汉江兴隆-泽口河段演变及枯水位变化分析

宾贝丽，由星莹

(湖北省水利水电规划勘测设计院，武汉 430064)

历史上汉江河道位置不稳定、变迁频繁且幅度大。汉江下游流经宽阔的江汉冲积平原，河床为第四纪和近代河湖相沉积物组成，抗冲能力较差，可动性极强。汉魏六朝时期，汉江下游河道位于当今河道之北。隋唐至北宋时期，汉江下游河道南迁至今东荆河一线。北宋中期至南宋，汉江下游有两条河道并存。明朝末年，汉江下游河道的具体位置与今河道基本一致。近100 a以来，汉江河道的变迁主要表现为主槽摆动、洲滩增多、洲滩兼并、弯道凹岸侵蚀、凸岸淤积、弯顶上下移动等。1959年以后，随着守护工程的实施，汉江河道现有河势格局逐渐趋于稳定[1-4]。2003年汉江兴隆水利枢纽建成后[5]，坝下兴隆～泽口河段发生大幅度冲刷，枯水位明显下降，严重威胁沿江地市的防洪、供水、航运安全，以及岸线资源保护与合理利用[6]，因此研究兴隆～泽口河段演变机理及趋势，并预测未来枯水位下降值，意义十分重大。

本文通过分析泗港弯道和泽口弯道近期河床冲淤、滩槽形态变化的特点和规律，以及兴隆枢纽蓄水后坝下典型河道断面的变化情况，预测未来演变趋势[7]；根据实测资料，总结库区淤积量与坝下年均输沙量，年输沙量与兴隆坝址断面年均冲刷面积、年均水位下降值等的经验关系[8,9]，并基于坝下河床冲刷的一般机理及强烈冲刷带下移的规律[10,11]，估算了兴隆、泽口2030年枯水位下降值区间，并对成果合理性展开分析，从而对汉江河道防洪、生态治理提供对策及先进经验，也为其他坝下河道冲刷趋势及水位下降值的研究提供借鉴。

1 兴隆-泽口河段近期演变分析

1.1 泗港弯道演变分析

20世纪70年代以来，泗港弯道平面形态及河势格局基本保持稳定，河床演变的特点主要表现如下。

(1)河段整体以冲刷为主，河道主槽冲刷强度大于滩地冲刷强度。泗港弯道河宽变化较小，平均宽度约为2 400 m，河道无明显的放宽或收缩；主河槽平均宽度约为450 m。丹江口水库蓄水运用以来，泗港弯道河段逐年冲刷。冲刷的部位包括河道主槽、代河口边滩尾部、代河口边滩局部滩面，淤积的部位包括进口左岸边滩、梁滩头部及代河口边滩局部滩面。

(2)河段弯顶新老泗港附近主流顶冲点逐年下移，出口段主流位置逐年右移，河段内深槽的变化规律与主流的变化规律基本一致。汉江下游河床组成物质较细、可动性较强，主流位置难趋于稳定。近年来泗港弯道河段内主流摆动频繁，弯道顶冲点位置呈逐年下移的趋势。由图1可知，1977年顶冲点位置位于左岸巴家湾附近，1987年顶冲点下移至左岸老泗港附近，2004年下移至左岸新泗港附近，2015年下移至左岸泗港村附近。顶冲点多年累计下移幅度约为4 000 m，年均下移速率约为100 m/a。顶冲点下移一方面导致枯水水流流路更加曲折、泄流不畅，另一方面导致河道边界对水流的顶托作用加强，弯道出口水流提前偏离左岸向右岸过渡。1977-2015年河段罐头尖村附近主流逐年右摆，多年累计摆动幅度约为1 100 m，年均右摆幅度约为30 m。出口段主流的右摆导致右岸代河口边滩中下段滩体右缘水动力作用加强，泥沙易于淘刷。左岸梁滩头部水动力作用减缓，泥沙易于在河心或边滩头部落淤，形成新的江心洲或边滩。

图1 汉江河道深泓线平面变化(1977-2018年)

(3)右岸代河口滩平面形态基本稳定，滩体中上段局部滩面略有淤高，滩尾左缘明显冲刷崩退，左岸梁滩头部明显淤积长大。由表1可知：近年来，泗港弯道凸岸的代河口边滩平面形态基本保持稳定，滩体面积呈缓慢减小的趋势，滩面最大高程无明显的趋势性变化；局部高滩与河槽的过渡区域内冲淤变化幅度相对较大，如滩体头部左缘经历了先冲刷、后淤积的过程，1977-2004年滩头28 m等高线向右岸崩退，2004-2015年头部28 m等高线向左岸淤长；滩体中下段由于受主流右摆的影响明显冲刷，1977-2004年中下段28 m等高线向右岸崩退，2004-2015年中下段28 m等高线继续向右崩退。

表1 代河口边滩滩形特征值变化

出口河段左岸梁滩头部与右岸代河口边滩尾部存在此消彼长的对应关系，代河口边滩尾部冲刷崩退的过程中，梁滩头部则大幅淤长。1977年主流沿左岸下行，右岸唐家台-小陈台间枯水河槽内存在浅滩，浅滩头尾部滩体与右岸代河口边滩尾部滩体间存在明显的右侧夹槽。2015年左汊明显淤积，浅滩与左岸梁滩头部合并。目前梁滩头部已布置丁坝，滩体稳定性明显加强。

1.2 泽口弯道演变分析

泽口弯道平面形态较为稳定，1977年以来演变特点主要表现如下。

(1)近年来河道整体明显冲刷，但冲刷强度小于泗港弯道的冲刷强度，河道主槽的冲刷强度大于滩地的冲刷强度。泽口弯道平面形态较为不规则，呈先放宽后缩窄的藕节状，至陈家台附近河宽达到最大，陈家台以下河宽逐渐缩窄，至下游泽口闸处河宽达到最小，收缩率约为0.47；泽口闸以下河宽变化不大。近年来河段整体以冲刷为主，1977-2015年累计冲刷为1 613.3 万m3，小于上游泗港弯道的冲刷速率。年际间河段有冲有淤，1977-2004年小幅淤积，2004-2015年大幅冲刷。河段的冲刷主要集中在主河槽及东荆河进口河槽，河段的淤积主要集中在梁滩局部、黄家场边滩局部、河口拦门沙洲。

(2)受上游河段主流右摆的影响，泽口弯道进口段主流右摆。东荆河进口河槽分流点呈逐年下移右摆的变化趋势，有利于东荆河进口河槽的发展。弯道分汊段河槽由多汊向双汊演变，出口段河槽基本保持相对稳定。泽口闸以上主流较为不稳定、摆动频繁且幅度大，河槽内浅滩众多；泽口闸以下主流则保持相对稳定，河槽亦较为稳定。由图1可知：1977年水流在河段内进行了3次分汊，第1次分汊位于右岸小陈台-新村之间；黄家场边滩中部处第2次分汊，部分水流进入左汊汉江，部分水流进入东荆河进口河槽内；东荆河河槽内水流下行至龙头拐处第3次分汊。1987年河道演变为2次分汊，第2次分汊后部分水流走新出现的滩面串沟回到汉江左汊内，而另一部分水流则进入东荆河。2015年，2次分流格局基本保持稳定，滩面串沟一直存在且位置较为不稳定。

本河段主槽极不稳定、浅滩密布；深槽右移、明显冲刷发展。由表2可知：河段内25 m深槽范围亦明显扩大，1977年河槽最低点高程约为20.1 m，2015年河槽最低点高程约为16.2 m，表明河道深槽发生明显冲刷。深槽冲刷加大了滩槽高差，有利于枯水水流集中归槽。

表2 泽口弯道25 m深槽特征值变化

(3)河段左岸梁滩平面形态变化不大，滩体右缘明显淤积长大，右岸黄家场边滩平面形态保持稳定，滩体左缘明显冲刷崩退。由表3可知：近年来，左岸梁滩滩体平面形态基本保持稳定，滩体呈缓慢淤积长大的趋势，平面面积逐渐增大，但滩面最大高程基本保持不变。滩体的冲淤变化主要集中在右缘，滩体头部由于受上游河段主流下移右摆的影响，明显淤积长大，1977-2015年28 m等高线累计向右淤长1 100 m左右。梁滩滩体中下部冲淤演变与河口拦门沙及对岸黄场边滩的变化有关。滩体中部右缘小幅冲刷，28 m等高线存在左移的趋势，1977-2004年左移幅度约为160 m，2004年以后基本保持不变；滩体尾部右缘局部淤积，28 m等高线冲淤变化频繁，左右摆动幅度大。

表3 梁滩滩体特征值变化

(4)河口拦门沙位置较不稳定，沙体呈逐渐淤积长大的趋势。滩面串沟长期存在，不利于拦门沙沙体的整体稳定。目前沙体上部已实施守护工程，稳定性加强。由表4可知：1977年拦门沙沙体由上下2部分组成，上、下部分沙体最大高程分别为29.9 m和34.3 m，2部分沙体间存在中汊河槽。1987年拦门沙上部分沙体并入左岸梁滩中部，下部分沙体淤积长大；沙体表面出现斜向串沟，串沟分东荆河进口水流进入汉江。2004年拦门沙沙体淤积变大，沙体表面斜向串沟明显冲刷发展。2015年拦门沙沙体面积变化不大，但滩面串沟出现萎缩。

表4 拦门沙沙体特征值变化

1.3 典型断面变化分析

本次采用2005、2010、2012、2016、2018年实测河道地形分析典型断面的变化情况。

由图2可知：1号断面位于兴隆坝下1.3 km。在2005年时主槽深泓点高程为25 m；2009年兴隆水利枢纽开工后，左岸边滩遭到大幅度开挖，2010年断面呈双汊状态，左汊深槽下切近10 m；2012年后左汊导流明渠开挖完毕，深泓高程降至25 m，与此同时右汊原深槽被封堵，兴隆水利枢纽竣工后，左汊导流明渠逐渐淤废，深泓高程恢复至27 m左右，坝下水流集中冲刷原右汊深槽；2016年右汊深泓降低至22 m；至2018年左汊明渠底部高程基本不变，右汊深槽回淤，深泓点高程抬升至23.2 m。

图2 1号断面(兴隆坝下)历年变化

由图3可知：2号断面在2005年断面呈分汊型，主槽位于左汊；2010年左岸发生大幅度崩塌，左汊变宽边浅；2012年，受深泓大幅度右摆影响，左汊内大幅度淤积，兴隆枢纽运用后，右侧深槽大幅度冲刷，深泓点降低至21 m左右；2018年贴右岸深泓继续冲深0.5 m，左汊河槽基本淤平为边滩，子堤以外的原右汊倒套有所冲刷发展。

图3 2号断面(张新民垸)历年变化

由图4可知：3号断面2010年较2005年小陈台岸线崩退110 m多，右汊深泓高程从25 m冲深至23 m；其后，受兴隆枢纽运行影响，2016年右汊深泓高程从23 m冲深至20 m，左汊深槽及心滩淤积；2018年心滩继续淤高至34 m，而右汊深泓冲刷至17 m，左汊深泓也冲刷至25 m。

图4 3号断面(代河口边滩)历年变化

由图5可知：4号断面2010年较2005年窜沟冲刷发展，槽口冲深至22 m，左汊深槽淤积；2012年左汊深泓冲深至19 m，拦门洲窜沟明显回淤，右汊东荆河进口处深泓下降至23 m；2016年左汊深泓回淤至20 m，右汊深槽宽度明显增加；2018年左汊深泓回淤至21 m，拦门洲槽口也从24 m回淤至27 m，右汊深泓冲深至22 m。

图5 4号断面(谢湾闸)历年变化

2 兴隆-泽口河段枯水位下降值分析

导致同流量下水位下降的原因主要有2种：一是河道明显展宽，伴随着强烈崩岸及河势剧烈调整；二是河床显著冲刷下切。近年来汉江干流堤防逐步整险加固，险工险段得到有效控制，水位下降主要体现在汉江梯级水利枢纽建设后，坝下河道来沙量锐减，“清水”冲刷造成的河床下切。

2.1 兴隆坝下2030年水位下降值

2.1.1 兴隆坝下2030年来沙量估算

来沙量锐减是枢纽下游河床下切的主要原因。汉江中下游干流规划有7处梯级水利枢纽，丹江口大坝于1958年动工，1967年大坝下闸蓄水，1974年初期完工，二期加高工程于2005年开工，2014年汛后开始蓄水。王甫洲水利枢纽于1995年开工，2000年蓄水发电。崔家营航电枢纽于2005年开工，2010年蓄水发电。兴隆水利枢纽于2009年开工，2013年建成发电。丹江口水库建库后，坝下河道来沙过程受到调节控制，主要表现为大量泥沙被拦在库内，坝下基本是“清水”下泄，汉江中下游河道含沙量主要来自河床冲刷、河岸坍塌和支流来沙。经统计，建库前黄家港、襄阳、皇庄站多年平均含沙量分别为3.24、2.59、2.50 kg/m3，建库后分别减小为0.022、0.100、0.284 kg/m3；建库后各站输沙量分别仅占建库前输沙量的0.6%、3.8%、10.5%。

为估算2030年兴隆坝下水位流量关系，须考虑水库拦蓄泥沙对下游河道来沙过程的削减作用。虽然新集、碾盘山水利枢纽为低水头水电站，特别在对河道冲刷影响较大的洪水期，水电站敞泄运行，下泄水沙过程与天然情况基本相同，对河道冲淤特性的影响不大，但建坝改变了来沙过程，坝体枯水期抬高了库区水位，导致流速减小、泥沙落淤，势必造成库区泥沙淤积，坝下游输沙量减少。

由表5可知：崔家营水库运行近10 a，库区严重淤积时段已过，对兴隆输沙量影响有限；拟建新集水库运行10 a末库区累积淤积量较大，但新集水库位于崔家营水库上游，考虑2坝址间河道自身冲淤调整、区间内重要挟沙支流入汇等影响，新集水库的直接影响有限，因此对兴隆坝下输沙量影响最为直接的是碾盘山建库。根据表5，碾盘山水库与兴隆水库联合运行前10 a，碾盘山库区年均泥沙淤积量为195.5 万t，碾盘山坝址-兴隆坝址年均淤积量为21.9 万t。以沙洋站2017年年均输沙量为基础(已包含丹库大坝加高，王甫洲、崔家营、兴隆正常运用的影响)，减去碾盘山枢纽运行前10 a库区泥沙年均淤积量，以及碾盘山坝址-兴隆坝址区间泥沙年均淤积量，得到2030年兴隆坝下年均输沙量，约为461.6 万t。

表5 上游梯级水库对兴隆坝址输沙量的影响

2.1.2 兴隆坝下水位下降值

丹江口水库清水下泄导致床面冲深并粗化，加大滩槽高差；中洪水时间缩短，冲刷时间延长，坝下河床发生单向冲刷，由微堆积型向侵蚀型转变。由图6可知：根据地形法统计结果，1978-2005年汉江中下游河道总冲刷量为2 611 万t/a，2005-2012年冲刷量为7 033 万t/a，2012-2016年冲刷量为6 832 万t/a。由图7可知：碾盘山-沙洋河段年均冲刷强度从2005-2012年的6.7 万t/(a·km)降低为2012-2016年的2.7 万t/(a·km)，冲刷速度放慢；沙洋-仙桃河段年均冲刷强度从2005-2012年的4.8 万t/(a·km)增加至2012-2016年的8.8 万t/(a·km)，冲刷速度加快，主要受兴隆枢纽建库的影响。

图6 汉江中下游河道冲刷量注：“-”为冲刷。

图7 汉江中下游河道年均冲淤强度注：“-”为冲刷。

兴隆水利枢纽建设后，坝下输沙量减少，河床冲刷，2018年较2005年坝下深泓高程下降2 m，深槽平均高程下降1.36 m，过水断面面积累计增大600～800 m2，可见输沙量的减少与河道断面面积的增大具有明显的相关关系。

图8为沙洋站不同时段的年平均输沙量与同时段兴隆坝址处年均冲刷面积的相关曲线，可见2者呈较好的对数关系，点据均位于趋势线2侧，较为集中。2030年兴隆坝下年均输沙量约461.6 万t时，查图8中相关关系曲线。2020-2030年间兴隆坝下断面的年平均冲刷面积在105.6 m2左右，该值小于2012-2016年兴隆坝下断面实测年均冲刷面积163.4 m2，结果较为合理。

图8 沙洋年平均输沙量与兴隆坝址年均冲刷面积的关系注：“-”为冲刷。

在多年来兴隆坝下河宽变化不大的前提下，河道过水断面面积缩减值与水位下降值呈正相关关系。由于兴隆水利枢纽2013年建成，2014年正常蓄水运用，缺乏历史资料，因此本次从1964-2012年沙洋站同流量水位下降值展开分析，见图9和表6。

表6 沙洋站同流量水位下降值

图9 沙洋站水位流量关系变化曲线注：“-”为冲刷。

点绘各时段兴隆坝址附近断面的年平均冲刷面积与沙洋站600、1 000、2 000 m3/s流量条件下的年均水位下降值的相关关系，见图10。某时段兴隆坝址处年均冲刷面积越大，沙洋站同流量下年均水位下降值越大；随着近年来护岸工程逐渐增多，岸线趋于稳定，同流量下水位下降的幅度变缓；年均冲刷面积为120 m2/a时，流量600 m3/s时年均水位下降值为0.084 m/a；流量1 000 m3/s时年均水位下降值为0.061 m/a。以此类推，若2020-2030年间兴隆坝下断面年平均冲刷面积为105.6 m2，流量600 m3/s时年均水位下降值为0.074 m/a；流量1 000 m3/s时年均水位下降值为0.053 m/a。因此，2030年兴隆坝下枯水位将继续下降0.53～0.74 m左右。

图10 兴隆坝址年平均冲刷面积与沙洋站年均水位下降值的关系注：横坐标“-”表示断面年均冲刷面积，纵坐标“-”表示沙洋水位下降值。

2.2 泽口站2030年水位下降值

泽口站位于兴隆坝下近30 km处，兴隆-泽口区间并无其他水利枢纽拦截泥沙。近年来，东荆河枯水期分流分沙比较低，根据2015年9月泽口水文测验结果，汉江干流悬移质断面输沙率为33.5 kg/s，东荆河潜江悬移质断面输沙率仅为0.074 kg/s，可见东荆河分沙对泽口断面来沙过程的影响较小。

由图11可知：5号断面左、右岸高滩维持在34～36 m高程。2010年较2005年深泓左摆，导致右岸深槽变为左岸深槽，深泓点高程保持在23 m不变；2012年深泓摆回至右岸，深槽略有冲刷。可见兴隆建库前泽口断面的水位流量关系相对稳定。兴隆枢纽运用后，2016年深泓大幅度冲刷，高程降至19 m；2018年深泓再次回淤至22 m左右，过水断面面积变化不大。

图11 5号断面(泽口闸上游)历年变化

由图12可知：随水位增加过水面积呈逐年增大趋势。中枯水条件下，2010年较2005年淤积，经历2010年、2011年2场汉江大洪水后，至2012年河槽冲刷幅度较大；兴隆枢纽运行后，2014-2016年冲刷主要发生在26～33 m水位，中水河槽面积变化不大；兴隆运行第4年的2018年，31 m水位下的中枯水河槽发生显著冲刷，可见泽口河段进入强烈冲刷时段。因此，兴隆建坝以及汉江大洪水是导致泽口河段河床下切、水位下降的主要动因。

图12 泽口断面近年来不同水位下的过水面积

建立同沙洋流量下兴隆坝下水位流量关系变化曲线见图13，建立同仙桃流量下泽口站水位流量关系变化曲线见图14，同流量下，兴隆坝下水位下降值与泽口水位下降值的关系见表7。

图13 兴隆坝址处水位流量关系变化曲线

图14 同仙桃流量下泽口站水位流量关系变化曲线

由表7可知：在兴隆水利枢纽运用前，泽口水位与兴隆水位基本同步下降，流量级为600 m3/s时，2015年较2005年泽口水位下降值为兴隆水位下降值的62.7%；兴隆枢纽运用后，兴隆坝下河床下切速度明显加快，导致2017年较2005年泽口水位下降值仅为兴隆的47.6%；后续随着坝下强烈冲刷带的逐渐下移，泽口水位下降速度将加快，也可能超过兴隆下降速度，再逐渐回落。综上所述，未来10 a泽口水位下降值取兴隆枢纽运用前、后下降值比例的平均值即55%。因此，泽口站2030年枯水位较目前将继续下降0.29～0.41 m(见图14)。

表7 2005-2018年兴隆、泽口处同流量下水位下降值

2.3 成果合理性分析

首先，从分析方法原理来看，一方面，基于实测资料，2010-2013年沙洋站平均输沙量为841.8万t，2014-2017年沙洋站平均输沙量为341.5 万t，可见兴隆建库后年均输沙量减少约500 万t；另一方面，根据《南水北调中线工程汉江兴隆水利枢纽初步设计报告》，水库运行第4年末，库区泥沙累积淤积量将达到1 894 万t，这与兴隆建库后年均输沙量减少500 万t的成果基本一致。以上均说明低水头水电站仍然会导致库区泥沙的淤积及坝下游来沙量的减少，且坝下年均输沙减少量近似等于上游库区泥沙年均淤积量。

其次，从坝下冲刷的发展趋势来看，兴隆枢纽自2013年建库发电以来，2013-2016年年均输沙量仅为204.3 万t，4 a年均排沙比达到60%，这显然是造成库区迅速淤积、坝下强烈冲刷的时段。根据兴隆初设报告，水库运行第4～8 库区泥沙年均淤积量仅67.8 万t，淤积速度大幅度放缓；之后向冲淤平衡方向发展，水库运行第8～12 a的年均排沙比达到93%。事实上，2017年沙洋年均输沙量已从2016年124 万t恢复至679 万t，说明兴隆对坝下冲刷的影响已经开始削弱，与前文分析的坝下冲刷发展趋势一致。

再次，从2030年水位下降值成果来看，沙洋流量600 m3/s时，2018年水位较建库前2012年水位下降值为1.10 m，兴隆水库运行后的坝下河床强烈冲刷期已过。根据《南水北调中线工程汉江兴隆水利枢纽初步设计报告》，推荐兴隆枢纽船闸的闸槛和下引航道按水位下降值1.5～1.8 m考虑。因此本次预计2030年兴隆坝下枯水位较2012年继续下降0.53～0.74 m基本合理。

3 结 语

(1)兴隆坝下-泽口属于河势变化较为剧烈的河段，不同年份主流摆动频繁，洲滩冲淤消长，随着汉江梯级枢纽建设，下泄水流含沙量减少、挟沙力增强，从游荡性河道向下切型河道转变。兴隆枢纽的建设改变了坝下来沙过程，枯水期泄沙少而洪水期挟沙多，2016年较2012年坝下枯水河槽普遍冲刷，低滩有所淤积，滩槽高差加大。

(2)兴隆水库运行前4 a是库区泥沙淤积、坝下河床冲刷最剧烈的时段，沙洋流量600 m3/s时，兴隆坝下2018年水位较2005年水位下降值为1.49 m。目前，兴隆坝下强烈冲刷期已过，进入稳定冲刷阶段。本文根据库区淤积量成果估算坝下年均输沙量，再基于年输沙量与兴隆坝址断面年均冲刷面积、年均水位下降值的经验关系，预测2030年兴隆坝下枯水位将继续下降0.53～0.74 m。考虑到兴隆枢纽管理部门正采取降低运行水位等应急措施，该水位下降值有可能进一步减小。

(3)兴隆建坝以及汉江大洪水是导致泽口河段河床下切、水位下降的主要动因。从2005-2018年实测资料来看，同沙洋流量下兴隆水位与同仙桃流量下泽口水位基本同步下降。分析兴隆坝下强烈冲刷带的发展趋势，未来10 a泽口水位下降值可能为兴隆下降值的55%左右，因此泽口2030年枯水位较目前将继续下降0.29～0.41 m左右。