长江荆江河段滩槽演变与航道水深资源提升关系

杨云平,李 明,刘万利,朱玉德,杨丽洁,余文钧

(1. 交通运输部天津水运工程科学研究所,天津 300456;2. 长江航道勘察设计院(武汉)有限公司,湖北 武汉 430040;3. 国家内河航道整治工程技术研究中心, 湖北 武汉 430040;4. 天津大学水利工程仿真与安全国家重点实验室,天津 300072)

内河航运在全球交通运输体系中扮演着重要的角色[1]，每条河流航道潜力的挖掘均有承载能力制约条件，主要取决于河流深度、宽度、流速、冰冻事件持续时间等水文地貌条件[2]。长江素有“黄金水道”的美誉，航运发展直接影响流域经济社会的发展[3]，截至2021年长江干线航道货运量超35亿t/a，连续多年居全球内河货运量的首位。但是，长江中游荆江河段航道水深低于上游三峡水库库区及下游河段，航道水深不衔接影响长江黄金水道综合效益的发挥。实施系统性航道工程是提升航道水深及改善通航条件的必要手段，但需充分认识航道水深资源与河道滩槽演变的关系，制定合理可行的航道水深提升空间与潜力规划。

长江中游荆江河段距三峡大坝约100 km，水沙条件受三峡水库运行的影响最为直接且影响程度大。1955年以来，荆江河段径流量变化较小[4- 6]，沙量受水土保持及梯级水库建设等影响呈减少态势，近20 a来减幅更为显著[7]。2003年三峡大坝运行后，上荆江冲刷强度最大[8- 9]，下荆江至湖口河段逐渐由三峡大坝运行前“冲槽淤滩”转为运行后“滩槽均冲”[10- 11]。同时，荆江河段也出现了多处崩岸、洲滩萎缩、分流比不稳定[12- 16]等现象，下荆江急弯河段仍存在撇弯切滩现象[17]，影响航道条件的稳定与提升。在坝下游河道冲刷基础上[18- 19]，长江干线实施了系统性河势控制及航道整治工程，三峡工程运行以来的航道水深较前提升了0.6～4.5 m[6]。2003年以来，长江中游河道冲刷已引起同流量枯水位下降[20- 21]，制约航道尺度提升。沙市河段已实施多期航道整治工程，其低滩仍处于冲刷态势，太平口心滩及三八滩汊道仍出现主支汊交替现象[16]。此外，2010年、2016年及2020年长江中下游均发生了大洪水过程，已引起枝城—大埠街河段[22]、沙市河段[16,23]等滩段的碍航程度增大。已实施的荆江河段一期工程将最小通航水深提升为3.5～3.8 m，并发挥了较好的生态效果[24- 25]。已有研究重点关注了荆江河段河道冲淤过程、滩槽演变及碍航特点、航道治理等诸多方面；随着流域经济社会发展，更需深刻认识荆江河段航道水深资源提升与滩槽演变的联动关系。依据长江航道局发布的2020—2021年航道维护尺度公告，三峡库区最低维护水位为4.5 m，2021年武汉至安庆段最小维护水深实现了6 m贯通，且2021年12月城陵矶至武汉段也按照4.5 m进行维护。因此，从长江干线航道水深的上下衔接及水深资源利用上看，荆江河段航道水深低于其上游及下游河段，针对4.5 m航道水深开展荆江河段航道尺度提升的研究十分必要。

本研究以长江荆江河段为对象，采用1960—2020年水沙数据、2002—2020年实测河床地形等资料，分析河床冲淤量及强度、洲滩及汊道分流关系等变化特征，研究航道水深提升至4.5 m与河道水位、洲滩形态及汊道分流等关系。

1 研究区域及数据资料

1.1 研究区域及水文概况

荆江河段上起枝城水文站，下至城陵矶站(图1(c))，以藕池口分界分为上荆江和下荆江(图1(b))。荆江河段内分布33个水道及33个边心滩(图1(a))，其中江心洲为12个(关洲、芦家河、水陆洲、柳条洲、火箭洲、马羊洲、太平口心滩、三八滩、南星洲、倒口窑、藕池口、乌龟洲)；边滩为21个，其中，处于单一弯曲或顺直河段的边滩为15个(金城洲、九华寺、蛟子渊、新厂、陀阳树、碾子湾、河口、季家咀、莱家铺、丙寅洲、广兴洲、反咀、熊家洲、七弓岭、观音洲)，分汊河段的边滩为6个(张家桃园、吴家渡、腊林洲、杨林矶、向家洲、新河口)。

图1 研究河段位置及河势条件Fig.1 Study reach position and river regime condition

1.2 数据资料及来源

收集1960—2020年枝城、沙市、监利等水文站流量与输沙率数据，分析荆江河段来水来沙条件变化；收集2002年10月—2020年10月荆江河段河道地形数据，分析河床冲淤量、冲淤强度、深泓线及洲滩形态等变化；收集2002—2020年荆江河段固定水尺的水位数据，分析河道枯水位、航道尺度变化；收集航道整治建筑物信息资料，包含建筑物位置、类型、尺寸及运行状态等，分析航道整治工程对洲滩形态、汊道分流比等影响。以上数据来源为长江水利委员会水文局、长江航道测量中心和长江航道局等机构。

2 荆江河段滩槽演变及汊道分流比变化

2.1 水沙条件变化

1960—2020年期间枝城站径流量无趋势性变化，2003—2020年较1960—2002年减幅为4.1%(图2(a))。1960—2020年期间宜昌站输沙量为减少态势，2003—2020年较1960—2002年、1986—2002年减幅分别为91.5%和89.8%。2003—2008年、2009—2020年月均流量比例与1991—2002年进行比较，7月、8月和10月为减少态势，6月和11月变化不大，12月至次年1—5月为增大态势(图2(b))。

图2 枝城站水沙条件变化Fig.2 Changes of water and sediment conditions in the Zhicheng station

图3 荆江河段冲淤量及滩槽分布关系Fig.3 Amount of sediment scouring and distribution relationship of beach trough in the Jingjiang reach

2.2 河道冲淤及分布特征

2002年10月至2020年10月期间荆江河段枯水河槽、平滩河槽总冲刷量分别为11.18亿m3和12.29亿m3，枯水河槽冲刷量占平滩河槽冲刷量的90.97%，整体上为滩槽均冲态势(图3)。2002年10月至2009年10月、2009年10月至2020年10月期间上荆江枯水河槽冲刷量占平滩河槽冲刷量比例分别为90.5%和96.4%，下荆江比例分别为76.7%和94.3%。2002年10月至2009年10月、2009年10月至2020年10月期间上荆江平滩河槽冲刷量占荆江河段总冲刷量的比例分别为41.8%和69.1%，下荆江比例分别为58.2%和30.9%。平滩河槽冲刷强度上，2002年10月至2009年10月、2009年10月至2020年10月期间上荆江冲刷强度分别为0.27亿m3/a和0.49亿m3/a，下荆江分别为0.37亿m3/a和0.22亿m3/a，即上荆江冲刷强度增强，下荆江为减弱态势。

2.3 航道洲滩边界变化

2020年与2002年比较，江心洲和边滩总面积减少约18.3%，其中，江心洲减幅为9.4%，边滩减幅为24.9%。分汊河段边滩或江心洲演变划分为4种类型(图4)：减小趋势、先增大后减小、先减小后增大、增大趋势。面积减小趋势的江心洲为芦家河、火箭洲、马羊洲，边滩为金城洲、蛟子渊、新厂、陀阳树、调关、广兴洲、反咀、七弓岭及观音洲，其中火箭洲、马羊洲未实施航道整治工程，受上游清水下泄影响面积为减少态势；芦家河江心洲及金城洲、蛟子渊、新厂、陀阳树、调关、广兴洲、反咀等边滩在航道整治工程实施后仍为减少态势，原因在于处于近坝段受清水下泄的影响程度较大，其江心洲洲体及洲头低滩面积呈减小态势，但航道整治工程仍稳定了滩槽格局。面积先减小后增大的江心洲为关洲、三八滩、倒口窑和乌龟洲，边滩为张家桃园、吴家渡、向家洲和莱家铺，江心洲及边滩在河势控制及航道整治工程实施后面积为增大态势，即工程措施有效控制了江心洲及边滩的萎缩态势。面积先增大后减小的江心洲为柳条洲、水陆洲和太平口，边滩为九华寺和腊林洲，这些滩体在航道整治工程实施后面积为增大态势，但洲头低滩仍存在一定的冲刷态势，在航道尺度提升中需要实施提升江心洲完整性的航道工程。面积增大趋势的江心洲有南星洲，马家咀水道已实施了多期航道整治工程，工程有效保护了江心洲完整性。

图4 荆江河段江心洲和边滩面积变化Fig.4 Area changes of beach and central bar in the Jingjiang reach

2.4 枯水期汊道分流比变化

荆江河段内自上而下分布有关洲、芦家河、水陆洲、柳条洲、太平口心滩、三八滩、南星洲、倒口窑及乌龟洲等汊道，各汊道枯水期主汊道分流比变化见图5。1984—2002年期间关洲汊道分流比变化较大，2002—2016年期间左汊分流比增加；2003—2017年期间关洲右汊同流量分流比较1984—2002年期间为整体减少态势，荆江河段一期航道整治工程实施后的2017年关洲左汊分流比较2012年提升10.1%。2003—2014年期间芦家河左汊分流比为减少态势，2008—2016年期间芦家河左汊同流量分流比较2003—2007年期间为减少态势；荆江河段一期航道整治工程实施后，2016年芦家河左汊分流比较2014年提升10.9%。2007年以来，水陆洲右汊分流比为增加态势，至2019年3月水陆洲左汊枯水期不过流。2003—2010年期间柳条洲汊道分流关系较为稳定，左汊和右汊分流关系为3∶7；2011—2014年期间柳条洲右汊分流比为增加态势，2014—2019年期间柳条洲左汊河床冲刷显著，右汊分流比减少约25%。近60 a以来，沙市河段太平口和三八滩汊道均发生过枯水期主支汊交替，其中，太平口心滩汊道在2004—2006年期间完成了汊道交替过程，2006年以来南槽为主汊；三八滩汊道段于1978—1980年、1999—2000年、2010—2011年发生过枯水期汊道交替；2010—2017年期间太平口心滩北槽同流量分流比较2001—2009年期间显著减少，三八滩南汊为中洪水期增加及枯水期减少态势。2000—2011年期间南星洲汊道分流比变化较大，2002—2007年期间右汊分流比先增加后减少，在航道整治工程实施后右汊分流比显著增加。倒口窑汊道分流比变化较小，在航道整治工程实施后左汊分流比增加并接近100%。1970年以来乌龟洲汊道于1977—1979年和1990—1993年完成了2次汊道交替过程，1994年以来乌龟洲右汊分流比为持续增加态势，2003—2017年期间乌龟洲右汊同流量汊道分流比较1994—2002年为增大态势，表明航道整治工程发挥了较好效果。

图5 荆江河段汊道分流比变化Fig.5 Distributary ratio variations of branching in the Jingjiang reach

三峡工程运行后至航道整治工程实施前，2003—2014年关洲右汊分流比减少，对应左汊分流比增大；2003—2014年芦家河左汊分流比减少，对应右汊分流比增加；2003—2010年柳条洲右汊分流比减少，对应左汊分流比增加；2004—2017年南星洲左汊分流比增加，对应右汊分流比减少；2007—2012年水陆洲右汊、2001—2009年倒口窑左汊及2003—2007年乌龟洲右汊分流比均为增加态势。上述汊道分流比增加的汊道具有水流流程较短的共同点，即三峡工程运行后至航道整治工程实施前水流流程短的汊道分流比为增加态势。在航道整治工程实施后，2014年以来关洲汊道右汊和芦家河左汊、2012年以来水陆洲右汊和柳条洲左汊、2007年以来南星洲右汊、2009年以来倒口窑左汊、2007年以来乌龟洲右汊分流比均为增加态势，表明航道整治工程较好地稳定和提升了枯水期主航道的分流比。但是，沙市河段太平口心滩汊道为顺直型，三八滩为微弯分汊，其上下游滩群之间演变联动关系强[15- 16]，同时受连续多期航道整治工程、荆州长江大桥、河道采砂活动等综合影响[16]，枯水期汊道交替频繁，未表现出水流流程短的汊道分流比增加的特征。

3 滩槽演变与航道水深资源提升关系研究

3.1 航道尺度核查

2020年10月、2009年10月与2002年10月上荆江以整体冲刷为主，下荆江冲淤交替且以冲刷为主(图6,高程为黄海基面)；2020年10月与2002年10月比较，荆江河段深泓平均冲深2.97 m，最大冲刷深度为20.10 m，位置在调关水道。在河床冲刷的同时一般会伴随枯水位下降[5,11]，但出现的河床粗化也会减缓枯水位下降速率[5,11]。在荆江河段内河床冲刷过程中粗化程度不同，在上荆江河床冲刷引起的水位下降值大于河床阻力增加引起的水位壅高值[11]，即设计最低通航水位低于航行基准面，会使得上荆江碍航程度增加；下荆江河床冲刷引起的水位下降值小于河床阻力增加引起的水位壅高值，使得下荆江设计最低通航水位高于航行基准面，有利于航道水深的提升。

以2020年10月实测河道地形，统计航道水深组成(图7)，结果表明：以200 m航宽设计航槽进行统计，荆江河段内最小水深不足4.5 m的水道为关洲、芦家河、枝江等14个，其余19个水道最小水深均大于4.5 m；荆江河段内4.5 m等深线宽度不足200 m的水道为枝城、关洲、芦家河等13个，其余20个水道4.5 m等深线宽度均大于200 m；以航道尺度4.5 m×200 m进行统计，不满足4.5 m×200 m的长度为18.4 km，水道个数为16个，分布在关洲、芦家河、枝江等水道，碍航长度占荆江河段总长度的5.3%。

图7 荆江河段航道尺度核查Fig.7 Verifivcation of waterway conditions in the Jingjiang reach

3.2 航道碍航特性与河道演变的关系

3.2.1 水位不均衡下降引起的碍航问题

以2003—2020年荆江河段水尺资料为基础，沿程流量均选6 000 m3/s，计算该流量对应的各水尺水位(图8(a)、8(b))，结果表明：2003—2009年荆江河段各水尺的水位降幅为0.06～0.53 m，宜昌至枝城河段、枝江以下河段水位降幅高于枝城至枝江河段；2009—2020年荆江河段各水尺水位降幅为0.27～2.66 m，昌门溪至石首段降幅较大，宜昌至昌门溪河段、下荆江降幅相对较小。从深泓线变化上看，2003—2020年上荆江深泓平均下切深度为2.97 m，水位平均降幅为1.21 m，水位平均下降值低于深泓下切值，航道水深相对增加。2009—2020年与2003—2009年的年均水位降幅进行比较，宜昌至枝城河段年均水位降幅为减小态势，上荆江降幅显著增大，下荆江降幅为减小态势。从水位降幅与河槽冲刷关系上，昌门溪附近、曹家河至吴家渡区域4.5 m等深线贯通，但宽度不足200 m，李家渡至张家桃园区域、七星台区域的4.5 m等深线处于断开状态(图8(c))。以水位下降区域显著的昌门溪至大埠街河段为对象，2009—2020年水位平均下降2.21 m，对应深泓平均下切1.61 m，水位下降值大于深泓下切值，即水位下降值与深泓下切深度不同步是昌门溪至大埠街河段出现碍航的主要原因之一。

图8 砂卵石河段水位变幅及航道条件核查Fig.8 Verification of water level variation and channel condition in the sandy cobble reach

3.2.2 弯曲河段边滩形态不稳定引起的碍航问题

荆江河段内弯曲河段为急弯形态(图9)，如调关—莱家铺(河道长度为22.5 km)、盐船套—城陵矶(河道长度为45.1 km)，其弯曲率分别为2.55和2.65。2012—2020年急弯段河床冲淤分布特征与2002—2012年[26]均为“凸岸侧边滩冲刷、凹岸侧河槽淤积”。影响因素方面，受水库调度影响，下荆江流量年内过程重分配使得水动力轴线作用历时在凸岸、凹岸不均匀性增强，表现为凸岸边滩位于主流区的持续天数相对于凹岸侧深槽为延长态势，加大了边滩冲刷动力[22,27]。调关—莱家铺河段4.5 m等深线贯通，但弯曲半径减小引起船舶通航风险增加。盐船套—城陵矶河段由4个连续急弯水道组成，近年来反咀水道弯曲半径为1 030 m，碍航特征为弯曲半径不足；熊家洲水道、尺八口水道、八仙洲水道、观音洲水道的最小弯曲半径为750 m，且受洞庭湖出流顶托影响[28]，碍航特性为弯曲半径不足及水深不足4.5 m。

图9 弯曲河段冲淤分布及水深变化Fig.9 Distribution of scouring and silting and variation of water depth in the curved reach

3.2.3 汊道段洲滩及分流关系不稳定引起的碍航问题

(1) 汊道内无显著边滩发育的水道有关洲、芦家河、水陆洲、柳条洲、火箭洲、马羊洲、南星洲及倒口窑等。火箭洲和马羊洲未实施航道整治工程，洲体滩面高且形态完整，面积略有减少，因枯水期主汊分流比高于80%，洲滩小幅冲刷对分流比影响较小，对应4.5 m水深贯通。柳条洲、芦家河心滩在实施航道整治工程后洲滩格局基本稳定，面积和枯水期主汊分流比均为减少态势，因进口段展宽使得该区域出现4.5 m水深或是宽度不足。关洲心滩左汊实施护底工程后洲体面积为增加态势，但枯水期主汊分流比仍为减小态势，进口段水动力减弱出现了4.5 m水深或宽度不足。倒口窑心滩及南星洲在实施航道整治工程后的面积均为增大态势，且有效控制了枯水期汊道分流关系，2020年10月地形条件下4.5 m等深线宽度不足200 m。以瓦口子—马家咀河段为例(图10)，金城洲边滩上段航道整治工程区域为淤积态势，下段为大幅冲刷，引起对岸侧盐卡—观音寺区域淤积，4.5 m等深线的宽度不足200 m；受上游金城洲边滩尾部冲刷的影响，马家咀水道进口为淤积态势，南星洲左汊因护底工程的实施表现为淤积态势，右汊为冲刷态势；受航道整治工程的影响，南星洲面积增加、左汊淤积条件下使得马家咀河段4.5 m水深航道条件较好。

图10 分汊河段滩槽变化与航道条件的关系Fig.10 Relationship between the beach trough evolution and waterway conditions in the branching reaches

(2) 汊道内存在多个边滩及心滩，其洲滩之间演变的关联性强，如沙市河段、监利水道。沙市河段内分布有太平口心滩、腊林洲边滩、三八滩及杨林矶边滩(部分年份出现)，已实施了多期航道整治工程(三八滩、腊林洲边滩)(图11)。2001—2020年期间太平口心滩、三八滩汊道均发生了枯水期主支汊交替，与洲滩之间演变密不可分。以2001—2003年期间分流比及滩体形态为基础，太平口心滩南槽分流比为41%，北槽约有25%的流量从太平口心滩尾部—三八滩头部间的夹槽进入三八滩南汊，这一时期三八滩南汊为主汊；2004—2006年期间腊林洲边滩头部冲刷尾部淤积，引起太平口心滩南槽分流比增加，受腊林洲边滩形态影响，水流挑向三八滩北汊，在水流摆向三八滩北汊的过程中引起三八滩大幅冲刷。2007—2013年期间腊林洲边滩头部仍维持后退及尾部淤积态势，这一时期太平口心滩萎缩，太平口心滩南槽继续发展，平均分流比为59%，本时期约11%的径流量经太平口心滩尾部—三八滩头部进入三八滩北汊，完成了第一轮枯水期主支汊交替。2014—2020年期间因上一时期太平口心滩北槽分流减少引起水动力减弱，使得杨林矶边滩发育显著，因腊林洲边滩守护使得头部位置稳定及尾部淤积，杨林矶边滩淤涨及三八滩大幅萎缩，使得三八滩南汊分流比高于50%，完成了新一轮主支汊交替。监利水道已实施多期河势控制及航道整治工程，由于乌龟洲及新河口边滩的联动演变，使得汊道分流比不稳定，引起乌龟洲右汊下深槽与下段大马洲水道上深槽呈现错开现象，使得交错区域的水深不足4.5 m或航路不顺。

图11 沙市河段滩体演变与汊道分流比的关系Fig.11 Relationship between beach evolution and branch distributary ratio in the Shashi reach

在航道治理技术上，2014年2月地形条件下长江中下游武汉至安庆段航道尺度不满足6.0 m×200 m的碍航长度占全河段长度的13.49%[6]，通过2018—2020年系统治理并于2021年实施了6 m水深贯通；荆江河段已实施了一期系统性工程，治理目标水深为3.5 m，随着工程效果发挥，2018年以来最低维护水深为3.5～3.8 m[11]；长江南京以下12.5 m深水航道、长江口北槽和南槽航道整治工程等竣工，为长江河段系统治理积累了成熟技术与宝贵经验。因此，在航道治理技术上实现荆江河段4.5 m水深贯通是可行的。同时，荆江河段实施以4.5 m为目标的航道尺度也面临生态修复、环境保护等外部环境限制。在长江干线系统治理过程中，研发了四面体框架、扭王字块、W型坝体、鱼槽砖、D和X型排体、植草固滩结构等新型结构，跟踪监测表明已建工程产生了较好的生态效果[25]。2018—2019年近坝段砂卵石河段同流量枯水位下降幅度较2003—2018年显著减小[22]，为航道疏浚措施的实施提供了有利基础；同时，三峡水库枯季下泄最低流量为增加态势，流量补偿作用增加了砂卵石河段枯水期水位，为提升航道水深提供了有利条件。虽然砂卵石河段存在“坡陡流急”现象，但从技术、外部环境条件等方面考虑，关洲水道、芦家河水道仍具有航道尺度提升基础。

4 结 论

本研究以长江荆江河段为对象，通过1960—2020年水沙条件、滩槽演变、汊道分流与航道水深资源提升等关系研究，取得的主要结论为：

(1)三峡工程运行后，荆江河段以枯水河槽冲刷为主，约占平滩河槽总冲刷量的90.97%，为航道尺度提升提供了有利条件；江心洲和边滩总面积减少约18.3%，其中江心洲、边滩面积减幅分别为9.4%和24.9%，不利于航道边界稳定。

(2)荆江砂卵石河段表现为水位下降值高于河床下切值，航道水深出现不足；弯曲河段表现为凸岸侧冲刷及凹岸侧淤积，使得弯曲半径不足，不利于船舶通航安全；分汊河段内边滩和心滩面积萎缩且联动演变关系强，使得枯水期汊道分流比不稳定，并出现了枯水期主汊和支汊交替。

(3)现状地形条件下(2020年10月)，荆江河段不满足4.5 m×200 m航道尺度的碍航总长度占全河段5.3%，航道水深资源提升受河道冲淤、边心滩形态调整及汊道分流关系等影响，但在技术上具备航道水深资源进一步提升基础。