三峡工程蓄水前后坝下游河段河道演变趋势分析

方馨蕊 ，黄远洋 ，吴胜军 *，温兆飞 ，陈吉龙

（1.中国科学院　重庆绿色智能技术研究院/水库水环境重点实验室，重庆　400714；2.中国科学院大学，北京　100049）

三峡工程是当今世界上规模最大的水电站。它的建成投用，对我国水利发展有着重要意义，不仅在防洪、发电、航运、抗旱和供水等方面发挥着巨大作用，而且也影响着社会经济发展以及区域稳定安全。因为三峡工程“蓄清排浑”的运行方案，清水下泄，坝下游河道发生了自上而下、长时间、长距离的沿程冲刷。特别是迎流顶冲段的冲刷尤为剧烈，促使河道河势发生相应的调整[1]。同时，坝下游河段河流流态受到直接影响，引发冲淤关系改变、主支汊更替、江湖关系调整、物质迁移特性变化等一系列问题[2-4]。某些地方还出现了水土流失、河岸崩塌、泥沙淤积、环境污染等问题，给沿岸地区生态环境造成不利影响。充分认识河流水沙输移及河床演变规律，是研究水沙变化下河流生态环境响应的基础[5]。为此，很多学者针对三峡工程坝下游河段河道演变特征及规律进行了研究，但大多着眼于局部特征、单一工程，很少结合工程实施前河道原有自然状况进行研究。因此，本文以坝下游河道自然演变特征为基础，结合主要水利工程措施对河道的影响，通过对大量文献资料进行分析总结，来揭示三峡工程蓄水前后约60年的时间里坝下游河段河道演变情况，以期了解坝下游河道历史变化特征以及发展趋势，并为相关研究提供参考依据。

1　河道概况

三峡工程坝下游指宜昌至城陵矶河段，属于长江中游地区，跨湖北、湖南两省，地处29°26′28″～30°41′42″N、111°17′30″～113°10′51″E，由宜枝河段（宜昌至枝城）和荆江河段（枝城至城陵矶）构成，河道平面图如图1所示。

图1　三峡工程坝下游河段示意图Fig.1　The schematic diagram of downstream reach of Three Gorges Dam（改自殷瑞兰&陈力[6]）

河段全长约480 km，其中宜昌至枝城河段长约60 km，属山区型河道向冲积平原河道过渡的蜿蜒河道[7]，河床结构为“沙-卵石-基岩”三层结构，稳定性较高；河道南北岸分布低矮山丘和阶地[8]，右岸有清江汇入。荆江河段长约420 km，按照河段组成特性不同，将藕池口作为界点，分为上、下荆江两部分。上荆江长约180 km，属微弯分汊型河道，为“土-砂-卵石”三层垂向结构，河岸上层抗冲性较强，河道外形较为固定，河岸较少崩退，河床每年随水位涨落发生周期性改变：自然条件下，弯道凹岸崩坍、凸岸边滩淤长，边滩切割和分汊段的主支汊兴衰交替[9]。下荆江长约240 km，属于蜿蜒型河道，呈典型的“土-沙”二元结构，河岸抗冲性差，易发生崩岸，河道形态历史上曾多次改变[10-11]。弯道凹岸崩坍、凸岸淤积，河弯半径逐渐变小，有出现“（凹岸）撇弯（凸岸）切滩”的可能[12]。在特定条件下也会出现自然裁弯的现象，随后河道会重新发展弯曲，在纵向蠕移、横向摆动、河床延伸和缩短的过程当中不断调整[13-14]。

2　演变趋势分析

三峡工程坝下游河道地形复杂多变，历史上，重大自然灾害时有发生，而洪灾尤为严重，在1788年到1954年期间出现次数达到6次[15]。由于所发生地区人口稠密、经济发达，洪水对两岸人民带来的灾害严重、影响深远。洪水的泛滥，更加重了长江中下游地区水土流失[14]，致使大量泥沙进入河道，部分河道发生淤积，河床形态发生改变。为有效地整治该河道状况，国家采取了下荆江裁弯工程、葛洲坝水利工程以及三峡水利工程等多种水利工程措施。工程的实施运用虽在一定程度上缓解了长江水情，但也导致河水冲刷江心洲洲体，引起洲体面积缩小和整体蚀退，给河槽稳定、沙洲湿地和江心洲上的居民生产生活造成了影响[16-18]。

2.1　自然演变

江汉三角洲形成于古云梦泽。作为三角洲水系的主要通道，荆江与汉水泥沙的堆积致使江汉三角洲继续发展，云梦泽逐渐淤积衰亡。江汉三角洲在荆江两岸河滩不断抬升的情况下逐渐被分割为江北、江南两大部分。河滩抬升促使人们不断修堤围埦，江南、江北不断淤积缩小，江汉平原形成。

江汉平原形成初，荆江属于沙质河床，抗冲性弱，极易冲刷。在水流作用下，河床迅速下切展宽，流速降低，水流挟沙能力被削弱，河床底部的泥沙由此逐步淤积形成水下浅滩。泥沙的堆积作用增强，以致河流横断面缩小，水流流速加快。水流持续侵蚀两岸，河岸后退，河道弯曲。粗砂粒受环流增强的影响，在浅滩沉积。滩体因而不断扩展淤高，最后在枯水期暴露水面成为心滩。心滩的出现，将大大削弱河床的容蓄作用，河流水位变幅加大，流量不均匀系数增加，河床洪水过程日益显著。洪水过后，悬移质加积，形成粘土层。当心滩滩面超出水面，植物的出现与生长稳定洲体，江心洲产生。江心洲将水流逼向两岸，形成分汊现象。长此以往，水流会冲开沙质河岸形成分流，分流口的沙洲开始堆积。此外，在洪水期，河漫滩上大量堆积由洪水携带的泥沙，促使河漫滩相粘土层的产生。人类的经济活动与河滩的加剧抬升更使得沿江两岸分流口逐渐淤积，进而改变了河流的水文特性，使河滩不断淤高，粘土层加厚。河岸稳定程度增加，江心洲逐渐靠岸，形成河弯凸岸边滩。凸岸边滩形成后，逼使水流弯曲，侵触彼岸，使河弯继续得到发展[19]（见图1中Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ）。

2.2　下荆江裁弯工程

下荆江河段崩岸剧烈，碍洪碍航严重。为改善通航条件和增强泄洪能力，分别于1967年和1969年实施了下荆江中洲子和上车湾人工裁弯工程，1972年沙滩子弯道发生自然裁弯，3次裁弯共缩短河道里程78 km，约占下荆江河长的1/3。裁弯后的影响主要集中在新河发展、老河淤积以及对上下游河段的影响上。

新成河床比降大，河道平面呈微弯状，横断面为梯形。新河放水后，几乎没有分流，河道普遍冲刷。随后，过水断面不断扩大，新河分流比相应增大，比降调平。在发展过程中，由初期两侧展宽逐步转为凹岸单侧展宽；在断面上从初期普遍冲深逐步形成凹岸深槽，并开始出现凹岸冲刷、凸岸淤积的冲淤规律。当新河比降调平基本完成时，其演变过程同一般弯道相似，即汛期冲刷、枯期淤积，凹岸崩坍与凸岸淤积基本平衡，过水断面不再继续扩大，河床平行位移。为巩固裁弯效果，已在新河凹岸实施护岸工程，弯道横向变形因此受到限制，近凹岸深槽进一步刷深[20]。裁弯45年后，新河上下游河势稳定，已形成曲率适度的弯曲性河段[21]。

老河由于流量和比降减小，导致流速减缓，沿程发生淤积。原有的河床冲淤变化规律暂不改变，弯道段仍旧表现为汛期冲刷，枯期淤积；顺直段则为汛期淤积，枯期冲刷。之后，随着老河流量和比降进一步减小，河床原有冲淤变化规律发生变化，逐渐转化为单向淤积，淤积量增加。当老河上口淤积高于中水位时，仅会在高水位下过流。但上口门淤积较缓，下口门因受倒灌、回流以及异重流的作用持续淤高，中下段形成牛轭湖[20]（见图1中的①②③④）。

受裁弯影响，裁弯段上游河段主要变化是：（1）上游河段比降加大，流速增加，洪水期水位降低，安全泄量增大[22]；同时，较长河段产生不同程度的冲刷，且自下游向上游递减。（2）在上游来水不变的情况下，藕池口分入洞庭湖的分流、分沙量减少，枯季停止分流的时期提前[20]。裁弯下游河段主要变化则表现在：（1）上游河段水位降低引起的槽蓄减少，以及裁弯新老河同时过流等，下荆江流量加大，下游洪峰传播情况改变[23]；（2）下荆江洪道含沙量增加，砂粒变粗，河床淤积；进入洞庭湖的沙量减少，淤积速率放缓，湖水出流削弱了对荆江的顶托作用；而中低水位的抬高反过来对下荆江河段的冲刷造成抑制，下荆江顶托严重，裁弯效益降低[24-27]。

2.3　葛洲坝水利枢纽工程

葛洲坝工程是三峡水利枢纽工程的重要组成部分，它是在不断评估和论证三峡大坝的选址问题过程中最终形成的。它于1970年12月动工兴建，1981年5月开始蓄水运用，1988年12月全部竣工。

葛洲坝工程是低水头径流式枢纽工程，水库基本无拦蓄作用，蓄水后调洪削峰作用不明显。在年内来水特征变动不大的情况下，基本上遵循蓄水前的规律。水库对上游来沙起着“淤粗排细”的作用，出库泥沙特征发生变化：水流含沙量降低，粒径细化，推移质数量大为减小，河床变形呈现漫滩河槽下切与扩宽变化[28]。随着河床的冲刷下切，洲滩和边滩呈现萎缩趋势，河床组成逐渐粗化[29]。糙率增大，水面比降调平，流速减小，河道冲刷作用被削弱[30]。当库区淤积达到平衡后，坝下游悬移质粒径又由细变粗，恢复到与蓄水前相近水平[31]。有资料表明，在水库运行3～5年后总体基本达到平衡，水库运行10余年后全库段达到淤积相对平衡[32]。葛洲坝工程运行至今，对坝下游河道的影响正逐渐减小。

2.4　长江三峡水利枢纽工程

长江三峡水利枢纽工程于1994年12月正式开工，2003年6月初期蓄水，2010年首次蓄水至最高水位175 m。蓄水运用后，大量泥沙拦蓄库内，出库沙量大幅减少，尤其是在枯水期[33]。这些都促使坝下游水流变清，下游河道水流处于不饱和状态。水流为寻求泥沙补给，持续冲刷河床，从而引起河道河床形态的调整[34]。虽总体河势基本稳定，但局部河岸崩岸严重、河势调整剧烈。下面将分区域就三峡工程对坝下游河段河道演变规律进行阐述。

2.4.1　宜昌至枝城河段

该河段距离三峡工程较近，两岸多为低山丘陵以及受阶地控制的影响，再加上河床多由卵石夹沙组成，因此河势较为稳定[35]。河道边界条件良好，横向变形受到抑制，河床变形主要以纵向冲刷为主[36]。从冲淤纵向总体分布来看，坝下游河床冲刷强度以宜昌至枝城河段为最大[37]。冲淤形态由蓄水前的“冲槽淤滩”变为“滩槽均冲”[38]，该河段的洲滩总体呈现萎缩状态。深槽变化剧烈，以范围扩展和槽底高程降低为主，深泓纵剖面平均冲刷下切，断面宽深比减小[39]。河床年内冲淤呈周期性变化，年际间冲淤维持着相对平衡的状态[8]。

2.4.2　荆江河段

上游来沙减少，清水下泄，其坝下游河段河道由此产生沿程冲刷，河道总体冲淤情况由基本平衡转为局部冲刷[39]。荆江逐渐成为了冲刷最剧烈、强度最大的河段[35]。由于上荆江河道守护较好，河床冲刷难以在弯曲分汊段、凹岸段进行；而凸岸原先过流较少，一般较少守护，水流冲刷致使凸岸支汊开始活跃[40]。近期凸岸支汊发展才成为较普遍现象，分汊河型的分流格局也由建库前稳定的主支汊分流向主支汊易位转化，在一定程度下存在“主消支长（凹岸主汊消失、凸岸支汊延长）”的可能[41]。此外，上荆江下段主槽受三峡水库下游冲刷的影响变为卵石夹沙河床，河势基本格局愈加稳定[42]。

下荆江河段，由于地势低洼、河道蜿蜒曲折，其河势调整情况相对剧烈，演变特点也较为复杂。受三峡工程蓄水冲刷影响，流量过程坦化、输沙骤减，河道相对平衡状态受到扰动。河流对两岸土地侵蚀加重，上游河槽粗颗粒泥沙下移，在原有凹岸侧的深槽落淤，急弯段出现较为明显的、有趋向性的冲淤调整[43-44]。在这期间，弯道顶冲点下移，凸岸边滩冲刷后退、面积萎缩，急弯段河势问题愈发严重，崩岸继续出现[45]。从崩岸沿程分布来看，上荆江因护岸工程的实施崩塌范围较小，下荆江崩岸则明显多于上荆江[46]。这主要归因于其“土-沙”结构，下荆江河岸下部细沙层的起动流速比近岸小，易受水流冲刷；上部粘性土层崩塌前抗冲强度很大，但多为低液限粘土且相对松散，崩塌后堆积在岸边容易分解并被水流带走；河岸稳定安全系数在一个水文年内呈周期性变化，落水期时最小，故易引发较大程度崩岸[47]。崩岸使局部河道展宽，增大了部分过渡段主流摆动空间，加剧了河道滩槽的不稳定性[48]。另一方面引起断面流速减小，退水过程中河道输沙能力减弱，部分顺直河段河心形成潜洲，滩槽格局趋于散乱[49]。此外，河床的下切和比降的增加导致三口分流减少，促使城陵矶水量减少、水位下降，洞庭湖出口水位抬高，致使河槽淤塞[50]。这不仅影响河道防洪安全，还给通航带来不利影响。考虑到三峡工程正式蓄水运用时间较短，很多问题还未凸显，所以，未来该区域演变趋势值得关注。

2.5　趋势预测

三峡水库首次蓄水至最高水位至今已近7年。在此期间，清水下泄，不仅引发下游的河道纵向侵蚀，而且伴随着强烈的河床横向侵蚀和掏蚀。河床横向演变时，原有岸线、岛屿、洲滩崩塌，新的岸线、洲滩出现，并在向中、下游发展过程中逐步调整，直到河床适应水动力状态为止[51]。目前看来，坝下游河段仍将呈现持续冲刷的状态，但随着时间的推移，冲刷速率将减小[52]。宜昌至枝城河段冲刷幅度将会逐渐减小，并趋于相对平衡状态；河床冲刷仍以基本河槽冲刷为主，枯水河槽冲深适度展宽，总体河势基本稳定。上荆江河段两岸河床抗冲性较强，又有护岸工程守护，该河段河势不会有较大变化，部分河段的河势会出现不同程度的细微调整。下荆江河势总体不大，但局部河势会因河床冲刷、洲滩与深槽的冲淤消长而发生不同程度的调整[39]。总的来说，坝下游河段仍会继续经历长时期、长距离的“冲刷－平衡－回淤”过程[6，35，53，54]。

3　结论

一直以来，大型水利工程的建设都会伴随着区域环境的变化。历史上，荆江河段洪水问题严重，归根结底与河段所处位置地理条件是分不开的。相关文献已经指出，荆江河段蜿蜒曲折，自古就有“九曲回肠”的说法。由于地势低洼，上游泥沙大量在此淤积，致使下游河床抬升，极易引发洪水，给两岸人民生产生活已构成严重威胁。为此国家相继出台了相应政策，并采取了多种水利措施，包括下荆江裁弯工程、葛洲坝水利枢纽工程以及长江三峡水利枢纽工程。这些工程虽有效地缓解了地区灾害，拦截了上游泥沙，但清水下泄，坝下游河道自此发生了长距离、长时间的沿程冲刷，部分河岸崩塌严重，很多洲滩逐渐消失。根据各项工程所带来的实际影响，分析河道沿程变化，揭示出以下演变特征：

（1）自然条件下，荆江河曲高度发展，河道问题严重。

（2）下荆江裁弯工程改善了下荆江岸线的边界条件，是抑制河道崩岸的有效措施，使河道基本上按人工控导的方向演变。目前，下荆江已成为限制性弯曲型河道。

（3）葛洲坝水利工程运行初期，虽会在一定程度上引发下游崩岸，但河床经过一系列的调节，在运行后5年已基本达到平衡。

（4）由于三峡水利工程施工时间长、空间跨度大，因此其影响程度将远超葛洲坝。虽造成坝下游冲刷在时空格局上大大加剧，但鉴于其正式蓄水运行时间较短，河道、岸势的深彻变化还未进一步凸现。从目前演变规律来看，坝下游河段仍会保持“冲刷－平衡－回淤”的变化特征，今后发展趋势还将得到持续关注。

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