三峡水库蓄水前后荆江河段冲淤与水沙过程响应

樊咏阳，胡春燕，陈莫非

(长江勘测规划设计研究有限责任公司，湖北 武汉 430014)

荆江河段自古便是长江流域最为重要的险工河段，历来便有“万里长江，险在荆江”的说法。三峡水库蓄水前，荆江河段在1993～1998年间平滩河槽总体处于淤积态势[1]，累计淤积量达1.26亿m3。三峡水库蓄水运行以来，荆江河段是坝下游冲刷最为剧烈的河段[2-3]。基于长江水利委员会水文局(以下简称“长江委水文局”)实测数据，利用断面法统计的冲淤量结果：2002～2015年，宜昌至城陵矶河段累计冲刷量8.7亿m3。三峡工程运行以来，由于水库蓄水拦沙，坝下游各水文站的沙量也发生了变化[4]。根据长江泥沙公报统计：三峡水库蓄水前宜昌站年均径流量为4 400亿m3，年均输沙量为5.000亿t，沙市站年均径流量为4 050亿m3，年均输沙量为3.800亿t。2003年，宜昌站径流总量为4 097亿m3，年均输沙量为0.976亿t，沙市站径流总量为3 924亿m3，年均输沙量为0.352亿t。悬沙输移减少会引起坝下游深泓摆动[5]、分汊河段主支易位[6]，给防洪、航运带来不利影响[7]，还会引起近岸河床冲刷、岸坡失稳，影响底栖生物的生存环境[8]。因此，三峡水库蓄水后坝下游水沙条件变化、输沙量减少等问题，引起了广泛关注。

自三峡水库兴建起，结合其他水库蓄水运行的经验，韩其为[9]、殷瑞兰[10]、卢金友[11]、董耀华[12]等就对三峡水库蓄水后水沙条件以及坝下冲刷等问题进行了预测，初步预测荆江河段将成为蓄水初期冲刷最为剧烈的河段，平均将发生2.0～5.3 m的刷深。三峡水库蓄水运行后，通过实测水文、地形资料分析发现：水库蓄水对下游径流总量变化影响不大，荆江河段年输沙量减少了76%～88%(2003～2011年)[13]，河床滩槽均冲，主要冲刷部位集中在枯水河槽内[14]，边滩冲刷后河床有所展宽[15]，断面宽深比增大[16]。基于造床流量[17-18]及有效流量[19]变化的分析结果表明：流量输沙量关系的变化改变了有效流量，从而改变了河道演变特性。荆江河段造床流量的变化表明：三峡水库蓄水以来河床一直处于纵向刷深发展中，冲刷部位集中于中小水河床。

目前，已有研究主要集中于分析三峡水库蓄水运行后，水沙条件变化的情况下，荆江河段年际地形地貌变化，缺乏对坝下游河段冲淤规律随流量级变化的认识。因此，在已有研究的基础上，为了系统分析三峡水库蓄水前后荆江河段水沙相关关系以及不同流量级下河段冲淤规律的变化，本研究基于荆江河段水文站1992～2017年实测水文资料，分析了荆江河段悬沙输移以及河床冲淤变化规律，既有助于认清水库拦蓄泥沙后坝下游水沙过程的重新分配对下游河道冲淤变化的影响，同时也可为水库调度以及下游防洪、航运、生态等工程的实施提供一定理论参考。

1 资料来源及研究方法

1.1 研究河段

荆江河段上起枝城，下迄城陵矶，全长约348 km。以藕池口为界，可分为上荆江与下荆江；上荆江上起枝城，下迄藕池口，全长175 km；下荆江上起藕池口，下迄城陵矶，全长173 km。荆江河段距三峡水利枢纽约100 km，三峡水库蓄水以来，荆江河段为目前坝下游冲刷最为剧烈的河段，2002～2015年，宜昌至城陵矶河段累计冲刷量8.7亿m3。因此选取荆江河段作为研究对象，可以更好地分析三峡水库蓄水以来出库泥沙变化对坝下游各测站输沙量变化的影响以及对河床冲淤规律影响。研究河段河势如图1所示，其中以沙市为界，上游为砂卵石河床，下游为沙质河床。

图1 研究区域河势Fig.1 Sketch of study area

由于本研究数据来源于国家基础水文站，因此，实际研究河段范围为宜昌水文站至螺山水文站。其中包括了洞庭湖三口五站分流以及城陵矶入汇。

1.2 资料来源

研究数据来源为长江委水文局实测水文、泥沙资料。资料来源、测量时间等如表1所列。水文资料主要来源于荆江河段宜昌水文站、沙市水文站、监利水文站以及螺山水文站。由于该河段包括洞庭湖分、汇流，因此还收集了洞庭湖三口五站分流以及入汇水沙的测量数据，主要包括：松滋口分流测站(新江口水文站、沙道观水文站)，太平口分流测站(弥陀寺水文站)，藕池口分流测站(康家岗水文站、管家铺水文站)，洞庭湖入汇长江的测站(城陵矶水文站)。

表1 数据来源及测量时间Tab.1 Data sources and measuring time

受收集资料长度限制，三峡水库蓄水前分析中并未考虑三口五站分流、分沙。仅根据实测情况，参照已有研究结论，按照一定比例对三口分流量进行了估算[20]。

2002年前，松滋口年均分流量6.97%，太平口年均分流量2.50%，藕池口年均分流量3.50%，三口累计总分流量年均值约13.00%。三口分沙量按照分流量进行估算。

1.3 研究方法

基于实测水文资料分析悬沙输移规律，采用分时间段、流量分级的方式对流量、输沙量资料进行处理。按照2 000 m3/s流量一个分级进行统计，以2003年为界分为三峡水库蓄水前以及蓄水后两类，而蓄水后又以2008年175 m试验性蓄水为界，分为2004～2008年以及2009～2017年2个时间段进行研究。

冲淤变化分析基于实测水文资料，采用10 d滑动平均值对数据进行处理，并用分时间段、流量分级的方式整理数据，按照5 000 m3/s流量一个分级进行统计，分为1992～2002年、2003～2008年以及2009～2017年不同时间段进行研究。计算方法为输沙量法，根据已有研究结果，通过输沙量法计算河段冲淤量是合理可信且具备分析结果更为细致的特点[21-22]，输沙量法计算结果与地形法计算结果之间存在一定差别，这一差值产生的主要原因是河段冲淤尚未达到平衡[23]以及崩岸、采砂等突发现象的影响[24]。

2 悬沙输移规律变化

三峡水库蓄水后，坝下游输沙显著减少(见图2)：尤其是2009年以来，水库下泄泥沙进一步减少，因此悬沙输移量随流量级的变化规律也同样发生了一定变化。

图2 宜昌水文站年径流总量、输沙量年际变化Fig.2 Annual discharge and sediment load variation of Yichang Station

根据统计结果可以看出：三峡水库蓄水前后，宜昌、沙市、监利、螺山等4个干流测站，流量与单位时间输沙量之间呈现良好的幂指数关系，相关系数R2值均在0.9以上(见表2)。

表2 拟合关系曲线结果分析Tab.2 Analysis of the fitting curves

2.1 宜昌水文站水沙关系

宜昌站为三峡水库坝下游第一个国家基本水文站，自坝址至宜昌水文站，河床组成均为砂卵石，床面泥沙起动流速较大，由宜昌站拟合的相关关系可知(见表2)，幂指数m值最大，且三峡水库蓄水后，河床进一步冲刷粗化，m值有增大趋势。

但从同流量下水流水沙量变化可以看出，宜昌上游床面已经冲刷至保护层附近。从2004～2008年与2009～2017年的变化可以看出(见图3)，同流量下水流输沙量变化已经很小，尤其在中小水流量下，河床表层泥沙起动非常困难。

图3 宜昌水文站流量输沙量相关关系Fig.3 Relationship between discharge and sediment transportation amount of Yichang Station

2.2 沙市水文站水沙关系

沙市站位于上荆江中段，自宜昌至沙市河段，存在松滋口、太平口两个口门分流，同时沙市水文站上游的杨家垴附近为荆江砂卵石河床与沙质河床的分界点。因河床泥沙组成的变化，杨家垴至沙市水文站这一段为三峡水库蓄水初期冲刷较为剧烈的河段。但由于出库泥沙的减幅较大，杨家垴至沙市仅32 km的沙质河床无法完全补给出库水流中减少的泥沙。因此，三峡水库蓄水以来，沙市站同流量下水流输沙强度出现了大幅度的减少(见图4)。

图4 沙市水文站流量输沙量相关关系Fig.4 Relationship between discharge and sediment transportation amount of Shashi Station

从图4可以看出，2004～2008年相较1992～2003年同流量下水流输沙强度的减幅约70%。2009年以后减幅趋缓，m值增大，这表明宜昌至沙市河段河床同样出现了泥沙补给不足、河床表层泥沙冲刷难度增大的现象。

2.3 监利水文站水沙关系

监利站位于下荆江中段，自沙市至监利站，长江干流再次经历藕池口分流分沙。沙市至监利河段均为沙质河床，床面泥沙补给较为充足，从拟合曲线来看，监利站2004～2008年相较1992～2003年同流量下水流输沙量减幅约为60%，且主要以细颗粒泥沙为主[3]，粗颗粒泥沙基本维持不变。同时，m值在这一时段内也基本维持不变(见图5)。但2009年以后，m值明显增大，同流量下水流输沙量进一步减小，但减幅已明显减小。这表明监利站以上河床床面粗化，表层泥沙冲刷难度增大，河床泥沙补给不足。在现状的出库水沙条件下，监利站以下的河段河床冲刷将进一步发展。

图5 监利水文站流量输沙量相关关系Fig.5 Relationship between discharge and sediment transportation amount of Jianli Station

2.4 螺山水文站水沙关系

螺山站为荆江河段下游第一个水文站，距离荆江尾端、洞庭湖入汇口城陵矶约20 km。长江干流监利至螺山河段河床均为沙质河床，而且河段存在洞庭湖入汇水沙补给。因此，从图6可以看出：在2004～2008年间，同流量下水流输沙量相较1992～2003年减幅约50%，而2009年以来，仍有较大幅度的减少。以40 000 m3/s流量下的输沙量为例，三峡水库蓄水前(1992～2003年)，输沙量约为22 t/s；2004～2008年，较蓄水前减小42.1%；2009～2017年较蓄水前，减小74.4%。这表明：螺山水文站同流量下水流输沙量2009年以来仍维持了较为明显的减小，但螺山站拟合公式的m值并未增大，这一现象既与监利至螺山河段河床仍有较为丰富的泥沙补给有关，也与城陵矶站同流量下输沙强度维持不变存在一定关联(见图6)。城陵矶泥沙补给影响了螺山站同流量下水流输沙强度的变化。

图6 螺山水文站流量输沙量相关关系Fig.6 Relationship between discharge and sediment transportation amount of Luoshan Station

城陵矶测站为洞庭湖入汇长江的唯一出口水文站，其测量数据反映了洞庭湖入汇长江的水流、泥沙情况。从统计数据可以看出，洞庭湖入汇泥沙同流量下并未发生明显变化，洞庭湖湖区仍有充足的泥沙储备补给长江，这也是螺山站同流量下输沙量减幅不明显(见图7)，且m值并未增大的原因之一。

图7 城陵矶水文站流量输沙量相关关系Fig.7 Relationship between discharge and sediment transportation amount of Chenglingji Station

基于图3～6对宜昌站、沙市站、监利站以及螺山站不同时期的流量输沙量经验曲线的拟合公式，分别计算了各站在10 000，20 000 m3/s以及40 000 m3/s流量下的输沙量变幅。对比基础为1992～2003年各站同流量下的输沙量，其中“-”表明输沙量减少(见表3)。

表3 各水文站同流量下输沙量变化情况Tab.3 The sediment transport amount variation under the same water discharge in different stations

统计结果表明：自三峡水库蓄水运行以来，荆江河段各水文站同流量下输沙量均有不同程度的减少，减幅最大的为宜昌站，2009～2017年较蓄水前10 000 m3/s流量下的输沙量减少了97.2%；减幅最小的为螺山站，由于沿程河床泥沙冲刷补给以及洞庭湖入汇泥沙补给，螺山站2009～2017年10 000 m3/s流量下，输沙量减幅为57.8%。

综上所述，以三峡水库试运行、175 m试验性蓄水为节点，将荆江河段各水文站水文、泥沙数据划分为3个时间段，并利用幂函数拟合单位时间水流输沙量与流量之间相关关系这一研究方法是合理的。拟合结果显示：各站流量输沙量相关关系良好，R2值基本在0.9以上。随着三峡水库蓄水运行，干流各站同流量下输沙强度均有了显著的降低，上荆江河段由于河床粗化同流量下水流输沙量在2009年以来变化很小，而下荆江河床仍储备较为丰富的泥沙，床面存在持续冲刷的可能。洞庭湖泥沙储量丰沛，城陵矶同流量下水流输沙强度并无明显变化。

3 冲淤变化分析

基于荆江河段各水文测站流量、含沙量数据，采用10 d滑动平均法进行处理后，利用输沙量法计算了各河段不同流量级对应的平均冲刷强度。

3.1 宜昌至沙市河段冲淤变化

三峡水库蓄水运行后，近坝段的宜昌至沙市河段冲刷较为剧烈。从图8可以看出：该河段在三峡水库蓄水前以淤积为主，三峡水库蓄水后，该河段转淤为冲，各流量下基本均呈现冲刷态势；在30 000 m3/s以下，2004～2008年冲刷强度大于2009～2017年；当流量级大于30 000 m3/s时，2009～2017年冲刷强度大于2004～2008年均值。在不同时期，最大冲刷强度所对应的流量级略有增大，2004～2008年的最大冲刷流量级约为35 000 m3/s，2009～2017年增大至40 000 m3/s。

3.2 沙市至监利河段冲淤变化

沙市至监利河段在三峡水库蓄水前同样以淤积为主，与宜昌至沙市河段情况相似。三峡水库蓄水后，该河段转淤为冲，当流量小于23 000 m3/s时，2004～2008年的冲刷强度大于2009～2017年；当流量大于22 000 m3/s时，2009～2017年冲刷强度更大。最大冲刷强度对应流量在2004～2008年约为22 000 m3/s，2009～2017年略有增大，最大冲刷强度对应的流量级约为23 000 m3/s(见图9)。

图9 沙市至监利河段不同时段各流量级冲刷强度变化Fig.9 Erosion intensity according to different water discharge in the reach from Shashi to Jianli

3.3 监利至螺山河段冲淤变化

监利至螺山河段在三峡水库蓄水前同样以淤积为主。而由于存在洞庭湖入汇的水沙补给，三峡水库蓄水后中小流量下，仍以淤积为主，2004～2008年，流量位于35 000～45 000 m3/s之间时，该河段冲刷，最大冲刷流量约为40 000 m3/s。2009～2017年，流量大于42 000 m3/s时，转淤为冲，且随着流量增大，冲刷强度增大，实测数据范围内最大冲刷强度对应的流量超过50 000 m3/s(见图10)。

图10 监利至螺山河段不同时段各流量级冲刷强度变化Fig.10 Erosion intensity according to different water discharge in the reach from Jianli to Luoshan

综上所述，荆江河段整体冲淤规律由三峡水库蓄水前(1992～2003年)淤积为主转为蓄水后(2004～2017年)以冲刷为主。三峡水库蓄水后各河段均存在引起冲刷最剧烈的流量级，宜昌至沙市河段冲刷最剧烈的流量级为35 000～40 000 m3/s(宜昌站流量)，沙市至监利河段为22 000～23 000 m3/s(沙市站流量)，监利至螺山河段为40 000～50 000 m3/s(螺山站流量)。最大冲刷强度对应的流量级在蓄水后均有增大趋势，2009～2017年冲刷最剧烈流量在各河段均大于2004～2008年均值。

4 结 论

三峡水库蓄水后，出库泥沙大幅度减少是引起坝下游河段剧烈冲刷的重要原因，已有研究结果表明：三峡水库蓄水后，荆江河段由20世纪90年代淤积为主转为剧烈冲刷，荆江河段最大冲深达18.2 m[13],荆江河段崩岸情况也有所加剧。因此，分析出库泥沙减少后的荆江河段冲淤规律的变化很有必要。

本研究基于三峡水库蓄水前后荆江河段水文测站实测流量、含沙量资料，采用输沙量法分析了流量与输沙量、冲淤强度之间的相关关系，结果表明：荆江河段输沙量随流量变化呈现幂指数相关关系，且相关性较好，干流宜昌、沙市、监利、螺山等站在三峡水库蓄水后不同阶段均出现了同流量下输沙量减小的现象。根据拟合结果，宜昌、沙市、监利站蓄水后拟合曲线的幂指数值m均有增大，河床泥沙起动难度增大，表明床面粗化明显。而城陵矶站湖区入汇泥沙在不同时期并无明显变化，从而影响了螺山站流量输沙量关系，使螺山站流量输沙量拟合曲线的m值并未增大。

根据输沙量法分析冲淤结果表明：三峡水库蓄水前(1992～2003年)，荆江河段各流量级均以淤积为主，部分中小流量略有冲刷；而三峡水库蓄水后，荆江河段各流量级则转而以冲刷为主，且存在冲刷最为剧烈的流量级，宜昌至沙市河段为35 000～40 000 m3/s，沙市至监利河段为22 000～23 000 m3/s，监利至螺山河段为40 000～50 000 m3/s。