治工程及岸线变化等情况。初始地形采用2011年11月天然实测1:10 000河道地形制作而成。

4.1.2 水沙条件

根据三峡工程设计方案，长江科学院采用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，考虑向家坝、溪洛渡与三峡水库联合运用下进行坝下游长河段长时段一维水沙数学模型计算，其计算成果为本模型试验提供边界条件[4]。

模型试验时段为2011年11月至2022年12月，共计11年1个月。试验中2011～2012年采用实测天然水沙条件，2013～2022年应用典型年系列的1991～2000年的入库水沙条件。

表2 系列年2011～2017年杨家脑至北碾子湾河段冲淤统计

表3 系列年2017～2022年杨家脑至北碾子湾河段冲淤统计

4.2 模型试验预测成果分析

4.2.1 河床冲淤量及分布预测

通过系列年动床模型试验，各分河段系列年试验冲淤量统计见表2和表3。计算条件分别为沙市流量5 000,12 500 m3/s和27 000 m3/s三种条件对应的水位以下模型河床冲淤量。为了便于叙述，将试验河段分为涴市河段、沙市河段、公安河段、郝穴河段及石首河段共5段，2011～2017年和2011～2022年各河段累计冲淤量对比见图2。

图2 系列年动床试验各河段累计冲淤量对比

从试验成果可以看出:

(1) 系列年动床模型试验全河段以冲刷为主。2011～2022年上荆江J27至J99河段枯水河槽累计冲刷1.61亿m3，按平均河宽1 200 m计，平均冲深1.12 m；其中2011～2017年冲刷最为剧烈，枯水河槽累计冲刷1.06亿m3，占2011～2022年总冲刷量的65.8%，平均冲深0.74 m。

(2) 系列年动床模型试验全河段以枯水河槽冲刷为主，枯水河槽以上河滩冲刷幅度较小，局部位置略有淤积。

(3) 各河段冲刷强度不同，涴市河段、沙市河段上段、郝穴河段上段在2022年末枯水河槽平均冲刷深度分别为1.23,1.13 m和2.31 m，冲刷强度较其他河段略大。公安河段冲刷强度相对较弱。

4.2.2 河势变化预测

根据系列年动床模型试验2017年及2022年末荆江杨家脑至北碾子湾河段各分河段河势平面变化情况可看出，系列年动床模型试验在2017年及2022年末总体河势与近期(2011年11月)基本一致。随着系列年动床模型试验的进行，河床整体呈沿程逐步冲刷下切的趋势[5]，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，以沙市河段上段(J29～J45)、石首河段(J82～J104)变化尤为显著。

动床模型试验运行至2017年及2022年后，与初始地形(2011年11月)比较，沙市河段上段深槽、洲滩位置与形态均发生较大变化，但主流走向依旧维持太平口心滩左右两槽并存，至J37附近走三八滩左右汊格局。随着上游来水来沙及河势变化，太平口心滩目前左右双槽且右槽为主槽的河道形态逐步向双槽且左槽为主槽转变；三八滩汊道呈现洲体右侧切割、右汊扩大、左汊进口淤积的发展趋势。动床模型试验运行至2022年，石首河段依然维持石首河弯左、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，但局部位置滩槽仍有一定程度的调整，主要是由于右岸天星洲过渡至左岸焦家铺一带时及由右岸北门口以下过渡至左岸北碾子湾一带时，过渡段主流整体有所下移。

5 定床模型试验与研究

向家坝、溪洛渡和三峡等水库联合运用后，清水下泄将会造成坝下游河道发生较大幅度的冲淤调整[6]，进而对长江中游洪水过程及取用水工程处的水位流量关系造成较大影响。在该河段2011年末地形和通过动床模型试验预测得到的2022年地形基础上，分别开展定床模型试验研究，并预测该河段洪、枯水位和典型流量的变化情况，分析河床冲淤调整过程对防洪形势和取水工程正常运用的影响。

5.1 边界条件

试验河段模型水流特性试验选取4级典型流量，以观测河道水流运动特性。4级典型流量包括该河段保证通航流量5 500 m3/s(三峡水库正常蓄水运用后)，多年平均流量12 500 m3/s，平滩流量32 000 m3/s，河道安全泄量50 000 m3/s。现状地形下出口水位按现状河段水位流量关系推求得到，由一维数学模型根据2022年预测地形给出典型流量下对应水位。试验河段不同地形下4级流量对应尾门水位见表4。

表4 定床模型试验边界条件

注：表中出口水位为黄海基面

5.2 典型流量定床试验成果与分析

5.2.1 沿程水位及比降变化与分析

典型流量下，沿程各水位站水位及比降变化见图3。由图可见，2022年地形条件与现状地形条件相比，各水位站枯水位有较明显下降，降幅均在1 m左右，其中石首站水位降幅最大，达到1.61 m；随着水位升高，各站水位下降幅度有所降低，流量为50 000 m3/s时，2022年各站水位与2011年相比略有下降，降幅均不超过0.2 m；各水位站沿程下降幅度与各河段枯水河槽冲刷结果相对应，即枯水河槽冲刷较大的河段，枯水位降幅也较大；各水位站洪水位没有明显变化，整体下降幅度不大。

图3 河段沿程各水位站水位及比降变化

在2022年地形条件下，沙市至观音寺河段、公安至郝穴河段、郝穴至新厂河段由于河道断面由上而下逐渐窄深，当流量增加，水位上升时，其过水断面的增长较宽谷河段为小，为宣泄更大的水量，需加大水面比降，以增加水流速度，水面纵比降随流量的增加有逐渐增大的趋势；其余河段陈家湾至沙市河段、观音寺至公安河段、新厂至石首河段则相反，河段断面逐渐宽浅，水面纵比降随流量的增加有逐渐减小的趋势。

与2011年现状地形条件比较，2022年预测地形条件下各河段在各流量级下水面纵比降整体呈现下降趋势。分析其原因，与荆江由上自下的冲刷发展过程有关，由于上游冲刷发展较早，与下游河床高程差减小，河床相对平坦，造成2022年预测地形与2011年初始地形相比，各流量级下水面纵比降有所减小。

5.2.2 典型断面流速分布变化与分析

上荆江定床模型试验分别在2011年现状地形和2022年预测地形条件下施放50 000 m3/s洪水流量，选取沿程典型水位站断面进行流速测量，并对比分析上荆江河床再造过程对各典型水位站防洪形势影响。

河段沿程各典型水位站断面流速分布与变化主要表现在：①2022年与2011年现状相比，总体上看，洪水流量下各水位站断面流速分布未有明显变化，主流线位置均未有大幅度摆动；②受上荆江河床冲淤调整过程影响，各水位站断面流速相比2011年略有增大。

表5 现状地形和预测地形下各取水工程在各级流量下水位对比 m

6 对防洪形势及取水工程运用的影响

6.1 对防洪形势的影响

本文在上荆江杨家脑至北碾子湾河段2011年末现状地形和通过动床模型试验预测得到的该河段2022年再造地形基础上，开展定床模型试验研究，并预测该河段枯水位和流量的变化情况，分析河床冲淤调整过程对该河段防洪形势的影响结果详见表5。

(1) 2022年地形条件与现状地形条件相比，各水位站在各级流量下水位均有所下降，各水位站沿程下降幅度与各河段枯水河槽冲刷结果相对应，即枯水河槽冲刷较大的河段，枯水位降幅也较大，其中枯水流量对应水位下降幅度最大；随着水位升高，各站水位下降幅度有所降低，当出现大水流量32 000 m3/s时，2022年各站水位与2011年水位相比略有下降，降幅均不超过0.2 m，在一定程度上会减轻该河段防洪压力；在洪水流量50 000 m3/s时，各水位站洪水位没有明显变化，整体下降幅度不大。由此可见，上荆江河道再造过程对该河段洪水位虽有一定程度的降低，但并不能根本缓解该河段防洪压力。

(2) 2022年与2011年现状相比，总体上看，洪水流量下各水位站断面流速分布未有较大变化，主流线位置均未有大幅度摆动；受上荆江河床再造过程影响，各水位站2022年断面流速较2011年略有增大。因而上荆江河道再造过程该河段主流位置影响较小，对该河段防洪形势的不利影响较小。

6.2 对取水工程运用的影响

向家坝、溪洛渡和三峡等水库联合运用后，清水下泄将会造成坝下游河道发生较大幅度的冲淤调整，进而对长江中游取用水工程处的水位流量关系造成较大影响[7]。本文通过开展定床模型试验，分别在现状地形和向家坝、溪洛渡与三峡水库联合运用以及2022年末地形上，选取引江济汉工程取水口、盐卡、观音寺闸及颜家台闸4个典型取水工程断面补充监测各流量级下该处水位及流速变化情况，从而研究河床冲淤调整过程对取水工程运用的影响。

6.2.1 取水工程断面水位流量关系变化

由图4可以看出，向家坝、溪洛渡与三峡水库联合运用至2022年末地形条件下，与2011年初始地形条件相比，典型取水工程断面水位流量关系变化如下：各流量级水位均有所下降，枯水流量下降幅度最大，在1 m以上，其中颜家台闸处水位下降幅度最大，达到1.55 m；随着水位升高，各取水工程处水位下降幅度有所降低，洪水流量50 000 m3/s时，2022年各取水工程处水位与2011年水位相比略有下降，降幅均不超过0.5 m。其中颜家台闸较其他取水工程各级流量下水位降幅最大，分析其原因，颜家台闸位于郝穴-新厂河段，由图3可看出，该河段2022年水面纵比降较2011年大幅增加，导致颜家台闸处水位降幅较大。

图4 典型断面水位流量关系变化/(m3·s-1)

6.2.2 取水工程处断面流速变化

由上节定床试验结果可知，中枯流量下，河床冲淤调整过程对取水工程正常运用影响最大，因此上荆江定床模型试验分别在2011年现状地形和2022年预测地形条件下施放12 500 m3/s中水流量，对沿程典型取水工程(引江济汉取水口、盐卡、观音寺闸、颜家台闸)断面进行流速测量，并对比分析上荆江河床冲淤调整过程对各典型取水工程正常运行的影响。

图5 各典型取水工程断面流速变化

由图5可以看出，河段沿程各典型取水工程断面流速分布与变化主要表现在：①引江济汉取水口断面2022年流速分布基本不变，主流略有右摆，但幅度不大，受河床再造过程影响，太平口心滩左汊进口处冲刷下切，断面左侧滩面流速也略有增大；②受左侧主槽冲刷发展影响，盐卡断面2022年主流整体呈左摆趋势，金城洲右汊河床淤积抬高，河道断面右

汊流速相应地有所减小；③观音寺闸断面2022年流速分布基本不变，左侧主槽冲刷下切引起断面主流线向左略有摆动，但幅度不大，主槽位置流速则有所增大；④颜家台闸断面2022年流速分布变化相对较大，受河床再造过程影响，颜家台闸处淤积体刷低，主流由断面中部摆向左侧，摆幅约300 m，主槽流速增大有利于颜家台闸取水运用。

综上所述，杨家脑至北碾子湾段各取水工程断面水位流量关系发生改变，即在各级流量下水位均有所下降，各处水位下降幅度与各工程所在河段枯水河槽冲刷结果相对应，即枯水河槽冲刷较大的河段，枯水位降幅也较大；其中各取水工程处在枯水流量(5 500 m3/s)下水位下降幅度最大，降幅均在1 m以上；随流量增加，各取水工程处水位降幅逐渐减小。中水流量下各取水工程断面流速分布未有大的变化；受上荆江河床再造过程影响，个别取水工程处断面主流线位置发生一定幅度的摆动。总体上，河床冲淤调整过程对沿岸的取用水工程会产生明显的不利影响。

7 结 论

本文利用长江防洪实体模型动床模型试验研究向家坝、溪洛渡与三峡水库联合运用后荆江杨家脑至北碾子湾河段河床冲淤调整规律，并利用定床模型试验研究该河段河床冲淤调整过程对防洪形势及取水工程运用的影响，得出以下主要结论。

(1) 动床模型试验运行至2017年及2022年，杨家脑至北碾子湾河段总体河势与初始地形(2011年11月)基本一致，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，局部段江心洲滩及汊道段变化较为剧烈，沙市河段上段(J29～J45)、石首河段(J82～J104)变化尤为显著。

(2) 各水位站沿程下降幅度与各河段枯水河槽冲刷结果相对应，随着水位升高，各站水位下降幅度有所减小，洪水流量下各水位站洪水位及断面流速分布未有较大变化，河床冲淤调整过程对该河段防洪形势的不利影响较小。

(3) 河段沿程各取水工程处在各级流量下水位均有所下降，随流量增加，各取水工程处水位降幅逐渐减小。受河段河床冲淤调整过程影响，个别取水工程处断面主流线位置发生一定幅度的摆动，对沿岸的取用水工程会产生一定的不利影响。应加强河道沿岸的原型观测，在河床冲淤对取水工程运用产生较大不利影响时，及时采取有效措施保证取水工程的正常运用。

[1] 魏立鹏, 张卫军, 渠庚. 三峡工程运用后荆江河道冲淤变化分析[J]. 水利科技与经济, 2013, (12):6-8.

[2] 周美蓉, 夏军强, 邓珊珊. 荆江石首河段近50年河床演变分析[J]. 泥沙研究, 2017, (1):40-46.

[3] 长江科学院. 三峡水库运用后荆江河床再造过程及影响研究报告[R]. 武汉, 长江科学院, 2016.

[4] 长江科学院. 三峡工程运用初期荆江河道演变与治理研究报告[R]. 武汉, 长江科学院, 2011.

[5] 黄莉, 孙贵洲, 李发政. 三峡工程运用初期上荆江杨家脑至郝穴河床冲淤变化试验研究[J]. 长江科学院院报, 2011, 28(2):74-78.

[6] 周成成, 黄召彪, 熊小元,等. 三峡水库蓄水后荆江河段河床冲淤及水位变化特点分析[J]. 中国水运. 2014, (5):52-53.

[7] 姚仕明, 卢金友. 长江中下游河道演变规律及冲淤预测[J]. 人民长江, 2013, 44(23):22-28.

(编辑：李晓濛)

2017-09-15

水利部公益性行业科研专项(201401011)

陶 铭, 男,长江科学院河流研究所，工程师.

1006-0081(2017)11-0029-06

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