三峡下游沙卵石河段纵剖面形态对枯水位影响.docx

1、泥沙研究2007年6月JournalofSedimentResearch三峡下游沙卵石河段纵剖面形态对枯水位影响孙昭华，李义天，葛华，李明(武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室，湖北武汉430072)摘要：采用近期河床地形及枯水位资料，分析计算了三峡下游沙卵石河段纵剖面形态对沿程枯水位的影响。结果表明：芦家河浅滩是河段内主要控制性河段，对抑制宜昌水位下降起着关健性的作用；下游枝江浅滩、江口浅滩对枝城以上河段枯水位直接控制作用甚小，但对芦家河以下的水面比降影响很大。在将来冲刷过程中，经过江口、枝江、芦家河三个控制性浅滩河段的缓冲作用，陈二口以上段的水位不致发生大的变化，但下游枝江、江口浅滩

2、段水面陡坎可能加剧。关词：三峡下游；剖面形态；枯水位；水面比降中图分类号:TV147文献标识码：A文章编号：0468-155X(2007)03-0009-081引言长江中游宜昌至江口长约110km的河段紧邻三峡下游(图1),为山区性河流向平原河流的过渡段，河道两岸为丘陵阶地，抗冲能力较强，河床主要由基岩、卵石夹沙组成，沿程存在多个抗冲性强的沙卵石图1研究河段示意图Fig.1StudyreachfromYichangtoShashi图1研究河段示意图Fig.1StudyreachfromYichangtoShashi收MBW:2006-09-ll基金项目：国家重点基础研究发展规划项目(2003C

3、B415200)作者简介：玲昭华(1976-),男，讲师.主要从事水力学与河流动力学方面的研究。洲滩，深泓呈现凹凸不平的波状起伏。受制于特殊的河床边界条件，在历史上荆江裁弯、葛洲坝运行引起的长期冲刷中，本河段总体河势稳定，主流线平面摆动较小，河床冲淤主要集中于枯水河槽，体现在河道纵剖面形态变化及由此造成的沿程枯水位降低。由于河床组成中可冲沙量有限，三峡菖水引起的河床调整很可能将在不长的时段内完成，此过程中沿程枯水位的变化趋势倍受瞩目。现有研究认为"2,由于沙卵石河段纵剖面沿程存在多个商程突起的耐冲节点，可能将对冲刷过程中宜昌水位的下降起到抑制作用，与此同时这些控制性河段附近将会形成局

4、部的水面线“跌坎”，尤其是在沙卵石河段向沙质河床的过渡段这种局部比降增大的现象将可能十分显著。宜昌以下河段已经历了三十余年冲刷调整，若河道形态对枯水位存在影响，在当前应有所显现。三峡蓄水以来，下游近坝段持续冲刷的同时宜昌水位保持了稳定，这在一定程度上证实了控制性河段的存在。亟待明确的问题是：哪些位置是抑制上游水位下降的控制性河段,这些河段各自的控制作用如何，它们之间存在怎样的关系,又面临着怎样的发展趋势？本文通过近期的河床地形以及枯水位观测资料，对此开展讨论。2近期河道形态与枯水位变化特点2.1资料情况研究河段自宜昌至沙市，内设宜昌、枝城、沙市三个水文站及马家店、陈家湾等水位站，这些站自上而下

5、分布较为均匀（图1）,基本能够代表各区段的水位变化规律。此外长江航道局自宜昌至大埠街沿程布设了16把水尺，对2003年以来的枯水位进行监测，这些监测数据能够较详细地反映蓄水后的沿程水位变化。河床地形方面收集了1996、2002年该河段的两套长程断面资料，以及2003年蓄水以来长江航道局对宜昌、宜都、芦家河等河段的地形观测数据。2.2蓄水前后河道形态变化根据1996、2002年河道地形对比,可以发现这期间宜昌-沙市段沿程冲淤相间，以冲为主但强度不大，冲淤对河道纵剖面形态基本没有影响（图2（a）图为原始深泓，（b）图为深泓商程变化），从深泓商程差别的沿程分布还可以看出，深泓高程变化相对较大的部位一

6、般都是深槽段,而凸起的浅滩部位变化不大。»21996-2002年宜昌-沙市河段深泓变化Fig.2TTialwegchangebetween1996and2002inthereachfromYichangtoShashi三峡工程于2003年6月蓄水，之后坝下发生了较大强度的冲刷。根据长江水文局测量数据31.2003年10月至2004年11月宜昌-枝城河段5OOOms流量下枯水河床共冲刷0.16亿m',占1°OOOm'/s流量下基本河槽冲刷量的94%o冲刷主要集中在宜都河段，其中强度最大的是红花套-枝城。而根据长江航道局对宜昌（宜昌-红花套）、宜都（云池-白洋）

7、、芦家河（枝城-江口）三个河段的地形观测数据*,2003-2005年宜昌、宜都冲刷较明显，宜昌河段深泓平均下切0.9m,宜都河段深泓平均下切1.6m,清江口附近下降幅度达9m,但芦家河河段冲刷不明显，蓄水后的2003-2005年，深泓高程平均下降仅0.3m（图3）o需要指出的是，以上三河段中的冲刷量主要集中于高程相对较低的下凹段，这些与蓄水之前的历史冲淤规律基本一致。35302520432I060708090100110距宜昌距高/km图3三峡蔷水后枝城-江口河段深乱变化Fig.3ThalwegchangeinthereachfromZhichengtoJiangkouaftertheThre

8、e（ieorgesProjectimpoundment2.3蓄水后枯水位变化本河段枯水位变化可能由两方面原因引起，一是河段内部河道形态变化对枯水位产生影响，二是下游沙质河床的冲刷引起的河段内部水位下降。图4中点绘了蓄水后沿碓的水位流量关系变化：虽然下游沙市站水位下降明显，但对上游的影响仅到大埠街附近，昌门溪水位基本无变化（以5500m'/s流量级为例，2003年、2005年对应水位分别为36m和36.04m）;即使近坝段发生了冲刷，但上游宜昌站水位未有明显变化。以上现象表明，河段内冲刷及下游水位下降对昌门溪以上水位影响其小，这很可能是河道形态对水位控制作用的体现，并口越往上游这种控制作

9、用越强。这些现象也说明，如果河道形态对枯水位的控制作用存在，则蓄水后的冲刷并未使这种控制作用产生明显改变，因而以下采用2002年地形作为研究对象，基本上能够代表近阶段的情况。3控制性河段位置分析对于枯水流量而言，河床形态的影响主要体现在深泓的波状起伏。由图2可以看出，河段内沿程深泓线的最高点在芦家河以上基本处于同一水平或略低，而芦家河以下，深泓陡然降落并形成多个台阶状的转折。尤其是荆12断面附近（毛家花屋-姚港），在2200m的长度范围内河床深泓落差4.8m,形成了长江航道局，长江三峡工程航道泥沙原型观测2005-2006年度分析报告，2006.65007500沙市6S007500沙市537.

10、32A、”.2003A2004X2OO5650075003500枝城ynV图4沿程水位流关系变化Fig.4Changeofstage-dischargerelationsatdifferentlocationsinthestudyreach2/1000的比降。河床坡降大的部位紧邻深泓突起段，使得流速大、水深小，造成过水面积偏小。以5300m，/s流量为例，计算沿程的过水面积如图5,可以看出过水面积沿程反复收缩或扩大，这必然在芦家河、枝江、江口等收缩段造成较大局部阻力损失，形成水面跌落。140000020406080100120140160距宜昌距离/km图5沿程过水面积变化Fig.5Areao

11、fwettedcross-sectionalongthestudyreach图6给出了根据水尺水位绘制的不同流量下宜昌-大埠街沿程比降。由各流量下的比降分布图可见，沿程水面比降集中在局部河段的特点体现十分明显。毛家花屋-姚港、昌门溪-李家渡以及下曹家河-七星台等段比降明显偏大。当流量在5000m3/s流量以下时，毛家花屋至李家渡河段消耗的水头损失几乎占了宜昌-大埠街河段总水头的1/3,而该河段的长度还不到全河段总长度的1/10（表I）。«I2005年枯季宜昌-大埠街河段沿程水头损失单位：mTable1HeadlossindifferentreachesfromYichangtoDab

12、ujiein2005河道长度/km-相应流量/m'r"3900530061507550915010200宜昌-大埠街1126.0235.8245.9665.7685.95.858毛家花屋-李家渡111.981.811.631.51.371.11从河床剖面形态与水面比降的对应关系可以发现，水面线的陡然跌落固然与深泓起伏有关，但更大的原因在于河床纵剖面轮廓的比降过陡。芦家河附近毛家花屋-姚港、昌门溪-李家渡形成大比降的图62005年不同枯水流级下沿程比降分布Fig.6Watersurfaceslopeunderdifferentdischargesin2005原因正在于此。在枝城

13、以上，虽然也存在深泓起伏较大的河段，如白洋镇附近形成波幅达29m的起伏，然而由于芦家河浅滩段高程更高，并且宜都、关洲、芦家河等凸起部位之间距离较近，因而难以形成水面跌坎。枝江以下至宛市河弯，深泓重新下凹，然而芦家河以下的深泓凸起高程差别不大，因而虽然水面在七星台附近也形成较大比降，但不如芦家河附近明显。从剖面形态的沿程变化及比降分布判断，芦家河、枝江、江口三个浅滩河段是现状条件下的控制性河段。4不同河段河道形态对水位控制作用由图4、5可以发现，芦家河上下河道形态的水力特性存在较大区别，因而以下分两段讨论河道形态对枯水位的影响。讨论主要通过数值试验的方法：首先率定出5300m3/s（三峡正常运用

14、后的枯期代表流量）流量下的沿程水面线，然后假定不同区段河道形态发生变化，对比河床形态变化前后的沿程水面线，从而使不同河段的控制作用得以显现。4.1芦家河以上段假定陈二口发生不同幅度水位下降，绘出了沿程的水面线如图7O由图可见，一旦陈二口发生水位下降，上游关洲河段、宜都河段乃至胭脂坝附近将形成多个明显跌坎，尤其是距离较近的关洲河段水面比降迅速增加。这说明，若紧邻芦家河的陈二口水位发生下降，上游凹凸起伏的河道形态将立即发挥作用抑制上游的水位下降，并且下游水位越低，这种抑制作用越强。目前，由于陈二口水位较高使得宜昌-陈二口比降平缓，因而各浅滩河段不具有对宜昌水位的控制作用。图7陈二口水位下降引起宜昌

15、-陈二口水面线变化Fig.7ResponseofwatersurfaceprofiletothesupposedloweringofwalerlevelatChenerkou实际上，虽然宜昌-沙市水位差较大，但芦家河以上各浅滩段深泓高程仅仅与芦家段相当或略低,因而其对上游水位的控制作用已被芦家河段所掩盖。分别假定宜都、关洲浅滩段发生不同程度的变形（沿湿周将河床高程降低，下同）并考察宜昌水位的下降，可以发现即使宜都、关洲浅滩段高程降低2m,各自引起的宜昌水位下降也仅0.10.2m,当河床变形小于Im时，引起的宜昌水位变化基本可以忽略。4.2芦家河以下段假定下游沙市水位发生不同程度的下降，计算沿程

16、水面线如图8所示。可见，在地形不变的情况下沙市水位下降在上游产生的影响很小，马家店水位下降值也仅为沙市降幅的1/5左右，昌门溪几乎不受影响。这在一定程度上说明，芦家河及其以下存在的控制性河段抑制了下游水位下降对上游的影响。本段内存在芦家河、枝江、江口等浅滩，采用与前文类似的分析方法，分别假定不同位置发生不同幅度的河床变形，根据前后的水位变化判断不同区段的控制作用。具体的计算条件是；假定沙市水位不变，不同区段河床高程平均下切2m,分别选取陈二口、昌门溪、马家店代表各浅滩段的上游水位，计算结果如图9所示。由图可见：I.芦家河浅滩对陈二口水位起着非常强的控制作用，即使枝江浅滩及其以下河段整体下切2m

17、,引起的陈二口水位下降也还不到0.2m。n.枝江浅滩段对昌门溪水位起着主要控制作用，江口浅滩及以下段也起到一定作用但程度不大,并且这种作用主要体现在大埠街以上。HI.江口浅滩段对马家店水位起重要控制作用，但大埠街以下沙质河床段的作用也不可忽视，一旦该河段发生冲刷，马家店水位下降也比较明显。图8假定沙市水位不同降幅引起的沿程水面线变化Fig.8ResponseofwatersurfaceprofiletothesupposedloweringofwaterlevelatShashi综合来看，芦家河、枝江、江口各浅滩河段的对上游水位的控制作用依次减弱。当芦家河下游发生河床冲刷或其他因素引起昌门溪水

18、位下降时，并不会引起陈二口水位的大幅下降，但会明显增加芦家河段的比降，而枝江浅滩、江口浅滩的控制作用是否会加强，则取决于各段河床冲刷下切的程度差别。5河道形态及枯水位变化趋势5.1河床组成对冲刷部位的影响随着河床冲刷，河段内是否会形成新的控制性河段，以及现有控制性河段的作用是否会得到增强.主要决定于沿程的河床组成条件。根据长江水文局对河段内宜59至荆16（分别距宜昌31.4km,96.7km）之间10个固定断面1981-1995年历年床沙资料表明“:随着时间延续，断面上出现卵石的几率在增大，而小于1mm的重鼠百分数随时间增加呈跳跃性减小。这说明，河段内床面在不断粗化，并有随时间向下延的趋势。根

19、据1995年水下床沙取样，对深泓区沿流程的床沙组成分析显示：沙质和沙卵混合质两种蛆成沿流程相间出现。董5至荆25（松滋口至杨家培）除个别断面外，几乎全为沙卵质相间分布的特点，最大粒径达i33mm°河段芦家河浅*昌门溪以下枝江浅段马家店以下江口浅漂段大埠街以下图9芦家河以下不同区间段河床变形引起的上游水位变化Fig.9Responsesofupstreamwaterleveltodownstreamchannelmorphologychanges内深泓区床沙组成沿流程呈现沙质和沙卵质相间分布的特点，与本河段内沙卵石洲滩密布的特点密切相关的。图10给出了深泓区沿程的床沙050与可见高程较

20、高的浅滩部位一般均为粗沙，相对于深槽段，这些部位更难以冲刷。芦家河附近段冲淤变化对上游水位起着重要影响，因而该河段内河床组成决定着将来的河床冲刷及水位下降发展趋势。根据多年深泓及大断面观测资料证实，芦家河附近近几t年除年内洪枯季有周期性冲淤变化外，卵石层面高程和形态基本保持不变。特别是经过1998年特大洪水冲刷后，也未出现大的变化。对紧邻芦家河的枝江浅滩上浅区床沙取样资料表明，河床主要由卵砾粘胶结层组成，抗冲力极强，使该处河床难于冲动，近几卜年来深泓线高程比较稳定，冲淤变动范围在0.5m以内图3中对三峡蓄水以来沿程的深泓对比也表明，芦家河以下至江口段冲淤强度不大。这说明这些河段之所以能够形成和

21、保持对上游水位的控制作用，与河床组成抗冲性强的特点是分不开的。图10宜都-江口河段主泓附近床沙特征Fig.10GrainsizeofbedmaterialalongthalweginthereachfromYidutoJiangkou5.2河道冲刷及枯水位变化趋势z由于芦家河及其以下各区段的层层缓冲作用，大埠街以下沙质河床的冲刷及水位下降对陈二口以上产生的影响有限，因而宜都、关洲浅滩对宜昌水位的控制作用不大。三峡蓄水以来,虽然宜都等河段发生了明显冲刷但主要发生于深槽段，深泓剖面上凸起的区段变形不大.在芦家河对上游水位控制作用继续保持的同时，这些冲刷对宜昌水位的影响也应当土分有限。三峡蓄水以来大

22、埠街以下荆江沙质河床冲刷卜分明显，并且已引起了沙市附近水位的下降见。随着冲刷的继续，沙市水位必然进-步下降。图8中对沙市水位下降后上游水位变化的讨论，并未考虑河床的可动性。实际上，马家店等位置水位之所以受影响较小是因为水面线在马羊洲附近产生了急剧的跌落形成陡坎。在现实中这显然是不可能发生的，大埠街以下基本为沙质河床，容易发生河床变形和溯15源冲刷来调整比降，因而沙市水位下降对上游的影响显然要萩图8中的大。大埠街上下河床组成不同，在冲刷过程中可能下降速度不一，由此引起图8中马羊洲附近的陡坎位置上移。蓄水后2003-2004年之间沙市枯水位下降约0.5m,根据水尺观测资料分析，陈家湾、大埠街等位置

23、至2005年才出现小幅度水位下降（图4）,而下普家河-七星台附近的比降在2003-2005年持续增大，至2006年重又减小，这些现象表明在大埠街附近的砂卵质河床交界带的确存在着河床冲刷与水位下降的滞后现象。若沙市水位突然出现更大幅度的下降，则很有可能在该河段出现比降增大、陡坎加剧的现象；若江口附近形成粗化层使河床难以冲刷下降，出现水面陡坎加剧的可能性更大。6结论采用近期河床地形及枯水位资料，分析计算了三峡下游沙卵石河段纵剖面形态对沿程枯水位的影响，结果表明：（1）芦家河浅滩是河段内主要控制性河段，其控制作用使上游关洲、宜都等浅滩段难以出现水面陡坎；（2）芦家河浅滩对陈二口水位起到主要控制，下游

24、枝江浅滩、江口浅滩对其影响很小；（3）枝江、江口浅滩对昌门溪水位起到主要控制作用，它们的冲刷虽不明显影响陈二口水位，但可能使芦家河段局部比降加大；（4）在将来冲刷过程中，经过江口、枝江、芦家河等浅滩河段的缓冲作用，下游沙质河床冲刷引起的水位下降不致使陈二口以上水位发生大的变化，因而宜昌水位降幅有限，但下游枝江、江口.浅滩段水面陡坎现象可能加剧。需要说明的是以上结论中关于河床可动性的考虑还不够充分，进一步收集河床组成资料开展更深入的分析是非常必要的。参考文献：I长江航道局，武汉水利电力大学.江口镇上下浅滩演变与卷治研究总报告R.三峡工程泥沙问地研究（第六卷）.2002.603-741.2龙慧，刘

25、庚临，单剑武.三峡工程建成后枝城至枝江河段浅滩演变分析J.人民长江,2001,32（4）:29-31.3长江水利委员会.2004年长江泥沙公报.4长江科学院，中国水利水电科学研究院，长江水文局.三映水库运用不同时段拦沙泄水对下游河道冲淤与河势影响及对策研究R.三峡工程泥沙问题研究第六卷.2002.442-459.5崔承章，邰淑彩.芦家河浅滩组成与三峡工程对其航道的影响J.武汉水利电力大学学报.1997,30（2）:63-66.Characteristicsofchannelprofileanditsimpactonlowflowwaterlevelinthegravel/sandbedreac

26、hdownstreamtheThreeGeorgesProjectSUNZhao-hua,LIYi-tian,GEHua,LIMing（StateKeyLaboratoryofWaterResourcesamiHydropowerEngineeringScience,WuhanUniversity,Wuhan430072,China）Abstract:Inthenear-damreachdownstreamtheThreeGeorgesProject（TGP）,thechannelbedmainlyconsistsofgravels,whichcontrolsitschannelshapeandmagnitude.Thehydraulicfe