汉江兴隆枢纽坝下枯水位下降成因浅析

由星莹,王祖卿,彭翔鹏,吴 铮,唐金武

(1.湖北省汉江兴隆水利枢纽管理局,武汉 430000; 2.长江勘测规划设计研究有限责任公司,武汉 430010)

0 引 言

坝下河床冲刷、水位下降是冲积性河流受到上游水利枢纽建设影响后的普遍现象,给枢纽工程安全、水资源利用、生态安全、航运安全带来威胁,因此引起国内外学者的广泛关注[1-3]。我国长江葛洲坝枢纽[4]、西江长洲枢纽[5]、湘江长沙枢纽[6]建设后,下游均出现水位下降现象,研究认为与上游来沙量减少、河床冲刷下切导致的过水断面增大有关[4],还受到枢纽建设运行、砂石开采、航道整治等人类活动影响[4-7]。其中,葛洲坝下游枯水位下降与下荆江裁弯取直导致侵蚀基准面下切及其溯源冲刷作用有关[4]。关于水位下降的治理策略及调控措施方面,相关学者也展开大量研究,陈立等[8]、牛兰花等[9]认为水库补偿调度和近坝段实施护底工程有助于抑制枯水位下降;庞雪松等[5]模型试验研究表明,深槽回填、修筑壅水丁坝不及通过枢纽调节延缓水位下降的效果好。

兴隆水利枢纽位于汉江干流河道,下距河口273.7 km,由于汉江中下游受到南水北调一期调水工程、补偿治理工程以及梯级调控工程影响,坝下水位下降成因尤为复杂;且其主体建筑物均坐落于深厚粉细砂覆盖层上[10],早期研究时,地下水位下降效应未充分显现[11-12],枢纽运行后坝下河床冲刷问题带来的危害尤为突出:兴隆电站机组超过设计水头运行[13],船闸下闸首槛上水深不足,鱼类洄游通道受阻[14],甚至危及枢纽建筑物安全稳定。当前,亟需总结兴隆坝下河床冲淤规律及枯水位下降特点,深入剖析河床剧烈下切成因,为后续采取抑制或减轻坝下枯水位下降的对策措施奠定基础。同时,本文对丰富平原河流闸坝建设后下游水位调控理论、防治水位下降带来的工程危害均有启发作用,对其他枢纽的设计、建设、运行、维护、管理也有借鉴意义。

1 兴隆枢纽坝下水位流量关系变化

坝下河床冲刷下切是枯水位下降的直接原因[2]。从汉江实测河道地形来看,兴隆枢纽蓄水前后,坝上、下游河段的河床冲淤特性发生显著变化。兴隆坝上的碾盘山—沙洋河段,蓄水前(1977—2012年)枯水河槽年均冲刷量2.27万m3/km,蓄水后(2013—2016年)由冲转淤,年均淤积量1.13万m3/km;兴隆坝下的长坨垸—岳口河段,蓄水前(1977—2012年)枯水河槽年均冲刷量1.56万m3/km,蓄水后(2013— 2016年)增大为3.93万m3/km。可见,由于兴隆水库蓄水拦沙,坝上河段冲淤特性发生转变,而坝下河段年均冲刷量较蓄水前增长了152%。2013年4月兴隆枢纽下闸蓄水,坝下河床开始发生冲刷[15],目前近坝段主要冲刷坑的平均冲刷深度13.4 m,最大坑深近20 m。与兴隆建坝前的坝址水位-流量关系曲线相比,建坝后坝址处中、枯水位明显下降。如图1所示,在500～800 m3/s流量下,2019年实测水位与建坝前相比累计下降2.00～2.18 m,2021年实测水位较建坝前累计下降2.47～2.55 m,且存在继续下降的趋势。

2 兴隆枢纽坝下枯水位下降成因

一方面,水沙条件是塑造河床形态的动力源泉,流量、含沙量变化导致天然河道冲刷演变是坝下水位下降的根本动因[3-6];另一方面,汉江中下游引江济汉、兴隆枢纽、局部航道整治和闸站改造4项补偿治理工程中,兴隆枢纽的建设带来坝址处河床形态的调整,局部航道整治也加剧了枯水河槽冲刷,引江济汉补水又增大了兴隆坝下冲刷动力,人类活动的干预也是引起兴隆坝下枯水位下降的重要成因。

2.1 兴隆枢纽坝下流量变化的影响

近年来,汉江天然来水偏枯。南水北调中线一期以丹江口水库为重要水源地,2014年通水后,近期调水量为95亿m3,远期调水量为130亿m3;引汉济渭于2022年通水,一期调水量为5亿m3,远期调水量为15亿m3,上述调水工程的实施减少了汉江中下游水资源总量。引江济汉年均补水量为25亿m3,出口位于兴隆坝下2.6 km处的高石碑闸,对减缓兴隆坝下枯水位下降作用有限;引江补汉工程多年平均调水量达39亿m3,但目前尚未发挥效益。

南水北调中线通水前,如图2所示,沙洋水文站1972—2009年、2010年、2011年、2012年、2013年实测年均流量分别为1 440、2 060、1 570、1 280、985 m3/s。中线通水后,沙洋站迁移至兴隆水文站,2014—2020年实测年均流量分别为612、1 110、784、1 460、1 244、806、1 294 m3/s,可见兴隆河段年均流量降低27.6%。同期,仙桃站年均流量也降低了25.2%。从流量过程来看,兴隆河段中洪水持续时间减少,中枯水时间延长,小流量下水流归槽时间增加,加剧深槽内的河床冲刷[16]。可见,汉江中下游年均流量减少,中枯水归槽时间延长,是造成枯水位下降的动因之一。

图2 历年平均流量、含沙量变化

2.2 兴隆枢纽坝下含沙量变化的影响

丹江口水库建库前,黄家港、襄阳、皇庄、仙桃站多年平均输沙量分别为1.27亿、1.13亿、1.33亿、0.831亿t;建库后含沙量锐减,汉江中下游水流泥沙主要来自河床的冲刷、河岸的坍塌和支流来沙,各站输沙量分别减少至69万、443万、1 300万、1 860万t,仅占建库前的0.54%、3.90%、9.80%、22.4%。

2014年丹江口大坝加高运用后,黄家港站几乎是全年清水下泄,仅在汛期洪峰过境期间输沙率不为0,2012—2016年年均输沙量仅为0.012万t,如图2所示。在兴隆枢纽蓄水前,沙洋站1972—2009年、2010年、2011年、2012年、2013年年均含沙量分别为0.330、0.260、0.208、0.127、0.042 kg/m3;随着汉江上中游梯级枢纽陆续运用,兴隆站2014—2021年年均含沙量分别降低至0.113、0.098、0.050、0.147、0.077、0.121、0.123、0.320 kg/m3,2014年后兴隆河段年均含沙量降低了58.2%。仙桃站1972—2013年年均含沙量为0.525 kg/m3,2014—2021年年均含沙量为0.173 kg/m3,降低了67.1%。河道含沙量锐减,次饱和水流冲刷作用加强,兴隆枢纽作为汉江梯级枢纽的最末端一级,坝下水位下降效应最为明显。

2.3 坝址附近河势调整的影响

兴隆坝址—泽口河段属于宽阔蜿蜒型河道,总长28.2 km,主要由满天星弯道、聂家场过渡段、泗港弯道、代河口过渡段和黄家场弯道组成。由于河床组成物质细、可动性强,加之两岸堤距较大,河漫滩及低矮边心滩广泛发育,随着年际水沙条件变化,深泓位置难以稳定,枯水河势变化剧烈。部分抗冲性较强的节点,对坝址附近的河道演变向下游传递起到促进作用[17],进而带来坝下河段内的枯水河势调整。

兴隆枢纽坝址断面河床覆盖层为30 m厚粉细砂层,下部为30 m厚砂卵石层。枢纽运用后,受“清水下泄”和枢纽泄流冲刷等影响,粉细砂覆盖层几乎冲刷殆尽。如图3所示,2005年断面最低高程28 m;因兴隆导流明渠开挖,2010年深泓易位至左岸,最低高程下降至23 m;2014年兴隆枢纽试运行后,2016年、2017年、2020年深泓最低高程分别为13.5、10、7 m,坝下河床呈持续下切趋势。2020年较蓄水前2012年枯水河槽平均冲深达7.5 m。

图3 兴隆枢纽坝下河道横断面变化

兴隆坝址断面形态的变化,带来局部河势调整,并影响至下游泽口河段。2005年坝下深泓紧贴满天星弯道凹岸,较为平顺,居中进入聂家场河段,两岸边滩高大完整,深泓摆动较少,河势相对稳定。2010年,兴隆左汊迅速冲刷发展,导流明渠出流以下的过渡段明显下挫,右岸长坨垸阶地导流作用增强,导致下游聂家场河段深泓往复摆动,过渡段频繁上提下移,河势难以稳定。2013年导流明渠封堵,坝址断面主泓回归右岸电站尾水渠处。2014年兴隆枢纽运行后,坝下深泓沿满天星弯道持续下行,紧贴凹岸新联节点,导致挑流作用增强,出流顶冲左岸土地台,而后,折向右岸张新民垸;受张新民垸阶地较强的约束作用,深泓迅速左摆至泗港弯道进口处;泗港弯道宽阔,滩体可动性强,深泓在弯道内部再度发生往复摆动,进而又带来代河口过渡段深泓的上提下挫。因此,兴隆坝址处的中枯水河势调整一直影响至下游泽口河段。

综上,兴隆枢纽建设运行导致河势调整后,下游主流流路曲折不畅,由于两岸堤距较宽,深泓反复坐弯,拉长了枯水期主槽长度,增加了同等长度河段内的河槽容积,进而加剧了河床下切[16]。兴隆—泽口河段2005年、2010年、2012年、2016年深泓线长度分别为30.3、29.8、31.3、31.7 km。从历年深泓纵剖面来看,2010年、2012年、2016年深泓纵剖面平均高程分别为24.54、23.06、21.15 m。深泓线长度的增加和纵剖面平均高程的降低也表明同水位下的过水面积、河槽容积均增加。

从典型断面来看(图4),坝址处水位35 m以下的过水断面面积从2005年的4 961 m2增大至2016年的17 305 m2,增至原来的3.5倍;新联断面水位35 m以下的面积从6 637 m2增大至8 886 m2(1.34倍);巴家湾断面水位35 m以下的面积从7 628 m2增大至10 013 m2(1.31倍)。如图4所示,2005年、2010年、2012年、2016年、2018年兴隆—泽口河段典型断面的平均面积分别为7 080 、8 130、7 560、8 877、8 756 m2,2016年是2005年的1.25倍。

图4 水位35 m以下的过水断面面积及河槽总容积

从河槽容积(图4)来看,上述年份兴隆—泽口河段水位35 m以下的河槽容积分别为2.03亿、2.25亿、2.08亿、2.38亿、2.32亿m3,2010年汉江大洪水过后河床刷深,2012年小水年河床有所回淤、河槽容积略有减小,在2013年兴隆下闸蓄水后,虽然2013—2016年来水偏枯,但河槽容积却继续增大至2.38亿m3,这显然与兴隆坝下河床剧烈冲刷有关。

根据兴隆—泽口河段19个典型断面统计的冲淤量来看,兴隆枢纽蓄水运用前2012年下游属宽浅游荡型河道,运用后河道发生剧烈冲刷下切,伴随着主槽冲刷、洲滩萎缩、河岸崩塌等演变现象,至2016年河段总冲刷量达2 425万m3;至2018年深槽内进一步刷深,与2012年相比冲刷量增加到2 704万m3;至2022年冲刷量增加到2 998万m3。在600 m3/s流量条件下,2016年、2018年、2021年兴隆坝下水位较运行前分别下降0.77、1.27、2.53 m,可见河段累计冲刷量与兴隆坝下水位下降值呈正相关关系,说明坝下水位下降主要是下游河床冲刷所致。

2.4 局部航道整治工程的影响

汉江局部航道整治工程2010年3月开工,2014年6月竣工,治理了兴隆—汉川共190 km的河段。通过修筑丁坝、护滩带、疏浚航道等整治手段,达到“束水攻沙”、稳定枯水航槽、维护航道尺度的目的,加剧了兴隆坝下枯水航槽下切和枯水位的下降。

以聂家场河段为例,如图5所示,2005年右岸聂家场边滩高大完整,深泓从新联弯顶经土地台缓慢向右岸过渡,过渡段曲率较小、弯曲半径相对较大;2010年马家岭处形成心滩,但2012年心滩归并为左岸边滩,并逐渐淤积壮大,主流居中靠右。航道整治工程实施后,满9#与满14#丁坝对峙形成狭窄深槽,左岸满11#、满13#、聂1#等丁坝长度依次增加,而右岸满16#丁坝长度缩短。该整治布局通过壮大河段右上、左下边滩,实现主流线从新联过渡至左岸土地台,再迅速折至右岸聂家场的目的。通过增大主流线曲率,增强弯道环流作用,使主流线更加弯曲、主槽进一步束窄、水流更加集中[17],进而有利于减缓泥沙落淤和维持航道尺度。

从实际效果来看,受丁坝群挑流作用影响[18],左岸土地台边滩消失殆尽,2016年深泓易位至左岸,且最低点高程从22 m下降至17 m;因上游梯级枢纽拦沙,坝下河段来沙量明显减少,右岸丁坝群坝体难以起到促淤作用,至2016年右岸滩体仍然低矮、散乱,且被水流切割为心滩,滩顶高程仅29 m,聂家场滩滩头30 m等高线后退近500 m,可见整治后主槽水流仍然较为分散,河道内成型淤积体的总量减少。

除上述聂家场滩群外,兴隆—泽口河段的满天星滩群、泗港滩群、代河口滩群演变均呈现类似特点:局部航道整治工程塑造了更为弯曲的主槽平面形态,增强了弯道环流作用,加大主槽内冲刷、减少泥沙落淤。但是,受丁坝坝头涡流局部冲刷等影响[18],丁坝对岸侧原边滩或浅滩冲刷殆尽,又因上游来沙量过少,整治建筑物促淤效果不明显,丁坝侧边滩依然低矮、分散、零碎,导致河段中主要成型淤积体的总体积变小。

根据表1,选取兴隆—泽口河段的7个洲滩的8处典型丁坝作为研究对象。2012年汉江航道整治工程尚未实施,满2#、满7#、满10#、满11#、聂2#、聂5#、代2#、代1#丁坝附近天然河床高程分别为31.4、22.2、29.8、28.4、25.9、26.8、25.3、27.4 m。2014年航道整治工程投入运用,2016年上述丁坝附近冲刷坑最低高程分别为16.1、14.9、22.7、17.1、21.2、19.4、24.7、14.8 m,即航道整治工程导致丁坝附近河床下切深度平均达8.28 m;至2022年(或2018年)下切深度平均达10.89 m。

表1 兴隆—泽口河段航道整治典型丁坝附近冲刷坑特征

与此同时,从丁坝影响区以外的主槽最深点高程来看,主槽下降幅度平均仅0.91 m左右。研究表明[18-19],丁坝建设后,一方面束窄河宽,增大纵向流速,加剧了冲刷;另一方面改变了局部水流结构,主流在丁坝头部分离,坝头附近河底产生马蹄形漩涡,加速河床淘刷。显然航道整治丁坝的实施对其河床产生了更为剧烈的冲刷作用,附近丁坝附近下切深度远大于深槽下切深度。

从冲刷坑代表等高线的范围来看,丁坝的影响逐年加深,冲坑范围逐渐扩宽并延伸,2012年尚不存在冲刷坑,2016年满2#、满7#、满10#、满11#、聂2#、聂5#、代2#、代1#丁坝冲刷坑代表等高线的最大宽度分别为81.0、38.8、69.0、64.0、115.0、93.0、23.0、53.0 m,然而,2019年代表等高线最大宽度分别扩宽至164.0、102.0、282.0、77.0、100.0、213.0、144.7、58.0 m,平均拓宽了156%。可见,不同于“清水下泄”、上游河势调整等带来的纵向普遍冲刷,航道整治工程实施后,以丁坝坝头冲刷坑为中心,冲刷带向横、纵向的河床延伸,进而作用至更为广阔的河床范围,加剧了兴隆坝下河床的冲刷下切。

图6点绘了兴隆—泽口河段典型洲滩2010年、2012年、2016年滩体体积分别较2005年滩体体积的减少百分比。从图6可以看出,31 m等高线以上的滩体体积呈缩减趋势,且减少百分比逐年增大;2010年、2012年、2016年泗港弯道左滩滩体体积较2005年分别减少11.5%、14.2%、24.4%;代河口右滩较2005年分别减少1.9%、3.3%、7.6%;2012年时土地台左滩及聂家场右滩有所回淤,但总体来看,2016年较2005年两滩的体积分别减少15.1%、17.4%。可见,局部航道整治工程建设导致了原洲滩体积大幅萎缩,也是兴隆坝下枯水位下降的重要原因之一。

图6 典型洲滩31 m等高线以上体积减少百分比

2.5 引江济汉工程的影响

引江济汉工程于2009年开工建设,2014年正式通水运行,设计年补水量25亿m3,设计最大补水流量300 m3/s,以解决南水北调中线一期调水后汉江干流高石碑以下水资源、水生态环境等问题。根据批复的《引江济汉工程调度运用原则》,11月—次年3月,当高石碑闸下水位<29.87 m时,需启动向汉江补水。若长江龙州垸进水口水位<30.60 m时,补水均由泵站提水,最大补水流量为200 m3/s;若进口水位>31.60 m,则打开泵站节制闸,实行自流补水,最大补水流量250 m3/s。

一方面,近年来兴隆枢纽调度实践表明,中低水条件下,高石碑出水闸补水流量为50 m3/s时,兴隆坝下水位抬高约10 cm;补水流量为100 m3/s时,坝下水位抬高约30 cm;补水流量为200 m3/s时,坝下水位抬高60～70 cm。引江济汉工程补水流量增加,导致高石碑出口水位升高,进而对兴隆坝下水位具有抬升作用,但干流流量增加对上游水位的壅高作用较为短暂。当出水闸关闭后,这种顶托作用随即消失。

另一方面,从长期来看,上游来流偏枯时,引江济汉补水流量占干流的比重较大,补水后干流冲刷动力明显增强,导致高石碑下游河段的河床冲刷下切。如图7所示,从该河段贴靠右岸的深泓纵剖面来看,2012年荷花月堤以下的纵剖面高程普遍较高,在2014年引江济汉补水后,右侧岸线发生严重崩塌,该河段深泓平均高程从26.5 m下降至2016年的22.0 m,至2022年下降至16.5 m,进而导致兴隆坝下同流量下枯水位发生显著的降低。当高石碑出水闸停止补水后,坝下河段深泓下切带来的兴隆坝下水位下降效应更为突出。

图7 高石碑—满天星河段深泓纵剖面变化

另外,枯期流量增大导致满天星弯道环流作用增强。从图8来看,弯顶新联断面深泓高程从2012年的24 m下切至2016年的16.1 m,至2022年高程仅为10.4 m,即深泓下降幅度达13.6 m。可见,引江济汉工程补水加剧了荷花月堤—新联河段的河床冲刷下切,对兴隆枯水位降低也有促进作用。

图8 满天星弯道新联断面变化

综上所述,汉江上中游梯级枢纽拦沙,“清水下泄”导致兴隆坝下河床发生自上而下的普遍冲刷,由于汉江下游河床覆盖层以细砂为主,河床粗化过程慢,沿程冲刷将在长河段长时段发生,加之南水北调中线一期调水后,中小水流量刷槽时间延长,这是兴隆坝下枯水位下降的主要因素。坝址处主槽易位、断面下切引发的河势调整,航道整治丁坝挑流,引江济汉补水等因素虽导致局部河段的河床大幅度下切,但影响范围仍然相对有限,是造成兴隆坝下枯水位下降的次要因素。

3 结 论

本文基于兴隆枢纽坝下水文和河床地形实测资料,综合考虑河道演变及人类干预活动影响,深入剖析坝下枯水位下降主次要因素,主要结论如下:

(1)汉江上中游梯级枢纽拦沙,导致2014—2021年较1972—2013年兴隆河段年均含沙量降低58.2%,带来下游长河段发生冲刷;同时,兴隆近坝段河床覆盖层为可动性很强的深厚粉细砂,为水位下降创造了物质条件。

(2)兴隆枢纽建设期间,坝址处发生主槽易位;试运行后,坝下断面显著冲刷,近坝段主要冲刷坑的平均冲深13.4 m,最大坑深近20 m,引发一系列的河势调整,并通过节点作用向下游传递,导致泽口以上河段深泓往复摆动、主流线坐弯延长,同水位下过水断面面积、河槽容积明显增大。

(3)局部航道整治工程改变了天然滩槽形态,典型丁坝坝头平均冲刷深度达10.89 m,丁坝作用加速了原滩体萎缩、新主槽刷深,因来沙较少,难以淤积形成新洲滩,河段内成型淤积体的总体积减少。

(4)引江济汉工程在高石碑向汉江干流补水,导致水流冲刷动力增强,高石碑以下局部河段深泓纵剖面下切。

(5)由于特殊的水沙、河床地质条件以及多重人类干预活动影响,兴隆枢纽坝下水位下降问题极为复杂,对枢纽的稳定运行及汉江中下游水资源、水生态安全均产生深远影响,亟需立足全局、系统思考,深入开展原观资料分析、水沙模型试验等研究工作。