三峡工程蓄水后荆江河势变化及整治方案研究

摘要:三峡工程蓄水运用以来,荆江局部河段河势发生了新的变化,影响了长江航运。在以往工作基础上,根据实测资料分析了荆江河段的历史演变、近期演变及三峡工程蓄水运用以来的河道冲刷和崩岸等概况。根据数学模型计算结果,预估了荆江河段的河道变化趋势,提出了荆江河段河势控制的初步方案,对沙市河弯、公安河段、石首河弯及监利河弯提出了阶段性的初步治理设想,可为荆江河势演变研究和工程治理提供参考。

关键词:河势演变; 河势控制; 整治方案; 荆江河段; 三峡工程

中图法分类号: TV85 文献标志码: A 文章编号: 1001 - 4179 (2010) 09 - 0026 - 03

Study on river regime evolution and regulation schemes for Jingjiang Reach after impoundment of TGP

WANG Hongying , HE Guangshui , XIE Zuotao

Abstract: The river regime of local reach of Jingjiang River has changed since the impoundment of TGP, which affects the navigation channel of the Yangtze River. On the basis of previouswork, we analyze the historical and present evolutions of river regime of the Jingjiang Reach, aswell as the erosion and bank collapse after impoundment of TGP according to measured data, and predict the change trend of the river regime. The regulation scheme aiming at controlling the river regime variation of the reach is proposed, and stage-plans for regulation of Shashi, Gong’an, Shishou and Jianli reaches are put forward.

Key words: river regime evolution; river regime control; regulation scheme; Jingjiang Reach; TGP

1　荆江河段河道概况

荆江河段上起湖北枝城下迄湖南洞庭湖口的城陵矶,以藕池口为界分上、下荆江。上荆江河段为微弯分汊河段,由江口、沙市、郝穴3 个北向河弯和洋溪、涴市、公安3个南向河弯以及弯道间的顺直过渡段组成;下荆江河段为蜿蜒性河段,由石首河段、沙滩子弯段、调关弯道、中洲子弯道、监利弯道、上车湾弯道、荆江门弯道、熊家洲弯道、七弓岭弯道及观音洲弯道等10个弯曲段组成。荆江河段北岸为荆江大堤,南岸为荆南长江干堤及岳阳长江干堤,直接保护江汉平原及洞庭湖平原的防洪安全。河段南岸有松滋口、太平口、藕池口及调弦口(于1958年建闸) ,于南岸分长江水入洞庭湖。

2　河段水沙特征

荆江河段泥沙来自上游,宜昌站多年平均输沙量4.85亿t,沙市站多年平均输沙量4.25亿t,监利站多年平均输沙量3.60亿t,洞庭湖城陵矶站多年平均输沙量0.369亿t。松滋口、太平口、藕池口多年平均分沙量分别为0.458、0.177、0.477亿t。输沙量年际变化有减小趁势,宜昌1990年代平均输沙为4. 24亿t,2000～2002年平均输沙为3. 06亿t。

2003年三峡水库蓄水后,进入荆江河段的输沙量减少明显。三峡蓄水前(1950～2002年) ,宜昌、沙市、监利多年平均径流量分别为4368、3942 亿m3 和3576亿m3 ,输沙量分别为4.92、4.34亿t和3.58亿t。与多年均值相比, 2003～2006年,宜昌、沙市和监利站径流量偏枯1%～10%;输沙量偏小明显,偏小幅度在71%～86%之间。上游来沙的减少,将导致荆江河段在今后一个时期内河道发生冲刷。

3　近期河道演变

3. 1　上荆江河段河势及洲滩变化

1972～2002年,受下荆江裁弯、三口分流减少,葛州坝水利枢纽建成运用等综合影响,上荆江河床普遍发生了不同程度的冲刷,但总体河势基本稳定,河床演变主要表现在太平口、马家咀等长顺直段的主流摆动和三八滩、金城洲等汊道段的主支汊交替易位以及局部地段的崩岸。

(1) 枝城- 杨家垴河段。本河段历年河床平面形态、洲滩格局和河势相对稳定,主要特征为关洲左、右缘冲刷崩退,洲身冲刷切割,芦家河浅滩碛坝高程有所降低及江口洲右缘崩退缩小。

(2) 杨家垴- 藕池口河段。该段两岸护岸工程经过历年建设和加固,能有效地稳定全河段的总体河势。火箭洲、马羊洲左汊为支汊,均淤积萎缩,但中高水期仍过流。该段河道演变以沙市河段、公安河段变化为大,并以沙市河段变化最为剧烈。

沙市河弯从陈家湾到观音寺,自上而下分为太平口顺直分汊段、三八滩微弯分汊段及金城洲微弯分汊段。由于多年护岸工程的作用,沙市河段河岸抗冲能力得到加强,总体河势变化趋于稳定,其河道演变特征主要表现为洲滩的冲淤变化及局部河段主流的摆动。1998、1999年连续大水后,沙市河段河势变化较为剧烈,主要表现在: ①三八滩滩面冲刷降低,左右缘剧烈崩退,至2000年9月,老三八滩冲失,并在老三八滩右半部位置,冲刷形成了新的汊道(新右汊) ,新右汊主泓线先北移后南移。老三八滩冲刷消失后,新三八滩淤积形成; ②太平口边滩下半部展宽、下延;金城洲南汊淤积、北汊冲刷; ③中低水位下,三八滩北汊过流能力有所减弱,南汊则有所增强。2000年末至今,新南汊枯季为主汊,新右汊的冲淤变化导致设计通航孔淤废,对桥区通航安全非常不利。

公安河弯上接沙市河弯下至马家寨,属弯曲分汊型河段。河段内有突起洲和马家咀边滩。近几十年来,本河段河势相对稳定,其变化主要表现为马家咀长顺直过渡段主流随着来水来沙条件的变化而频繁摆动。1998年大水后,马家咀边滩崩塌,深泓大幅度右移; 2000～2001年过渡段深泓又逐渐左移,文村夹一带近岸河床冲深十几米,出现一深槽,致使文村夹于2002年3月发生崩岸;相应地突起洲头崩退,左汊冲刷扩大,分流比增大, 2002年8月突起洲左汊分流比为46. 1% ,分沙比为50. 8%; 2004年9月,突起洲左汊最大分流比达51. 2%,分沙比达60. 1% ,左汊曾成为主汊。使左岸近岸岸坡冲刷严重。

马家咀边滩、突起洲头的冲淤变化与公安河弯上段主流摆动密切相关。当主流坐弯时,马家咀边滩冲刷缩小,突起洲淤长扩大,如1980年和1993年。当主流撇弯取直时,马家咀边滩淤长,突起洲洲头及右缘受冲缩小,如1965年和1987年。1993～2006年,突起洲冲淤交替, 30 m高程面积在6. 9～8. 1 km2 之间变化。

主流线左右摆动、顶冲点上下移动是引起公安河段河道演变的重要因素。

3. 2　下荆江河段河势及洲滩变化

在石首河段,由于弯顶上游主流逐渐左移而产生撇弯,向家洲上缘崩退,狭颈急剧缩窄, 1993年汛后狭颈崩穿,并于1994年经崩穿处过流,水流撇开原东岳山节点顶冲北门口以下岸线,相应北门口以上老河道淤积,港口码头不能正常运用。1998年大水后,石首河弯主要表现为凹岸北门口段岸线继续崩退, 1998～2005年每年均发生崩塌险情。随着北门口岸线的不断崩退,水流顶冲点下移,相应地北门口至鱼尾洲的过渡段下移,鱼尾洲水流顶冲部位下移,致使北碾子湾段岸线发生崩塌, 1999年汛期约1km范围内连续出现大小不等的崩窝,局部地段已崩至堤脚。

自1998年以来,监利弯道由于乌龟洲洲头大幅后退(1998～2002年平均后退310m, 2002～2006年平均崩退150 m) ,乌龟洲头部出现潜洲,主流在乌龟洲进口潜洲分左、右两汊,由于河道展宽过大,进入潜洲左汊的水流横向回到乌龟洲右汊,主流经右汊贴洲体右岸而行,过乌龟洲后顶冲下游太和岭一带。

3. 3　近期荆江河道冲刷及崩岸情况

三峡工程蓄水后,荆江河段突出变化主要表现在河床的冲淤及局部岸段的崩岸。据计算, 2003～2008年,荆江河段枯水河槽冲刷1. 93 亿m3 , 年均冲刷0. 386亿m3 / a,远大于三峡工程蓄水前。据统计, 2003～2008年,荆江河段岸滩崩坍险情达139处,年均发生崩岸险情约28处,崩长24. 8 km,分别是2001年和2002年度的1. 47倍和2. 48倍。上荆江河段崩岸河段主要有宜都、枝城、枝江、杨家垴、学堂洲、南五洲和文村夹等7段,文村夹段为上荆江险情多发地段。下荆江河段共有18个出险河段,且多发生在弯道迎流顶冲段堤防,其中长江干堤北门口、调关段以及岳阳长江干堤洪水港段、七弓岭段为险情多发段。

4　三峡工程蓄水后荆江河道演变趋势预估

4. 1　数学模型计算结果

根据长江科学院利用1991～2000年系列年进行的宜昌至大通长河段长时段泥沙淤积数学模型计算结果,至2012年,宜昌至松滋口段悬移质强烈冲刷基本完成。如按河宽1000 m计,宜昌至松滋口河床平均冲深0.85 m。

松滋口至太平口,在水库运用至2022年末冲刷基本完成,若按河宽1200 m计,平均冲深1.11 m。太平口至藕池口,在水库运用至2032年末冲刷基本完成,如按河宽1 300 m计,河床平均冲深2. 83 m;至2052年,河床平均冲深2. 92 m。

藕池口至城陵矶段,至2032年末,该段冲刷量为17.63亿t, 若按河宽1400 m计, 河床平均冲深5. 48 m;水库运用40 a后,该段冲刷已达平衡,冲刷量为18.05亿t, 按河宽1400 m计, 河床平均冲深5. 61 m。

4. 2　河道演变趋势

三峡建坝后,荆江两岸边界条件仍与三峡建坝前基本相同,而且在1998年长江全流域性大洪水后,荆江堤防工程建设和河势控制工程取得重大进展。因此,三峡工程建成后,荆江河段的河道形态和河床演变规律总体上不会有重大改变,即河势虽可能有一定变化,但仍保持原河型不变。

上荆江河段,三峡水库建成后,河床冲刷下切明显,预计对两岸护岸工程在原有基础上及时加固,河道边界条件仍可保持基本不变,河道演变规律也不会有重大改变,即基本河型不变,但由于汛期流量过程调平,洪峰削减,弯道内的支汊可能会进一步萎缩。

下荆江河段,河床冲深下切和相应横向展宽,预计随着下荆江河势控制工程的继续实施,河床平面形态将得以稳定,蜿蜒型河道将被改造为限制性蜿蜒型河道。

(1) 枝城- 杨家垴河段。全河段将发生冲刷,但河势不会有较大变化,局部河段河势将有不同程度调整,如江口汊道左汊将萎缩。

(2) 杨家垴- 藕池口河段。全河段将发生沿程冲刷,太平口、马家嘴、新厂长顺直段以及长约2 km的杨家场短顺直河势可能发生不同程度调整,三八滩、金城洲和突起洲汊道的主支汊将发生兴衰变化,以及沙市、公安和郝穴弯道凹岸水流顶冲位置的上提下移变化。

(3) 藕池口- 城陵矶河段。全河段将发生明显冲刷,预计经过今后进一步实施下荆江河势控制工程,总体河势仍将保持稳定,两个同向弯道之间长仅5 km的碾子湾顺直段,两弯道间长仅5 km的塔市驿顺直放宽段,以及两个同向弯道间长10 km的盐船套长顺直段,曲率过大的弯道或两弯道间过渡段过短的金鱼沟至调关、荆江门、孙良洲至城陵矶河段,其局部河势将发生不同程度的调整。

5　整治方案初步研究

河势演变分析表明,荆江河段近期河势变化以沙市河段、公安河段、石首河段及监利河段较为明显。其中沙市河段因近期主流走三八滩新南汊,船舶被迫走荆州大桥非设计通航孔,桥梁和船舶安全受到威胁。公安河段因突起洲左汊发展,文村夹段频发岸滩崩坍险情,严重威胁荆江大堤的防洪安全。石首河段因主流撇弯,北门口以上原石首市港口码头不能正常运用,近期受主流顶冲点下移,北门口一带岸线迎流顶冲,频发崩岸险情,影响石首市港口码头的正常运行。监利河段因主流再一次位于右汊,乌龟洲左汊淤积萎缩,监利港淤废。为保障荆江地区堤防工程安全,促进荆州地区经济持续发展,宜先期对上述变化明显的4个河段进行河势控制方案的整治研究。

5. 1　沙市河段

沙市河段三八滩汊道是沙市河段变化显著的地段,因而也是该段整治的重点。三八滩南汊年内呈“涨淤落冲”变化,枯水期三峡下泄流量加大,将更有利于新三八滩南汊的发展,从短期趋势看,三八滩枯季主流走南汊的可能性较大。但从长期趋势看,由于三八滩是新淤积起来的水下潜洲,新南汊北岸(三八滩南缘)处于弯道凹岸,加之长期受清水冲刷的影响,在没有人工守护的情况下,三八滩南缘将持续受冲北靠,新南汊将逐渐北移至现在北汊的位置,北汊将会成为主汊。另外,从总体河道平面形态来看,上段涴市河弯为向南的微弯河段,经太平口顺直过渡段后,接三八滩段向北的微弯分汊河段。因此,三八滩北汊多数年份维持主汊地位是总体河道平面形态的客观要求。从沙市河弯三八滩汊道段深槽和分流比变化可知,枯季主流多数年份走三八滩北汊,其河道平面形态与水流动力相适应。因而,主流长期趋势将以走三八滩北汊为主。但由于涴市河弯与沙市河弯之间的过渡段为长顺直段,主流易发生摆动。因此,三八滩汊道段仍存在少数年份发生主支汊易位的可能。

从三八滩汊道河道变化及其变化趋势来看,可抓住目前有利时机,守护三八滩滩体,特别是三八滩滩首及其右缘,同时封堵南汊副通航孔,将腊林洲切割体并入南岸,避免枯期南汊主流分散,及三八滩北汊枯期分流比增大,这可一定程度上解决了荆州市(荆江大堤)的防洪问题,又可避免北汊进口疏浚挖不胜挖的局面,有利于改善三八滩汊道段的航行条件。当然,应对目前三八滩南汊北槽处的非设计通航孔的桥墩防冲防撞问题给予充分关注。

5. 2　公安河段

河弯半径与主流线曲率适中,现有河势条件与沿岸经济布局与发展要求相适应,可继续实施护岸工程,巩固以往护岸工程建设成果,稳定现有河势,如文村夹段护岸工程、西湖庙段护岸工程及公安县城段护岸工程等。

5. 3　石首河段

整治因涉及藕池口分流问题,一直是下荆江河段整治的难点。从主流线变化来看,古丈堤一带近期主流贴岸,近期主流走新生滩右汊的可能性较小,若置茅林口、古丈堤及北门口一带岸线的崩退于不顾,该段将面临再次切滩,既对下游河势不利,又将大幅减小藕池口分流,加大下荆江的防洪压力。因此,近期应对茅林口、古丈堤及北门口一带岸线进行守护。

5. 4　监利河段

根据已有资料统计, 20世纪80年代乌龟洲左汊平均分流分沙比分别为79. 4%、82% , 90年代分别为50. 1%、48. 6% , 2001～2004 年则分别为9. 94%、9. 67% ,可见,左汊已萎缩较为严重。近期主流回到左汊的可能性较小。2009年1月,监利河段乌龟洲汊道进口段右岸新沙洲一带岸线出现不同程度崩坍险情,主流顶冲乌龟洲右缘及铺子湾一带。因此,近期可通过实施护岸工程,维持右汊为主汊地位。通过守护新沙洲、乌龟洲右缘及铺子湾等段护岸工程,实现右汊为主汊的河势格局。

作者简介:汪红英,女,高级工程师,主要从事河道整治方面工作。