三峡水库蓄水后大通至江阴河段河床冲淤变化分析
时间：2022-12-05 17:10:05 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
朱玲玲，罗龙洪，曹 双
（1.长江水利委员会水文局，湖北武汉 430010；
2.江苏省水利工程规划办公室，江苏南京 210029；
3.长江下游水文水资源勘测局，江苏南京 210011）
长江干流自三峡水库以上称为上游，自三峡水库往下至鄱阳湖湖口称为中游，湖口至长江口为下游，其中湖口至大通为径流作用河段，大通以下为感潮河段。自然条件下，大通以下的水沙主要来自于长江上游，1950—2000年宜昌站多年平均年径流量占大通站的比例接近5成，年输沙量更是超过大通站。三峡水库运行后，基本截断了长江中下游的泥沙来源，同时对长江上游的径流过程具有较强的调控作用［1］，中下游河道在水沙双重变化的条件下，河床冲淤调整在所难免。三峡工程论证阶段专家认为，三峡水库建设对中下游河道河床冲淤调整的影响范围大致在湖口附近，最远可达大通附近，因此关于长江中下游河道冲淤的预测计算范围一般为宜昌至大通河段［2］。然而，三峡水库2003年蓄水后10年，长江中下游河床发生了长距离且较预测发展更快、强度更大的冲刷［3］。尤其是自2010年开始，金沙江中游、下游大型水利水电工程陆续建成运行，三峡水库入库、出库的水沙条件进一步发生改变［4］，宜昌站2011—2021年输沙量均值相较于三峡水库蓄水前减少幅度超过95%，长江中游河道整体的冲刷强度明显增大，长江下游2001年以来的观测资料显示，自湖口至徐六泾均呈冲刷状态［5］。以往关于三峡及以上梯级水库群运行后，下游河道的冲淤调整关注重点主要集中在大通以上河段，对于大通以下河段冲刷冲淤特征的分析尚不多见。本文基于近20年大通至江阴河段的水文、泥沙、固定断面及水下地形等观测数据，对大通至江阴河段的水沙条件、河床冲淤量开展分析计算，以期为长江下游河道的综合规划治理及保护提供依据。
本研究以长江下游大通至江阴河段为对象，采用大通站水文泥沙、大通至江阴河段地形及固定断面观测资料。其中，大通站位于研究区域入口，控制着大通至江阴河段的径流水沙条件，分析时段为1981—2021年，根据地形资料情况划分为1981—2000年和2001—2021年各历时约20年的2个时段，2001—2021年各小时段的划分主要依据观测资料的时间序列。地形和固定断面资料主要用于分级计算河床冲淤量。长江下游大通至江阴段全长约452.8 km（含大通河段），根据河道形态特征，可以划分为大通、铜陵、黑沙洲、芜裕、马鞍山、南京、镇扬和扬中等8个河段，采用断面法计算各河段洪水河槽、平滩河槽和枯水河槽2001—2021年的河床冲淤量。文中河床冲淤量的统计时段如2001—2006年实际是指2001年10月至2006年10月，仅2021年为汛前4月。
水沙条件改变是引起河床冲淤的动力和物质因素，大通站位于大通至江阴河段进口，可以代表研究河段的水沙条件变化。1981年以来大通站年径流量和年输沙量逐年变化过程如图1，其中1998年径流量最大，为12 440亿m3，年径流量以周期性波动变化为主，无明显的趋势性调整，1981—2000年和2001—2021年2个时段，大通站多年平均年径流量大致相当，后者略偏小2.0%。三峡水库蓄水后以2007—2011年径流量均值为最小，其中2011年是1981年以来，年径流量最小的年份，仅6 671亿m3，时段平均年径流量为7 933亿m3，较之1981—2000年偏小12.4%。此后，大通站径流持续恢复，至2017—2021年间，其时段平均年径流量增至9 669亿m3，较之1981—2000年偏大6.8%。同时，从年内的径流过程来看，1981—2000年期间，大通站年内超过平滩45 000 m3/s以上的出现历时较2001—2021年偏大，尤其是60 000 m3/s以上洪水历时偏大近1倍。30 000～45 000 m3/s中水持续时间变化较小，10 000～30 000 m3/s中低水持续时间明显延长，年均延长34 d，小于10 000 m3/s持续时间明显缩短，自2007年起日均不再出现小于10 000 m3/s的流量。
图1 1981—2021年大通站逐年径流量、年输沙量变化
大通站输沙变化相对剧烈（表1），1981年以来就开始出现输沙减少的趋势，统计时段内年最大输沙量为1981年的5.37亿t，年最小输沙量为2011年的0.718亿t。1981—2000年和2001—2021年的年输沙量均值分别为3.82亿t和1.46亿t，后者偏少61.8%，年均含沙量由0.422 kg/m3下降至0.165 kg/m3。尤其是2017—2021年，在径流量整体偏丰的背景下，年输沙量均值下降至1.18亿t，相较于1981—2000年下降69.1%，含沙量均值减小至0.122 kg/m3，相较于2001—2006年偏小48.1%。可见，近20年受长江上游及其他流域大型控制性水利枢纽工程建设运行的影响，大通站的输沙量持续减少，含沙量大幅减小，进而对河床冲淤产生显著影响。
表1 南京站降水量变化趋势分析
在三峡水库蓄水前的1975—2001年历时26年的时间里，大通至江阴河段平滩河槽累计冲刷0.515亿m3［5］，年均冲刷量为0.020亿m3/a。三峡水库蓄水后，统计2001—2021年，在大通来流为60 000 m3/s、45 000 m3/s和10 000 m3/s（分别代表洪水河槽、平滩河槽和枯水河槽）的水面线下，大通至江阴河段分别累计冲刷14.2亿m3、12.5亿m3和11.3亿m3（表2），平滩河槽年均冲刷量为0.625亿m3/a，是蓄水前的30多倍。可见，三峡水库蓄水后，长江下游大通至江阴河段河床的年均冲刷强度明显加大，主要与水流含沙量大幅减小有关。
表2 2001—2021年大通至江阴河段不同水位下河槽冲淤量
3.1 平面分布
从平面分布来看，河床冲刷呈现“滩槽均冲”的分布特征，其中高滩部分冲刷量（洪水河槽与平滩河槽冲刷量差值）为1.7亿m3，中低滩部分冲刷量（平滩河槽与枯水河槽冲刷量差值）为1.2亿m3，高中低滩累积冲刷2.9亿m3，占洪水河槽冲刷总量的20.4%，滩体的累积冲刷量和占比明显地大于长江中游宜昌至湖口河段的不足8%［5］。各河段滩体冲刷量占比在1.8%～42.8%之间不等，其中马鞍山河段最小，黑沙洲河段最大。相较于长江中游段，一方面大通以下长江下游干流河道的河宽较为发育，分布有大量的规模不一的滩体，具有典型的多分汊属性；
另一方面，长江中游典型的中低滩体目前基本已实施护滩工程，因而下游河道的滩体冲刷特征更为明显。
3.2 沿程分布
从沿程分布来看，长江干流安徽境内的大通、铜陵、黑沙洲、芜裕、马鞍山河段总河长为195.5 km，占大通至江阴总长的43.2%，其洪水河槽、平滩河槽和枯水河槽冲刷量占大通至江阴段总冲刷量的比例分别为46.9%、42.5%和34.7%。江苏境内的南京、镇扬和扬中河段总河长为257.3 km，占大通至江阴总长的56.8%，其洪水河槽、平滩河槽和枯水河槽冲刷量占大通至江阴段总冲刷量的比例分别为53.1%、57.5%和65.3%。可见，安徽境内干流河道的滩体冲刷较之江苏境内的更为明显，枯水河槽的冲刷南京以下河段强度偏大。
3.3 沿时分布
从冲刷发展过程来看，前10年，洪水河槽、平滩河槽和枯水河槽河床冲刷量占总量的比例分别为44.6%、43.3%和41.4%，近10年，三级河槽冲刷量占总量的比例分别为55.4%、56.7%和58.6%，河床冲刷强度呈发展的态势。再从5年时间尺度的发展过程来看，前3个5年内，沿程都还呈现一定的冲淤交替的分布特征，如2001—2006年期间，上段铜陵和黑沙洲河段的冲刷强度最大，其下游的芜裕、马鞍山、南京和镇扬河段有所淤积或少量冲刷；
2006—2011年期间，上段前期冲刷强度偏大的铜陵和黑沙洲河段进入冲刷间歇期，前期冲刷较少的芜裕、南京、镇扬和扬中河段冲刷强度加大；
2011—2016年期间，沿程又呈现出冲淤交替式分布特征。近5年，来流量显著增大，但含沙量仍持续下降，水流冲刷强度加大，大通至江阴沿程各河段均呈现冲刷状态，是河段整体冲刷强度最大的时期，但仍然有上段偏大、下段偏小的交替发展特征。
综上可见，长江下游大通至江阴段自2001年以来的强冲刷状态是十分明显的，其主要原因在于大通以上来流的含沙量大幅减小，高强度的次饱和水流要不断地从河床冲起泥沙携带输移。同时，下游河道河床的冲刷发展具有一定的冲积河流属性，在时空发展过程中，都有一定的交替式特征。上游冲多，下游就淤积或者冲少，如2001—2006年期间。上一时段冲多，下一时段就可能少，反之亦然，如2006—2011年期间，大通站含沙量相较于2001—2006年进一步减小，且前期冲刷量相对偏少，尽管年内45 000 m3/s以上高水持续时间偏短，但这一时期的洪水河槽和中高滩的冲刷量都明显比2001—2006年偏大。再对比2006—2011年和2016—2021年，2个时段内大通站的含沙量和45 000 m3/s以上高水持续时间均基本相当，前一时段滩体冲刷1.22亿t，后一时段滩体就基本处于微冲状态。
（1）2001—2021年，长江下游大通站径流量相较于1980—2000年变化较小，输沙量减少61.8%，尤其是在金沙江中游和下游梯级水库陆续建成运行后，大通站的含沙量进一步减小，2017—2021年均值相较于2001—2006年再度下降近50%。
（2）受来沙减少的影响，长江下游大通至江阴河段2001—2021年各级河槽均出现冲刷，平滩河槽累计冲刷12.5亿m3，年均冲刷量较1975—2001年偏大30多倍。
（3）2001—2021年期间，长江下游大通至江阴河段呈“滩槽均冲”的态势，且滩体冲刷量的占比明显高于长江中游河段。河床沿程和沿时冲淤都具有交替式发展的特征，并逐渐由冲淤交替发展为全程冲刷，整体冲刷强度呈增大趋势。
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