汉江兴隆水利枢纽下游近坝段水位下降成因及防治对策

黄建成，黄雪颖，周银军，高 瑜

(1.长江科学院 河流研究所，武汉 430010； 2.武汉科技大学 城市建设学院，武汉 430081)

1 研究背景

河道上修建水利枢纽后，水库下泄水沙数量及过程较原坝下游河道来水来沙状况发生不同程度的改变，坝下游河道将经历一个冲刷—平衡的发展过程[1]。在坝下游河道冲刷期间将首先引起近坝段中、枯水位的下降，下降幅度可达0.75～1.64 m，对船闸下游引航道水深及船闸闸槛水深带来不利影响[2]。2013年兴隆水利枢纽蓄水运用以来，坝下游来水来沙条件的变化，造成近坝段河床的冲刷，从而引起同流量下河道中、枯水位的下降，2018年流量500 m3/s时，坝下游水位较原设计水位下降约1.67 m，流量800 m3/s时，坝下游水位较原设计水位下降约1.47 m，使枢纽在中、枯水期需降低坝前运行水位，以满足电站最大发电水头的工作要求，从而造成枢纽船闸上闸槛水深不足，船舶过闸需减载通行，严重影响了工程航运效益的发挥。由于坝下游水位下降与来水来沙条件、河床地质条件、坝下游河道冲刷等因素有关。因此，开展对兴隆枢纽运用后坝下游近坝段中、枯水位下降主要原因及发展规律的研究，提出控制坝下游近坝段水位下降的工程措施及治理方案，对解决坝下游河道水位的持续下降，保证枢纽中、枯水期船舶过闸安全，充分发挥枢纽的航运效益具有重要的意义。

2 研究区概况

2.1 枢纽概况

汉江兴隆水利枢纽位于汉江下游湖北省潜江高石牌镇和天门市多宝镇境内，上距丹江口大坝约378 km，下距河口约273 km。工程主要任务是改善两岸灌区的引水条件和汉江通航条件，兼顾水利发电 。枢纽由泄水闸(56孔)、电站厂房(4台装机)、船闸、鱼道和两岸滩地过流段及交通桥等建筑组成，轴线全长2 830 m(图1)。水库正常蓄水位36.20 m，相应库容2.73亿m3，总库容4.85亿m3，规划灌溉面积2 184 km2，过船吨位1 000 t，设计流量19 400 m3/s，电站装机40 kW，年发电量2.25亿kW·h[3]。工程2009年2月开工，2013年建成运行。

图1 汉江兴隆水利枢纽工程河段Fig.1 Reach of the Xinglong Hydrojunction Project on Hanjiang River

根据兴隆枢纽任务和本身特点，其调度运行方式为：洪水调度采用敞泄方式，起调水位为水库正常蓄水位，当洪水来量大于发电最大引水流量1 156 m3/s、小于正常蓄水位36.20 m相应的下泄流量为7 080 m3/s 时，采用控制泄水闸孔数或闸门开度，使下泄量等于来水量；当洪水来量>7 080 m3/s时，泄水闸全部开启敞泄[3]。

2.2 河道基本情况

兴隆水利枢纽是汉江梯级开发方案中的最下一个枢纽。该处河段属汉江下游的上段，河道宽浅，主流摆动较大，洲滩较多，河道两岸建有堤防，一般高出地面3～5 m，河道枯水河宽约670 m，中水河宽约1 300～1 400 m，高水河宽约2 500～2 800 m，最小水深1.0～2.0 m(图1)。受丹江口水库清水下泄影响，该河段由原来的淤积变为冲刷，目前仍以冲刷为主，但冲刷强度已趋于减弱。坝址区河道较顺直，但顺直段较短，上、下游均为弯道，断面形式为复式，高程36.2 m(正常蓄水位)以下河面宽约1 200 m，主河槽位于河道偏右侧，深泓高程25.4 m，主河槽左侧为低-高河漫滩，宽约1 400 m，滩面高程34～37 m，右侧为高漫滩，滩面高程约36～37 m，宽约700 m，两岸堤防间河道宽度约2 800 m。

3 坝下游水位下降情况

兴隆水利枢纽2013年10月蓄水运用以来，坝下游中、枯水位有不同程度的下降，高水位则变化不大。将2014—2018年坝址下游1.5 km处实测水位与建枢纽前设计水位进行比较分析，结果表明(表1、表2和图2)：从每年水位变化情况看，2014年枢纽刚开始运行时坝下游河床冲刷较小，流量<800 m3/s时河道水位略有下降，流量>1 000 m3/s时水位基本不变；从2015年开始坝下游中、枯水位呈逐年下降的趋势，2015年流量500～1 000 m3/s间水位下降0.39～0.63 m，流量2 000～3 000 m3/s间水位下降0.22～0.36 m；2016年流量500～1 000 m3/s间水位下降0.19～0.28 m，流量2 000～3 000 m3/s间水位下降0.04～0.05 m；2017年汛前中、枯水位下降值较小为0.03～0.23 m，同年9—10月汉江发生了大洪水，坝址处最大流量达13 500 m3/s，经过这场洪水的冲刷，2018年流量500～1 000 m3/s间水位下降0.57～0.83 m，流量2 000～3 000 m3/s间水位下降0.43～0.64 m。从年际水位的累计下降情况看，到2018年流量500～1 000 m3/s间水位累计下降1.47～1.67 m，流量2 000～3 000 m3/s间水位累计下降0.82～1.26 m。

表1 坝址下游中、枯水期各年水位变化Table 1 Values of water level drawdown in the downstream of the dam site in middle and dry seasons of each year

表2 坝址下游中、枯水期各年水位累计变化Table 2 Cumulative values of water level drawdown in the downstream of the dam site in middle and dry seasons

图2 坝址下游中、枯水期水位-流量关系Fig.2 Stage-discharge relationship in middle and dry seasons in the downstream of the dam site

由此可见，在水位下降的过程中，流量<1 000 m3/s时的水位下降幅度明显大于流量1 000 m3/s时的水位下降幅度；洪水期大流量对河床冲刷造床作用明显，洪水过后河道中、枯水位明显下降。

4 水位下降主要影响因素

4.1 水沙条件的变化

兴隆水利枢纽运行后，坝下游河段的来流量与建坝前相比变化不大；来沙量则发生一定改变，推移质和部分悬移质被拦截在水库内，水库下泄水流的含沙量减少，泥沙粒径变细。由于兴隆枢纽是低水头径流式电站，以灌溉和航运为主，兼顾发电，不承担防洪任务，其入库水沙量主要由丹江口水库下泄量及丹江口至兴隆区间量组成，水库自身调蓄水沙能力不强。因此兴隆枢纽下泄水沙量，还与上游丹江口水库的下泄水沙量密切相关。

丹江口水库蓄水运用以后，下游河道的水沙条件发生较大改变，主要表现为：①汉江中下游洪峰大为削减，如1983年10月，入库洪峰流量34 300 m3/s，下泄流量仅为20 000 m3/s，削峰率41.7%。②流量过程变得较为均匀平缓，中水期延长，枯水期增大，每年中水期流量(800～1 500 m3/s)天数由建库前的平均35 d增加到建库后的平均220 d；枯季流量由建库前的月平均300 m3/s左右增加到建库后的600 m3/s左右。③来沙量骤减，坝下游基本是清水下泄，襄阳站多年平均悬移质含沙量由建库前2.59 kg/m3减少至蓄水期的0.12 kg/m3，多年平均输沙量由建库前的1.13亿 t减少至蓄水后的464万 t[4]。

2014年丹江口大坝加高后水库正常蓄水位由157 m抬高至170 m，新增库容116亿 m3，水库由不完全年调节提升为不完全多年调节，使水库下泄洪峰流量得到进一步的调控，如2021年8月30日，入库洪峰流量23 400 m3/s，下泄流量7 720 m3/s，削峰率67%，中水期流量时间进一步延长，枯水期流量有所增加，出库水流含沙量进一步减小。这些水沙条件的变化也将直接影响兴隆枢纽的入库水沙量和出库水沙量。

4.2 河段地质条件

兴隆枢纽所在汉江河段地处江汉平原，两岸滩地广阔，地势平坦，河床宽570～680 m，深槽靠右岸，左岸是宽广的河漫滩，其中低滩宽750～800 m，滩面高程35～37 m，高滩宽430～800 m，滩面高程37～39 m。河床边界全由第四纪沉积层组成，覆盖层厚度约45～70 m，河床组成以中细沙为主，有较大的可动性，河岸组成为二元结构，上层为黏土，下层为中细沙，抗冲性较弱。2005年3月对该河段床沙取样分析表明，河道床沙以中细沙为主，粒径较细，组成较均匀，床沙中值粒径在0.132～0.199 mm之间，平均中值粒径为0.183 mm，有较大可动性[3，5]。这种河床地质条件容易产生河床冲刷下切，引起枯水位下降。

4.3 坝下游河道冲刷

兴隆枢纽蓄水运用后，部分泥沙淤积在库区，下泄水流的含沙量不同程度减少，坝下游河道发生冲刷。根据2014—2018年兴隆水文站(兴隆枢纽下游24 km)实测大断面资料的分析[6]，结果表明(表3、图3)：2014年12至2018年12月，该断面河床深泓高程累计冲刷下降了7.8 m，其中2016年、2017年冲刷较大，深泓高程分别下降了3.95 m和3.30 m；平滩河槽累计展宽65.8 m，其中2017年10月大水后，河槽冲刷较明显，平滩河槽较汛前展宽40 m。而占整个河道宽度72.5%的滩地则因汛期上水时间较短，水流流速较小，滩面冲淤变化不大，仍保持原有36.5～38.0 m的滩面高程。由此可见，坝下游河道冲刷部位主要位于平滩河槽内，河漫滩范围的冲刷很少，因此相应的中、枯流量下的水位较建库前有不同程度降低，而洪水期由于过洪断面相对增加不多，同流量的水位变化不大，甚至有的地方因滩地杂草丛生或筑堤围垦增加了河道行洪阻力，洪水位反而有所抬高。

表3 坝下游河床断面冲淤变化Table 3 Variation of sediment deposition and erosion on river bed downstream of the dam

图3 兴隆站历年实测大断面冲淤变化Fig.3 Changes in erosion and deposition of large sections measured at Xinglong Station over years

随着丹江口水库大坝加高、调节库容的增加和丹江口至兴隆段新建梯级电站的完工，兴隆枢纽入库沙量将持续减少，水库将持续清水下泄。根据葛洲坝下游宜昌河段的冲淤变化情况，1981年葛洲坝枢纽运用以来，宜昌河段经历了一个单向冲刷下切平衡的发展过程，到1990年河床达到基本冲淤平衡；2003年6月三峡工程蓄水运用后，宜昌河段再次发生持续性冲刷，到2013年河床才趋于稳定[7]。因此预计未来兴隆枢纽下游近坝段河床仍将有一个持续冲刷的过程，河道的中、枯水位仍有下降的趋势。

5 防治水位下降措施

兴隆枢纽通航建筑物按Ⅲ级航道配套设计，采用单线一级船闸，尺度为108 m×23 m×3.5 m(长×宽×槛上水深)。最大通航流量100 000 m3/s，最小通航流量420 m3/s，上游最高通航水位37.80 m，下游最低通航水位29.7 m[3]。为解决目前坝下游近坝段中、枯水位下降，造成船舶正常过闸受影响的问题，提出以下对策措施探讨。

(1)根据近年来兴隆枢纽河段的来水来沙量和坝下游河道实测地形资料，采用泥沙数学模型计算，预测未来坝下游河道的沿程冲刷情况和中、枯水位的下降趋势。

(2)根据对该河段地形条件分析，在坝下游长约5.2 km的河段范围内，河道较顺直，左侧是宽阔的河漫滩，宽约1 500 m，右侧为主河槽，宽约500 m，多年来滩槽位置相对稳定[8]。由于河床冲刷主要发生在平滩河槽内，滩地冲淤变化较小。因此，建议在坝下游2～5.2 km的河段范围内，首先对平滩河槽进行防护，在最小通航流量水位以下沿河槽湿周铺一定厚度的块石或沉排，阻止水流对河槽的进一步冲刷下切和展宽；其次在已防护的平滩河槽里修筑多道潜坝来适当抬升上游枯水位，潜坝坝顶高程以满足最小通航水深为准。并通过物理模型试验对工程整治效果进行试验研究[9]，为工程措施的实施提供依据。

(3)优化丹江口水库的调度方式，适当增加枯水期下泄流量，加大对下游河道的补水量，同时，在丹江口大坝至兴隆枢纽间的汉江干流河段两岸严格控制引用水流量，科学合理分配水资源，以保证兴隆枢纽的入库流量，从而加大兴隆枢纽的出库流量，抬升下游水位。

(4)积极推进南水北调后续工程高质量发展，加快对引江补汉工程方案的论证和实施，通过从长江调水增加兴隆枢纽中、枯期的入库流量，从根本上解决兴隆枢纽船舶过闸航深不足问题，以及坝下游河道中、枯水期水位下降带来的不利影响。

6 结论和建议

(1)兴隆枢纽运行后，坝下游近坝段中、枯水位较建坝前累计下降了0.82～1.67 m，造成水位下降的主要原因是枢纽建成后的清水下泄和河床床沙组

成颗粒细、抗水流冲刷弱，引起河床深泓累计冲刷7.8 m，平滩河槽累计展宽65.8 m。预计未来坝下游河床仍将有继续冲刷下切的可能。

(2)近期内可实施在坝下游近坝段平滩河槽内沿湿周铺一定厚度的块石或沉排，并在河槽内修筑多道潜坝的工程措施，以有效阻止水流对河槽的近一步冲刷下切和展宽，并适当抬升上游枯水位。

(3)从长远考虑需通过修建引江补汉工程，增加兴隆枢纽中、枯水期的入库流量，从根本上解决兴隆枢纽船舶过闸航深不足问题和坝下游河道中、枯水期水位下降带来的不利影响。

(4)在枢纽船闸设计中，除要考虑坝下游中枯水位下降对船闸下游引航道及下闸槛水深的影响外，对于低水头径流式电站还需考虑因坝下游中枯水位下降，枢纽为保发电需要降低坝前运行水位，从而引起船闸上闸槛水深不足的问题。