长江中游枝城-陈家湾河段沙卵石-硬质河床过渡带冲刷特性分析

长江中游枝城-陈家湾河段沙卵石-硬质河床过渡带冲刷特性分析

1研究范围及资料说明在中国的大河流中，卵石-沉积物河床的过渡地带通常生长在距宜昌约110公里的河流中。上游河床形成“大细和小细”，表面卵石可以移动，下游河床的沙地是“大细和小细”，卵石可以压在深层沉积物中，无法移动。类似的情况也发生在汉江上游的广化-襄阳地区。在河流上修建水库之后,由于卵石和沙质河床具有不同抗冲性,沙卵石河床-沙质河床交界带的调整现象较为复杂,丹江口水库蓄水后下游河床比降以减小为主,但光化-襄阳段却出现比降先减小后增大的现象,并且河床断面形态也出现明显先下切后展宽的趋势。三峡水库蓄水后,沙卵石-沙质河床交界带抗冲性的差别影响着横向滩槽调整、纵向水位下降等多方面变化,对航运条件影响重大,值得深入研究。针对长江中游沙卵石河床冲刷过程中的河势演变和水位下降,工程泥沙界以往已分别开展了较多研究并取得了大量成果,但在河床可冲性、水位降幅沿程分布等方面认识尚不够深入。2003年三峡水库蓄水以来,近坝段沙卵石河段最早经历了清水冲刷引起的河床调整,水文、航道部门也在该河段开展了较多的地形、地质、水流条件方面的原型观测。系统整理蓄水前后本河段洲滩调整、水位下降等方面的实测资料,有助于对河床冲刷趋势形成更加深入的认识,为本河段演变趋势预测及系统整治提供参考。本文研究范围自枝城至沙市上游的陈家湾(分别上距宜昌60km、130km),其中枝城以上处于长江出三峡后的丘陵地带,而陈家湾以下则进入江汉冲积平原。河段进口有枝城水文站,出口以下有沙市水文站,内部有马家店(枝江)、陈家湾两水文站。自2003年以来,三峡工程泥沙原型观测(航道部份)在河段内施测内容有:沿程多个位置枯期水位,枝城-大布街各年地形,以及沿程多个位置的河床组成勘测。本文主要借助于河段内的实测资料分析两方面的内容:(1)河床变形方式及幅度;(2)河床变形引起的枯水位降幅。2该段基本特征2.1中下游流域中没有权存的以重点区域为核心的虾期类型,主要集中在关洲、芦家河段本河段全长约70km,其平面形态如图1所示,河道沿程宽窄相间、洲滩密布,自上而下存在关洲、芦家河、枝江、江口、涴市等分汊段,除了关洲、芦家河碛坝、水陆洲、柳条洲、马羊洲等江心洲之外,在枝江、江口弯曲段的凸岸还存在较为高大的张家桃园、吴家渡等边滩。江口以上的4个分汊段中,关洲、芦家河两段汛枯季主流左右移位,汛期主流所在侧河床高程较高,枯期主流所在一侧河床较低且主泓弯曲,而靠近下游的枝江、江口两分汊段汛枯期主流稳定居于右汊,左汊过流量较小。本河段内沿程深泓凹凸起伏(图2),枯水期窄深段与宽浅段相间分布,由此也使得一些位置比降大、流速急。由图2可见,河段沿程深泓呈三级台阶状,其中芦家河以上显著高于芦家河以下,而江口以上又显著高于江口以下,由此也使得七星台以上比降显著大于七星台以下,毛家花屋-昌门溪-昌门溪-李家渡等位置存在明显的陡比降、大流速区,是航运部门关注的重点部位。2.2下段泥沙分布本河段内河床组成从上游至下游的总体变化规律是,河床表层组成由卵石夹沙或沙夹卵石逐渐变化为中沙为主夹少数砾卵石,河床表层沙卵石所占面积百分比逐渐减少。长江水文局在三峡水库蓄水前在河段内开展的多个地质探孔的资料表明,河段内河床组成垂向和平面分布具有以下特点:(1)卵石顶板起伏不平,沿程倾斜度分布不均,上段(松滋口以上)较缓,中段(松滋口附近)微凸,下段(枝江以下)较陡,中段的卵石顶板线与深泓线贴近或相交,自下段再往下游则卵石顶板被沙层深埋;(2)常年水下床面泥沙粒径小于洲滩表面粒径,洲滩表面粒径沿程细化,枝江以上洲滩物质多由沙卵石组成,粒径粗大,砂含量少,结构紧密板结,抗冲性好,但在一些洲头、洲尾及支汊缓流区覆盖有粉质壤土或中细砂,如关洲左泓边滩、枝江水陆洲左汊等;枝江以下洲滩上覆沙土层,下为沙卵石层,并且上覆的沙土层厚度沿程增大,如江口柳条洲沙土覆盖层厚约5m,其下游的火箭洲则厚约9m。河床组成的以上分布特点,既有古冲积扇前缘在此河段几度伸缩堆积的原因,也有近代卵石在放宽段大量沉积的作用。由于沿程卵石层凹凸起伏,一些位置易形成高凸抗冲节点,导致枯期出现如图2中所示的坡陡流急现象。自2005年以来,河段内芦家河、枝江、江口以及涴市等位置连续开展的多个断面(剖面)的河床组成勘测(图1、图3)表明:河段内芦家河汊道毛家花屋-姚港、枝江汊道昌门溪-李家渡等深泓高凸位置由抗冲性极强的粉质黏土夹卵石或卵石组成,而江口及江口以下的涴市等位置河床上尚有粉细砂或粉细砂夹卵石覆盖,尤其是洲滩上存有深厚的可冲砂层。3三峡水库蓄水前后的发育特征3.1荆江裁弯期间的土地冲刷及水位下降特性三峡水库蓄水前,本河段经历过1960—1970年代荆江裁弯引起的溯源冲刷以及1980年代葛洲坝水库蓄水引起的推移质冲刷,以下主要讨论该过程中的河床冲刷及水位下降特性。3.1.1河段冲刷量过大,但枝江以上抗冲性较强,但下游风1960年代以来下游荆江裁弯引起的本河段内溯源冲刷,1970—1980年代葛洲坝枢纽建设采砂和蓄水引起推移质大量减少,河段发生强烈冲刷,但由枝江-江口河段的冲刷发展来看(图4,图中数据源自文献),枝江以下抗冲性较弱,冲刷厚度较大,至1998年后仍呈冲刷趋势,而枝江以上抗冲性较强,冲刷厚度较小,至1990年代以后冲刷已基本停止。河床冲刷过程中,河段内沿程水位均发生了不同程度的下降,但河段上下抗冲性的差别也造成了水位变化特性上的不同。马家店、陈家湾水位下降保持了大致相同的速率,水位相关关系基本保持不变,枝城、马家店水位相关关系发生了明显变化,枝城水位降幅远小于马家店(图5)。由此导致了枝城-马家店比降急剧增大,而马家店以下比降基本保持不变。从1980年代以来的深泓纵剖面变化来看,虽然深泓整体下切,但芦家河毛家花屋-姚港、枝江昌门溪-李家渡等部位变幅甚小,可见河床对水位的控制作用与深泓上高凸节点的稳定是息息相关的。由以上冲刷量及水位降幅的分布情况可以看出,以枝江为界,其上游河床抗冲性强,冲刷过程中河段对水位降落具有遏制作用;枝江以下抗冲性弱,河床对水位的控制作用弱。3.1.2洲滩形态的演变本河段内的洲滩均处于沿程的突然放宽段,汛期水流扩散,流速减缓,卵石和粗沙易淤积而形成洲滩,在枯水期洲滩则起到束窄水流的作用。葛洲坝水库蓄水之后,对悬移质泥沙影响甚小,推移质泥沙虽被大量拦截,但由于宜昌-枝城区间河床上仍有推移质补给,因而洲滩仍存在淤积的可能性。从1970年以来各洲滩的滩形变化来看,虽然本河段内枯水河床发生明显冲刷下切,但洲滩冲刷并不明显:关洲、芦家河碛坝冲淤交替,总体稳定,水陆洲、柳条洲则明显淤高或增大(表1)。从处于下段的水陆洲、柳条洲的演变过程来看:20世纪70年代水陆洲还只是上起昌门溪下至肖家堤拐的大低滩,80年代洲滩中上部开始淤积大量卵石而抬高,洲尾则冲刷萎缩,至90年代末基本形成当前的洲滩形态;柳条洲在20世纪70年代还只是江心的潜洲,80年代以后柳条洲不断淤积高大,于90年代末基本形成当前形态。可见,水陆洲、柳条洲成型年代均较晚,其组成为新近的沉积物。河段内张家桃园和吴家渡边滩处于沙卵石河段末端,其形态与上游来沙密切相关。从历年地形变化来看,汛期上游来沙量大则边滩淤高、面积增大,并常与上游的水陆洲、柳条洲心滩尾部相连,而来沙量少的年份,则边滩滩型低矮。3.2泥沙粒径的变化三峡水库蓄水后的2003—2007年,宜昌站年均输沙量仅为6674万t,较蓄水前多年平均减少了86%,2003—2007年宜昌站悬移质中值粒径范围为0.0065~0.003mm,与蓄水前的0.009mm相比,出库泥沙粒径明显偏细。与此相应,本河段进、出口枝城、沙市两站2003—2007年年均输沙量较蓄水前减小幅度分别达84%、79%,而悬移质中值粒径有所粗化,沙市附近较蓄水前增大约42%。沙市以下沙质河床的冲刷还引起了沙市站枯水位的大幅下降,至2007年5000m3/s流量下水位较蓄水前下降0.55m。以下主要根据2003—2008年的原型观测资料对该过程中本河段内的河床冲刷和枯水位变化特点进行归纳。3.2.1河段冲刷分布及年际变化(1)历年冲淤量。从三峡水库蓄水前的历史冲刷情况来看(图4),枝江以下是河床抗冲性较弱的区段,因而重点结合2003—2008年的枯期实测地形资料,讨论了该区间冲刷量的变化情况。计算昌门溪-大布街河段枯水河槽(5000m3/s)年际之间冲淤量如图6所示,从冲刷量随时间的变化来看,2005年前有冲有淤,即使有冲刷其量也不大,甚至流量较大时还会发生淤积,这显然是枝城以上区间内床沙补充的缘故,而2006年后两年宜昌流量虽不大,但河段内冲刷强度明显增大,尤其是2006年宜昌径流量仅2848亿m3,但其冲刷量却是2003年的近4倍,这显然是由于上游补充沙量较少,主要冲刷带转移至本河段所导致。由于2006年前昌门溪-大布街冲淤交替,因而重点以2007年、2008年的数据考察了区间内部的冲刷分布情况。其结果显示,中间的枝江-下曹家河冲刷量最小,枝江以上及下曹家河以下冲刷强度较大,这显然与枝江以上有水陆洲,而柳条洲主体及吴家渡边滩位于下曹家河以下有关。这个现象表明洲滩是冲刷的重要部位,同时也说明下曹家河以下临近沙质河床,因而冲刷强度最大。(2)深泓剖面及典型断面变化。对2003—2008年本河段的深泓纵剖面进行了比较,由于地形施测时间均为每年的3月份,因而深泓的变化能够说明年际之间沿程冲淤。总体来看,水库蓄水以来本河段表现为趋势性冲刷。冲刷的基本特点是(图7),枝江以上冲刷幅度小于枝江以下,深槽冲刷幅度大于高凸的浅滩段,但需要注意的是枝江下浅区(李家渡以下)、江口浅滩(下曹家河以下)所在位置虽然高程较高但冲刷明显,只有芦家河毛家花屋-姚港、枝江李家渡附近(枝江上浅区)在蓄水后依然保持了稳定,年际之间变形甚小,这显然是由前者的河床组成主要为沙质而后者主要为卵石层所决定的。通过典型位置年际之间断面变化比较发现(图8)。冲刷比较明显的位置都是沙质覆盖层较厚、抗冲性较弱的支汊、边滩等位置,而抗冲性较强的芦家河碛坝,变形并不大。(3)洲滩变化。将各洲滩年际之间的等高线进行比较,一些代表等高线的变化见图9,一些特征值变化见表1。比较结果显示三峡水库蓄水后河段内的洲滩变化显示出以下特点:各洲滩顶部高程变化不大;芦家河碛坝、关洲面积变化不大,但靠近下游的水陆洲、柳条洲面积萎缩,萎缩的主要形式是滩头或滩尾以及滩缘的沙质低滩被冲蚀,如水陆洲洲尾30m等高线冲刷趋势明显(图9(c)),柳条洲头年际之间逐步后退同时洲体右缘有所崩退(图9(d)),同样的面积萎缩情况也见于张家桃园边滩和吴家渡边滩;分汊河段的支汊有所发展,如关洲左汊串沟逐渐上延(图9(a));芦家河右汊进口的陈二口深槽有所下延,出口羊家老边滩上串沟发展(图9(b));枝江水陆洲、江口柳条洲左汊也冲刷明显。总体来看,洲滩的变化主要体现在芦家河以下,2008年较2003年相比,中水位以下的滩缘等高线已普遍萎缩,洲体体积缩小;支汊冲刷在整个河段内均比较明显,一些边滩根部也出现串沟。3.2.2年际变化过程根据2003—2008年每年1—3月沿程水位实测资料,统计5000m3/s流量下(枝城流量)河段内沿程水位,并据此分析水位降幅的沿程分布和年际变化特点。由图2可见,枝城、陈二口等位置年际之间水位波动但无下降,水位下降主要体现在昌门溪以下,李家渡、枝江、大布街降幅均较大,大布街水位2008年较2003年下降达0.4m,接近沙市0.55m的降幅。由年际之间的变化过程来看(图10),沙市水位均匀缓慢下降,而大布街、枝江、昌门溪等位置则于2006年突然大幅下降,这一方面说明沙市水位下降后溯源冲刷向上游传递存在一定的滞后性,另一方面也说明2005年来水较大可能对沙卵石河段末端冲刷具有较大影响。值得指出的是,水位下降过程中枝城、马家店、陈家湾等站水位的相关关系仍然保持了水库蓄水前的变化规律(图5)。由长河段内间隔分布的水位观测点的数据来看,芦家河毛家花屋-姚港、枝江昌门溪-李家渡是河段内比降最大的区域,最陡比降可达4/10000以上。自2003年以来,在这些区间内设置了间距约400m的局部水尺用以观测详细的比降变化。近两年来的观测数据显示,由于李家渡以上水位变幅甚小,因而局部比降也仅是年际之间的波动,趋势性变化不明显。此外,汊道分流比的测量资料表明,尽管河段内分汊河段普遍出现了支汊冲刷的现象,但分流比变化主要取决于主、支汊冲刷的剧烈程度,如芦家河右汊高程有所降低而左汊变化不大,因而枯期右汊分流比略有增大;而江口汊道主支汊皆冲,分流比未显示明显变化(表2)。总体来看支汊的冲刷尚未使主支格局发生明显改变,该特点不同于丹江口水库蓄水后下游分汊段支汊普遍淤积萎缩的规律。3.3本河段冲刷特性长江沙卵石-沙质河床的过渡段位于三峡下游出山口附近,其复杂河床组成既受基岩边界的影响,又是地质时期漫长冲积过程的结果,河流属性介于山区河流和平原河流之间。修建水库之后,水库上游处于堆积状态,长期淤积之后往往会出现一些冲积河流的属性,与此相反,水库下游过渡段冲积层逐渐冲失过程中,冲积河流属性将逐渐减弱。近坝段近几十年来出现的卵石滩增多、枯水落差增大等现象,正是冲积河流属性减弱的体现,这一过程显著地受制于河床组成的影响。由于枝城-陈家湾河段内河床组成的纵向、横向及垂向变化具有明显的不均匀分布特性,因而它对河床演变的影响仅仅通过有限的勘测点还难以全面认识,需要结合已经发生的水位下降、河床冲淤分布等方面实测资料,综合加以分析。由1970年以来本河段内持续30余年的冲刷过程可以看出,河床的纵向和横向冲刷特性均与河床组成紧密相关,而以昌门溪-马家店(枝江)一带为界,其上下游河床组成的差别导致了冲刷现象呈现了明显的区别。枝江以上的关洲、芦家河两分汊段,洲滩以卵石为主,深泓剖面总体坡度平缓,枝江以下的枝江、江口等分汊段,洲滩表层的沙质覆盖层逐渐增多增厚,深泓剖面总体较陡(图2、图3)。在上游沙量减少和下游水位下降的条件下,上下两段冲刷特性的区别体现在多个方面:(1)从纵向冲刷方面来看,枝江以上冲刷量小且主要集中在1995年前,河床形态对水位控制作用强,上下游水位降幅不同步的现象比较突出;而枝江以下逐渐进入沙质河床,河床持续冲刷,水位基本保持同比例下降(图4、图5);(2)从洲滩冲刷变形来看,越靠上游的河段洲滩变形越小,下游的水陆洲、柳条洲由于沙质比重较大,在葛洲坝蓄水后仍有明显的淤高和涨大现象,而三峡水库蓄水后虽因缺少大洪水冲刷,滩顶高程变化不大,面积萎缩却十分明显(表1,图9)。从三峡水库蓄水前后的冲刷现象可以看出,河床变形现象与水沙条件的变化是相一致的。蓄水前,本河段内经历的主要是推移质冲刷,至蓄水前关洲、芦家河等河段深泓和洲滩基本已形成粗化层。蓄水后较之于蓄水前,河段内最大的变化是悬移质沙量急剧减少,枯期流量略有增大,与此相应,本河段内深泓变形较大的是河床上沙质比重较大的枝江以下部分,河床平面变形主要体现为两种:(1)汛期流速较大而河床又具有一定可冲性的位置发生冲刷,如关洲左汊、芦家河右汊、水陆洲头尾,张家桃园边滩、柳条洲头等部位;(2)以前的缓流淤积区,蓄水后失去泥沙补给而冲刷,如水陆洲左汊,柳条洲左汊,吴家渡边滩等(图8)。这些变化造成过水断面面积增大,正适应了枯期流量增加的需求,反映了河床的自调节作用。河段内洲滩、深泓、汊道均发生冲刷的情况下,由于枝江以上河床可冲性及变形幅度小于枝江以下,因而水位下降幅度以昌门溪为界存在明显差别。4下游水位下降的溯源传递特征由当前的观测数据可见,本河段自2006年后进入剧烈冲刷期,冲刷幅度明显大于2005年前,而下游水位下降的溯源传递也在2005年后明显上移,可见今后一段时期将是河床冲刷及水流条件变化发展比较迅速的时期。结合上下游边界条件的变化趋势以及河段内河床组成,能够对本河段今后的冲刷趋势进行估计。4.1积极性根据以往对宜昌-枝城河段开展的大量冲刷预测,三峡水库蓄水后枝城以上的极限冲刷量约为1.25亿m3(相对于1993年地形),将在蓄水后10~15年完成,而蓄水以来的实测地形资料显示,至2007年10月宜昌-枝城河段冲刷量已达1.34亿m3(相对于1993年地形),与计算值十分接近。河床表层泥沙级配的实测数据也显示,三峡水库蓄水后葛洲坝水库下游床沙粗化现象逐渐向下游推进,至2007年10月坝下45km范围内中值粒径多数已达30mm以上,枝城以上未粗化的河段仅余15km左右。由此可见,将来宜昌-枝城段向下游的沙量供给将非常有限。本河段出口的水位降幅主要取决于下游沙质河床的冲刷。根据以往开展的大量研究,尽管各家预测值在定量上存在差别,但均认为三峡水库蓄水20年后沙市枯期水位降幅将达1.5m以上,极限值达2m以上。比照当前沙市枯水位0.55m的降幅,其未来的下降余地仍相当大。4.2深充冲积效应在下游水位将大幅下降而上游又无沙量补给的情况下,河段内的冲刷主要取决于河床组成,尤其是昌门溪以下段的河床组成。由图1中各位置的地质勘测资料基本可以形成对昌门溪以下河床组成和厚度分布的全面了解。从沙质或粉细沙夹卵石覆盖层厚度来看,水陆洲头部、柳条洲头部、张家桃园边滩中后部等位置覆盖层较薄,已接近或处于卵石层面。水陆洲尾部及左侧、柳条洲左侧及中后部尚有深厚沙质覆盖层,局部沙质层最厚达7