监利水文站断面特性变化初步分析

(长江水利委员会水文局荆江水文水资源勘测局沙市分局，湖北 荆州 434000)

断面特性变化规律的研究是河道演变规律研究的基础，也是水文测验精度控制的重要内容[1]。监利水文站位于监利河段，是监利河段水沙代表站，也是长江中下游荆江河段重要控制站。监利水文站下游5 km左右为乌龟洲，所在河段为典型的弯曲分叉型河段。1998年开始，乌龟洲水流主泓移到右汊，对监利断面的形态产生一定的影响。同时，20世纪90年代以来，监利站的输沙量呈逐年递减的趋势，2003年6月三峡水库蓄水运用后，该站的输沙量进一步减小[2]。2009年，黄莉等[3]对监利水沙特性进行分析，指出三峡水库蓄水运用初期，上游来沙的60%被拦在库内，出库及坝区下游水流含沙量大幅减小，监利站同流量条件下含沙量明显减小，并且低含沙水流下泄，坝下游河床沿程冲刷，各站悬移质输沙均发生粗化，监利站2006年来沙粗化最为明显。在上游来水来沙条件发生变化的情况下，监利水文站断面以及监利河段形态必然会有一定的调整。2008年，黄莉等[2]对监利河段横断面几何形态变化进行研究后得出，监利河段在三峡水库蓄水后发生调整，且调整仍在进行中。研究监利水文站断面特性变化规律，并分析断面变化原因，对研究监利河段河道演变以及提高水文测验精测度具有重要意义，可为进一步分析监利水文站测验方式创新及单值化分析提供依据，并可对三峡清水下泄条件下监利河段演变规律形成初步认识，同时也能够为弯曲分汊河段上游河道断面变化规律提供参考。

1 研究背景

1.1 研究区概况

监利水文站位于东经112°38′，北纬29°42′。1950年设立，1970年下迁至湖南华容洪山头，1975年迁回监利，1996年水位观测迁往城南，2010年迁往上游鄢铺汽渡码头上游约1 300 m，更改站名为监利(二)站。

监利水文站断面位于基上30 m，断面上、下游各有约500 m长的顺直河段，中高水河槽宽1 100～1 300 m，低枯水水位受上游矶头影响，右岸起点距1 250 m附近偶尔出现回流。河床多为中细沙，右岸为陡坡，有水泥块护岸，岸线顺直稳定。基下约4 km和 5.5 km处分别是监利西门渊闸和一矶头。位于一矶头附近的乌龟洲上下延伸约6 km，面积约8.4 km2，将干流分南北两股下泄，从1998年开始该水流主泓移到右汊，对监利断面水流产生一定影响。在下游约95 km处，洞庭湖与长江交汇，使监利站水位-流量关系受回水顶托影响明显。监利河段受长江上游来水以及洞庭湖顶托的综合影响，断面变化频繁剧烈。监利水文站测验河段平面见图1。

图1 监利水文站测验河段平面

1.2 数据来源

采用1998～2016年监利站数据资料。2003年6月三峡水库开始蓄水，1998～2002年为三峡水库蓄水之前断面数据，2003～2016年为三峡水库蓄水后断面数据，每年断面数据包括汛前和汛后数据，其中水下数据由回声仪施测，岸上部分由水准仪、经纬仪(或全站仪)施测。监利站悬移质输沙率采用横式采样器采样。1998～2009年采用转子式流速仪施测了流量数据，2010～2016年则采用ADCP施测。

2 悬移质输沙量、径流量变化

水沙条件的改变对断面变化的影响较大，1998～2016年监利站悬移质输沙量、径流量变化如图2所示。

图2 悬移质输沙量、径流量过程

分析结果表明：1998～2016年，监利站径流量和悬移质输沙量呈递减趋势。1998年径流量为4 413亿m3，在2016年减小至3 853亿m3，径流量最小年为2006年，仅为2 718亿m3。悬移质输沙量1998年为 4.070亿t，2016年减小至3 290万t，最小年为2016年。在2003年之前，径流量与悬移质输沙量呈同规律变化；2003～2011年径流量与悬移质输沙量只在极小年呈相同的变化趋势；2011～2016年，径流量与悬移质输沙量变化规律大致相同，但悬移质输沙量变化幅度明显减小。

3 断面特性变化

3.1 断面形态变化

分析1998～2016年断面数据，绘制大断面图，通过分析断面变化过程，发现监利水文站断面变化分为3个阶段。

(1)第一阶段：1998～2001年。断面呈“U”型，整个断面冲淤变化较大。1998～2001年，监利水文站断面平均输沙量为34 300万t，含沙量较大，断面呈现明显的“汛淤枯冲”的特点。选取典型年份图形，以2000年4月为例，断面变化过程如图3所示。

图3 2000年4月断面

(2)第二阶段：2002～2009年。2002～2008年监利断面左右岸变化剧烈，左岸逐渐淤积，右岸不断下切，高中水位时断面呈“U”型，低水位时呈“W”型。从2001年汛期结束到2002年5月，断面左岸河底高程迅速下切，连续7 a枯水期断面呈明显“W”型。经过探讨排除人为违禁采沙因素的影响，经过查阅资料未发现2002年有特殊水情，该变化原因有待商榷，初步考虑是由于1998年大水以及乌龟州1998年主汊变化后的河道调整滞后作用引起变化。2016年，廖治棋等[4]对监利站平滩面积对水沙条件变化的滞后响应进行研究后发现，滞后响应时间为3 a，从时间上来说该解释符合，但合理性有待考证。以2007年2月为例，绘制断面变化过程图(见图4)。

图4 2007年2月断面

(3)第三阶段：2009～2016年。经过上一阶段冲刷变化，监利断面呈偏“V”型，深泓线偏右， 2009～2016年监利水文站断面平均输沙量为3 070万t，较小的输沙量致使监利断面冲淤变化小，断面形状基本稳定，左岸冲淤变化频繁，右岸冲淤变化较小。以2009年3月为例，绘制断面变化过程图(见图5)。

图5 2009年3月断面

3.2 断面面积变化

根据监利水文站1998～2016年实测大断面资料，选取2003年三峡水库蓄水后最高水位 36.36 m(2012年),计算断面面积，绘制断面面积变化曲线，如图6所示，对断面面积变化进行分析。

图6 面积变化曲线

从监利水文站断面面积变化曲线图可以看出，2003年之前，监利断面呈现出明显的“汛淤枯冲”特点，年内面积变化较大，在2003年尤其是2008之后，断面不再呈现“汛淤枯冲”特点，断面面积年内变化减小，因此可将断面面积变化过程分为两个时期。

(1)第一时期：2003年之前。断面年内变化大，枯季断面面积增大，断面冲刷大于淤积；汛期断面面积减小，断面淤积大于冲刷；断面呈现逐年缓慢淤积的趋势。

(2)第二时期：2003年以后。断面2003年内变化减小，断面呈逐步轻微冲刷态势，引起该变化的原因主要在于：2003年6月，三峡水库开始蓄水，引起清水下泄，断面输沙量大幅度减少，断面以冲刷为主。由于河床演变对来水来沙条件存在普遍的滞后响应[5]，所以该变化在2004年之后逐步明显。

3.3 断面深泓变化

河道主流线是决定河势变化的重要因素，而深泓摆动在一定程度上可以反映主流的摆动[6]。单个断面的深泓虽然不能完全代表河段的深泓线摆动情况，但仍具有一定的参考意义。1998～2016年，监利水文站断面深泓的位置变化如图7所示，除个别年份稍微左移，基本稳定在起点距1 200 m左右。深泓高程变化如图8所示，1998～2003年，趋势线略微上升，主要是由于1991年深泓高程变小，5 a间断面深泓高程极大值与极小值相差1.63 m；2000～2003年，深泓高程基本不变。因此，1998～2003年，断面深泓高程基本稳定；2004～2016年，趋势线斜率为负值，深泓高程呈减小趋势，断面深泓逐年冲刷，断面高程极大值与极小值间相差 8.51 m，且年间变化幅度增大。该变化主要是断面输沙率减小以及断面形态变化引起的，监利断面左岸为砂质河床，右岸为护坡，左岸不断淤积，致使断面右侧过水面积不断增大。由于护坡的存在，水流继续向右冲刷受到阻碍，水流开始冲刷右岸底部的泥沙，由于断面输沙率减小，所以逐年冲刷大于淤积，致使断面深泓呈逐年冲刷的趋势。

图7 监利站深泓位置变化

图8 监利站深泓高程变化

4 特殊水情年份断面变化分析

通过研究分析大水年大断面变化特征，能够很好地指导水文测报工作。2012年径流量、悬移质输沙量较大，最大流量值35 300 m3/s，具备一定的代表性。绘制断面图9，分析2012年年内年际断面变化情况以及大水年监利断面变化特点。通过全年实测流量测点，绘制大水年2012年及平水年2015年与2016年断面水位面积关系曲线图，并进行了分析比较。

图9 2011～2013年大断面变化

图10 2012年水位面积关系曲线

从图9和图10可看出，在大水年份，由于携沙量变大、水流的冲刷作用增强，大断面年内年际变化较大，在同水位条件下(2012年最高水位36.36 m)，2012年10月断面面积比2012年3月减小了1 000 m2，比2011年8月减小了1 100 m2。汛期左岸淤积明显，右岸深泓继续冲刷。大洪水过程：表现为涨洪时，水流携带大量泥沙，冲刷断面；落洪时，水流依旧携带大量泥沙，流速减小，一部分推移质转化为床沙质，断面不断变化，洪水涨落使水位面积关系呈散乱状且不稳定。平水年2015较2016年水流的输沙能力减弱，水流携沙能力小，床沙质与推移质转换小，水位面积关系线基本稳定。从图11可看出，监利水文断面变化与水流作用关系密切，在大水年份，断面变化剧烈，应加密大断面测次。

图11 2015年与2016年水位面积关系曲线

5 结 论

通过对1998～2016年监利水文站断面资料分析，得出以下结论。

(1)监利水文站断面1998～2016年经历了3个变化阶段。第一阶段，断面呈“U”型；第二阶段，高中水位时断面呈“U”型，低水位时呈“W”型；第三阶段，为稳定的偏“V”型，深泓线偏右，断面左岸受冲淤作用以及人为因素影响较大。

(2)2003年之前，监利水文站断面面积年内变化大，断面呈缓慢淤积趋势；2003年以后，三峡水库开始蓄水，引起清水下泄，断面年内变化变小，断面呈逐年轻微冲刷趋势。

(3)1998～2016年，监利水文站断面深泓位置除个别年份稍微左移外，基本稳定在起点距1 200 m左右。1998～2003年，深泓高程基本不变；2004～2016年，断面深泓逐年冲刷，且年内变化幅度增大。

(4)监利水文断面变化与水流作用关系密切，在大水年份，断面变化剧烈，应加密大断面测次。