边界条件对长江中游周天河段河道演变影响

(交通运输部天津水运工程科学研究所 工程泥沙交通运输行业重点实验室, 天津 300456)

周天河段位于长江上荆江河段末端，为微弯河型，两岸分布有大量连续边滩，上下游滩体及河势联动性强，是长江中游重点碍航河段。目前已实施了3期航道整治工程，即应急清淤工程(2000～2002年)、控导工程(2006～2008年)、荆江河段一期工程(2014～2016年)，河道边界条件已发生明显变化。已有的周天河段河道演变分析认为：周天河段深泓年际间摆幅较大，过渡段随来水来沙、两岸边心滩消长而频繁上提或下移[1-2]；尚未建立这一摆动及过渡形式与径流条件的关系；控导工程实施后，周公堤水道为上过渡、天星洲水道为左槽一次过渡形式，碍航位置为颜家台空荡区域形成的交错浅滩，新厂高滩及天星洲左缘崩退明显，存在向二次过渡演变的趋势，应及早实施整治工程进行控制[3]。在控导工程潜坝和护滩带的作用下，河道深泓线右摆，蛟子渊边滩淤高，左岸覃家洲一带冲刷，应及时实施防护措施[4]，预防护滩带失稳或破坏[5]。从近期周天河段航道水深上看，该河段航道尺度具备进一步扩大的空间[6]。三峡水库蓄水后，拦截了大量上游来沙，使坝下游近乎于“清水下泄”，改变了长江中下游的水沙边界条件[7-9]。坝下游河道洪峰削减、枯季补水作用改变了年内流量过程，长江中下游水沙条件、河道边界发生显著变化，使得河床演变过程更为复杂[10-11]。这一变化特点及趋势是河道治理与航道规划关心的重点。准确把握历史时期及近期河道、航道演变规律，是河势控制与航道整治工程取得预期效果的前提，只有摸清河势调整的成因，整治措施才更有针对性，治理效果才能事半功倍。

本研究以长江中游周天河段为对象，在对自然条件下过渡形式与流量过程、洲滩联动作用关系等研究基础上，分时段研究不同阶段航道整治工程、三峡水库蓄水运行后水沙边界条件改变条件下的河床演变过程及作用机理，以期为该河段河道治理及航道整治工程建设及规划提供参考，并进一步加深对边界受控条件下河床演变规律的认识。

1 研究区域概况

1.1 河道概况及水沙条件

周天河段上起郝穴，与郝穴水道相连，下迄古长堤，下与藕池口水道相接，全长28 km，为微弯河型(见图1)。郝穴镇至胡汾沟为周公堤水道，胡汾沟至古长堤为天星洲水道，是长江中游重点碍航河段之一。周天河段内有九华寺边滩、戚家台边滩、蛟子渊边滩、周公堤心滩、新厂边滩、陀阳树边滩及天星洲滩体等淤积体。沙市水文站位于周天河段上游约65 km处，区间无支流和湖泊分汇，可代表周天河段来水来沙条件。1950～2002年沙市站年均径流量为3 940亿m3，输沙量为4.33亿t。2003～2016年沙市站年均径流量为3 760亿m3，较蓄水前减幅为4.02%，输沙量为0.634亿t/a，较蓄水前减幅为86.86%，近乎于“清水下泄”。

图1 周天河段河势(2014年12月)Fig.1 The river map of the Zhoutian reach(December,2004)

1.2 航道整治工程概况

2000年以前，周天河段主要对岸线实施了加固工程，河道基本处于自然状态，2001年以来已实施了三期航道整治工程：应急清淤工程、控导工程及荆江航道整治一期工程。工程分布见图1，工程信息见表1。

2 自然条件下演变规律

2.1 边心滩演变的关联性

周天河段两岸分布有大量的边滩和心滩，上下游边滩、心滩联动性强，具体表现如下。

(1) 周公堤心滩与水流动力轴线关系见图2(a)。周公堤水道水流动力轴线上提或下移直接影响蛟子渊边滩变化：当水动力轴线上提时，蛟子渊边滩滩头上延；当过渡段下移时，蛟子渊边滩滩头冲刷后退；当水流动力轴线相对稳定时，蛟子渊边滩的滩头保持相对稳定和完整。蛟子渊边滩的高大完整，反过来限制水流动力轴线下移，有利于水流动力轴线稳定在上过渡的形式。

表1 周天河段整治工程建设过程统计Tab.1 Statistical table of the regulation process of Zhoutian reach

(2) 周公堤心滩与蛟子渊边滩关系。周公堤心滩的形成是伴随蛟子渊边滩临岸窜沟发育，逐渐切割形成。当蛟子渊边滩和周公堤心滩相连时，减小了周公堤心滩的发育空间，心滩处于萎缩趋势，航道内上、下深槽交错段距离缩短，枯水时水流更加集中于主航槽，对航道水深的维持有利。当蛟子渊边滩分离形成周公堤心滩后，周公堤心滩和蛟子渊边滩窜沟分流增加，使得枯水期水流分散，不利于航槽浅区的冲刷，过渡形式向中下过渡发展，航道条件趋差。

(3) 蛟子渊边滩与新厂边滩关系见图2(b)。蛟子渊边滩与新厂边滩是两个相邻的边滩，当蛟子渊边滩滩头冲刷后退、滩尾淤积下延时，新厂边滩滩头则冲刷后退、滩尾淤积下延；当蛟子渊边滩保持相对稳定，且新厂边滩滩头与蛟子渊边滩滩尾相连完整时，新厂边滩也保持相对稳定，而新厂边滩的完整、稳定又有利于蛟子渊边滩的整体稳定。

(4) 新厂边滩与天星洲滩体关系见图2(c)。当新厂边滩尾部淤积下延时，天星洲滩体头部冲刷后退，此时天星洲水道维持左槽一次过渡形式；新厂边滩尾部冲刷时，天星洲滩体头部淤积上延，此时天星洲水道已形成右槽一次过渡或是二次过渡形式，航道条件相对较差。

图2 周公堤边心滩与水流动力轴线关系Fig.2 The relationship between the Zhougong bars and the hydrodynamic axis

2.2 自然条件下过渡形式与水动力条件关系

2.2.1 过渡形式划分

在自然条件下，周公堤水道可划分为3种过渡形式(见图3)：主流自郝穴水道-九华寺-戚家台-覃家洲过渡为上过渡形式；主流郝穴水道-颜家台-周公堤-张家榨-胡汾沟过渡为中过渡形式；主流自郝穴水道-蛟子渊左槽-蛟子渊边滩尾部-黄水套一带过渡为下过渡形式。天兴洲水道也可划分为3种过渡形式：主流自右岸胡汾沟-黄水套-左岸袁家埠头-茅林口过渡为左槽一次过渡形式；主流自黄水套沿右岸而下，在郑家河头向陀阳树过渡为右槽一次过渡形式；主流自右岸胡汾沟向左岸新厂镇附近过渡后复折回右岸边，经过右岸郑家河头，再向左岸陀阳树过渡为二次过渡形式。一般而言，周公堤水道为上过渡形式，天星洲水道为左槽一次过渡形式，航道条件较好。

图3 自然条件下周天河段过渡形式Fig.3 Transitional form of Zhoutian reach under natural conditions

2.2.2 过渡形式与径流量关系

周公堤水道为微弯河型，中小水年时水流归槽，左槽过流时间增加而持续冲刷，有利于左槽发展成主航槽，使过渡段下移，易形成中过渡和下过渡(见图4)：当蛟子渊边滩高大完整，与周公堤心滩相连依附于左岸时，过渡形式为中过渡；当左岸蛟子渊边滩受冲刷在滩体上形成窜沟，且进一步发展成主航槽时，周公堤水道主流贴左岸而下，形成下过渡；中大水时水流取直，主流偏向右岸，易形成上过渡。天星洲水道为顺直放宽河型，当周公堤水道为中过渡时，大水或中水年，中、高水位持续时间较长，水流趋直，使右槽得以发展，易形成主流二次过渡或右槽一次性过渡，如1981年、1982年为中大水年，洪峰流量大，藕池口过流时间长，右槽冲开并持续发展。当周公堤水道为下过渡时，主流在新厂边滩处挑向右岸，右槽冲刷力度加大进而发展，易形成右槽一次过渡形式，如1979年。当周公堤水道为上过渡时，天星洲水道主流较为平顺，由胡汾沟过渡到茅林口一带，若天星洲洲体高大完整，主流贴左岸而下，易形成左槽一次性过渡，如1997年。周天河段过渡形式与沙市水文站径流量关系见图4。图4过渡形式中，右纵坐标3为周公堤水道上过渡、天星洲水道左槽过渡；2.5为周公堤水道中过渡，天星洲水道左槽过渡；2为周公堤水道为上过渡，天星洲水道为右槽过渡；1.5为周公堤水道中过渡，天星洲水道为右槽过渡；1为周公堤水道为下过渡，天星洲水道为右槽过渡。

图4 周天河段过渡形式与沙市水文站径流量关系Fig.4 The relationship between the transitional form ofZhoutian reach and the discharge of Shashi Hydrometric Station

3 边界受控条件下河道演变规律

三峡水库蓄水运行后，改变了坝下游的水沙条件及过程，在航道整治工程共同作用下，周天河段的过渡形式未发生变化，主要为周公堤水道上过渡、天星洲水道左槽过渡。三峡水库蓄水后，荆江河段冲刷最为显著，尤其是上荆江河段[12-13]，受水沙条件影响及整治工程作用区域的差异，周天河段的河道冲淤分布表现出不均衡性。

图5 周天河段0m等深线变化(2003～2008年，航基面)Fig.5 Change of 0m depth line in Zhoutian reach(from 2003 to 2008, sounding datum for navigation)

3.1 应急清淤工程至控导工程前

周天河段应急清淤工程区域集中在蛟子渊边滩的头部，工程塑造的边界条件影响主要也在蛟子渊边滩区域，其余区域受水沙边界条件影响。2003～2005年水深测图显示(见图5)：戚家台边滩为淤涨趋势，尾部向下游延展，对岸九华寺边滩发育不明显。周公堤心滩与蛟子渊边滩为分离态势，周公堤心滩由上、下两个小滩体组成，而且，上滩体逐渐下移，至2005年下滩体已与蛟子渊边滩合并。蛟子渊边滩临岸窜沟为先缩小后冲刷扩展；天星洲滩体头部为先冲刷后退，后逐渐淤涨，左缘为冲刷后退。

图6 周天河段0m等深线变化(2009～2014年，航基面)Fig.6 Change of 0m depth line in Zhoutian reach(from 2009 to 2014, sounding datum for navigation)

3.2 控导工程及荆江河段一期工程前

2006年12月至2008年5月为控导工程建设期(见图6)：戚家台边滩尾部仍维持淤积淤长趋势；由于潜丁坝工程的实施，九华寺边滩整体为淤涨趋势。2005～2007年周公堤心滩淤涨，蛟子渊边滩冲刷，主要是经历了2006年特枯水文年所致。2007～2008年期间也为中小水年份，周公堤心滩冲刷左移，尾部在潜丁坝工程作用下与蛟子渊边滩相连。

2008年11月至2014年12月期间(见图6)，戚家台边滩维持头冲尾淤趋势，其面积大幅减小，其冲刷速率明显高于清淤工程至控导工程期间。九华寺边滩由于工程作用，为淤涨趋势，对应的深槽为冲刷趋势。2008～2013年期间，由于工程的影响，周公堤心滩头部为淤涨趋势，且稳定在Y6丁坝，其后发生冲刷，至2014年12月头部0 m等深线后退至Y7潜丁坝。2009～2012年期间，周公堤心滩左缘为淤涨趋势，在2012～2014年期间大幅冲刷。天星洲滩体头部淤涨，左缘中下段均为冲刷趋势，并有崩岸态势。

3.3 荆江河段一期工程至今

荆江河段一期工程实施以来，左岸冲淤变化为(见图7)：九华寺边滩仍延续淤积；颜家台空荡区域以冲刷为主，闸口区域略有淤积；蛟子渊心滩右缘大幅冲刷，新厂边滩略有冲刷。右岸冲淤变化为：戚家台边滩区域上段冲刷，尾部略有淤积；覃家洲一带略有冲刷，草房关附近淤积；天星洲左缘冲刷，滩面略有淤积。

3.4 边界受控条件对河道演变的影响

在航道整治工程作用下，周公堤水道进口两岸的冲淤变化与自然演变时期存在差异，主要表现为：三峡水库蓄水后，九华寺边滩、戚家台边滩均为淤积趋势，河道以纵向冲刷为主；荆江河段一期工程实施以来，九华寺边滩淤积趋势得到维持，戚家台边滩区域冲刷，相对应深槽冲淤不大。主要原因是：左岸边界较为稳定，将水流首先集中到深槽，深槽区域河床已出现砂卵石或砂卵石夹砂(见图8)，纵向冲刷趋缓，河道以横向冲刷调整为主。

图7 荆江一期工程实施前后河道冲淤分布(2014年2月至2016年1月)Fig.7 The scouring and silting distribution change of the channel before and after the first phase of Jingjiang project

图8 周天河段河床质及代表断面变化Fig.8 The change of bed material and representative section in Zhoutian reach

在“清水下泄”及航道整治工程的作用下，周天河段仍以冲深为主，但局部横向变形需引起关注(见图8(c),(d))。截至2016年，在航道维护水深上，长江中下游基本实现了2020年航道规划目标，但宜昌至武汉、武汉至安庆段仍未达到上游库区及下游潮汐河段深水航道水深，急需提高宜昌至安庆段的航道水深[12-15]。目前武汉至安庆段航道水深提升至6.0 m已获得批复，并进入了施工期，荆江河段一期航道整治工程已经完工，航道水深已基本达到3.5 m及以上，还存在进一步提高可能性。通过航道核查表明，若周天河段航道水深提升至4.5 m，应关注颜家台空荡区域的航道条件变化。

4 结 论

自然条件下河床演变过程受水沙条件、滩槽格局、上游河势及河床组成等影响。三峡工程运行改变了周天河段河道的进出口来水来沙边界条件，航道整治工程改变了该河段河道内的边界条件，共同作用使河床演变过程出现了适应性调整。研究了周天河段水沙条件及航道整治工程作用下河道内外边界变化对河床演变特点的影响，主要结论如下。

(1) 自然条件下周天河段演变特点：① 大水年份有利于左岸心滩与边滩合并形成高大完整边界条件，天星洲滩体发育完整；② 中小水年份周公堤心滩与蛟子渊边滩分离，窜沟冲刷发展，天星洲滩体不稳定，存在切割趋势。

(2) 周天河段在航道整治工程及三峡水库清水下泄共同作用下的演变规律为：① 2001～2006年受中小水情和泥沙减少等影响，左岸侧边滩和心滩冲刷，右岸侧滩体发育，天星洲滩体冲刷，应急清淤工程有效封堵了窜沟发育；② 2006～2008年控导工程实施期间，左岸边心滩(九华寺边滩、周公堤心滩和蛟子渊边滩)淤涨，抵消了水沙条件带来的冲刷趋势，在水沙条件作用下右岸戚家台边滩存在由淤转冲趋势，天星洲滩体为冲刷趋势。③ 2009～2014年上游主流动力轴线右摆，在整治工程束窄河宽、水沙条件及河床补给不足的情况下，两岸边滩及心滩出现冲刷或是崩退现象。

受三峡水库运行的影响，周天河段仍维持冲刷趋势，航道水深提升具备有利条件，应关注河道边心滩调整及局部放宽段，进一步提升航道边界条件的稳定性。