三峡建库后沙市—汉口河段悬移质分组冲淤变化规律

陈 栋，朱勇辉，李凌云

(长江科学院水利部长江中下游河湖治理与防洪重点实验室，湖北 武汉 430010)

在河道上游修建大坝后，坝下游河床将在长时期内进行重新塑造与冲淤调整。受河道形态的复杂性、河床组成的差异性、悬移质泥沙级配的不同及沿程支流水系的入汇等因素影响，水库下游河道沿程泥沙冲刷补给较为复杂[1-2]。因此，持续开展水库下游河床冲淤变化规律研究对保障水工程安全、水生态以及水资源利用具有重要意义。

2003年以来，长江上游大量兴建大型水库，蓄水、调节和拦沙对中下游河川径流和泥沙产生了深刻影响[3]，中下游河道由自然条件下的中沙河流变为少沙河流，江湖系统由累积性淤积转为持续冲刷[4]，冲刷主要发生在宜昌至城陵矶河段[5]，河床冲淤形态为“滩、槽均冲”，枯水河槽冲刷强度大于中洪水河床，断面形态趋向窄深[6]，175 m试验性蓄水运用以来，宜昌至湖口河段河床冲刷强度有所增大[7]。水库下游河道纵向调整一方面遵循“先上后下、先快后慢”的规律，各段达到最大冲刷量的时间依次从上游向下游推迟[8-9]，强冲刷带呈从上向下逐渐推移的态势；另一方面，在短期内当上游段剧烈冲刷时，下游段可能不冲甚至淤积[10-12]。陈飞等[13]发现在河床冲刷与沙量恢复过程中丹江口、三门峡等水库下游各粒径组输沙量均不会超出建库前水平；杨云平等[14]、郭小虎等[15]等通过分析得出粒径d>0.125 mm沙量在宜昌—监利河段得到补给，其下游为淤积趋势；杨燕华等[16]认为坝下悬移质沿程存在含沙量恢复和粗细泥沙交换(二次恢复)2种现象，非均匀悬移质在沿程交换时，先淤粗后冲细，冲细过程中将发生“二次恢复”，潜于一次恢复之中，使恢复距离增长。可见，水库下游粗细颗粒泥沙输移规律不同，冲淤时空分布不均匀。从时间分布上看，受限于悬移质级配资料不足，针对新水沙条件下不同粒径组泥沙的冲淤变化，特别是年内冲淤规律，研究较少。以洪水期、枯水期划分年内时段过于简单，不能反映三峡水库年内调度方式的复杂变化对河床冲淤的影响。从空间分布上，关于三峡水库运用后坝下游河道的冲淤预测工作一直在持续开展，但这些成果在冲刷范围和强度等方面多比实测值偏小[17]。另外，根据三门峡、丹江口水库下游沿程分组冲淤的结果来看，往往存在淤粗冲细现象，且分界粒径向下游逐渐变细[18]。

基于不平衡输沙条件下沿程冲淤分布的复杂性，本文探索不同粒径组泥沙冲淤规律及其影响因素，并结合最新资料预估坝下游河床的冲淤变化趋势。研究成果以期为水库下游沙质河床河道年内、年际演变趋势的预测和不利变化的防控提供参考。

1 研究区和数据来源

长江中下游河段为冲积性河流，泥沙输移以悬移质运动为主。三峡建库后坝下游宜昌站、枝城站河床粗化明显，建库后已逐渐变为卵石或卵石夹沙河床。本研究范围为长江中游沙市—汉口河段(全长约509 km)，河床组成主要为沙质，其间包括沙市、监利、螺山、汉口等4个水文测站，以及洞庭湖、汉江入汇，河道位置见图1。

图1 长江中游沙市—汉口河段地理位置示意Fig.1 Location of the Shashi—Hankou reach in the Middle Yangtze River

收集了1991—2018年沙市、监利、螺山、汉口、七里山、仙桃6个水文站的逐日及逐月平均流量、平均含沙量、平均悬移质输沙率以及月平均悬移质颗粒级配(来自长江水利委员会水文局及长江水利委员会泥沙公报)。

采用输沙量法统计了沙市—汉口河段区间悬移质冲淤量(表1)，采用断面法统计枝城—汉口河段冲淤量(表2)。虽然2种方法的计算时段和范围略有差别，但断面法和输沙量法得到的结果均表明长江中游沙市—汉口、枝城—汉口河床整体呈现冲刷趋势。2种方法定性上一致而定量上存在差异，主要原因在于河道采砂活动、临底悬沙测验误差等。由于本文研究分析的重点为不同粒径组的年内及年际冲淤分布，因此采用输沙量法。

表1 2004—2018年沙市—汉口河段悬移质冲淤量(输沙量法)

表2 2003年10月至2018年10月枝城—汉口河段平滩河槽冲淤量(断面法)

2 悬移质分组冲淤分布特征

根据建库前后长江中游沙质河床的床沙组成，小于0.062 mm粒径组泥沙为冲泻质，大于0.125 mm粒径组泥沙为床沙质，因此将悬移质泥沙分为3组，建库后沙市—汉口河段区间分组悬移质年均冲淤量见表3。建库后沙市—监利、螺山—汉口区间悬移质泥沙整体均表现为冲刷，且各粒径组均冲刷。监利—螺山区间，呈现粗颗粒淤积、细颗粒冲刷，其分界粒径大约在0.125 mm，即小于0.125 mm粒径泥沙冲刷而大于0.125 mm的泥沙淤积。

表3 2004—2018年沙市—汉口区间悬移质年均分组冲淤量 万t

考虑三峡水库及其上游梯级水库群的联合调度的影响，年内可分为枯水期(12月至次年4月)、消落期(5—6月)、汛期(7—8月)和蓄水期(9—11月)。统计了建库后不同粒径组泥沙冲淤量在4个时段内的分布情况，见图2。

图2 建库后不同粒径组泥沙冲淤量年内分布Fig.2 Annual distribution of erosion and deposition amount of different particle size groups after impoundment

从悬移质区间冲淤量的年内变化来看，建库后沙市—监利段除小于0.062 mm粒径组泥沙在汛期有所淤积外，各粒径组泥沙年内均冲刷，其中0.125～0.250 mm粒径组泥沙冲刷量最大，主要集中在蓄水期；监利—螺山段小于0.062 mm细颗粒泥沙冲刷而大于0.125 mm粗颗粒泥沙淤积，粗颗粒泥沙淤积集中在蓄水期和汛期，细颗粒泥沙冲刷集中在枯水期与消落期，即蓄水期和汛期表现为“粗淤”，枯水期与消落期表现为“冲细”；螺山—汉口段各粒径组泥沙年内均表现为明显冲刷，从时间分布来看，冲刷量从大到小对应时段分别为汛期、蓄水期、消落期以及枯水期，从不同粒径组泥沙来看，小于0.062 mm细颗粒泥沙冲刷最明显。

3 讨 论

3.1 悬移质分组冲淤量与月均流量的关系

首先分析建库后各粒径组冲淤量与水动力条件的关系，见图3。沙市—监利段，小于0.062 mm细颗粒泥沙大致以20 000 m3/s为分界流量，小于此流量时冲刷，大于此流量时淤积，淤积量随流量增加而增大;0.062～0.125 mm粒径组泥沙冲刷量整体上随流量的增加而有所增大；大于0.125 mm粒径组泥沙冲刷量并未随流量增加而增大；而是在沙市流量10 000～25 000 m3/s范围内冲刷量较大。监利—螺山段各粒径组泥沙冲淤量与流量变化的相关性较差。螺山—汉口段各粒径组均冲刷，且流量越大冲刷越大，建库后上游来流量大小是螺山—汉口段各粒径组冲刷的决定因素。

图3 建库后沙市—汉口不同区间悬移质冲淤量与月均流量关系Fig.3 Relationship between suspended sediment erosion and deposition and average monthly discharge in Shashi—Hankou reach after impoundment

3.2 不同粒径组泥沙的水沙关系分析

为进一步研究来水来沙对分组冲淤的影响，分析建库前后各站月均流量—输沙量的关系。少沙河流中，流量(Q)和输沙量(QS)一般关系为QS=aQb，a、b为参数。根据以往研究成果[19-20]，参数a反映了泥沙的可搬运性，参数b反映了河流对泥沙的搬运或侵蚀能力。对沙市、监利、螺山、汉口各站建库前后流量与不同粒径组输沙量关系进行拟合，结果见图4。由图4可知，建库后各站流量—分组输沙量关系中相关系数大多低于建库前，沙市站、监利站相关系数高于螺山站、汉口站。根据输沙量法将沙市站与监利站以及螺山站与汉口站不同粒径组流量—输沙量拟合结果分别相减，得到沙市—监利以及螺山—汉口分组沙的区间冲淤量，见图5，其中螺山—汉口段虽未扣除仙桃站沙量，但并不影响该区间总体冲淤特性。

图5 建库后沙市—监利、螺山—汉口悬移质冲淤量与月均流量拟合结果Fig.5 Fitting results between suspended sediment erosion and deposition and average monthly discharge in Shashi—Jianli， Luoshan—Hankou reach after impoundment

由图5可知，沙市—监利以及螺山—汉口区间不同粒径组泥沙月均冲淤量随流量变化趋势与区间总冲淤量变化趋势(图3)基本一致，a、b的变化直接影响区间分组沙的冲淤量变化。对于分组沙，a值较大说明河道中该粒径组泥沙可补给沙量较为丰富，a值较小说明可补给沙量不足。由于水库拦蓄，进入下游泥沙特别是细颗粒泥沙大幅减少，各站流量—输沙量关系中较细颗粒泥沙(小于0.062 mm)a值减小最明显，沿程河床补给使得较粗颗粒泥沙(大于0.125 mm)对应a值减幅小于细颗粒泥沙，至汉口站a值与蓄水前相比基本不变。建库后来沙减少河床冲刷，b值增加说明中小流量下输沙量减小程度高于大流量。建库后各站b值随粒径变粗而减小，说明细颗粒泥沙输移在时间分布上更不均匀，集中在流量较大的洪水期。

从沿程变化来看，从沙市到监利流量—分组输沙量关系中参数a数量级显著增大而参数b减小，从螺山到汉口参数b增大而参数a数量级变化相对较小。参数a显著增大说明受沿程冲刷、泥沙补给等因素的影响，河道内可输移泥沙增大。b值减小说明大流量输沙能力减小程度高于中小流量，因此，输沙量最大对应的流量区间向中小流量移动，造床流量减小，反之亦然，这与沙市—监利造床流量减小而螺山—汉口造床流量增加的已有成果[21-23]是相符的，可见b值沿程变化与河道造床流量沿程变化是一致的。

为进一步分析参数a、b变化与水沙因子的关系，将水流挟沙力公式改写成幂函数形式：

(1)

图6 建库前后沙市、监利、螺山、汉口各站Q和U3/h关系Fig.6 Relationship between Q and U3/h in Shashi，Jianli，Luoshan and Hankou stations

(2)

图7 建库前后沙市—汉口区间床沙、悬沙级配Fig.7 Bed material and suspended sediment gradation in Shashi—Hankou reach

3.3 监利—螺山淤粗冲细现象的初步探讨

韩其为[25]提出的二维稳定非均匀水流稳定不平衡输沙时含沙量沿程变化表达式为

(3)

(4)

根据式(4)可以求出均匀沙含沙量恢复饱和距离：

(5)

由式(5)可知，粗颗粒泥沙沉速较大，相同水力因素下含沙量恢复饱和距离远小于细颗粒泥沙。由于沙市—监利河段粗、细颗粒泥沙均在恢复过程中，因此粗细均冲；至监利站细颗粒泥沙仍在恢复过程，大于0.125 mm粗颗粒泥沙已恢复，因此监利—螺山河段的淤粗冲细与含沙量恢复特性密切相关。同时分析监利—螺山河段此粒径的淤积与上游河床的冲刷是否存在响应关系。将建库后大于0.125 mm粗颗粒泥沙在沙市—监利河段冲刷量与在监利—螺山段淤积量的年内、年际分布点汇于图8中，发现两者呈现较好的正相关关系，且上一河段冲刷与下一河段淤积的数量级基本一致，可见受到上游河段强冲刷影响，存在上冲下淤，监利—螺山河段大于0.125 mm粗颗粒泥沙的淤积主要来自上游沙市—监利河段的河床冲刷。

图8 建库后沙市—监利段与监利—螺山段大于0.125 mm悬移质冲淤量关系Fig.8 Relationship between deposition-erosion amount of suspended sediment greater than 0.125 mm in Shashi—Jianli reach and Jianli—Luoshan reach after the construction of the TGD

次饱和水流冲刷河床使含沙量沿程逐渐恢复，但由于沿程床沙组成差异其恢复特点有所不同[26]。建库后从监利到螺山，床沙粒径有所变细(图7(a))，图6(c)中挟沙力判数较图6(b)中明显减小，水力因素减弱，当上游粗、细悬移质泥沙进入监利以下河段，运动过程中不断与河床进行交换，粗颗粒泥沙沉速较大有所淤积，河床中细沙起冲，与此同时细颗粒泥沙冲起较多占比增加，其挟沙能力不断增大，粗颗粒泥沙挟沙能力相应减小，进一步限制了粗沙的冲刷，最后综合起来表现为“细冲粗淤”，这种粗细交换本质是挟沙能力级配发生了调整[27]。受悬沙及床沙级配共同粗化影响(图7)，建库后监利站大于0.125 mm粗颗粒泥沙的输沙能力甚至大于蓄水前(图4(b)中建库后流量—输沙量关系曲线在建库前上方)，而螺山站大于0.125 mm粗颗粒泥沙的输沙能力减小，通过淤粗冲细调整挟沙能力级配后，将增大水流挟沙能力。

3.4 沙市—汉口河段冲淤趋势变化

随着上游梯级水库的运用，未来沙市—汉口河段上游来沙仍将持续减小，含沙量恢复距离随之增大，细颗粒泥沙将始终处于恢复中，沙市—汉口河段细颗粒泥沙仍将冲刷。沙市—监利段由于距离三峡水库较近，且沙市以上沙质河床范围较小(杨家脑以上为砂卵石河床，仅杨家脑—沙市为沙质河床)，未来受河床冲深、水力因素减弱、挟沙能力减小的影响，粗颗粒泥沙补给将减少，粗颗粒泥沙冲刷强度也将会减弱。对监利—螺山河段，随着上游河床冲刷减弱，粗颗粒泥沙补给减少，含沙量恢复距离将向下游发展(图9)，粗颗粒泥沙冲刷强度将逐渐增大。由于洞庭湖入汇稀释了下荆江出口含沙量，使得城陵矶以下河道含沙量重新恢复，预计螺山—汉口河段未来粗颗粒泥沙冲刷还将持续，冲刷强度主要取决于江湖汇流后水动力条件，当造床流量未明显变化情况下，整体还将表现为粗细均冲；当洞庭湖出流稀释长江干流含沙量效果减弱时(洞庭湖流量较小或含沙量较大时)，也将出现淤粗冲细。

图9 建库后枝城—汉口含沙量沿程恢复Fig.9 Suspended sediment concentration recovery in Zhicheng—Hankou reach after impoundment

4 结 论

利用实测水沙资料，系统分析了三峡建库前后长江中游沙市—汉口河段分组冲淤变化规律，主要得到以下结论：

(1) 建库后，沙市—监利河段各粒径组泥沙均发生冲刷，沙市流量为10 000～25 000 m3/s时，0.125～0.250 mm粒径组泥沙冲刷量最大。以0.125 mm为粗细颗粒分界粒径，监利—螺山段呈现汛期、蓄水期“粗淤”而枯水期、消落期“冲细”现象。螺山—汉口段各粒径组泥沙均发生冲刷，且流量越大冲刷量越大。

(2) 流量—输沙量关系中参数a、b的变化反映了泥沙因素、水力因素对输沙能力的影响。沙市—监利、螺山—汉口河段冲淤变化受泥沙因素(挟沙能力级配)和水力因素(挟沙力判数)的共同影响。由于建库后床沙级配对挟沙能力级配贡献增大，泥沙因素对沙市—监利河段冲淤的影响大于螺山—汉口河段。

(3) 建库后，监利—螺山河段“淤粗冲细”现象与含沙量恢复特性密切相关，上游河床冲刷补给是粗颗粒泥沙淤积的主要来源，即大于0.125 mm粗颗粒泥沙淤积量与沙市—监利河段此粒径组冲刷量呈现较好的正相关关系。随着上游沙市—监利河段河床冲刷减弱，含沙量恢复距离向下游发展，监利—螺山河段粗颗粒泥沙冲刷强度将增大。螺山—汉口河段未来粗颗粒泥沙冲刷强度主要取决于江湖汇流后水动力条件，当洞庭湖出流稀释长江干流含沙量效果减弱时，将出现淤粗冲细。冲刷条件下挟沙能力级配通过粗细泥沙交换进行调整，总的方向是增大河道挟沙能力。