荆江河床演变过程中环境影响初探

1 荆江河床演变 过程中 环境影响初探 彭玉明 熊超 高志斌 (长江水利委员会荆江水文水资源勘测局 ，湖北，荆州， 434000) 摘要： 结合荆江河道 演变特点， 将河道演变与荆江环境变化联系起来，分析了 河道演变过程中 河道突变对河道环境的影响、 三峡水库蓄水运行后及 河道冲淤变化对水质的影响、 荆江 三口变化对 荆江三口洪道 环境 的 影响。 河道突变对湿地、给排水造成影响，河道冲刷可能造成重金属的二次污染，荆江三口分流量的减少对三口洪道的水质产生影响。 通过分析，提出了荆江环境治理 建议 。 关键词： 河床演变；环境；影响 1 荆江自 然地理 荆江上起湖北省枝城（荆 3）下迄湖南省城陵矶（荆 186），全长 347.2km。以藕池口为界，分为上、下荆江。上荆江长 171.7km，上荆江为微弯分汊河型；下荆江长 175.5km， 为典型弯曲蜿蜒性河道。 荆江两岸河网纵横，湖泊密集， 南岸有松滋河、虎渡河、藕池河、华容河分别自松滋口、太平口、藕池口和调弦口（ 1959 年建闸控制）分流至洞庭湖，与湘、资、沅、澧四水汇合后，于城陵矶又汇入长江。 见图 1。 “万里长江，险在荆江 ”。荆江径流充沛，历代水患频繁，防洪问题十分突出。 随着荆江河道的变化及水患的发生，荆江河 道自然功能受到一定影响，河流环境发生了一系列变化。 图 1 荆江河段河势 图 2 荆江河道演变特性 荆江属于平原型河流，在平面形态上，上荆江属微弯型河道，下荆江属典型的蜿蜒型河道 ，尤其下荆江，河床演变一直处于比较活跃状态之中 。下荆江 裁弯、葛洲坝水利工程的运 *基金项目： 国家重点基础研究发展规划（ 973）项目（ 2003CB415205） 作者简介： 彭玉明 ，男，长江水利委员会水文局荆江水文水资源勘测局 高级 工程师，主要从事河流泥沙、河床演变等方面的研究工作。 公安松滋口枝城 董3荆3董5枣林岗枝江市沙市太平口陈家湾荆45观音寺荆州市石首市藕池口 调关郝穴江陵县新厂姚圻脑荆145监利七里山莲花塘城陵矶荆 1 8 6荆 1 3芦家河关洲马羊洲三八滩金城洲突起洲乌龟洲孙良洲沮 漳 河观音矶冲和观矶篙子挡矶铁牛矶 2 行、三峡水库蓄水运行等对荆江河道带来相应的调整。 1990 年 以来，由于受水沙条件变化的影响，荆江河床普遍发生了冲刷。随着护岸工程的实施，增强了河岸抗冲能力，抑制了近岸河床的横向发展，但局部河势出现了一定程度的调整，有的河段河势变化剧 烈。主要表 现在长顺过渡段主流摆动频繁、河床冲深、洲滩有冲有淤、汊道 移 位、水流顶冲点上提或下移、崩岸频繁 发生等。 受 1998、 1999 年大水和上游河势变化影响，沙市、石首、监利河弯发生了较大调整，主要表现为：（ 1）沙市河弯中段南汊主泓线北移后南移、三八滩主体冲刷萎缩后小幅淤长；太平口边滩下半部展宽、下延；金城洲南汊淤积、北汊冲刷；中低水位下，三八滩左汊过流能力有所减弱，右汊则有所增强。 （ 2） 公安河段 近期 变化 较大部位是 突起洲 和新厂段。 突起洲近两年来崩塌较为剧烈，文村夹至突起洲尾河床冲刷较大 ，左汊进口文村夹段多次发生崩岸险 情 。 新厂段主泓线在 2003 年后向北移动，造成北岸岸线迅速崩退。 （ 3）石首弯道发生自然撇弯后至今，河势一直在调整过程之中，仍未稳定。弯顶以上主泓线持续北移，弯顶右岸主泓顶冲点持续下移，弯顶以下主泓线持续南移。直接导致了向家洲持续崩退，北门口、北碾子湾护岸段崩塌；（ 4）监利河弯自 1996 年开始至今主流走右泓，右汊冲刷，左汊淤积。近年来深泓线逐渐向乌龟洲右 边缘摆动，洲体南侧大幅度崩塌，南槽近右岸部分河道淤积，洲头左侧 小幅度崩塌和冲刷，主流线逐步向北移动。其变化直接影响到太和岭段岸线崩塌和下游天星阁、天字一号主流线 变化。另外，文村夹段突起洲汊道段演变也较为剧烈。 三峡 水库蓄水运行后，荆江水沙过程发生了变化，水流含沙量大幅减少，河道普遍冲刷。 表 1 为三峡水库蓄水运行前后各分河段 平滩河槽 冲淤量变化，受到 1998 大水大沙年 影响 ，荆江河道普遍淤积，随后河道发生冲刷，三峡水库蓄水运行后，荆江河道冲刷强度增大，河床平均宽度以 1.5km 计算， 枝江河段、 沙市河段、公安河段、石首河段、监利河段 蓄水后 累积冲深分别为 0.49m、 0.86m、 0.71m、 0.98m、 0.50m。随着河床的刷深，荆江崩岸明显增多。 表 1 荆江河段冲淤变化 河段名称 1998.09 2002.10 2002.10 2007.10 冲淤量 年均冲淤量 累计 冲深 (m) 冲淤量 年均冲淤量 累计 冲深 (m) 枝江 河段 -2992 -748 -0.31 -4697 -1174 -0.49 沙市河段 -2067 -517 -0.28 -6445 -1289 -0.86 公安河段 -3295 -824 -0.40 -5756 -1151 -0.71 石首河段 -881 -220 -0.08 -10903 -2181 -0.98 监利河段 -956 -239 -0.07 -7062 -1412 -0.50 说明： 1、“ +”表示淤积，“ -”表示冲刷，下同。 冲淤量单位：万 m3 2、平滩河槽分别对应宜昌站流量 30000m3/s 水面线下河床。 3 河道演变 过程的 环境影响 3 3.1 河道突变 的影响 河道突变现象主要发生在下荆江 见 图 2。下荆江属典型蜿蜒型河道， 当河弯发展到一定程度， 同一弯道弯顶形成急剧的河环和狭颈，若遇水流漫滩，便将狭颈冲开 而发生自然裁弯。除自然裁弯外，在河弯段易发生撇弯和切滩等突变现象。 下荆江从 1860 1949 年的近 90年间，先后发生了 太公湖 、西湖、古丈堤、尺八口、碾子湾 等多处自然裁弯， 1970 年监利河弯发生切滩现象。 河道发生自然裁弯，老河逐渐淤积而形成淤积洲滩和牛轭湖相互交融的典型的泛洪平原湿地景观。 在长江故道的洲滩形成了大面积的湿地，这些湿地对于长江流域的水土保持、气候调节、水体净化以及长江流域的生物多样性保 护等都具有重要的生态功能，对维持长江生命网络 有着重要作用。 但由于 切断了故道与长江之间的天然 联系， 水体自身净化能力有限，而工农业生产废弃物的 排放， 故道的自然环境 受到一定影响。 河道发生突变后， 水的流路随之改变， 原来的航道格局发生了变化，对航 运产生相应影响，如石首市的横沟镇、监利县城原来港口 、 排灌闸等 被淤废， 城市的取排水发生困难，原来沿江 城市 环境受到较大影响。 因此，减少对长江故道的污染，净化 图 2 下荆江历史变迁图 其水体，改善故道的生态环境，对维护健康长江意义重大。 下荆江河道突变频繁， 向家洲还有可能发生自然切滩撇弯，调关、八姓洲等有可能发生自然裁弯或实施人工裁弯，一旦裁弯发生，对环境的影响将会出现新的问题。 3.2 河道演 变对洲滩、分流的影响 （ 1）对洲滩、湿地的影响 河道主流线、冲淤变化等对河道洲滩的兴衰更替产生作用， 20 世纪 90 年代后，长江上游来沙量明显减小，荆江河道普遍冲刷，加之受到 1998 年大洪水影响，三八滩主体消失，金城洲逐渐萎缩。三峡水库蓄水运行后，荆江冲刷幅度进一步加大，崩岸频次增加，原有部分河漫滩崩塌后退，河势发生调整。洲滩、河漫滩的消退对河流生态造成影响，原有的洲滩、河漫滩生长的植被受到破坏，对已以植物为食的鱼类产生影响。同时河漫滩的消退、崩岸的增多对堤防安全造成威胁，对沿江城市及居民生产、生活环境带来一定 影响。荆江普遍冲刷，同流量水位降低，水位的降低对沿江的取排水工程造成影响，带来减少故道与长江水体自流交换时间，增加故道换水难度。据殷瑞兰研究 1，天鹅洲闸底高程为 30.5m，调节水位区间监利 上车湾城陵矶石首 调弦口尺八口上车湾监利调弦口石首藕池口城陵矶1 8 6 9 年1 7 5 6 年1 9 1 2 年藕池口石首 调弦口监利上车湾尺八口城陵矶监利1 9 6 0 年1 9 7 3 年藕池口石首调弦口尺八口上车湾城陵矶上车湾监利藕池口石首调弦口中洲子上车湾新河碾子湾碾子湾碾子湾城陵矶 4 为 32 34.5m，相应流量为 17000 27000m3/s，三峡运行 20 年，因长江水位降低，相应流量提高到 20000 30000m3/s。可见，水位降低对故道湿地生态产生一定负面效应。 （ 2）荆江三口变化对三口洪道环境影响 荆江三口系指分流口门松滋口、太平口、藕池口。二十世纪五十年代以来，三口洪道的逐步萎缩，分流、分沙量 逐步减少。把 1956 年至今以来 50 年的时间按人类活动划分为五个时间段进行分段统计对比分析： 1956 1966 年，下荆江裁弯以前； 1967 1972 年，下荆江中洲子、上车湾、沙滩子裁弯期； 1973 1980 年，裁弯后至葛洲坝截流之前； 1981 2002年，葛洲坝截流至三峡工程蓄水前； 2003 年至今，三峡工程蓄水后。裁弯以前，三口呈现慢速萎缩的状态；而 1966 1972 年期间，受中洲子、上车湾、沙滩子裁弯影响，由于 藕池口临近裁弯段，分流量大幅减少，萎缩很快 。 1956 年至 2005 年，三口多年平均分流比由第一阶段的 29.4%减少到第五阶段的 13.4%(分流过程见图 3)，多年平均分沙比由 35.4%减少到17.9%(分沙过程见图 4)。 三口洪道的淤积造成了三口通流水位抬高，使得三口控制站中沙道观、弥陀寺、藕池 (管 )三站在荆江裁弯后年断流天数迅速增加 3，断流时上游枝城站相应流量增大，统计结果见表2 及图 5、图 6。 表 2 三口控制站年断流天数及上游相应流量统计表 图 3 荆江三口分流比过程线图 图 4 荆江三口分沙比过程线图 三口分流分沙的减少及三口洪道的淤积带来的三口洪道环境影响。 由于三口洪道及洞庭湖区淤积，三口分流量减小，加上历史上围湖造田的影响，使洞庭湖区湖面缩小，调蓄容积下降，造成河道阻塞，水流不畅，湿地萎缩，工程性缺水和水质性缺水同时存在，时段 三口站分时段平均年断流天数 枝城分时段平均相应流量 （ m3/s） 沙道观 弥陀寺 藕池 (管 ) 藕池 (康 ) 沙道观 弥陀寺 藕池 (管 ) 藕池 (康 ) 1956 1966 0 35 213 17 / 4292 13070 3925 1967 1972 0 3 241 80 / 3470 15950 4958 1973 1980 71 70 258 145 4660 5180 18350 7790 1981 2002 171 155 248 167 8920 7676 17390 8665 2003 2005 182 144 234 180 8830 7620 16500 8650 051015202530351956 1961 1966 1971 1976 1981 1986 1991 1996 2001年份分流比（ % ）松滋口太平口藕池口三口总和0510152025303540451956 1961 1966 1971 1976 1981 1986 1991 1996 2001 年份分沙比 （ % ）松滋口太平口藕池口三口总和 5 水污染加重，水质变差，部分湖泊已出现富营养化，水环境恶化及水资源短缺问题日益明显。三口断流天数的增加，造成工农业生产和居民生活用水得不到保障，沿河、湖洲钉螺孳 生。 随着三峡水库运行时间的加长，三口口门与长江干流高程差会进一步加大，三口洪道水环境污染问题日趋严重。 图 5 三口四站断流天数过程线图 图 6 三口四站断流天数对应枝城流量 3.3 三峡水库蓄水 对水质影响 三峡水库蓄水运行后，荆江河道发生了普遍冲刷，河道的冲刷对水质产生相应的影响。坝下水流流速加大对 水体 溶解氧产生影响。 （ 1）重金属的变化 河道冲淤变化对水质的影响 主要表现泥沙对水流中污染物的吸附与释放而引起 污染物含 量的变化，当水流含沙量较大泥沙落淤时，可能 吸附水流中一部分污染物而沉入河底，当河床发生冲刷时，吸附在泥沙表面的污染物再次释放到水流中而造成水体二次污染。下面以沙市河段水质观测断面铜含量的变化分析冲淤变化对水质的影响。 水体中的铜分为 溶解 态和吸附态，吸附态铜的主要变化过程包括：对流扩散、河床冲淤产生的交换、水固两相之间的交换三个部分； 溶解 态铜的主要变化过程包括：对流扩散、水固两相之间的交换、水体与河床由于浓度梯度产生的交换、生化反应过程。根据禹雪中等人的研究 1，建立了泥沙与磷作用的数学方程，铜与泥沙作用的过程与此相 类 似 。 引入泥沙连续方程后可以得 到 吸附态铜的输移转化方程 2： SAkCCSSBx SCADxxU A CStACS asksxss )()()()( * 与吸附态 铜 连续方程 相 类似，根据质量守恒定律可以得到 溶解 态铜 微分方程： rCAfSAkxCADxxU A CtAC wawxww )()()()( 以上两方程中， A 为断面面积， 为泥沙沉速， Cs 为断面平均的泥沙吸附量 ， S 为断面平均含沙量， S*为断面平均挟沙力， ka 为单位时间单位质量泥沙吸附量的变化率， 为恢复0501001502002503003501955 1960 1965 1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005年份年断流天数沙道观断流天数弥陀寺断流天数管家铺断流天数康家岗断流天数020004000600080001000012000140001600018000200000 1 2 3 4 5 6时间段枝城流量 (m3/s)沙道观弥陀寺藕池（管）藕池（康） 6 饱和系数， t 为传播时间， x 为传播距离， U 为断面平均流速 (m/s)， Cw 为断面平均 溶解 态铜浓度 (g/m3)， Dx 为纵向离散系数 (m2/s)， B 为河宽 (m)， f(Cw)为生化反应项 (g/m3s)， 为单位河长 铜 的释放速率 (g/ms)， r 为排放源强 (g/ms)。 冲刷过程中泥沙来自河床， Ck 根据河床条件取值，冲刷过程中水环境的变化并非决定于冲刷泥沙吸附的 铜 含量，而是决定于冲刷泥沙吸附量与悬沙吸附量的差值，当冲刷泥沙吸附量小于悬沙吸附量时，冲刷泥沙相当于自净剂，反之，冲刷泥沙相当于污染源；淤积过程中， Ck 与 Cs 相等，河 床与水体交换量等于零，泥沙淤积对水体中泥沙吸附量的影响主要体现在泥沙浓度降低对吸附解吸过程的影响。 要详细计算铜污染的变化过 程，需要多项测验指标， 这里 选 取荆州砖瓦厂、沙市五七码头两 水质测验断面年际 10 月份铜含 量的数据及该河段槽蓄量数据， 分析铜含量与河段冲淤变化的关 图 7 铜含量与冲淤变化关系图 系。 见图 7，槽蓄量差值为历年槽蓄量与一固定量之间差值，差值大表示淤积， 反之， 表示冲刷， 从图可以看出：该河段铜含量与冲淤变化有相关性，当河段淤积时铜含量增大，河段冲刷时 铜含量随之减少； 2003 年后， 下游断面沙市五七码头铜含量大于上断面砖瓦厂铜含量；三峡水库蓄水运行后，河段水流含沙量大幅减少，两断面铜含量低于蓄水前铜含量 ， 说明铜含量主要决定进口段铜的来量 。 图 8 三峡蓄水前后 月 均含镉量变化 图 9 三峡蓄水前后月均含铜、铅量变化 随着三峡水库蓄水运 行 ，荆江河段的水沙过程发生了很大变化，来水量变化很小， 枝城站、沙市站、监利站蓄水后平均含沙量分别比蓄水前多年平均值减少 83%、 78%、 73%，含沙量的大幅减少，水流未达饱和， 荆江河段已发生普 遍冲刷 。 图 8、图 9 为三峡水库蓄水前后沙市五七码头断面含镉、铜、铅量的月均变化值，从图可以看出，该断面 含铜量在蓄水后变小， 说明含铜量主要随上游来沙量而变化，含镉、铅量在蓄水后明显增大， 河床发生冲0.00000.00050.00100.00150.00200.00251 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12月份含镉量(mg/L)蓄水前含镉量蓄水后含镉量0.00000.00500.01000.01500.02000.02500.03000.03500.04000.04500 2 4 6 8 10 12 14月份含铜、铅量(mg/L)蓄水前含铜量蓄水后含铜量蓄水前含铅量蓄水后含铅量00 . 0 0 50 . 0 10 . 0 1 50 . 0 20 . 0 2 50 . 0 30 . 0 3 50 . 0 40 . 0 4 50 . 0 51998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 年份水体铜含量(mg/L)050010001500200025003000槽蓄量差值(万m3)沙市砖瓦厂沙市五七码头河段冲淤变化 7 刷时，吸附在泥沙表面的 重金属 再次释放到水流中 ，水中隔、铅的含量增大而影响水体。 （ 2） 溶解氧、氨氮等含量 变化 选取沙市河段五七码头水质断面进行分析。图 10、图 11 为三峡水库蓄水前后五七码头断面月均溶解氧、氨氮的变化，溶解氧含量随着水温的升高而降低，三峡水库蓄水后，水中溶解氧明显增大，主要三峡水库蓄水后水位抬高，下泄 水体含氧量增加。氨氮的含量主要来自工业污水及农田排放的废水，三峡水库蓄水后，水中氨氮含量减小，主要是水体溶解氧的增大导致氨氮部分被氧化。从溶解氧及氨氮的含量看，三峡水库蓄水后，水中有机物含量减少，对水质起到良好作用。 图 10 三峡蓄水前后 月均溶解氧 变化 图 11 三峡蓄水前后月均 氨氮量 变化 4 结语 荆江地区河网密布，江湖关系复杂，水患频发，荆江洪水、水环境不仅影响荆江沿岸，它将直接对洞庭湖区防洪体系及水环境产生连锁反应。荆江 河道演变对荆江水环境会产生相应影 响 ， 其影响主要表现在以下方面 ： (1)河道演变过程中，河道突变对水环境的影响主要表现对湿地及给排水产生负面效应。 (2)荆江干流的冲刷下切， 造成荆江三口口门与干流高差加大，