湖北荆江河道演变监测及分析项目综述

(1.荆州市长江勘察设计院，湖北 荆州 434000； 2. 湖北省水利厅，湖北 武汉 430000)

由于荆江河段距离三峡大坝较近，2003年6月三峡水库蓄水运用后，在较长时期内难以恢复其下泄的严重次饱和水流含沙量。因此，荆江河道的冲刷不仅发生时间早，冲刷幅度也较大，引起局部河段的河势调整。2007～2016年开展了荆江河道演变监测及分析项目，经过10 a来不断摸索总结监测分析方法，在传统的典型断面比较法、冲刷坑面积法、最深点分析法等基础上，首次提出了监测导线分析方法，并综合影响岸坡稳定各因素之间关系，整理了一套“岸坡稳定性综合评估体系”。荆江河道演变监测分析成果可为荆江防洪及河道工程建设管理提供决策支持。

目前，国内外学者模拟预测河床(含河岸)横向变形的研究方法主要包括：经验方法、极值假说方法和水动力学-土力学方法[1]。对崩岸预测理论方面的研究方法还不成熟，预测结果往往与实际情况相差较大，距离实际应用仍存在差距。

荆江河道演变监测及分析项目采用传统及创新的分析方法，能够较全面地反映近岸河床变化情况，实现了原来定性判断到定量分析的转变，便于实际操作。

1 项目背景

三峡水库已于2003年6月蓄水运用，同年11月蓄水至139 m，2006年10月坝前水位抬高至156 m，2008年汛后开始试验性蓄水，同年11月抬高至172.8 m，此后自2010年起连续5 a成功蓄水至175 m。三峡水库的蓄水运用改变了坝下游河段的来水来沙过程，尤其是来沙过程，必将引起坝下游河段发生新的演变，会对河道防洪、河势以及堤岸稳定等方面带来一定影响。

荆江河道的冲刷可能对现有水流顶冲范围内与贴岸段的未护段岸线以及已护工程的稳定造成不利影响，同时由于长期冲刷可能引起局部河段的河势调整。尤其是上荆江河段，发生冲刷时间更早，且沙市河弯、郝穴河弯等河段的迎流顶冲段，堤外基本无滩，一旦因冲刷而引起岸线的崩塌，将对荆江防洪安全构成极大威胁。因此，开展三峡水库蓄水运用后荆江河道监测与分析研究工作是十分必要的。

为及时了解荆江河段河道演变规律，进行河势演变监测和分析，为河道治理和领导决策提供科学依据，以加强河道崩岸的可预见性，避免崩岸的突发性，争取崩岸整治的主动性。2006年7月起开展荆江河道演变监测及分析工作，至2016年12月，已连续监测10 a。

2 监测范围及方法

2.1 监测范围

水下监测仅对重点河段进行监测。重点河段确定的主要原则是：①近年崩岸剧烈及河床变化较大的岸段；②堤外滩地较窄或者无滩，迎流顶冲，深泓贴岸，防洪地位重要及对河势变化较大的岸段。

根据“全面监测，重点加强”的原则，该项目又将重点监测河段划分为3类:

(1)近年来崩岸严重的河段，如文村夹、北门口、茅林口等河段。

(2)深泓贴岸迎流顶冲,无滩及窄滩的河段，如沙市观音矶到谷码头、冲和观到郝穴、公安河湾等河段。

(3)应急性的测量，即突然发生崩岸的河段。

主要监测方法是定时半江水道地形测量和岸上定期观测。第一类河段75 km，每年测量两次，汛前一次，汛后一次；第二类河段95 km，每年测量一次，在汛后实施；第三类是应急测量2 km。保持监测范围相对固定。根据河势变化情况，在年度任务中局部调整监测河段类型及范围。

以谷码头至观音矶为例，局部监测范围导线图见图1。

图1 谷码头至观音矶段监测导线(部分)平面布置

2.2 测量方法

2.2.1 控制测量

据查勘，测区内有国家二、三等平面和高程控制点。平面系统为北京54坐标系，高斯正形投影，3°分带。高程系统为1956年黄海高程系。

在荆江河段,以国家二、三等平面控制点为引据点布设D级GPS控制网。沿监测河段按划分每5 km布设一对可通视D级GPS点，GPS点布置在大堤堤肩上。最少联测12个国家级二、三等平面控制点。

以国家二等高程控制点为引据点布设四等水准路线。用NA2型水准仪按四等水准测量规范施测。最少联测20个以上二等水准点。每公里高差中数中误差应小于3 mm。

一级导线测量用TOPCON全站仪按5″级导线测量规范施测，以静态GPS点为引据点，沿监测河段平均每500 m布设一个埋石导线点。导线测角中误差应小于5″，最弱点点位中误差应小于5 cm。

2.2.2 水下地形测量

测图比例尺为1 ∶2 000，在D级GPS控制点或5″导线点上设置基站，用RTK+回声仪测量。GPS水下地形测量采用垂直于河道的断面法测量，断面间距约为30 m，测量至深泓线以外。一般宽度约300 m，个别重点险段为400 m。

2.3 荆江河势查勘

原型观测采用定量的重点河段半江水下地形测量与定性的实地查勘相结合。定性的实地查勘主要是定期、不定期的陆上查勘；每年下半年汛后安排一次河势查勘，一般在10月中旬至11月上旬。河势查勘采用乘船方式，从枝城到城陵矶行经近340 km，重点查勘湖北、湖南荆江河段两岸的河势变化及新老险工、险段。通过听介绍、看河势、查现场、座谈会等形式，理论联系实际，增强感观认识。通过河道实际发生的河势变化验证河道演变分析结果的有效性，合理调整河道演变分析结论。

2007～2013年采用普通照相机拍照的方式记录现场情况。2014～2016年改进了查勘方法：采用查勘记录仪记录拍照地点地理坐标信息，定位行船航迹线；无人机航拍俯瞰总体河势及岸坡情况；重点河段岸坡土料取样，实验采集土料物理力学指标数据。

2.4 监测分析方法

在2007～2009年的河道演变分析中，采用的是典型断面分析法、冲刷坑面积变化法。典型断面分析法通过典型断面的冲淤变化来分析该河段的整体近岸河床变化情况，由于所选取的典型断面是间隔、不连续的，具有“代表”的局限性，不能全面地反映整个河段的变化情况。冲刷坑面积变化法通过跟踪近岸河床变化剧烈岸段冲刷坑的面积变化来分析重点河段的近岸冲淤变化情况，由于冲刷坑的选取通常都是弯道迎流顶冲段、矶头等重点河段，不能代表全河段的情况，只能真实反映局部重点河段的近岸冲淤变化情况。

典型断面分析方法是从横向来分析该典型断面的横向冲淤变化分布关系，形象、直观，而在纵向上具有不连续性，无法对其进行量化分析。

考虑到传统典型断面分析法、冲刷坑面积变化法的种种局限性，在该项目2008年度报告中，首次提出并使用“监测导线分析法”对近岸河床冲淤变化进行分析。该分析法通过近岸河床变化的若干因素确定一定数量的监测导线平面控制点，并将这些平面控制点连接成一条平顺的曲线，该曲线为监测导线，通过监测导线在不同时段的沿程高程变化来研究近岸河床的分析方法。

按以下内容要素确定监测导线的平面位置：① 荆江水下护岸工程的守护宽度一般在50～70 m；② 近岸深槽的内边缘线距多年平均枯水位线60～150 m；③ 荆江水下护岸工程的水毁一般是从水下坡脚前沿开始，逐渐向河岸方向发展，最终引起岸线崩塌；④ 枯水位水边线的不平顺性；⑤ 枯水期近岸主流线的顺畅。

监测导线法分析近岸河床变化，可全面直接反映监测岸段沿线近岸河床的变化情况，克服典型断面法分析近岸河床变化的代表局限性，达到可直接发现监测岸段近岸河床冲淤变化的沿程(顺水流方向，纵向)分布关系，具有总体量化分析的特点。通过监测导线纵向上的连续性，可以明显发现近岸河床冲淤变化的情况。

以谷码头至观音矶河段为例进行具体分析。三峡水库蓄水运用以来，该河段演变过程为：沙市观音矶～谷码头段近岸河床经历了较大幅度→冲淤窄幅调整→进一步小幅冲刷；在年内同一水文时段内，沿程各分区段间呈冲淤交替变化(上段冲刷下段淤积或下段冲刷上段淤积)；在年内不同水文时段内，沿程各分区段近岸河床冲淤变化主要表现为汛期冲刷、汛后中枯水期回淤的冲淤交替变化特点。

2006年6月到2016年11月期间该段近岸河床历年总的冲刷情况是：水下坡脚前沿平均冲刷幅度5.11 m；冲刷幅度较大的区段主要集中在桩号758+200～755+200段，冲刷量主要发生在2006年6月到2008年11月期间；冲刷幅度较大的部位主要在水下坡脚附近。

为更好地分析海量冲淤数据，2013年引入包络线，在冲淤监测导线高程沿程变化图上按间距20 m选取最大值、平均值、最小值，进而连接成沿线高程高位包络线、沿线高程中位线、沿线高程低位包络线，完善了基于近岸地形监测成果资料的数据处理方法。

为了发现监测岸段地形变化趋势和简化后续分析工作，2014年引入相关的时程变化图，以监测岸段近岸河床水下坡脚前沿的监测导线高程平均值、监测断面水下坡比值、冲刷坑面积和最深点高程值为基本资料，建立相关的时程变化图。一般来说，从时程变化图可以判断监测岸段的各个区段目前的状况和近几年可能的变化趋势。

2.5 岸坡稳定性评估体系

影响荆江河道岸坡稳定的因素有：近岸河床的冲淤变化，护岸工程的质量、守护范围和运行年限，近岸河床的水下坡度变化，岸坡的地质条件、来水来沙条件等。河道岸坡出现不稳定现象不是偶然的，都有隐患产生、积累和爆发的过程，为了便于荆江河道的防洪安全管理，应对有防洪安全隐患的岸段进行及时治理，需要弄清荆江河道岸坡稳定状态，根据影响荆江河道岸坡稳定的多方面因素，进行综合评估分类。

综合考虑影响荆江河道岸坡稳定的各个因素，参考河道行洪安全管理惯例和气象预报提示惯例，将岸坡稳定风险评估分为一般、二级设防、一级设防、警戒4个等级，对应的颜色提示分别为蓝色岸段、黄色岸段、橙色预警岸段、红色预警岸段。

3 主要成果

40多年来，荆江河道经历了下荆江裁弯、葛洲坝工程和三峡水库蓄水运用、系统的护岸工程和航道整治工程、荆南四河和洞庭湖的淤积萎缩等，现在的荆江河道演变基本是人类活动控导影响下的演变，具有趋向稳定性特点。

3.1 枯水、漫滩洪水河势总体格局

在葛洲坝工程、三峡工程等干流上游大型水库联合调度作用下，荆江枯水期水情呈相对平稳状态，加之航道工程和护岸工程逐段对枯水河床起到明显的控制作用，工程实施后使整治河段的滩槽平面位置相对确定、枯水河势格局长期稳定，河势变化主要表现为工程保护区域前沿砂质河床的冲淤交替变化、以及其变化所引起的主流线小范围摆动。

葛洲坝、三峡等干流上游大型水库联合调度，使大洪峰流量被消减调平，荆江洪水漫滩的水情概率变小；沿江护岸工程使岸线基本稳定，护滩工程使洲体冲刷调整处于可控状态，对河势变化可能有影响的河床边界现基本被护岸、护滩工程所控制，主流的摆动范围基本稳定在某个区域；在水情被控制、河床边界基本稳定的情况下，荆江的洪水河势格局逐渐被工程所控制，主流基本被限定在一定区域内摆动；限定区域内的河床呈冲淤调整变化和少量的崩岸点，不影响荆江总体洪水河势格局。

表1 上、下荆江河段分时段冲淤深度统计 m

注：“-”表示冲刷，“+” 表示淤积，2003年具体是指2002年10月～2003年10月。

3.2 河床冲淤调整变化

三峡水库蓄水运用以来，2002年10月至2015年10月，荆江河段枯水河槽累计冲刷泥沙 7.051 6亿m3，年均冲刷量为 0.54亿m3，远大于蓄水前1972～2002年的年均冲刷量 0.137亿m3。

以2013年荆江固定测量断面在沙市水文站流量5 640 m3/s(对应枯水河槽)、10 000 m3/s(对应基本河槽)和30 000 m3/s(对应平滩河槽)时的水面宽度为基本资料，计算确定上荆江平均河宽：枯水河槽1 047 m、基本河槽1 223 m、平滩河槽1 503 m；计算确定下荆江平均河宽：枯水河槽914 m、基本河槽1 005 m、平滩河槽1 685 m；上荆江河长171.7 km(荆3～荆82)、下荆江河长175.5 km(荆83～荆186)。计算上下荆江的平均冲刷深度：2002年10月～2015年10月上、下荆江枯水河槽平均冲深分别为2.46 m、1.83 m；2002年10月～2015年10月上、下荆江基本河槽平均冲深分别为2.17 m、1.80 m； 2002年10月～2015年10月上、下荆江平滩河槽平均冲深分别为1.85 m、1.20 m。上、下荆江河段分时段冲淤深度见表1。

荆江不同的区间河道沿时程和流程呈冲淤交替变化，大多数地段河床总的情况是沿程冲刷，冲刷的部位主要是枯水河床，尤其是弯道凹岸中下段的近岸河床冲刷幅度相对较大。

3.3 分汊、弯道、过渡段河势演变

分汊性河段的的洲头冲刷后退、靠近主流的洲体侧缘崩塌；洲体一经人工控制，在比较长的时期内，出现洲体灭失和主支汊易位的概率较小。以关洲为例，见图2。

图2 关洲近期平面(35.0 m高程线)变化

急弯段普遍出现主流撇弯切滩现象，弯道凸岸上边滩冲刷、下边滩有所回淤；弯道凸岸上边滩冲刷发展较快，弯道凸岸下边滩淤积相对较慢，但持续的时间相对较长，伴随着弯道顶冲点和凹岸近岸深槽向下游延伸，整个局部河段河势具有向下游缓慢蠕动的特点。

弯道凹岸近岸河床冲刷区的调整变化，使得部分护岸工程段出现滑挫崩岸现象、护岸工程段紧邻下游的未护岸段出现崩岸现象；已护岸工程段出现滑挫崩岸现象对河势影响有限，但对防洪影响明显；未护岸段出现崩岸现象对河势影响明显。

枯水河床冲刷使过渡段散滩游动性增强，在航道工程的控导作用下，散滩基本被稳定在规划设计的平面范围内淤长联片，枯水河势趋向稳定变化。

3.4 历史险工段、河道崩岸特性

从历史深槽的监测分析成果来看：其冲刷下切已基本到达了一个极值，历史深槽所在局部河段枯水河床的冲刷拓宽比冲刷下切要更容易；新深槽往往在弯道凹岸下段近岸河床逐步形成；主流线平面位置不因河道深槽的冲淤变化而调整，主流线平面位置变化影响河道深槽冲淤分布。

随着荆江河段人类工程的密度加大，对河势的控制力度将逐步增强，在较长时期内，主流将被控制在一定平面范围内变动，河道崩岸是河道演变的表现形式之一[2]。部分护岸近岸河床长期冲刷下切，在不进行水下工程维护加固的前提下，水下工程将逐步水毁失效，相关护岸段岸坡稳定风险经历了相当长时间的积累，发生崩岸将是必然的，护岸段崩岸具有时间周期性；少量局部护岸段小范围区域可能提前出现崩岸，呈现偶发性。主流贴岸下行的未护岸段，近岸河床长期冲刷下切具有持续性，在不进行守护的前提下，河岸崩塌将持续较长的时期。2006～2016年荆江河道崩岸统计见表2。

表2 2006～2016年荆江河道崩岸统计

4 成果应用

荆江河道演变监测及分析项目从2007年开始，实施10 a来，每年进行河势查勘、水下地形测量、河道演变分析，编制年度河势查勘报告、河道演变分析成果报告等工作，并接受湖北省水利厅组织的专家验收，获得验收专家一致认可。

根据河道监测分析成果，有助于确定荆江(湖北段)河势控制工程及三峡后续工作项目的规划范围和工程实施的先后次序，作为部分河道工程项目申报、规划设计的技术支撑。目前，已在河势控制应急工程、崩岸应急整治工程、码头防洪评价等方面得到了具体应用，效果良好。

年度监测分析成果报告提供了荆江河道实时变化动态，为准确把握防汛重点、及时有效应对突发险情和应急整险提供了技术支持。

5 结 语

该项目探讨了荆江河势监测的分析研究方法，2007年使用传统的典型断面比较法、冲刷坑面积法、最深点分析法；2008年对研究方法进行了创新，首次提出了监测导线分析方法；2009～2010年在监测导线分析方法的基础上，结合传统分析方法，综合影响岸坡稳定各因素之间关系，整理了一套“岸坡稳定性综合评估体系”[3]；2013年引入包络线，完善了基于近岸地形监测成果资料的数据处理方法；2014年引入相关的时程变化图，用于发现监测岸段地形变化趋势和简化后续分析工作。

通过以上分析评估体系，可以较全面、完整地反映荆江河道监测岸段岸坡稳定性状况，并对其进行风险预警。目前岸坡稳定性综合评估体系还不够完善，希望通过不断的研究探讨，逐步修订完善综合评估体系，摸索出荆江河道的演变规律，为荆江河道的治理提供科学决策。